飛機電氣線路互聯系統海洋環境適應性研究

郁大照，溫德宏，王琳，王騰，王泗環

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飛機電氣線路互聯系統海洋環境適應性研究

郁大照1，溫德宏2，王琳1，王騰1，王泗環1

（1.海軍航空大學 航空基礎學院，山東 煙臺 264001；2.海軍裝備部航空裝備局，北京 100071）

以飛機典型電氣線路互聯系統（Electrical Wiring Interconnection System，EWIS）故障件和線纜及微動開關的南海環境暴曬試驗結果為依據，研究了海洋環境下EWIS的腐蝕故障規律、腐蝕類型和形成原因、及電氣性能變化規律等。結果表明，海洋環境下EWIS腐蝕失效形式多樣，易導致間歇式故障頻發，電氣性能及屏蔽效能下降等。從適海性的角度提出了應從選材、設計、使用維護和故障數據分析利用等方面來提高EWIS的海洋環境適應性。

電氣線路互聯系統；海洋氣候環境；環境適應性；腐蝕防護

電氣線路互聯系統（Electrical Wiring Interconnection System，簡稱EWIS）由美國聯邦航空局（FAA）在FAR25部第123號修正案中提出，是指用于在兩個或多個終端之間傳送電能、數據和信號的各種導線、線路裝置或它們的組合，將原屬于各功能系統的電纜、連接器、繼電器、開關等連接和控制、保護等部件，作為一個系統來設計和適航審定。一架飛機有數以千計的各類EWIS組成，布置在飛機的各個區域位置，承擔著為飛機各功能系統電設備提供電氣和信號傳輸功能，對飛機的飛行安全具有極其重要的作用[1-5]。

熱帶海洋環境具有高溫、高濕、高鹽霧、強太陽輻射及霉菌生長活躍等特點，對EWIS具有極大的影響，很容易發生腐蝕、老化等問題，直接影響了EWIS部附件的導電、磁導、電感、電容、電子發射和電磁屏蔽等參量的改變，從而引起腐蝕故障。甚至很輕微的腐蝕都會導致系統或設備級的間歇性故障或完全失效，甚至引起二次故障。通過初步統計，2010—2015年，駐海南飛機的EWIS部附件故障率是駐山東服役飛機的1.9倍[6]。張友蘭等人[7]針對環境對EWIS部附件的影響，用3年時間跟蹤了6種機型200多臺套EWIS部附件的故障情況。結果發現，在海南地區，EWIS部附件的故障率是內陸的2~3倍。

目前，國內在飛機EWIS的腐蝕失效機理與防護控制研究方面，還處于起步階段，技術基礎較薄弱，關鍵技術突破不多，腐蝕控制無章可循。因此，針海洋環境特點，開展EWIS的海洋環境適應性研究，確定EWIS容易發生的腐蝕問題，給出具體解決措施，對于減輕腐蝕對飛機的危害，降低故障率，避免出現重大腐蝕故障，保障飛行安全具有重要意義。

1 海洋環境下EWIS的腐蝕和故障特點

我國東南沿海和南方是濕熱帶氣候，在濕熱季節，平均氣溫高于25 ℃，日溫差最大可達25 ℃，而平均相對濕度在80%以上，有的甚至超過95%。機艙內吸入大量潮氣，濕度增大，形成高濕熱環境。艙內不通風，極易誘發霉菌的滋生，部附件表面產生霉變，造成性能劣化、元器件失效等故障。由風浪打水形成的由氯化物和微小液滴所組成的氣溶膠體，其強鹽霧環境極易導致電化學腐蝕，造成電纜絕緣失效、阻抗波動、信號遺失、接觸電阻增大等故障模式。

相對于飛機結構用材料，EWIS材料種類繁多，其中Cu、Ni、Au、Pd、Ag、Al及其合金和Sn合金，在EWIS中獲得了廣泛的應用，它們主要被用作導電材料、觸點或接點材料、插件材料和框架材料。在海洋環境下，多種金屬和合金體系會發生電偶腐蝕、縫隙腐蝕、微孔腐蝕、應力腐蝕、雜散電流腐蝕等多種形式的環境失效問題。除了大氣環境影響外，EWIS還承受振動應力、電應力、熱應力等，正是電子所用材料和使用環境的多樣性及電子材料結構上的特殊性，使得電子材料的環境失效機理非常復雜，EWIS間歇式故障頻發：一是空中出現的故障現象地面通電不復現或地面通電故障現象時有時無；二是參數偏離常值，但在正常范圍內，或是參數不穩，隨機擺動；三是不明原因的燒保險絲、跳開關，重新打開開關或更換保險絲后工作正常；四是通過串件排故法故障消失，但隔段時間后故障又重復出現。

通過對在南海島礁環境下使用3個月時間的飛機普查發現，已在起落架艙等暴露區域出現元器件腐蝕現象。比如，機上個別負線和搭鐵線已經腐蝕，無法起到接地作用，且全機負線、搭鐵線未采用銅鋁氧化劑導電膏工藝，易加速腐蝕。多機左起落架艙壓力信號傳感器插頭出現外表和內部腐蝕。前起壓縮位置終點開關由于多次插拔，導致插針表面鍍層磨損，出現微腐蝕，曾經多次出現斷針現象等問題。另外，搭鐵短路、接觸不良、串電、斷線脫焊等腐蝕引起的故障現象也比較突出。幾種典型的EWIS部件腐蝕現象如圖1所示。

2 海洋環境對EWIS的影響

根據功能，EWIS部件主要分為電線、電纜；連接器及附件；開關、繼電器；接線端子等。文中主要對易腐蝕和對飛行安全有嚴重影響的部件進行分析。

2.1 電線、電纜

根據實測，南海地區中午太陽能紫外線占4%，超出高輻射強度區拉薩市0.4%，再加上高溫、高濕，線纜的護套、絕緣層等高分子材料很容易發生降解和氧化，加速線纜的老化、脫落等現象的發生，致使導體外露，從而造成短路起火，影響飛行安全。對于屏蔽電纜，可造成屏蔽層導通電阻增大，絕緣性能下降。海洋環境也會加速電線、電纜的老化。以萬寧站為例，年均氣溫為24.6 ℃，平均相對濕度為86%，全年78%的時間相對濕度超過80%。濕度超過95%的高濕時間年均1012 h，占比11.5%，連續高濕時間可達70 h。某型飛機屏蔽線纜在海南萬寧棚下、黑箱及漠河棚下大氣暴露試驗36個月后，采用西安中峰的導通電阻測試儀進行測量，屏蔽層導通電阻變化趨勢如圖2所示?？梢钥闯?，暴露試驗6個月后，導通電阻開始增大，相對于漠河，南海環境影響較大，特別是模擬飛機設備艙內環境的黑箱暴露試驗對導通電阻影響最大。

圖2 屏蔽電纜屏蔽層導通電阻變化趨勢

2.2 電連接器

作為電氣、電子接口器件，電連接器在EWIS內起著電氣連接和信號傳輸的重要作用。在高溫、高濕、高鹽霧綜合作用下，電連接器極易發生殼體腐蝕、絕緣性能下降、導通電阻增加甚至斷路等問題，對于此環境下使用的電氣、電子設備來說，電連接器已成為了主要的薄弱環節之一[8]。

筆者對在沿勃海機場某型號飛機前起落架艙部位使用4年的電連接器進行了腐蝕損傷分析。連接器型號為GJB 599A Ⅰ系列，殼體為鋁合金鍍軍綠鎘，尾部有螺紋，接觸件為銅合金鍍金（過渡層為鎳），鍍金層厚度為1.27 μm。觀察連接器插座端界面，如圖3所示，絕緣橡膠表面、原插孔處、殼體內表面及彈簧爪表面均有白色顆粒狀多余物存在。

插孔內表面典型腐蝕位置EDS分析結果如圖4所示。在該測試位置檢測到Cl元素，是因為海面鹽霧侵入所致，O元素含量高，說明出現腐蝕產物。由于滑動磨損和微動磨損的存在，腐蝕產物膜容易受到破壞，腐蝕產物累積不明顯。EDS測試結果中的Ni、Cu表明，鍍金層局部破壞后，過渡鍍Ni層和插孔Cu基體均在Au的加速作用下發生腐蝕，腐蝕產物溢出到插孔表面。插孔內表面疑似腐蝕位置均屬于磨損嚴重區域，雖然鍍金層本身亦存在固有微觀缺陷，易成為腐蝕萌生位置，但在實際使用狀態下，由于插拔、異物侵入、微動磨損等原因造成的鍍層破損處更容易成為腐蝕萌生位置。電連接器絕大多數時間處于插合狀態，外部水氣、腐蝕性介質滲入緩慢，但在維修維護中，插拔操作造成鹽霧、灰塵等容易進入內部，加速電接觸表面的腐蝕。

圖3 某型號連接器插孔端外觀形貌（拆解后）

圖4 插孔內部典型局部腐蝕位置微觀形貌及EDS分析

2.3 微動開關、繼電器類

開關和繼電器是構成EWIS必不可少的元器件，且使用量大、類型多、范圍廣，對飛行安全影響較大。美國空軍安全中心針對1989—1999年期間，由飛機EWIS相關各類元器件引發的故障進行了統計，其中開關和繼電器占10%。我國某型海軍飛機的1600余條裝備故障數據統計分析表明，開關和繼電器故障為130余條。

為分析海洋環境對兩類器件的影響，文獻[9]選取航空中使用較為廣泛的某型號微動開關，在海南萬寧試驗站進行了3個月的棚下試驗。萬寧站為我國大氣腐蝕性最嚴酷的區域之一，年均氯離子沉積速率為3.25 mg/(100 cm2·d)，近海場大氣腐蝕性為最高的C5級。3個月后微動開關的內外部腐蝕情形如圖5所示。開關按鈕出現動作卡滯，鍍銀焊接端出現變色現象。測試接觸電阻，開關常閉端和常開端的接觸電阻全部升高，已超過微歐計的最大量程20 MΩ。這主要是因為在萬寧高溫、高濕和高鹽環境下，腐蝕性氣體進入開關內部，附著在觸點表面，形成腐蝕性液膜，銅被腐蝕，并生成導電性差的腐蝕產物，導致開關觸點間的接觸電阻大幅度提高。

圖5 海南萬寧站放置3個月后的微動開關內外部腐蝕形貌

2.4 對電磁干擾屏蔽效果的影響

飛機上產生/吸收的電磁能會與航空EWIS相互干擾，而產生微處理器位錯誤、計算機內存丟失、虛假信號和功率損耗等故障。這些故障的結果可能導致飛行安全狀況、任務中止或系統/子系統操作失去響應。為了最大限度減少EMI引起的故障，所有現代飛機上的航空電子設備都需要某種形式的EMI屏蔽，用于保護航空電子設備免受飛行中電磁環境的影響。電磁干擾屏蔽系統通常由夾在外殼和固定底座之間的導電墊片組成，這種墊片要求在外殼/墊片/底座連接處提供足夠的導電率。對于服役于海洋環境下的飛機，不可避免地會引起屏蔽材料的腐蝕，特別是由銀和鋁金屬對組成的低電阻接頭，非常容易發生電偶腐蝕，從而在連接處產生非導電膜，破壞導電路徑，降低EMI屏蔽效果，甚至結構的承載能力[10-11]。EMI墊片及連接法蘭腐蝕前后屏蔽效能對比如圖6所示，可以看出，腐蝕能夠明顯降低屏蔽效能。

圖6 EMI墊片腐蝕前后屏蔽效能對比

3 腐蝕防護對策

針對“三高”海洋環境特點，對于飛機EWIS的腐蝕防護應從設計和維護兩方面進行[12-15]：一是從設計源頭考慮EWIS的腐蝕防護與控制，重點考慮EWIS部件的選材、安裝和環境等方面，從而保證系統的預期功能不會因EWIS部件腐蝕而造成降級；另一方面加強使用中的維護技術研究和先進設備、防護材料的研制開發，給出合理有效的檢查程序和技術標準要求。保證EWIS在海洋環境下工作的可靠性，提高服役于海洋環境下飛機的使用安全與壽命。

1）重視EWIS材料的選擇和部件的安裝設計。EWIS材料種類繁多，在觸點或接點處很容易發生電偶腐蝕、縫隙腐蝕、微孔腐蝕等，而合理正確的選材能有效防止EWIS在海洋環境中腐蝕與老化的發生。如電氣接口安裝接觸部分盡量采用同材料、同鍍層，若無法避免，則使用電勢差兼容的材料。當選擇合適的兼容金屬也無法實現時，要施加防護層或進行隔離密封處理。固定線束的緊固件選用經鈍化處理的螺釘、螺帽等，與安裝結構接觸的線束金屬支撐件的材質應與安裝結構的材質一致，對線束與螺栓的安裝接觸點進行防護。在選擇屏蔽外殼材料時，應盡可能地降低殼體材料與墊圈材料或導電密封膠圈間的電位差，提高環境適應性。安裝設計也是提高EWIS耐腐蝕、老化的重要一環。如布線應避免被日光直射，不應布置在易受大氣和海水直接侵蝕的位置。為防止液體或冷凝水順電線、電纜流入連接器件，從而造成腐蝕問題，所有下行敷設連接器的線束均應設置滴水環。滴水環應裝配于連接器與主固定支撐裝置之間，在最低點應設有疏水孔。如無滴流回路，積留水分將流入EWIS器件或部件中，造成腐蝕。電連接器和連接器件上的布線應沿敷設方向理順，不允許有過度彎扭，以防線纜變形，影響絕緣和密封，對線纜造成損壞。

2）加強使用過程中的檢查與維護。飛機的線路系統日趨復雜，由于環境原因導致的線路系統故障也不斷增加，要保證其有更高的安全性和可靠性，在飛機使用中，對EWIS的檢查和維護提出了更高的要求。如發生腐蝕故障較多的電連接器，應加強外場使用中電連接器表面的清洗，及時清除表面海鹽、灰塵等多余物，盡量降低酸性介質成分在表面的積聚，必要時使用緩蝕劑等防護措施。盡量減少電連接器在外場的插拔操作，特別是在高濕度、高鹽霧的強腐蝕性環境中，應盡量避免插拔操作。進一步規范電連接器插拔操作要求，避免人為對插針、插孔的同心度造成損傷。為減小腐蝕對電磁屏蔽的影響，應該定期檢查EMI墊圈，來保證它們能夠持續提供預期的功能。

3）開展EWIS外場腐蝕故障數據的收集和分析。對海洋環境下服役飛機EWIS的腐蝕數據進行收集、分析和挖掘利用，不斷積累故障信息，分析故障成因，確定腐蝕防護薄弱環節、易腐蝕部位、易腐蝕電子部附件類型，避免盲目維修，對典型故障采取有針對性的預防措施，進而降低線路系統的故障率。

4 結論

EWIS的腐蝕問題已成為飛機海洋環境適應研究的重要問題之一，直接影響著EWIS的可靠性和飛行安全。通過腐蝕影響和防護對策分析，得到以下結論。

1）在海洋環境下，由多種金屬和合金體系構成的EWIS會發生電偶腐蝕、縫隙腐蝕、微孔腐蝕、應力腐蝕、雜散電流腐蝕等多種形式的環境失效問題，間歇式故障頻發。

2）海洋環境會加速線纜保護層的老化，屏蔽層導通電阻增大，絕緣性能下降，明顯降低EWIS部件的屏蔽效能。

3）典型EWIS部件極易發生殼體腐蝕、絕緣性能下降，腐蝕性氣體進入部件內部，附著在觸點表面，形成腐蝕性液膜，銅等基體被腐蝕，并生成導電性差的腐蝕產物，導致開關觸點間的接觸電阻大幅度提高。

4）在設計過程中，需要綜合考慮電氣邏輯和機械連接兩方面的因素。選擇耐腐蝕性能更高的材料體系，為飛機制定合理的定期維修檢查程序和技術要求，注重腐蝕故障數據的收集和分析。

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Marine Climate Environmental adaptability of Aircraft Electrical Wiring Interconnection System

YU Da-zhao1, WEN De-hong2, WANG Lin1, WANG Teng1, WANG Si-huan1

(1. School of Basic Science for Aviation, Naval Aviation University, Yantai 264001, China; 2. Aeronautical Equipment Department of Naval Equipment Department, Beijing 100071, China)

Based on fault results of the Electrical Wiring Interconnection System (EWIS) and the South China Sea environmental exposure test results of the aircraft's typical Electrical Wiring Interconnection System (EWIS), the corrosion failure law, corrosion types and causes, and electrical performance variation law of EWIS in marine environment were studied.The results show that the failure modes of EWIS corrosion in marine environment were various, which can easily lead to frequent intermittent faults and decrease of electrical performance and shielding effectiveness. From the point of view of seaworthiness, it is proposed to improve the marine environmental adaptability of EWIS from material selection, design, operation and maintenance, and analysis and utilization of fault data.

electrical wiring interconnection system; marine climate environment; environmental adaptability; corrosion prevention

10.7643/ issn.1672-9242.2019.04.008

V242; TG172.5

A

1672-9242(2019)04-0046-05

2018-10-25；

2018-12-12

郁大照（1976—），男，博士，副教授，主要研究方向為機載設備的腐蝕防護與控制。