劉釗 解志鋒

摘要： 本文主要針對直升機在海洋氣候使用環(huán)境條件下發(fā)生的相關(guān)問題和故障，對因海洋環(huán)境而導(dǎo)致的故障及損傷機理行深入分析，給出了海洋氣候環(huán)境下高鹽霧、高腐蝕等使用情況下易引起直升機及設(shè)備故障的原因，并對海洋氣候因素對直升機各系統(tǒng)、設(shè)備單元的影響給出了相關(guān)設(shè)計改進和維修措施，同時以直升機海洋使用任務(wù)剖面，建立環(huán)境適應(yīng)性綜合評估方法，通過評估–改進相結(jié)合的海洋使用環(huán)境直升機適用性評估方法，對提高直升機海洋環(huán)境下的作戰(zhàn)使用能力意義重大。

關(guān)鍵詞： 艦載直升機;海洋氣候環(huán)境;故障模式分析

引言

航空裝備在海洋氣候使用環(huán)境條件下飛行，不但[1]導(dǎo)致金屬材料腐蝕，更會導(dǎo)致橡膠材料的老化、體積膨脹、表面模糊、機體表面腐蝕和橡膠密封件受潮老化等諸多問題，以及還會發(fā)生電子設(shè)備單元失效等故障[2]，導(dǎo)致部件功能失效，降低了裝備的可靠性水平，導(dǎo)致海洋航空裝備的物理性能發(fā)生明顯的變化，危機海洋航空裝備的安全性。

因此直升機裝備的作戰(zhàn)效能與環(huán)境的適應(yīng)能力密切相關(guān)。世界軍事史上無數(shù)戰(zhàn)例都證明了，因不適應(yīng)熱帶海洋濕熱、高鹽霧等環(huán)境，武器裝備嚴重腐蝕、海洋生物附著等，導(dǎo)致機械故障、控制失靈、通訊中斷而造成失敗和人員傷亡。因此綜合分析航空裝備海洋氣候條件下的適應(yīng)能力，試飛期間對發(fā)現(xiàn)的因海洋環(huán)境而導(dǎo)致失效的問題進行改進，以綜合提高航空裝備的作戰(zhàn)效能。

海洋環(huán)境氣候條件影響因素

溫度及濕度環(huán)境

直升機常年部署在海洋區(qū)域，據(jù)統(tǒng)計，我國南海及周邊群島海域2008–2018年十年間，平均年相對濕度在80%–84%之間，濕度最高能夠達到100%，最低達到47%，月平均相對濕度大于80%的時間一年有9個月以上，同時高濕熱環(huán)境常年影響裝備的環(huán)境適應(yīng)能力。以下表1為南海及附近島嶼常年的溫度情況。

鹽霧環(huán)境

鹽霧是大氣的液滴所構(gòu)成的鹽霧分子彌漫系統(tǒng)，海洋中海水的劇烈擾動、風(fēng)浪擊碎和海浪的拍打形成了大量泡沫和水氣泡，氣泡破碎時產(chǎn)生小水滴[3]，氣流擾動的環(huán)境下，可以擴散到很遠的地方，鹽霧環(huán)境會導(dǎo)致金屬材質(zhì)材料的腐蝕，可以導(dǎo)致多種機械結(jié)構(gòu)的損傷模式，因此直升機機體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和設(shè)備在自然環(huán)境的腐蝕情況往往更加嚴酷。

降水

對南部海洋的海水進行大氣降水采樣[4]，測試pH值以及陰、陽離子濃度，夏天降水pH均值為6.2，最小值為3.4。通過測試數(shù)據(jù)反應(yīng)出南部海洋的海水的特征，具有酸性特點且濃度較高，含有酸性的高鹽濃度降水對飛行以及駐艦停留的直升機裝備會造成損傷。

酸性鹽霧

航空裝備在海洋環(huán)境中的酸性鹽霧綜合環(huán)境影響作用下，酸性分散氣體與裝備的表面結(jié)構(gòu)相遇會導(dǎo)致酸性鹽霧氣體的強化作用，作用機理如下：含SO2的酸性鹽霧氣體會對產(chǎn)品產(chǎn)生腐蝕性，中性鹽霧與酸性鹽霧腐蝕損傷的作用破壞原理不同[5]，SO2是強氧化還原劑，能夠?qū)Ψ墙饘俨馁|(zhì)的涂覆層表面及非金屬材質(zhì)進行較強的酸性腐蝕，會對直升機機體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)損傷。

艦船沖擊振動、顛震、傾斜和搖擺

航空裝備駐艦停放時受到船體各部件機械運動[6]，以及發(fā)動機、槳葉的高速轉(zhuǎn)動和自然環(huán)境風(fēng)浪的誘發(fā)振動環(huán)境，疊加寬帶隨機振動。形成累積效應(yīng)，以及海浪的顛震環(huán)境，導(dǎo)致振動的作用時間短，作用周期長。在艦船的航行、轉(zhuǎn)彎、以及操作不當都會導(dǎo)致?lián)u擺、上下往復(fù)運動，誘發(fā)傾斜、搖擺環(huán)境，傾斜容易導(dǎo)致直升機導(dǎo)彈承受誘發(fā)的靜態(tài)力，搖擺將使掛裝導(dǎo)彈承受誘發(fā)的動態(tài)力。

海洋環(huán)境失效及故障模式

失效故障模式

對某型直升機在南海環(huán)境下使用期間發(fā)生的故障和問題進行統(tǒng)計，可以發(fā)現(xiàn)航空裝備在服役期間，因高鹽霧、高濕度導(dǎo)致的發(fā)動機表面銹蝕、電子設(shè)備單元失效等故障。海洋環(huán)境因素對航空裝備作戰(zhàn)效能影響巨大。其主要的損傷模式見圖1所示。

海洋環(huán)境適應(yīng)性檢查

試飛期間針對艦面環(huán)境重點對易受海洋環(huán)境損壞的直升機關(guān)鍵部位開展氣候環(huán)境適應(yīng)性檢查，同時結(jié)合氣候環(huán)境的損傷模式，主要從以下幾個方面進行檢查：

檢查機體結(jié)構(gòu)部件是否有恰當?shù)姆雷o措施[7]，在主要金屬材料表面是否采取了防護措施，如氧化、鍍覆層、油漆涂層等;

檢查直升機平臺容易進水的部位是否采用了密封措施，如鉚接等;

機體結(jié)構(gòu)和設(shè)備艙是否設(shè)計了防止水滲入或漏入內(nèi)部，所有設(shè)備艙、口蓋、艙門和窗戶密封性應(yīng)能夠滿足使用需求;

直升機機體平臺應(yīng)有合適的排水通到，使積存的水或其他液體能有效的排除，駕駛艙和設(shè)備艙是否具有防水裝置，以防護不能遇水的部位;

機體和設(shè)備結(jié)構(gòu)密封是否避免凹槽和縫隙，對縫隙是否采用相應(yīng)的密封措施，防止外來物質(zhì)雜質(zhì)進入;

主要設(shè)備艙是否設(shè)置通風(fēng)口，以減少霉菌環(huán)境的產(chǎn)生。

針對直升機不同的位置區(qū)域，根據(jù)受環(huán)境影響損傷程度，對重點檢查部位采取周期性的檢查方法，對易損傷部位進行預(yù)防性維修工作。

直升機海洋環(huán)境綜合評估

綜合評估方法

海洋環(huán)境對直升機的作用主要是綜合作用疊加導(dǎo)致，綜合作用對裝備影響巨大，基于對直升機不同海洋使用環(huán)境的任務(wù)剖面進行分析，給出環(huán)境適應(yīng)性綜合評估結(jié)果，本文主要結(jié)合海洋使用環(huán)境下飛行使用任務(wù)剖面，對因海洋環(huán)境而導(dǎo)致的故障和執(zhí)行該任務(wù)剖面下發(fā)生的總故障進行分類分析，確認受海洋環(huán)境而導(dǎo)致的故障失效事件結(jié)果對任務(wù)的影響，具體評估方法流程見圖2所示。

根據(jù)上述流程圖[8]，具體分析計算方法如下：

首先根據(jù)直升機海洋環(huán)境下執(zhí)行的任務(wù)剖面確定使用環(huán)境;針對特定任務(wù)執(zhí)行時機和剖面，開展環(huán)境因素分析，對執(zhí)行任務(wù)剖面和使用環(huán)境分別進行編號i、j，第i個任務(wù)剖面第j項使用環(huán)境為Eij，這里的環(huán)境指的是飛行使用環(huán)境;分析直升機、系統(tǒng)組成，對直升機第k個系統(tǒng)進行仿真環(huán)境效應(yīng)模擬分析，根據(jù)極限仿真的方法得到其環(huán)境耐受極限為Ek，具體計算方式為：

其中：

為極限仿真環(huán)境下發(fā)生的所有失效故障數(shù);

為第極限仿真環(huán)境下因海洋環(huán)境而導(dǎo)致的失效故障數(shù)。

根據(jù)艦載直升機、系統(tǒng)環(huán)境的使用信息，進行環(huán)境適應(yīng)性分析。通過考慮不同使用剖面下的相關(guān)性（例如累加的環(huán)境應(yīng)力、任務(wù)剖面的誘發(fā)）和空間關(guān)聯(lián)性;根據(jù)環(huán)境參數(shù)的分析結(jié)果，評價環(huán)境的適應(yīng)能力程度fs=Ek/Eij。如果fs<1，表明環(huán)境適應(yīng)能力不滿足要求，應(yīng)繼續(xù)改進優(yōu)化并完善;如果fs趨近于1，表征設(shè)備產(chǎn)品的環(huán)境使用能力接近臨近狀態(tài)值，明確各種換進參數(shù)的不確定性，通過綜合運用仿真、試驗等手段進一步評估裝備、產(chǎn)品的環(huán)境使用適應(yīng)能力;如果fs>1，表征環(huán)境使用適應(yīng)性能良好，但是fs過高，表征帶來更高的設(shè)計成本。根據(jù)分析結(jié)果，識別直機、系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)設(shè)計和研制工作提供依據(jù)。

應(yīng)用案例

某型部署在海洋環(huán)境條件下使用的直升機，主要執(zhí)行搜救和運輸任務(wù)，根據(jù)極限仿真的方法得到其耐受極限為Ek=0.85，針對該型直升機執(zhí)行南海環(huán)境下的高濕度、高鹽霧等環(huán)境條件下的運輸任務(wù)，Eij=1.12，適應(yīng)能力的余量fs=Ek/Eij=0.71，根據(jù)分析結(jié)果對因環(huán)境因素導(dǎo)致燃油泵密封失效，綜合顯示系統(tǒng)因鹽霧環(huán)境導(dǎo)致的元器件失效進行優(yōu)化改進，提高直升機整機的環(huán)境適應(yīng)性。該海洋環(huán)境適應(yīng)性的分析方法已應(yīng)用某型直升機海洋環(huán)境使用適應(yīng)性的分析過程中，能夠更快、更全面的發(fā)現(xiàn)存在的設(shè)計缺陷，及時完善艦載直升機海洋腐蝕環(huán)境下的適應(yīng)性設(shè)計短板，試飛過程中充分暴露相關(guān)問題，確保直升機的任務(wù)成功概率，降低研制成本，提高研制效率。

總結(jié)

本文從各個方面對直升機、系統(tǒng)的海洋環(huán)境適應(yīng)性進行分析，對裝備的海洋環(huán)境進行探討，從單一因素對裝備的影響，到綜合環(huán)境的影響，全面地給出了艦載直升機的海洋環(huán)境適應(yīng)能力檢查和評價方法，可廣泛應(yīng)用直升機、系統(tǒng)海洋環(huán)境適應(yīng)性評估，在試飛階段暴露系統(tǒng)存在的重大設(shè)計缺陷，及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)險問題，在后續(xù)艦載直升機的設(shè)計和評價階段具有較高的使用效益，為提高航空裝備的海洋環(huán)境使用適應(yīng)性能力打下基礎(chǔ)。

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