張令波 程叢高

（1．海軍裝備部飛機(jī)辦，北京 100071；2.中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

艦載直升機(jī)與陸基直升機(jī)相比，部署地點由陸地轉(zhuǎn)移到海面艦船上，作戰(zhàn)區(qū)域也由基于陸地的空域轉(zhuǎn)移到以海上空域為主，實際使用過程中，所遇到的環(huán)境將隨之發(fā)生很大的變化。例如，艦載直升機(jī)長期停放在航空母艦甲板上和機(jī)庫內(nèi)，隨母艦在海洋區(qū)域內(nèi)駐留和游弋，面臨的主要環(huán)境為海洋性環(huán)境。海洋以及沿海地區(qū)高溫、濕熱、鹽霧等惡劣多變的氣候環(huán)境將對直升機(jī)上所用的各種金屬、非金屬材料、復(fù)合材料產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕作用。另外，艦載平臺誘發(fā)的海浪拍擊、傾斜搖擺等環(huán)境也會對其產(chǎn)生不同程度的影響。因此，為提高艦載直升機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性，確保其作戰(zhàn)效能的發(fā)揮，首要任務(wù)就在于準(zhǔn)確地確定艦載直升機(jī)不同于陸基直升機(jī)的特殊環(huán)境條件。本文將對艦載直升機(jī)面臨的特殊環(huán)境進(jìn)行簡要分析，并對艦載直升機(jī)環(huán)境條件確定方法進(jìn)行探討。

1 艦載直升機(jī)特殊環(huán)境分析

艦載直升機(jī)由于其特殊的部署位置，使得它停放、起飛和降落所經(jīng)受的環(huán)境條件與陸基直升機(jī)有很大的不同。下面將簡要分析艦載直升機(jī)在其壽命期內(nèi)經(jīng)受的特殊氣候環(huán)境（含生化環(huán)境）和機(jī)械環(huán)境。

1.1 氣候環(huán)境分析

艦載直升機(jī)在其壽命期內(nèi)絕大部分時間都停放在母艦的甲板上，將會受到海洋性氣候環(huán)境和誘發(fā)環(huán)境的嚴(yán)酷影響。主要影響因素包括溫度、濕度、鹽霧、淋雨、海水的噴濺、積冰、酸性大氣、流體污染和霉菌生長，其中最突出影響的有高溫、高濕和高鹽霧。

1.1.1 高溫環(huán)境

東南沿海地區(qū)進(jìn)入夏季一般氣溫都維持在30℃以上，最高可達(dá)40℃左右。母艦甲板上的太陽輻射會造成其上部署的直升機(jī)內(nèi)部溫度超過外界空氣溫度，根據(jù)GJB 150.3A–2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 高溫試驗》，當(dāng)母艦航行在南海時，在其直升機(jī)內(nèi)部誘發(fā)的溫度最高可達(dá)63℃，如表1所示。長時間高溫天氣將對艦載直升機(jī)上的發(fā)動機(jī)、設(shè)備、及設(shè)備上所用的元器件造成破壞。另外，高溫也會加快金屬和非金屬的腐蝕，特別是加速其表面涂層的老化。

表1 高溫日循環(huán)值

1.1.2 高濕環(huán)境

在甲板上部署的艦載直升機(jī)內(nèi)部由于誘發(fā)高溫，會把封閉空間內(nèi)空氣的含水量提高到外界環(huán)境條件以上，特別是部署在濕熱的熱帶地區(qū)的時候。加上沒有通風(fēng)，太陽輻射和外界環(huán)境溫度的晝夜變化，誘發(fā)機(jī)艙內(nèi)外產(chǎn)生壓差，從外界大氣吸入并截留潮氣。在白天溫度高（包括太陽輻射的間接加熱效應(yīng)）、夜間溫度低的地方，這種現(xiàn)象尤為突出。潮氣的逐漸積累能夠?qū)е聶C(jī)艙內(nèi)濕度增大，露點溫度升高，當(dāng)晝夜循環(huán)至較低溫度時極易出現(xiàn)飽和發(fā)生凝露現(xiàn)象。因此，機(jī)艙內(nèi)的相對濕度經(jīng)?？蛇_(dá)到100%。高濕度環(huán)境會由于凝露造成設(shè)備內(nèi)部積水，極易引起電路短路，還會引起材料腐蝕、表面有機(jī)涂層和無機(jī)涂層的化學(xué)或電化學(xué)破壞等。

1.1.3 鹽霧環(huán)境

部署在甲板上的艦載直升機(jī)除極易受到由海水噴濺形成的極為苛刻的鹽霧環(huán)境影響外（我國各海區(qū)的鹽霧沉降量如表2所示），還會受到航母煙囪排放的含SO2氣體的影響。據(jù)美國某航空協(xié)會驗證，停放在母艦甲板上的飛機(jī)表面聚積的濕氣中含有SO42-，最高達(dá)到33%，并具有較低的PH值（約為2.4～4.0），呈現(xiàn)明顯的酸性鹽霧特征，見表3。

通過現(xiàn)場調(diào)研和試驗發(fā)現(xiàn)，強酸性鹽霧環(huán)境極易導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕。另外，鹽的沉積也會導(dǎo)致機(jī)械部件和組件活動部分阻塞或卡滯現(xiàn)象。

1.1.4 積冰環(huán)境

在低溫地帶，甲板上的艦載直升機(jī)容易受到海水噴濺或鹽霧積水形成的積冰的影響。母艦和波浪運動的相互作用產(chǎn)生的海水噴濺、母艦的航速以及相對于盛行風(fēng)的航向，能夠影響成冰的厚度和樣式。據(jù)相關(guān)報道，在極其低溫作業(yè)的艦船上，積冰速率可達(dá)到40mm/h。冰易導(dǎo)致活動件凍結(jié)、增加雷達(dá)天線和氣動控制面重量、降低氣動升高和控制表面的效能等。

表2 我國各海區(qū)鹽霧沉降量

表3 航母排放煙塵分析

1.1.5 流體污染環(huán)境

艦載直升機(jī)可能還會不時受到母艦使用、維修保養(yǎng)中用到的、或者母艦上車輛、飛機(jī)、貨物排出的各種液體和化合物的污染。污染的原因可能是噴濺、容器的滲漏和破裂等不慎引起的；或者是有意的，如清洗、除冰后的殘留液或使用的滅火器。流體污染環(huán)境易改變直升機(jī)上所用材料的物理性質(zhì)而損害設(shè)備性能，如使塑料與橡膠出現(xiàn)開裂和膨脹、加速金屬腐蝕等。

1.1.6 霉菌生長

霉菌生長最適宜環(huán)境通常為溫暖潮濕環(huán)境。一般情況下，在高相對濕度（90%～100%）環(huán)境中，霉菌孢子能夠在5℃～50℃的溫度范圍內(nèi)均能較快生長。艦載直升機(jī)不通風(fēng)的機(jī)艙內(nèi)極易誘發(fā)有利于霉菌生長的溫度和濕度條件。霉菌在直升機(jī)電子設(shè)備的面板、儀器儀表、通信器材等表面生長，將產(chǎn)生霉變和腐蝕，造成其性能劣化、元器件失效、結(jié)構(gòu)破壞、部件失靈、功能喪失等故障。

1.2 機(jī)械環(huán)境分析

艦載直升機(jī)所經(jīng)受機(jī)械環(huán)境最大的不同來自于它停放和起飛、降落的平臺——即海面艦船，該艦船自身在海面上運動，其自身的機(jī)械運動和海浪作用均會誘發(fā)出特殊的機(jī)械環(huán)境。

1.2.1 浪拍

波浪撞擊船體的效應(yīng)，即浪拍，能夠引起沖擊載荷。

1.2.2 拍擊海面

拍擊海面是指在母艦駛?cè)氩龥坝康暮Ｃ鏁r，其本身比較平坦的船底以較高的速度拍打海面而發(fā)生的局部現(xiàn)象。拍擊海面引起的瞬時加速度在母艦上能夠達(dá)到1g。在較小的艦船上，如在掃雷艦上，曾經(jīng)記錄到5g的瞬時加速度。

1.2.3 母艦運動

海水和風(fēng)的作用能夠造成橫滾、縱搖、偏航等低頻（周期為幾秒）周期性運動。這些運動近似于簡諧運動，其固有周期取決于母艦的特性。

另外，艦船上的機(jī)械裝置包括發(fā)電機(jī)、變壓器、推進(jìn)發(fā)動機(jī)、齒輪箱、旋轉(zhuǎn)軸和螺旋槳等，它們的運行將誘發(fā)出艦船振動，對其上安裝的裝備將產(chǎn)生影響。

上述機(jī)械環(huán)境對直升機(jī)機(jī)體及其機(jī)載設(shè)備的結(jié)構(gòu)均會造成不利影響，在確定艦載直升機(jī)環(huán)境條件時，均需對此加以考慮。

2 環(huán)境條件確定方法

2.1 環(huán)境因素考慮

通過對艦載直升機(jī)特殊環(huán)境分析可知，在確定艦載直升機(jī)實際使用環(huán)境時，除需考慮常遇到的溫度、溫度-高度、振動、沖擊、加速度、濕熱、霉菌、鹽霧、淋雨、太陽輻射等環(huán)境外，在氣候環(huán)境方面，還應(yīng)考慮：積冰，酸性大氣，流體污染。

另外，在確定機(jī)械環(huán)境因素時，還應(yīng)考慮：浪拍、拍擊海面、母艦運動等。

2.2 環(huán)境條件的確定

在確定了上述環(huán)境因素以后，下面的工作就是針對每一環(huán)境因素，確定其環(huán)境條件。

2.2.1 氣候環(huán)境條件的確定

氣候環(huán)境是裝備壽命期必然遇到的最基本環(huán)境。在一些情況下，氣候環(huán)境因素直接作用于裝備（產(chǎn)品）上，此時氣候環(huán)境極值就可以作為確定其對應(yīng)環(huán)境適應(yīng)性要求的唯一依據(jù)。例如設(shè)備遇到的溫度、濕度、低氣壓、太陽輻射、風(fēng)、雪、淋雨、砂塵、鹽霧等環(huán)境。

氣候環(huán)境隨時間和地點的不同會發(fā)生顯著變化，短期采集得到的氣候環(huán)境數(shù)據(jù)根本無法代表裝備全壽命期氣候環(huán)境，也難以從中得到全壽命期氣候環(huán)境極值數(shù)據(jù)，因此，為確定氣候環(huán)境條件，一般不開展氣候環(huán)境數(shù)據(jù)采集工作，而是從相關(guān)氣候環(huán)境極值標(biāo)準(zhǔn)中收集氣候環(huán)境極值數(shù)據(jù)，并據(jù)此確定環(huán)境條件。

常用的氣候環(huán)境極值標(biāo)準(zhǔn)包括：

MIL–HDBK–310 Global Climatic Data for Developing Military Products。

AR 70–38 Research, Development, Test and Evaluation of Materiel for Extreme Climatic Conditions。

AMCP 706–116 Engineering Design Handbook,Environmental Series, Part 2, Natural Environmental Factors, DTIC Accession Number ADA012648。

Krause, P.F.and K.L.Flood.1997.Weather and Climate Extremes (Technical Report TEC-0099).Alexandria, VA: U.S.Army Topographic Engineering Center; Topographic Engineering Center Website。

GJB 1172–1991《軍用設(shè)備氣候極值》。

GB 4797《電工電子產(chǎn)品自然環(huán)境條件》。

對于艦載直升機(jī)，還需考慮海洋氣候環(huán)境相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，主要包括：

GJB 440.1–1988《艦船設(shè)備環(huán)境參數(shù)分類及其嚴(yán)酷等級 氣候、生物、化學(xué)活性物質(zhì)和機(jī)械作用物質(zhì)》。

GJB 1060.2–1991《艦船環(huán)境條件要求 氣候環(huán)境》。

GJB 1446.50–1992《艦船系統(tǒng)界面要求 氣候環(huán)境》。

GJB 3617.1–1999《軍用設(shè)備海洋氣候、水文極值》。

在分析艦載直升機(jī)壽命期將遇到的氣候環(huán)境條件時，應(yīng)根據(jù)其主要作戰(zhàn)海域和空域進(jìn)行分析，針對環(huán)境分析和環(huán)境影響分析得到的具體環(huán)境因素，查閱相關(guān)環(huán)境極值標(biāo)準(zhǔn)，確定其氣候環(huán)境條件，并據(jù)此進(jìn)行環(huán)境條件的確定。

2.2.2 機(jī)械環(huán)境條件的確定

機(jī)械環(huán)境是裝備運動誘發(fā)產(chǎn)生的環(huán)境，一般包括振動、沖擊、加速度、噪聲等全部動力學(xué)環(huán)境。由于這類環(huán)境隨載機(jī)平臺不同而不同，對于每個裝備平臺來，可以說都是獨一無二的，沒有哪個標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范能直接給出具體的環(huán)境數(shù)據(jù)，因此，為在艦載直升機(jī)研制早期更為準(zhǔn)確地確定其機(jī)械環(huán)境條件，通常需要收集相似直升機(jī)的機(jī)械環(huán)境數(shù)據(jù)，在必要時可能需要安排相似直升機(jī)環(huán)境數(shù)據(jù)采集工作，以獲得充足的機(jī)械環(huán)境數(shù)據(jù)。

在獲得相似直升機(jī)平臺環(huán)境數(shù)據(jù)以后，必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，獲得各種實測環(huán)境條件，下面以振動為例，介紹實測振動數(shù)據(jù)處理方法。

早期進(jìn)行振動環(huán)境數(shù)據(jù)歸納時，常使用HB/Z87–1984《直升機(jī)飛行振動環(huán)境測量數(shù)據(jù)的歸納方法》和GB 10593.3–1990《電工電子產(chǎn)品環(huán)境參數(shù)測量方法 振動數(shù)據(jù)處理和歸納方法》，這兩個標(biāo)準(zhǔn)采用的是極值包絡(luò)法（或是有一定風(fēng)險率的極值包絡(luò)法），沒有根據(jù)數(shù)據(jù)樣本數(shù)量和數(shù)據(jù)分布特性進(jìn)行統(tǒng)計處理（按一定的置信度和數(shù)據(jù)包絡(luò)的百分位點來統(tǒng)計環(huán)境數(shù)據(jù)），難以確定有統(tǒng)計意義的環(huán)境條件。當(dāng)前在歸納振動環(huán)境條件時，使用的是GJB/Z 126–1999《振動、沖擊環(huán)境測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計歸納方法》提出的統(tǒng)計容差上限方法。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用P99/90振動譜作為給定，其分析流程如圖1所示。

圖1 實測振動數(shù)據(jù)處理方法流程

應(yīng)該注意的是，直升機(jī)使用振動由直升機(jī)主旋翼、尾槳、傳動機(jī)構(gòu)等旋轉(zhuǎn)部件的運動、空氣動力和發(fā)動機(jī)噪聲共同誘發(fā)，其環(huán)境特性呈現(xiàn)正弦疊加隨機(jī)特性，其振動測量數(shù)據(jù)包括了正弦分量和隨機(jī)分量，因此，在對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計歸納前，首先應(yīng)將振動數(shù)據(jù)中的正弦分量與隨機(jī)分量進(jìn)行分離，然后對相同狀態(tài)下的正弦分量和隨機(jī)分量分別進(jìn)行歸納，從而得到所需的振動環(huán)境條件。

3 環(huán)境試驗條件確定示例

下面以鹽霧環(huán)境為例，確定某型艦載直升機(jī)鹽霧環(huán)境試驗條件。

根據(jù)2.2.1條，鹽霧環(huán)境屬于氣候環(huán)境，應(yīng)查閱國內(nèi)外相關(guān)的氣候環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)艦載直升機(jī)實際使用區(qū)域和特點，確定其鹽霧環(huán)境試驗條件。

目前，國內(nèi)現(xiàn)有鹽霧環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)包括：GJB 150.11A–2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 鹽霧試驗》、GJB 4.11–1983《艦載電子設(shè)備環(huán)境試驗鹽霧試驗》，GJB 360.2–1987《電子及電氣元件試驗方法》，GB 2423.18–1985《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗規(guī)程 試驗Kb：交變試驗方法（氯化鈉溶液）交變鹽霧》。各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鹽霧環(huán)境試驗條件如表4所示，由表4可見，國內(nèi)鹽霧環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)均為中性鹽霧試驗。

表4 國內(nèi)各標(biāo)準(zhǔn)鹽霧環(huán)境試驗條件對比

其中，GB 2423.18–1985嚴(yán)酷等級1和2適用于試驗在海洋環(huán)境或近海地區(qū)使用的產(chǎn)品。嚴(yán)酷等級1適用于試驗在大部使用壽命期間暴露于這種環(huán)境的產(chǎn)品（如船用雷達(dá)、甲板設(shè)備）；嚴(yán)酷等級2適用于試驗可能經(jīng)常暴露于海洋環(huán)境，但通常會受封閉物保護(hù)的產(chǎn)品（如通常在船橋或在控制室內(nèi)使用的航海設(shè)備）。

然而，由于航母煙囪釋放的煙中含有大量二氧化硫，因此，艦載直升機(jī)周圍的氣候環(huán)境往往呈酸性。例如，Ketcham報告中（NADC77252-30）指出在4艘不同的航母飛行甲板上停放的飛機(jī)蒙皮上水氣的PH值變化范圍為：2.4～4.0。美國海軍航空發(fā)展中心（NADC）對海軍飛機(jī)材料的試驗室加速腐蝕試驗做了大量的試驗研究及驗證，并形成了較成熟的海軍飛機(jī)鹽霧環(huán)境試驗方法（參考NADC81174-60）。參考NADC81174-60，艦載直升機(jī)鹽霧環(huán)境試驗條件可確定為：

試驗溫度：49℃～52℃；

鹽溶液：1份ASTM D1141規(guī)定的溶液兌入10份蒸餾水；

按ASTM B117標(biāo)準(zhǔn)噴霧，共4個循環(huán)，每循環(huán)為6h，其中5h連續(xù)噴鹽霧溶液，1h停止。在噴鹽霧結(jié)束前15min噴入SO2，噴鹽霧結(jié)束后持續(xù)噴SO215min，SO2噴入速率為1.0±0.2cm3/min/ft3。

4 結(jié)論

艦載直升機(jī)環(huán)境條件確定得是否科學(xué)合理，直接關(guān)系到其研制難度、進(jìn)度、成本以及維護(hù)和維修。在確定其環(huán)境條件時，首先應(yīng)對其實際使用的復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行分析，結(jié)合艦載直升機(jī)結(jié)構(gòu)特點、任務(wù)特點和壽命期環(huán)境剖面，分析其對直升機(jī)的影響，其次，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范給出極值數(shù)據(jù)、相似直升機(jī)平臺環(huán)境測量數(shù)據(jù)，分析確定其環(huán)境條件。最后，還必須加強環(huán)境數(shù)據(jù)的收集和采集工作，尤其是對艦載直升機(jī)平臺的環(huán)境數(shù)據(jù)的測量和收集，建立其環(huán)境數(shù)據(jù)庫。這不僅可為艦載直升機(jī)環(huán)境條件的合理確定提供依據(jù)，而且也可為其環(huán)境適應(yīng)性要求的驗證起到非常重要的作用。

圖2 不同試驗嚴(yán)酷等級試驗持續(xù)時間

[1] 張彩先，楊小河，周紹華等.東南沿海環(huán)境因素對直升機(jī)的影響研究[J].裝備環(huán)境工程，2010，7（6）：126-127.

[2] GB/T 4797 電工電子產(chǎn)品自然環(huán)境條件[S].

[3] Ketcham S.J.Accelerated LaboratoryCorrosion Test for Materials and Finishes Used in Naval Aircraft [R].Naval Air Systems Command Report NADC-77252-3, of 14 Sep 1977.

[4] Morris A.W.Corrosion Control Test Method for Avionic Components[R].Naval Air Development Center Report NADC-81174-60, of 25 Sep 1981.