艦載機載設備腐蝕環境適應性要求的剪裁

劉元海，張幸

（1.結構腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，湖北 荊門 448035；2.中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

艦載機載設備腐蝕環境適應性要求的剪裁

劉元海1,2，張幸1,2

（1.結構腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，湖北 荊門 448035；2.中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

目的 構建一套具有更高要求的艦載機載設備腐蝕環境適應性考核與評價指標。方法 在滿足GJB 150.A—2009 基本試驗條件（指標）的基礎上，參考相關標準規范，遵循“環境分區原則”和“優先使用實測強度原則”進行剪裁。結果 獲得了艦載機內部封閉、內部半封閉和敞開/外露三類不同環境區域安裝的機載設備的濕熱、霉菌、鹽霧、酸性大氣試驗考核指標。結論 試驗指標剪裁依據充分合理，能夠適用于艦載機機載設備及其附件的腐蝕環境適應性評估與驗證。

艦載機；機載設備；環境適應性；剪裁要求

艦載機是以航母為載體并隨航母在廣泛海域內使用的飛機，它既不同于陸基飛機也不同于水上飛機，除了少量岸基訓練和必須的返廠修理外，未來大部分使用壽命將處于航母艦基停放和飛行狀態。由于機庫容量限制和作戰任務需要，艦載機絕大部分時間（90%以上）將停放在飛行甲板上，將長期遭受高溫、濕熱、霉菌、鹽霧、雨雪以及霧天、海水飛濺等極端惡劣海洋自然環境的作用，還會受到航母燃料燃燒的廢氣、飛機起飛/著艦過程中排出的含硫煙氣和艦上維修過程中產生的氣體/蒸氣的腐蝕。總體來說，艦載機總體腐蝕環境屬于海洋大氣環境、海水（飛濺）及艦面廢氣復合的使用環境。嚴酷的使用環境和使用模式，對艦載機機載設備的環境適應性提出了更高要求[1]。

近年來，伴隨著艦載機載設備環境腐蝕問題的不斷凸現，人們逐漸認識到傳統的軍用裝備實驗室環境試驗方法（GJB 150A—2009）及驗證指標可能已無法滿足惡劣的艦上和海上使用/存儲裝備的考核要求，艦載裝備研制初期應盡早準確確定機載設備的腐蝕環境適應性要求，并根據相應指標要求開展環境適應性設計與考核，對艦載裝備的研制工作具有重要意義，是確保裝備環境適應性滿足要求的主要手段。

文中在分析國內外相關標準規范的前提下，遵循環境分區原則和優先使用實測強度原則，確定了一套實用有效的艦載機內部封閉、內部半封閉和敞開/外露三類不同環境區域安裝的機載設備的濕熱、霉菌、鹽霧和酸性大氣試驗要求，可用于后續艦載機機載設備及其附件的腐蝕環境適應性評估與驗證。

1　腐蝕環境適應性要求剪裁原則［2］

艦載機載設備腐蝕環境技術要求（含濕熱、霉菌、鹽霧、酸性大氣）應在滿足GJB 150A—2009基本試驗條件（指標）的基礎上，參考相關標準/規范，遵循“環境等級分區原則”和“優先使用實測強度原則”進行剪裁。

1）環境等級分區原則。機載設備安裝在飛機平臺上，其壽命期主要環境特別是工作環境為平臺的誘發環境。對于艦載機而言，其安裝在不同結構、不同位置的機載設備受到的平臺誘發環境不同。因此，需根據不同環境因素和飛機結構特點對飛機結構進行環境分區，根據收集到的環境數據、經驗數據或實測數據歸納出不同區域的環境量值。當不具備經驗或實測數據時，參考相關試驗測試標準進行剪裁。

2）優先使用實測強度原則。為確保腐蝕環境試驗指標要求的真實性與可靠性，在環境強度的選用上應優先采用實測的環境強度/數據；沒有實測環境強度/數據時，可采用相似設備（指安裝在相似平臺、相似位置的功能相同的設備）測得的服役/使用環境強度/數據；既沒有實測環境強度亦無可供的相似設備實測數據時，則選擇相關規范和標準中推薦的環境強度。

2　腐蝕環境適應性要求剪裁程序

要剪裁出一個科學、合理、有效的艦載機載設備腐蝕環境適應性要求，必須在對比分析國內外相關標準規范的前提下，收集足夠多的類似平臺或者相似設備壽命期內的環境數據，對設備壽命期內可能遇到的腐蝕環境情況進行周密分析，根據分析結果剪裁確定機載設備腐蝕環境適應性要求所應包括的環境量值。艦載機載設備腐蝕環境適應性要求的剪裁程序如下所述。

1）分析艦載機載設備安裝平臺的壽命期環境剖面，以及平臺不同結構區域的局部環境特點，對機載設備安裝區域局部環境進行分類。

2）對比分析國內外相關標準規范，尋找剪裁依據。

3）收集設備或相似設備壽命期的環境數據，主要為溫濕度、霉菌、鹽霧、酸性介質等。

4）根據機載設備在平臺上的安裝區域、安裝特點和使用特點，結合2）和3），考慮“優先使用實測強度原則”和“環境極值原則”進行剪裁，確定濕熱、霉菌、鹽霧、酸性大氣環境適應性要求。

3　機載設備安裝區域環境分類

3.1 安裝區域劃分

一般而言，根據艦載機機體結構特點以及飛機飛行狀態下不同結構區域、不同位置、不同艙段（室）局部區域環境的控制情況，可將全機機載設備安裝區域劃分為五個典型區域。

1）A區（氣密區）：即安裝在局部溫度、濕度、壓力等環境因素可控制的區域（艙室）。

2）B區（高溫區）：即飛機飛行過程中受局部高溫環境影響的區域。

3）C區（完全暴露區）：安裝在直接暴露在嚴酷海洋大氣環境中，受全天候雨雪、陽光、濕熱、海霧、鹽霧、海水飛濺等環境作用的區域。

4）D區（部分暴露區）：安裝在部分環境暴露區域，即飛機飛行階段處于封閉狀態（短時間），停放階段處于敞開狀態（長時間），受到濕氣、鹽霧、燃料廢氣等的作用，但不受雨雪、陽光直接作用的區域。

5）E區（其他區）：安裝在除A，B，C，D外的結構區域。

3.2 安裝區域局部環境分類

參照 GJB/Z 594A—2000[3]，根據機載設備安裝區域的局部環境特點，可將機載設備的局部使用環境劃分為 I類（內部封閉環境區）、II類（內部半封閉環境區）、III類（敞開/外露環境區）等 3種類型，見表1。

表1 艦載機載設備安裝區域局部環境種類劃分Table 1 Local environmental variety for the shipboard airborne equipment installation areas

4　腐蝕環境試驗條件的剪裁

4.1 濕熱試驗條件

艦載機可能遇到的濕熱環境包括長期停放在艦上或機庫所經受的海洋大氣濕熱環境和飛機使用過程中受局部環境誘發因素而導致的濕熱環境（如液體泄露）。MIL-STD-810G Method 507.6[5]，GJB 150.9A—2009[6]，RTCA DO-160G[7]，GJB 4.6—1983[8]等標準均給出了相應的濕熱試驗條件。MIL-STD-810G Method 507.6和GJB 150.9A—2009給出的濕熱試驗條件未針對裝備的具體結構環境區域進行細分，僅使用比一般自然和誘發狀態更嚴酷的濕熱環境（加嚴的溫濕條件），其主要目的是發現潛在的設計缺陷，縮短試驗時間和降低成本。RTCA DO-160G則針對裝備不同結構區域的局部濕熱環境等級進行了劃分（A類——標準濕熱環境（環境控制艙）、B類——嚴酷濕熱環境（環境非控制區）、C類——外部濕熱環境），不同區域采用不同的溫、濕度條件和作用時間，顯然更符合裝備的環境考核實際情況。

1999年，周希沅將中國典型環境地域劃分為干冷區、內陸基本區、內陸濕熱區、溫和沿海區、濕熱沿海區、溫和海洋區和濕熱海洋區共七大環境區，并根據153個站點8年的環境數據進行了統計，將各地不同溫度及濕度下的濕潤時間統一當量為t=40 ℃，相對濕度為95%～100%的標準潮濕空氣的作用時間，獲得了不同區域的相對濕熱環境強度，見表2[4]。考慮到65%的相對濕度是金屬材料發生腐蝕的臨界值，因此，可保守地認為文獻[4]中的內陸濕熱環境區對應于 RTCA DO-160G中 C類——外部濕熱環境，而對于艦載機而言，考慮其特殊任務使用模式和使用環境，其對應的“C類——外部濕熱環境”應根據其預期服役的海洋大氣濕熱環境強度（溫和沿海區/溫和海洋區/濕熱沿海區/濕熱海洋區）取相應的系數，即：α ≈ 1.42，因此濕熱試驗周期應在RTCA DO-160G的基礎上，取1.5的系數（可能稍高，可暫定1.5）。

1） I類（內部封閉）環境區濕熱試驗條件剪裁。按照RTCA DO-160G中A類——標準濕熱環境（環境控區控）對應的試驗條件，試驗周期為3個循環；而GJB 150.9A—2009中規定的加嚴的濕熱試驗周期為 10個循環，試驗溫度亦由 RTCA DO-160G中A類試驗條件的50 ℃提升至60 ℃，考慮到艦載裝備服役環境的特殊性和傳統環境試驗指標要求，I類（內部封閉）環境區安裝的機載設備濕熱環境試驗按GJB 150.9A—2009實施，周期取10個循環（240 h）。

表2 我國典型環境區域年均潤濕時間Table 2 Average annual wetting time of typical ambient area

2）II類（內部半封閉）環境區濕熱試驗條件剪裁。按照RTCA/DO-160G中B類——嚴酷濕熱環境（環境非控制區）對應的試驗條件，試驗周期為15個循環，此試驗溫度較GJB 150.9A—2009有所提升（60 ℃提升至65 ℃），試驗周期亦有所增加（10循環增加至15循環）。從環境嚴酷性角度考慮，II類（內部半封閉）環境區安裝的機載設備濕熱環境試驗周期調整為15個循環（360 h），試驗溫度按GJB 150.9A—2009中指定的60 ℃實施。

3）III類（敞開/外露）環境區濕熱試驗條件剪裁。按照RTCA/DO-160G中C類——外部濕熱環境對應的試驗條件，試驗周期為 9個循環；而GJB 150.9A—2009中規定的加嚴溫濕試驗周期為10個循環，試驗溫度亦由RTCA/DO-160G中C類試驗條件的55 ℃提升至60 ℃。考慮到艦載裝備服役環境的特殊性和傳統環境試驗指標要求，III類（敞開外露）環境區安裝的機載設備濕熱環境試驗亦按GJB 150.9A—2009實施，周期取10個循環（240 h）。

4.2 霉菌試驗條件

霉菌試驗用來評定裝備或材料長霉的程度以及長霉對裝備或材料性能或使用的影響程度。安裝在可能受嚴重污染環境中的設備（F類），必須開展防霉試驗（若能材料的組成成分或以前的試驗證明構成設備所使用的所有材料均不受霉菌影響，霉菌試驗可不做要求）。MIL-STD-810G Method 508.7，GJB 150.10A—2009，RTCA DO-160G（第13章），GJB 4.10—1983中均給出了相應的霉菌試驗條件。對比分析不同的標準可見，RTCA DO-160G第13章中規定的菌種是 ATCC(美國模式培養物集存庫)菌種，雖然名稱與 GJB 150.10A—2009中規定的CGMCC菌種名稱相同，但由于菌種來源的地域差別，菌種不能等同。一方面考慮到艦載機多在我國臨海區域活動，霉菌試驗選用國內的兩類CGMCC（中國普通微生物菌種保藏管理中心）菌種，同時考慮到短柄帚霉對塑料、橡膠的強烈侵蝕作用，在兩類菌種的基礎上添加“短柄帚霉”。

霉菌試驗試驗周期直接采用 GJB 150.10A—2009規定的28天，28天后若出現長霉，為確定長霉對設備的影響程度，直接采用 GJB 150.10A—2009中推薦的延長試驗持續時間，即84天。

4.3 鹽霧試驗條件

鹽霧試驗用于確定長期暴露在鹽霧大氣中或正常使用中經受的鹽霧環境對機載設備的影響。MIL-STD-810G Method 509.6，GJB 150.11A—2009，RTCA DO-160G（第14章），GJB 4.11—1983中均給了相應鹽霧試驗條件。通過對比分析可見，GJB150.11A給出的鹽霧試驗條件未針對裝備的具體結構環境區域進行細分，對試驗周期也未給出具體的量化值，僅建議增加試驗循環次數，以便對裝備耐鹽霧環境能力給出更高置信度的評價。RTCA DO-160G和GJB 4.11給出的鹽霧試驗條件，均針對裝備不同結構區域安裝的機載設備提出了具體試驗要求，不同安裝位置的設備采用不同的試驗條件和試驗周期，顯然后者更符合裝備的真實狀態，更適用于艦載機載設備的耐鹽霧性能考核。

1） I類（內部封閉）環境區鹽霧試驗條件剪裁。按照RTCA DO-160G中S類——安裝在飛機正常使用過程中所能遭受腐蝕大氣影響的部位的設備，試驗周期為2個循環，而GJB 150.9A—2009中規定的試驗周期亦為2個循環，考慮到艦載裝備服役環境的特殊性和傳統環境試驗指標要求，I類（內部封閉）環境區安裝的機載設備鹽霧環境試驗按GJB 150.9A—2009實施，試驗周期取2個循環（96 h）。同時，考慮到航母動力系統燃料燃燒的廢氣和艦載機起飛、著艦過程中排出尾氣等，它們與海洋鹽霧、雨水、霧露等組合成的高酸性潮濕層，往往表現為飛機結構/機載設備表面附著的酸性液膜，將大大強化鹽霧對艦載機載設備及附件的腐蝕作用。根據目前我國服役于某海域航母飛行甲板上沉積的液膜/液滴的pH值測定結果（見表3），以及國外Ron Homme Richard，Saratoge，Shangri和Forrestal等四種航母甲板上飛機表面水膜中所含燃料廢氣沉積物分析結果（見表 4），同時考慮到伴隨著未來航母上艦載機數量的增加，飛機尾氣排放量亦將大大增加，將進一步加重環境的嚴酷性。因此，鹽霧試驗溶液pH值在原6.5～7.2的基礎上保守地調整為3.5。

表3 國產航母飛行甲板金屬表面液滴pH值檢測記錄Table 3 The pH test results of droplets for domestic carrier flight decks

表4 國外航母甲板上飛機表面水膜中所含燃料廢氣沉積物分析Table 4 The fuel sediment analysis of the carrier aircraft surface water film

2）II類（內部半封閉）環境區鹽霧試驗條件剪裁。按照RTCA DO-160G中T類——安裝在能遭受嚴酷鹽霧大氣環境的位置的設備（在海邊停放或使用的飛機直接暴露于未經過濾的外界空氣中的設備），試驗要求連續噴霧96 h，其噴霧時間對應于GJB 150.9A—2009中規定的4個周期的噴霧時間。因此，II類（內部半封閉）環境區安裝的機載設備鹽霧環境試驗按GJB 150.9A—2009實施，試驗周期取為 4個循環（192 h）。同樣，考慮到航母動力系統燃料燃燒的廢氣和艦載機起飛、著艦過程中尾氣排出等的影響，鹽霧試驗溶液pH值在原6.5～7.2的基礎上保守地調整為3.5。

3）III類（敞開/外露）環境區鹽霧試驗條件剪裁。GJB 4.11中將鹽霧試驗條件劃分為4個等級，單次循環作用時間為24 h，試驗周期分別為2，4，6，10個循環，考慮到航母與艦船所遭受的海洋大氣鹽霧環境極其相似，且遠遠嚴酷于在海邊停放或使用的飛機（海洋大氣鹽霧含量遠高于沿海地區的鹽霧含量）。因此，III類（敞開/外露）環境區安裝的機載設備鹽霧環境試驗按GJB 150.9A—2009實施，試驗周期保守地取GJB 4.11（艦船電子設備環境試驗）中最嚴酷的 10個循環對應的時間歷程（240 h）。同樣，考慮到航母動力系統燃料燃燒的廢氣和艦載機起飛、著艦過程中排出尾氣等的影響，鹽霧試驗溶液pH值在原6.5～7.2的基礎上保守地調整為3.5。

4.4 酸性大氣試驗條件

酸性大氣試驗用于確定長期暴露在酸性大氣中或正常使用中經受的酸性大氣環境對機載設備材料和防護涂層的影響。RTCA DO-160G，GJB 4—1989未對酸性大氣試驗條件給出明確要求，僅MIL-STD-810G Method 518.2和GJB 150.28—2009給出了酸性大氣試驗條件。分析可見，MIL-STD-810G Method 518.2和GJB150.28—2009給出的試驗條件基本相同，試驗持續時間均劃分為兩個嚴酷等級：噴霧2 h、貯存22 h為1個循環，共3次循環，用于模擬暴露時間少或低酸度區域的暴露情況；噴霧2 h、貯存7 d為1個循環，共4次循環，用于模擬在潮濕、高度工業化區內自然暴露大約10年，或在交通工具廢氣附近短期的暴露情況，尤其是在船舶煙囪的高酸度廢氣附近的暴露情況。一方面，考慮到艦載裝備特殊的海上/艦上使用環境，其全壽命期將伴隨航母長期在潮濕、高酸性大氣環境中服役（受航母動力系統燃料燃燒的廢氣和艦載機起飛、著艦過程中排出的酸性廢氣等的影響），因此，艦載機載設備酸性大氣試驗按GJB 150.28—2009中第二類試驗條件實施。另一方面，根據目前我國服役于某海域航母飛行甲板上沉積的液膜/液滴的pH值測定結果（見表2），同時考慮到伴隨著未來航母上艦載機數量的增加，飛機尾氣排放量亦將大大增加，將進一步加重環境的嚴酷性，試驗溶液采用硫酸和硝酸混合水溶液（每4 L溶液中添加11.9 mg 95%～98%的硫酸和8.8 mg 68%～71%的硝酸），并用稀鹽酸或氫氧化鈉溶液調整pH值至3.5。

5　腐蝕環境適應性合格評定

艦載機載設備經濕熱、霉菌、鹽霧和酸性大氣環境試驗后，應能正常工作，同時應針對機載設備腐蝕環境試驗提出外觀要求并進行等級評定。

1）濕熱試驗（其涂層，鍍層，基體，非金屬等）：防護層除邊緣及棱角處外，腐蝕面積不超過該零件防護層面積的5%，基體金屬除邊緣及棱角處外不得腐蝕；允許涂層光澤、顏色減退和有少量的直徑不大于0.5 mm的氣泡，除局部邊緣處外，無氣泡、起皺、開裂或脫落，且表面鍍層和基體金屬不得出現腐蝕；接觸處無明顯腐蝕；金屬構件允許輕度變暗，但不得腐蝕；非金屬材料無明顯泛白、膨脹、起泡、皺裂、脫落以及麻坑等缺陷。

2）霉菌試驗：按GJB 150.10A評定。

3） 鹽霧試驗：涂漆層除局部邊緣及棱角處外，無氣泡、起皺、開裂或脫落，且表面鍍層和基底金屬未出現腐蝕；金屬防護層腐蝕面積占金屬防護層面積的10%以下；金屬接合處無明顯腐蝕；金屬構件無明顯發暗；非金屬材料無明顯泛白、膨脹、起泡、皺裂以及麻坑等缺陷。

4）酸性大氣試驗：涂漆層除局部邊緣及棱角處外，無氣泡、起皺、開裂或脫落，且表面鍍層和基底金屬未出現腐蝕；金屬防護層腐蝕面積占金屬防護層面積的10%以下；金屬接合處無明顯腐蝕；金屬構件無明顯發暗；非金屬材料無明顯泛白、膨脹、起泡、皺裂以及麻坑等缺陷。

6　結語

在GJB 150A—2009 基本試驗條件（指標）的基礎上，參考相關標準規范，遵循“環境分區原則”和“優先使用實測強度原則”的剪裁原則，獲得了一套艦載機機載設備的濕熱、霉菌、鹽霧、酸性大氣環境適應性要求。該要求一旦確定，可作為對艦載機載設備腐蝕環境適應性設計的依據，也成為環境鑒定與驗證試驗項目和試驗條件的依據。需要指出的是，由于所依據的各種信息資料、數據有限且不可能完全準確，導致所確定的環境技術要求指標會產生一定的偏差，亦有可能要求提的過于嚴酷，致使某些機載設備無法滿足這一要求，或者為滿足這一要求所付出的代價過高，在這種情況下則需要進行適當權衡，適當降低指標要求。

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Tailoring of Corrosion Environmental Adaptability Requirement for the Shipboard Airborne Equipments

LIU Yuan-hai1,2, ZHANG Xing1,2
(1.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Structure Corrosion Prevention and Control, Jingmen 448035, China; 2.China Special Vehicle Research Institute, Jingmen 448035, China)

Objective To build a higher corrosion environmental adaptability evaluation method of the shipboard airborne equipment. Methods Based on the requirements of GJB 150.A—2009 and related specifications, it was tailored by principles of“environmental zoning” and “real tested intensity priority” on the referencing related specifications. Results The evaluation indexes for airborne equipment which were installed in different environmental zones were obtained, including damp-heat, mildew, salt spray and acid atmosphere. Conclusion The tailoring method is reasonable and scientific, which is suitable for evaluating and validating environmental adaptability requirements of shipboard airborne equipment.

shipboard; shipborne equipment; environmental adaptability; tailoring requirements

2016-04-22；Revised：2016-06-01

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.010

TJ03；TB123

A

1672-9242(2016)05-0061-07

2016-04-22；

2016-06-01

劉元海（1981—），男，湖北黃石人，碩士，高級工程師，主要研究方向為飛機結構腐蝕防護與控制。

Biography：LIU Yuan-hai （1981—）， Male， from Huangshi， Hubei， Master， Senior engineer， Research focus: corrosion protection and control of aircraft structure.