軍用飛機氣候環(huán)境適應(yīng)性試驗剖面研究

吳敬濤

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

引言

我國幅員遼闊，除了涵蓋寒冷、寒溫、暖溫、亞濕熱、濕熱、干熱、冰雪、季風(fēng)、暴雨等多種復(fù)雜氣象條件，還有嚴(yán)寒、海洋、高原、沙漠等極端氣候條件，形成了復(fù)雜多變的自然氣候環(huán)境。軍用飛機承擔(dān)陸海空立體化聯(lián)合作戰(zhàn)的歷史使命，使得其經(jīng)歷的極端氣候環(huán)境更加復(fù)雜多變，遭遇極端惡劣氣候條件的幾率急速增大，且軍用飛機地面停放、服役環(huán)境領(lǐng)域更加廣闊，既可能是在自然氣候環(huán)境中，也可能是在工業(yè)大氣環(huán)境及電磁輻射環(huán)境中。為了實現(xiàn)軍用飛機全疆域部署，全天候作戰(zhàn)的戰(zhàn)略目標(biāo)，必須提升軍用飛機的環(huán)境適應(yīng)性能力，以便更好地適應(yīng)復(fù)雜多樣的服役環(huán)境。

1 軍用飛機服役環(huán)境適應(yīng)性分析

地理環(huán)境、氣候環(huán)境和作戰(zhàn)環(huán)境是對軍用飛機影響較大的三種環(huán)境因素，具體的環(huán)境種類如圖1所示。

圖1 影響飛機環(huán)境適應(yīng)性因素分類圖

地理環(huán)境和氣候環(huán)境構(gòu)成了自然環(huán)境，自然環(huán)境主要涉及地域特征和氣候環(huán)境因素。作戰(zhàn)環(huán)境指是由人為行為，具體指軍用飛機空中作戰(zhàn)引發(fā)多種環(huán)境因素的組合環(huán)境，主要包括：污染廢氣、沖擊、電磁、預(yù)警、振動等。當(dāng)軍用飛機服役環(huán)境同時遭遇以上兩種環(huán)境時，會嚴(yán)重影響飛機功能及性能的正常發(fā)揮，甚至引起嚴(yán)重事故。為了確保軍用飛機環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計的可靠性，環(huán)境適應(yīng)性試驗驗證是有效手段之一，而通過研究軍用飛機壽命期剖面，確定準(zhǔn)確的試驗剖面，是試驗驗證的基礎(chǔ)支撐。

2 軍用飛機壽命期剖面

軍用飛機特定任務(wù)階段的環(huán)境剖面可以表示為環(huán)境參數(shù)集合：

式中：

Xi—對應(yīng)軍用飛機預(yù)期可能遭遇的各種環(huán)境因素，包括溫度、濕度、太陽輻射強度、淋雨強度等環(huán)境參數(shù)。

軍用飛機某種環(huán)境條件下的任務(wù)剖面也可以表示為任務(wù)階段參數(shù)集合：

式中：

Yj—對應(yīng)軍用飛機執(zhí)行特定任務(wù)需要經(jīng)歷不同任務(wù)階段，簡化后主要包括：地面起飛、巡航、搜索目標(biāo)、發(fā)射炮彈、擊中目標(biāo)、返航等任務(wù)參數(shù)。

軍用飛機在壽命期服役過程中，經(jīng)常要面對不同的任務(wù)階段，不同的環(huán)境條件，其壽命期剖面主要由環(huán)境剖面和任務(wù)剖面組成，假設(shè)R=(rij)mxn是軍用飛機壽命期剖面關(guān)系矩陣，rij表示第j種任務(wù)階段遭遇的第i種環(huán)境參數(shù)量化值：

可以得到：

依據(jù)以上的參數(shù)集合及關(guān)系矩陣進行軍用飛機壽命期剖面構(gòu)建，同時又把任務(wù)剖面分解為作戰(zhàn)剖面和非作戰(zhàn)剖面，得到某型飛機壽命期剖面如圖2所示。

圖2 某型飛機壽命期剖面簡圖

3 軍用飛機氣候試驗剖面

3.1 試驗剖面構(gòu)成分析

試驗剖面是根據(jù)軍用飛機壽命期環(huán)境剖面制定的，對相應(yīng)環(huán)境剖面中的環(huán)境應(yīng)力進行統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)提取處理，定制環(huán)境參數(shù)量值與試驗時間的對應(yīng)關(guān)系，可直接用于飛機實驗室氣候環(huán)境適應(yīng)性驗證[1]。軍用飛機壽命期內(nèi)要執(zhí)行各種任務(wù)，還會遇到多種環(huán)境狀況。因此，有必要合理優(yōu)化多個任務(wù)剖面和各種環(huán)境剖面的組合，以獲得實驗室可操作的綜合試驗剖面。工程上一般不是針對每項任務(wù)剖面都進行所對應(yīng)環(huán)境剖面試驗，而是依據(jù)rij量值計算和專家打分加權(quán)合成規(guī)則進行環(huán)境參數(shù)及作用時間關(guān)系處理，把多個任務(wù)剖面和多種環(huán)境剖面合成一個綜合試驗剖面，具體合成規(guī)則如圖3所示。

圖3 綜合環(huán)境試驗剖面構(gòu)成規(guī)則

3.2 軍用飛機試驗剖面構(gòu)架

地面停放和空中飛行是軍用飛機服役的2個主要階段。地面停放主要跟環(huán)境剖面相關(guān)，該階段遭遇的環(huán)境剖面主要包括：溫/濕度、雨、雪、霧、冰雹、凍云、風(fēng)、太陽輻射、雷電、振動、加速度等。空中飛行階段是環(huán)境剖面和任務(wù)剖面相互疊加的過程，該階段的環(huán)境剖面主要包括高空低溫、氣動加熱、凍云、太陽輻射、低氣壓、戰(zhàn)場環(huán)境、振動、加速度等，任務(wù)剖面以機場起飛為起點，由多種任務(wù)階段構(gòu)成，主要包括滑行、起飛、爬升、巡航、待機、機動、空-空、空-地、巡航、下滑、著陸和著陸滑行等。在這2個階段分別疊加上相應(yīng)的環(huán)境剖面和任務(wù)剖面，就構(gòu)成了軍用飛機典型試驗剖面，如圖4所示。

圖4 軍用飛機典型試驗剖面構(gòu)架圖

3.3 氣候環(huán)境應(yīng)力分析

3.3.1 溫度應(yīng)力

在地面停放階段，飛機遇到的溫度環(huán)境主要有三種類型：標(biāo)準(zhǔn)日、炎熱日和寒冷日。國標(biāo)GB 1920中定義標(biāo)準(zhǔn)日的地表溫度是15 ℃；如果極端溫度的風(fēng)險率為10 %，由行標(biāo)HB 5652.1中可以查到寒冷日和炎熱日的地面溫度，炎熱日地面溫度為+45 ℃，寒冷日地面溫度為-54 ℃[2]。

在飛行任務(wù)階段，飛機遇到的溫度環(huán)境主要與飛行高度和高空大氣溫度等因素有關(guān)。飛機的高空溫度值（Tr）可根據(jù)公式（5）計算得到。

式中：

Tr—高空飛機溫度值（K）；

T0—高空大氣絕對溫度（K）；

M—飛機飛行馬赫數(shù)。

式中T0需要根據(jù)飛機飛行時大氣溫度的種類來獲得，標(biāo)準(zhǔn)日、炎熱日和寒冷日，寒冷、炎熱日T0可以依據(jù)飛行高度從HB 5652.1中查到，取風(fēng)險10 %；標(biāo)準(zhǔn)日T0可以依據(jù)飛行高度從GB 1920查到。

3.3.2 濕度應(yīng)力

由于冷天氣的絕對濕度較低，考慮實際作用效應(yīng)，濕度應(yīng)力一般在熱天地面階段施加。執(zhí)行任務(wù)階段，周圍大氣溫度低，絕對濕度較低，為了防止?jié)窨諝饫淠囼炃皯?yīng)進行實驗室除濕，試驗過程不控制濕度。熱天濕度應(yīng)力的選擇可以參考F/A-22飛機和F35B飛機，美國F/A-22飛機在麥金利氣候?qū)嶒炇覞駸嵩囼炈捎玫脑囼灄l件，選取兩組恒定溫度-濕度的試驗，一組是溫度為35 ℃，濕度為75 %RH，另一組是溫度41 ℃，濕度80 %RH；F35B飛機兩組試驗條件是溫度40.6 ℃，相對濕度74 %RH；及溫度40.6 ℃，相對濕度58 %RH。

3.3.3 太陽輻照強度

GJB 150A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》中第7部分《太陽輻射試驗》中給出3種高溫日循環(huán)條件，及這三種高溫日循環(huán)A1～A3類別的輻照度和對應(yīng)的溫度值，具體信息見表1。在確定試驗條件時，應(yīng)根據(jù)飛機的服役區(qū)域、遭遇的氣候環(huán)境和類似裝備的實測數(shù)據(jù)來進行剪裁。

表1 太陽輻射試驗高溫日循環(huán)特性

3.3.4 淋雨強度

GJB 150A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》、GJB 5431-2005《飛機結(jié)構(gòu)防水和排水設(shè)計要求》和GJB 2417-95《飛機防水試驗要求》中都給出我國軍用飛機淋雨試驗的要求和條件。實驗室飛機淋雨試驗條件剪裁應(yīng)根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，并參考國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及飛機淋雨試驗的經(jīng)驗進行。推薦軍用飛機淋雨試驗剖面見圖5，實驗室需要控制的環(huán)境參數(shù)有：降雨方向/強度/持續(xù)時間、雨滴直徑、風(fēng)速和水溫等。

圖5 淋雨試驗剖面

3.3.5 惡劣氣候環(huán)境分析

除了在以上常規(guī)環(huán)境中使用，軍用飛機環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)還規(guī)定要能在嚴(yán)寒、高原、沙漠、海洋等極端惡劣地區(qū)部署使用，其任務(wù)剖面中遭遇的極端氣候環(huán)境如下所述。

漠河是我國典型的嚴(yán)寒氣候環(huán)境，極端溫度一般可達(dá)-55 ℃，年平均溫度為-46.4 ℃。極端低溫環(huán)境會造成飛機輔助動力裝置（APU）和發(fā)動機無法啟動、起落架移動緩慢且不同步、液壓系統(tǒng)油液泄漏、環(huán)控系統(tǒng)能力不足等問題；曲折復(fù)雜的凍土地形也可能因撞擊、振動和其他影響而對飛機造成損壞。

沙漠環(huán)境具有炎熱、干燥、強太陽輻射、大風(fēng)沙等特點，太陽輻射強度最大可達(dá)1120 W/m2，沙塵強度最高可達(dá)2 g/m3。由于風(fēng)、沙、浮塵的影響，能見度極低，使飛機無法正常起飛或降落；肆虐的風(fēng)沙嚴(yán)重侵蝕飛機的機體，引起過濾器堵塞；干燥的沙塵天氣降低材料絕緣性能，產(chǎn)生靜電效應(yīng)[3]。

高原環(huán)境的主要特點是低氣壓、高太陽輻射以及溫差大等[4]。由國軍標(biāo)GJB 1172-1991可以得到，高原環(huán)境太陽輻射強度最高可達(dá)1120 W/m2，低氣壓極值可達(dá)554.7 hPa，經(jīng)常導(dǎo)致發(fā)動機功率降低，使飛機作戰(zhàn)效能受到很大影響。

海洋環(huán)境的特點主要是濕熱、鹽霧、沖擊、振動等。海洋環(huán)境鹽霧沉降量可達(dá)5 mg/m3，溫度29 ℃時相對濕度極值為99 %。海洋環(huán)境往往會引起機體的腐蝕損傷，促進裂紋的形成和擴展，進而嚴(yán)重降低飛機結(jié)構(gòu)的強度和使用壽命[5]。

3.4 任務(wù)剖面實驗室模擬

軍用飛機在完成一系列戰(zhàn)時任務(wù)時，需要完成起飛、下降、巡航等常規(guī)動作，參考美國麥金利實驗室V-22氣候試驗，制定任務(wù)剖面實驗室模擬如圖6所示。

3.5 氣候環(huán)境試驗剖面定制

軍用飛機的壽命期剖面主要包括：貯存、運輸、交付、維保、地面停放、執(zhí)行任務(wù)、日常維修、進場檢修、退役和報廢等事件，由于軍機的地面停放和執(zhí)行任務(wù)時間相對較長，其它任務(wù)經(jīng)歷時間較短，在試驗剖面定制中進行忽略處理，因此軍機試驗剖面的任務(wù)經(jīng)歷選擇地面停放和空中飛行2個主要階段，空中飛行又可分為起飛爬升、空中執(zhí)行任務(wù)和下降著陸3步驟。

結(jié)合以上氣候環(huán)境極值及飛機環(huán)境效應(yīng)分析，制定軍用飛機氣候試驗剖面如圖7所示，其中每個的任務(wù)剖面可以依照圖6進行細(xì)化及剪裁處理。

圖6 軍用飛機任務(wù)剖面實驗室模擬

圖7 軍用飛機環(huán)境適應(yīng)性試驗剖面

4 結(jié)論

針對軍用飛機環(huán)境適應(yīng)性試驗需求，分析軍用飛機任務(wù)剖面、環(huán)境剖面及試驗剖面的耦合疊加關(guān)系及編制方法，建立了軍用飛機壽命期剖面數(shù)學(xué)模型；通過對軍用飛機壽命剖面內(nèi)所經(jīng)歷的環(huán)境極值及環(huán)境效應(yīng)進行分析，提出軍用飛機氣候環(huán)境適應(yīng)性試驗剖面構(gòu)建技術(shù)。以某型軍用飛機為示例，建立了軍用飛機氣候環(huán)境適應(yīng)性試驗剖面，并明確了軍用飛機氣候環(huán)境條件及實驗室任務(wù)剖面模擬步驟，可為改善軍機氣候環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計，開展氣候環(huán)境適應(yīng)性試驗驗證提供技術(shù)支撐。