直升机极区海洋环境加速试验环境谱研究

季佳，崔腾飞，徐璐，叶建华

（1.中国直升机设计研究所，景德镇 333001； 2.北京航空航天大学，北京 100191）

引言

2015年，在中国政府第9部国防白皮书《中国的军事战略》[1]中，首次公布中国海军最新的战略要求为：“近海防御、远海护卫”，并要求海军按照战略要求，逐步实现近海防御型向近海防御型与远海护卫型结合转变，构建合成、多能、高效的海上作战力量。海军提出了“大洋存在、两极拓展”的战略要求。

目前，中国直升机已在亚丁湾护航、马航失联事件搜寻、雪龙号科考船夏季保障等任务中展现了一定的远海护卫应用能力，在亚丁湾、澳大利亚附近等海域具备基本的远海护卫能力，但在两极区使用仍存在较大的限制。

我国新建了极区科学考察破冰船，该船可满足无限航区要求、具备极区航行能力，能够在极区大洋安全航行的具备国际先进水平的极区科学考察破冰船[2]；该船在靠近艉部设有直升机甲板和直升机库，但目前极区科学考察配置的为俄罗斯Ka-32A11BC直升机。我国已在极区建立了2个度夏站和3个过冬站，并逐步增加。随着极区站点、极区科考船的不断增加，中国科学家的极区科考活动将日益频繁，科考地域将不断拓展，对适应极区特殊环境的科考、救护直升机的需求将更加迫切。同时极区科考工作具备较大的危险性，因此，日益频繁的极区科考活动和国家极区利益对中国海军的远海护卫和救护能力提出了新的挑战，而极区直升机正是极区护卫与救护的主要力量。随着直升机的服役环境越来越恶劣，对直升机的环境适应性也提出了更高的要求[3]，要能在综合严酷环境中保持其飞行和任务使命要求，并在服役期内具有持续稳定的环境适应性，保持优良的出勤率和任务效能[4,5]。但是，对于直升机在极区的环境适应性，缺少合理的验证手段，而直接到极区进行外场暴露试验，往往是不现实的。因此，为了解决环境适应性验证的问题，缩短试验周期、减少试验费用、提高时效性，可以采用加速试验的方法来进行研究[6-8]，需要建立试验室环境与极区环境的对应关系。因此，根据极区环境特点，建立基于极区环境的加速试验环境谱，为极区直升机环境适应性验证提供合理的方法，是十分必要的。

本文通过对极区环境的分析，并采用5080橡胶进行低温试验，建立了极区加速试验环境谱，为极区直升机的型号研制做好技术储备。

1 极区综合使用环境谱分析

1.1 极区科考站点及环境

中国先后在南极和北极建立了5座科考站，其中南极4座：长城站、中山站、泰山站、昆仑站，北极1座：黄河站。穿越北极圈有三条航道：东北航道、西北航道和中央航道，通常条件下船只不会驶入中央航道，只有在外界冰情允许的情况下才会航行。

考虑到泰山站主要作用是在中山站和昆仑站间的物资转运，在后续的分析中，只考虑条件更恶劣的昆仑站气候环境。考虑到中央航道的气候条件更为恶劣，在后续的分析中，只考虑中央航道的气候。一般来说，南极科考安排在中国的冬季（即南极的夏季），北极科考安排在中国的夏季（即北极的夏季）。表1列出了科考期间南极、北极科考站及中央航道的主要气候环境参数。

目前国内极区科考站并未对太阳辐照数据进行收集。而直升机在南极和北极科考时，都选择在此地区气候条件较好的夏季，此时处于该区域温度最高、日光辐射最强烈的极昼月份，即在这两个月内，太阳辐射时间为平均水平的两倍（由于极区高纬度特点，其单位时间辐射强度会低于平均水平）。因此在构建极区使用综合环境谱时，年太阳辐射时间按14个月计算，即年均太阳辐射总量按常规使用环境谱中太阳辐射谱的14/12计算。

根据不同温度下饱和湿空气的含水量表，在极区低温环境下，湿度为100 %时，空气中含水量为常温下的六分之一到百分之一，且温度变化范围小，因此其因湿度变化而产生的冷凝水将远小于常温环境；同时考虑到极区大气中的污染介质少、各国极区直升机和其他机械设备在极区使用时未产生过腐蚀问题，因此在后续根据极区使用环境谱编制加速试验谱时可不考虑湿度影响。

表1 科考期间科考站和中央航道的主要气候环境参数

1.2 极区科考直升机全年活动区域

整个科考活动，会经历出发、航行、科考、回国几个阶段。南极科考将途经北温带、热带、南温带、南寒带，北极科考将途经北温带、北寒带等几种不同环境特征地区。根据整个科考周期所经历的区域，项目前期研究了极区科考船和极区直升机的任务模式。根据研究结果，确定了极区直升机1年内的活动区域及对应的时间，如表2所示。

1.2.1 极区科考直升机常温海域活动区域

在驶往极区的路上，科考船一般从上海出发，往南经过南海、东南亚、澳大利大，抵达南极；往北经过黄海、日韩、俄罗斯，抵达北极圈。可见，科考船在全面的科考周期中，经过的常温海域包括北温带、热带、南温带，且大部分时间在温带海洋性气候地区航行。

1.2.2 极区科考直升机南极活动区域

南极有四座科考站，其中昆仑站位于南极内陆地区，环境条件最为恶劣，长城站与中山站位于南极航线的两端。而泰山位于中山站与昆仑站之间，且主要起中转作用，因此将泰山站的时间合并到环境条件更为严苛的昆仑站中。南极区域最终时间分配，如表3所示。

1.2.3 极区科考直升机北极活动区域

北极只有一座科考站，且直升机可能随船穿越环境条件更为恶劣的中央航道，因此将直升机在北极的2个月做如表4所示分配。

1.3 使用环境谱的建立

通过上述分析可以发现，直升机极区使用综合环境谱可分为两个部分，一部分为在一般海域航行时的常温环境谱，另一部分为在极区航行时的极区环境谱。其中，在一般海域的常温环境中航行时，直升机的损伤主要是腐蚀的作用；在极区的低温环境中航行时，对直升机的损伤主要是低温的作用。

1.3.1 一般海域常温环境谱

在一般海域航行时，因为大部分时间在南、北温带，因此可采用目前海洋环境常用的常温环境谱。海洋环境常温环境条件及雨谱、雾谱、湿度谱如表5、表6所示，可以此为基础编制海洋环境常规的腐蚀加速试验环境谱，并作为极区加速环境谱中的腐蚀谱块使用。

表2 极区直升机1年内的活动区域与时间分配

表3 极区直升机在南极的活动区域与时间分配

表4 极区直升机在北极的活动区域与时间分配

表5 地面停放环境谱（年）

表6 雨谱、雾谱、湿度谱

1.3.2 极区低温环境谱

由于极端低温对非金属材料的破坏性较为显著，且根据直升机极区极端环境谱和直升机极区平均使用环境谱，极端温度与平均温度差距较大，因此，有必要单独建立直升机极区使用低温环境谱。根据表1可看出，直升机在长城、中山、黄河、中央航道等区域时，使用环境缓和，最低温度远高于在昆仑站所处环境，因此在构建直升机极区使用低温环境谱仅考虑在昆仑站时的使用环境。

根据昆仑站2016年12月～2017年2月间每日的最低温度记录，构建了直升机极区使用低温环境谱，如表7所示。

1.3.3 极区使用综合环境谱

根据上述分析，建立极区使用综合环境谱。结合表1、表5、表6、表7及1.1节对极区的太阳辐射情况的分析，构建直升机综合使用环境谱，如表8所示。由于低气压对材料本身的影响较小，因此在后续编制加速试验环境谱时，暂不考虑低气压的影响。

表7 直升机极区使用极端温度谱

表8 直升机极区使用综合环境谱

2 加速试验环境谱建立

2.1 腐蚀谱块

在一般海域航行时，因为大部分时间在南、北温带，因此可采用目前海洋环境常规的腐蚀环境谱。海洋环境常规的腐蚀谱块包括盐雾谱块和湿热谱块两部分。

2.1.1 盐雾谱块

海洋环境常规盐雾包括中性盐雾+酸性盐雾，试验时间为海洋环境的50 %，具体：

1）中性盐雾

温度T=35 ℃，试验溶液5 %NaCl，溶液pH=6.5～7，试验时间4天，盐雾沉降量（1～2）mL/h·80 cm2。

2）酸性盐雾

温度T=35 ℃，试验溶液5 %NaCl ，溶液pH=4.5～5，试验时间1.5天，盐雾沉降量（1～2）mL/h·80 cm2。

2.1.2 湿热谱块

参考海洋环境常规湿热谱块，试验时间为海洋环境的50 %，具体如下：

试验温度T=43 ℃，试验湿度RH=95 %，试验时间3.5天。

2.2 太阳辐照谱块

常规太阳辐照试验强度取与CASS谱相同的照射强度W=（60±10）W/m2。使用环境总谱中年紫外线照射总量QT=306.45 MJ/m2。年飞行强度300飞行小时，将飞行时间放大1.5倍作为接受紫外线照射的时间。因此，直升机表面接受紫外线照射的时间约为450 h。450 h占全年时间的比例为0.0501。因此，表面平均每年接受的紫外线照射量为：0.0501×306.45=15.353 1 MJ/m2。

试验时间为表面平均每年接受的紫外线照射总量除以紫外线辐射的强度的1.17倍，即

试验时间为3.51天，即84.24 h。

3.3 低温谱块

由于橡胶件对低温较为敏感，因此采用5080丁晴橡胶进行低温试验，其性能如表9所示。根据试验结果，确定低温试验温度及时间，建立低温试验谱块。

采用压缩永久变形作为待测的性能参数。

式中：

c(%)—压缩永久变形；

h0—试样初始厚度；

hs—压缩之后的厚度

hf—卸载后恢复到的厚度。

丁腈橡胶5080试样直径d=30 mm，初始高度h0=15 mm。选择-20 ℃、-30 ℃、-35 ℃进行低温试验。试验开始时每8 h进行一次数据测量，一段时间后根据数据变化趋势降低测量频率，每24 h进行一次数据测量。试验后测试试样的永久压缩变形。

根据压缩永久变形的数据绘制压缩永久变形-时间曲线图如图1所示。

从图1中可以看出，随着时间的增长，橡胶的压缩永久变形逐渐增加，说明时间对于橡胶的压缩永久变形具有累积效应，橡胶在低温下的性能是随着试验时间的延长逐渐变差，且低温下压缩永久变形增加的速度随着时间逐渐降低，最后趋于稳定。

表9 丁腈橡胶5080的主要性能

由表6可以看出，-30～-35 ℃温度出现的概率最高。因此可将低温温度损伤线性累加到-35 ℃，低温环境谱温度选择-35 ℃。由图1可以看出，橡胶的性能并不是随着试验时间的延长而无线降低的，而是呈现出开始降低而随着试验时间的延长而趋于稳定的趋势。在-35 ℃下试验200 h后，橡胶的性能已基本稳定，因此选择低温试验时间为200 h。

3 极区加速试验环境谱

根据上述分析和试验，最终得到的直升机极区加速试验环境谱如图2所示。

4 结论与建议

图2 极区加速试验环境谱

经过对直升机可能经历环境的分析，并对橡胶材料进行低温试验，所得到的直升机极区加速试验环境谱，能覆盖极区直升机在整个科考过程中经历的环境，整个加速试验环境谱的总试验时间为20.84天（500.24 h），试验一个周期（20.84天）可代表全年365天的环境损伤，即加速倍率为17.51，加速倍率合理，可以满足极区直升机环境适应性验证要求。