海洋环境下机载电子装备腐蚀防护设计与典型工艺研究

史亮，张裕，肖伟

（中国电子科技集团公司第五十二研究所，杭州 311121）

引言

腐蚀是飞机机载电子装备的主要失效形式之一，对服役于海洋环境下的舰载飞机（包括舰载直升机、固定翼飞机和无人机）则更为突出，它将影响机载电子装备运行的可靠性、安全性和稳定性。特别是多数电子装备、电缆、搭接线都处于机身蒙皮与内饰之间，可维修性较低，且腐蚀难以发现，因此，腐蚀的发生大大的增加了飞机使用维护成本，严重时甚至危及飞行安全。

海洋环境下机载电子装备的腐蚀防护决定了飞机机载电子装备的寿命和耐久性。在设计过程中，腐蚀防护设计是保证飞机使用寿命期内结构完整性的重要内容，是飞机高可靠性、易维护的重要保证。

本文通过对舰载飞机所处的海洋环境进行影响分析，研究机载电子装备有关腐蚀防护设计与典型工艺，并通过试验验证其有效性，希望可为有关装备研制工作提供参考。

1 海洋环境分析

伴随着走向深蓝的脚步，有关装备的研制也面临着许多新的挑战，海洋环境下机载电子装备的腐蚀防护便是其中重要一环。海洋环境与内陆环境相比差别极大，海洋环境下空气湿度大、盐雾浓、霉菌多，环境更为恶劣，这些直接导致了舰载飞机相比陆基飞机腐蚀情况更为严重。根据美军对沿海空军基地的调查统计数据[1]，大约40 %的军用飞机机载电子设备故障是由于腐蚀直接导致的[2,3]，而如果加上海洋环境引发的间接因素，那么自然环境因素将占到了故障原因的70 %以上[4]，即海洋环境引起的设备腐蚀和霉变。接下来将围绕机载电子装备所处的载机总体环境和局部安装环境分别进行分析。

1.1 载机总体环境

舰面机载电子装备在其服役寿命周期内所处的载机总体环境可以分为三类：舰上环境、使用环境和维护环境。

1）舰上环境

舰载飞机服役期间，长期处于高盐、高湿和高温环境中，而且受燃料废气所含的硫化物影响，叠加了酸性大气腐蚀环境。四种腐蚀环境同时存在又相互作用和叠加影响，使得舰载飞机相较于陆机飞机的腐蚀风险问题更加突出[5]。舰载飞机上的机载电子装备及其附件虽然通常安装于飞机机体内部，但在服役期内同样面临上述四种腐蚀环境的影响，因为这些安装部位通常并不是完全密封的，而且由于处于飞机内部，使得检查腐蚀情况更加困难[6]。

由于舰船上机库容量有限，通常不能容纳所有的舰载飞机，相当一部分舰载飞机将直接停放于舰船甲板上，飞机口盖、舱门和设备区等需频繁开启进行检查、维护和修理。而一般情况下，舰载飞机和舰船采用的化石燃料主要包括航空煤油、舰船用柴油或重油，舰载飞机和舰船排放的尾气所含的二氧化硫（SO2）在海洋环境下的潮湿空气中会形成腐蚀性极强的硫酸水汽（H2SO4）。因而，在飞机维护、修理等长时间打开机载设备区时，硫酸水汽会渗入机体及装备中加速腐蚀的产生。此外，当遇到海上恶劣天气时，飞行甲板被海水冲刷，飞机及外露的机载电子装备处于海水飞沫和盐雾空气中，会受到海水、盐雾的直接侵蚀，舰载飞机机载电子装备腐蚀图见图1、图2。

图1 舰载飞机机载电子装备腐蚀图

图2 舰载飞机机载电子装备腐蚀图

2）使用环境

参考美军的有关数据，其常规动力航母搭载的舰载机每架次平均每天约有1 h的飞行时间，其核动力航母搭载的舰载机由于可使用电磁弹射装置提高了起飞效率，每架次平均每天可达到2 h的飞行时间，这已经是相当高的训练强度[7]。由此可见，舰载飞机绝大部分时间处于甲板停机状态，飞机长时间静置，热量缺失的机载电子装备在非工作阶段腐蚀行为更为活跃（热量可驱除和减少湿气）。同时，因为水分离器和空气调节器的停止工作也会使得密封失去效用。

此外，海军飞机在低空掠海飞行过程中，含盐分湿气会渗入飞机中，极易导致电缆、电连接器、控制开关、焊接线和电搭接处等零件或部位产生腐蚀问题，见图3。

图3 舰载飞机航空连接器腐蚀替换件图

3）维护环境

①舰面及靠港维护

机载电子装备长时间在舰面或靠港维护操作会带来一些潜在问题，靠港拆卸维护和修理可能会损伤原有密封、破坏密封完整性、破坏紧固件的锁紧、磨损电镀层。部分系统口盖长时间开启（如天线屏蔽器、设备区舱门，维护口盖等），海洋环境下的高盐、高湿、高温空气将对电子装备内部的电子元器件和金属结构件造成腐蚀损伤。

②舰载飞机的清洗

为防止舰载飞机的腐蚀，原则上应频繁清洗机体上的盐雾沉积物，但受限于海上淡水资源及设施设备，通常情况下每隔2周会使用清洗剂和淡水清洗机体上的盐雾沉积物，包括对通风口、进气孔阀、蒙皮和其它潜在进水处进行清洗，清洗频率、清洗质量远远不及岸基飞机。清洗中若口盖、舱门的密封老化和损坏，则会导致渗水，引发局部腐蚀。而冲洗下的油污、燃料残渣和其它表面污染物，会对电缆绝缘包皮造成腐蚀。

1.2 局部安装环境

机载电子装备安装在舰载飞机平台上，其所处局部安装环境不尽相同，所受到的平台诱发腐蚀环境也存在差异。参照GJB/Z 594A-2000[8]，并根据舰载飞机机体结构特点，以及飞机不同结构区域、位置、舱段（室）等局部区域环境在飞行状态下的控制情况，机载电子装备局部安装环境可划分为Ⅰ类（内部封闭环境区）、Ⅱ类（内部半封闭环境区）、Ⅲ类（敞开/外露环境区）3个等级[9]，对应不同的环境要素和使用特性，具体差异及特点见表1。

表1 机载电子装备局部安装环境分类表

不同等级的区域环境，其对应的环境要素和使用特性不同，诱发腐蚀环境也存在差异。

1）I类（内部封闭）环境区

I类环境区安装的电子装备一般情况下不直接暴露在海洋大气中，但在设备故障维修阶段，这些封闭驾驶舱、工作舱、设备舱的舱门或口盖将被长时间打开，有时修理故障周期长达10 h以上，此时高湿、高盐雾和含燃料废气的腐蚀大气将进入密封舱室。此外，遭遇恶劣海况天气时，内部电子装备也可能会受到海水的直接侵入。

2）Ⅱ类（内部半封闭）环境区

Ⅱ类环境区安装的电子装备，会遭受更大几率的腐蚀因素影响。Ⅱ类区域往往是非密封或者气密的结构区域，该环境区的盐雾情况与飞机外部环境类似，但飞溅的海水、雨水及外部结构产生的凝露（含有腐蚀性极强的硫酸H2SO4）等会沿缝隙渗入机体及设备中，在一定的温度影响下，内部水汽的蒸发形成更恶劣的湿热环境，而加速电子元器件（如电连接器），异种金属接触部位（如螺钉、螺母、紧固件、支架等），控制杆开关面板和控制台等机载设备的腐蚀。

同时，舰载飞机日常维护中的清洗操作也会为Ⅱ级环境区的电子装备带来极大的影响。表面活性剂在清洗飞机零部件时会降低其表面张力，使得清洗溶液具有很强的渗透性，溶解了油污、燃料残渣和其它表面污染物的清洗剂，会沿缝隙渗入机体及设备中，加速腐蚀非金属材料（如电缆绝缘包皮）。

2）Ⅲ类（敞开/外露）环境区

Ⅲ类环境区的电子装备将同时受到I区、Ⅱ区腐蚀环境因素的影响，并更加的严酷。如起落架舱，在舰载飞机停放阶段，起落架舱直接暴露在海洋环境下，长期遭受高湿、高盐雾海洋大气环境的作用。同时，中大型舰船动力系统化石燃料燃烧产生的废气以及舰载飞机起降过程中排出尾气会与海洋盐雾组合产生酸性潮湿层，通常会形成酸性液膜附着在飞机结构表面，这种复合酸性盐雾将强化对舰载飞机机载电子装备的腐蚀作用[10]。而遇到恶劣天气时，飞行甲板被海水冲刷，飞机及外露的机载电子装备处于海水飞沫和盐雾空气中，会受到海水、盐雾的直接侵蚀。

2 腐蚀防护设计与典型工艺

2.1 材料选用及表面处理（涂层）

根据以上环境分析可知，即便机载电子装备安装于条件相对较优的Ⅰ类（内部封闭）环境中，电子装备外表面依然会在特定条件下暴露在高湿、高盐雾和含燃料废气的腐蚀大气环境中，承受较为恶劣的环境因素的影响。电子装备内部各零部件及功能模块则主要依赖于电子装备本身的密闭设计将内外环境进行隔离。因此，在材料选用及表面处理（涂层）方面主要采取以下措施：

1）优选系统目录内材料和已成熟应用并验证可靠的牌号、型号；

2）所有目录外材料提前进行摸底验证，确保所选材料符合环境指标要求；

3）所有金属材料、印制板等均进行严格的表面处理措施。

机载电子装备典型材料及表面处理（涂层）如表2所示。

表2 机载电子装备典型材料及表面处理（涂层）表

2.2 结构设计与工艺

为应对高湿、高盐雾和含燃料废气的腐蚀大气环境，整体结构上通常采取密封机箱设计，将内外环境进行隔离，避免外部腐蚀介质进入装备内部，一般可采用以下腐蚀防护设计原则：

1）应考虑装备在机体安装时的姿态，如在顶部吊装、侧壁安装的设备，必须考虑在装机状态下的防排水问题；

2）焊接结构机箱不能在有应力腐蚀的环境条件下使用；

3）上盖板表面不得有凹槽或减重腔，或将减重腔设置在机箱内部，避免积水腐蚀，如图4所示；

图4 装备机箱结构设计图

4）可采用双重密封结构设计方案，外层隔绝环境，内层电磁屏蔽，在保证环境密封设计的同时兼顾电磁屏蔽性能，如图5所示；

图5 双层屏蔽密封设计示意图

5）外表面应避免布置凹槽、盲孔、缝隙、孔隙和尖角，尽量单一、致密、光滑，保证腐蚀性介质不易滞留和聚集；

6）零部件尽可能避免采用异种金属接触，以避免电偶腐蚀[11]。必须接触的异种金属，应采取防接触腐蚀的控制方法，例如对黄铜接地柱进行表面镀镍处理[12]，在安装时保护表面镀层，同时对接地柱安装尺寸进行严格控制，避免过盈配合，确保不会进行强迫装配而破坏镀层；

7）紧固件尽量安装在垂直面上（沿侧面边缘分布），若不可避免在机箱顶部安装紧固件，应采用密封剂进行湿安装，并进行封包处理；

8）尽量水平安装电连接器，避免垂直安装电连接器，如图6所示，必要时可通过使用“L”型的电连接器尾部附件来改变电缆走向，确保电连接器水平安装；

图6 典型电连接器安装图

9）内部各功能模块、背板等印刷电路板均以竖直方向装入机箱，尽量避免水平安装，防止湿气、冷凝水聚集；

10）活动组件的零部件需进行表面处理后涂覆润滑脂。

2.3 线缆设计与工艺

线缆是机载电子装备与外部实现信息交互的重要传输通道，也是装备正常工作的供电渠道。线缆的设计十分关键，是其寿命期内正常工作，免受腐蚀影响的重要保证。由于装备内联线缆主要依赖于电子装备本身的密闭设计将内外环境进行隔离，故此处主要讨论外联线缆的设计要点，一般可采用以下腐蚀防护设计原则：

1）穿舱线缆通道尽量避免设置在易积水位置，如必需设置于易积水的位置，则应在通道口设防水密封堤，堵塞渗漏通道，并密封好电缆尾部附件，如图7所示；

图7 穿舱线缆示意图

2）线缆避免从上方或侧上方进入电连接器，使得水份、操作液体沿线缆走向流入电连接器内部。线缆应保留足够长度余量，设置低位滴水或滴水环，如图8所示；

图8 滴水环示意图

3）线缆外部需要进行防护，特别是金属外壳的半钢电缆。线缆外部可采用带胶热缩管或电气专用缓蚀剂等控制腐蚀的措施，特别是位于Ⅱ类（内部半封闭）和Ⅲ类（敞开/外露）区域的线缆，极易产生腐蚀问题，可喷涂电子设备专用水置换型缓蚀剂（如CRC 3-36）；

4）在线缆选型方面，应选择具有绝缘性能好、耐化学稳定性高、易加工等特点的线材。一般可采用聚四氟乙烯绝缘安装线，不允许使用聚氯乙烯安装线；

5）在线缆电连接器选型方面，应根据电连接器所处位置选择合适的壳体材料，具体如表3所示；

表3 线缆电连接器选型建议表

6）线缆电连接器与线缆连接处可采用灌封防护工艺，保证密封层平整覆盖线缆芯线剥皮部分。灌封完成后，在电连接器壳体及尾部附件外表面喷涂电气专用缓蚀剂；

7）在完成航插头与航插座对接后，为防止插头插座连接体本身密封泄露，可在插头与插座螺纹连接处及插头尾部卡簧缝隙使用有机硅密封剂密封。

2.4 过程控制

1）确保车间半成品仓库保持清洁、干燥，预防雨水及腐蚀性介质侵入。对金属有害的化学药品和其它物质应单独存放[13]。在半成品仓库存放的零件应注明封存日期，并定期检查存放质量；

2）确保在金属零件上做标记所使用的标记笔不含有石墨（碳）等对金属有不良影响的成分[14]；

3）确保所有作业、检验、调试等人员，不赤手接触零件的最终加工表面[15]；

4）确保具有最终加工表面的零件、易锈零组件、热加工后需要防锈处理的零件和组装后的部件，均得到及时清洗并进行防锈处理；

5）确保所有组装后的整件都应进行清理以去除残留物（如金属屑、破碎紧固件和灰尘）[16]。

3 试验验证与结果分析

3.1 试验验证

本单位某型机载电子装备应用以上腐蚀防护设计和典型工艺方案进行了样机投产，并以本样机为样本，在2021年12月～2022年1月期间，根据GJB 150.9A-2009《军用装备实验室环境试验方法 第9部分：湿热试验》[17]、GJB 150.10A-2009《军用装备实验室环境试验方法 第10部分：霉菌试验》[18]和GJB 150.11A-2009《军用装备实验室环境试验方法 第11部分：盐雾试验》[19]，在湿热、霉菌、酸性盐雾等环境条件下进行了试验验证，具体见表4所示。

表4 湿热、霉菌、酸性盐雾环境试验验证汇总表

3.2 结果分析

经试验验证，试验样本在湿热、霉菌、酸性盐雾等腐蚀环境下，可保持结构稳定性，达到有关防护指标要求，实现腐蚀防护设计目标，本文所述腐蚀防护设计和典型工艺方案切实有效。

4 结束语

近年来，我国海军重大装备建设领域取得了长足发展，以中大型舰船为载具平台的舰载飞机使用日益常态化，直接面对着海洋环境对有关装备的严酷考验。与一些拥有丰富舰载飞机使用经验的国家相比，我国起步晚、经验浅、样本少、数据缺，因此，研究海洋环境下机载电子装备腐蚀防护设计和工艺具有很强的现实意义和理论价值，希望可为有关装备研制工作提供参考。