直升機極區海洋環境加速試驗環境譜研究

季佳，崔騰飛，徐璐，葉建華

（1.中國直升機設計研究所，景德鎮 333001； 2.北京航空航天大學，北京 100191）

引言

2015年，在中國政府第9部國防白皮書《中國的軍事戰略》[1]中，首次公布中國海軍最新的戰略要求為：“近海防御、遠海護衛”，并要求海軍按照戰略要求，逐步實現近海防御型向近海防御型與遠海護衛型結合轉變，構建合成、多能、高效的海上作戰力量。海軍提出了“大洋存在、兩極拓展”的戰略要求。

目前，中國直升機已在亞丁灣護航、馬航失聯事件搜尋、雪龍號科考船夏季保障等任務中展現了一定的遠海護衛應用能力，在亞丁灣、澳大利亞附近等海域具備基本的遠海護衛能力，但在兩極區使用仍存在較大的限制。

我國新建了極區科學考察破冰船，該船可滿足無限航區要求、具備極區航行能力，能夠在極區大洋安全航行的具備國際先進水平的極區科學考察破冰船[2]；該船在靠近艉部設有直升機甲板和直升機庫，但目前極區科學考察配置的為俄羅斯Ka-32A11BC直升機。我國已在極區建立了2個度夏站和3個過冬站，并逐步增加。隨著極區站點、極區科考船的不斷增加，中國科學家的極區科考活動將日益頻繁，科考地域將不斷拓展，對適應極區特殊環境的科考、救護直升機的需求將更加迫切。同時極區科考工作具備較大的危險性，因此，日益頻繁的極區科考活動和國家極區利益對中國海軍的遠海護衛和救護能力提出了新的挑戰，而極區直升機正是極區護衛與救護的主要力量。隨著直升機的服役環境越來越惡劣，對直升機的環境適應性也提出了更高的要求[3]，要能在綜合嚴酷環境中保持其飛行和任務使命要求，并在服役期內具有持續穩定的環境適應性，保持優良的出勤率和任務效能[4,5]。但是，對于直升機在極區的環境適應性，缺少合理的驗證手段，而直接到極區進行外場暴露試驗，往往是不現實的。因此，為了解決環境適應性驗證的問題，縮短試驗周期、減少試驗費用、提高時效性，可以采用加速試驗的方法來進行研究[6-8]，需要建立試驗室環境與極區環境的對應關系。因此，根據極區環境特點，建立基于極區環境的加速試驗環境譜，為極區直升機環境適應性驗證提供合理的方法，是十分必要的。

本文通過對極區環境的分析，并采用5080橡膠進行低溫試驗，建立了極區加速試驗環境譜，為極區直升機的型號研制做好技術儲備。

1 極區綜合使用環境譜分析

1.1 極區科考站點及環境

中國先后在南極和北極建立了5座科考站，其中南極4座：長城站、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駛入中央航道，只有在外界冰情允許的情況下才會航行。

考慮到泰山站主要作用是在中山站和昆侖站間的物資轉運，在后續的分析中，只考慮條件更惡劣的昆侖站氣候環境。考慮到中央航道的氣候條件更為惡劣，在后續的分析中，只考慮中央航道的氣候。一般來說，南極科考安排在中國的冬季（即南極的夏季），北極科考安排在中國的夏季（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氣候環境參數。

目前國內極區科考站并未對太陽輻照數據進行收集。而直升機在南極和北極科考時，都選擇在此地區氣候條件較好的夏季，此時處于該區域溫度最高、日光輻射最強烈的極晝月份，即在這兩個月內，太陽輻射時間為平均水平的兩倍（由于極區高緯度特點，其單位時間輻射強度會低于平均水平）。因此在構建極區使用綜合環境譜時，年太陽輻射時間按14個月計算，即年均太陽輻射總量按常規使用環境譜中太陽輻射譜的14/12計算。

根據不同溫度下飽和濕空氣的含水量表，在極區低溫環境下，濕度為100 %時，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生的冷凝水將遠小于常溫環境；同時考慮到極區大氣中的污染介質少、各國極區直升機和其他機械設備在極區使用時未產生過腐蝕問題，因此在后續根據極區使用環境譜編制加速試驗譜時可不考慮濕度影響。

表1 科考期間科考站和中央航道的主要氣候環境參數

1.2 極區科考直升機全年活動區域

整個科考活動，會經歷出發、航行、科考、回國幾個階段。南極科考將途經北溫帶、熱帶、南溫帶、南寒帶，北極科考將途經北溫帶、北寒帶等幾種不同環境特征地區。根據整個科考周期所經歷的區域，項目前期研究了極區科考船和極區直升機的任務模式。根據研究結果，確定了極區直升機1年內的活動區域及對應的時間，如表2所示。

1.2.1 極區科考直升機常溫海域活動區域

在駛往極區的路上，科考船一般從上海出發，往南經過南海、東南亞、澳大利大，抵達南極；往北經過黃海、日韓、俄羅斯，抵達北極圈。可見，科考船在全面的科考周期中，經過的常溫海域包括北溫帶、熱帶、南溫帶，且大部分時間在溫帶海洋性氣候地區航行。

1.2.2 極區科考直升機南極活動區域

南極有四座科考站，其中昆侖站位于南極內陸地區，環境條件最為惡劣，長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，且主要起中轉作用，因此將泰山站的時間合并到環境條件更為嚴苛的昆侖站中。南極區域最終時間分配，如表3所示。

1.2.3 極區科考直升機北極活動區域

北極只有一座科考站，且直升機可能隨船穿越環境條件更為惡劣的中央航道，因此將直升機在北極的2個月做如表4所示分配。

1.3 使用環境譜的建立

通過上述分析可以發現，直升機極區使用綜合環境譜可分為兩個部分，一部分為在一般海域航行時的常溫環境譜，另一部分為在極區航行時的極區環境譜。其中，在一般海域的常溫環境中航行時，直升機的損傷主要是腐蝕的作用；在極區的低溫環境中航行時，對直升機的損傷主要是低溫的作用。

1.3.1 一般海域常溫環境譜

在一般海域航行時，因為大部分時間在南、北溫帶，因此可采用目前海洋環境常用的常溫環境譜。海洋環境常溫環境條件及雨譜、霧譜、濕度譜如表5、表6所示，可以此為基礎編制海洋環境常規的腐蝕加速試驗環境譜，并作為極區加速環境譜中的腐蝕譜塊使用。

表2 極區直升機1年內的活動區域與時間分配

表3 極區直升機在南極的活動區域與時間分配

表4 極區直升機在北極的活動區域與時間分配

表5 地面停放環境譜（年）

表6 雨譜、霧譜、濕度譜

1.3.2 極區低溫環境譜

由于極端低溫對非金屬材料的破壞性較為顯著，且根據直升機極區極端環境譜和直升機極區平均使用環境譜，極端溫度與平均溫度差距較大，因此，有必要單獨建立直升機極區使用低溫環境譜。根據表1可看出，直升機在長城、中山、黃河、中央航道等區域時，使用環境緩和，最低溫度遠高于在昆侖站所處環境，因此在構建直升機極區使用低溫環境譜僅考慮在昆侖站時的使用環境。

根據昆侖站2016年12月～2017年2月間每日的最低溫度記錄，構建了直升機極區使用低溫環境譜，如表7所示。

1.3.3 極區使用綜合環境譜

根據上述分析，建立極區使用綜合環境譜。結合表1、表5、表6、表7及1.1節對極區的太陽輻射情況的分析，構建直升機綜合使用環境譜，如表8所示。由于低氣壓對材料本身的影響較小，因此在后續編制加速試驗環境譜時，暫不考慮低氣壓的影響。

表7 直升機極區使用極端溫度譜

表8 直升機極區使用綜合環境譜

2 加速試驗環境譜建立

2.1 腐蝕譜塊

在一般海域航行時，因為大部分時間在南、北溫帶，因此可采用目前海洋環境常規的腐蝕環境譜。海洋環境常規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

海洋環境常規鹽霧包括中性鹽霧+酸性鹽霧，試驗時間為海洋環境的50 %，具體：

1）中性鹽霧

溫度T=35 ℃，試驗溶液5 %NaCl，溶液pH=6.5～7，試驗時間4天，鹽霧沉降量（1～2）mL/h·80 cm2。

2）酸性鹽霧

溫度T=35 ℃，試驗溶液5 %NaCl ，溶液pH=4.5～5，試驗時間1.5天，鹽霧沉降量（1～2）mL/h·80 cm2。

2.1.2 濕熱譜塊

參考海洋環境常規濕熱譜塊，試驗時間為海洋環境的50 %，具體如下：

試驗溫度T=43 ℃，試驗濕度RH=95 %，試驗時間3.5天。

2.2 太陽輻照譜塊

常規太陽輻照試驗強度取與CASS譜相同的照射強度W=（60±10）W/m2。使用環境總譜中年紫外線照射總量QT=306.45 MJ/m2。年飛行強度300飛行小時，將飛行時間放大1.5倍作為接受紫外線照射的時間。因此，直升機表面接受紫外線照射的時間約為450 h。450 h占全年時間的比例為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。

試驗時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度的1.17倍，即

試驗時間為3.51天，即84.24 h。

3.3 低溫譜塊

由于橡膠件對低溫較為敏感，因此采用5080丁晴橡膠進行低溫試驗，其性能如表9所示。根據試驗結果，確定低溫試驗溫度及時間，建立低溫試驗譜塊。

采用壓縮永久變形作為待測的性能參數。

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 ℃進行低溫試驗。試驗開始時每8 h進行一次數據測量，一段時間后根據數據變化趨勢降低測量頻率，每24 h進行一次數據測量。試驗后測試試樣的永久壓縮變形。

根據壓縮永久變形的數據繪制壓縮永久變形-時間曲線圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，隨著時間的增長，橡膠的壓縮永久變形逐漸增加，說明時間對于橡膠的壓縮永久變形具有累積效應，橡膠在低溫下的性能是隨著試驗時間的延長逐漸變差，且低溫下壓縮永久變形增加的速度隨著時間逐漸降低，最后趨于穩定。

表9 丁腈橡膠5080的主要性能

由表6可以看出，-30～-35 ℃溫度出現的概率最高。因此可將低溫溫度損傷線性累加到-35 ℃，低溫環境譜溫度選擇-35 ℃。由圖1可以看出，橡膠的性能并不是隨著試驗時間的延長而無線降低的，而是呈現出開始降低而隨著試驗時間的延長而趨于穩定的趨勢。在-35 ℃下試驗200 h后，橡膠的性能已基本穩定，因此選擇低溫試驗時間為200 h。

3 極區加速試驗環境譜

根據上述分析和試驗，最終得到的直升機極區加速試驗環境譜如圖2所示。

4 結論與建議

圖2 極區加速試驗環境譜

經過對直升機可能經歷環境的分析，并對橡膠材料進行低溫試驗，所得到的直升機極區加速試驗環境譜，能覆蓋極區直升機在整個科考過程中經歷的環境，整個加速試驗環境譜的總試驗時間為20.84天（500.24 h），試驗一個周期（20.84天）可代表全年365天的環境損傷，即加速倍率為17.51，加速倍率合理，可以滿足極區直升機環境適應性驗證要求。