艦載機載成附件環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計與管理

劉元海

（中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

艦載機在整個使用壽命期內(nèi)，將在艦船、航母甲板上起飛、降落，大部分時間停放在甲板上，并隨艦船、航母在我國東海、南海，以及亞丁灣等海域游弋或駐留，且主要在海洋上空（巡邏）執(zhí)行任務(wù)。換言之，將長時間處于高溫、高濕度、高鹽霧的海洋大氣環(huán)境中，經(jīng)受不同海域的風(fēng)浪、海霧、鹽霧和不同空域的溫差、光照、雨雪以及艦船、母艦排放物（如SO2）等綜合環(huán)境的侵蝕作用。嚴酷的使用環(huán)境和使用模式，要求機體結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的防腐性能和耐久性品質(zhì)，否則，必將造成機體結(jié)構(gòu)平臺材料（含非金屬材料）、防護涂層系統(tǒng)[1]、典型連接結(jié)構(gòu)部位（包括緊固件）、摩擦/磨損動部件等系列共性腐蝕或老化問題的同時，其機載成品、附件（簡稱“成附件”）等亦可能呈現(xiàn)新的腐蝕故障。

文中針對某型艦載機動力、飛控、航電、液壓、燃油、生命保障、環(huán)控、照明、機電綜合、任務(wù)電子、生活設(shè)施等機載成品、附件的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計、試驗和管理過程進行探討，以摸索出一套實用有效的機載成附件腐蝕防護與控制（CPC）設(shè)計、試驗與管理模式，減少后續(xù)工作的反復(fù)，并為后續(xù)型號相應(yīng)工作的開展積累經(jīng)驗。

1 機載成品環(huán)境工程工作的主要任務(wù)

海洋環(huán)境下某型艦載機腐蝕防護與控制工作是一項系統(tǒng)工程，其中包括機載成附件。總師單位應(yīng)成立相應(yīng)的“綜合保障設(shè)計師系統(tǒng)”及“機載成附件環(huán)境工程室”，建立集環(huán)境評定分析、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計、環(huán)境試驗與評價、環(huán)境友好安裝設(shè)計為一體的腐蝕防護與控制體系，致力于機載成附件在設(shè)計使用環(huán)境下綜合品質(zhì)的論證、研制、生產(chǎn)和使用過程中的腐蝕防護與控制工作。

1）環(huán)境評定分析。應(yīng)在型號初步設(shè)計階段進行環(huán)境評定分析，確定飛機壽命期環(huán)境剖面，針對機載成品特性提出每項機載成附件合理的環(huán)境技術(shù)要求。

2）環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計。應(yīng)根據(jù)規(guī)定的環(huán)境適應(yīng)性要求（環(huán)境技術(shù)要求），在型號詳細初步設(shè)計和詳細設(shè)計階段開展環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計。環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計應(yīng)從結(jié)構(gòu)、材料、元器件和工藝等方面著手。

3）環(huán)境試驗與評價。在詳細初步設(shè)計和詳細設(shè)計階段，應(yīng)進行試驗室加速環(huán)境和自然環(huán)境下的研制性試驗，將設(shè)計缺點誘發(fā)為故障，為改進設(shè)計提供信息并驗證改進措施的有效性，從而提高機載成附件的環(huán)境適應(yīng)性。試制、首飛與科研試飛階段，開展腐蝕環(huán)境驗證/鑒定試驗，驗證機載成附件的環(huán)境適應(yīng)性是否符合規(guī)定的要求，為定型（鑒定）提供決策依據(jù)。

4）環(huán)境友好安裝設(shè)計。在試制、首飛與科研試飛階段，應(yīng)確定各項機載成附件的安裝原則，提出具體、合理的腐蝕防護與控制敷設(shè)/連接/安裝方法和要求，并進行裝機校驗。

2 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計與管理工作內(nèi)容

艦載機載成附件環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計與管理工作應(yīng)貫穿于論證、設(shè)計、制造和使用維護各階段，總體工作內(nèi)容和流程如圖1所示。

2.1 初步設(shè)計階段

在各種機載成附件初步設(shè)計階段，包括以下內(nèi)容。

1）應(yīng)分析、評定飛機設(shè)計使用壽命期內(nèi)預(yù)期經(jīng)歷的海洋大氣環(huán)境、艦載環(huán)境（含化學(xué)、熱和氣候環(huán)境），制定《環(huán)境技術(shù)要求分析論證報告》，并提出暫時可用的三防環(huán)境技術(shù)要求和試驗要求，制定頂層文件《環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)要求》。

2）針對成附件特點，結(jié)合飛機環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)要求，制定飛機環(huán)境技術(shù)要求剪裁準則（包括環(huán)境嚴酷度劃分，如是否暴露在外、是普通環(huán)境、1級惡劣環(huán)境還是II級惡劣環(huán)境等），用于指導(dǎo)不同類型成品在不同工作狀態(tài)、不同安裝位置下的環(huán)境技術(shù)要求的剪裁。

3）根據(jù)飛機各區(qū)域/部位的局部環(huán)境（如是否暴露在外）和成品的特點，合理協(xié)調(diào)成品的安裝/連接/敷設(shè)位置。

4）根據(jù)《環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)要求剪裁準則》和協(xié)調(diào)區(qū)協(xié)調(diào)結(jié)果，確定每項機載成品的環(huán)境技術(shù)要求與試驗要求。

5）在方案論證或成品協(xié)調(diào)工作會上，宣貫《環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)要求》和各項機載成品的環(huán)境技術(shù)要求，并機載成品協(xié)議簽訂。

2.2 詳細初步設(shè)計與詳細設(shè)計階段

1）成品協(xié)調(diào)會后，總師單位應(yīng)對已簽訂機載成品協(xié)議的環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)要求進行復(fù)查，針對發(fā)現(xiàn)的問題通過機載成附件環(huán)境工程室督促研制單位以協(xié)調(diào)單的形式改正。

2）收集海上氣候環(huán)境數(shù)據(jù)和航母甲板或大型艦艇在海上使用時的艦上環(huán)境測試數(shù)據(jù)，建立艦載環(huán)境數(shù)據(jù)庫，用于構(gòu)建壽命期航母平臺環(huán)境剖面。

3）在成品詳細設(shè)計階段，應(yīng)制定機載成品、附件環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計程序和方法，規(guī)范成品附件的海洋大氣環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計工作，提供了腐蝕防護與控制設(shè)計的基本方法和程序，將機載成品的海洋大氣防護設(shè)計工作納入到飛機設(shè)計的統(tǒng)一體系/程序中，以便實現(xiàn)具有高可靠性的、有效的控制。

4）應(yīng)制定相互協(xié)調(diào)的附件環(huán)境技術(shù)要求，確保相應(yīng)附件的三防環(huán)境要求和設(shè)計工作與機載成品達到相同水平。

圖1 機載成品環(huán)境適應(yīng)設(shè)計與管理工作內(nèi)容Fig.1 Design and management programs for environmental adaptability of the shipborne productions

5）總師單位應(yīng)制定頂層的沿用/選用成品摸底試驗和新研改進成品的研制性環(huán)境試驗和鑒定試驗總體方案，含試驗件技術(shù)狀態(tài)、試驗項目、試驗條件、考核/評價指標與要求等。

6）應(yīng)制定《機載成附件環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計規(guī)范/指南》，該指南應(yīng)從選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計、表面防護設(shè)計、工藝制造、異種金屬接觸、防腐蝕密封設(shè)計、制造過程中的工藝防護等方面提出詳細的設(shè)計要求與方法，用以指導(dǎo)、規(guī)范各項機載成附件環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計工作。

7）總師單位應(yīng)對機載成品研制單位提交的《新研改進成附件海洋大氣防護設(shè)計報告》、《新研改進成附件環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計報告（含研制試驗）》、《沿用/選用成附件腐蝕環(huán)境摸底試驗報告》和《機載成附件環(huán)境設(shè)計符合性分析報告》進行審查，查找設(shè)計缺陷，提出改進建議。

2.3 試制、首飛與科研試飛階段

1）在試制階段，總師單位應(yīng)對環(huán)境鑒定試驗進展情況調(diào)查，重點包括試制成附件的技術(shù)狀態(tài)、試驗實施設(shè)備、儀器、儀表、試驗實施廠所、試驗項目實施過程的跟蹤等。試驗結(jié)束后，并對成品研制單位提交的《環(huán)境鑒定試驗報告》組織評審。

2）總師單位應(yīng)確定各項機載成附件的安裝原則，提出具體、合理的腐蝕防護與控制敷設(shè)/連接/安裝設(shè)計方法和要求，并在機載成附件裝機前進行現(xiàn)場校驗。

2.4 設(shè)計定型階段

設(shè)計定型階段，應(yīng)修訂、完善《機載成附件環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計規(guī)范/指南》，并明確每項機載成附件合適的考核方法和外場維護手段。

3 主要設(shè)計與管理方法

3.1 環(huán)境技術(shù)要求的制定

為使環(huán)境技術(shù)要求制定準確，合理，易于實現(xiàn)，可經(jīng)過多方調(diào)研論證，查閱相關(guān)標準和資料，詳細分析艦載機在全壽命期內(nèi)經(jīng)歷的各項環(huán)境因素，將濕熱、霉菌、鹽霧、腐蝕性大氣等環(huán)境因素作為艦載機載成品、附件腐蝕防護與控制工作控制的重點。

具體環(huán)境技術(shù)條件的確定應(yīng)在系統(tǒng)劃分整機環(huán)境嚴酷度（如是否暴露在外、是普通環(huán)境、1級惡劣環(huán)境還是II級惡劣環(huán)境等）的基礎(chǔ)上，針對各項機載成附件的裝機區(qū)域，區(qū)別對待，適當加大特殊環(huán)境權(quán)重。在濕熱和霉菌環(huán)境技術(shù)條件的確定上，可通過分析航母、艦船環(huán)境，結(jié)合以往型號的環(huán)境技術(shù)要求以及我國現(xiàn)有機載成品、附件的設(shè)計水平（GJB 150—2009軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法、HB 5830機載設(shè)備環(huán)境條件及試驗方法、RTCA/DO-160F機載設(shè)備環(huán)境試驗條件和試驗程序）和現(xiàn)有實測環(huán)境數(shù)據(jù)（如中國四大海域海洋氣候數(shù)據(jù)、國外航母甲板上飛機表面水膜中所含燃料廢氣沉積物分析數(shù)據(jù)、不同飛行高度對應(yīng)的等效壓力值、我國典型環(huán)境區(qū)域年均濕潤環(huán)境強度數(shù)據(jù)、典型海域或沿海地區(qū)鹽霧環(huán)境數(shù)據(jù)、各大海域太陽輻照強度統(tǒng)計數(shù)據(jù)）分析結(jié)果，并遵循環(huán)境“極值”原則，確定對應(yīng)于各腐蝕環(huán)境條件的試驗條件和驗證指標或試驗周期。例如艦載機濕熱環(huán)境條件可按B類——嚴酷濕熱環(huán)境考慮（單循環(huán)24 h，共10個循環(huán)）；霉菌試驗周期是至少控制在84天以上；在鹽霧環(huán)境技術(shù)條件的確定上，可通過對比分析 GJB 4，GJB 150，HB 5830，RTCA/DO-160F等相關(guān)標準，考察國內(nèi)海軍機型的相關(guān)要求，可延續(xù)采用HB5830.12作為鹽霧環(huán)境的驗證要求，試驗周期可根據(jù)需要適當延長（由1級惡劣環(huán)境48 h延長至96 h或144 h）[2—5]。成品、附件環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計規(guī)范/指南》（以下簡稱《規(guī)范/指南》），下發(fā)給各成品研制單位，用以指導(dǎo)、規(guī)范成品的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計工作。成品研制單位在開展產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計工作中須參照《規(guī)范/指南》要求執(zhí)行，并編制“機載成附件環(huán)境設(shè)計符合性分析報告”，反映成品設(shè)計過程腐蝕環(huán)境適應(yīng)性。《指南》應(yīng)從以下幾方面提出設(shè)計要求。

1）材料選用與限用：規(guī)范金屬和非金屬材料的選材原則，推薦常用的、耐蝕性、耐霉性能優(yōu)良的可選材料種類。

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計：提出結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，重點闡述密封結(jié)構(gòu)及非密封結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

3）表面防護技術(shù)：以表面防護體系的有效性、有效期和相容性等主要性能為重點，提出防護體系選擇原則，針對鋁合金、鋼、銅及銅合金、鈦合金等材料提供有效的表面處理方法及涂層防護系統(tǒng)要求。

4）工藝制造：從機械加工、表面處理、過程控制、涂層質(zhì)量控制、裝配、新工藝幾方面提出控制原則。

5）異種金屬接觸：提出了防護原則并提供具體的防護措施。

6）防腐蝕密封設(shè)計：提出密封設(shè)計原則、工藝要求，并重點從緊固件防護設(shè)計和電塔接防護方面提出明確的設(shè)計要求。

3.3 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計（過程控制）

3.2 編制《機載成附件環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計規(guī)范/指南》

為了將《環(huán)境技術(shù)要求》落實到新研、改進成附件設(shè)計過程中，總師單位應(yīng)在分析總結(jié)技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，廣泛吸收成品研制單位的成熟/經(jīng)驗，聽取各方專家的意見，從工程實際出發(fā)，組織編制《機載

1）在詳細初步設(shè)計階段，應(yīng)下發(fā)《機載成附件環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計規(guī)范/指南》、《機載成附件環(huán)境技術(shù)要求》和《機載成附件環(huán)境試驗與評價總體方案》，用以指導(dǎo)、規(guī)范成品的設(shè)計工作，見表1。

2）針對海洋大氣防護設(shè)計，在詳細設(shè)計階段，應(yīng)下發(fā)計劃文件，要求成品研制單位編制《機載成附件海洋大氣防護設(shè)計報告》，并上報總師單位，以便盡早了解成品、附件的腐蝕防護設(shè)計方案，及時發(fā)現(xiàn)問題并改進。

3）針對所有沿用/選用成附件，在詳細設(shè)計階段，應(yīng)根據(jù)《機載成附件環(huán)境試驗與評價總體方案》要求開展相關(guān)腐蝕環(huán)境（如酸性鹽霧環(huán)境）摸底試驗。要求成品研制單位編制具體腐蝕環(huán)境試驗進度計劃，試驗完成后提交《沿用/選用成附件腐蝕環(huán)境摸底試驗報告》，上報總師單位審查，以便于先期發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

4）詳細設(shè)計中期，應(yīng)召開保障特性審查會，重點審查新研和改進成附件的環(huán)境適應(yīng)性適應(yīng)性設(shè)計（含研制性環(huán)境試驗）情況（報告），發(fā)現(xiàn)不足，提出改進建議。

表1 機載成附件環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計過程控制Table 1 Design process control for environmental adaptability of the shipborne productions and accessories

5）在詳細設(shè)計末期，再次下發(fā)《規(guī)范/指南》，要求成品研制單位對照下發(fā)的機載成附件環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計規(guī)范/指南，結(jié)合內(nèi)部的沿用/選用成附件環(huán)境摸底和新研/改進成附件研制性試驗，查找成附件環(huán)境防護設(shè)計的缺陷，編制環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計符合性分析報告，并上報審核。

3.4 環(huán)境試驗與評價

為驗證產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計是否達到規(guī)定的要求，總師單位需對試制機載產(chǎn)品進行必要的“單項環(huán)境”適應(yīng)性評估與驗證試驗（包括環(huán)境摸底試驗、設(shè)計研制性試驗、環(huán)境鑒定試驗）和“多因素綜合環(huán)境”適應(yīng)性評估與驗證試驗。

1）已有數(shù)據(jù)表明，航母甲板上停靠的飛機表面測定pH值為2.4～4.0（均值為3.0）。海軍調(diào)研中了解到酸性介質(zhì)將強化鹽霧對機載設(shè)備的腐蝕作用，因此，鑒定試驗中應(yīng)考慮酸性大氣環(huán)境對機載成附件的影響。

2）基于現(xiàn)有標準的機載設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性試驗方法存在較大局限性，根據(jù)產(chǎn)品預(yù)期經(jīng)受的海上氣候環(huán)境、艦載環(huán)境（主要為濕熱、霉菌、鹽霧、腐蝕性大氣環(huán)境），參考國內(nèi)外相關(guān)試驗標準、程序和環(huán)境譜，研究適應(yīng)艦載機載成品、附件要求的多環(huán)境因素綜合試驗方法，定性/定量分析實驗室加速環(huán)境試驗與艦上實際使用環(huán)境腐蝕間的關(guān)系，滿足成品、附件在設(shè)計使用壽命期內(nèi)的環(huán)境適應(yīng)性評定要求。

3）對于沿用/選用的機載成附件，應(yīng)根據(jù)其所處的局部環(huán)境類別、安裝區(qū)域，剪裁試驗項目，選擇對應(yīng)于環(huán)境適應(yīng)性要求（環(huán)境試驗條件和驗證指標要求）的環(huán)境摸底試驗，檢驗沿用成品在艦載海洋環(huán)境下的環(huán)境適應(yīng)性。考慮到艦載預(yù)警服役環(huán)境惡劣，所有沿用/選用機載成品、附件均應(yīng)進行指定的濕熱和鹽霧試驗。對于動力、燃油系統(tǒng)成品、附件（液壓電磁閥、供/輸油單項閥門、繼電器、壓力信號器等）應(yīng)重點考慮霉菌環(huán)境的影響。

4）新研或改進成附件設(shè)計、研制過程中，除按GJB 150進行必要的功能性環(huán)境試驗（如沖擊、振動、高低溫、低氣壓、溫度沖擊、風(fēng)壓、噪聲等）外，應(yīng)在相應(yīng)的單項環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)要求開展設(shè)計研制性試驗，考核新研/改進成附件的設(shè)計性能及使用壽命。一般情況下，除動力、燃油系統(tǒng)成品、附件（液壓電磁閥、供/輸油單項閥門、繼電器、壓力信號器等）應(yīng)考慮霉菌環(huán)境外，其他機載成品、附件均只需進行指定的濕熱、鹽霧試驗等氣候環(huán)境試驗。

5）新研或改進成附件進入設(shè)計定型階段或技術(shù)鑒定前，應(yīng)完成環(huán)境鑒定試驗，除特殊要求外，所有產(chǎn)品均應(yīng)進行高溫、低溫、溫度沖擊、加速度、振動、沖擊、濕熱、霉菌和鹽霧試驗；電子設(shè)備、機電設(shè)備和部分氣密性機械設(shè)備應(yīng)進行溫度-高度試驗；機外設(shè)備應(yīng)進行淋雨和砂塵試驗；除特殊要求外，所有新研或改進成附件均應(yīng)嚴格按其所處的安裝區(qū)域/位置、局部環(huán)境類別，選擇環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)要求開展“單項環(huán)境”適應(yīng)性考核試驗；其他必要的環(huán)境試驗項目嚴格按GJB 150—2009選擇適合的試驗類型剪裁執(zhí)行。

6）機載成附件的環(huán)境鑒定試驗應(yīng)在總師單位指定的第三方試驗室進行，或者在總師單位代表監(jiān)督下在制定的實驗室進行。承擔鑒定試驗的單位或?qū)嶒炇覒?yīng)通過資質(zhì)認證和計量認證。

7）所有沿用/選用和新研/改進定型產(chǎn)品正式裝機使用前，總師單位應(yīng)根據(jù)其所處的局部環(huán)境類別、安裝區(qū)域，在相應(yīng)的多因素綜合環(huán)境試驗條件（譜）下組織開展機載成附件的綜合環(huán)境適應(yīng)性（日歷壽命/首翻期）評估與驗證試驗。

8）機載成附件研制單位應(yīng)制定具體成品、附件的摸底試驗、設(shè)計研制性試驗、環(huán)境鑒定試驗和多因素綜合環(huán)境適應(yīng)性驗證試驗大綱（含產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)及數(shù)量、試驗項目分組、各試驗項目順序安排、試驗方法、試驗設(shè)施要求，設(shè)備、儀器、儀表及其精度要求、試驗數(shù)據(jù)記錄要求、成品有效性判別準則、試驗報告要求等），并上報總師單位，經(jīng)總師單位認可后，制定試驗實施程序，并依據(jù)試驗程序開展試驗，完成試驗報告編制與評審。

3.5 編制《機載成附件安裝/連接中的CPC設(shè)計規(guī)范/要求》

電子設(shè)備、動力系統(tǒng)、操縱/液壓/環(huán)控系統(tǒng)等機載成附件裝配中常用的安裝、連接方法，包括粘接法、機械連接法、焊接（釬焊、熔焊）法等。采用粘接法選擇膠粘劑時，需考慮其電、熱、力學(xué)性能以及耐蝕性，并側(cè)重考慮膠粘劑與被粘接材料相容性、合適的表面預(yù)處理方法、膠粘劑種類等。機械連接包括夾緊連接、無焊接包封連接、機械緊固件（螺釘、螺栓、鉚釘）連接等，應(yīng)特別注意預(yù)防緊固件連接處的縫隙腐蝕和電偶腐蝕。焊接過程中，應(yīng)重點控制來自焊劑和焊劑清洗劑的腐蝕及過熱后的耐蝕性問題。同時，對于電子設(shè)備，并額外考慮電氣串接（接地）、電磁屏蔽、電搭接中的腐蝕防護與控制措施。

4 結(jié)語

受限于主、客觀因素的影響，艦載機載成附件的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計與管理體系尚不夠完善，有些想法在目前的條件下可能無法實施，尚需在遵行以下技術(shù)原則的前提下，在后續(xù)工作中予以完善。

1）基于機載成品、附件的環(huán)境評定分析（除局部溫度、濕度、鹽霧等一般環(huán)境要素外，還有霉菌及塑料、橡膠、油漆等個別產(chǎn)品揮發(fā)、降解以及航母尾排而產(chǎn)生的腐蝕性物質(zhì)），建立機載成附件的環(huán)境技術(shù)要求。

2）針對各項附件的局部環(huán)境和功能等特點，基于整機結(jié)構(gòu)環(huán)境嚴酷度分區(qū)/分類，提出腐蝕防護與控制的具體設(shè)計要求，規(guī)范/指導(dǎo)使用壽命期內(nèi)的CPC任務(wù)/活動。

3）基于整機環(huán)境嚴酷度分區(qū)/分類及各項機載成附件的裝機位置，參考國內(nèi)外相關(guān)試驗/評定標準、規(guī)范，確定機載成附件的環(huán)境試驗與評價技術(shù)指標，適時加大相關(guān)環(huán)境權(quán)重；

4）機載成品、附件的CPC任務(wù)/要求應(yīng)與相應(yīng)規(guī)范/標準及整機的CPCP協(xié)調(diào)匹配，并可通過試驗驗證和工程應(yīng)用經(jīng)驗進行補充、完善，具有可剪裁性。

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