直升機海洋氣候環(huán)境使用適用性分析

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)生的相關問題和故障，對因海洋環(huán)境而導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備故障的原因，并對海洋氣候因素對直升機各系統(tǒng)、設備單元的影響給出了相關設計改進和維修措施，同時以直升機海洋使用任務剖面，建立環(huán)境適應性綜合評估方法，通過評估–改進相結合的海洋使用環(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]導致金屬材料腐蝕，更會導致橡膠材料的老化、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)生電子設備單元失效等故障[2]，導致部件功能失效，降低了裝備的可靠性水平，導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)境的適應能力密切相關。世界軍事史上無數(shù)戰(zhàn)例都證明了，因不適應熱帶海洋濕熱、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能力，試飛期間對發(fā)現(xiàn)的因海洋環(huán)境而導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成的鹽霧分子彌漫系統(tǒng)，海洋中海水的劇烈擾動、風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)境會導致金屬材質材料的腐蝕，可以導致多種機械結構的損傷模式，因此直升機機體結構、系統(tǒng)和設備在自然環(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)據反應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構相遇會導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品產生腐蝕性，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，能夠對非金屬材質的涂覆層表面及非金屬材質進行較強的酸性腐蝕，會對直升機機體結構的復合材料產生較大的結構損傷。

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、槳葉的高速轉動和自然環(huán)境風浪的誘發(fā)振動環(huán)境，疊加寬帶隨機振動。形成累積效應，以及海浪的顛震環(huán)境，導致振動的作用時間短，作用周期長。在艦船的航行、轉彎、以及操作不當都會導致?lián)u擺、上下往復運動，誘發(fā)傾斜、搖擺環(huán)境，傾斜容易導致直升機導彈承受誘發(fā)的靜態(tài)力，搖擺將使掛裝導彈承受誘發(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、高濕度導致的發(fā)動機表面銹蝕、電子設備單元失效等故障。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)境損壞的直升機關鍵部位開展氣候環(huán)境適應性檢查，同時結合氣候環(huán)境的損傷模式，主要從以下幾個方面進行檢查：

檢查機體結構部件是否有恰當?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;

機體結構和設備艙是否設計了防止水滲入或漏入內部，所有設備艙、口蓋、艙門和窗戶密封性應能夠滿足使用需求;

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

機體和設備結構密封是否避免凹槽和縫隙，對縫隙是否采用相應的密封措施，防止外來物質雜質進入;

主要設備艙是否設置通風口，以減少霉菌環(huán)境的產生。

針對直升機不同的位置區(qū)域，根據受環(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)境的任務剖面進行分析，給出環(huán)境適應性綜合評估結果，本文主要結合海洋使用環(huán)境下飛行使用任務剖面，對因海洋環(huán)境而導致的故障和執(zhí)行該任務剖面下發(fā)生的總故障進行分類分析，確認受海洋環(huán)境而導致的故障失效事件結果對任務的影響，具體評估方法流程見圖2所示。

根據上述流程圖[8]，具體分析計算方法如下：

首先根據直升機海洋環(huán)境下執(zhí)行的任務剖面確定使用環(huán)境;針對特定任務執(zhí)行時機和剖面，開展環(huán)境因素分析，對執(zhí)行任務剖面和使用環(huán)境分別進行編號i、j，第i個任務剖面第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)境效應模擬分析，根據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)境而導致的失效故障數(shù)。

根據艦載直升機、系統(tǒng)環(huán)境的使用信息，進行環(huán)境適應性分析。通過考慮不同使用剖面下的相關性（例如累加的環(huán)境應力、任務剖面的誘發(fā)）和空間關聯(lián)性;根據環(huán)境參數(shù)的分析結果，評價環(huán)境的適應能力程度fs=Ek/Eij。如果fs<1，表明環(huán)境適應能力不滿足要求，應繼續(xù)改進優(yōu)化并完善;如果fs趨近于1，表征設備產品的環(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、產品的環(huán)境使用適應能力;如果fs>1，表征環(huán)境使用適應性能良好，但是fs過高，表征帶來更高的設計成本。根據分析結果，識別直機、系統(tǒng)的環(huán)境適應性薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)設計和研制工作提供依據。

應用案例

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，根據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，Eij=1.12，適應能力的余量fs=Ek/Eij=0.71，根據分析結果對因環(huán)境因素導致燃油泵密封失效，綜合顯示系統(tǒng)因鹽霧環(huán)境導致的元器件失效進行優(yōu)化改進，提高直升機整機的環(huán)境適應性。該海洋環(huán)境適應性的分析方法已應用某型直升機海洋環(huán)境使用適應性的分析過程中，能夠更快、更全面的發(fā)現(xiàn)存在的設計缺陷，及時完善艦載直升機海洋腐蝕環(huán)境下的適應性設計短板，試飛過程中充分暴露相關問題，確保直升機的任務成功概率，降低研制成本，提高研制效率。

總結

本文從各個方面對直升機、系統(tǒng)的海洋環(huán)境適應性進行分析，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)境適應能力檢查和評價方法，可廣泛應用直升機、系統(tǒng)海洋環(huán)境適應性評估，在試飛階段暴露系統(tǒng)存在的重大設計缺陷，及時發(fā)現(xiàn)風險問題，在后續(xù)艦載直升機的設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)境使用適應性能力打下基礎。

參考文獻

金偉晨.以南海環(huán)境為例的海洋環(huán)境下裝備適應性研究[J].船舶物資與市場，2018（5）：8–11.

張艷輝.淺析艦載武器海洋環(huán)境適應性驗證要求[J].裝備環(huán)境工程，2017（5）：8–11.

孫立軍 劉麗紅 邱福來.西沙暴露與鹽霧試驗結果對比分析[J].裝備環(huán)境工程，2010（6）：58—61.

肖紅偉 中國南海大氣降水特征[J].環(huán)境科學，2014：58—61.

朱金陽 李明 程叢高.美海軍艦載航空裝備”鹽霧–SO2”試驗方法發(fā)展歷程及啟示[J].裝備環(huán)境工程，2017（3）：33–38.

張艷輝.淺析艦載武器海洋環(huán)境適應性驗證要求[J] 裝備環(huán)境工程2017（5）：8–11.

祝耀昌，張建軍.武器裝備環(huán)境適應性要求，環(huán)境適應性驗證要求和環(huán)境條件及其相互關系的討論（二） [J].航天器環(huán)境工程，2012，29（1）：119—122.

吳紅光 艦載武器裝備海洋工程適應性研究[J].海軍?？展こ虒W院學報，2006，33–38.