某发动机点火系统近海区域环境适应性分析及改进措施

王 锐，程 翔，黄少波，刘世东

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳，471009）

随着我国航母编队、舰载机的研制进展，为保证舰载机的战斗力，空空导弹也面临上舰需求。点火系统是发动机的重要组成部分，在海洋环境下需要具有正常的贮存寿命和良好的海洋环境适应性[1]。恶劣的海洋环境会导致产品的电气性能下降、机械强度降低，严重时会导致产品的功能失效[2]。美国空军总部对沿海基地使用的产品进行故障调查与分析，结果表明：17%的故障产品是由潮湿、盐雾、霉菌引起的[3]；2008年，美军一架价值20亿美元的B-2“幽灵”隐身战略轰炸机因传感器受潮失灵，在关岛海军基地坠毁[4]。有资料显示：同一装备，在实验室条件下使用，若单位时间内出现的故障数为1次，野外地面上2次，舰载使用为10次[5]。

某空空导弹的环境适应性设计主要基于大陆机场环境，在沿海地区战训及贮存中点火系统暴露出表面锈蚀、接触电阻增大等一系列问题。本文从密封措施、材料选取和表面处理方式等方面进行了适应性分析，并采取了针对性的改进措施，以提升点火系统在海洋环境的环境适应性。

1 点火系统概述

点火系统位于发动机舱与战斗部舱对接形成的空间内，包括电点火具、接触杆组合、延期点火插座、短路插座、延期点火支架等。接触杆组合一端通过接线片与电点火具连接，另一端安装在发动机吊挂上，并与导轨发射架的点火触头相接触，用于进行导弹的导轨式发射，接触杆组合与发动机之间无密封。

延期点火插座安装在延期点火支架上，位于发动机底部，一端与电点火具连接，另一端与整流罩内的点火插头对接，用于进行导弹的弹射式发射；延期点火支架与发动机之间通过密封圈实现有效密封，延期点火插座与延期点火支架之间通过硅橡胶涂抹实现有效密封。

短路插座安装在发动机上，与发动机之间通过密封圈实现有效密封；通过对电点火具的短路插孔进行短路，实现火工品的短路保护。点火系统的零部件所用的材料与表面处理见表1。

表1 点火系统各零部件材料及表面处理Tab.1 Material and surface treatment of ignition system parts

2 锈蚀现象与理化分析

导弹在近海地区长期贮存后检查发现：点火系统的接触杆组合触点发生锈蚀，见图1(a)，测试结果表明点火电阻超差，电阻测量约5Ω(正常值0.5Ω)；电点火具及延期点火支架表面附有白色粉末，见图1(b)、1(c)。

图1 锈蚀现象Fig.1 Corrosion phenomenon

采用Quanta650FEG场发射环境扫描电子显微镜对电点火具上的白色粉末及接触杆组合镀层锈蚀进行分析，前者成分为ZnO，后者成分为Ag2S，且后者经100倍放大的电镜图见图2，其成分分析见表2。

图2 接触杆组合镀层电镜分析Fig.2 SEM analysis of contact combination layer

表2 接触杆组合镀层成分组成Tab.2 Component of contact combination layer

3 环境适应性分析

在近海环境中对武器装备危害最为严重的主要是潮湿、盐雾、霉菌引起的腐蚀，潮湿、盐雾、霉菌等环境都离不开湿度，因此环境适应性设计中最主要的是防潮、密封。正确、合理地选用材料是环境适应性设计的基础；表面处理方式可以使金属基体与周围介质隔离开来，从而达到防护的目的，目前表面处理的主要措施有镀、涂，其中镀是基础，涂起增强作用[6]。

3.1 密封分析

接触杆组合与发动机壳体之间无密封措施，会导致漏气、漏水。

3.2 材料分析

接触杆组合材料45钢属于碳素结构钢，耐蚀性能不好，在湿热气候又有海洋性影响的环境下将产生极高的腐蚀性。电点火具、标准件的金属基体30Cr MnSiA属于合金结构钢，其中的Cr、Si在钢表面生成致密的稳定化锈层，可显著提高其耐大气腐蚀性能。

接线片、插针/插孔的金属基体H62是以锌为主要合金元素的普通黄铜，H62在含有氢、硫化氢或酸雾的潮湿大气中易于出现脱锌腐蚀的现象，即合金表面的Zn从铜表面优先溶解，在脱锌前沿被选择性侵蚀，前沿不断向内部移动，Zn氧化生成ZnO白色粉末，Cu受腐蚀介质的作用形成铜绿。

短路插座及延期点火插座所用的6061铝合金属于锻铝，本身并不耐热带海洋大气环境，通常需要进行表面处理提高其耐蚀性。上述两种插座在设计鉴定时耐盐雾试验满足GJB 1217方法1001的F类要求（48h），但在海洋气候的严苛环境，其耐盐雾性能不满足GJB1217方法1001的B类要求（96h）。

3.3 表面处理分析

参照表1进行表面处理分析：

对于接触杆组合和接线片，在盐雾条件下镀银层极易与大气中的S元素反应生成黑色的Ag2S，其材料电阻率为0.01～100MΩ·m，使触点接触电阻变大，引起点火电阻超差。Ag2S在镀层上的蔓延极快，35h、100h、170h的蔓延厚度分别为0.85mm、1.5mm、1.8mm，且在高温、高湿条件下速度更快[4]。

对于电点火具、延期点火支架、标准件等，在海洋气候下极易在镀锌层表面形成水膜，且空气中的盐类颗粒如NaCl等具有很强的吸湿性，极易粘附在金属表面，从而形成一层含有溶解盐的电解液膜。镀锌层表面在电解液膜的存在下，发生电化学腐蚀并生成白色的ZnO。资料表明，在临近海岸的青岛地区，镀锌层腐蚀速率为3.7μm/a，远大于内陆的武汉地区（腐蚀速率为1.4μm/a）[7]。

对于插针/插孔，镀金层在一般湿热条件下保护性能良好，但在恶劣海洋大气环境下保护性能较差，当镀金层厚度小于4～5μm时存在孔隙，由于铜上镀金层是阴极镀层，存在电介质条件下孔隙内的基体铜会首先腐蚀，导致接触电阻变大并引起点火电阻超差[8]。

铝合金连接器表面的镀镍层属于阴极性镀层，对基体的保护作用主要是机械保护，即阻隔铝合金基体与腐蚀介质的直接接触从而避免基体腐蚀。延期点火插座扫描电镜微观形貌表明镀镍层表面存在大量孔隙。当铝合金化学镀镍壳体电连接器暴露于热带海洋大气环境中时，镀镍层表面极易形成水膜，同时大气中的腐蚀介质（如Cl-1）通过海盐粒子沉积溶入表面水层，腐蚀介质和水膜中的溶解氧通过镀镍层的孔隙逐渐进入内部，发生电化学腐蚀，生成铝的含氧腐蚀产物。由于铝合金腐蚀产物与铝合金基体存在体积差，腐蚀产物随着试验时间的延长而不断聚集。在海南万宁地区的腐蚀试验表明：试验2个月延期点火插座即有壳体出现白霜、鼓泡和剥落现象。可见在热带海洋大气环境下化学镀镍层对铝合金基体不能起到有效的防护作用，不适宜在此类环境下长期使用[9]。

3.4 分析结论

根据上述分析：点火系统的安装腔体存在气密失效，空腔内由于日晒而增加压力，气体逸出；当夜晚气温下降时会进入湿气，周而复始在内部最低处的延期点火支架处形成积水；水汽造成电点火具、延期点火支架、部分标准件的镀锌层发生脱锌，产生白色ZnO粉末，影响了点火系统的贮存寿命；近海环境中的硫与接触杆组合的镀银层直接接触生成锈蚀，造成点火电阻超差；近海环境中的盐雾、硫化有可能造成瞬时接线片镀层腐蚀，以及短路插针/延期点火插孔的金属基体腐蚀，亦会导致接触电阻变大，从而增大点火电阻；延期点火插座、短路插座均不适应近海环境，长期贮存过程中将影响其绝缘电阻、耐压强度和导通性能。因此，现有的点火系统不满足海洋环境适应性，必须采取改进措施。

4 改进措施

4.1 密封改进

针对接触杆组合设计密封槽及密封圈，用以在安装过程中实现100%气密。

4.2 材料改进

对于金属结构件诸如延期点火支架、电点火具、接触杆组合等，尽量选用同一种金属材料以防电偶腐蚀。大量研究结果表明，铬含量超过17%（质量分数）的奥氏体不锈钢在海洋大气环境中具有良好的耐蚀性。借鉴某舰空导弹点火具的设计经验，建议将上述结构件改为17-4PH，该材料已通过96h盐雾试验考核，试验后试件表面无锈蚀，耐腐蚀效果明显优于45钢及30CrMnSiA，具体情况见图3。

铍青铜耐腐蚀性能优于纯铜和黄铜，除具有高的强度极限、弹性极限、屈服点和疲劳极限外，还具有较高的导电性、导热性、硬度、耐磨性、抗蠕变性、耐蚀性和耐腐蚀疲劳性，在各种气体、海水、淡水等介质中都具有高的化学稳定性，已应用于某系列舰船用电连接器（满足500h盐雾试验）的接触件材料。因此建议接线片、延期点火插针、短路插孔的金属基体材料改为铍青铜，该材料已通过96h盐雾试验考核，试验后试件表面无明显铜绿产生，明显优于H62黄铜（有铜绿产生），具体情况见图4

图3 17-4PH的盐雾试验Fig.3 Salt spray test of 17-4PH

图4 铍青铜、黄铜的盐雾试验Fig.4 Salt spray test of beryllium bronze and brass

短路插座、延期点火插座借鉴GJB599II系列电连接器的应用经验，材料建议换为不锈钢00Cr17Ni14 Mo2，耐盐雾试验满足GJB 1217方法1001的B类（500h），试验情况可参照参考文献[9]。标准件材料均换用不锈钢1Cr17Ni2。

4.3 表面处理改进

对于延期点火支架、电点火具、标准件、短路插座及延期点火插座建议均进行表面钝化处理，即在不锈钢表面生成一层铬酸盐钝化膜，该处理不仅光泽美观，且有效提高了抗蚀性能；当膜受到轻微损伤时，钝化膜中的可溶性六阶铬化合物能使该处再次钝化，具有一定的自修复功能，可满足96h盐雾试验。

对于插针/插孔、接触杆组合的触点、接线片镀层，建议改为镀金层，且镀层厚度均应>5μm；或保持镀金层1.3μm，但采用脉冲镀金工艺，试验情况可参照参考文献[8]。

4.4 改进结论

进行环境适应性改进后，点火系统的零部件材料及表面处理见表3。

表3 改进后点火系统零部件的材料及表面处理Tab.3 The improved material and surface treatment of ignition system parts

上述改进措施中，部分改进措施已经过试验验证，其它改进措施直接借鉴了定型产品的成熟设计，在工程实践上易于实现，技术成熟度及可靠性高，可有效增强该点火系统在我国近海环境的环境适应性。

[1]宣卫芳,等.装备与自然环境试验（提高篇）[M].北京:航空工业出版社,2011.

[2]吴红光,等.舰载武器装备海洋环境适应性研究[J]. 海军航空工程学院学报,2007(22):161-165.

[3]蔡培培,等.空空导弹弹体结构三防浅析[J].航空制造技术,2012(19):73-78.

[4]宣卫芳,等.装备与自然环境试验（基础篇）[M].北京:航空工业出版社,2009.

[5]姜广顺,杨召甫.武器装备中电子插件版的环境适应性设计研究[J].可靠性设计与工艺控制,2010(28):49-52.

[6]朱旺.海洋性气候条件下的三防工艺研究[J].电子工艺技术,2010(1):54-57.

[7]侯彬.军事电子装备的三防设计[J].装备环境工程,2009(5):106-108.

[8]黄昌明,王琼芳.电镀银/金层耐腐蚀性能试验[J].电子对抗技术,1996(5):33-37.

[9]王玲,等.热带海洋大气环境下电连接器环境适应性分析[J].装备环境工程,2012(6):5-9.