艦載機(jī)環(huán)境分析及環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)探討

史為民 李 明 常海娟

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

艦載機(jī)是可由航空母艦等艦船搭載和使用的軍用航空器，按用途主要包括艦載戰(zhàn)斗/攻擊機(jī)、艦載偵察機(jī)、艦載加油機(jī)和艦載運(yùn)輸機(jī)等[1]。由于其特殊的部署位置，艦載機(jī)停放、起飛和降落過(guò)程中所經(jīng)受的環(huán)境條件與陸基飛機(jī)有很大的不同，其上安裝的機(jī)載設(shè)備、外部工藝件以及地（艦）面保障設(shè)備也將經(jīng)受特殊環(huán)境條件的考驗(yàn)，對(duì)于這類(lèi)特殊艦載環(huán)境條件及其對(duì)艦載機(jī)的影響，目前國(guó)內(nèi)研究較少，如何針對(duì)新的特殊環(huán)境對(duì)艦載機(jī)機(jī)載設(shè)備進(jìn)行充分試驗(yàn)驗(yàn)證，目前國(guó)內(nèi)也沒(méi)有形成廣為接受的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。本文將對(duì)艦載機(jī)所面臨的特殊環(huán)境進(jìn)行分析研究，結(jié)合國(guó)內(nèi)外在艦載機(jī)環(huán)境試驗(yàn)方面的現(xiàn)狀，提出艦載機(jī)的環(huán)境試驗(yàn)建議。

1 艦載機(jī)特殊環(huán)境分析

1.1 停放環(huán)境

艦載機(jī)有90%以上的時(shí)間停放在航母甲板或甲板下方的機(jī)庫(kù)內(nèi)，須適應(yīng)我國(guó)海域甚至全球海域最極端的氣候環(huán)境和航母平臺(tái)誘發(fā)的特殊艦載環(huán)境。艦載機(jī)將經(jīng)歷的停放環(huán)境因素包括：溫度（高溫和低溫）、濕熱、鹽霧、酸性大氣、太陽(yáng)輻射、淋雨、海水噴濺等氣候環(huán)境，以及母艦誘發(fā)的振動(dòng)、顛震、傾斜與搖擺等機(jī)械環(huán)境。

艦載機(jī)一直處于高濕、高鹽霧的海洋大氣環(huán)境中，尤其是在熱帶海域，艦載機(jī)還將經(jīng)受“三高”（高溫、高濕和高鹽霧）環(huán)境的考驗(yàn)。對(duì)于艦載機(jī)來(lái)講，經(jīng)受的更為特殊的腐蝕性環(huán)境是酸性鹽霧。航母動(dòng)力裝置排放的燃燒廢氣以及艦載飛機(jī)起飛、降落排放的尾氣與高鹽霧海洋大氣形成局部富集SO2、NO2等污染物質(zhì)的酸性鹽霧氣氛。美國(guó)某航空協(xié)會(huì)已經(jīng)驗(yàn)證了停放在飛行甲板上的飛機(jī)表面聚積的濕氣中含有并具有較低的pH值（約為2.4~4.0）[2]。酸性鹽霧對(duì)材料和設(shè)備的腐蝕或老化具有強(qiáng)烈的加速性[3,4]，例如，一些抗中性鹽霧能力強(qiáng)的有機(jī)涂層在酸性鹽霧環(huán)境中很快就出現(xiàn)酸斑等局部破損，使用壽命顯著降低。

此外，艦載機(jī)在停放過(guò)程中還會(huì)經(jīng)歷航母平臺(tái)誘發(fā)的機(jī)械環(huán)境，其振源通常包括兩個(gè)，一個(gè)是航母上各部件機(jī)械運(yùn)動(dòng)誘發(fā)產(chǎn)生的機(jī)械環(huán)境，如發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、齒輪箱、螺旋槳、艦炮的射擊等誘發(fā)的機(jī)械環(huán)境，另一個(gè)是海浪的運(yùn)動(dòng)引起的機(jī)械環(huán)境，如海浪的拍打、船體的傾斜與搖擺、船體拍打海面等誘發(fā)的機(jī)械環(huán)境。除此之外，海面上的風(fēng)，尤其是強(qiáng)風(fēng)也會(huì)誘發(fā)艦載機(jī)產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)。這些機(jī)械振動(dòng)會(huì)對(duì)艦載機(jī)產(chǎn)生一定的不利影響，特別是機(jī)械振動(dòng)和腐蝕環(huán)境作用在一起，會(huì)誘發(fā)出應(yīng)力腐蝕或者腐蝕疲勞現(xiàn)象。

1.2 使用環(huán)境

艦載機(jī)使用環(huán)境包括飛行環(huán)境和起飛/著艦環(huán)境，其中飛行環(huán)境和陸基飛機(jī)相同，其面臨的特殊環(huán)境主要體現(xiàn)在艦載機(jī)的起飛和著艦方面。

圖1 測(cè)量的三軸向攔阻著陸部件的加速度響應(yīng)時(shí)間歷程

艦載機(jī)的彈射起飛會(huì)對(duì)飛機(jī)及機(jī)載設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)較大的彈射加速度和劇烈的沖擊環(huán)境，該沖擊事件是由兩個(gè)沖擊之間插入一個(gè)瞬態(tài)振動(dòng)構(gòu)成的一個(gè)復(fù)雜波形。由于航母的起伏和搖擺，艦載機(jī)必須以無(wú)拉平、大斜角、大下沉速度狀態(tài)著艦，降落滑跑過(guò)程中還要用阻攔索來(lái)使飛機(jī)迅速減速。這使得艦載機(jī)要承受比陸基飛機(jī)大得多的撞擊載荷，縱向加速度大了一倍以上。攔阻著艦沖擊能量較大，根據(jù)攔阻索工作特點(diǎn)，該沖擊本質(zhì)上為長(zhǎng)行程沖擊，即為持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的低加速度峰值大位移沖擊，后面疊加一個(gè)瞬態(tài)振動(dòng)。典型攔阻著艦沖擊波形如圖1[5]所示。彈射沖擊和攔阻著艦沖擊從頻域特點(diǎn)來(lái)看，低頻特點(diǎn)顯著，會(huì)對(duì)低頻敏感的設(shè)備造成影響，例如機(jī)載外掛設(shè)備和帶減震裝置的設(shè)備。長(zhǎng)時(shí)間高頻施加這些沖擊會(huì)在一些機(jī)載設(shè)備上造成明顯的動(dòng)態(tài)和/或低循環(huán)疲勞損傷。

2 艦載機(jī)環(huán)境試驗(yàn)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析

2.1 國(guó)外現(xiàn)狀分析

國(guó)外艦載機(jī)機(jī)載產(chǎn)品進(jìn)行的環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目包括全部陸基飛機(jī)環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目、艦載誘發(fā)的特殊起飛和著艦與停放環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目。對(duì)于某些艦載機(jī)特殊環(huán)境試驗(yàn)，如彈射起飛和攔阻著艦沖擊試驗(yàn)，國(guó)外開(kāi)展了大量的研究工作，但公開(kāi)的技術(shù)資料很少。

MIL-STD-810F/G《環(huán)境工程考慮和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)》方法516提供的最后一個(gè)試驗(yàn)程序?yàn)閺椛淦痫w和攔阻著陸沖擊，顯然該試驗(yàn)程序針對(duì)的是艦載機(jī)。這說(shuō)明國(guó)外艦載機(jī)機(jī)載設(shè)備（特別是機(jī)載外掛）的環(huán)境試驗(yàn)中必然含有彈射起飛和攔阻著艦沖擊試驗(yàn)，但是，標(biāo)準(zhǔn)未給出明確的試驗(yàn)條件，而是提出必須通過(guò)實(shí)測(cè)或者計(jì)算來(lái)確定相應(yīng)的試驗(yàn)條件，這就給標(biāo)準(zhǔn)的使用帶來(lái)了很大的困難。

針對(duì)艦載平臺(tái)特殊的酸性鹽霧環(huán)境，在制修訂MIL-STD-810F時(shí)，美國(guó)海軍提出了“將SO2引入鹽霧試驗(yàn)方法，用于再現(xiàn)航母鹽霧環(huán)境（飛機(jī)尾氣與鹽霧環(huán)境化合產(chǎn)生的廢氣）影響”的要求。S.J. Ketcham等人[2]指出：氯化鈉與二氧化硫循環(huán)試驗(yàn)與航母暴露試驗(yàn)相符，鹽霧與二氧化硫循環(huán)較之連續(xù)地在鹽霧中加入二氧化硫更好的與航母暴露試驗(yàn)相符?？紤]到在一些工業(yè)區(qū)中存在更為普遍的酸性大氣環(huán)境，為保證標(biāo)準(zhǔn)的通用性，美國(guó)軍方在MILSTD-810F中增加了“酸性大氣”試驗(yàn)方法，以確定在酸性大氣區(qū)域貯存或使用的裝備抗酸性大氣腐蝕的能力。由于該標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有考慮艦載平臺(tái)酸性大氣和鹽霧綜合環(huán)境對(duì)裝備的協(xié)同作用，因而不足以用來(lái)評(píng)估酸性鹽霧對(duì)艦載機(jī)的影響。

美國(guó)海軍航空發(fā)展中心（NADC）對(duì)海軍飛機(jī)基礎(chǔ)材料、組件開(kāi)展了大量腐蝕試驗(yàn)研究[6～8]。通過(guò)與航母平臺(tái)暴露試樣環(huán)境效應(yīng)對(duì)比，形成了較成熟的酸性鹽霧試驗(yàn)方法，即NADC81174-60，該試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地模擬航母平臺(tái)特殊鹽霧環(huán)境的影響。這一試驗(yàn)方法主要是通過(guò)材料級(jí)腐蝕試驗(yàn)研究得到的，對(duì)于艦載機(jī)機(jī)載設(shè)備是否適用尚無(wú)明確說(shuō)明。

2.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀分析

我國(guó)在艦載機(jī)型號(hào)研制中非常重視環(huán)境試驗(yàn)工作。對(duì)某型艦載機(jī)機(jī)載設(shè)備，在上艦試飛前開(kāi)展了低溫、高溫、溫度沖擊、溫度-高度、低氣壓、淋雨、濕熱、霉菌、鹽霧、加速度、沖擊、振動(dòng)、炮擊振動(dòng)、砂塵等環(huán)境試驗(yàn)。其中，考慮到海洋大氣環(huán)境的高鹽霧特點(diǎn)，中性鹽霧試驗(yàn)時(shí)間較原型機(jī)增加一倍，達(dá)到96h；考慮到攔阻著艦會(huì)誘發(fā)出更大的-X方向加速度，將-X方向加速度量值調(diào)整到5g（陸基飛機(jī)為2.5g）。雖然對(duì)部分試驗(yàn)條件進(jìn)行了有針對(duì)性的調(diào)整，但可以看出，我國(guó)對(duì)艦載機(jī)開(kāi)展的環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目與陸基飛機(jī)并沒(méi)有任何差別，部分試驗(yàn)條件（如鹽霧）的加嚴(yán)也缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)研究的支撐，并沒(méi)有針對(duì)艦載機(jī)面臨的特殊環(huán)境及其影響開(kāi)展新的環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目或試驗(yàn)程序。

總體說(shuō)來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)艦載機(jī)開(kāi)展的現(xiàn)有試驗(yàn)存在考核不充分的風(fēng)險(xiǎn)。以腐蝕性氣氛試驗(yàn)為例，國(guó)內(nèi)艦載機(jī)機(jī)載設(shè)備按GJB 150A-2008《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》進(jìn)行濕熱和連續(xù)噴霧的中性鹽霧試驗(yàn)，既不能反映艦面“三高”以及干濕交替的極端腐蝕環(huán)境，也很難有效模擬酸性鹽霧氣氛。而對(duì)于機(jī)載設(shè)備的著艦沖擊試驗(yàn)，由于技術(shù)能力不足和缺少有效的試驗(yàn)手段，目前也基本未進(jìn)行，這給艦載機(jī)的使用帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。

3 艦載機(jī)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)探討

艦載機(jī)環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)包括常規(guī)陸基飛機(jī)全部環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目和針對(duì)艦載環(huán)境開(kāi)展的特殊環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目，其中，特殊環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目包括彈射起飛和攔阻著艦沖擊試驗(yàn)、酸性鹽霧試驗(yàn)以及綜合環(huán)境試驗(yàn)等。艦載機(jī)環(huán)境試驗(yàn)大部分可參照相關(guān)國(guó)軍標(biāo)執(zhí)行，對(duì)于特殊環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目，試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件等需根據(jù)艦載機(jī)具體情況加以確定。下面對(duì)三種特殊環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目的試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要探討。

3.1 彈射起飛和攔阻著艦沖擊試驗(yàn)

彈射起飛和攔阻著艦沖擊試驗(yàn)條件的確定方法包括有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況和無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況，應(yīng)盡量使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定沖擊試驗(yàn)條件。

在有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，可選用實(shí)測(cè)沖擊波形或者沖擊響應(yīng)譜（SRS）兩種方法來(lái)規(guī)定沖擊試驗(yàn)譜。其中，直接使用實(shí)測(cè)沖擊波形，能夠更真實(shí)地模擬實(shí)際情況，是進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的最佳方法。沖擊響應(yīng)譜指通過(guò)一個(gè)復(fù)雜瞬態(tài)過(guò)程合成沖擊波形，該沖擊的有效持續(xù)時(shí)間Te與實(shí)測(cè)沖擊的有效持續(xù)時(shí)間Te近似，波形相似，峰值和過(guò)零點(diǎn)相似。該方法根據(jù)沖擊響應(yīng)譜和有效沖擊持續(xù)時(shí)間，采用復(fù)雜瞬態(tài)過(guò)程合成波形進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，是目前最常用的方法，適用于有多個(gè)實(shí)測(cè)波形樣本情況。其具體實(shí)驗(yàn)條件歸納方法可參見(jiàn)GJB 150.18A附錄B規(guī)定的“數(shù)據(jù)集上限的統(tǒng)計(jì)分析方法”進(jìn)行。

GJB 150.18A程序Ⅷ——彈射起飛和攔阻著艦規(guī)定了在沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，攔阻著艦沖擊試驗(yàn)譜的規(guī)定方法。通過(guò)對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以知道機(jī)上各結(jié)構(gòu)部位上的響應(yīng)主要取決于機(jī)體自身的結(jié)構(gòu)特性，其沖擊響應(yīng)特性主要由飛機(jī)結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)頻率和振型決定，近似為瞬態(tài)正弦振動(dòng)，瞬態(tài)正弦振動(dòng)持續(xù)時(shí)間受到結(jié)構(gòu)阻尼特性等的影響，一般不超過(guò)2s，因此，在模擬攔阻沖擊環(huán)境時(shí)，可以選擇持續(xù)時(shí)間為2s的瞬態(tài)正弦波進(jìn)行。在沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)通過(guò)理論計(jì)算來(lái)確定彈射起飛和攔阻著艦沖擊試驗(yàn)條件，計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)最大速度變化，來(lái)預(yù)估飛機(jī)預(yù)期經(jīng)受的最大瞬態(tài)力，然后再通過(guò)結(jié)構(gòu)分析，確定機(jī)體第一階模態(tài)頻率和振型，該頻率即為試驗(yàn)波形頻率，瞬態(tài)波振幅根據(jù)機(jī)體位置、一階模態(tài)振型和瞬態(tài)沖擊力綜合確定。

3.2 酸性鹽霧試驗(yàn)

由3.1節(jié)介紹可知，鹽霧與二氧化硫的循環(huán)作用可以較好地模擬艦載平臺(tái)酸性鹽霧環(huán)境的影響。NADC 81174-60規(guī)定的酸性鹽霧試驗(yàn)具有較好的參考價(jià)值，其具體試驗(yàn)條件在相關(guān)文獻(xiàn)中已有探討[9]。艦載機(jī)機(jī)載設(shè)備最好采用類(lèi)似的酸性鹽霧試驗(yàn)方法開(kāi)展試驗(yàn)，但需要開(kāi)展針對(duì)機(jī)載設(shè)備的適用性分析和驗(yàn)證工作。

目前我國(guó)在酸性鹽霧試驗(yàn)方法方面開(kāi)展的研究驗(yàn)證工作還比較少，也缺乏真實(shí)環(huán)境下的暴露試樣進(jìn)行環(huán)境效應(yīng)對(duì)比，使用新的試驗(yàn)方法恐難以得到廣泛認(rèn)可且具有一定風(fēng)險(xiǎn)。在現(xiàn)階段，也可按照GJB 150A，采用酸性大氣和中性鹽霧兩種試驗(yàn)組合的折中方式檢驗(yàn)產(chǎn)品對(duì)酸性鹽霧環(huán)境的耐受能力。

GJB 150.28A給出了考核在酸性大氣地區(qū)（如工業(yè)區(qū)或燃燒設(shè)備的廢氣附近）貯存或使用的裝備的試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)有兩個(gè)嚴(yán)酷等級(jí)：a) 噴霧2h、貯存22h為一個(gè)循環(huán)，共3次循環(huán)；b) 噴霧2h、貯存7d為一個(gè)循環(huán)，共4次循環(huán)。其中b)適合于在船舶煙囪的高酸度廢氣附近的暴露情況。建議對(duì)艦載機(jī)非密封艙內(nèi)設(shè)備、外掛設(shè)備等采用b)程序考核。對(duì)于中性鹽霧試驗(yàn)，建議按照交變噴霧試驗(yàn)方法對(duì)機(jī)載設(shè)備開(kāi)展96h鹽霧試驗(yàn)。組合試驗(yàn)中，采用同一試件進(jìn)行中性鹽霧和酸性大氣兩項(xiàng)試驗(yàn)，并將中性鹽霧試驗(yàn)和酸性大氣試驗(yàn)分時(shí)段組合進(jìn)行，以進(jìn)一步增加考核嚴(yán)酷性。

3.3 綜合環(huán)境試驗(yàn)

GJB 150A和MIL-STD-810G均指出：綜合環(huán)境試驗(yàn)可能比一系列連續(xù)的單個(gè)試驗(yàn)更能代表實(shí)際環(huán)境效應(yīng)，使用環(huán)境中遇到這些條件時(shí)，鼓勵(lì)進(jìn)行綜合環(huán)境試驗(yàn)。艦載機(jī)面臨的環(huán)境，特別是氣候環(huán)境組成因素多，條件嚴(yán)酷，而且溫度、濕度、電解質(zhì)、太陽(yáng)輻射等共同誘發(fā)的化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、光老化、熱老化以及干濕交替作用機(jī)理復(fù)雜，很難通過(guò)單項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)進(jìn)行環(huán)境效應(yīng)模擬。因此，建議在艦載機(jī)環(huán)境試驗(yàn)中，盡可能采用綜合環(huán)境試驗(yàn)對(duì)機(jī)載設(shè)備進(jìn)行考核。

近年來(lái)，我國(guó)在綜合環(huán)境試驗(yàn)條件建設(shè)、綜合環(huán)境試驗(yàn)方法及腐蝕模型研究方面開(kāi)展了不少工作，取得了一定的成績(jī)。中航工業(yè)301所建設(shè)了國(guó)際領(lǐng)先的全球大氣試驗(yàn)箱，能夠開(kāi)展集鹽霧、濕熱、太陽(yáng)輻射、淋雨等環(huán)境的綜合環(huán)境試驗(yàn)。北京航空航天大學(xué)、中科院腐蝕與防護(hù)研究所等單位[10,11]也相繼開(kāi)展了綜合鹽霧、紫外線(xiàn)輻射，腐蝕氣體（SO2等）等環(huán)境因素的綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)和腐蝕模型研究。上述成果能夠?yàn)槲覈?guó)艦載機(jī)機(jī)載設(shè)備的綜合環(huán)境試驗(yàn)方法研究和實(shí)施提供有力的支撐。

4 結(jié)論及建議

由于航母平臺(tái)的存在，艦載機(jī)經(jīng)歷的環(huán)境比陸基飛機(jī)更為苛刻，存在特殊的高腐蝕環(huán)境、艦船振動(dòng)環(huán)境和彈射起飛/攔阻著艦沖擊環(huán)境等，這些環(huán)境對(duì)艦載機(jī)上不同部位的產(chǎn)品具有不同程度的影響，在剪裁艦載機(jī)成品環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)應(yīng)該予以重視。

受到現(xiàn)有技術(shù)條件和研究水平的限制，目前我國(guó)已有艦載機(jī)的環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)條件雖然在陸基飛機(jī)基礎(chǔ)上針對(duì)艦載機(jī)特點(diǎn)進(jìn)行了一定修正，但這些修正還存在考核不充分的風(fēng)險(xiǎn)，為此建議：

a) 利用我國(guó)已有艦載平臺(tái)，盡快開(kāi)展艦載機(jī)特殊環(huán)境測(cè)量與分析、典型材料和機(jī)載產(chǎn)品的環(huán)境暴露試驗(yàn)工作，為艦載機(jī)環(huán)境試驗(yàn)條件確定和新的試驗(yàn)方法研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持；

b) 加強(qiáng)艦載機(jī)彈射起飛/攔阻著艦沖擊試驗(yàn)方法、機(jī)載設(shè)備酸性鹽霧試驗(yàn)方法、機(jī)載設(shè)備綜合環(huán)境試驗(yàn)方法研究，制定相關(guān)環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范，確保艦載機(jī)機(jī)載成品能夠在特殊艦載環(huán)境中高可靠性地工作。

[1] 海軍裝備部飛機(jī)辦公室. 國(guó)外艦載機(jī)技術(shù)發(fā)展［M］. 北京：航空工業(yè)出版社，2008.1.

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