艦載直升機環境條件確定方法探討

張令波 程叢高

（1．海軍裝備部飛機辦，北京 100071；2.中航工業綜合技術研究所，北京 100028）

艦載直升機與陸基直升機相比，部署地點由陸地轉移到海面艦船上，作戰區域也由基于陸地的空域轉移到以海上空域為主，實際使用過程中，所遇到的環境將隨之發生很大的變化。例如，艦載直升機長期停放在航空母艦甲板上和機庫內，隨母艦在海洋區域內駐留和游弋，面臨的主要環境為海洋性環境。海洋以及沿海地區高溫、濕熱、鹽霧等惡劣多變的氣候環境將對直升機上所用的各種金屬、非金屬材料、復合材料產生嚴重的腐蝕作用。另外，艦載平臺誘發的海浪拍擊、傾斜搖擺等環境也會對其產生不同程度的影響。因此，為提高艦載直升機的環境適應性，確保其作戰效能的發揮，首要任務就在于準確地確定艦載直升機不同于陸基直升機的特殊環境條件。本文將對艦載直升機面臨的特殊環境進行簡要分析，并對艦載直升機環境條件確定方法進行探討。

1 艦載直升機特殊環境分析

艦載直升機由于其特殊的部署位置，使得它停放、起飛和降落所經受的環境條件與陸基直升機有很大的不同。下面將簡要分析艦載直升機在其壽命期內經受的特殊氣候環境（含生化環境）和機械環境。

1.1 氣候環境分析

艦載直升機在其壽命期內絕大部分時間都停放在母艦的甲板上，將會受到海洋性氣候環境和誘發環境的嚴酷影響。主要影響因素包括溫度、濕度、鹽霧、淋雨、海水的噴濺、積冰、酸性大氣、流體污染和霉菌生長，其中最突出影響的有高溫、高濕和高鹽霧。

1.1.1 高溫環境

東南沿海地區進入夏季一般氣溫都維持在30℃以上，最高可達40℃左右。母艦甲板上的太陽輻射會造成其上部署的直升機內部溫度超過外界空氣溫度，根據GJB 150.3A–2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 高溫試驗》，當母艦航行在南海時，在其直升機內部誘發的溫度最高可達63℃，如表1所示。長時間高溫天氣將對艦載直升機上的發動機、設備、及設備上所用的元器件造成破壞。另外，高溫也會加快金屬和非金屬的腐蝕，特別是加速其表面涂層的老化。

表1 高溫日循環值

1.1.2 高濕環境

在甲板上部署的艦載直升機內部由于誘發高溫，會把封閉空間內空氣的含水量提高到外界環境條件以上，特別是部署在濕熱的熱帶地區的時候。加上沒有通風，太陽輻射和外界環境溫度的晝夜變化，誘發機艙內外產生壓差，從外界大氣吸入并截留潮氣。在白天溫度高（包括太陽輻射的間接加熱效應）、夜間溫度低的地方，這種現象尤為突出。潮氣的逐漸積累能夠導致機艙內濕度增大，露點溫度升高，當晝夜循環至較低溫度時極易出現飽和發生凝露現象。因此，機艙內的相對濕度經?？蛇_到100%。高濕度環境會由于凝露造成設備內部積水，極易引起電路短路，還會引起材料腐蝕、表面有機涂層和無機涂層的化學或電化學破壞等。

1.1.3 鹽霧環境

部署在甲板上的艦載直升機除極易受到由海水噴濺形成的極為苛刻的鹽霧環境影響外（我國各海區的鹽霧沉降量如表2所示），還會受到航母煙囪排放的含SO2氣體的影響。據美國某航空協會驗證，停放在母艦甲板上的飛機表面聚積的濕氣中含有SO42-，最高達到33%，并具有較低的PH值（約為2.4～4.0），呈現明顯的酸性鹽霧特征，見表3。

通過現場調研和試驗發現，強酸性鹽霧環境極易導致電化學腐蝕。另外，鹽的沉積也會導致機械部件和組件活動部分阻塞或卡滯現象。

1.1.4 積冰環境

在低溫地帶，甲板上的艦載直升機容易受到海水噴濺或鹽霧積水形成的積冰的影響。母艦和波浪運動的相互作用產生的海水噴濺、母艦的航速以及相對于盛行風的航向，能夠影響成冰的厚度和樣式。據相關報道，在極其低溫作業的艦船上，積冰速率可達到40mm/h。冰易導致活動件凍結、增加雷達天線和氣動控制面重量、降低氣動升高和控制表面的效能等。

表2 我國各海區鹽霧沉降量

表3 航母排放煙塵分析

1.1.5 流體污染環境

艦載直升機可能還會不時受到母艦使用、維修保養中用到的、或者母艦上車輛、飛機、貨物排出的各種液體和化合物的污染。污染的原因可能是噴濺、容器的滲漏和破裂等不慎引起的；或者是有意的，如清洗、除冰后的殘留液或使用的滅火器。流體污染環境易改變直升機上所用材料的物理性質而損害設備性能，如使塑料與橡膠出現開裂和膨脹、加速金屬腐蝕等。

1.1.6 霉菌生長

霉菌生長最適宜環境通常為溫暖潮濕環境。一般情況下，在高相對濕度（90%～100%）環境中，霉菌孢子能夠在5℃～50℃的溫度范圍內均能較快生長。艦載直升機不通風的機艙內極易誘發有利于霉菌生長的溫度和濕度條件。霉菌在直升機電子設備的面板、儀器儀表、通信器材等表面生長，將產生霉變和腐蝕，造成其性能劣化、元器件失效、結構破壞、部件失靈、功能喪失等故障。

1.2 機械環境分析

艦載直升機所經受機械環境最大的不同來自于它停放和起飛、降落的平臺——即海面艦船，該艦船自身在海面上運動，其自身的機械運動和海浪作用均會誘發出特殊的機械環境。

1.2.1 浪拍

波浪撞擊船體的效應，即浪拍，能夠引起沖擊載荷。

1.2.2 拍擊海面

拍擊海面是指在母艦駛入波濤洶涌的海面時，其本身比較平坦的船底以較高的速度拍打海面而發生的局部現象。拍擊海面引起的瞬時加速度在母艦上能夠達到1g。在較小的艦船上，如在掃雷艦上，曾經記錄到5g的瞬時加速度。

1.2.3 母艦運動

海水和風的作用能夠造成橫滾、縱搖、偏航等低頻（周期為幾秒）周期性運動。這些運動近似于簡諧運動，其固有周期取決于母艦的特性。

另外，艦船上的機械裝置包括發電機、變壓器、推進發動機、齒輪箱、旋轉軸和螺旋槳等，它們的運行將誘發出艦船振動，對其上安裝的裝備將產生影響。

上述機械環境對直升機機體及其機載設備的結構均會造成不利影響，在確定艦載直升機環境條件時，均需對此加以考慮。

2 環境條件確定方法

2.1 環境因素考慮

通過對艦載直升機特殊環境分析可知，在確定艦載直升機實際使用環境時，除需考慮常遇到的溫度、溫度-高度、振動、沖擊、加速度、濕熱、霉菌、鹽霧、淋雨、太陽輻射等環境外，在氣候環境方面，還應考慮：積冰，酸性大氣，流體污染。

另外，在確定機械環境因素時，還應考慮：浪拍、拍擊海面、母艦運動等。

2.2 環境條件的確定

在確定了上述環境因素以后，下面的工作就是針對每一環境因素，確定其環境條件。

2.2.1 氣候環境條件的確定

氣候環境是裝備壽命期必然遇到的最基本環境。在一些情況下，氣候環境因素直接作用于裝備（產品）上，此時氣候環境極值就可以作為確定其對應環境適應性要求的唯一依據。例如設備遇到的溫度、濕度、低氣壓、太陽輻射、風、雪、淋雨、砂塵、鹽霧等環境。

氣候環境隨時間和地點的不同會發生顯著變化，短期采集得到的氣候環境數據根本無法代表裝備全壽命期氣候環境，也難以從中得到全壽命期氣候環境極值數據，因此，為確定氣候環境條件，一般不開展氣候環境數據采集工作，而是從相關氣候環境極值標準中收集氣候環境極值數據，并據此確定環境條件。

常用的氣候環境極值標準包括：

MIL–HDBK–310 Global Climatic Data for Developing Military Products。

AR 70–38 Research, Development, Test and Evaluation of Materiel for Extreme Climatic Conditions。

AMCP 706–116 Engineering Design Handbook,Environmental Series, Part 2, Natural Environmental Factors, DTIC Accession Number ADA012648。

Krause, P.F.and K.L.Flood.1997.Weather and Climate Extremes (Technical Report TEC-0099).Alexandria, VA: U.S.Army Topographic Engineering Center; Topographic Engineering Center Website。

GJB 1172–1991《軍用設備氣候極值》。

GB 4797《電工電子產品自然環境條件》。

對于艦載直升機，還需考慮海洋氣候環境相關標準，主要包括：

GJB 440.1–1988《艦船設備環境參數分類及其嚴酷等級 氣候、生物、化學活性物質和機械作用物質》。

GJB 1060.2–1991《艦船環境條件要求 氣候環境》。

GJB 1446.50–1992《艦船系統界面要求 氣候環境》。

GJB 3617.1–1999《軍用設備海洋氣候、水文極值》。

在分析艦載直升機壽命期將遇到的氣候環境條件時，應根據其主要作戰海域和空域進行分析，針對環境分析和環境影響分析得到的具體環境因素，查閱相關環境極值標準，確定其氣候環境條件，并據此進行環境條件的確定。

2.2.2 機械環境條件的確定

機械環境是裝備運動誘發產生的環境，一般包括振動、沖擊、加速度、噪聲等全部動力學環境。由于這類環境隨載機平臺不同而不同，對于每個裝備平臺來，可以說都是獨一無二的，沒有哪個標準和規范能直接給出具體的環境數據，因此，為在艦載直升機研制早期更為準確地確定其機械環境條件，通常需要收集相似直升機的機械環境數據，在必要時可能需要安排相似直升機環境數據采集工作，以獲得充足的機械環境數據。

在獲得相似直升機平臺環境數據以后，必須對數據進行統計分析，獲得各種實測環境條件，下面以振動為例，介紹實測振動數據處理方法。

早期進行振動環境數據歸納時，常使用HB/Z87–1984《直升機飛行振動環境測量數據的歸納方法》和GB 10593.3–1990《電工電子產品環境參數測量方法 振動數據處理和歸納方法》，這兩個標準采用的是極值包絡法（或是有一定風險率的極值包絡法），沒有根據數據樣本數量和數據分布特性進行統計處理（按一定的置信度和數據包絡的百分位點來統計環境數據），難以確定有統計意義的環境條件。當前在歸納振動環境條件時，使用的是GJB/Z 126–1999《振動、沖擊環境測量數據統計歸納方法》提出的統計容差上限方法。根據該標準規定，采用P99/90振動譜作為給定，其分析流程如圖1所示。

圖1 實測振動數據處理方法流程

應該注意的是，直升機使用振動由直升機主旋翼、尾槳、傳動機構等旋轉部件的運動、空氣動力和發動機噪聲共同誘發，其環境特性呈現正弦疊加隨機特性，其振動測量數據包括了正弦分量和隨機分量，因此，在對實測數據進行統計歸納前，首先應將振動數據中的正弦分量與隨機分量進行分離，然后對相同狀態下的正弦分量和隨機分量分別進行歸納，從而得到所需的振動環境條件。

3 環境試驗條件確定示例

下面以鹽霧環境為例，確定某型艦載直升機鹽霧環境試驗條件。

根據2.2.1條，鹽霧環境屬于氣候環境，應查閱國內外相關的氣候環境標準，并根據艦載直升機實際使用區域和特點，確定其鹽霧環境試驗條件。

目前，國內現有鹽霧環境試驗標準包括：GJB 150.11A–2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 鹽霧試驗》、GJB 4.11–1983《艦載電子設備環境試驗鹽霧試驗》，GJB 360.2–1987《電子及電氣元件試驗方法》，GB 2423.18–1985《電工電子產品環境試驗規程 試驗Kb：交變試驗方法（氯化鈉溶液）交變鹽霧》。各標準規定的鹽霧環境試驗條件如表4所示，由表4可見，國內鹽霧環境試驗標準均為中性鹽霧試驗。

表4 國內各標準鹽霧環境試驗條件對比

其中，GB 2423.18–1985嚴酷等級1和2適用于試驗在海洋環境或近海地區使用的產品。嚴酷等級1適用于試驗在大部使用壽命期間暴露于這種環境的產品（如船用雷達、甲板設備）；嚴酷等級2適用于試驗可能經常暴露于海洋環境，但通常會受封閉物保護的產品（如通常在船橋或在控制室內使用的航海設備）。

然而，由于航母煙囪釋放的煙中含有大量二氧化硫，因此，艦載直升機周圍的氣候環境往往呈酸性。例如，Ketcham報告中（NADC77252-30）指出在4艘不同的航母飛行甲板上停放的飛機蒙皮上水氣的PH值變化范圍為：2.4～4.0。美國海軍航空發展中心（NADC）對海軍飛機材料的試驗室加速腐蝕試驗做了大量的試驗研究及驗證，并形成了較成熟的海軍飛機鹽霧環境試驗方法（參考NADC81174-60）。參考NADC81174-60，艦載直升機鹽霧環境試驗條件可確定為：

試驗溫度：49℃～52℃；

鹽溶液：1份ASTM D1141規定的溶液兌入10份蒸餾水；

按ASTM B117標準噴霧，共4個循環，每循環為6h，其中5h連續噴鹽霧溶液，1h停止。在噴鹽霧結束前15min噴入SO2，噴鹽霧結束后持續噴SO215min，SO2噴入速率為1.0±0.2cm3/min/ft3。

4 結論

艦載直升機環境條件確定得是否科學合理，直接關系到其研制難度、進度、成本以及維護和維修。在確定其環境條件時，首先應對其實際使用的復雜環境進行分析，結合艦載直升機結構特點、任務特點和壽命期環境剖面，分析其對直升機的影響，其次，結合相關標準規范給出極值數據、相似直升機平臺環境測量數據，分析確定其環境條件。最后，還必須加強環境數據的收集和采集工作，尤其是對艦載直升機平臺的環境數據的測量和收集，建立其環境數據庫。這不僅可為艦載直升機環境條件的合理確定提供依據，而且也可為其環境適應性要求的驗證起到非常重要的作用。

圖2 不同試驗嚴酷等級試驗持續時間

[1] 張彩先，楊小河，周紹華等.東南沿海環境因素對直升機的影響研究[J].裝備環境工程，2010，7（6）：126-127.

[2] GB/T 4797 電工電子產品自然環境條件[S].

[3] Ketcham S.J.Accelerated LaboratoryCorrosion Test for Materials and Finishes Used in Naval Aircraft [R].Naval Air Systems Command Report NADC-77252-3, of 14 Sep 1977.

[4] Morris A.W.Corrosion Control Test Method for Avionic Components[R].Naval Air Development Center Report NADC-81174-60, of 25 Sep 1981.