直升机海洋气候环境使用适用性分析

刘钊 解志锋

摘要： 本文主要针对直升机在海洋气候使用环境条件下发生的相关问题和故障，对因海洋环境而导致的故障及损伤机理行深入分析，给出了海洋气候环境下高盐雾、高腐蚀等使用情况下易引起直升机及设备故障的原因，并对海洋气候因素对直升机各系统、设备单元的影响给出了相关设计改进和维修措施，同时以直升机海洋使用任务剖面，建立环境适应性综合评估方法，通过评估–改进相结合的海洋使用环境直升机适用性评估方法，对提高直升机海洋环境下的作战使用能力意义重大。

关键词： 舰载直升机;海洋气候环境;故障模式分析

引言

航空装备在海洋气候使用环境条件下飞行，不但[1]导致金属材料腐蚀，更会导致橡胶材料的老化、体积膨胀、表面模糊、机体表面腐蚀和橡胶密封件受潮老化等诸多问题，以及还会发生电子设备单元失效等故障[2]，导致部件功能失效，降低了装备的可靠性水平，导致海洋航空装备的物理性能发生明顯的变化，危机海洋航空装备的安全性。

因此直升机装备的作战效能与环境的适应能力密切相关。世界军事史上无数战例都证明了，因不适应热带海洋湿热、高盐雾等环境，武器装备严重腐蚀、海洋生物附着等，导致机械故障、控制失灵、通讯中断而造成失败和人员伤亡。因此综合分析航空装备海洋气候条件下的适应能力，试飞期间对发现的因海洋环境而导致失效的问题进行改进，以综合提高航空装备的作战效能。

海洋环境气候条件影响因素

温度及湿度环境

直升机常年部署在海洋区域，据统计，我国南海及周边群岛海域2008–2018年十年间，平均年相对湿度在80%–84%之间，湿度最高能够达到100%，最低达到47%，月平均相对湿度大于80%的时间一年有9个月以上，同时高湿热环境常年影响装备的环境适应能力。以下表1为南海及附近岛屿常年的温度情况。

盐雾环境

盐雾是大气的液滴所构成的盐雾分子弥漫系统，海洋中海水的剧烈扰动、风浪击碎和海浪的拍打形成了大量泡沫和水气泡，气泡破碎时产生小水滴[3]，气流扰动的环境下，可以扩散到很远的地方，盐雾环境会导致金属材质材料的腐蚀，可以导致多种机械结构的损伤模式，因此直升机机体结构、系统和设备在自然环境的腐蚀情况往往更加严酷。

降水

对南部海洋的海水进行大气降水采样[4]，测试pH值以及阴、阳离子浓度，夏天降水pH均值为6.2，最小值为3.4。通过测试数据反应出南部海洋的海水的特征，具有酸性特点且浓度较高，含有酸性的高盐浓度降水对飞行以及驻舰停留的直升机装备会造成损伤。

酸性盐雾

航空装备在海洋环境中的酸性盐雾综合环境影响作用下，酸性分散气体与装备的表面结构相遇会导致酸性盐雾气体的强化作用，作用机理如下：含SO2的酸性盐雾气体会对产品产生腐蚀性，中性盐雾与酸性盐雾腐蚀损伤的作用破坏原理不同[5]，SO2是强氧化还原剂，能够对非金属材质的涂覆层表面及非金属材质进行较强的酸性腐蚀，会对直升机机体结构的复合材料产生较大的结构损伤。

舰船冲击振动、颠震、倾斜和摇摆

航空装备驻舰停放时受到船体各部件机械运动[6]，以及发动机、桨叶的高速转动和自然环境风浪的诱发振动环境，叠加宽带随机振动。形成累积效应，以及海浪的颠震环境，导致振动的作用时间短，作用周期长。在舰船的航行、转弯、以及操作不当都会导致摇摆、上下往复运动，诱发倾斜、摇摆环境，倾斜容易导致直升机导弹承受诱发的静态力，摇摆将使挂装导弹承受诱发的动态力。

海洋环境失效及故障模式

失效故障模式

对某型直升机在南海环境下使用期间发生的故障和问题进行统计，可以发现航空装备在服役期间，因高盐雾、高湿度导致的发动机表面锈蚀、电子设备单元失效等故障。海洋环境因素对航空装备作战效能影响巨大。其主要的损伤模式见图1所示。

海洋环境适应性检查

试飞期间针对舰面环境重点对易受海洋环境损坏的直升机关键部位开展气候环境适应性检查，同时结合气候环境的损伤模式，主要从以下几个方面进行检查：

检查机体结构部件是否有恰当的防护措施[7]，在主要金属材料表面是否采取了防护措施，如氧化、镀覆层、油漆涂层等;

检查直升机平台容易进水的部位是否采用了密封措施，如铆接等;

机体结构和设备舱是否设计了防止水渗入或漏入内部，所有设备舱、口盖、舱门和窗户密封性应能够满足使用需求;

直升机机体平台应有合适的排水通到，使积存的水或其他液体能有效的排除，驾驶舱和设备舱是否具有防水装置，以防护不能遇水的部位;

机体和设备结构密封是否避免凹槽和缝隙，对缝隙是否采用相应的密封措施，防止外来物质杂质进入;

主要设备舱是否设置通风口，以减少霉菌环境的产生。

针对直升机不同的位置区域，根据受环境影响损伤程度，对重点检查部位采取周期性的检查方法，对易损伤部位进行预防性维修工作。

直升机海洋环境综合评估

综合评估方法

海洋环境对直升机的作用主要是综合作用叠加导致，综合作用对装备影响巨大，基于对直升机不同海洋使用环境的任务剖面进行分析，给出环境适应性综合评估结果，本文主要结合海洋使用环境下飞行使用任务剖面，对因海洋环境而导致的故障和执行该任务剖面下发生的总故障进行分类分析，确认受海洋环境而导致的故障失效事件结果对任务的影响，具体评估方法流程见图2所示。

根据上述流程图[8]，具体分析计算方法如下：

首先根据直升机海洋环境下执行的任务剖面确定使用环境;针对特定任务执行时机和剖面，开展环境因素分析，对执行任务剖面和使用环境分别进行编号i、j，第i个任务剖面第j项使用环境为Eij，这里的环境指的是飞行使用环境;分析直升机、系统组成，对直升机第k个系统进行仿真环境效应模拟分析，根据极限仿真的方法得到其环境耐受极限为Ek，具体计算方式为：

其中：

为极限仿真环境下发生的所有失效故障数;

为第极限仿真环境下因海洋环境而导致的失效故障数。

根据舰载直升机、系统环境的使用信息，进行环境适应性分析。通过考虑不同使用剖面下的相关性（例如累加的环境应力、任务剖面的诱发）和空间关联性;根据环境参数的分析结果，评价环境的适应能力程度fs=Ek/Eij。如果fs<1，表明环境适应能力不满足要求，应继续改进优化并完善;如果fs趋近于1，表征设备产品的环境使用能力接近临近状态值，明确各种换进参数的不确定性，通过综合运用仿真、试验等手段进一步评估装备、产品的环境使用适应能力;如果fs>1，表征环境使用适应性能良好，但是fs过高，表征带来更高的设计成本。根据分析结果，识别直机、系统的环境适应性薄弱环节，为后续设计和研制工作提供依据。

应用案例

某型部署在海洋环境条件下使用的直升机，主要执行搜救和运输任务，根据极限仿真的方法得到其耐受极限为Ek=0.85，针对该型直升机执行南海环境下的高湿度、高盐雾等环境条件下的运输任务，Eij=1.12，适应能力的余量fs=Ek/Eij=0.71，根据分析结果对因环境因素导致燃油泵密封失效，综合显示系统因盐雾环境导致的元器件失效进行优化改进，提高直升机整机的环境适应性。该海洋环境适应性的分析方法已应用某型直升机海洋环境使用适应性的分析过程中，能够更快、更全面的发现存在的设计缺陷，及时完善舰载直升机海洋腐蚀环境下的适应性设计短板，试飞过程中充分暴露相关问题，确保直升机的任务成功概率，降低研制成本，提高研制效率。

总结

本文从各个方面对直升机、系统的海洋环境适应性进行分析，对装备的海洋环境进行探讨，从单一因素对装备的影响，到综合环境的影响，全面地给出了舰载直升机的海洋环境适应能力检查和评价方法，可广泛应用直升机、系统海洋环境适应性评估，在试飞阶段暴露系统存在的重大设计缺陷，及时發现风险问题，在后续舰载直升机的设计和评价阶段具有较高的使用效益，为提高航空装备的海洋环境使用适应性能力打下基础。

参考文献

金伟晨.以南海环境为例的海洋环境下装备适应性研究[J].船舶物资与市场，2018（5）：8–11.

张艳辉.浅析舰载武器海洋环境适应性验证要求[J].装备环境工程，2017（5）：8–11.

孙立军 刘丽红 邱福来.西沙暴露与盐雾试验结果对比分析[J].装备环境工程，2010（6）：58—61.

肖红伟 中国南海大气降水特征[J].环境科学，2014：58—61.

朱金阳 李明 程丛高.美海军舰载航空装备”盐雾–SO2”试验方法发展历程及启示[J].装备环境工程，2017（3）：33–38.

张艳辉.浅析舰载武器海洋环境适应性验证要求[J] 装备环境工程2017（5）：8–11.

祝耀昌，张建军.武器装备环境适应性要求，环境适应性验证要求和环境条件及其相互关系的讨论（二） [J].航天器环境工程，2012，29（1）：119—122.

吴红光 舰载武器装备海洋工程适应性研究[J].海军海空工程学院学报，2006，33–38.