高原地區機場自然環境譜編制研究

牛犇，劉濺洪

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

機場自然環境是造成飛機停放（服役）過程中出現腐蝕損傷的重要因素[1]。典型機場的自然環境可以用自然環境譜的方式進行描述和呈現，編制典型機場自然環境譜，對研究飛機停放（服役）過程中的環境適應性、出現腐蝕損傷的現象及規律、飛機的綜合防護理論方法研究和制定相應的腐蝕維修指南的意義重大[2]。根據飛機停放（服役）環境，研究人員建立了相關的環境譜編制方法[2-3]，并編制了飛機空中使用環境譜[4]、典型機場地面環境譜[5]、載荷環境譜[6]、亞濕熱酸雨環境譜[2]、海洋環境譜[7]等。針對我國重點地區環境譜的編制研究過程中，還存在收集的環境因素數據量及種類較少，沒有形成比較系統完善的飛機環境因素數據庫等缺點[8]，尤其是針對高原地區的環境譜建設。我國高原地區地域遼闊，人煙稀少，多數地區由于自然環境惡劣而無法設立自然環境數據監測臺站，收集的環境數據量少，很難支撐飛機在高原地區服役時的環境譜編制，至今關于高原地區環境譜的編制也鮮有報道。

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

為了補充和完善高原地區飛機服役環境的環境譜庫建設，本文以高原地區兩地典型機場為對象，通過監測氣象自然環境和化學環境因素數據，研究并建立高原地區典型機場環境譜。

1 機場環境因素數據

1.1 監測

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飛機發生腐蝕行為和老化的主要氣象環境因素和化學環境因素。

1.2 采集

在高原地區A 地和B 地兩地機場戶外選取合適的區域進行環境因素的監測，監測周期為1 a。

1）溫濕度、日照時數、太陽輻射（總輻射、紫外輻射）、氣壓、降雨量等氣象環境因素數據，通過便攜式自動氣象站持續采集。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]執行，數據每1 h 采集記錄1 次。

2）大氣中的Cl－、SO2、氮氧化物NOx等環境因素數據，通過安裝露天試驗棚進行采集。采集過程參照GJB 8894.1—2017《自然環境因素測定方法 第1部分：大氣環境因素》[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。數據每月采集記錄1 次。

3）沙塵和雨水中的Cl-、SO42-、pH 值等環境因素數據，在機場露天空曠的區域開展采集。其中，沙塵采用內徑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 環境譜的編制

2.1 環境因素統計分析

根據采集的氣象環境因素數據和大氣污染物數據，對A 地和B 地機場環境特征進行了細致的統計分析，形成了相關的月/年報表和圖譜。兩地機場的月平均氣溫和月平均相對濕度的變化規律以及兩地間的差異如圖1 所示。由圖1 可知，兩地的溫濕度環境因素數據變化規律基本一致，但是數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規律變化，夏季最高，冬季較低，最高值出現在6—9 月份，最低值出現在12 月—次年2 月份。在上述統計結果的基礎上，形成了單項環境譜、組合環境譜和綜合環境譜。

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

2.2 單項環境譜

單項譜是僅針對單一環境因素建立的環境譜，不考慮其他環境因素，如溫度譜定義為“一定統計時間內，溫度平均值、極值及特定溫度區間累積時間的統計結果”。單項環境譜包含溫度譜、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 顯示了高原地區兩地月平均溫度的變化規律，以及相應的極大值和極小值。從圖2 中可以看出各平均溫度段內的作用時間，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 顯示了高原地區兩地月平均相對濕度的變化規律，以及相應的極大值和極小值。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%。高原地區年總輻射量與紫外輻射量均高于內陸地區，但是占比低于內陸地區[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 組合環境譜

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

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，以5 ℃為溫度變化區間，以10%為相對濕度變化區間，統計得到的年均累積時間結果。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 結果一致。另外，A 地溫度在10～15 ℃出現的次數最多，B 地則出現在15～20 ℃，且均向兩側降低。

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，以5 ℃為溫度變化區間，統計得到的累積降水量。A、B 兩地累積降水量最高值均出現在20～25 ℃，A 地最高值約比B 地高90 mm。A 地最低值出現在15～20 ℃，僅0.3 mm，幾乎不發生降水；B地則出現在25～30 ℃。整體上兩地機場的降水量均較少，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 綜合環境譜

將收集、統計的高原兩地所有環境因素歸類合并計算后，按照最大程度涵蓋高原地區飛機可能面臨的極端環境為原則，取兩地環境要素中較為嚴酷的極值數據，形成了高原地區綜合環境譜，見表3。該自然環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、作用強度，以及Cl-、SO2和NO2等污染介質的濃度等信息。其中，潮濕空氣為大氣溫度在0 ℃以上且大氣相對濕度在70%以上的大氣環境。由表3 可知，高原兩地機場環境具有空氣和雨水中腐蝕介質（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 高原地區自然環境譜Tab.3 Natural environment spectrum of plateau area

3 結論

通過分析裝備在高原地區的腐蝕損傷案例和現象，以及結合高原地區環境特征，確定了環境因素監測項目和方法，編制了高原地區機場的單項環境譜、組合環境譜和綜合環境譜，得到高原地區2 個典型機場環境特點如下：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（遠高于內陸、沿海等其他環境，約為內陸地區的2～3 倍）；溫度、太陽輻射、降雨等環境因素與季節關聯度較大（一般夏季較高、冬春季較低）；降水較少，且季節性分布不均，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（沙塵粒度較小）。

在實際應用中，還需要對飛機材料、結構、分系統乃至整機在高原地區出現的腐蝕損傷進行分析，確定主要的氣象/化學環境因素，對相應的環境譜進行裁剪，確定直升機以及武器裝備在機場地面停放/存放時的環境適應性考核驗證和腐蝕防護設計的輸入。