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        直升機(jī)極區(qū)海洋環(huán)境加速試驗(yàn)環(huán)境譜研究

        2021-07-03 14:54:00季佳崔騰飛徐璐葉建華
        環(huán)境技術(shù) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:環(huán)境

        季佳,崔騰飛,徐璐,葉建華

        (1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所,景德鎮(zhèn) 333001; 2.北京航空航天大學(xué),北京 100191)

        引言

        2015年,在中國(guó)政府第9部國(guó)防白皮書《中國(guó)的軍事戰(zhàn)略》[1]中,首次公布中國(guó)海軍最新的戰(zhàn)略要求為:“近海防御、遠(yuǎn)海護(hù)衛(wèi)”,并要求海軍按照戰(zhàn)略要求,逐步實(shí)現(xiàn)近海防御型向近海防御型與遠(yuǎn)海護(hù)衛(wèi)型結(jié)合轉(zhuǎn)變,構(gòu)建合成、多能、高效的海上作戰(zhàn)力量。海軍提出了“大洋存在、兩極拓展”的戰(zhàn)略要求。

        目前,中國(guó)直升機(jī)已在亞丁灣護(hù)航、馬航失聯(lián)事件搜尋、雪龍?zhí)柨瓶即募颈U系热蝿?wù)中展現(xiàn)了一定的遠(yuǎn)海護(hù)衛(wèi)應(yīng)用能力,在亞丁灣、澳大利亞附近等海域具備基本的遠(yuǎn)海護(hù)衛(wèi)能力,但在兩極區(qū)使用仍存在較大的限制。

        我國(guó)新建了極區(qū)科學(xué)考察破冰船,該船可滿足無(wú)限航區(qū)要求、具備極區(qū)航行能力,能夠在極區(qū)大洋安全航行的具備國(guó)際先進(jìn)水平的極區(qū)科學(xué)考察破冰船[2];該船在靠近艉部設(shè)有直升機(jī)甲板和直升機(jī)庫(kù),但目前極區(qū)科學(xué)考察配置的為俄羅斯Ka-32A11BC直升機(jī)。我國(guó)已在極區(qū)建立了2個(gè)度夏站和3個(gè)過(guò)冬站,并逐步增加。隨著極區(qū)站點(diǎn)、極區(qū)科考船的不斷增加,中國(guó)科學(xué)家的極區(qū)科考活動(dòng)將日益頻繁,科考地域?qū)⒉粩嗤卣?,?duì)適應(yīng)極區(qū)特殊環(huán)境的科考、救護(hù)直升機(jī)的需求將更加迫切。同時(shí)極區(qū)科考工作具備較大的危險(xiǎn)性,因此,日益頻繁的極區(qū)科考活動(dòng)和國(guó)家極區(qū)利益對(duì)中國(guó)海軍的遠(yuǎn)海護(hù)衛(wèi)和救護(hù)能力提出了新的挑戰(zhàn),而極區(qū)直升機(jī)正是極區(qū)護(hù)衛(wèi)與救護(hù)的主要力量。隨著直升機(jī)的服役環(huán)境越來(lái)越惡劣,對(duì)直升機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性也提出了更高的要求[3],要能在綜合嚴(yán)酷環(huán)境中保持其飛行和任務(wù)使命要求,并在服役期內(nèi)具有持續(xù)穩(wěn)定的環(huán)境適應(yīng)性,保持優(yōu)良的出勤率和任務(wù)效能[4,5]。但是,對(duì)于直升機(jī)在極區(qū)的環(huán)境適應(yīng)性,缺少合理的驗(yàn)證手段,而直接到極區(qū)進(jìn)行外場(chǎng)暴露試驗(yàn),往往是不現(xiàn)實(shí)的。因此,為了解決環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證的問(wèn)題,縮短試驗(yàn)周期、減少試驗(yàn)費(fèi)用、提高時(shí)效性,可以采用加速試驗(yàn)的方法來(lái)進(jìn)行研究[6-8],需要建立試驗(yàn)室環(huán)境與極區(qū)環(huán)境的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此,根據(jù)極區(qū)環(huán)境特點(diǎn),建立基于極區(qū)環(huán)境的加速試驗(yàn)環(huán)境譜,為極區(qū)直升機(jī)環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證提供合理的方法,是十分必要的。

        本文通過(guò)對(duì)極區(qū)環(huán)境的分析,并采用5080橡膠進(jìn)行低溫試驗(yàn),建立了極區(qū)加速試驗(yàn)環(huán)境譜,為極區(qū)直升機(jī)的型號(hào)研制做好技術(shù)儲(chǔ)備。

        1 極區(qū)綜合使用環(huán)境譜分析

        1.1 極區(qū)科考站點(diǎn)及環(huán)境

        中國(guó)先后在南極和北極建立了5座科考站,其中南極4座:長(zhǎng)城站、中山站、泰山站、昆侖站,北極1座:黃河站。穿越北極圈有三條航道:東北航道、西北航道和中央航道,通常條件下船只不會(huì)駛?cè)胫醒牒降?,只有在外界冰情允許的情況下才會(huì)航行。

        考慮到泰山站主要作用是在中山站和昆侖站間的物資轉(zhuǎn)運(yùn),在后續(xù)的分析中,只考慮條件更惡劣的昆侖站氣候環(huán)境??紤]到中央航道的氣候條件更為惡劣,在后續(xù)的分析中,只考慮中央航道的氣候。一般來(lái)說(shuō),南極科考安排在中國(guó)的冬季(即南極的夏季),北極科考安排在中國(guó)的夏季(即北極的夏季)。表1列出了科考期間南極、北極科考站及中央航道的主要?dú)夂颦h(huán)境參數(shù)。

        目前國(guó)內(nèi)極區(qū)科考站并未對(duì)太陽(yáng)輻照數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。而直升機(jī)在南極和北極科考時(shí),都選擇在此地區(qū)氣候條件較好的夏季,此時(shí)處于該區(qū)域溫度最高、日光輻射最強(qiáng)烈的極晝?cè)路?,即在這兩個(gè)月內(nèi),太陽(yáng)輻射時(shí)間為平均水平的兩倍(由于極區(qū)高緯度特點(diǎn),其單位時(shí)間輻射強(qiáng)度會(huì)低于平均水平)。因此在構(gòu)建極區(qū)使用綜合環(huán)境譜時(shí),年太陽(yáng)輻射時(shí)間按14個(gè)月計(jì)算,即年均太陽(yáng)輻射總量按常規(guī)使用環(huán)境譜中太陽(yáng)輻射譜的14/12計(jì)算。

        根據(jù)不同溫度下飽和濕空氣的含水量表,在極區(qū)低溫環(huán)境下,濕度為100 %時(shí),空氣中含水量為常溫下的六分之一到百分之一,且溫度變化范圍小,因此其因濕度變化而產(chǎn)生的冷凝水將遠(yuǎn)小于常溫環(huán)境;同時(shí)考慮到極區(qū)大氣中的污染介質(zhì)少、各國(guó)極區(qū)直升機(jī)和其他機(jī)械設(shè)備在極區(qū)使用時(shí)未產(chǎn)生過(guò)腐蝕問(wèn)題,因此在后續(xù)根據(jù)極區(qū)使用環(huán)境譜編制加速試驗(yàn)譜時(shí)可不考慮濕度影響。

        表1 科考期間科考站和中央航道的主要?dú)夂颦h(huán)境參數(shù)

        1.2 極區(qū)科考直升機(jī)全年活動(dòng)區(qū)域

        整個(gè)科考活動(dòng),會(huì)經(jīng)歷出發(fā)、航行、科考、回國(guó)幾個(gè)階段。南極科考將途經(jīng)北溫帶、熱帶、南溫帶、南寒帶,北極科考將途經(jīng)北溫帶、北寒帶等幾種不同環(huán)境特征地區(qū)。根據(jù)整個(gè)科考周期所經(jīng)歷的區(qū)域,項(xiàng)目前期研究了極區(qū)科考船和極區(qū)直升機(jī)的任務(wù)模式。根據(jù)研究結(jié)果,確定了極區(qū)直升機(jī)1年內(nèi)的活動(dòng)區(qū)域及對(duì)應(yīng)的時(shí)間,如表2所示。

        1.2.1 極區(qū)科考直升機(jī)常溫海域活動(dòng)區(qū)域

        在駛往極區(qū)的路上,科考船一般從上海出發(fā),往南經(jīng)過(guò)南海、東南亞、澳大利大,抵達(dá)南極;往北經(jīng)過(guò)黃海、日韓、俄羅斯,抵達(dá)北極圈。可見,科考船在全面的科考周期中,經(jīng)過(guò)的常溫海域包括北溫帶、熱帶、南溫帶,且大部分時(shí)間在溫帶海洋性氣候地區(qū)航行。

        1.2.2 極區(qū)科考直升機(jī)南極活動(dòng)區(qū)域

        南極有四座科考站,其中昆侖站位于南極內(nèi)陸地區(qū),環(huán)境條件最為惡劣,長(zhǎng)城站與中山站位于南極航線的兩端。而泰山位于中山站與昆侖站之間,且主要起中轉(zhuǎn)作用,因此將泰山站的時(shí)間合并到環(huán)境條件更為嚴(yán)苛的昆侖站中。南極區(qū)域最終時(shí)間分配,如表3所示。

        1.2.3 極區(qū)科考直升機(jī)北極活動(dòng)區(qū)域

        北極只有一座科考站,且直升機(jī)可能隨船穿越環(huán)境條件更為惡劣的中央航道,因此將直升機(jī)在北極的2個(gè)月做如表4所示分配。

        1.3 使用環(huán)境譜的建立

        通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn),直升機(jī)極區(qū)使用綜合環(huán)境譜可分為兩個(gè)部分,一部分為在一般海域航行時(shí)的常溫環(huán)境譜,另一部分為在極區(qū)航行時(shí)的極區(qū)環(huán)境譜。其中,在一般海域的常溫環(huán)境中航行時(shí),直升機(jī)的損傷主要是腐蝕的作用;在極區(qū)的低溫環(huán)境中航行時(shí),對(duì)直升機(jī)的損傷主要是低溫的作用。

        1.3.1 一般海域常溫環(huán)境譜

        在一般海域航行時(shí),因?yàn)榇蟛糠謺r(shí)間在南、北溫帶,因此可采用目前海洋環(huán)境常用的常溫環(huán)境譜。海洋環(huán)境常溫環(huán)境條件及雨譜、霧譜、濕度譜如表5、表6所示,可以此為基礎(chǔ)編制海洋環(huán)境常規(guī)的腐蝕加速試驗(yàn)環(huán)境譜,并作為極區(qū)加速環(huán)境譜中的腐蝕譜塊使用。

        表2 極區(qū)直升機(jī)1年內(nèi)的活動(dòng)區(qū)域與時(shí)間分配

        表3 極區(qū)直升機(jī)在南極的活動(dòng)區(qū)域與時(shí)間分配

        表4 極區(qū)直升機(jī)在北極的活動(dòng)區(qū)域與時(shí)間分配

        表5 地面停放環(huán)境譜(年)

        表6 雨譜、霧譜、濕度譜

        1.3.2 極區(qū)低溫環(huán)境譜

        由于極端低溫對(duì)非金屬材料的破壞性較為顯著,且根據(jù)直升機(jī)極區(qū)極端環(huán)境譜和直升機(jī)極區(qū)平均使用環(huán)境譜,極端溫度與平均溫度差距較大,因此,有必要單獨(dú)建立直升機(jī)極區(qū)使用低溫環(huán)境譜。根據(jù)表1可看出,直升機(jī)在長(zhǎng)城、中山、黃河、中央航道等區(qū)域時(shí),使用環(huán)境緩和,最低溫度遠(yuǎn)高于在昆侖站所處環(huán)境,因此在構(gòu)建直升機(jī)極區(qū)使用低溫環(huán)境譜僅考慮在昆侖站時(shí)的使用環(huán)境。

        根據(jù)昆侖站2016年12月~2017年2月間每日的最低溫度記錄,構(gòu)建了直升機(jī)極區(qū)使用低溫環(huán)境譜,如表7所示。

        1.3.3 極區(qū)使用綜合環(huán)境譜

        根據(jù)上述分析,建立極區(qū)使用綜合環(huán)境譜。結(jié)合表1、表5、表6、表7及1.1節(jié)對(duì)極區(qū)的太陽(yáng)輻射情況的分析,構(gòu)建直升機(jī)綜合使用環(huán)境譜,如表8所示。由于低氣壓對(duì)材料本身的影響較小,因此在后續(xù)編制加速試驗(yàn)環(huán)境譜時(shí),暫不考慮低氣壓的影響。

        表7 直升機(jī)極區(qū)使用極端溫度譜

        表8 直升機(jī)極區(qū)使用綜合環(huán)境譜

        2 加速試驗(yàn)環(huán)境譜建立

        2.1 腐蝕譜塊

        在一般海域航行時(shí),因?yàn)榇蟛糠謺r(shí)間在南、北溫帶,因此可采用目前海洋環(huán)境常規(guī)的腐蝕環(huán)境譜。海洋環(huán)境常規(guī)的腐蝕譜塊包括鹽霧譜塊和濕熱譜塊兩部分。

        2.1.1 鹽霧譜塊

        海洋環(huán)境常規(guī)鹽霧包括中性鹽霧+酸性鹽霧,試驗(yàn)時(shí)間為海洋環(huán)境的50 %,具體:

        1)中性鹽霧

        溫度T=35 ℃,試驗(yàn)溶液5 %NaCl,溶液pH=6.5~7,試驗(yàn)時(shí)間4天,鹽霧沉降量(1~2)mL/h·80 cm2。

        2)酸性鹽霧

        溫度T=35 ℃,試驗(yàn)溶液5 %NaCl ,溶液pH=4.5~5,試驗(yàn)時(shí)間1.5天,鹽霧沉降量(1~2)mL/h·80 cm2。

        2.1.2 濕熱譜塊

        參考海洋環(huán)境常規(guī)濕熱譜塊,試驗(yàn)時(shí)間為海洋環(huán)境的50 %,具體如下:

        試驗(yàn)溫度T=43 ℃,試驗(yàn)濕度RH=95 %,試驗(yàn)時(shí)間3.5天。

        2.2 太陽(yáng)輻照譜塊

        常規(guī)太陽(yáng)輻照試驗(yàn)強(qiáng)度取與CASS譜相同的照射強(qiáng)度W=(60±10)W/m2。使用環(huán)境總譜中年紫外線照射總量QT=306.45 MJ/m2。年飛行強(qiáng)度300飛行小時(shí),將飛行時(shí)間放大1.5倍作為接受紫外線照射的時(shí)間。因此,直升機(jī)表面接受紫外線照射的時(shí)間約為450 h。450 h占全年時(shí)間的比例為0.0501。因此,表面平均每年接受的紫外線照射量為:0.0501×306.45=15.353 1 MJ/m2。

        試驗(yàn)時(shí)間為表面平均每年接受的紫外線照射總量除以紫外線輻射的強(qiáng)度的1.17倍,即

        試驗(yàn)時(shí)間為3.51天,即84.24 h。

        3.3 低溫譜塊

        由于橡膠件對(duì)低溫較為敏感,因此采用5080丁晴橡膠進(jìn)行低溫試驗(yàn),其性能如表9所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,確定低溫試驗(yàn)溫度及時(shí)間,建立低溫試驗(yàn)譜塊。

        采用壓縮永久變形作為待測(cè)的性能參數(shù)。

        式中:

        c(%)—壓縮永久變形;

        h0—試樣初始厚度;

        hs—壓縮之后的厚度

        hf—卸載后恢復(fù)到的厚度。

        丁腈橡膠5080試樣直徑d=30 mm,初始高度h0=15 mm。選擇-20 ℃、-30 ℃、-35 ℃進(jìn)行低溫試驗(yàn)。試驗(yàn)開始時(shí)每8 h進(jìn)行一次數(shù)據(jù)測(cè)量,一段時(shí)間后根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)降低測(cè)量頻率,每24 h進(jìn)行一次數(shù)據(jù)測(cè)量。試驗(yàn)后測(cè)試試樣的永久壓縮變形。

        根據(jù)壓縮永久變形的數(shù)據(jù)繪制壓縮永久變形-時(shí)間曲線圖如圖1所示。

        從圖1中可以看出,隨著時(shí)間的增長(zhǎng),橡膠的壓縮永久變形逐漸增加,說(shuō)明時(shí)間對(duì)于橡膠的壓縮永久變形具有累積效應(yīng),橡膠在低溫下的性能是隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸變差,且低溫下壓縮永久變形增加的速度隨著時(shí)間逐漸降低,最后趨于穩(wěn)定。

        表9 丁腈橡膠5080的主要性能

        由表6可以看出,-30~-35 ℃溫度出現(xiàn)的概率最高。因此可將低溫溫度損傷線性累加到-35 ℃,低溫環(huán)境譜溫度選擇-35 ℃。由圖1可以看出,橡膠的性能并不是隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)而無(wú)線降低的,而是呈現(xiàn)出開始降低而隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)而趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。在-35 ℃下試驗(yàn)200 h后,橡膠的性能已基本穩(wěn)定,因此選擇低溫試驗(yàn)時(shí)間為200 h。

        3 極區(qū)加速試驗(yàn)環(huán)境譜

        根據(jù)上述分析和試驗(yàn),最終得到的直升機(jī)極區(qū)加速試驗(yàn)環(huán)境譜如圖2所示。

        4 結(jié)論與建議

        圖2 極區(qū)加速試驗(yàn)環(huán)境譜

        經(jīng)過(guò)對(duì)直升機(jī)可能經(jīng)歷環(huán)境的分析,并對(duì)橡膠材料進(jìn)行低溫試驗(yàn),所得到的直升機(jī)極區(qū)加速試驗(yàn)環(huán)境譜,能覆蓋極區(qū)直升機(jī)在整個(gè)科考過(guò)程中經(jīng)歷的環(huán)境,整個(gè)加速試驗(yàn)環(huán)境譜的總試驗(yàn)時(shí)間為20.84天(500.24 h),試驗(yàn)一個(gè)周期(20.84天)可代表全年365天的環(huán)境損傷,即加速倍率為17.51,加速倍率合理,可以滿足極區(qū)直升機(jī)環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證要求。

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