水陸兩棲飛機起落架水環(huán)境適應(yīng)性驗證要求與方法

羅琳胤，舒龍珍，呂繼航，耿雷銘

水陸兩棲飛機起落架水環(huán)境適應(yīng)性驗證要求與方法

羅琳胤，舒龍珍，呂繼航，耿雷銘

（中航通飛華南飛機工業(yè)有限公司，廣東 珠海 519040）

通過水浸潤、水沖擊、結(jié)冰、海洋腐蝕等水環(huán)境對起落架的影響及其損傷失效模式的分析研究，提出了水陸兩棲飛機起落架水環(huán)境驗證要求。綜合考慮環(huán)境適應(yīng)性驗證規(guī)范、標準的合理選用和剪裁，建立了水陸兩棲飛機起落架水環(huán)境試驗驗證方法，涵蓋靜水密試驗、連續(xù)水沖擊試驗、泥沙水試驗、結(jié)冰試驗以及海洋環(huán)境腐蝕試驗的條件和方法，以期為水陸兩棲飛機起落架的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計與驗證提供支持。

水陸兩棲飛機；起落架；水環(huán)境；環(huán)境適應(yīng)性

水陸兩棲飛機是既能在陸地起飛降落也能在水面起飛降落的飛機，水陸兩棲飛機的使用環(huán)境較陸基飛機更為多樣化[1-2]，其服役所遭遇的地域和海域環(huán)境嚴酷、復(fù)雜。起落架是水陸兩棲飛機最為關(guān)鍵的設(shè)備，具有支撐水陸兩棲飛機入水離水、滑行起飛、著陸等功能，水浸泡、水沖擊以及結(jié)冰等水環(huán)境對起落架結(jié)構(gòu)防護、設(shè)備功能都會產(chǎn)生較大的影響[3-4]，特別是飛機在海面使用時，海水腐蝕的影響更為突出。環(huán)境適應(yīng)性是指結(jié)構(gòu)、設(shè)備在其壽命期間內(nèi)可能遇到的各種環(huán)境條件作用下能實現(xiàn)所有預(yù)定功能和性能而不被破壞的能力，是結(jié)構(gòu)和設(shè)備的重要質(zhì)量特性之一[5-6]。環(huán)境適應(yīng)性要求是描述研制裝備應(yīng)到達的環(huán)境適應(yīng)性這一質(zhì)量特性水平的一組定量和定性目標，也是設(shè)計用的最低環(huán)境條件[7-9]。水陸兩棲飛機起落架研制過程中，為確定其是否達到預(yù)期的水環(huán)境適應(yīng)性指標，需要建立合理可行的水環(huán)境適應(yīng)性驗證要求和方法。

1 水環(huán)境對起落架的影響及損傷失效模式

水陸兩棲飛機使用環(huán)境包括各種氣候、力學(xué)和生物環(huán)境，與陸上飛機相比較，水陸兩棲飛機使用環(huán)境的最大差異在于水環(huán)境[10]。不同于傳統(tǒng)意義上“自然界中水的形成、分布和轉(zhuǎn)化所處空間的環(huán)境”的水環(huán)境定義，水陸兩棲飛機起落架水環(huán)境是指預(yù)期使用的江河、湖泊、海洋等條件下，起落架裝置涉水狀態(tài)、濕潤程度和水質(zhì)情況。其中涉水狀態(tài)包含滴水、濺水、浸水、結(jié)冰，濕潤程度指干態(tài)、半濕態(tài)、飽和態(tài)，水質(zhì)又分為淡水、泥沙水、海水等情況。水陸兩棲飛機的水面飛行任務(wù)模式與陸基飛機類似，通過離岸下水、水面滑行、離水起飛、執(zhí)行任務(wù)、下降、進近和著水、離水上岸等一系列的飛行階段完成既定的飛行任務(wù)。

1.1 水浸潤與水沖擊環(huán)境

水陸兩棲飛機通過起落架的滑行，由陸上進入水中或離水上岸，起落架結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)備將完全浸沒在水中，水滲入密封部位、沙粒堆積導(dǎo)致機械活動部件卡滯、復(fù)合材料剎車盤因飽和吸濕引起剎車性能下降是水浸潤環(huán)境下起落架損傷失效主要模式。水陸兩棲飛機在起落架外伸狀態(tài)下實施水面滑行以及上岸后進行噴水沖洗，水沖擊將導(dǎo)致活動部件之間潤滑脂稀釋，結(jié)構(gòu)和設(shè)備表面防護磨損，以及影響起落架指示、告警等傳感器功能的正常發(fā)揮。

1.2 結(jié)冰環(huán)境

飛機從水面起飛離場后，每上升1 000 m，溫度下降約6 ℃。在水面溫度接近0 ℃的情況下離水起飛，如起落架排水不暢，存留有水的起落架收放機構(gòu)、剎車盤片以及機輪等部位會發(fā)生自由水結(jié)冰。在低溫環(huán)境條件下，這些部位反復(fù)遭受飛機水面滑行引起的濺水時，有可能發(fā)生過冷水滴結(jié)冰。起落架結(jié)冰將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，以及起落架放不下、機輪拖胎、剎車失效等影響飛行安全問題。

1.3 海洋腐蝕環(huán)境

水陸兩棲飛機在海洋環(huán)境下使用時，起落架將處于干燥、海水浸泡、海洋浪花飛濺等循環(huán)交錯狀態(tài)，其腐蝕環(huán)境包括海水腐蝕和海洋大氣腐蝕。海洋大氣腐蝕是液膜下的電化學(xué)腐蝕，海水腐蝕是以陰極氧去極化控制為主的腐蝕。國內(nèi)外長期海洋腐蝕研究結(jié)果表明[11]，海洋浪花飛濺區(qū)是鋼結(jié)構(gòu)腐蝕最嚴重的區(qū)域，在浪花飛濺區(qū)，材料表面受海水周期潤濕，處于干濕交替狀態(tài)，氧供應(yīng)充分，腐蝕最為嚴重，同一種鋼在飛濺區(qū)的腐蝕速率可比海水全浸區(qū)中高出3～10倍。起落架在水中使用時，處于吸濕飽和狀態(tài)，但相對于飛機的整個壽命周期而言，起落架在水中的時間很短，整體環(huán)境屬于海水干濕交替。此外，水陸兩棲飛機還需考慮由機場設(shè)備工作散發(fā)的熱量或排泄的廢氣所形成的誘發(fā)環(huán)境，基本因素包括腐蝕性氣體、油霧以及爆炸性氣體等。研究表明[12]，各種廢氣使飛機表面呈酸性環(huán)境，與高溫、高濕和高鹽霧等相結(jié)合，進一步加速起落架的腐蝕。

2 起落架水環(huán)境驗證要求

水陸兩棲飛機通常按照運輸類適航標準要求開展設(shè)計與驗證，運輸類適航章程CCAR25部第25.1309條規(guī)定：“凡航空器適航標準對其功能有要求的設(shè)備、系統(tǒng)及安裝，其設(shè)計必須保證在各種可預(yù)期的運行條件下能完成預(yù)定功能”。功能是指產(chǎn)品實現(xiàn)或產(chǎn)生規(guī)定動作或行為的能力，有功能并不能說明到達設(shè)計規(guī)范規(guī)定的指標，因此還要求其性能滿足要求，只有功能、性能都滿足要求，才能說明其在預(yù)期環(huán)境下能正常工作。通常而言，環(huán)境適應(yīng)性驗證首選試驗驗證，在無法或無條件開展試驗驗證的情況下，可以使用分析方法驗證或在使用過程中驗證。環(huán)境試驗可分為自然環(huán)境試驗、實驗室環(huán)境試驗和使用環(huán)境試驗[13]，自然環(huán)境試驗是將產(chǎn)品長期暴露于某種自然環(huán)境中，以確定該自然環(huán)境對產(chǎn)品的影響的試驗；實驗室環(huán)境是在實驗室內(nèi)按規(guī)定的環(huán)境條件和負載條件進行的試驗，可以是模擬實際環(huán)境條件，也可以是加速條件；使用環(huán)境試驗是在規(guī)定的實際使用條件下評估裝備環(huán)境適應(yīng)性水平的試驗。

民用飛機環(huán)境適應(yīng)性驗證的主要依據(jù)有HB 6167《民用飛機設(shè)備環(huán)境條件和試驗方法》、RTCA DO-160G《機載設(shè)備環(huán)境條件和試驗程序》以及GJB 150《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法》，其中與水環(huán)境相關(guān)的有：防水性試驗、浸漬試驗、淋雨試驗、積冰/凍雨試驗、鹽霧試驗以及砂塵試驗[14-16]。由于水陸兩棲飛機起落架水環(huán)境適應(yīng)性有其獨特性，這些試驗的要求不能完全覆蓋，試驗條件和參數(shù)也不全適用，其主要差異點見表1。

表1 水陸兩棲飛機起落架水環(huán)境適應(yīng)性驗證需求與標準要求差異

Tab.1 Difference between the verification requirements and standard requirements for water environment adaptability test of landing gear of amphibious aircraft

根據(jù)水陸兩棲飛機使用的水浸潤與水沖擊、結(jié)冰和海洋腐蝕等水環(huán)境，起落架水環(huán)境試驗可歸結(jié)為水防護綜合試驗、結(jié)冰試驗和海洋環(huán)境腐蝕試驗。

水防護綜合試驗包括起落架靜水密試驗、連續(xù)水沖擊試驗、泥沙水試驗。靜水密試驗用于驗證起落架在靜水壓作用下設(shè)備及其連接的密封性，起落架在水中浸泡的深度、持續(xù)時間按使用限制情況并考慮一定裕度確定；機輪要模擬實際滾動，轉(zhuǎn)速和持續(xù)轉(zhuǎn)動時間按水中最嚴酷使用情況考慮。連續(xù)水沖擊試驗用于驗證連續(xù)水流沖擊對起落架指示、告警等傳感器以及視頻監(jiān)控等設(shè)備功能和性能的影響，以及評估潤滑脂在水流沖擊下的附著力與涂敷狀態(tài)。起落架裝置整體用作試驗件，則要具有足夠的水壓以保證設(shè)備每個面都能承受實際使用中的壓力；單個設(shè)備逐一進行試驗驗證，則要確保設(shè)備安裝方式與在起落架裝置上的連接一致。不同于陸上飛機用吹砂試驗驗證設(shè)備對灰塵、砂塵的抵御能力，泥沙水試驗用于驗證在水流作用下顆粒對起落架緩沖支柱、作動筒等運動機構(gòu)和傳感器設(shè)備的影響，泥沙成分、泥沙顆粒大小、泥沙含量以及水流速度是泥沙水試驗的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)水陸兩棲飛機預(yù)期的使用區(qū)域和場景，開展不同淡水、海水水域的水質(zhì)測量，在測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析基礎(chǔ)上，按高置信度（97%）確定試驗用泥沙顆粒參數(shù)。

飛機在結(jié)冰氣象條件下飛行時，遇到過冷雨滴或者長時間穿越云層遇到云中過冷水滴而在起落架表面產(chǎn)生的冰層聚集歸屬于飛機結(jié)冰類，通過飛機模型冰風(fēng)洞試驗驗證。起落架水環(huán)境試驗主要針對起落架離水后留存的自由水結(jié)冰以及水面滑行水飛濺引起的過冷水滴結(jié)冰。起落架結(jié)冰試驗要求包括結(jié)冰條件要求和起落架狀態(tài)要求。結(jié)冰條件包含環(huán)境溫度、水滴直徑、結(jié)冰類型等，環(huán)境溫度和水滴直徑對結(jié)冰過程、結(jié)冰類型和積冰的物理性能具有強烈的影響，結(jié)冰類型分霜冰和明冰。從對起落架收放結(jié)構(gòu)卡滯影響程度以及破冰結(jié)構(gòu)設(shè)計需要，起落架結(jié)冰類型應(yīng)為明冰。結(jié)冰厚度是表征起落架結(jié)冰情況最直觀的物理量，它是控制結(jié)冰環(huán)境施加時間長短的主要參考量，不同的結(jié)冰厚度代表不同的結(jié)冰嚴酷程度，結(jié)冰厚度應(yīng)根據(jù)飛機使用任務(wù)剖面和結(jié)冰條件仿真分析確定。起落架狀態(tài)要求是對結(jié)冰試驗中起落架功能或性能的要求，包括起落架收起/放下狀態(tài)下低溫浸泡時間，結(jié)冰狀態(tài)下收放過程、收放次數(shù)、收放時間、鎖機構(gòu)功能等的要求，具體參數(shù)值在結(jié)冰試驗方法中規(guī)定。

海洋環(huán)境腐蝕試驗既要考慮海水浸沒、浪花飛濺以及干燥等干–濕交替狀態(tài)，也要考慮廢氣等誘發(fā)環(huán)境引起的起落架酸性鹽霧腐蝕。基于水陸兩棲飛機起落架存在長時間海面使用場景，需要加大試驗持續(xù)時間。

3 起落架水環(huán)境試驗驗證方法

基于自然環(huán)境試驗和使用環(huán)境試驗周期長、成本高以及條件缺乏等因素，型號研制中通常在實驗室模擬1個或多個環(huán)境因素作用對產(chǎn)品進行環(huán)境適應(yīng)性驗證[17-20]。多環(huán)境模擬驗證可以更真實地反應(yīng)設(shè)備的環(huán)境符合性，但需要編制實驗室環(huán)境譜?；谒憙蓷w機起落架水環(huán)境實測數(shù)據(jù)和研究數(shù)據(jù)的缺乏，以及現(xiàn)有技術(shù)水平，仍采用現(xiàn)有通用的環(huán)境試驗鑒定方法，即單一極值環(huán)境驗證方法。在對環(huán)境試驗通用標準進行合理選用和剪裁基礎(chǔ)上，結(jié)合水陸兩棲飛機水上使用任務(wù)剖面、水環(huán)境參數(shù)測試[21-22]確定起落架水環(huán)境試驗驗證方法。

3.1 水防護綜合性能試驗

3.1.1 靜水密試驗

靜水密試驗用于確定起落架裝置浸漬在水中時防止水滲入的能力。試驗條件和方法：將構(gòu)型完整的起落架裝置浸沒在溫度8～28 ℃、1.5倍起落架使用入水深度的水中，浸漬時間為6 h。試驗過程中要以不小于5 r/min的速度在水中轉(zhuǎn)動機輪，轉(zhuǎn)動時間為10 min。為降低起落架入水深度，可采用加壓水箱進行試驗，且為便于確定或分析起落架裝置漏水位置，可在試驗水中加入螢光素等水溶性染料。

3.1.2 連續(xù)水沖擊試驗

連續(xù)水沖擊試驗用于確定起落架裝置在水中收放或上岸沖洗操作期間遇到的集水射流強力作用對設(shè)備的影響。試驗條件和方法：沖擊水流出口壓力保證通過一個直徑為6.4 mm 的噴嘴，產(chǎn)生至少6 m的垂直水流，設(shè)備應(yīng)在1～2 m的距離受到該水流，每個面要沖洗至少5 min，水為常溫。

3.1.3 泥沙水試驗

泥沙水試驗用于確定起落架在泥沙水中使用時對水中顆粒堵塞開口、滲入活動縫隙以及接頭抵御的能力，通過起落架在水池中的收放試驗進行考核。將構(gòu)型與裝機使用一致的完整起落架浸泡在水深度為1.2倍起落架實際使用入水深度的水池中，水流速度（起落架收放速度與河流/海流速度之和）為2 m/s，水流方向為起落架航向。泥沙成分為二氧化硅（質(zhì)量分數(shù)為97%～99%），泥沙顆粒大小100 μm（顆粒分布D97），泥沙的質(zhì)量濃度為256 mg/L，通過攪拌裝置保持水質(zhì)中泥沙顆粒均勻。試驗中每持續(xù)沖擊30 min進行一次起落架收放試驗，檢查收放功能有無異常，按水上使用任務(wù)剖面要求，試驗2 h結(jié)束后，分解檢查連接及活動部位有無磨損和泥沙顆粒存在。

3.2 結(jié)冰試驗

起落架結(jié)冰試驗包含起落架自由水結(jié)冰、起落架水面飛濺過冷水滴結(jié)冰和剎車裝置自由水結(jié)冰。

3.2.1 起落架裝置自由水結(jié)冰試驗

起落架裝置自由水結(jié)冰試驗驗證在聚集游離水情況下，起落架冷表面結(jié)冰對其收放功能和性能的影響，在仿真分析或使用情況統(tǒng)計分析確定了起落架結(jié)冰厚度后，可參照RTCA DO 160G推薦的結(jié)冰試驗方法（C類）進行試驗驗證。

3.2.2 起落架水面飛濺過冷水滴結(jié)冰

依據(jù)水陸兩棲飛機起落架使用情況，參照MIL-STD-810G積冰/凍雨試驗方法對水滴大小、降水速率、降水方法以及冰厚度要求，確定起落架水面飛濺過冷水滴結(jié)冰試驗條件和方法如下所述。

1）冰的形成與類型。濺沫和霧狀的海水覆蓋在冰冷的起落架上形成清澈透明、光滑、堅硬的雨冰。

2）試驗溫度。試驗箱的溫度為–10～1 ℃，細霧狀的水溫度為0～3℃。

3）降水速率與降水方法。以25 mm/h降水速率將噴嘴水均勻噴灑在起落架上下、前后、四周，以保證產(chǎn)生純凈、均勻的雨冰層。

4）水滴直徑。水滴直徑影響著結(jié)冰過程、結(jié)冰類型以及冰的物理特性，通過試驗供氣/供水壓力調(diào)節(jié)，確保水滴直徑在1～1.5 mm。

5）結(jié)冰厚度。結(jié)冰厚度按不同型號結(jié)冰條件下過冷水滴結(jié)冰仿真分析確定，或按MIL-STD-810G形成厚度為6 mm冰層。

6）試驗控制。起落架表面應(yīng)清洗干凈，并在結(jié)冰最大厚度位置安裝適當尺寸的測深標尺，達到規(guī)定的冰層厚度后，進行起落架收放試驗。

3.2.3 剎車裝置自由水結(jié)冰試驗

剎車裝置自由水結(jié)冰試驗驗證帶孔隙的C/C或C/CSi復(fù)合材料剎車盤在水中飽和吸濕后結(jié)冰對剎車裝置功能的影響。剎車裝置屬移動部件的設(shè)備，結(jié)冰可能會阻礙或妨礙發(fā)生移動，甚至冰塊的膨脹帶來的力量可能會破壞結(jié)構(gòu)或功能部件。參照RTCA DO 160G推薦的結(jié)冰試驗方法（B類）進行，剎車裝置自由水結(jié)冰試驗試驗過程和主要參數(shù)為：

1）保持剎車裝置軸線與地面平行狀態(tài)，將剎車裝置整體浸泡于淡水/海水中，浸泡時間不少于2倍飛機1次上下水過程中浸泡時長或30 min，將剎車裝置從水中取出，懸空放置5 min。

2）保持剎車裝置軸線與地面平行，放入（高）低溫試驗箱，放置時剎車裝置軸線與地面平行，將剎車裝置溫度穩(wěn)定在–20 ℃，并保持該溫度最少10 min。

3）以不超過3 ℃/min的速率升高試驗箱溫度，同時升高并保持（高）低溫試驗箱內(nèi)的相對濕度不小于95%。保持此條件足夠的時間，以使所有的霜和冰融化或直到剎車裝置表面溫度達到0～5 ℃。

4）重復(fù)2）～3）共25個循環(huán)，在最后一個試驗循環(huán)結(jié)束，設(shè)備溫度穩(wěn)定在–20 ℃之后，取出剎車裝置。

5）檢查機輪能否正常轉(zhuǎn)動，動、靜剎車盤盤脫開力矩是否小于飛機接地瞬間機輪最小地面結(jié)合力矩。

3.3 海洋環(huán)境腐蝕試驗

水陸兩棲飛機起落架海洋環(huán)境腐蝕試驗采用廢氣與鹽霧共同作用形成的酸性鹽霧試驗進行。HB 6167《民用飛機機載設(shè)備環(huán)境條件和試驗方法》、DO-160G、GJB 150《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》中鹽霧試驗方法[23-24]有連續(xù)噴霧、噴霧后干燥、噴霧后濕熱貯存等，無論是連續(xù)噴霧還是噴霧后濕熱貯存，試驗件一直處于濕潤狀態(tài)，噴霧后再干燥則真實模擬了起落架使用干濕交替狀態(tài)。GJB 150的酸性大氣試驗方法給出我國目前酸雨最嚴酷地區(qū)pH 值為4.02，將原中性鹽霧溶液pH值6.5～7.2調(diào)整為酸性鹽霧pH值4.02[25-26]。參照DO-160G章T類適用于海邊停放或使用的飛機上直接暴露于未經(jīng)過濾的外界空氣中的設(shè)備，水陸兩棲飛機起落架海洋環(huán)境腐蝕試驗試驗條件和方法為：

1）鹽溶液及pH值。試驗采用5%±1%的NaCl溶液，pH值為4.02±0.5。

2）溫度。噴霧階段的溫度為(35±2)℃。

3）鹽霧沉降率在80 cm2的水平收集區(qū)內(nèi)的收集量為1～3 mL/h溶液。

4）噴霧方式與試驗持續(xù)時間。連續(xù)噴霧48 h、干燥24 h，循環(huán)2次，試驗持續(xù)時間達144 h。

試驗結(jié)束后，評估起落架對鹽霧腐的蝕防護能力，檢查鹽沉積對起落架活動部分的堵塞和卡滯情況，以及電氣設(shè)施的損壞情況。

4 結(jié)語

水陸兩棲飛機起落架裝置使用環(huán)境已由傳統(tǒng)陸上飛機起落架的干態(tài)、濕熱、鹽霧使用環(huán)境拓展到淡水/泥沙水/海水浸泡、海浪噴濺和結(jié)冰等嚴酷水環(huán)境條件。在這些拓展的環(huán)境條件下，起落架裝置的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計要求、試驗要求與驗證方法儲備少，研究基礎(chǔ)差，水陸兩棲飛機起落架裝置環(huán)境適應(yīng)性驗證要求與方法還需開展深入研究。

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Requirements and Methods for Water Environment Adaptability Verification of Landing Gear of Amphibious Aircraft

LUO Lin-yin, SHU Long-zhen, LYU Ji-hang, GENG Lei-ming

(AVIC General Huanan Aircraft Industry Co., Ltd., Guangdong Zhuhai 519040, China)

The work aims to propose the verification requirements of water environment for amphibious aircraft landing gear by analyzing and studying the impact of water environment such as water immersion, water impact, icing and marine corrosion on landing gear and the corresponding damage failure mode. The verification specifications and standards of environment adaptability were reasonably selected and extracted to establish the verification method for water environment test of amphibious aircraft landing gear. This verification method covered the conditions and methods of hydrostatic watertight test, continuous water impact test, sediment water test, icing test and marine corrosion test, so as to provide support for the design and verification of environment adaptability of amphibious aircraft landing gear.

amphibious aircraft; landing gear; water environment; environment adaptability

V240

A

1672-9242(2023)01-0037-06

10.7643/ issn.1672-9242.2023.01.006

2021–11–17；

2021-11-17；

2022–01–13

2022-01-13

工信部民機預(yù)研（MJZ-2018-F-22）

Civil Aircraft Development Project of MIIT（MJZ-2018-F-22）

羅琳胤（1966—），男，博士，研究員，主要研究方向為飛機結(jié)構(gòu)強度設(shè)計。

LUO Lin-yin (1966-), Male, Doctor, Researcher, Research focus: aircraft structural strength design.

羅琳胤, 舒龍珍, 呂繼航, 等. 水陸兩棲飛機起落架水環(huán)境適應(yīng)性驗證要求與方法[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(1): 037-042.

LUO Lin-yin, SHU Long-zhen, LYU Ji-hang, et al.Requirements and Methods for Water Environment Adaptability Verification of Landing Gear of Amphibious Aircraft[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(1): 037-042.

責(zé)任編輯：劉世忠