某大型水陆两栖飞机机载设备环境试验研究

闫光巍 张 健 伍 峰

（1.中航通飞华南飞机工业有限公司，广东 珠海 519040；2.中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448035）

0 引言

环境试验是环境工程中的一项重要内容，其相关工作贯穿于飞机研制的方案论证、初步设计、详细设计、原型机试制和试验以及试飞和设计定型等各个阶段，是环境可靠性设计和分析的第一要素。飞机在贮存、运输和执行任务的各个环节中会受气候、机械和电磁等各种严酷环境条件的考验。由环境因素影响导致的发动机、操作舵面、仪表、系统和起落架等设备出现损伤或功能失效是众多飞行事故的重要原因之一。

机载设备环境试验提供了一种验证环境影响的确定性手段，可发现和改进产品在结构强度、腐蚀防护以及工艺等方面的不足，也是民用飞机开展适航审定的重要部分。

某大型水陆两栖飞机主要用于森林灭火和海上搜索救援。其中，森林灭火的主要使用地域为我国东北、西南林区等森林火灾高危区和高风险区；海上救援的主要使用地域为我国黄/渤海、东海和南海周边的中远海海域，在一定条件下可以进行着水救援，通过改装还可以执行海洋环境监测与保护、远程岛礁物资补给等任务，其任务预期的使用环境包括火场和严酷的海洋环境。该文从该机预期的使用环境定义、环境试验类别识别以及飞行安全试验等方面描述了水陆两栖飞机机载设备环境试验与典型民用飞机的主要差异。

1 选择试验标准

对民用飞机来说，机载设备环境试验参考的标准主要包括美国联邦航空管理局(FAA)的技术标准规范（TSO）以及美国航空无线电委员会颁布的RTCA/DO—160，目前最新版本为2010 年颁布的G 版。

TSO 项目最低性能标准中大部分环境试验都与DO—160 相同，等效于我国颁布的技术标准规定（CTSO）。RTCA/DO—160G 定义了一系列最低标准的环境试验类别及程序，与TSO 要求相比，其试验项目更全面，选用的级别要求更高。它还删除了对标准中通用性低的试验项目，例如加速度、太阳辐射以及声振试验等试验项目，并增加了低温短时工作、高强度短时振动、防冷凝水以及严酷盐雾等试验类别，类别划分更细致。

FAA 在其发布的AC 21-16G 中推荐采用RTCA/DO—160G 标准，欧洲航空安全局（EASA）的修正案EASA CS—25 Amendment 17 也认可了RTCA/DO—160G。国内民用飞机Y12、ARJ 21、C 919、MA 700 以及HO300 轻型水陆两栖飞机等均选用DO—160 标准作为其机载设备环境试验的基础标准。因此，某大型水陆两栖飞机将RTCA/DO—160G 作为其机载设备环境试验的审定基础。

2 预期使用环境定义

预期的使用环境定义分为整机外部使用环境定义和内部设备安装环境定义。外部使用环境定义主要定义飞机的温度-高度包线、温度变化、湿度、风、降雨、积冰、冰雹、雪、砂尘、霉菌、盐雾、闪电、静电、外部高强度辐射场以及渗漏污染物等相关环境适应性要求。某水陆两栖飞机着水救援的典型任务剖面如图1 所示。

图1 着水救援典型任务剖面

飞机执行的着水救援任务包括陆上机场起飞、爬升、巡航、下降、着水、水上起飞、返航及着陆等阶段，既包括陆地和海洋，又包括巡航的高空段和海上搜索的低空段，使用环境复杂。

定义飞机的外部使用环境是制定机载设备环境试验要求的基础，设备的工作环境与其在机上具体的安装位置有关。某大型水陆两栖飞机机身采用部分增压设计，根据最大使用高度、是否增压、温控以及部分温控等条件，并考虑霉菌、盐雾、湿热以及发动机短舱区域的高温和强振动，该文将全机环境划分为6 个区域，见表1。

在表1 所示的4 类区域中，A 类区域环境最好，其为机组人员、灭火/搜索观察员、救援人员和被救人员等工作或活动的区域；B 类区域环境一般，主要布置有救援任务设备，其中B类封闭区对霉菌、盐雾的防护要求最严格；C类区域为外部区域，其与外界大气环境相同；D 类区域环境最恶劣，发动机短舱结构基本封闭，不仅温度高、振动和噪声大，而且还是爆炸大气存在的区域。机身环境分区如图2所示。

表1 某大型水陆两栖飞机全机环境区域划分

图2 机身环境分区示意图

3 环境试验类别识别

该文对RTCA/DO—160G 试验项目类别及具体要求的裁剪原则如下：1）保证试验项目的完整性。RTCA/DO—160G仅为设备级的环境试验鉴定标准，应适当考虑其他系统级和飞机级的环境试验鉴定项目，可参考ISO 2669—1995、GB/T 2421—2423 系列环境试验标准等。2）当机载设备的环境条件与标准有实质性区别时，应选择其中更严格的标准制定试验要求；当试验类别中试验参数与机载设备实际参数有差异时，也应选择其中最严格的标准制定试验要求，例如坠撞安全持续载荷、恒定加速度以及强流体冲击速度等参数。3）试验程序参考标准程序执行。但当试验条件发生变化时，试验程序参考RTCA/DO—160G 标准，可适当增加判断外观标准，例如霉菌、盐雾以及湿热等。4）合理裁剪，不要做过度要求。例如对于纯机械固定类设备来说，可以合理删减沙尘、霉菌等试验项目，避免对供应商提出过多不必要的要求。

根据上述全机环境区域划分结果以及机载设备安装区域的详细特征,可对RTCA/DO—160G 标准的不同章节进行裁剪，选择合理的试验类别。此外，还需要根据某大型水陆两栖飞机的具体特点对标准进行修改，例如温度高度、温度变化、盐雾、湿热、霉菌、工作冲击和坠撞安全、防水性、流体敏感性以及砂尘等试验项目。

3.1 温度和高度

如果超过规定的工作温度范围，那么某设备失去功能或性能不满足要求，而当温度恢复至工作温度范围内时，该设备也能恢复正常，仍可认为该设备满足对温度的要求。很多电子设备都会出现类似现象。温度的高、低对机载设备的影响主要体现在金属氧化、设备过热、脆化和物理收缩等方面。

当选择安装在外部暴露区域设备的温度、高度试验类别时，除参考RTCA/DO—160G 第四章中定义的设备分类和该章中的表4-1 的温度和高度标准以外，还需要考虑飞机的温度-高度包线，如图3 所示。

图3 飞机的温度-高度包线

例如根据DO—160G 的温度、高度标准可知，某大型水陆两栖飞机最大使用高度为7 620 m，其外部暴露区域的设备类别应为B类。但推荐的低温工作温度为-45 ℃，高于其温度-高度包线定义时考虑时间风险率所规定的最低工作温度-55 ℃，无法保证当温度为-55 ℃～-45 ℃时设备的功能和性能特性，因此可将B类的低温工作温度-45 ℃调整为-55 ℃，或根据C类的相关标准进行鉴定。

3.2 温度变化

当机载设备在高、低温工作温度之间变化的环境下工作时，由于不同材料的零部件膨胀能力不同，其机械应力会发生变化，因此可能会产生机械破坏、疲劳损伤和机械松弛等现象。在由环境因素引起的装备故障中，因温度波动而导致的故障比例高达40%。

对救援型飞机来说，其温度变化主要是由飞机高度变化引起的。飞机在座舱密封失压、飞机失火以及发动机故障等特殊情况下需要应急下降。在应急下降场景下，飞机的高度变化率最大，由此可推算飞机最大的温度变化率。经性能计算分析可知，飞机的最大下降率约为26.7m/s。该类型飞机非温控区和外部区域的设备安装环境的温度变化率约为10.4 ℃/min，可考虑根据DO—160G 第五章S类设备（已知温度变化率大于10.0 ℃/min）进行温度变化试验。对灭火型飞机来说，还需要考虑飞机在火场上空投水作业时的温度变化率，在没有充分证据指明飞机穿越火场上空的温度变化率前，采用S类（最小温度变化速率大于10.0 ℃/min，未知具体温度变化率的情况下使用S类）设备进行温度变化试验。

3.3 盐雾、湿热和霉菌

由于救援型飞机一般在严酷的海洋环境中运行，对机载设备和结构的耐腐蚀能力有较高的要求，但DO—160G 标准中的中性pH 值为6.5～7.2，与我国实际海洋环境存在一定差异。考虑到我国工业大气污染及酸雨环境特点，在调配好NaCl 溶液后，通过化学纯稀硫酸和化学纯氢氧化钠将pH 值调整为4±0.5，将湿度也调整为适用的98%，标准湿热和严酷湿热环境试验周期采用1.5 倍的修正系数。

某机载救生设备材料选用30CrMnSiA，表面涂有防滑涂层，但经湿热摸底试验发现焊接件材料不耐腐蚀，其又与铝合金结构的支架直接接触，存在结构缝隙，导致出现电化学腐蚀。这就需要更换耐蚀性较好的材料，钢铝接触面使用密封胶隔离，对钢制件进行热渗锌处理，结构缝隙使用密封胶填充，从而满足要求。

霉菌在温度为25 ℃～35 ℃、相对湿度为90%～100%的环境下生长良好，而该环境属于水陆两栖飞机的典型应用环境，根据DO—160G 第十三章规定的方法进行试验。但考虑橡胶材料在机载设备上的广泛应用及霉菌对橡胶的影响，在标准规定的菌种上可增加对橡胶件较为敏感的短柄帚霉（Scopulariopsis brevicaulis），ATCC 编号36840。目前DO—160G 霉菌试验并无外观判定规则，可根据长霉程度和长霉面积增加等级判定，见表2。

表2 长霉等级评定表

3.4 工作冲击和坠撞安全

该项环境试验分为短时的工作冲击试验和一定持续载荷的坠撞安全试验。由于水陆两栖飞机在着水时某些位置上、下2 个方向载荷超出标准推荐的3.0 g 和 6.0 g，因此应根据设备具体安装位置载荷分布确定试验标准，在实际值与标准推荐值中取较大者作为试验要求。

例如为应急放下起落架提供气压动力的某氮气瓶安装于非增压舱机头驾驶舱气密地板下的位置，根据RTCA/DO—160G 第7.2 节可知，对试件每个方向进行3 次冲击，冲击采用后峰锯齿波，上、下方向的冲击加速度调整为8.7 g（标准推荐值为6.0 g）。该坠撞安全试验持续载荷的试验量值与RTCA/DO—160G 第7.3 节推荐值的对比见表3。

表3 某氮气瓶坠撞安全试验持续载荷对比

在结构设计时，可通过结构仿真优化设计，例如增加加强筋等措施对薄弱部位进行加强，使用环氧树脂对关键元器件进行点胶加固处理。

3.5 防水性

防水性试验主要用于检测设备对喷在或落在设备上的液态水或冷凝水的耐受能力，并验证水排除系统是否有效。

对A 区内的设备来说，由于有空调系统的调节作用，因此可不考虑冷凝水和滴水等因素对该区设备的影响，但需要考虑下列特殊情况：1）飞行机组工作区域。需要考虑因饮水而造成意外泼洒的情况对设备的影响，因此主飞行控制面板和中央操纵台等区域可考虑按R 类进行试验。2）盥洗室区域。灭火型飞机不适于采用打包式马桶，救援型飞机则需考虑滴水的影响。

参考RTCA/DO—160G 第十章第10.2 节，定义机载设备防水性等级的类别，对S 类安装在可能受到液体强大流动力作用（例如在飞机除冰、冲洗或清洗时可能会遇到）位置的设备来说，适用的试验流程为该标准的第10.3.4 节，该程序定义的流速为“水流要有足够的压力，以通过直径为6.4 mm的喷嘴后能产生至少6 m 扬程的水流”。

对特殊场景来说，例如出现水上飞机在水面滑行时产生的喷溅、灭火飞机的水流进入水箱等情况，应评估水流冲刷到某些特殊设备的流速，再与上述S 类设备试验程序的流速进行对比，以评估该程序是否适用。如果超出试验程序定义的流速，就建议改变设备的安装位置或适应性修改试验流体的冲刷速度。

防水性试验不适用于气密设备，且满足R 类（防喷水）或S 类（防连续水）防水要求的均可不进行W 类滴水试验。

3.6 流体敏感性

民用飞机机载设备在其生命周期内可能经常遭遇某些特定类型的污染流体，会对其功能和物理、化学以及电气等性能产生不利影响。RTCA/DO—160G 第十一章列出了机上和地面经常遇到的7 个类别25 种典型污染流体。流体敏感性试验只针对那些安装位置上会经常遭到流体污染的设备，意外泄漏、着火以及飞机重着陆等非常规情况不作为流体敏感性试验的依据。但对设备供应商来说，为提升产品的适用范围，成熟的货架产品往往会尽可能多地进行流体敏感性试验，所采用的污染流体也可能会超出DO—160G 推荐的典型污染流体范围，其符合性方法（MoC）除试验室试验以外，也可通过符合性说明文件和分析的方法来表明。

除飞机在地面和飞行过程中可能遇到的燃油、液压油、润滑油以及除冰液等典型流体以外，还需要考虑该水陆两栖飞机特有的灭火添加剂和清洗用液体，例如对通舱灭火药剂箱周围、药剂箱和水箱内部的设备增加灭火添加剂试验要求，对驾驶舱和通舱增加飞机使用和维护过程中使用的除锈剂、电气缓蚀剂等污染流体试验要求。根据燃油、液压、电源和灭火任务系统等的布置情况，并结合全机的液体泄漏特定风险分析，选择对应的污染性流体进行试验。

例如某起落架组件除15 号航空液压油、3 号喷气燃料、防冰流体406B 和合成烃航空润滑油以外，额外增加了TFQX-1 水基型清洗剂、TFQX-3 溶剂型清洗剂；对安装在增压舱的某氧气瓶组件来说，除上述2 种清洗剂以外，还额外增加了电气插头清洁剂LSP CFC 等污染流体的试验。

流体敏感性试验的试验程序分为喷淋试验和浸渍试验，对燃油箱、液压油箱、风挡清洗剂等污染流体存放位置以及水密舱（含水箱）内的设备来说，应进行浸渍试验，其他可能因污染流体渗漏、起降过程中污水和跑道防冻液喷溅以及地面使用维护过程而遭受流体污染的设备，应进行喷淋试验。

3.7 砂尘

砂尘试验主要用以考核当设备遭遇空气中所携带的、具有一定速度的吹砂、吹尘时的能力。由于灭火型飞机在火场上空作业，森林火灾释放的烟气除有害气体以外，还包括大量炭黑粒子、灰分及其他燃烧分解产物的颗粒，因此需要考虑空调气源系统的引气和过滤能力，此外还与设备是否设有专门的防沙尘措施（例如滤网、防护罩等）有关。

在选取机载设备砂尘试验的试验要求时，应主要考虑设备的安装位置，通常民用客机的控温增压区无须进行该试验。但由于某水陆两栖飞机空调系统并无过滤功能，执行灭火任务时需要考虑烟尘的潜在影响，建议开展D 类设备防尘试验。A区可不进行该试验，B 区则根据设备是否带有防护设施选择D 类或S 类，而对C 区外部暴露区来说，则建议根据S 类设备进行吹砂和吹尘试验。

对设备供应商来说，可考察其外漏表面是否选用了耐磨材料、是否增加了防尘罩等；对继电器等电气设备来说，可采取气密密封。采取与这2 种相类似的措施，可进一步提升设备耐受砂尘影响的能力。但该项试验不适用于应急救生斧、换乘装置等纯机械固定类设备，这类设备可通过日常维护和检查来保证正常使用。

3.8 恒定加速度

RTCA/DO—160G 及其历史版本中并没有对恒定加速度试验的具体要求，仅声明应由特定设备性能标准的编写者负责指定。与坠撞安全（持续载荷）考核的动力学方面不同，恒定加速度是静力学性能试验的一部分。因为机载设备在使用过程中经常遭遇飞机转弯、拉起以及横滚等时所产生的缓变加速度，所以应对设备本身及其安装装置进行试验验证。机载设备是否开展恒定加速度试验可根据其研制保证等级确定，根据对飞机和系统安全性的影响，对A 类和B 类设备来说，建议均进行该项试验；对C 类设备来说，可以根据具体情况判断是否进行试验。

对不知用于何种平台的设备来说，加速度阈值可参考ISO 2669，对某水陆两栖飞机这类已知安装平台的机载设备来说，则根据平台自身的特点制定加速度阈值。

例如对某水陆两栖飞机主飞行控制系统的设备进行功能试验和结构试验，根据B 类设备类别的要求进行试验，副翼作动器和升降舵作动器功能试验的量值与标准推荐值的对比见表4。

表4 主操纵系统恒定加速度试验量值对比

为便于试验的开展，在实际试验过程中，可按C 类设备类别的试验要求进行试验，试验量值按表4 的1.5 倍执行，也可以不考虑机上实际的安装方向，6 个方向均按最大的加速度量值进行试验。

4 飞行安全试验

在飞行安全试验之前，如果设备未通过环境试验，或已通过其他可接受的方式表明符合性，而该设备又是飞行安全试验必要的设备，为保障飞行安全，应与适航审定方沟通确定至少须开展的试验验证项目，例如高/低温高度试验、减压试验、振动试验和爆炸大气试验等项目。申请人须对机载设备的风险进行合理评估，并承担必要的风险，通过合理地限制首飞飞行包线、环境包线以及增加一系列的限制等措施尽量控制风险。

例如在进行坠撞安全试验时，可采取飞行员模拟机训练、首飞气象条件选择、限制首飞飞行包线、限制载荷并增加起落架不进行收放的限制等措施，尽量降低飞机发生应急着陆的风险，因此某大型水陆两栖飞机首飞前选择工作冲击试验，坠撞安全试验则可在首飞后陆续完成。

5 环境试验对设计的反馈指导

通过及时制定机载设备环境试验要求，并开展摸底试验，可以对机载设备的设计和设备安装进行反馈指导。

5.1 优化产品设计

综上所述，通过进行沙尘、霉菌、盐雾以及湿热等试验，如果设备出现无法满足试验要求的情况，则可通过采取更换设备材料、增加防尘罩、气密密封以及热处理等措施对产品细节进行优化设计，从而保证鉴定试验能按期完成。

5.2 优化设备安装

对成熟的货架产品或某些因更改周期、经费等限制而难以更改的新研产品来说，在难以满足所安装位置的设备环境要求时，可通过调整设备安装位置开展优化工作。

例如某水陆两栖飞机原型机的综合无线电导航接收机NAV 安装于尾舱中，该处属于非温控、非增压的内部半封闭区。但通过摸底试验发现该设备难以满足砂尘、盐雾以及霉菌等试验要求，在改进、优化设计时，便将其布置在增压舱通舱设备柜中，从而改善设备所处环境，并满足设备的环境试验要求。

6 结论

不同机载设备的环境试验类别与设备具体的安装区域环境有关，合理地对全机的环境区域进行划分是开展设备环境试验的基础。

因为水陆两栖飞机特殊的任务作业环境使其机载设备在温度高度、温度变化、腐蚀防护（霉菌、盐雾以及湿热）、工作冲击、坠撞安全和流体敏感性等方面与民用运输类或通用类飞机存在一定差异，所以应根据飞机的使用和设计特点合理地对标准进行裁减和延伸，确定适用的试验类别，并补充恒定加速度试验，以保证静力学试验的完整性。

作为机载设备装机的最后一个环节，环境鉴定会直接影响机载设备的初始适航和持续适航，应及早开展机载设备环境摸底试验。该文建议在初步设计阶段开展环境适应性研制试验，寻找设计和工艺缺陷，通过改进、优化产品设计或调整产品安装位置等手段使其满足环境要求；在详细设计阶段进行环境响应特性调查试验，明确设备对影响其功能和性能的主要环境试验因素的耐受边界，尤其对新研产品来说，设备供应商除满足主承制商的最低要求以外，也应拓宽产品的适用能力。