水陸兩棲飛機起落架水環境適應性驗證要求與方法

羅琳胤，舒龍珍，呂繼航，耿雷銘

水陸兩棲飛機起落架水環境適應性驗證要求與方法

羅琳胤，舒龍珍，呂繼航，耿雷銘

（中航通飛華南飛機工業有限公司，廣東 珠海 519040）

通過水浸潤、水沖擊、結冰、海洋腐蝕等水環境對起落架的影響及其損傷失效模式的分析研究，提出了水陸兩棲飛機起落架水環境驗證要求。綜合考慮環境適應性驗證規范、標準的合理選用和剪裁，建立了水陸兩棲飛機起落架水環境試驗驗證方法，涵蓋靜水密試驗、連續水沖擊試驗、泥沙水試驗、結冰試驗以及海洋環境腐蝕試驗的條件和方法，以期為水陸兩棲飛機起落架的環境適應性設計與驗證提供支持。

水陸兩棲飛機；起落架；水環境；環境適應性

水陸兩棲飛機是既能在陸地起飛降落也能在水面起飛降落的飛機，水陸兩棲飛機的使用環境較陸基飛機更為多樣化[1-2]，其服役所遭遇的地域和海域環境嚴酷、復雜。起落架是水陸兩棲飛機最為關鍵的設備，具有支撐水陸兩棲飛機入水離水、滑行起飛、著陸等功能，水浸泡、水沖擊以及結冰等水環境對起落架結構防護、設備功能都會產生較大的影響[3-4]，特別是飛機在海面使用時，海水腐蝕的影響更為突出。環境適應性是指結構、設備在其壽命期間內可能遇到的各種環境條件作用下能實現所有預定功能和性能而不被破壞的能力，是結構和設備的重要質量特性之一[5-6]。環境適應性要求是描述研制裝備應到達的環境適應性這一質量特性水平的一組定量和定性目標，也是設計用的最低環境條件[7-9]。水陸兩棲飛機起落架研制過程中，為確定其是否達到預期的水環境適應性指標，需要建立合理可行的水環境適應性驗證要求和方法。

1 水環境對起落架的影響及損傷失效模式

水陸兩棲飛機使用環境包括各種氣候、力學和生物環境，與陸上飛機相比較，水陸兩棲飛機使用環境的最大差異在于水環境[10]。不同于傳統意義上“自然界中水的形成、分布和轉化所處空間的環境”的水環境定義，水陸兩棲飛機起落架水環境是指預期使用的江河、湖泊、海洋等條件下，起落架裝置涉水狀態、濕潤程度和水質情況。其中涉水狀態包含滴水、濺水、浸水、結冰，濕潤程度指干態、半濕態、飽和態，水質又分為淡水、泥沙水、海水等情況。水陸兩棲飛機的水面飛行任務模式與陸基飛機類似，通過離岸下水、水面滑行、離水起飛、執行任務、下降、進近和著水、離水上岸等一系列的飛行階段完成既定的飛行任務。

1.1 水浸潤與水沖擊環境

水陸兩棲飛機通過起落架的滑行，由陸上進入水中或離水上岸，起落架結構和系統設備將完全浸沒在水中，水滲入密封部位、沙粒堆積導致機械活動部件卡滯、復合材料剎車盤因飽和吸濕引起剎車性能下降是水浸潤環境下起落架損傷失效主要模式。水陸兩棲飛機在起落架外伸狀態下實施水面滑行以及上岸后進行噴水沖洗，水沖擊將導致活動部件之間潤滑脂稀釋，結構和設備表面防護磨損，以及影響起落架指示、告警等傳感器功能的正常發揮。

1.2 結冰環境

飛機從水面起飛離場后，每上升1 000 m，溫度下降約6 ℃。在水面溫度接近0 ℃的情況下離水起飛，如起落架排水不暢，存留有水的起落架收放機構、剎車盤片以及機輪等部位會發生自由水結冰。在低溫環境條件下，這些部位反復遭受飛機水面滑行引起的濺水時，有可能發生過冷水滴結冰。起落架結冰將導致結構損壞，以及起落架放不下、機輪拖胎、剎車失效等影響飛行安全問題。

1.3 海洋腐蝕環境

水陸兩棲飛機在海洋環境下使用時，起落架將處于干燥、海水浸泡、海洋浪花飛濺等循環交錯狀態，其腐蝕環境包括海水腐蝕和海洋大氣腐蝕。海洋大氣腐蝕是液膜下的電化學腐蝕，海水腐蝕是以陰極氧去極化控制為主的腐蝕。國內外長期海洋腐蝕研究結果表明[11]，海洋浪花飛濺區是鋼結構腐蝕最嚴重的區域，在浪花飛濺區，材料表面受海水周期潤濕，處于干濕交替狀態，氧供應充分，腐蝕最為嚴重，同一種鋼在飛濺區的腐蝕速率可比海水全浸區中高出3～10倍。起落架在水中使用時，處于吸濕飽和狀態，但相對于飛機的整個壽命周期而言，起落架在水中的時間很短，整體環境屬于海水干濕交替。此外，水陸兩棲飛機還需考慮由機場設備工作散發的熱量或排泄的廢氣所形成的誘發環境，基本因素包括腐蝕性氣體、油霧以及爆炸性氣體等。研究表明[12]，各種廢氣使飛機表面呈酸性環境，與高溫、高濕和高鹽霧等相結合，進一步加速起落架的腐蝕。

2 起落架水環境驗證要求

水陸兩棲飛機通常按照運輸類適航標準要求開展設計與驗證，運輸類適航章程CCAR25部第25.1309條規定：“凡航空器適航標準對其功能有要求的設備、系統及安裝，其設計必須保證在各種可預期的運行條件下能完成預定功能”。功能是指產品實現或產生規定動作或行為的能力，有功能并不能說明到達設計規范規定的指標，因此還要求其性能滿足要求，只有功能、性能都滿足要求，才能說明其在預期環境下能正常工作。通常而言，環境適應性驗證首選試驗驗證，在無法或無條件開展試驗驗證的情況下，可以使用分析方法驗證或在使用過程中驗證。環境試驗可分為自然環境試驗、實驗室環境試驗和使用環境試驗[13]，自然環境試驗是將產品長期暴露于某種自然環境中，以確定該自然環境對產品的影響的試驗；實驗室環境是在實驗室內按規定的環境條件和負載條件進行的試驗，可以是模擬實際環境條件，也可以是加速條件；使用環境試驗是在規定的實際使用條件下評估裝備環境適應性水平的試驗。

民用飛機環境適應性驗證的主要依據有HB 6167《民用飛機設備環境條件和試驗方法》、RTCA DO-160G《機載設備環境條件和試驗程序》以及GJB 150《軍用設備環境試驗方法》，其中與水環境相關的有：防水性試驗、浸漬試驗、淋雨試驗、積冰/凍雨試驗、鹽霧試驗以及砂塵試驗[14-16]。由于水陸兩棲飛機起落架水環境適應性有其獨特性，這些試驗的要求不能完全覆蓋，試驗條件和參數也不全適用，其主要差異點見表1。

表1 水陸兩棲飛機起落架水環境適應性驗證需求與標準要求差異

Tab.1 Difference between the verification requirements and standard requirements for water environment adaptability test of landing gear of amphibious aircraft

根據水陸兩棲飛機使用的水浸潤與水沖擊、結冰和海洋腐蝕等水環境，起落架水環境試驗可歸結為水防護綜合試驗、結冰試驗和海洋環境腐蝕試驗。

水防護綜合試驗包括起落架靜水密試驗、連續水沖擊試驗、泥沙水試驗。靜水密試驗用于驗證起落架在靜水壓作用下設備及其連接的密封性，起落架在水中浸泡的深度、持續時間按使用限制情況并考慮一定裕度確定；機輪要模擬實際滾動，轉速和持續轉動時間按水中最嚴酷使用情況考慮。連續水沖擊試驗用于驗證連續水流沖擊對起落架指示、告警等傳感器以及視頻監控等設備功能和性能的影響，以及評估潤滑脂在水流沖擊下的附著力與涂敷狀態。起落架裝置整體用作試驗件，則要具有足夠的水壓以保證設備每個面都能承受實際使用中的壓力；單個設備逐一進行試驗驗證，則要確保設備安裝方式與在起落架裝置上的連接一致。不同于陸上飛機用吹砂試驗驗證設備對灰塵、砂塵的抵御能力，泥沙水試驗用于驗證在水流作用下顆粒對起落架緩沖支柱、作動筒等運動機構和傳感器設備的影響，泥沙成分、泥沙顆粒大小、泥沙含量以及水流速度是泥沙水試驗的關鍵參數。根據水陸兩棲飛機預期的使用區域和場景，開展不同淡水、海水水域的水質測量，在測試數據統計分析基礎上，按高置信度（97%）確定試驗用泥沙顆粒參數。

飛機在結冰氣象條件下飛行時，遇到過冷雨滴或者長時間穿越云層遇到云中過冷水滴而在起落架表面產生的冰層聚集歸屬于飛機結冰類，通過飛機模型冰風洞試驗驗證。起落架水環境試驗主要針對起落架離水后留存的自由水結冰以及水面滑行水飛濺引起的過冷水滴結冰。起落架結冰試驗要求包括結冰條件要求和起落架狀態要求。結冰條件包含環境溫度、水滴直徑、結冰類型等，環境溫度和水滴直徑對結冰過程、結冰類型和積冰的物理性能具有強烈的影響，結冰類型分霜冰和明冰。從對起落架收放結構卡滯影響程度以及破冰結構設計需要，起落架結冰類型應為明冰。結冰厚度是表征起落架結冰情況最直觀的物理量，它是控制結冰環境施加時間長短的主要參考量，不同的結冰厚度代表不同的結冰嚴酷程度，結冰厚度應根據飛機使用任務剖面和結冰條件仿真分析確定。起落架狀態要求是對結冰試驗中起落架功能或性能的要求，包括起落架收起/放下狀態下低溫浸泡時間，結冰狀態下收放過程、收放次數、收放時間、鎖機構功能等的要求，具體參數值在結冰試驗方法中規定。

海洋環境腐蝕試驗既要考慮海水浸沒、浪花飛濺以及干燥等干–濕交替狀態，也要考慮廢氣等誘發環境引起的起落架酸性鹽霧腐蝕?；谒憙蓷w機起落架存在長時間海面使用場景，需要加大試驗持續時間。

3 起落架水環境試驗驗證方法

基于自然環境試驗和使用環境試驗周期長、成本高以及條件缺乏等因素，型號研制中通常在實驗室模擬1個或多個環境因素作用對產品進行環境適應性驗證[17-20]。多環境模擬驗證可以更真實地反應設備的環境符合性，但需要編制實驗室環境譜。基于水陸兩棲飛機起落架水環境實測數據和研究數據的缺乏，以及現有技術水平，仍采用現有通用的環境試驗鑒定方法，即單一極值環境驗證方法。在對環境試驗通用標準進行合理選用和剪裁基礎上，結合水陸兩棲飛機水上使用任務剖面、水環境參數測試[21-22]確定起落架水環境試驗驗證方法。

3.1 水防護綜合性能試驗

3.1.1 靜水密試驗

靜水密試驗用于確定起落架裝置浸漬在水中時防止水滲入的能力。試驗條件和方法：將構型完整的起落架裝置浸沒在溫度8～28 ℃、1.5倍起落架使用入水深度的水中，浸漬時間為6 h。試驗過程中要以不小于5 r/min的速度在水中轉動機輪，轉動時間為10 min。為降低起落架入水深度，可采用加壓水箱進行試驗，且為便于確定或分析起落架裝置漏水位置，可在試驗水中加入螢光素等水溶性染料。

3.1.2 連續水沖擊試驗

連續水沖擊試驗用于確定起落架裝置在水中收放或上岸沖洗操作期間遇到的集水射流強力作用對設備的影響。試驗條件和方法：沖擊水流出口壓力保證通過一個直徑為6.4 mm 的噴嘴，產生至少6 m的垂直水流，設備應在1～2 m的距離受到該水流，每個面要沖洗至少5 min，水為常溫。

3.1.3 泥沙水試驗

泥沙水試驗用于確定起落架在泥沙水中使用時對水中顆粒堵塞開口、滲入活動縫隙以及接頭抵御的能力，通過起落架在水池中的收放試驗進行考核。將構型與裝機使用一致的完整起落架浸泡在水深度為1.2倍起落架實際使用入水深度的水池中，水流速度（起落架收放速度與河流/海流速度之和）為2 m/s，水流方向為起落架航向。泥沙成分為二氧化硅（質量分數為97%～99%），泥沙顆粒大小100 μm（顆粒分布D97），泥沙的質量濃度為256 mg/L，通過攪拌裝置保持水質中泥沙顆粒均勻。試驗中每持續沖擊30 min進行一次起落架收放試驗，檢查收放功能有無異常，按水上使用任務剖面要求，試驗2 h結束后，分解檢查連接及活動部位有無磨損和泥沙顆粒存在。

3.2 結冰試驗

起落架結冰試驗包含起落架自由水結冰、起落架水面飛濺過冷水滴結冰和剎車裝置自由水結冰。

3.2.1 起落架裝置自由水結冰試驗

起落架裝置自由水結冰試驗驗證在聚集游離水情況下，起落架冷表面結冰對其收放功能和性能的影響，在仿真分析或使用情況統計分析確定了起落架結冰厚度后，可參照RTCA DO 160G推薦的結冰試驗方法（C類）進行試驗驗證。

3.2.2 起落架水面飛濺過冷水滴結冰

依據水陸兩棲飛機起落架使用情況，參照MIL-STD-810G積冰/凍雨試驗方法對水滴大小、降水速率、降水方法以及冰厚度要求，確定起落架水面飛濺過冷水滴結冰試驗條件和方法如下所述。

1）冰的形成與類型。濺沫和霧狀的海水覆蓋在冰冷的起落架上形成清澈透明、光滑、堅硬的雨冰。

2）試驗溫度。試驗箱的溫度為–10～1 ℃，細霧狀的水溫度為0～3℃。

3）降水速率與降水方法。以25 mm/h降水速率將噴嘴水均勻噴灑在起落架上下、前后、四周，以保證產生純凈、均勻的雨冰層。

4）水滴直徑。水滴直徑影響著結冰過程、結冰類型以及冰的物理特性，通過試驗供氣/供水壓力調節，確保水滴直徑在1～1.5 mm。

5）結冰厚度。結冰厚度按不同型號結冰條件下過冷水滴結冰仿真分析確定，或按MIL-STD-810G形成厚度為6 mm冰層。

6）試驗控制。起落架表面應清洗干凈，并在結冰最大厚度位置安裝適當尺寸的測深標尺，達到規定的冰層厚度后，進行起落架收放試驗。

3.2.3 剎車裝置自由水結冰試驗

剎車裝置自由水結冰試驗驗證帶孔隙的C/C或C/CSi復合材料剎車盤在水中飽和吸濕后結冰對剎車裝置功能的影響。剎車裝置屬移動部件的設備，結冰可能會阻礙或妨礙發生移動，甚至冰塊的膨脹帶來的力量可能會破壞結構或功能部件。參照RTCA DO 160G推薦的結冰試驗方法（B類）進行，剎車裝置自由水結冰試驗試驗過程和主要參數為：

1）保持剎車裝置軸線與地面平行狀態，將剎車裝置整體浸泡于淡水/海水中，浸泡時間不少于2倍飛機1次上下水過程中浸泡時長或30 min，將剎車裝置從水中取出，懸空放置5 min。

2）保持剎車裝置軸線與地面平行，放入（高）低溫試驗箱，放置時剎車裝置軸線與地面平行，將剎車裝置溫度穩定在–20 ℃，并保持該溫度最少10 min。

3）以不超過3 ℃/min的速率升高試驗箱溫度，同時升高并保持（高）低溫試驗箱內的相對濕度不小于95%。保持此條件足夠的時間，以使所有的霜和冰融化或直到剎車裝置表面溫度達到0～5 ℃。

4）重復2）～3）共25個循環，在最后一個試驗循環結束，設備溫度穩定在–20 ℃之后，取出剎車裝置。

5）檢查機輪能否正常轉動，動、靜剎車盤盤脫開力矩是否小于飛機接地瞬間機輪最小地面結合力矩。

3.3 海洋環境腐蝕試驗

水陸兩棲飛機起落架海洋環境腐蝕試驗采用廢氣與鹽霧共同作用形成的酸性鹽霧試驗進行。HB 6167《民用飛機機載設備環境條件和試驗方法》、DO-160G、GJB 150《軍用裝備實驗室環境試驗方法》中鹽霧試驗方法[23-24]有連續噴霧、噴霧后干燥、噴霧后濕熱貯存等，無論是連續噴霧還是噴霧后濕熱貯存，試驗件一直處于濕潤狀態，噴霧后再干燥則真實模擬了起落架使用干濕交替狀態。GJB 150的酸性大氣試驗方法給出我國目前酸雨最嚴酷地區pH 值為4.02，將原中性鹽霧溶液pH值6.5～7.2調整為酸性鹽霧pH值4.02[25-26]。參照DO-160G章T類適用于海邊停放或使用的飛機上直接暴露于未經過濾的外界空氣中的設備，水陸兩棲飛機起落架海洋環境腐蝕試驗試驗條件和方法為：

1）鹽溶液及pH值。試驗采用5%±1%的NaCl溶液，pH值為4.02±0.5。

2）溫度。噴霧階段的溫度為(35±2)℃。

3）鹽霧沉降率在80 cm2的水平收集區內的收集量為1～3 mL/h溶液。

4）噴霧方式與試驗持續時間。連續噴霧48 h、干燥24 h，循環2次，試驗持續時間達144 h。

試驗結束后，評估起落架對鹽霧腐的蝕防護能力，檢查鹽沉積對起落架活動部分的堵塞和卡滯情況，以及電氣設施的損壞情況。

4 結語

水陸兩棲飛機起落架裝置使用環境已由傳統陸上飛機起落架的干態、濕熱、鹽霧使用環境拓展到淡水/泥沙水/海水浸泡、海浪噴濺和結冰等嚴酷水環境條件。在這些拓展的環境條件下，起落架裝置的環境適應性設計要求、試驗要求與驗證方法儲備少，研究基礎差，水陸兩棲飛機起落架裝置環境適應性驗證要求與方法還需開展深入研究。

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Requirements and Methods for Water Environment Adaptability Verification of Landing Gear of Amphibious Aircraft

LUO Lin-yin, SHU Long-zhen, LYU Ji-hang, GENG Lei-ming

(AVIC General Huanan Aircraft Industry Co., Ltd., Guangdong Zhuhai 519040, China)

The work aims to propose the verification requirements of water environment for amphibious aircraft landing gear by analyzing and studying the impact of water environment such as water immersion, water impact, icing and marine corrosion on landing gear and the corresponding damage failure mode. The verification specifications and standards of environment adaptability were reasonably selected and extracted to establish the verification method for water environment test of amphibious aircraft landing gear. This verification method covered the conditions and methods of hydrostatic watertight test, continuous water impact test, sediment water test, icing test and marine corrosion test, so as to provide support for the design and verification of environment adaptability of amphibious aircraft landing gear.

amphibious aircraft; landing gear; water environment; environment adaptability

V240

A

1672-9242(2023)01-0037-06

10.7643/ issn.1672-9242.2023.01.006

2021–11–17；

2021-11-17；

2022–01–13

2022-01-13

工信部民機預研（MJZ-2018-F-22）

Civil Aircraft Development Project of MIIT（MJZ-2018-F-22）

羅琳胤（1966—），男，博士，研究員，主要研究方向為飛機結構強度設計。

LUO Lin-yin (1966-), Male, Doctor, Researcher, Research focus: aircraft structural strength design.

羅琳胤, 舒龍珍, 呂繼航, 等. 水陸兩棲飛機起落架水環境適應性驗證要求與方法[J]. 裝備環境工程, 2023, 20(1): 037-042.

LUO Lin-yin, SHU Long-zhen, LYU Ji-hang, et al.Requirements and Methods for Water Environment Adaptability Verification of Landing Gear of Amphibious Aircraft[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(1): 037-042.

責任編輯：劉世忠