民用水上飛機機載設備腐蝕環境技術要求研究

張敬鋒，劉元海

（1.結構腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，湖北 荊門 448035；2.中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

中國民用航空規章第25 部《運輸類飛機適航標準》（CCAR-25）規定，民用飛機機載設備必須按適航標準制定或推薦的咨詢通告（AC：Advisory Circular）或行業標準完成相關的取證試驗。環境試驗是適航取證試驗的重要組成部分[1-2]，民用機載設備的規章《民用航空材料、零部件和機載設備技術標準》（CCAR-37）給出了民用飛機機載設備的技術標準規定（TSO：Technical Standard Order）[3]。在環境試驗方面，TSO 給出了通用型和非通用型環境試驗標準。其中非通用型環境試驗標準規范了環控、滅火、燃油、救生等系統具體設備/分系統的試驗項目；通用型環境試驗標準，FAA 則在發布的AC 21-16G 中強烈建議采用RTCA DO-160G。與DO-160G 對應的歐洲標準是ED-14G，其環境試驗項目與DO-160G 一致。因此，DO-160 是當前飛機機載設備環境試驗的通用型標準，適用于指導大多數機載設備開展環境試驗[4]。

TSO 文件已說明，標準規定的試驗要求是機載設備最低的環境試驗條件標準和可使用的試驗程序。這些試驗的目的是提供一個實驗室來考核產品在其使用環境中將會遇到的典型環境條件下的性能[5]。水上飛機機載設備的使用環境、使用模式與一般的民用飛機有很大的不同，僅依據適航標準給出的最低要求，其機載設備在使用過程中已經發現了一些問題。因此文中針對水上飛機的使用環境，對機載設備的環境試驗要求加以合理補充。

1 民用水上飛機的使用分析

1.1 使用模式

民用水上飛機的主要用途有：旅游觀光、測繪、環境監測、滅火、救援等。一般在陸上機場和內河、湖泊、水庫、中近海水域場站滑行起飛、降落和停泊，經常在濕熱和鹽霧的環境下工作和停放。水上飛機的使用特點使其易受腐蝕環境影響。

1）停放時間長。相比民航飛機，水上飛機飛行強度低，停放時間長，且停放的機庫、機位一般靠近湖泊、水庫或海岸。停放的地面環境成為導致腐蝕的主要因素。

2）飛行高度低。水上飛機的任務需求使得其以低空、超低空飛行為主。3000 m 以下空域必須考慮腐蝕環境對飛機的損傷效應，3000 m 以上空域由于環境介質稀薄[6]，從工程應用角度可以不考慮環境影響。

綜上所述，水上飛機的使用模式使得其總體使用環境較其他機型更為嚴酷、復雜。

1.2 使用環境分析

GJB/Z 594A—2000 將零（部）件使用環境條件分為L（良好）、Y（一般）、E（惡劣）、H（海上）、T（特殊）等5 種類型[7]。對于機載設備，可以參考這個分類。以大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機（鯤龍600）為例，基于機體結構特點以及飛機飛行狀態下不同結構區域、不同位置、不同艙段（室）局部區域環境的控制情況，將全機機載設備安裝區域劃分為5 個典型類別，各區域情況見表1。

表1 鯤龍600 飛機機載設備使用環境分類Tab.1 Classification of use environment of AG600 seaplane’s airborne equipment

這5 類基本涵蓋了水上飛機機載設備全部的使用環境，鯤龍600 是大型水陸飛機，結構組成較為復雜全面，一些小型的水上飛機，結構較為簡單，環境類別可以縮減，但所有的結構區域基本都可在這5 類中找到對應的環境特征。具體分析不同使用環境的主要影響因素，如艙內設備一般很少受到降水、砂塵和太陽輻射的影響，除非是油路（燃油、滑油、液壓油）內部的設備（TSO 往往會對這些設備給出非通用型環境試驗標準），濕熱、鹽霧等環境因素很難被隔離。對于金屬和合金，大氣腐蝕的關鍵因素為潮濕時間、SO2和氯化物污染物水平[8]。機載設備由于普遍采用金屬構件，這些環境因素對其有同樣的影響。

相對于機體結構，材料使用更為多樣的電子設備更容易受霉菌的影響。霉菌屬好氧菌，最適宜的生長溫度在25～35 ℃之間, 在相對濕度90%～100%條件下生長良好[9]。這也是民用水上飛機常見的使用環境，長期靠水停放的水上飛機機載設備生長霉菌的可能性較其他民用飛機更大。

綜合環境要素分析，選取對各部位機載設備都有影響的濕熱、霉菌、鹽霧（即常用的“三防”）三個環境因素，分析環境強度和試驗條件的對應關系。

2 腐蝕環境試驗條件及環境強度分析

腐蝕環境技術要求在原標準的基礎上作修正，必須滿足合理、適用的原則。具體操作為：按機載設備使用環境的分類情況，根據收集到的實測數據、經驗數據歸納出不同區域的環境量值，優先選用實測數據。當不具備實測或經驗數據時，參考相關規范和標準中的數據或量值。

2.1 濕熱

DO-160G 第6 章中，將機載設備的局部環境分為3 類：A 類——標準濕熱環境；B 類——嚴酷濕熱環境；C 類——外部濕熱環境。A 類環境指的是有環境控制的隔艙內；B 類環境指的是無環境控制區域內的機載設備；C 類環境指的是外部空氣接觸的設備區域。根據第1 節的機載設備使用環境分類，DO-160G中的A 類對應L 區；B 類對應Y、E、T 區；C 類對應H 區。

DO-160G 內的A 類環境專指帶環境控制的隔艙，而不是指普通的封閉機艙，一些水上飛機沒有溫控、增壓系統，則沒有滿足 A 類環境的機載設備。DO-160G 規定不同濕熱環境下的試驗條件見表2。可見在不同環境分類下具體試驗參數是不同的，總的試驗周期也不同。

表2 DO-160G 濕熱試驗條件Tab.2 DO-16OG damp heat test conditions

對比其他的環境試驗標準，HB 6167.4—2014《民用飛機機載設備環境條件和試驗方法 第4 部分：濕熱試驗》的內容與DO-160G 完全一致。我國軍用裝備環境試驗方法中GJB 150 系列標準共有兩個版本：GJB 150—1986 參照MIL-STD-810C，該版本中濕熱試驗部分共有三個程序，是按照不同類型的設備作為分類原則的[10-11]；GJB 150A—2009 則是完全等效美國軍用標準MIL-STD-810F，該版本中濕熱試驗部分合并為一個程序。HB 5830.11—1986《機載設備環境條件及試驗方法 濕熱》則與GJB 150.9A—2009《軍用設備實驗室環境試驗方法 第9 部分：濕熱試驗》的試驗條件完全相同，見表3。

對比可知，不同標準的試驗參數有所不同，但都采取交變濕熱試驗方式。DO-160G 將機載設備根據所在環境分類，試驗條件在不同環境分類下采用不同參數，顯然對設備使用環境的針對性更強。

中國典型環境地域可劃分為干冷區、內陸基本區、內陸濕熱區、溫和沿海區、濕熱沿海區、溫和海洋區和濕熱海洋區共七大環境區，并根據153 個站點8 年的環境數據進行了統計[12]。7 個典型環境區域的年平均溫濕度值見表4。

表3 GJB 150.9A 和HB 5830.11 濕熱試驗條件Tab.3 GJB 150.9A and HB 5830.11 damp heat test conditions

從表4 可知，DO-160G 濕熱試驗條件低溫低濕參數也高于所有典型環境的平均值。在試驗時間方面，標準一般建議10 個周期，該周期時間得到了美國萊特航空發展中心開展的“比較不同濕熱試驗方法有效性的計劃”研究項目的證明。采用任何一種嚴格的濕熱試驗方法，10 天后腐蝕速率就趨近于一個恒定值，10 個周期足以展示濕熱環境對大多數裝備的潛在影響[13]。因此，針對常在高濕環境運營的水上飛機，建議將DO-160G 劃分的C 類（外部濕熱環境）試驗循環提高到10 次。同樣，A 類和B 類環境，試驗時間也建議取1.5 的修正系數[14]。

表4 我國典型環境區月平均相對濕度統計值Tab.4 Monthly average relative humidity statistics of typical environmental areas in China

2.2 霉菌

RTCA DO-160G 第13 章，將安裝在能受嚴重霉菌污染環境中的設備，劃分為F 類，這類設備必須進行防霉試驗。水上飛機的使用環境使得所有機載設備都有可能遭受霉菌污染，因此建議都開展霉菌試驗。DO-160G 規定的菌種見表5。

表5 DO-160G 規定的試驗菌種Tab.5 Test fungus for DO-160G

HB 6167.11—2014《民用飛機機載設備環境條件和試驗方法 第11 部分：霉菌試驗》、HB 5830.13—1986《機載設備環境條件及試驗方法 霉菌》的試驗條件和DO-160G 一樣，但國內標準給出的菌種為CGMCC（中國普通微生物菌種保藏管理中心China General Microbiological Culture Collection Center）的編號，而DO-160G 是按照ATCC（美國模式培養物集存庫American Type Culture Collection）編號。雖然菌種編號不同，但是拉丁文名稱是一樣的，具有相同的基因序列，所以是同一類菌種[15]。GJB 150.10—1986《軍用設備環境試驗方法 霉菌試驗》給出的試驗菌組和DO-160G 一致，但在GJB 150.10A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第10 部分：霉菌試驗》中，將試驗菌種分為了兩組，見表6。

表6 中的菌種組1、2 在MIL-STD-810F 中分別對應歐洲標準和美國標準。選用菌種組1 及類似菌種的標準有：IEC 68-Z-10(C) 1984《國際電工電子產品基本環境試驗規程4 長霉試驗方法》、法國航空規范AIR7304《機載電氣設備、電子設備和儀表的環境試驗條件試驗10 抗霉菌試驗》、GB/T 2423.16—2008/IEC 60068-2-10:2005《電工電子產品環境試驗 試驗J長霉》兩組菌種里面只有一個菌相同，而且菌種組1與電工電子產品的聯系更為緊密。MIL-STD-810F 文件中有說明：“如有需要，可在本試驗方法中增加菌種。但如果使用增加的菌種，則應根據特定材料受該霉菌損害的已知情況來選擇”[16]。考慮到橡膠材料在機載設備上的廣泛應用和短柄帚霉對橡膠的強烈侵蝕作用，建議在DO-160G 選用的菌種上添加“Scopulariopsis brevicaulis（短柄帚霉）”。

表6 GJB 150.10A 霉菌試驗可選用的菌種組別和種類Tab.6 Group and classification of fungus for GJB 150.10A mould test

DO-160G 中對霉菌試驗的時間并未嚴格規定，只要求“試驗時間按接種時算起28 天，或按設備規范的規定”。具體操作時建議參考其他標準，對于在28天出現長霉但是符合要求的設備，將試驗總時間延長到84 天。84 天后，不再評價長霉等級，只判斷長霉對設備性能的影響。

我國標準對菌種的中文名稱并不統一，比如Scopulariopsis brevicaulis，在GJB 150.10A 中名稱為短柄帚霉，而在GB/T 2423.16—2008 中則被稱為短帚霉，另外在一些技術文稿里又被稱為光孢短柄帚霉。建議在描述菌種的時候，附上拉丁名和編號，防止誤解。

2.3 鹽霧

RTCA DO-160G 第14 章，將設備分為S 類和T類。S 類指安裝在飛機正常使用過程中所能遭受腐蝕大氣影響部位的設備，對應L 區；T 類設備安裝在能遭受嚴酷鹽霧大氣環境的位置（如在海邊停放或使用的飛機直接暴露于未經過濾的外界空氣中的設備），基本包括水上飛機除增壓艙外的所有部位，因此對應Y、E、H、T 區。不同分類對應的試驗要求見表7。

表7 DO-160G 鹽霧試驗方法Tab.7 DO-160G salt fog test method

HB 6167.12—2014《民用飛機機載設備環境條件和試驗方法 第12 部分：鹽霧試驗》的內容與DO-160G 一致，也與GJB 150.11A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第11 部分：鹽霧試驗》的試驗條件基本一致。GJB 150.11A—2009 未針對裝備的具體結構環境區域進行細分，對試驗周期也僅建議2 個周期（96 h）或增加試驗循環次數，以便對裝備耐鹽霧環境能力給出更高置信度的評價[17]。

從20 世紀60 年代開始，美國國防部針對海軍裝備面臨的海洋大氣腐蝕問題，通常采用模擬海水或一定質量濃度NaCl 溶液的中性鹽霧試驗方法加以考核。該類方法多基于ASTM B117 標準[18]，MIL-STD-810 系列標準中的鹽霧試驗方法就是其中的典型代表。隨著航空裝備的快速發展，美國航空材料實驗室的研究人員發現，中性鹽霧試驗往往無法準確暴露腐蝕問題。在一項針對機載電子產品的隨艦暴露試驗中，有11 項產品均出現了由腐蝕導致的問題，但在實驗室經過500 h 的中性鹽霧試驗，其中僅有3 項產品出現了類似問題[19]。

在民用飛機的使用過程中，工業廢氣、酸雨等與海洋鹽霧組合成的酸性潮濕環境，使得機載設備常處于酸性鹽霧中，酸性液體會增強鹽霧對機載設備的腐蝕作用。當前我國的酸雨區主要分布在長江以南的廣大地區、東北東南部、華北的大部以及西南和華南沿海等廣大地區，酸雨分布區大致呈東北-西南走向[20]。這些地區也是水上飛機的主要使用地區，酸雨的成因也以硫酸型污染為主[21]。

根據相關“鹽霧-SO2”試驗方法的研究探索[22]，對于水上飛機面臨的工業廢氣與鹽霧共同作用形成的酸性鹽霧對機載設備的影響，可采用在DO-160G 鹽霧試驗方法的鹽霧噴霧中加入稀硫酸調節pH 值的方法加以模擬。參考GJB 150.28—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第28 部分：酸性大氣試驗》中給出我國目前酸雨最嚴酷地區最低pH 值為4.02[23]，鹽霧試驗在使用DO-160G 規定循環次數的同時，將鹽霧溶液pH 值在原6.5～7.2 的基礎上，建議調整為4.02。

3 結語

針對民用水上飛機機載設備，在適航規范給出的DO-160G 基本試驗條件的基礎上，參考相關標準規范，結合具體使用環境，對濕熱、霉菌、鹽霧的技術要求做了適當補充，目的是提高水上飛機機載設備的環境適應能力。試驗條件改進依據充分合理，能夠適用于民用水上飛機機載設備的腐蝕環境適應性評估與驗證。需要指出的是，由于水上飛機使用環境較為廣泛，在不同緯度、湖泊或是海邊使用的水上飛機所受的環境因素也有所不同，文中給出的是較為普遍的環境試驗要求。若需要針對更為具體的使用環境做測試，建議根據實際采集的環境當量進行分析權衡。