張敬鋒，劉元海

（1.結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制航空科技重點實驗室，湖北 荊門 448035；2.中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

中國民用航空規(guī)章第25 部《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》（CCAR-25）規(guī)定，民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備必須按適航標(biāo)準(zhǔn)制定或推薦的咨詢通告（AC：Advisory Circular）或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)完成相關(guān)的取證試驗。環(huán)境試驗是適航取證試驗的重要組成部分[1-2]，民用機(jī)載設(shè)備的規(guī)章《民用航空材料、零部件和機(jī)載設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CCAR-37）給出了民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（TSO：Technical Standard Order）[3]。在環(huán)境試驗方面，TSO 給出了通用型和非通用型環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)。其中非通用型環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了環(huán)控、滅火、燃油、救生等系統(tǒng)具體設(shè)備/分系統(tǒng)的試驗項目；通用型環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)AA 則在發(fā)布的AC 21-16G 中強(qiáng)烈建議采用RTCA DO-160G。與DO-160G 對應(yīng)的歐洲標(biāo)準(zhǔn)是ED-14G，其環(huán)境試驗項目與DO-160G 一致。因此，DO-160 是當(dāng)前飛機(jī)機(jī)載設(shè)備環(huán)境試驗的通用型標(biāo)準(zhǔn)，適用于指導(dǎo)大多數(shù)機(jī)載設(shè)備開展環(huán)境試驗[4]。

TSO 文件已說明，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗要求是機(jī)載設(shè)備最低的環(huán)境試驗條件標(biāo)準(zhǔn)和可使用的試驗程序。這些試驗的目的是提供一個實驗室來考核產(chǎn)品在其使用環(huán)境中將會遇到的典型環(huán)境條件下的性能[5]。水上飛機(jī)機(jī)載設(shè)備的使用環(huán)境、使用模式與一般的民用飛機(jī)有很大的不同，僅依據(jù)適航標(biāo)準(zhǔn)給出的最低要求，其機(jī)載設(shè)備在使用過程中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些問題。因此文中針對水上飛機(jī)的使用環(huán)境，對機(jī)載設(shè)備的環(huán)境試驗要求加以合理補(bǔ)充。

1 民用水上飛機(jī)的使用分析

1.1 使用模式

民用水上飛機(jī)的主要用途有：旅游觀光、測繪、環(huán)境監(jiān)測、滅火、救援等。一般在陸上機(jī)場和內(nèi)河、湖泊、水庫、中近海水域場站滑行起飛、降落和停泊，經(jīng)常在濕熱和鹽霧的環(huán)境下工作和停放。水上飛機(jī)的使用特點使其易受腐蝕環(huán)境影響。

1）停放時間長。相比民航飛機(jī)，水上飛機(jī)飛行強(qiáng)度低，停放時間長，且停放的機(jī)庫、機(jī)位一般靠近湖泊、水庫或海岸。停放的地面環(huán)境成為導(dǎo)致腐蝕的主要因素。

2）飛行高度低。水上飛機(jī)的任務(wù)需求使得其以低空、超低空飛行為主。3000 m 以下空域必須考慮腐蝕環(huán)境對飛機(jī)的損傷效應(yīng)，3000 m 以上空域由于環(huán)境介質(zhì)稀薄[6]，從工程應(yīng)用角度可以不考慮環(huán)境影響。

綜上所述，水上飛機(jī)的使用模式使得其總體使用環(huán)境較其他機(jī)型更為嚴(yán)酷、復(fù)雜。

1.2 使用環(huán)境分析

GJB/Z 594A—2000 將零（部）件使用環(huán)境條件分為L（良好）、Y（一般）、E（惡劣）、H（海上）、T（特殊）等5 種類型[7]。對于機(jī)載設(shè)備，可以參考這個分類。以大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機(jī)（鯤龍600）為例，基于機(jī)體結(jié)構(gòu)特點以及飛機(jī)飛行狀態(tài)下不同結(jié)構(gòu)區(qū)域、不同位置、不同艙段（室）局部區(qū)域環(huán)境的控制情況，將全機(jī)機(jī)載設(shè)備安裝區(qū)域劃分為5 個典型類別，各區(qū)域情況見表1。

表1 鯤龍600 飛機(jī)機(jī)載設(shè)備使用環(huán)境分類Tab.1 Classification of use environment of AG600 seaplane’s airborne equipment

這5 類基本涵蓋了水上飛機(jī)機(jī)載設(shè)備全部的使用環(huán)境，鯤龍600 是大型水陸飛機(jī)，結(jié)構(gòu)組成較為復(fù)雜全面，一些小型的水上飛機(jī)，結(jié)構(gòu)較為簡單，環(huán)境類別可以縮減，但所有的結(jié)構(gòu)區(qū)域基本都可在這5 類中找到對應(yīng)的環(huán)境特征。具體分析不同使用環(huán)境的主要影響因素，如艙內(nèi)設(shè)備一般很少受到降水、砂塵和太陽輻射的影響，除非是油路（燃油、滑油、液壓油）內(nèi)部的設(shè)備（TSO 往往會對這些設(shè)備給出非通用型環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)），濕熱、鹽霧等環(huán)境因素很難被隔離。對于金屬和合金，大氣腐蝕的關(guān)鍵因素為潮濕時間、SO2和氯化物污染物水平[8]。機(jī)載設(shè)備由于普遍采用金屬構(gòu)件，這些環(huán)境因素對其有同樣的影響。

相對于機(jī)體結(jié)構(gòu)，材料使用更為多樣的電子設(shè)備更容易受霉菌的影響。霉菌屬好氧菌，最適宜的生長溫度在25～35 ℃之間, 在相對濕度90%～100%條件下生長良好[9]。這也是民用水上飛機(jī)常見的使用環(huán)境，長期靠水停放的水上飛機(jī)機(jī)載設(shè)備生長霉菌的可能性較其他民用飛機(jī)更大。

綜合環(huán)境要素分析，選取對各部位機(jī)載設(shè)備都有影響的濕熱、霉菌、鹽霧（即常用的“三防”）三個環(huán)境因素，分析環(huán)境強(qiáng)度和試驗條件的對應(yīng)關(guān)系。

2 腐蝕環(huán)境試驗條件及環(huán)境強(qiáng)度分析

腐蝕環(huán)境技術(shù)要求在原標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上作修正，必須滿足合理、適用的原則。具體操作為：按機(jī)載設(shè)備使用環(huán)境的分類情況，根據(jù)收集到的實測數(shù)據(jù)、經(jīng)驗數(shù)據(jù)歸納出不同區(qū)域的環(huán)境量值，優(yōu)先選用實測數(shù)據(jù)。當(dāng)不具備實測或經(jīng)驗數(shù)據(jù)時，參考相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)或量值。

2.1 濕熱

DO-160G 第6 章中，將機(jī)載設(shè)備的局部環(huán)境分為3 類：A 類——標(biāo)準(zhǔn)濕熱環(huán)境；B 類——嚴(yán)酷濕熱環(huán)境；C 類——外部濕熱環(huán)境。A 類環(huán)境指的是有環(huán)境控制的隔艙內(nèi)；B 類環(huán)境指的是無環(huán)境控制區(qū)域內(nèi)的機(jī)載設(shè)備；C 類環(huán)境指的是外部空氣接觸的設(shè)備區(qū)域。根據(jù)第1 節(jié)的機(jī)載設(shè)備使用環(huán)境分類，DO-160G中的A 類對應(yīng)L 區(qū)；B 類對應(yīng)Y、E、T 區(qū)；C 類對應(yīng)H 區(qū)。

DO-160G 內(nèi)的A 類環(huán)境專指帶環(huán)境控制的隔艙，而不是指普通的封閉機(jī)艙，一些水上飛機(jī)沒有溫控、增壓系統(tǒng)，則沒有滿足 A 類環(huán)境的機(jī)載設(shè)備。DO-160G 規(guī)定不同濕熱環(huán)境下的試驗條件見表2?？梢娫诓煌h(huán)境分類下具體試驗參數(shù)是不同的，總的試驗周期也不同。

表2 DO-160G 濕熱試驗條件Tab.2 DO-16OG damp heat test conditions

對比其他的環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)，HB 6167.4—2014《民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗方法 第4 部分：濕熱試驗》的內(nèi)容與DO-160G 完全一致。我國軍用裝備環(huán)境試驗方法中GJB 150 系列標(biāo)準(zhǔn)共有兩個版本：GJB 150—1986 參照MIL-STD-810C，該版本中濕熱試驗部分共有三個程序，是按照不同類型的設(shè)備作為分類原則的[10-11]；GJB 150A—2009 則是完全等效美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-810F，該版本中濕熱試驗部分合并為一個程序。HB 5830.11—1986《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件及試驗方法 濕熱》則與GJB 150.9A—2009《軍用設(shè)備實驗室環(huán)境試驗方法 第9 部分：濕熱試驗》的試驗條件完全相同，見表3。

對比可知，不同標(biāo)準(zhǔn)的試驗參數(shù)有所不同，但都采取交變濕熱試驗方式。DO-160G 將機(jī)載設(shè)備根據(jù)所在環(huán)境分類，試驗條件在不同環(huán)境分類下采用不同參數(shù)，顯然對設(shè)備使用環(huán)境的針對性更強(qiáng)。

中國典型環(huán)境地域可劃分為干冷區(qū)、內(nèi)陸基本區(qū)、內(nèi)陸濕熱區(qū)、溫和沿海區(qū)、濕熱沿海區(qū)、溫和海洋區(qū)和濕熱海洋區(qū)共七大環(huán)境區(qū)，并根據(jù)153 個站點8 年的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計[12]。7 個典型環(huán)境區(qū)域的年平均溫濕度值見表4。

表3 GJB 150.9A 和HB 5830.11 濕熱試驗條件Tab.3 GJB 150.9A and HB 5830.11 damp heat test conditions

從表4 可知，DO-160G 濕熱試驗條件低溫低濕參數(shù)也高于所有典型環(huán)境的平均值。在試驗時間方面，標(biāo)準(zhǔn)一般建議10 個周期，該周期時間得到了美國萊特航空發(fā)展中心開展的“比較不同濕熱試驗方法有效性的計劃”研究項目的證明。采用任何一種嚴(yán)格的濕熱試驗方法，10 天后腐蝕速率就趨近于一個恒定值，10 個周期足以展示濕熱環(huán)境對大多數(shù)裝備的潛在影響[13]。因此，針對常在高濕環(huán)境運(yùn)營的水上飛機(jī)，建議將DO-160G 劃分的C 類（外部濕熱環(huán)境）試驗循環(huán)提高到10 次。同樣，A 類和B 類環(huán)境，試驗時間也建議取1.5 的修正系數(shù)[14]。

表4 我國典型環(huán)境區(qū)月平均相對濕度統(tǒng)計值Tab.4 Monthly average relative humidity statistics of typical environmental areas in China

2.2 霉菌

RTCA DO-160G 第13 章，將安裝在能受嚴(yán)重霉菌污染環(huán)境中的設(shè)備，劃分為F 類，這類設(shè)備必須進(jìn)行防霉試驗。水上飛機(jī)的使用環(huán)境使得所有機(jī)載設(shè)備都有可能遭受霉菌污染，因此建議都開展霉菌試驗。DO-160G 規(guī)定的菌種見表5。

表5 DO-160G 規(guī)定的試驗菌種Tab.5 Test fungus for DO-160G

HB 6167.11—2014《民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗方法 第11 部分：霉菌試驗》、HB 5830.13—1986《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件及試驗方法 霉菌》的試驗條件和DO-160G 一樣，但國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)給出的菌種為CGMCC（中國普通微生物菌種保藏管理中心China General Microbiological Culture Collection Center）的編號，而DO-160G 是按照ATCC（美國模式培養(yǎng)物集存庫American Type Culture Collection）編號。雖然菌種編號不同，但是拉丁文名稱是一樣的，具有相同的基因序列，所以是同一類菌種[15]。GJB 150.10—1986《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法 霉菌試驗》給出的試驗菌組和DO-160G 一致，但在GJB 150.10A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第10 部分：霉菌試驗》中，將試驗菌種分為了兩組，見表6。

表6 中的菌種組1、2 在MIL-STD-810F 中分別對應(yīng)歐洲標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)。選用菌種組1 及類似菌種的標(biāo)準(zhǔn)有：IEC 68-Z-10(C) 1984《國際電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程4 長霉試驗方法》、法國航空規(guī)范AIR7304《機(jī)載電氣設(shè)備、電子設(shè)備和儀表的環(huán)境試驗條件試驗10 抗霉菌試驗》、GB/T 2423.16—2008/IEC 60068-2-10:2005《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 試驗J長霉》兩組菌種里面只有一個菌相同，而且菌種組1與電工電子產(chǎn)品的聯(lián)系更為緊密。MIL-STD-810F 文件中有說明：“如有需要，可在本試驗方法中增加菌種。但如果使用增加的菌種，則應(yīng)根據(jù)特定材料受該霉菌損害的已知情況來選擇”[16]。考慮到橡膠材料在機(jī)載設(shè)備上的廣泛應(yīng)用和短柄帚霉對橡膠的強(qiáng)烈侵蝕作用，建議在DO-160G 選用的菌種上添加“Scopulariopsis brevicaulis（短柄帚霉）”。

表6 GJB 150.10A 霉菌試驗可選用的菌種組別和種類Tab.6 Group and classification of fungus for GJB 150.10A mould test

DO-160G 中對霉菌試驗的時間并未嚴(yán)格規(guī)定，只要求“試驗時間按接種時算起28 天，或按設(shè)備規(guī)范的規(guī)定”。具體操作時建議參考其他標(biāo)準(zhǔn)，對于在28天出現(xiàn)長霉但是符合要求的設(shè)備，將試驗總時間延長到84 天。84 天后，不再評價長霉等級，只判斷長霉對設(shè)備性能的影響。

我國標(biāo)準(zhǔn)對菌種的中文名稱并不統(tǒng)一，比如Scopulariopsis brevicaulis，在GJB 150.10A 中名稱為短柄帚霉，而在GB/T 2423.16—2008 中則被稱為短帚霉，另外在一些技術(shù)文稿里又被稱為光孢短柄帚霉。建議在描述菌種的時候，附上拉丁名和編號，防止誤解。

2.3 鹽霧

RTCA DO-160G 第14 章，將設(shè)備分為S 類和T類。S 類指安裝在飛機(jī)正常使用過程中所能遭受腐蝕大氣影響部位的設(shè)備，對應(yīng)L 區(qū)；T 類設(shè)備安裝在能遭受嚴(yán)酷鹽霧大氣環(huán)境的位置（如在海邊停放或使用的飛機(jī)直接暴露于未經(jīng)過濾的外界空氣中的設(shè)備），基本包括水上飛機(jī)除增壓艙外的所有部位，因此對應(yīng)Y、E、H、T 區(qū)。不同分類對應(yīng)的試驗要求見表7。

表7 DO-160G 鹽霧試驗方法Tab.7 DO-160G salt fog test method

HB 6167.12—2014《民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗方法 第12 部分：鹽霧試驗》的內(nèi)容與DO-160G 一致，也與GJB 150.11A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第11 部分：鹽霧試驗》的試驗條件基本一致。GJB 150.11A—2009 未針對裝備的具體結(jié)構(gòu)環(huán)境區(qū)域進(jìn)行細(xì)分，對試驗周期也僅建議2 個周期（96 h）或增加試驗循環(huán)次數(shù)，以便對裝備耐鹽霧環(huán)境能力給出更高置信度的評價[17]。

從20 世紀(jì)60 年代開始，美國國防部針對海軍裝備面臨的海洋大氣腐蝕問題，通常采用模擬海水或一定質(zhì)量濃度NaCl 溶液的中性鹽霧試驗方法加以考核。該類方法多基于ASTM B117 標(biāo)準(zhǔn)[18]，MIL-STD-810 系列標(biāo)準(zhǔn)中的鹽霧試驗方法就是其中的典型代表。隨著航空裝備的快速發(fā)展，美國航空材料實驗室的研究人員發(fā)現(xiàn)，中性鹽霧試驗往往無法準(zhǔn)確暴露腐蝕問題。在一項針對機(jī)載電子產(chǎn)品的隨艦暴露試驗中，有11 項產(chǎn)品均出現(xiàn)了由腐蝕導(dǎo)致的問題，但在實驗室經(jīng)過500 h 的中性鹽霧試驗，其中僅有3 項產(chǎn)品出現(xiàn)了類似問題[19]。

在民用飛機(jī)的使用過程中，工業(yè)廢氣、酸雨等與海洋鹽霧組合成的酸性潮濕環(huán)境，使得機(jī)載設(shè)備常處于酸性鹽霧中，酸性液體會增強(qiáng)鹽霧對機(jī)載設(shè)備的腐蝕作用。當(dāng)前我國的酸雨區(qū)主要分布在長江以南的廣大地區(qū)、東北東南部、華北的大部以及西南和華南沿海等廣大地區(qū)，酸雨分布區(qū)大致呈東北-西南走向[20]。這些地區(qū)也是水上飛機(jī)的主要使用地區(qū)，酸雨的成因也以硫酸型污染為主[21]。

根據(jù)相關(guān)“鹽霧-SO2”試驗方法的研究探索[22]，對于水上飛機(jī)面臨的工業(yè)廢氣與鹽霧共同作用形成的酸性鹽霧對機(jī)載設(shè)備的影響，可采用在DO-160G 鹽霧試驗方法的鹽霧噴霧中加入稀硫酸調(diào)節(jié)pH 值的方法加以模擬。參考GJB 150.28—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第28 部分：酸性大氣試驗》中給出我國目前酸雨最嚴(yán)酷地區(qū)最低pH 值為4.02[23]，鹽霧試驗在使用DO-160G 規(guī)定循環(huán)次數(shù)的同時，將鹽霧溶液pH 值在原6.5～7.2 的基礎(chǔ)上，建議調(diào)整為4.02。

3 結(jié)語

針對民用水上飛機(jī)機(jī)載設(shè)備，在適航規(guī)范給出的DO-160G 基本試驗條件的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合具體使用環(huán)境，對濕熱、霉菌、鹽霧的技術(shù)要求做了適當(dāng)補(bǔ)充，目的是提高水上飛機(jī)機(jī)載設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力。試驗條件改進(jìn)依據(jù)充分合理，能夠適用于民用水上飛機(jī)機(jī)載設(shè)備的腐蝕環(huán)境適應(yīng)性評估與驗證。需要指出的是，由于水上飛機(jī)使用環(huán)境較為廣泛，在不同緯度、湖泊或是海邊使用的水上飛機(jī)所受的環(huán)境因素也有所不同，文中給出的是較為普遍的環(huán)境試驗要求。若需要針對更為具體的使用環(huán)境做測試，建議根據(jù)實際采集的環(huán)境當(dāng)量進(jìn)行分析權(quán)衡。