熱帶島礁大氣環(huán)境對飛機環(huán)境適應性的影響分析研究

張軍 苗學問 宋岳恒 李章鵬

(93184部隊, 北京 100076)

0 引言

熱帶海洋島礁環(huán)境特有的高溫、高濕、高鹽霧和強日照等綜合環(huán)境對飛機島礁環(huán)境適應性影響較大，會明顯加速飛機防護體系的整體失效。因此，為保障飛機在熱帶島礁的安全、長效使用，需要對飛機所處島礁環(huán)境進行識別與分析，把握各環(huán)境因素單獨及組合作用對飛機環(huán)境適應性的影響，并提出對策建議。

GB/T15957-1995《大氣環(huán)境腐蝕性分類》中根據(jù)大氣中的組分將大氣環(huán)境劃分為鄉(xiāng)村大氣、城市大氣、工業(yè)大氣和海洋大氣四種類型[1]，其中，工業(yè)大氣與海洋大氣是典型的腐蝕性大氣環(huán)境，對金屬的腐蝕性較強。飛機中常用的金屬材料（結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金等）暴露在大氣環(huán)境中就不可避免的受大氣環(huán)境中溫度、濕度、日照、降雨以及鹽霧、SO2等污染物影響而發(fā)生大氣腐蝕。金屬的大氣腐蝕本質(zhì)上是一種在薄液膜下進行干濕交替的電化學過程[2]。由于大氣腐蝕是金屬材料最常見的腐蝕類型，由此造成的金屬損失約占其年損失量的50%以上[3]，因此在很早以前就開始對它進行研究。1906年，美國材料試驗協(xié)會首先開始建立自然大氣環(huán)境腐蝕試驗站網(wǎng)，并且在其國內(nèi)設(shè)立了多個用于材料現(xiàn)場曝曬試驗的自然大氣環(huán)境腐蝕試驗臺站。英國鋼鐵研究協(xié)會在20世紀30年代開始建立大氣腐蝕試驗網(wǎng)。日本工業(yè)技術(shù)研究院先后建立了20多個大氣腐蝕試驗站。相比之下，我國開展自然環(huán)境的大氣腐蝕研究起步較晚，始于20世紀50年代中期開始建立大氣腐蝕曝曬試驗站，但前期發(fā)展緩慢，直到1980年才建立了現(xiàn)場暴露腐蝕試驗網(wǎng)并針對一些特殊環(huán)境進行相應數(shù)據(jù)的收集歸納。隨著常用材料在自然大氣環(huán)境中長期、系統(tǒng)的腐蝕試驗工作開始之后，我國取得了大量有價值的數(shù)據(jù)[4]，研究規(guī)模和影響也步入世界先進行列。近年來，針對具體金屬材料受大氣環(huán)境因素影響的腐蝕問題，研究者進行了不斷探索，試圖得到大氣環(huán)境因素和金屬材料與腐蝕速率之間的關(guān)系[5-12]。這些研究成果對金屬材料在不同大氣環(huán)境下的使用和改進起到了重要的指導作用。本文主要從實際應用角度出發(fā)，研究熱帶海洋島礁這一特定大氣環(huán)境對飛機環(huán)境適應性的影響，并結(jié)合熱帶島礁環(huán)境腐蝕現(xiàn)場暴露試驗，提出增強飛機熱帶島礁環(huán)境適應性能力建議，為保障飛機在熱帶島礁的安全、長效使用奠定基礎(chǔ)。

1 熱帶島礁大氣環(huán)境特點分析

為分析熱帶島礁環(huán)境特點，本文以某熱帶島礁（以下簡稱A島礁）為例進行說明。

1.1 終年高溫高濕

A島礁接近赤道，接受太陽輻射的熱量較多，氣溫高、濕度大，島礁戶外月均溫度、月均相對濕度如圖1、圖2所示。由圖1、圖2可知，該年度全年溫度處于較高水平，且溫差較小，月平均溫度為28℃，屬于高溫狀態(tài)。全年相對濕度均處于較高水平，月均相對濕度處于70%以上，屬于高濕狀態(tài)，月均最大相對濕度在7～9月份達到最高水平，相對濕度值可達到99%。

圖1 A島礁月均、最高、最低溫度曲線圖Fig.1 The prediction results of plastic strain-saturation stress test and constitutive model

圖2 A島礁月均相對濕度曲線圖Fig.2 Monthly average relative humidity curve diagram of A island

1.2 日照時間長、強度高

A島礁海域緯度較低，屬于典型的強日照環(huán)境，日照時數(shù)、日照總輻射量值如圖3所示。由圖3可知，該島月最低日照時數(shù)為132.2小時（12月份）、月最低總輻射量為364 MJ/m2（12月份），月最高日照時數(shù)為310.7小時（5月份）、月最高總輻射量為744MJ/m2（5月份），月平均日照時數(shù)為222.0小時、月平均總輻射量為557.8MJ/m2。從以上數(shù)據(jù)可以看出，該島地區(qū)屬于高輻照狀態(tài)。

圖3 A島礁日照時數(shù)、總輻射量曲線圖Fig.3 Sunshine hours and total radiation of A island

1.3 雨量充沛

A島礁有豐富的水汽來源，全年降水充沛，潤濕時間較長（相對濕度超過80%的時間）。該島月降雨日數(shù)、降雨量如圖4所示。由圖4可知，該地區(qū)降雨量在6～10月份達到較高水平，月累積最高降雨量可達500mm。

圖4 A島礁月降雨日數(shù)、月降雨量曲線圖Fig.4 Monthly rainfall days and monthly rainfall on A island

1.4 大氣鹽霧含量高

A島礁海域全年風大浪高，且島礁面積較小、地形低矮平坦，導致全島空氣中的鹽霧含量始終保持在較高水平，該島戶外、棚下、庫房氯離子（Cl-）含量如圖5所示。由圖5可知，A島礁地區(qū)大氣鹽霧含量高。

圖5 A島礁戶外、棚下、庫房氯離子含量月分布Fig.5 Monthly distribution of chloride ion content outside, under shed and room of A island

1.5 化學污染物含量較低

A島礁地區(qū)SO2、NO2、雨水pH值含量如圖6所示。由圖6可知，A島礁化學污染物含量較低，雨水pH值接近中性（空白月份表示無雨或單次雨量太少無法收集），由化學污染物引起的腐蝕效應相對較輕。

圖6 A島礁戶外SO2、NO2含量及雨水pH值Fig.6 Outdoor SO2 and NO2 content and rainwater pH value

2 熱帶島礁環(huán)境對飛機環(huán)境適應性影響分析

2.1 熱帶島礁環(huán)境下金屬腐蝕機理分析

熱帶島礁環(huán)境，常年高溫高濕，Cl-含量高，鋼材在該環(huán)境中的腐蝕機理如圖7所示。該過程主要包括兩個階段，Cl-附著在鋼材表面時，在溫度和濕度環(huán)境作用下，會促進薄液膜的形成，進而促使腐蝕的電化學反應發(fā)生。在第一階段，鋼材基體Fe發(fā)生陽極溶解，陰極發(fā)生吸氧反應并生成Fe(OH)2，F(xiàn)e(OH)2附著在鋼材表面形成一層不穩(wěn)定的腐蝕產(chǎn)物膜；第二階段，F(xiàn)e(OH)2被進一步緩慢氧化，形成α-FeOOH和γ-FeOOH，同時Cl-發(fā)揮作用，生成γ-Fe2O3。隨著腐蝕的進行，γ-FeOOH會轉(zhuǎn)化為α-FeOOH、Fe3O4和β-FeOOH，β-FeOOH使Cl-通過銹層抵達鋼材表面，進一步促進腐蝕。

圖7 鋼材的熱帶島礁環(huán)境腐蝕機理Fig.7 Steel environmental corrosion mechanism of tropical islands

由上述鋼材腐蝕機理可以看出，金屬的腐蝕速率與大氣環(huán)境密切相關(guān)。根據(jù)大量腐蝕試驗數(shù)據(jù)，Klinesmith提出了考慮大氣環(huán)境的鋼年均腐蝕速率計算方法[10]，如式（1）所示

式中，r為碳鋼年均腐蝕速率；TOW為碳鋼構(gòu)件處于潮濕的時間，小時/年；KS為SO2濃度，μg/m3；Kl為Cl-沉積速率，mg/(m2·d)；T為碳鋼表面濕潤時的年平均溫度，℃。由式（1）可以看出，碳鋼的腐蝕速率隨著所處大氣環(huán)境中的濕度、溫度、SO2濃度以及Cl-沉積速率的增大而增大。

2.2 各環(huán)境因素單獨作用對飛機的影響

2.2.1 溫度

溫度是影響飛機腐蝕/老化的重要因素，它是通過溫差影響金屬表面水蒸氣的凝聚和液膜中氣體及鹽類的溶解度進而影響腐蝕的進程。溫度升高會加快腐蝕介質(zhì)與機體之間的反應速率，增加腐蝕/老化總量。溫度也會影響表面水膜的凝露與蒸發(fā)，溫度變化引起的冷熱膨脹應力會對涂層、復合材料產(chǎn)生一定影響。同時，微生物的生長狀態(tài)也與溫度值密切相關(guān)。根據(jù)范特霍夫規(guī)則[11]，在反應溫度不是很高時，溫度每上升10℃，反應速率提高2～4倍。因此，整體而言飛機的腐蝕速率隨著溫度的升高而增大。

2.2.2 濕度

飛機大氣腐蝕是一種電化學腐蝕，電化學腐蝕的先決條件是要有連續(xù)電解質(zhì)液膜的存在，如圖7所示，只有在電解質(zhì)溶液中，陽極金屬失去的電荷才能遷移到陰極金屬表面，電荷在電解質(zhì)溶液中遷移并伴隨物質(zhì)交換的過程即為飛機大氣腐蝕的基本過程。飛機結(jié)構(gòu)及部附件在干燥空氣中不會發(fā)生電化學腐蝕，只有當空氣相對濕度達到一定量值，能夠在基材表面形成連續(xù)液膜時才會有電化學腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。一般而言，腐蝕速率會隨著空氣中相對濕度的增大而增大。臨界相對濕度是指金屬在大氣環(huán)境下腐蝕速率出現(xiàn)陡升時的大氣相對濕度值，超過這一臨界值腐蝕速率就會極速上升。不同的金屬種類，其臨界值各不相同，常用的鋼鐵、鋅、銅等金屬的臨界濕度在50%-70%之間[12]。

2.2.3 日照

日照時數(shù)和日照強度決定了飛機承受太陽輻射的量值。太陽輻射對飛機表面高分子涂層和復合材料老化有重要影響。對于高分子材料，太陽輻射量值越高，材料老化速率越快。對于金屬材料，太陽輻射量值越高，金屬表面薄液膜蒸發(fā)速率越快，金屬腐蝕總量越低。此外，太陽輻射的熱效應還會影響飛機表面溫度和溫變速率，當金屬溫度下降速率高于大氣降溫率時，會引發(fā)一定的環(huán)境效應，如凝露、熱漲冷縮等。

2.2.4 降雨

降雨對飛機使用壽命的影響較為復雜，主要體現(xiàn)在兩方面：一是降雨會直接在飛機表面形成連續(xù)液膜，影響飛機電化學腐蝕，并在隨后時間內(nèi)增大空氣相對濕度，增加金屬表面潤濕時間，增大腐蝕總量。二是降雨會對飛機表面起到?jīng)_刷作用，沖掉結(jié)構(gòu)表面沉積的腐蝕性介質(zhì)和灰塵，降低介質(zhì)濃度，減緩腐蝕。同時降雨也會沖掉腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物的剝離將會導致裸露新鮮金屬增加，一般會加速飛機的腐蝕。

2.2.5 鹽霧

受海浪、潮汐、大風等因素的影響，海洋大氣中含有較多的鹽霧顆粒和鹽霧液滴，Cl-含量高。由圖7可知，Cl-易潮解溶于薄液膜中，起到導電介質(zhì)的作用，從而增強薄液膜的導電性，加之Cl-具有很強的侵蝕性與滲透性，能夠破壞金屬表面形成的保護膜，從而更容易滲透到基體表面。因此Cl-濃度越高，腐蝕初期材料的腐蝕速率也就越高。另外，鹽霧顆粒也會導致機械部件和組件活動部分阻塞或粘接，由電解作用導致漆層起泡。

2.2.6 生物因素

A島礁溫濕度全年均處于較高水平，且溫差較小，屬于高溫高濕狀態(tài)。微生物在此種環(huán)境下極易生長繁殖，并產(chǎn)生破壞性作用[13]。霉菌生長會改變飛機的物理性能，因而影響飛機的功能或使用，其主要作用包括：1）對材料的直接侵蝕：不抗霉材料（如皮革、天然紡織品）容易被霉菌分解并作為食物而直接受到破壞；2）對材料的間接侵蝕：霉菌能夠損壞底材，甚至可能通過底材直接侵蝕抗霉材料；由霉菌分泌代謝的產(chǎn)物（有機酸）會腐蝕金屬、蝕刻玻璃、引起塑料或其他材料的發(fā)暗或降解；3）可能出現(xiàn)的物理影響：直接或間接侵蝕均可導致電氣或電子系統(tǒng)損壞（霉菌生長能越過絕緣材料形成不希望有的電氣通路）；長霉能影響光線通過光學系統(tǒng)的傳輸，阻塞精密活動件，將不潮濕表面變?yōu)槌睗癖砻妗?/p>

2.3 各環(huán)境因素組合作用對飛機的影響

熱帶島礁高溫、高濕、強日照、高鹽霧的環(huán)境因素并不單獨存在，飛機在熱帶島礁實際使用過程中，環(huán)境損傷是多種環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，各環(huán)境因素同時或部分同時作用在飛機上，且處在不斷地變化之中。這種綜合環(huán)境影響效應很難通過簡化手段進行分析，需要盡可能針對各因素特點進行綜合或組合考慮，各大氣環(huán)境因素組合效應如表1所示。

表1 大氣環(huán)境因素組合作用對飛機島礁環(huán)境適應性影響Table 1 The combination of atmospheric environmental factors influences on the environmental adaptability of aircraft on islands

3 熱帶島礁環(huán)境對飛機環(huán)境適應性影響分析

為驗證熱帶島礁各大氣環(huán)境因素組合作用對飛機島礁環(huán)境適應性的影響，本文選取某型飛機平尾軸某高強鋼及其防護體系在A島礁進行試驗，主要針對高溫、高濕、高鹽及日照雨淋等環(huán)境應力。試驗采用戶外、棚下、室內(nèi)三種方式。戶外樣件直接承受外界大氣環(huán)境因素侵蝕作用，如日照、降雨、風吹、鹽霧等；棚下試驗采用百葉窗結(jié)構(gòu)，避免樣件受太陽直射和降雨作用，可通風透氣；室內(nèi)試驗門窗封閉，樣件不受太陽直射、降雨、風吹等作用。在A島礁試驗2年，結(jié)果如圖8所示。

圖8 某材料2年A島礁自然環(huán)境試驗Fig.8 The natural environment test of the material on island for two years

從圖8（b）（c）中可以看出，戶外涂層經(jīng)2年試驗后基本保持完好，未發(fā)現(xiàn)明顯開裂、起泡、長霉、剝落、生銹、粉化現(xiàn)象，但涂層顏色和光澤與圖8（a）試驗前相比發(fā)生了明顯變化。經(jīng)儀器測試，戶外涂層光澤度值為52.6，光澤度等級為4級，屬于較大失光；色差值為6.1，色差等級為3級，屬于明顯變色，綜合老化性能等級為2級。從圖8（d）（e）（f）中可以看出，棚下涂層經(jīng)2年試驗后外觀形貌基本完好，但在局部位置有輕微涂層鼓泡現(xiàn)象，涂層光澤度值為27.4，光澤度等級為2級，屬于輕微失光；色差值為4.1，色差等級為2級，屬于輕微變色，綜合老化性能等級為1級。從圖8（g）（h）（i）中可以看出，室內(nèi)涂層經(jīng)2年試驗后有明顯鼓泡，與棚下涂層鼓泡相比，室內(nèi)涂層鼓泡形態(tài)相對較小但數(shù)量較多、面積較大，主要在兩個局部位置上密集分布，基體金屬無紅銹，涂層光澤度值為26.2，光澤度等級為2級，屬于輕微失光；色差值為4.3，色差等級為2級，屬于輕微變色，綜合老化性能等級為1級。從試驗結(jié)果可知，熱帶島礁環(huán)境確實對樣件及涂層具有較強的腐蝕和老化作用，且樣件損傷程度戶外＞棚下＞室內(nèi)。這是由于戶外樣件直接暴露在惡劣海洋大氣中，遭受高濕熱、高鹽霧和日曬雨水的直接作用（鹽霧環(huán)境最為嚴酷），而室內(nèi)樣件不受太陽直射、降雨、風吹等作用，受不利環(huán)境因素影響較小。因此，按綜合環(huán)境嚴酷水平劃分，戶外環(huán)境條件劣于棚下環(huán)境、棚下環(huán)境劣于室內(nèi)環(huán)境，這是從綜合環(huán)境影響效應角度出發(fā)得出的結(jié)論，適用于海洋大氣環(huán)境下絕大部分裸金屬材料。另外，從試驗結(jié)果也可以看出，涂層在室內(nèi)同樣會發(fā)生腐蝕和老化。這是由于室內(nèi)環(huán)境相對封閉、空氣不流通，樣件雖不受太陽直射、降雨、風吹等外部環(huán)境因素直接作用，但更多受到的是濕度的影響，相對濕度及表面潤濕時間的差異是導致涂層出現(xiàn)不同損傷的關(guān)鍵因素。圖9為A島礁戶外、棚下、室內(nèi)月平均相對濕度對比圖。

圖9 A島礁戶外、棚下、室內(nèi)月平均相對濕度Fig.9 Average monthly relative humidity of outdoor, under-shed and indoor on A island

從圖9可以看出室內(nèi)月平均相對濕度值最高。室內(nèi)在一定程度上可以看作放大的封閉結(jié)構(gòu)。封閉結(jié)構(gòu)（如腔體）通常會由于“呼吸效應”產(chǎn)生凝露或積水[14]。一般來說，當外界溫度發(fā)生較快變化時（例如中午-黃昏-夜晚），室內(nèi)溫度變化速率與外界不一致，存在一定溫度差，溫度差會導致室內(nèi)外形成一定壓力差。封閉結(jié)構(gòu)在白天由于受到日曬而增加壓力“呼出”氣體，夜晚氣溫下降“吸入”濕氣，如此循環(huán)往復會導致封閉結(jié)構(gòu)（室內(nèi)）不斷產(chǎn)生水汽凝露并積水，長期作用就會導致涂層出現(xiàn)較為嚴重的腐蝕失效。同時，室內(nèi)樣件不受日照、風等影響液膜蒸發(fā)速率因素的直接作用，涂層表面長期處于潤濕狀態(tài)，濕氣易滲入涂層引發(fā)滲透壓鼓泡。但是，雖然室內(nèi)樣件涂層完整性受到了影響，起泡較多，但室內(nèi)鹽霧含量低，因此底材金屬不易腐蝕，表面無明顯紅銹。

4 增強飛機熱帶島礁環(huán)境適應性能力建議

基于上述理論和試驗分析，可以從結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計、地面停放防護、飛機清洗及緩蝕、快速腐蝕修理等方面增強飛機熱帶島礁環(huán)境適應性能力。

4.1 優(yōu)化飛機結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計

結(jié)構(gòu)形式是影響飛機熱帶島礁環(huán)境適應性的重要因素。做好飛機開放結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，可有效降低熱帶島礁大氣環(huán)境組合作用的不利影響。

4.1.1 開放結(jié)構(gòu)

暴露在外的機身、機翼、尾翼外表面等飛機結(jié)構(gòu)，可看作開放結(jié)構(gòu)，通常要承受外部環(huán)境應力的直接作用，如日照、降雨、風吹等（相當于試驗中的戶外環(huán)境）。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，開放結(jié)構(gòu)應盡量避免積水，合理消除溝槽、縫隙等，以防止液體、灰塵、鹽霧的滯留，并在幾何形狀方面簡單設(shè)計，過渡光滑合理，盡量避免由于結(jié)構(gòu)因素而導致的應力集中、溫度集中、不利于檢查維護等問題。

4.1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

與外部環(huán)境相對隔離的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如機身內(nèi)表面、腔體等可看作內(nèi)部結(jié)構(gòu)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)受外部環(huán)境應力影響相對較小，不直接承受外部太陽輻射作用，同時由于隔離效應，內(nèi)部結(jié)構(gòu)所處環(huán)境鹽霧及其它外部化學介質(zhì)的含量也相對較小（相當于試驗中的室內(nèi)環(huán)境）。但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常會由于“呼吸效應”導致相對濕度較高。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，應加強飛機空調(diào)系統(tǒng)和通風設(shè)計。對于部分安全關(guān)鍵和任務關(guān)鍵部件內(nèi)部，可以采用密封、充氮等保護。對于有條件使用空調(diào)通風保護的，可以在平時停放防護基礎(chǔ)上，注意加強工作時的空調(diào)通風，防止水分凝結(jié)。對于不能采用密封設(shè)計或者不需要密封設(shè)計的結(jié)構(gòu)，應該有科學合理的排水設(shè)計。

4.2 加強飛機地面停放期間的環(huán)境防護

從熱帶島礁環(huán)境對飛機環(huán)境適應性影響的分析可以看出，熱帶島礁環(huán)境與內(nèi)陸環(huán)境的主要區(qū)別在于地面和低空強烈的高溫、高濕和高鹽等腐蝕環(huán)境以及低緯度地區(qū)長時間的日照輻射環(huán)境，而飛機起飛后的環(huán)境則和內(nèi)陸地區(qū)相似。為此，加強飛機地面停放期間的環(huán)境防護，可以有效減少熱帶島礁環(huán)境對飛機的損害。飛機在熱帶島礁機場執(zhí)行任務期間，應盡可能停放在半封閉的機棚或者全封閉的機庫，避免太陽輻射、風速降雨、鹽霧等因素對機體材料的影響。同時為了減小濕度對機體的影響，應合理控制機庫濕度，防止水分凝結(jié)，減少飛機在壽命周期內(nèi)的損傷總量。

4.3 加強飛機清洗及緩蝕等方法的運用

加強飛機清洗，可有效提高飛機抵御熱帶島礁環(huán)境腐蝕的能力。大量航空實踐表明，飛機和發(fā)動機清洗可有效抵御污染顆粒，如珊瑚砂、高鹽空氣析出的鹽分等對機體結(jié)構(gòu)和發(fā)動機等設(shè)備的侵蝕。緩釋劑能明顯改善航空高強鋼和高強鋁合金的抗氯離子侵蝕能力。采用不同成分的脫水防銹劑作為飛機發(fā)動機清洗后的防銹措施，可分別解決熱帶島礁駐訓期間的發(fā)動機短期防腐和長期防腐問題。

4.4 研究和應用快速腐蝕修理技術(shù)防止腐蝕加速

在熱帶島礁環(huán)境下，當防護措施出現(xiàn)破損后，腐蝕損傷往往會加速。因此，駐島飛機在出現(xiàn)腐蝕損傷后就需要及時采取適宜的維修措施來對損傷進行修復，以保持機體及部附件原有防護功能和強度。腐蝕修理的手段包括整形、打磨、鉆孔、補強、膠接、焊接、更換、密封等。在外場保障實踐中，應及時監(jiān)測和判斷損傷程度，針對損傷程度采取合適修理手段。當損傷程度輕微時，需清潔除蝕、防蝕處理及合適的涂層噴涂工作。如當出現(xiàn)輕度腐蝕時，如腐蝕深度/厚度小于原結(jié)構(gòu)厚度的10%，損傷不影響強度、剛度和使用功能時，采用“表面襯補法”修理。當出現(xiàn)中度腐蝕，即腐蝕深度/厚度達到原結(jié)構(gòu)厚度的10%～20%，通過 補強片加強可恢復其原始強度時，采用“鑲嵌法”修理。如果出現(xiàn)嚴重腐蝕，腐蝕深度/厚度超出原結(jié)構(gòu)厚度的20%，應及時換件修理。