民用水上飛機(jī)機(jī)載設(shè)備腐蝕環(huán)境技術(shù)要求研究

張敬鋒，劉元海

（1.結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 荊門(mén) 448035；2.中國(guó)特種飛行器研究所，湖北 荊門(mén) 448035）

中國(guó)民用航空規(guī)章第25 部《運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》（CCAR-25）規(guī)定，民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備必須按適航標(biāo)準(zhǔn)制定或推薦的咨詢(xún)通告（AC：Advisory Circular）或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)完成相關(guān)的取證試驗(yàn)。環(huán)境試驗(yàn)是適航取證試驗(yàn)的重要組成部分[1-2]，民用機(jī)載設(shè)備的規(guī)章《民用航空材料、零部件和機(jī)載設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CCAR-37）給出了民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（TSO：Technical Standard Order）[3]。在環(huán)境試驗(yàn)方面，TSO 給出了通用型和非通用型環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。其中非通用型環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了環(huán)控、滅火、燃油、救生等系統(tǒng)具體設(shè)備/分系統(tǒng)的試驗(yàn)項(xiàng)目；通用型環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)AA 則在發(fā)布的AC 21-16G 中強(qiáng)烈建議采用RTCA DO-160G。與DO-160G 對(duì)應(yīng)的歐洲標(biāo)準(zhǔn)是ED-14G，其環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目與DO-160G 一致。因此，DO-160 是當(dāng)前飛機(jī)機(jī)載設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)的通用型標(biāo)準(zhǔn)，適用于指導(dǎo)大多數(shù)機(jī)載設(shè)備開(kāi)展環(huán)境試驗(yàn)[4]。

TSO 文件已說(shuō)明，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)要求是機(jī)載設(shè)備最低的環(huán)境試驗(yàn)條件標(biāo)準(zhǔn)和可使用的試驗(yàn)程序。這些試驗(yàn)的目的是提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)室來(lái)考核產(chǎn)品在其使用環(huán)境中將會(huì)遇到的典型環(huán)境條件下的性能[5]。水上飛機(jī)機(jī)載設(shè)備的使用環(huán)境、使用模式與一般的民用飛機(jī)有很大的不同，僅依據(jù)適航標(biāo)準(zhǔn)給出的最低要求，其機(jī)載設(shè)備在使用過(guò)程中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題。因此文中針對(duì)水上飛機(jī)的使用環(huán)境，對(duì)機(jī)載設(shè)備的環(huán)境試驗(yàn)要求加以合理補(bǔ)充。

1 民用水上飛機(jī)的使用分析

1.1 使用模式

民用水上飛機(jī)的主要用途有：旅游觀光、測(cè)繪、環(huán)境監(jiān)測(cè)、滅火、救援等。一般在陸上機(jī)場(chǎng)和內(nèi)河、湖泊、水庫(kù)、中近海水域場(chǎng)站滑行起飛、降落和停泊，經(jīng)常在濕熱和鹽霧的環(huán)境下工作和停放。水上飛機(jī)的使用特點(diǎn)使其易受腐蝕環(huán)境影響。

1）停放時(shí)間長(zhǎng)。相比民航飛機(jī)，水上飛機(jī)飛行強(qiáng)度低，停放時(shí)間長(zhǎng)，且停放的機(jī)庫(kù)、機(jī)位一般靠近湖泊、水庫(kù)或海岸。停放的地面環(huán)境成為導(dǎo)致腐蝕的主要因素。

2）飛行高度低。水上飛機(jī)的任務(wù)需求使得其以低空、超低空飛行為主。3000 m 以下空域必須考慮腐蝕環(huán)境對(duì)飛機(jī)的損傷效應(yīng)，3000 m 以上空域由于環(huán)境介質(zhì)稀薄[6]，從工程應(yīng)用角度可以不考慮環(huán)境影響。

綜上所述，水上飛機(jī)的使用模式使得其總體使用環(huán)境較其他機(jī)型更為嚴(yán)酷、復(fù)雜。

1.2 使用環(huán)境分析

GJB/Z 594A—2000 將零（部）件使用環(huán)境條件分為L(zhǎng)（良好）、Y（一般）、E（惡劣）、H（海上）、T（特殊）等5 種類(lèi)型[7]。對(duì)于機(jī)載設(shè)備，可以參考這個(gè)分類(lèi)。以大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機(jī)（鯤龍600）為例，基于機(jī)體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及飛機(jī)飛行狀態(tài)下不同結(jié)構(gòu)區(qū)域、不同位置、不同艙段（室）局部區(qū)域環(huán)境的控制情況，將全機(jī)機(jī)載設(shè)備安裝區(qū)域劃分為5 個(gè)典型類(lèi)別，各區(qū)域情況見(jiàn)表1。

表1 鯤龍600 飛機(jī)機(jī)載設(shè)備使用環(huán)境分類(lèi)Tab.1 Classification of use environment of AG600 seaplane’s airborne equipment

這5 類(lèi)基本涵蓋了水上飛機(jī)機(jī)載設(shè)備全部的使用環(huán)境，鯤龍600 是大型水陸飛機(jī)，結(jié)構(gòu)組成較為復(fù)雜全面，一些小型的水上飛機(jī)，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，環(huán)境類(lèi)別可以縮減，但所有的結(jié)構(gòu)區(qū)域基本都可在這5 類(lèi)中找到對(duì)應(yīng)的環(huán)境特征。具體分析不同使用環(huán)境的主要影響因素，如艙內(nèi)設(shè)備一般很少受到降水、砂塵和太陽(yáng)輻射的影響，除非是油路（燃油、滑油、液壓油）內(nèi)部的設(shè)備（TSO 往往會(huì)對(duì)這些設(shè)備給出非通用型環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)），濕熱、鹽霧等環(huán)境因素很難被隔離。對(duì)于金屬和合金，大氣腐蝕的關(guān)鍵因素為潮濕時(shí)間、SO2和氯化物污染物水平[8]。機(jī)載設(shè)備由于普遍采用金屬構(gòu)件，這些環(huán)境因素對(duì)其有同樣的影響。

相對(duì)于機(jī)體結(jié)構(gòu)，材料使用更為多樣的電子設(shè)備更容易受霉菌的影響。霉菌屬好氧菌，最適宜的生長(zhǎng)溫度在25～35 ℃之間, 在相對(duì)濕度90%～100%條件下生長(zhǎng)良好[9]。這也是民用水上飛機(jī)常見(jiàn)的使用環(huán)境，長(zhǎng)期靠水停放的水上飛機(jī)機(jī)載設(shè)備生長(zhǎng)霉菌的可能性較其他民用飛機(jī)更大。

綜合環(huán)境要素分析，選取對(duì)各部位機(jī)載設(shè)備都有影響的濕熱、霉菌、鹽霧（即常用的“三防”）三個(gè)環(huán)境因素，分析環(huán)境強(qiáng)度和試驗(yàn)條件的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2 腐蝕環(huán)境試驗(yàn)條件及環(huán)境強(qiáng)度分析

腐蝕環(huán)境技術(shù)要求在原標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上作修正，必須滿足合理、適用的原則。具體操作為：按機(jī)載設(shè)備使用環(huán)境的分類(lèi)情況，根據(jù)收集到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納出不同區(qū)域的環(huán)境量值，優(yōu)先選用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)不具備實(shí)測(cè)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，參考相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)或量值。

2.1 濕熱

DO-160G 第6 章中，將機(jī)載設(shè)備的局部環(huán)境分為3 類(lèi)：A 類(lèi)——標(biāo)準(zhǔn)濕熱環(huán)境；B 類(lèi)——嚴(yán)酷濕熱環(huán)境；C 類(lèi)——外部濕熱環(huán)境。A 類(lèi)環(huán)境指的是有環(huán)境控制的隔艙內(nèi)；B 類(lèi)環(huán)境指的是無(wú)環(huán)境控制區(qū)域內(nèi)的機(jī)載設(shè)備；C 類(lèi)環(huán)境指的是外部空氣接觸的設(shè)備區(qū)域。根據(jù)第1 節(jié)的機(jī)載設(shè)備使用環(huán)境分類(lèi)，DO-160G中的A 類(lèi)對(duì)應(yīng)L 區(qū)；B 類(lèi)對(duì)應(yīng)Y、E、T 區(qū)；C 類(lèi)對(duì)應(yīng)H 區(qū)。

DO-160G 內(nèi)的A 類(lèi)環(huán)境專(zhuān)指帶環(huán)境控制的隔艙，而不是指普通的封閉機(jī)艙，一些水上飛機(jī)沒(méi)有溫控、增壓系統(tǒng)，則沒(méi)有滿足 A 類(lèi)環(huán)境的機(jī)載設(shè)備。DO-160G 規(guī)定不同濕熱環(huán)境下的試驗(yàn)條件見(jiàn)表2?？梢?jiàn)在不同環(huán)境分類(lèi)下具體試驗(yàn)參數(shù)是不同的，總的試驗(yàn)周期也不同。

表2 DO-160G 濕熱試驗(yàn)條件Tab.2 DO-16OG damp heat test conditions

對(duì)比其他的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，HB 6167.4—2014《民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)方法 第4 部分：濕熱試驗(yàn)》的內(nèi)容與DO-160G 完全一致。我國(guó)軍用裝備環(huán)境試驗(yàn)方法中GJB 150 系列標(biāo)準(zhǔn)共有兩個(gè)版本：GJB 150—1986 參照MIL-STD-810C，該版本中濕熱試驗(yàn)部分共有三個(gè)程序，是按照不同類(lèi)型的設(shè)備作為分類(lèi)原則的[10-11]；GJB 150A—2009 則是完全等效美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-810F，該版本中濕熱試驗(yàn)部分合并為一個(gè)程序。HB 5830.11—1986《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件及試驗(yàn)方法 濕熱》則與GJB 150.9A—2009《軍用設(shè)備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第9 部分：濕熱試驗(yàn)》的試驗(yàn)條件完全相同，見(jiàn)表3。

對(duì)比可知，不同標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)參數(shù)有所不同，但都采取交變濕熱試驗(yàn)方式。DO-160G 將機(jī)載設(shè)備根據(jù)所在環(huán)境分類(lèi)，試驗(yàn)條件在不同環(huán)境分類(lèi)下采用不同參數(shù)，顯然對(duì)設(shè)備使用環(huán)境的針對(duì)性更強(qiáng)。

中國(guó)典型環(huán)境地域可劃分為干冷區(qū)、內(nèi)陸基本區(qū)、內(nèi)陸濕熱區(qū)、溫和沿海區(qū)、濕熱沿海區(qū)、溫和海洋區(qū)和濕熱海洋區(qū)共七大環(huán)境區(qū)，并根據(jù)153 個(gè)站點(diǎn)8 年的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)[12]。7 個(gè)典型環(huán)境區(qū)域的年平均溫濕度值見(jiàn)表4。

表3 GJB 150.9A 和HB 5830.11 濕熱試驗(yàn)條件Tab.3 GJB 150.9A and HB 5830.11 damp heat test conditions

從表4 可知，DO-160G 濕熱試驗(yàn)條件低溫低濕參數(shù)也高于所有典型環(huán)境的平均值。在試驗(yàn)時(shí)間方面，標(biāo)準(zhǔn)一般建議10 個(gè)周期，該周期時(shí)間得到了美國(guó)萊特航空發(fā)展中心開(kāi)展的“比較不同濕熱試驗(yàn)方法有效性的計(jì)劃”研究項(xiàng)目的證明。采用任何一種嚴(yán)格的濕熱試驗(yàn)方法，10 天后腐蝕速率就趨近于一個(gè)恒定值，10 個(gè)周期足以展示濕熱環(huán)境對(duì)大多數(shù)裝備的潛在影響[13]。因此，針對(duì)常在高濕環(huán)境運(yùn)營(yíng)的水上飛機(jī)，建議將DO-160G 劃分的C 類(lèi)（外部濕熱環(huán)境）試驗(yàn)循環(huán)提高到10 次。同樣，A 類(lèi)和B 類(lèi)環(huán)境，試驗(yàn)時(shí)間也建議取1.5 的修正系數(shù)[14]。

表4 我國(guó)典型環(huán)境區(qū)月平均相對(duì)濕度統(tǒng)計(jì)值Tab.4 Monthly average relative humidity statistics of typical environmental areas in China

2.2 霉菌

RTCA DO-160G 第13 章，將安裝在能受?chē)?yán)重霉菌污染環(huán)境中的設(shè)備，劃分為F 類(lèi)，這類(lèi)設(shè)備必須進(jìn)行防霉試驗(yàn)。水上飛機(jī)的使用環(huán)境使得所有機(jī)載設(shè)備都有可能遭受霉菌污染，因此建議都開(kāi)展霉菌試驗(yàn)。DO-160G 規(guī)定的菌種見(jiàn)表5。

表5 DO-160G 規(guī)定的試驗(yàn)菌種Tab.5 Test fungus for DO-160G

HB 6167.11—2014《民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)方法 第11 部分：霉菌試驗(yàn)》、HB 5830.13—1986《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件及試驗(yàn)方法 霉菌》的試驗(yàn)條件和DO-160G 一樣，但國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)給出的菌種為CGMCC（中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心China General Microbiological Culture Collection Center）的編號(hào)，而DO-160G 是按照ATCC（美國(guó)模式培養(yǎng)物集存庫(kù)American Type Culture Collection）編號(hào)。雖然菌種編號(hào)不同，但是拉丁文名稱(chēng)是一樣的，具有相同的基因序列，所以是同一類(lèi)菌種[15]。GJB 150.10—1986《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 霉菌試驗(yàn)》給出的試驗(yàn)菌組和DO-160G 一致，但在GJB 150.10A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第10 部分：霉菌試驗(yàn)》中，將試驗(yàn)菌種分為了兩組，見(jiàn)表6。

表6 中的菌種組1、2 在MIL-STD-810F 中分別對(duì)應(yīng)歐洲標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。選用菌種組1 及類(lèi)似菌種的標(biāo)準(zhǔn)有：IEC 68-Z-10(C) 1984《國(guó)際電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程4 長(zhǎng)霉試驗(yàn)方法》、法國(guó)航空規(guī)范AIR7304《機(jī)載電氣設(shè)備、電子設(shè)備和儀表的環(huán)境試驗(yàn)條件試驗(yàn)10 抗霉菌試驗(yàn)》、GB/T 2423.16—2008/IEC 60068-2-10:2005《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 試驗(yàn)J長(zhǎng)霉》兩組菌種里面只有一個(gè)菌相同，而且菌種組1與電工電子產(chǎn)品的聯(lián)系更為緊密。MIL-STD-810F 文件中有說(shuō)明：“如有需要，可在本試驗(yàn)方法中增加菌種。但如果使用增加的菌種，則應(yīng)根據(jù)特定材料受該霉菌損害的已知情況來(lái)選擇”[16]。考慮到橡膠材料在機(jī)載設(shè)備上的廣泛應(yīng)用和短柄帚霉對(duì)橡膠的強(qiáng)烈侵蝕作用，建議在DO-160G 選用的菌種上添加“Scopulariopsis brevicaulis（短柄帚霉）”。

表6 GJB 150.10A 霉菌試驗(yàn)可選用的菌種組別和種類(lèi)Tab.6 Group and classification of fungus for GJB 150.10A mould test

DO-160G 中對(duì)霉菌試驗(yàn)的時(shí)間并未嚴(yán)格規(guī)定，只要求“試驗(yàn)時(shí)間按接種時(shí)算起28 天，或按設(shè)備規(guī)范的規(guī)定”。具體操作時(shí)建議參考其他標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于在28天出現(xiàn)長(zhǎng)霉但是符合要求的設(shè)備，將試驗(yàn)總時(shí)間延長(zhǎng)到84 天。84 天后，不再評(píng)價(jià)長(zhǎng)霉等級(jí)，只判斷長(zhǎng)霉對(duì)設(shè)備性能的影響。

我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)菌種的中文名稱(chēng)并不統(tǒng)一，比如Scopulariopsis brevicaulis，在GJB 150.10A 中名稱(chēng)為短柄帚霉，而在GB/T 2423.16—2008 中則被稱(chēng)為短帚霉，另外在一些技術(shù)文稿里又被稱(chēng)為光孢短柄帚霉。建議在描述菌種的時(shí)候，附上拉丁名和編號(hào)，防止誤解。

2.3 鹽霧

RTCA DO-160G 第14 章，將設(shè)備分為S 類(lèi)和T類(lèi)。S 類(lèi)指安裝在飛機(jī)正常使用過(guò)程中所能遭受腐蝕大氣影響部位的設(shè)備，對(duì)應(yīng)L 區(qū)；T 類(lèi)設(shè)備安裝在能遭受?chē)?yán)酷鹽霧大氣環(huán)境的位置（如在海邊停放或使用的飛機(jī)直接暴露于未經(jīng)過(guò)濾的外界空氣中的設(shè)備），基本包括水上飛機(jī)除增壓艙外的所有部位，因此對(duì)應(yīng)Y、E、H、T 區(qū)。不同分類(lèi)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)要求見(jiàn)表7。

表7 DO-160G 鹽霧試驗(yàn)方法Tab.7 DO-160G salt fog test method

HB 6167.12—2014《民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)方法 第12 部分：鹽霧試驗(yàn)》的內(nèi)容與DO-160G 一致，也與GJB 150.11A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第11 部分：鹽霧試驗(yàn)》的試驗(yàn)條件基本一致。GJB 150.11A—2009 未針對(duì)裝備的具體結(jié)構(gòu)環(huán)境區(qū)域進(jìn)行細(xì)分，對(duì)試驗(yàn)周期也僅建議2 個(gè)周期（96 h）或增加試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)，以便對(duì)裝備耐鹽霧環(huán)境能力給出更高置信度的評(píng)價(jià)[17]。

從20 世紀(jì)60 年代開(kāi)始，美國(guó)國(guó)防部針對(duì)海軍裝備面臨的海洋大氣腐蝕問(wèn)題，通常采用模擬海水或一定質(zhì)量濃度NaCl 溶液的中性鹽霧試驗(yàn)方法加以考核。該類(lèi)方法多基于ASTM B117 標(biāo)準(zhǔn)[18]，MIL-STD-810 系列標(biāo)準(zhǔn)中的鹽霧試驗(yàn)方法就是其中的典型代表。隨著航空裝備的快速發(fā)展，美國(guó)航空材料實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)，中性鹽霧試驗(yàn)往往無(wú)法準(zhǔn)確暴露腐蝕問(wèn)題。在一項(xiàng)針對(duì)機(jī)載電子產(chǎn)品的隨艦暴露試驗(yàn)中，有11 項(xiàng)產(chǎn)品均出現(xiàn)了由腐蝕導(dǎo)致的問(wèn)題，但在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)500 h 的中性鹽霧試驗(yàn)，其中僅有3 項(xiàng)產(chǎn)品出現(xiàn)了類(lèi)似問(wèn)題[19]。

在民用飛機(jī)的使用過(guò)程中，工業(yè)廢氣、酸雨等與海洋鹽霧組合成的酸性潮濕環(huán)境，使得機(jī)載設(shè)備常處于酸性鹽霧中，酸性液體會(huì)增強(qiáng)鹽霧對(duì)機(jī)載設(shè)備的腐蝕作用。當(dāng)前我國(guó)的酸雨區(qū)主要分布在長(zhǎng)江以南的廣大地區(qū)、東北東南部、華北的大部以及西南和華南沿海等廣大地區(qū)，酸雨分布區(qū)大致呈東北-西南走向[20]。這些地區(qū)也是水上飛機(jī)的主要使用地區(qū)，酸雨的成因也以硫酸型污染為主[21]。

根據(jù)相關(guān)“鹽霧-SO2”試驗(yàn)方法的研究探索[22]，對(duì)于水上飛機(jī)面臨的工業(yè)廢氣與鹽霧共同作用形成的酸性鹽霧對(duì)機(jī)載設(shè)備的影響，可采用在DO-160G 鹽霧試驗(yàn)方法的鹽霧噴霧中加入稀硫酸調(diào)節(jié)pH 值的方法加以模擬。參考GJB 150.28—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第28 部分：酸性大氣試驗(yàn)》中給出我國(guó)目前酸雨最嚴(yán)酷地區(qū)最低pH 值為4.02[23]，鹽霧試驗(yàn)在使用DO-160G 規(guī)定循環(huán)次數(shù)的同時(shí)，將鹽霧溶液pH 值在原6.5～7.2 的基礎(chǔ)上，建議調(diào)整為4.02。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)民用水上飛機(jī)機(jī)載設(shè)備，在適航規(guī)范給出的DO-160G 基本試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合具體使用環(huán)境，對(duì)濕熱、霉菌、鹽霧的技術(shù)要求做了適當(dāng)補(bǔ)充，目的是提高水上飛機(jī)機(jī)載設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力。試驗(yàn)條件改進(jìn)依據(jù)充分合理，能夠適用于民用水上飛機(jī)機(jī)載設(shè)備的腐蝕環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估與驗(yàn)證。需要指出的是，由于水上飛機(jī)使用環(huán)境較為廣泛，在不同緯度、湖泊或是海邊使用的水上飛機(jī)所受的環(huán)境因素也有所不同，文中給出的是較為普遍的環(huán)境試驗(yàn)要求。若需要針對(duì)更為具體的使用環(huán)境做測(cè)試，建議根據(jù)實(shí)際采集的環(huán)境當(dāng)量進(jìn)行分析權(quán)衡。