舰载直升机环境条件确定方法探讨

张令波 程丛高

（1．海军装备部飞机办，北京 100071；2.中航工业综合技术研究所，北京 100028）

舰载直升机与陆基直升机相比，部署地点由陆地转移到海面舰船上，作战区域也由基于陆地的空域转移到以海上空域为主，实际使用过程中，所遇到的环境将随之发生很大的变化。例如，舰载直升机长期停放在航空母舰甲板上和机库内，随母舰在海洋区域内驻留和游弋，面临的主要环境为海洋性环境。海洋以及沿海地区高温、湿热、盐雾等恶劣多变的气候环境将对直升机上所用的各种金属、非金属材料、复合材料产生严重的腐蚀作用。另外，舰载平台诱发的海浪拍击、倾斜摇摆等环境也会对其产生不同程度的影响。因此，为提高舰载直升机的环境适应性，确保其作战效能的发挥，首要任务就在于准确地确定舰载直升机不同于陆基直升机的特殊环境条件。本文将对舰载直升机面临的特殊环境进行简要分析，并对舰载直升机环境条件确定方法进行探讨。

1 舰载直升机特殊环境分析

舰载直升机由于其特殊的部署位置，使得它停放、起飞和降落所经受的环境条件与陆基直升机有很大的不同。下面将简要分析舰载直升机在其寿命期内经受的特殊气候环境（含生化环境）和机械环境。

1.1 气候环境分析

舰载直升机在其寿命期内绝大部分时间都停放在母舰的甲板上，将会受到海洋性气候环境和诱发环境的严酷影响。主要影响因素包括温度、湿度、盐雾、淋雨、海水的喷溅、积冰、酸性大气、流体污染和霉菌生长，其中最突出影响的有高温、高湿和高盐雾。

1.1.1 高温环境

东南沿海地区进入夏季一般气温都维持在30℃以上，最高可达40℃左右。母舰甲板上的太阳辐射会造成其上部署的直升机内部温度超过外界空气温度，根据GJB 150.3A–2009《军用装备实验室环境试验方法 高温试验》，当母舰航行在南海时，在其直升机内部诱发的温度最高可达63℃，如表1所示。长时间高温天气将对舰载直升机上的发动机、设备、及设备上所用的元器件造成破坏。另外，高温也会加快金属和非金属的腐蚀，特别是加速其表面涂层的老化。

表1 高温日循环值

1.1.2 高湿环境

在甲板上部署的舰载直升机内部由于诱发高温，会把封闭空间内空气的含水量提高到外界环境条件以上，特别是部署在湿热的热带地区的时候。加上没有通风，太阳辐射和外界环境温度的昼夜变化，诱发机舱内外产生压差，从外界大气吸入并截留潮气。在白天温度高（包括太阳辐射的间接加热效应）、夜间温度低的地方，这种现象尤为突出。潮气的逐渐积累能够导致机舱内湿度增大，露点温度升高，当昼夜循环至较低温度时极易出现饱和发生凝露现象。因此，机舱内的相对湿度经常可达到100%。高湿度环境会由于凝露造成设备内部积水，极易引起电路短路，还会引起材料腐蚀、表面有机涂层和无机涂层的化学或电化学破坏等。

1.1.3 盐雾环境

部署在甲板上的舰载直升机除极易受到由海水喷溅形成的极为苛刻的盐雾环境影响外（我国各海区的盐雾沉降量如表2所示），还会受到航母烟囱排放的含SO2气体的影响。据美国某航空协会验证，停放在母舰甲板上的飞机表面聚积的湿气中含有SO42-，最高达到33%，并具有较低的PH值（约为2.4～4.0），呈现明显的酸性盐雾特征，见表3。

通过现场调研和试验发现，强酸性盐雾环境极易导致电化学腐蚀。另外，盐的沉积也会导致机械部件和组件活动部分阻塞或卡滞现象。

1.1.4 积冰环境

在低温地带，甲板上的舰载直升机容易受到海水喷溅或盐雾积水形成的积冰的影响。母舰和波浪运动的相互作用产生的海水喷溅、母舰的航速以及相对于盛行风的航向，能够影响成冰的厚度和样式。据相关报道，在极其低温作业的舰船上，积冰速率可达到40mm/h。冰易导致活动件冻结、增加雷达天线和气动控制面重量、降低气动升高和控制表面的效能等。

表2 我国各海区盐雾沉降量

表3 航母排放烟尘分析

1.1.5 流体污染环境

舰载直升机可能还会不时受到母舰使用、维修保养中用到的、或者母舰上车辆、飞机、货物排出的各种液体和化合物的污染。污染的原因可能是喷溅、容器的渗漏和破裂等不慎引起的；或者是有意的，如清洗、除冰后的残留液或使用的灭火器。流体污染环境易改变直升机上所用材料的物理性质而损害设备性能，如使塑料与橡胶出现开裂和膨胀、加速金属腐蚀等。

1.1.6 霉菌生长

霉菌生长最适宜环境通常为温暖潮湿环境。一般情况下，在高相对湿度（90%～100%）环境中，霉菌孢子能够在5℃～50℃的温度范围内均能较快生长。舰载直升机不通风的机舱内极易诱发有利于霉菌生长的温度和湿度条件。霉菌在直升机电子设备的面板、仪器仪表、通信器材等表面生长，将产生霉变和腐蚀，造成其性能劣化、元器件失效、结构破坏、部件失灵、功能丧失等故障。

1.2 机械环境分析

舰载直升机所经受机械环境最大的不同来自于它停放和起飞、降落的平台——即海面舰船，该舰船自身在海面上运动，其自身的机械运动和海浪作用均会诱发出特殊的机械环境。

1.2.1 浪拍

波浪撞击船体的效应，即浪拍，能够引起冲击载荷。

1.2.2 拍击海面

拍击海面是指在母舰驶入波涛汹涌的海面时，其本身比较平坦的船底以较高的速度拍打海面而发生的局部现象。拍击海面引起的瞬时加速度在母舰上能够达到1g。在较小的舰船上，如在扫雷舰上，曾经记录到5g的瞬时加速度。

1.2.3 母舰运动

海水和风的作用能够造成横滚、纵摇、偏航等低频（周期为几秒）周期性运动。这些运动近似于简谐运动，其固有周期取决于母舰的特性。

另外，舰船上的机械装置包括发电机、变压器、推进发动机、齿轮箱、旋转轴和螺旋桨等，它们的运行将诱发出舰船振动，对其上安装的装备将产生影响。

上述机械环境对直升机机体及其机载设备的结构均会造成不利影响，在确定舰载直升机环境条件时，均需对此加以考虑。

2 环境条件确定方法

2.1 环境因素考虑

通过对舰载直升机特殊环境分析可知，在确定舰载直升机实际使用环境时，除需考虑常遇到的温度、温度-高度、振动、冲击、加速度、湿热、霉菌、盐雾、淋雨、太阳辐射等环境外，在气候环境方面，还应考虑：积冰，酸性大气，流体污染。

另外，在确定机械环境因素时，还应考虑：浪拍、拍击海面、母舰运动等。

2.2 环境条件的确定

在确定了上述环境因素以后，下面的工作就是针对每一环境因素，确定其环境条件。

2.2.1 气候环境条件的确定

气候环境是装备寿命期必然遇到的最基本环境。在一些情况下，气候环境因素直接作用于装备（产品）上，此时气候环境极值就可以作为确定其对应环境适应性要求的唯一依据。例如设备遇到的温度、湿度、低气压、太阳辐射、风、雪、淋雨、砂尘、盐雾等环境。

气候环境随时间和地点的不同会发生显著变化，短期采集得到的气候环境数据根本无法代表装备全寿命期气候环境，也难以从中得到全寿命期气候环境极值数据，因此，为确定气候环境条件，一般不开展气候环境数据采集工作，而是从相关气候环境极值标准中收集气候环境极值数据，并据此确定环境条件。

常用的气候环境极值标准包括：

MIL–HDBK–310 Global Climatic Data for Developing Military Products。

AR 70–38 Research, Development, Test and Evaluation of Materiel for Extreme Climatic Conditions。

AMCP 706–116 Engineering Design Handbook,Environmental Series, Part 2, Natural Environmental Factors, DTIC Accession Number ADA012648。

Krause, P.F.and K.L.Flood.1997.Weather and Climate Extremes (Technical Report TEC-0099).Alexandria, VA: U.S.Army Topographic Engineering Center; Topographic Engineering Center Website。

GJB 1172–1991《军用设备气候极值》。

GB 4797《电工电子产品自然环境条件》。

对于舰载直升机，还需考虑海洋气候环境相关标准，主要包括：

GJB 440.1–1988《舰船设备环境参数分类及其严酷等级 气候、生物、化学活性物质和机械作用物质》。

GJB 1060.2–1991《舰船环境条件要求 气候环境》。

GJB 1446.50–1992《舰船系统界面要求 气候环境》。

GJB 3617.1–1999《军用设备海洋气候、水文极值》。

在分析舰载直升机寿命期将遇到的气候环境条件时，应根据其主要作战海域和空域进行分析，针对环境分析和环境影响分析得到的具体环境因素，查阅相关环境极值标准，确定其气候环境条件，并据此进行环境条件的确定。

2.2.2 机械环境条件的确定

机械环境是装备运动诱发产生的环境，一般包括振动、冲击、加速度、噪声等全部动力学环境。由于这类环境随载机平台不同而不同，对于每个装备平台来，可以说都是独一无二的，没有哪个标准和规范能直接给出具体的环境数据，因此，为在舰载直升机研制早期更为准确地确定其机械环境条件，通常需要收集相似直升机的机械环境数据，在必要时可能需要安排相似直升机环境数据采集工作，以获得充足的机械环境数据。

在获得相似直升机平台环境数据以后，必须对数据进行统计分析，获得各种实测环境条件，下面以振动为例，介绍实测振动数据处理方法。

早期进行振动环境数据归纳时，常使用HB/Z87–1984《直升机飞行振动环境测量数据的归纳方法》和GB 10593.3–1990《电工电子产品环境参数测量方法 振动数据处理和归纳方法》，这两个标准采用的是极值包络法（或是有一定风险率的极值包络法），没有根据数据样本数量和数据分布特性进行统计处理（按一定的置信度和数据包络的百分位点来统计环境数据），难以确定有统计意义的环境条件。当前在归纳振动环境条件时，使用的是GJB/Z 126–1999《振动、冲击环境测量数据统计归纳方法》提出的统计容差上限方法。根据该标准规定，采用P99/90振动谱作为给定，其分析流程如图1所示。

图1 实测振动数据处理方法流程

应该注意的是，直升机使用振动由直升机主旋翼、尾桨、传动机构等旋转部件的运动、空气动力和发动机噪声共同诱发，其环境特性呈现正弦叠加随机特性，其振动测量数据包括了正弦分量和随机分量，因此，在对实测数据进行统计归纳前，首先应将振动数据中的正弦分量与随机分量进行分离，然后对相同状态下的正弦分量和随机分量分别进行归纳，从而得到所需的振动环境条件。

3 环境试验条件确定示例

下面以盐雾环境为例，确定某型舰载直升机盐雾环境试验条件。

根据2.2.1条，盐雾环境属于气候环境，应查阅国内外相关的气候环境标准，并根据舰载直升机实际使用区域和特点，确定其盐雾环境试验条件。

目前，国内现有盐雾环境试验标准包括：GJB 150.11A–2009《军用装备实验室环境试验方法 盐雾试验》、GJB 4.11–1983《舰载电子设备环境试验盐雾试验》，GJB 360.2–1987《电子及电气元件试验方法》，GB 2423.18–1985《电工电子产品环境试验规程 试验Kb：交变试验方法（氯化钠溶液）交变盐雾》。各标准规定的盐雾环境试验条件如表4所示，由表4可见，国内盐雾环境试验标准均为中性盐雾试验。

表4 国内各标准盐雾环境试验条件对比

其中，GB 2423.18–1985严酷等级1和2适用于试验在海洋环境或近海地区使用的产品。严酷等级1适用于试验在大部使用寿命期间暴露于这种环境的产品（如船用雷达、甲板设备）；严酷等级2适用于试验可能经常暴露于海洋环境，但通常会受封闭物保护的产品（如通常在船桥或在控制室内使用的航海设备）。

然而，由于航母烟囱释放的烟中含有大量二氧化硫，因此，舰载直升机周围的气候环境往往呈酸性。例如，Ketcham报告中（NADC77252-30）指出在4艘不同的航母飞行甲板上停放的飞机蒙皮上水气的PH值变化范围为：2.4～4.0。美国海军航空发展中心（NADC）对海军飞机材料的试验室加速腐蚀试验做了大量的试验研究及验证，并形成了较成熟的海军飞机盐雾环境试验方法（参考NADC81174-60）。参考NADC81174-60，舰载直升机盐雾环境试验条件可确定为：

试验温度：49℃～52℃；

盐溶液：1份ASTM D1141规定的溶液兑入10份蒸馏水；

按ASTM B117标准喷雾，共4个循环，每循环为6h，其中5h连续喷盐雾溶液，1h停止。在喷盐雾结束前15min喷入SO2，喷盐雾结束后持续喷SO215min，SO2喷入速率为1.0±0.2cm3/min/ft3。

4 结论

舰载直升机环境条件确定得是否科学合理，直接关系到其研制难度、进度、成本以及维护和维修。在确定其环境条件时，首先应对其实际使用的复杂环境进行分析，结合舰载直升机结构特点、任务特点和寿命期环境剖面，分析其对直升机的影响，其次，结合相关标准规范给出极值数据、相似直升机平台环境测量数据，分析确定其环境条件。最后，还必须加强环境数据的收集和采集工作，尤其是对舰载直升机平台的环境数据的测量和收集，建立其环境数据库。这不仅可为舰载直升机环境条件的合理确定提供依据，而且也可为其环境适应性要求的验证起到非常重要的作用。

图2 不同试验严酷等级试验持续时间

[1] 张彩先，杨小河，周绍华等.东南沿海环境因素对直升机的影响研究[J].装备环境工程，2010，7（6）：126-127.

[2] GB/T 4797 电工电子产品自然环境条件[S].

[3] Ketcham S.J.Accelerated LaboratoryCorrosion Test for Materials and Finishes Used in Naval Aircraft [R].Naval Air Systems Command Report NADC-77252-3, of 14 Sep 1977.

[4] Morris A.W.Corrosion Control Test Method for Avionic Components[R].Naval Air Development Center Report NADC-81174-60, of 25 Sep 1981.