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

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，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)胫醒牒降溃挥性谕饨绫樵试S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。一般來說，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)，年太陽輻射時(shí)間按14個(gè)月計(jì)算，即年均太陽輻射總量按常規(guī)使用環(huán)境譜中太陽輻射譜的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)生過腐蝕問題，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)過南海、東南亞、澳大利大，抵達(dá)南極；往北經(jīng)過黃海、日韓、俄羅斯，抵達(dá)北極圈?？梢?，科考船在全面的科考周期中，經(jīng)過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 太陽輻照譜塊

常規(guī)太陽輻照試驗(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。