高原地區(qū)機(jī)場自然環(huán)境譜編制研究

牛犇，劉濺洪

（1.陸裝駐成都地區(qū)航空軍代室，成都 610043；2.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

機(jī)場自然環(huán)境是造成飛機(jī)停放（服役）過程中出現(xiàn)腐蝕損傷的重要因素[1]。典型機(jī)場的自然環(huán)境可以用自然環(huán)境譜的方式進(jìn)行描述和呈現(xiàn)，編制典型機(jī)場自然環(huán)境譜，對研究飛機(jī)停放（服役）過程中的環(huán)境適應(yīng)性、出現(xiàn)腐蝕損傷的現(xiàn)象及規(guī)律、飛機(jī)的綜合防護(hù)理論方法研究和制定相應(yīng)的腐蝕維修指南的意義重大[2]。根據(jù)飛機(jī)停放（服役）環(huán)境，研究人員建立了相關(guān)的環(huán)境譜編制方法[2-3]，并編制了飛機(jī)空中使用環(huán)境譜[4]、典型機(jī)場地面環(huán)境譜[5]、載荷環(huán)境譜[6]、亞濕熱酸雨環(huán)境譜[2]、海洋環(huán)境譜[7]等。針對我國重點地區(qū)環(huán)境譜的編制研究過程中，還存在收集的環(huán)境因素數(shù)據(jù)量及種類較少，沒有形成比較系統(tǒng)完善的飛機(jī)環(huán)境因素數(shù)據(jù)庫等缺點[8]，尤其是針對高原地區(qū)的環(huán)境譜建設(shè)。我國高原地區(qū)地域遼闊，人煙稀少，多數(shù)地區(qū)由于自然環(huán)境惡劣而無法設(shè)立自然環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測臺站，收集的環(huán)境數(shù)據(jù)量少，很難支撐飛機(jī)在高原地區(qū)服役時的環(huán)境譜編制，至今關(guān)于高原地區(qū)環(huán)境譜的編制也鮮有報道。

飛機(jī)在高原地區(qū)的廣泛服役，對發(fā)展該區(qū)域的國防力量和國民經(jīng)濟(jì)等具有重要的作用和意義[9]。然而，高原地區(qū)低氧量、低溫、低氣壓、強(qiáng)紫外輻射和強(qiáng)風(fēng)沙等惡劣自然環(huán)境條件[10]對飛機(jī)發(fā)動機(jī)、電力電子部件、裸露運動部件、光學(xué)部件、裸露氣動傳感器、非金屬材料、液壓系統(tǒng)、裸露天線及非氣密艙電插頭等部位的影響較大，飛機(jī)易出現(xiàn)“高原反應(yīng)”的問題[11]。例如，在高原低溫作用下，機(jī)油和柴油的黏度增大，蓄電池的輸出功率大幅下降，發(fā)動機(jī)難以啟動。晝夜溫差大使產(chǎn)品的密封性受到挑戰(zhàn)，儀表零點漂移嚴(yán)重，精度下降[12]。強(qiáng)太陽輻射能夠引起有機(jī)涂層和橡膠件材料中的化學(xué)鍵斷裂破壞而出現(xiàn)老化，導(dǎo)致高分子材料變硬、變脆而失去密封效果和防護(hù)效果[13-14]。低氣壓導(dǎo)致發(fā)動機(jī)性能下降，氣密設(shè)備負(fù)壓破壞，液壓密封泄漏，金屬傳動部件接觸面粘合、開裂、變形等[15]。發(fā)動機(jī)吸入大量沙塵會磨損和打傷風(fēng)扇葉片，易造成發(fā)動機(jī)出現(xiàn)大的振動、EGT（排氣溫度）裕度衰減，加劇運動部件損傷，增加油耗，最終導(dǎo)致發(fā)動機(jī)服役壽命大打折扣[11]。上述環(huán)境適應(yīng)性問題可能導(dǎo)致巨大的軍事和經(jīng)濟(jì)損失。美國國防部針對裝備損傷失效的調(diào)查結(jié)果表明[15]，武器裝備損壞的案例中，超過1/2 是環(huán)境造成的，庫存期內(nèi)，環(huán)境因素造成的損壞占比更是達(dá)到了3/5。因此，編制飛機(jī)在高原地區(qū)典型機(jī)場停放（服役）過程中的自然環(huán)境譜，對于研究飛機(jī)材料、結(jié)構(gòu)、分系統(tǒng)乃至整機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性至關(guān)重要。

為了補(bǔ)充和完善高原地區(qū)飛機(jī)服役環(huán)境的環(huán)境譜庫建設(shè)，本文以高原地區(qū)兩地典型機(jī)場為對象，通過監(jiān)測氣象自然環(huán)境和化學(xué)環(huán)境因素數(shù)據(jù)，研究并建立高原地區(qū)典型機(jī)場環(huán)境譜。

1 機(jī)場環(huán)境因素數(shù)據(jù)

1.1 監(jiān)測

研究表明[7,16]，溫度、濕度、氣壓、太陽輻射、沙塵和降水，大氣中的Cl-、SO2、氮氧化物NOx以及雨水中Cl-、SO42-和雨水pH 值等是造成高原地區(qū)飛機(jī)發(fā)生腐蝕行為和老化的主要氣象環(huán)境因素和化學(xué)環(huán)境因素。

1.2 采集

在高原地區(qū)A 地和B 地兩地機(jī)場戶外選取合適的區(qū)域進(jìn)行環(huán)境因素的監(jiān)測，監(jiān)測周期為1 a。

1）溫濕度、日照時數(shù)、太陽輻射（總輻射、紫外輻射）、氣壓、降雨量等氣象環(huán)境因素數(shù)據(jù)，通過便攜式自動氣象站持續(xù)采集。采集過程參照 GB/T 24516.1—2009《金屬和合金的腐蝕大氣腐蝕 地面氣象因素觀測方法》[17]執(zhí)行，數(shù)據(jù)每1 h 采集記錄1 次。

2）大氣中的Cl－、SO2、氮氧化物NOx等環(huán)境因素數(shù)據(jù)，通過安裝露天試驗棚進(jìn)行采集。采集過程參照GJB 8894.1—2017《自然環(huán)境因素測定方法 第1部分：大氣環(huán)境因素》[18]中的掛片法，每個采集點均由3 個平行樣組成，沉積速率為3 個試樣的平均值。數(shù)據(jù)每月采集記錄1 次。

3）沙塵和雨水中的Cl-、SO42-、pH 值等環(huán)境因素數(shù)據(jù)，在機(jī)場露天空曠的區(qū)域開展采集。其中，沙塵采用內(nèi)徑30 cm、高40 cm 的集塵缸采集，每月采集1 次（月初開始，月底取樣，每次采集時長為1 個自然月）。采用濕法激光粒度檢測法測定沙塵粒徑，采用離子色譜法測定沙塵中可溶性氯離子含量。雨水的采集參照GB/T 13580.2—1992《大氣降水樣品的采集與保存》[19]執(zhí)行；參照GB/T 13580.4《大氣降水pH 值的測定電極法》[20]測定雨水的pH 值；參照GB/T 13580.6《大氣降水中硫酸鹽測定》[21]測定雨水中的SO42-濃度；參照GB/T 13580.9《大氣降水中氯化物的測定 硫氰酸汞高鐵光度法》[22]測定雨水中的Cl-濃度。雨水在每次降水時實時采樣分析，一般每月采集3 次。

2 環(huán)境譜的編制

2.1 環(huán)境因素統(tǒng)計分析

根據(jù)采集的氣象環(huán)境因素數(shù)據(jù)和大氣污染物數(shù)據(jù)，對A 地和B 地機(jī)場環(huán)境特征進(jìn)行了細(xì)致的統(tǒng)計分析，形成了相關(guān)的月/年報表和圖譜。兩地機(jī)場的月平均氣溫和月平均相對濕度的變化規(guī)律以及兩地間的差異如圖1 所示。由圖1 可知，兩地的溫濕度環(huán)境因素數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本一致，但是數(shù)值上存在一定的差異。兩地氣候四季分明，月平均溫度和月平均相對濕度隨時間成類弦函數(shù)規(guī)律變化，夏季最高，冬季較低，最高值出現(xiàn)在6—9 月份，最低值出現(xiàn)在12 月—次年2 月份。在上述統(tǒng)計結(jié)果的基礎(chǔ)上，形成了單項環(huán)境譜、組合環(huán)境譜和綜合環(huán)境譜。

圖1 高原兩地監(jiān)測的平均氣溫和平均相對濕度的變化規(guī)律Fig.1 Variation of average temperature (a) and relative humidity (b) in two places in the plateau area

2.2 單項環(huán)境譜

單項譜是僅針對單一環(huán)境因素建立的環(huán)境譜，不考慮其他環(huán)境因素，如溫度譜定義為“一定統(tǒng)計時間內(nèi)，溫度平均值、極值及特定溫度區(qū)間累積時間的統(tǒng)計結(jié)果”。單項環(huán)境譜包含溫度譜、相對濕度譜、日照輻射譜等。

A 地和B 地的溫度譜如圖1a 和圖2 所示。其中圖1a 顯示了高原地區(qū)兩地月平均溫度的變化規(guī)律，以及相應(yīng)的極大值和極小值。從圖2 中可以看出各平均溫度段內(nèi)的作用時間，兩地的溫度段一致，均在0～20 ℃，A 地的溫度集中在0～5 ℃的低溫段，而B地的4 個溫度段出現(xiàn)的時間相同。

圖2 高原兩地的溫度譜Fig.2 Temperature spectrums of two places in the plateau area

A 地和B 地的濕度譜如圖1b 和圖3 所示。其中圖1b 顯示了高原地區(qū)兩地月平均相對濕度的變化規(guī)律，以及相應(yīng)的極大值和極小值。從圖3 中可以看出各平均相對濕度段內(nèi)的作用時間。A 地的濕度段整體低于B 地，A 地作用時間最長的相對濕度在20%～30%，B 地在50%～60%。

圖3 高原兩地的濕度譜Fig.3 Humidity spectrums of two places in the plateau area

高原兩地的日照輻射譜如圖4 所示。B 地的總輻射量、紫外輻射量和日照時數(shù)均要低于A 地。A、B兩地的月平均輻射量分別為724.1、582 MJ/m2。另外，A 地的年總輻射量為8 689.5 MJ/m2，年紫外輻射量為315.1 MJ/m2；B 地的年總輻射量為6 984 MJ/m2，年紫外輻射量為250.6 MJ/m2，兩地紫外輻射量占總輻射量的比例一致，均約為3.6%。高原地區(qū)年總輻射量與紫外輻射量均高于內(nèi)陸地區(qū)，但是占比低于內(nèi)陸地區(qū)[17]。

圖4 高原兩地的日照輻射譜Fig.4 Solar radiation spectrums of two places in the plateau area

2.3 組合環(huán)境譜

在建立上述單項環(huán)境因素譜的基礎(chǔ)上，為體現(xiàn)高原兩地各種自然環(huán)境因素的綜合作用，編制了2 個或2 個以上環(huán)境因素構(gòu)成的組合環(huán)境譜，組合環(huán)境譜以多種因素在確定應(yīng)力水平的組合下所占的年均累積時間的形式體現(xiàn)。包含溫度–相對濕度譜、降水譜、酸雨譜和污染介質(zhì)譜等。

A 地和B 地的溫度–相對濕度譜見表1 和表2。它是在采集的時間段內(nèi)，以5 ℃為溫度變化區(qū)間，以10%為相對濕度變化區(qū)間，統(tǒng)計得到的年均累積時間結(jié)果。由表1 和表2 可知，在相同的溫度條件下，A地相對濕度低于50%的時間達(dá)到6 140 h，長于B 地的2 887 h，而相對濕度高于50%的時間均短于B 地，說明A 地的相對濕度更低，與圖1 結(jié)果一致。另外，A 地溫度在10～15 ℃出現(xiàn)的次數(shù)最多，B 地則出現(xiàn)在15～20 ℃，且均向兩側(cè)降低。

表1 A 地溫度–相對濕度譜Tab.1 Temperature-relative humidity spectrum of A

表2 B 地溫度–相對濕度譜Tab.2 Temperature-relative humidity spectrum of B

高原兩地的降水譜如圖5 所示。降水譜為在采集的時間段內(nèi)，以5 ℃為溫度變化區(qū)間，統(tǒng)計得到的累積降水量。A、B 兩地累積降水量最高值均出現(xiàn)在20～25 ℃，A 地最高值約比B 地高90 mm。A 地最低值出現(xiàn)在15～20 ℃，僅0.3 mm，幾乎不發(fā)生降水；B地則出現(xiàn)在25～30 ℃。整體上兩地機(jī)場的降水量均較少，具有少雨干旱的特點。

圖5 高原兩地的降水譜Fig.5 Precipitation spectrums of two places in the plateau area

2.4 綜合環(huán)境譜

將收集、統(tǒng)計的高原兩地所有環(huán)境因素歸類合并計算后，按照最大程度涵蓋高原地區(qū)飛機(jī)可能面臨的極端環(huán)境為原則，取兩地環(huán)境要素中較為嚴(yán)酷的極值數(shù)據(jù)，形成了高原地區(qū)綜合環(huán)境譜，見表3。該自然環(huán)境譜中給出了潮濕空氣、日照、雨、沙塵的時間比例、累積作用時間、作用強(qiáng)度，以及Cl-、SO2和NO2等污染介質(zhì)的濃度等信息。其中，潮濕空氣為大氣溫度在0 ℃以上且大氣相對濕度在70%以上的大氣環(huán)境。由表3 可知，高原兩地機(jī)場環(huán)境具有空氣和雨水中腐蝕介質(zhì)（SO2、NO2和Cl-）含量較低，太陽輻射量大，年平均溫度、濕度和氣壓均較低，晝夜溫差大的特點。

表3 高原地區(qū)自然環(huán)境譜Tab.3 Natural environment spectrum of plateau area

3 結(jié)論

通過分析裝備在高原地區(qū)的腐蝕損傷案例和現(xiàn)象，以及結(jié)合高原地區(qū)環(huán)境特征，確定了環(huán)境因素監(jiān)測項目和方法，編制了高原地區(qū)機(jī)場的單項環(huán)境譜、組合環(huán)境譜和綜合環(huán)境譜，得到高原地區(qū)2 個典型機(jī)場環(huán)境特點如下：年平均相對濕度、平均氣壓、氣壓極大值均很低；年平均溫度中等，冬季溫度較低，低溫時間較長，晝夜溫差大；太陽輻射特別是紫外輻射強(qiáng)（遠(yuǎn)高于內(nèi)陸、沿海等其他環(huán)境，約為內(nèi)陸地區(qū)的2～3 倍）；溫度、太陽輻射、降雨等環(huán)境因素與季節(jié)關(guān)聯(lián)度較大（一般夏季較高、冬春季較低）；降水較少，且季節(jié)性分布不均，雨水pH 值呈中性，空氣較為干燥，且大氣污染物含量很低，存在少量沙塵（沙塵粒度較?。?。

在實際應(yīng)用中，還需要對飛機(jī)材料、結(jié)構(gòu)、分系統(tǒng)乃至整機(jī)在高原地區(qū)出現(xiàn)的腐蝕損傷進(jìn)行分析，確定主要的氣象/化學(xué)環(huán)境因素，對相應(yīng)的環(huán)境譜進(jìn)行裁剪，確定直升機(jī)以及武器裝備在機(jī)場地面停放/存放時的環(huán)境適應(yīng)性考核驗證和腐蝕防護(hù)設(shè)計的輸入。