艦載機載成附件環境適應性設計與管理

劉元海

（中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

艦載機在整個使用壽命期內，將在艦船、航母甲板上起飛、降落，大部分時間停放在甲板上，并隨艦船、航母在我國東海、南海，以及亞丁灣等海域游弋或駐留，且主要在海洋上空（巡邏）執行任務。換言之，將長時間處于高溫、高濕度、高鹽霧的海洋大氣環境中，經受不同海域的風浪、海霧、鹽霧和不同空域的溫差、光照、雨雪以及艦船、母艦排放物（如SO2）等綜合環境的侵蝕作用。嚴酷的使用環境和使用模式，要求機體結構具有優異的防腐性能和耐久性品質，否則，必將造成機體結構平臺材料（含非金屬材料）、防護涂層系統[1]、典型連接結構部位（包括緊固件）、摩擦/磨損動部件等系列共性腐蝕或老化問題的同時，其機載成品、附件（簡稱“成附件”）等亦可能呈現新的腐蝕故障。

文中針對某型艦載機動力、飛控、航電、液壓、燃油、生命保障、環控、照明、機電綜合、任務電子、生活設施等機載成品、附件的環境適應性設計、試驗和管理過程進行探討，以摸索出一套實用有效的機載成附件腐蝕防護與控制（CPC）設計、試驗與管理模式，減少后續工作的反復，并為后續型號相應工作的開展積累經驗。

1 機載成品環境工程工作的主要任務

海洋環境下某型艦載機腐蝕防護與控制工作是一項系統工程，其中包括機載成附件?？値焼挝粦闪⑾鄳摹熬C合保障設計師系統”及“機載成附件環境工程室”，建立集環境評定分析、環境適應性設計、環境試驗與評價、環境友好安裝設計為一體的腐蝕防護與控制體系，致力于機載成附件在設計使用環境下綜合品質的論證、研制、生產和使用過程中的腐蝕防護與控制工作。

1）環境評定分析。應在型號初步設計階段進行環境評定分析，確定飛機壽命期環境剖面，針對機載成品特性提出每項機載成附件合理的環境技術要求。

2）環境適應性設計。應根據規定的環境適應性要求（環境技術要求），在型號詳細初步設計和詳細設計階段開展環境適應性設計。環境適應性設計應從結構、材料、元器件和工藝等方面著手。

3）環境試驗與評價。在詳細初步設計和詳細設計階段，應進行試驗室加速環境和自然環境下的研制性試驗，將設計缺點誘發為故障，為改進設計提供信息并驗證改進措施的有效性，從而提高機載成附件的環境適應性。試制、首飛與科研試飛階段，開展腐蝕環境驗證/鑒定試驗，驗證機載成附件的環境適應性是否符合規定的要求，為定型（鑒定）提供決策依據。

4）環境友好安裝設計。在試制、首飛與科研試飛階段，應確定各項機載成附件的安裝原則，提出具體、合理的腐蝕防護與控制敷設/連接/安裝方法和要求，并進行裝機校驗。

2 環境適應性設計與管理工作內容

艦載機載成附件環境適應性設計與管理工作應貫穿于論證、設計、制造和使用維護各階段，總體工作內容和流程如圖1所示。

2.1 初步設計階段

在各種機載成附件初步設計階段，包括以下內容。

1）應分析、評定飛機設計使用壽命期內預期經歷的海洋大氣環境、艦載環境（含化學、熱和氣候環境），制定《環境技術要求分析論證報告》，并提出暫時可用的三防環境技術要求和試驗要求，制定頂層文件《環境適應性技術要求》。

2）針對成附件特點，結合飛機環境適應性技術要求，制定飛機環境技術要求剪裁準則（包括環境嚴酷度劃分，如是否暴露在外、是普通環境、1級惡劣環境還是II級惡劣環境等），用于指導不同類型成品在不同工作狀態、不同安裝位置下的環境技術要求的剪裁。

3）根據飛機各區域/部位的局部環境（如是否暴露在外）和成品的特點，合理協調成品的安裝/連接/敷設位置。

4）根據《環境適應性技術要求剪裁準則》和協調區協調結果，確定每項機載成品的環境技術要求與試驗要求。

5）在方案論證或成品協調工作會上，宣貫《環境適應性技術要求》和各項機載成品的環境技術要求，并機載成品協議簽訂。

2.2 詳細初步設計與詳細設計階段

1）成品協調會后，總師單位應對已簽訂機載成品協議的環境適應性技術要求進行復查，針對發現的問題通過機載成附件環境工程室督促研制單位以協調單的形式改正。

2）收集海上氣候環境數據和航母甲板或大型艦艇在海上使用時的艦上環境測試數據，建立艦載環境數據庫，用于構建壽命期航母平臺環境剖面。

3）在成品詳細設計階段，應制定機載成品、附件環境適應性設計程序和方法，規范成品附件的海洋大氣環境適應性設計工作，提供了腐蝕防護與控制設計的基本方法和程序，將機載成品的海洋大氣防護設計工作納入到飛機設計的統一體系/程序中，以便實現具有高可靠性的、有效的控制。

4）應制定相互協調的附件環境技術要求，確保相應附件的三防環境要求和設計工作與機載成品達到相同水平。

圖1 機載成品環境適應設計與管理工作內容Fig.1 Design and management programs for environmental adaptability of the shipborne productions

5）總師單位應制定頂層的沿用/選用成品摸底試驗和新研改進成品的研制性環境試驗和鑒定試驗總體方案，含試驗件技術狀態、試驗項目、試驗條件、考核/評價指標與要求等。

6）應制定《機載成附件環境適應性設計規范/指南》，該指南應從選材、結構設計、表面防護設計、工藝制造、異種金屬接觸、防腐蝕密封設計、制造過程中的工藝防護等方面提出詳細的設計要求與方法，用以指導、規范各項機載成附件環境適應性設計工作。

7）總師單位應對機載成品研制單位提交的《新研改進成附件海洋大氣防護設計報告》、《新研改進成附件環境適應性設計報告（含研制試驗）》、《沿用/選用成附件腐蝕環境摸底試驗報告》和《機載成附件環境設計符合性分析報告》進行審查，查找設計缺陷，提出改進建議。

2.3 試制、首飛與科研試飛階段

1）在試制階段，總師單位應對環境鑒定試驗進展情況調查，重點包括試制成附件的技術狀態、試驗實施設備、儀器、儀表、試驗實施廠所、試驗項目實施過程的跟蹤等。試驗結束后，并對成品研制單位提交的《環境鑒定試驗報告》組織評審。

2）總師單位應確定各項機載成附件的安裝原則，提出具體、合理的腐蝕防護與控制敷設/連接/安裝設計方法和要求，并在機載成附件裝機前進行現場校驗。

2.4 設計定型階段

設計定型階段，應修訂、完善《機載成附件環境適應性設計規范/指南》，并明確每項機載成附件合適的考核方法和外場維護手段。

3 主要設計與管理方法

3.1 環境技術要求的制定

為使環境技術要求制定準確，合理，易于實現，可經過多方調研論證，查閱相關標準和資料，詳細分析艦載機在全壽命期內經歷的各項環境因素，將濕熱、霉菌、鹽霧、腐蝕性大氣等環境因素作為艦載機載成品、附件腐蝕防護與控制工作控制的重點。

具體環境技術條件的確定應在系統劃分整機環境嚴酷度（如是否暴露在外、是普通環境、1級惡劣環境還是II級惡劣環境等）的基礎上，針對各項機載成附件的裝機區域，區別對待，適當加大特殊環境權重。在濕熱和霉菌環境技術條件的確定上，可通過分析航母、艦船環境，結合以往型號的環境技術要求以及我國現有機載成品、附件的設計水平（GJB 150—2009軍用裝備實驗室環境試驗方法、HB 5830機載設備環境條件及試驗方法、RTCA/DO-160F機載設備環境試驗條件和試驗程序）和現有實測環境數據（如中國四大海域海洋氣候數據、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數據、不同飛行高度對應的等效壓力值、我國典型環境區域年均濕潤環境強度數據、典型海域或沿海地區鹽霧環境數據、各大海域太陽輻照強度統計數據）分析結果，并遵循環境“極值”原則，確定對應于各腐蝕環境條件的試驗條件和驗證指標或試驗周期。例如艦載機濕熱環境條件可按B類——嚴酷濕熱環境考慮（單循環24 h，共10個循環）；霉菌試驗周期是至少控制在84天以上；在鹽霧環境技術條件的確定上，可通過對比分析 GJB 4，GJB 150，HB 5830，RTCA/DO-160F等相關標準，考察國內海軍機型的相關要求，可延續采用HB5830.12作為鹽霧環境的驗證要求，試驗周期可根據需要適當延長（由1級惡劣環境48 h延長至96 h或144 h）[2—5]。成品、附件環境適應性設計規范/指南》（以下簡稱《規范/指南》），下發給各成品研制單位，用以指導、規范成品的環境適應性設計工作。成品研制單位在開展產品的環境適應性設計工作中須參照《規范/指南》要求執行，并編制“機載成附件環境設計符合性分析報告”，反映成品設計過程腐蝕環境適應性?！吨改稀窇獜囊韵聨追矫嫣岢鲈O計要求。

1）材料選用與限用：規范金屬和非金屬材料的選材原則，推薦常用的、耐蝕性、耐霉性能優良的可選材料種類。

2）結構設計：提出結構設計原則，重點闡述密封結構及非密封結構設計要求。

3）表面防護技術：以表面防護體系的有效性、有效期和相容性等主要性能為重點，提出防護體系選擇原則，針對鋁合金、鋼、銅及銅合金、鈦合金等材料提供有效的表面處理方法及涂層防護系統要求。

4）工藝制造：從機械加工、表面處理、過程控制、涂層質量控制、裝配、新工藝幾方面提出控制原則。

5）異種金屬接觸：提出了防護原則并提供具體的防護措施。

6）防腐蝕密封設計：提出密封設計原則、工藝要求，并重點從緊固件防護設計和電塔接防護方面提出明確的設計要求。

3.3 環境適應性設計（過程控制）

3.2 編制《機載成附件環境適應性設計規范/指南》

為了將《環境技術要求》落實到新研、改進成附件設計過程中，總師單位應在分析總結技術資料的基礎上，廣泛吸收成品研制單位的成熟/經驗，聽取各方專家的意見，從工程實際出發，組織編制《機載

1）在詳細初步設計階段，應下發《機載成附件環境適應性設計規范/指南》、《機載成附件環境技術要求》和《機載成附件環境試驗與評價總體方案》，用以指導、規范成品的設計工作，見表1。

2）針對海洋大氣防護設計，在詳細設計階段，應下發計劃文件，要求成品研制單位編制《機載成附件海洋大氣防護設計報告》，并上報總師單位，以便盡早了解成品、附件的腐蝕防護設計方案，及時發現問題并改進。

3）針對所有沿用/選用成附件，在詳細設計階段，應根據《機載成附件環境試驗與評價總體方案》要求開展相關腐蝕環境（如酸性鹽霧環境）摸底試驗。要求成品研制單位編制具體腐蝕環境試驗進度計劃，試驗完成后提交《沿用/選用成附件腐蝕環境摸底試驗報告》，上報總師單位審查，以便于先期發現問題、解決問題。

4）詳細設計中期，應召開保障特性審查會，重點審查新研和改進成附件的環境適應性適應性設計（含研制性環境試驗）情況（報告），發現不足，提出改進建議。

表1 機載成附件環境適應性設計過程控制Table 1 Design process control for environmental adaptability of the shipborne productions and accessories

5）在詳細設計末期，再次下發《規范/指南》，要求成品研制單位對照下發的機載成附件環境適應性設計規范/指南，結合內部的沿用/選用成附件環境摸底和新研/改進成附件研制性試驗，查找成附件環境防護設計的缺陷，編制環境適應性設計符合性分析報告，并上報審核。

3.4 環境試驗與評價

為驗證產品的環境適應性設計是否達到規定的要求，總師單位需對試制機載產品進行必要的“單項環境”適應性評估與驗證試驗（包括環境摸底試驗、設計研制性試驗、環境鑒定試驗）和“多因素綜合環境”適應性評估與驗證試驗。

1）已有數據表明，航母甲板上?？康娘w機表面測定pH值為2.4～4.0（均值為3.0）。海軍調研中了解到酸性介質將強化鹽霧對機載設備的腐蝕作用，因此，鑒定試驗中應考慮酸性大氣環境對機載成附件的影響。

2）基于現有標準的機載設備環境適應性試驗方法存在較大局限性，根據產品預期經受的海上氣候環境、艦載環境（主要為濕熱、霉菌、鹽霧、腐蝕性大氣環境），參考國內外相關試驗標準、程序和環境譜，研究適應艦載機載成品、附件要求的多環境因素綜合試驗方法，定性/定量分析實驗室加速環境試驗與艦上實際使用環境腐蝕間的關系，滿足成品、附件在設計使用壽命期內的環境適應性評定要求。

3）對于沿用/選用的機載成附件，應根據其所處的局部環境類別、安裝區域，剪裁試驗項目，選擇對應于環境適應性要求（環境試驗條件和驗證指標要求）的環境摸底試驗，檢驗沿用成品在艦載海洋環境下的環境適應性?？紤]到艦載預警服役環境惡劣，所有沿用/選用機載成品、附件均應進行指定的濕熱和鹽霧試驗。對于動力、燃油系統成品、附件（液壓電磁閥、供/輸油單項閥門、繼電器、壓力信號器等）應重點考慮霉菌環境的影響。

4）新研或改進成附件設計、研制過程中，除按GJB 150進行必要的功能性環境試驗（如沖擊、振動、高低溫、低氣壓、溫度沖擊、風壓、噪聲等）外，應在相應的單項環境適應性技術要求開展設計研制性試驗，考核新研/改進成附件的設計性能及使用壽命。一般情況下，除動力、燃油系統成品、附件（液壓電磁閥、供/輸油單項閥門、繼電器、壓力信號器等）應考慮霉菌環境外，其他機載成品、附件均只需進行指定的濕熱、鹽霧試驗等氣候環境試驗。

5）新研或改進成附件進入設計定型階段或技術鑒定前，應完成環境鑒定試驗，除特殊要求外，所有產品均應進行高溫、低溫、溫度沖擊、加速度、振動、沖擊、濕熱、霉菌和鹽霧試驗；電子設備、機電設備和部分氣密性機械設備應進行溫度-高度試驗；機外設備應進行淋雨和砂塵試驗；除特殊要求外，所有新研或改進成附件均應嚴格按其所處的安裝區域/位置、局部環境類別，選擇環境適應性技術要求開展“單項環境”適應性考核試驗；其他必要的環境試驗項目嚴格按GJB 150—2009選擇適合的試驗類型剪裁執行。

6）機載成附件的環境鑒定試驗應在總師單位指定的第三方試驗室進行，或者在總師單位代表監督下在制定的實驗室進行。承擔鑒定試驗的單位或實驗室應通過資質認證和計量認證。

7）所有沿用/選用和新研/改進定型產品正式裝機使用前，總師單位應根據其所處的局部環境類別、安裝區域，在相應的多因素綜合環境試驗條件（譜）下組織開展機載成附件的綜合環境適應性（日歷壽命/首翻期）評估與驗證試驗。

8）機載成附件研制單位應制定具體成品、附件的摸底試驗、設計研制性試驗、環境鑒定試驗和多因素綜合環境適應性驗證試驗大綱（含產品技術狀態及數量、試驗項目分組、各試驗項目順序安排、試驗方法、試驗設施要求，設備、儀器、儀表及其精度要求、試驗數據記錄要求、成品有效性判別準則、試驗報告要求等），并上報總師單位，經總師單位認可后，制定試驗實施程序，并依據試驗程序開展試驗，完成試驗報告編制與評審。

3.5 編制《機載成附件安裝/連接中的CPC設計規范/要求》

電子設備、動力系統、操縱/液壓/環控系統等機載成附件裝配中常用的安裝、連接方法，包括粘接法、機械連接法、焊接（釬焊、熔焊）法等。采用粘接法選擇膠粘劑時，需考慮其電、熱、力學性能以及耐蝕性，并側重考慮膠粘劑與被粘接材料相容性、合適的表面預處理方法、膠粘劑種類等。機械連接包括夾緊連接、無焊接包封連接、機械緊固件（螺釘、螺栓、鉚釘）連接等，應特別注意預防緊固件連接處的縫隙腐蝕和電偶腐蝕。焊接過程中，應重點控制來自焊劑和焊劑清洗劑的腐蝕及過熱后的耐蝕性問題。同時，對于電子設備，并額外考慮電氣串接（接地）、電磁屏蔽、電搭接中的腐蝕防護與控制措施。

4 結語

受限于主、客觀因素的影響，艦載機載成附件的環境適應性設計與管理體系尚不夠完善，有些想法在目前的條件下可能無法實施，尚需在遵行以下技術原則的前提下，在后續工作中予以完善。

1）基于機載成品、附件的環境評定分析（除局部溫度、濕度、鹽霧等一般環境要素外，還有霉菌及塑料、橡膠、油漆等個別產品揮發、降解以及航母尾排而產生的腐蝕性物質），建立機載成附件的環境技術要求。

2）針對各項附件的局部環境和功能等特點，基于整機結構環境嚴酷度分區/分類，提出腐蝕防護與控制的具體設計要求，規范/指導使用壽命期內的CPC任務/活動。

3）基于整機環境嚴酷度分區/分類及各項機載成附件的裝機位置，參考國內外相關試驗/評定標準、規范，確定機載成附件的環境試驗與評價技術指標，適時加大相關環境權重；

4）機載成品、附件的CPC任務/要求應與相應規范/標準及整機的CPCP協調匹配，并可通過試驗驗證和工程應用經驗進行補充、完善，具有可剪裁性。

[1] 張蕾，陳群志，劉慧叢，等.飛機外部IMR21納米復合涂層在典型加速腐蝕環境中的腐蝕失效行為[J].表面技術，2014，43（2）：36—41.ZHANG Lei，CHEN Qun-zhi，LIU Hui-cong，et al.Corrosion Failure Behavior of IMR21 Nano Composite Coating on Airplane in Typical Accelerated Corrosion Environment[J].Surface Technology，2014，43（2）：36—41.

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