海洋環境下機載電子裝備腐蝕防護設計與典型工藝研究

史亮，張裕，肖偉

（中國電子科技集團公司第五十二研究所，杭州 311121）

引言

腐蝕是飛機機載電子裝備的主要失效形式之一，對服役于海洋環境下的艦載飛機（包括艦載直升機、固定翼飛機和無人機）則更為突出，它將影響機載電子裝備運行的可靠性、安全性和穩定性。特別是多數電子裝備、電纜、搭接線都處于機身蒙皮與內飾之間，可維修性較低，且腐蝕難以發現，因此，腐蝕的發生大大的增加了飛機使用維護成本，嚴重時甚至危及飛行安全。

海洋環境下機載電子裝備的腐蝕防護決定了飛機機載電子裝備的壽命和耐久性。在設計過程中，腐蝕防護設計是保證飛機使用壽命期內結構完整性的重要內容，是飛機高可靠性、易維護的重要保證。

本文通過對艦載飛機所處的海洋環境進行影響分析，研究機載電子裝備有關腐蝕防護設計與典型工藝，并通過試驗驗證其有效性，希望可為有關裝備研制工作提供參考。

1 海洋環境分析

伴隨著走向深藍的腳步，有關裝備的研制也面臨著許多新的挑戰，海洋環境下機載電子裝備的腐蝕防護便是其中重要一環。海洋環境與內陸環境相比差別極大，海洋環境下空氣濕度大、鹽霧濃、霉菌多，環境更為惡劣，這些直接導致了艦載飛機相比陸基飛機腐蝕情況更為嚴重。根據美軍對沿?？哲娀氐恼{查統計數據[1]，大約40 %的軍用飛機機載電子設備故障是由于腐蝕直接導致的[2,3]，而如果加上海洋環境引發的間接因素，那么自然環境因素將占到了故障原因的70 %以上[4]，即海洋環境引起的設備腐蝕和霉變。接下來將圍繞機載電子裝備所處的載機總體環境和局部安裝環境分別進行分析。

1.1 載機總體環境

艦面機載電子裝備在其服役壽命周期內所處的載機總體環境可以分為三類：艦上環境、使用環境和維護環境。

1）艦上環境

艦載飛機服役期間，長期處于高鹽、高濕和高溫環境中，而且受燃料廢氣所含的硫化物影響，疊加了酸性大氣腐蝕環境。四種腐蝕環境同時存在又相互作用和疊加影響，使得艦載飛機相較于陸機飛機的腐蝕風險問題更加突出[5]。艦載飛機上的機載電子裝備及其附件雖然通常安裝于飛機機體內部，但在服役期內同樣面臨上述四種腐蝕環境的影響，因為這些安裝部位通常并不是完全密封的，而且由于處于飛機內部，使得檢查腐蝕情況更加困難[6]。

由于艦船上機庫容量有限，通常不能容納所有的艦載飛機，相當一部分艦載飛機將直接停放于艦船甲板上，飛機口蓋、艙門和設備區等需頻繁開啟進行檢查、維護和修理。而一般情況下，艦載飛機和艦船采用的化石燃料主要包括航空煤油、艦船用柴油或重油，艦載飛機和艦船排放的尾氣所含的二氧化硫（SO2）在海洋環境下的潮濕空氣中會形成腐蝕性極強的硫酸水汽（H2SO4）。因而，在飛機維護、修理等長時間打開機載設備區時，硫酸水汽會滲入機體及裝備中加速腐蝕的產生。此外，當遇到海上惡劣天氣時，飛行甲板被海水沖刷，飛機及外露的機載電子裝備處于海水飛沫和鹽霧空氣中，會受到海水、鹽霧的直接侵蝕，艦載飛機機載電子裝備腐蝕圖見圖1、圖2。

圖1 艦載飛機機載電子裝備腐蝕圖

圖2 艦載飛機機載電子裝備腐蝕圖

2）使用環境

參考美軍的有關數據，其常規動力航母搭載的艦載機每架次平均每天約有1 h的飛行時間，其核動力航母搭載的艦載機由于可使用電磁彈射裝置提高了起飛效率，每架次平均每天可達到2 h的飛行時間，這已經是相當高的訓練強度[7]。由此可見，艦載飛機絕大部分時間處于甲板停機狀態，飛機長時間靜置，熱量缺失的機載電子裝備在非工作階段腐蝕行為更為活躍（熱量可驅除和減少濕氣）。同時，因為水分離器和空氣調節器的停止工作也會使得密封失去效用。

此外，海軍飛機在低空掠海飛行過程中，含鹽分濕氣會滲入飛機中，極易導致電纜、電連接器、控制開關、焊接線和電搭接處等零件或部位產生腐蝕問題，見圖3。

圖3 艦載飛機航空連接器腐蝕替換件圖

3）維護環境

①艦面及靠港維護

機載電子裝備長時間在艦面或靠港維護操作會帶來一些潛在問題，靠港拆卸維護和修理可能會損傷原有密封、破壞密封完整性、破壞緊固件的鎖緊、磨損電鍍層。部分系統口蓋長時間開啟（如天線屏蔽器、設備區艙門，維護口蓋等），海洋環境下的高鹽、高濕、高溫空氣將對電子裝備內部的電子元器件和金屬結構件造成腐蝕損傷。

②艦載飛機的清洗

為防止艦載飛機的腐蝕，原則上應頻繁清洗機體上的鹽霧沉積物，但受限于海上淡水資源及設施設備，通常情況下每隔2周會使用清洗劑和淡水清洗機體上的鹽霧沉積物，包括對通風口、進氣孔閥、蒙皮和其它潛在進水處進行清洗，清洗頻率、清洗質量遠遠不及岸基飛機。清洗中若口蓋、艙門的密封老化和損壞，則會導致滲水，引發局部腐蝕。而沖洗下的油污、燃料殘渣和其它表面污染物，會對電纜絕緣包皮造成腐蝕。

1.2 局部安裝環境

機載電子裝備安裝在艦載飛機平臺上，其所處局部安裝環境不盡相同，所受到的平臺誘發腐蝕環境也存在差異。參照GJB/Z 594A-2000[8]，并根據艦載飛機機體結構特點，以及飛機不同結構區域、位置、艙段（室）等局部區域環境在飛行狀態下的控制情況，機載電子裝備局部安裝環境可劃分為Ⅰ類（內部封閉環境區）、Ⅱ類（內部半封閉環境區）、Ⅲ類（敞開/外露環境區）3個等級[9]，對應不同的環境要素和使用特性，具體差異及特點見表1。

表1 機載電子裝備局部安裝環境分類表

不同等級的區域環境，其對應的環境要素和使用特性不同，誘發腐蝕環境也存在差異。

1）I類（內部封閉）環境區

I類環境區安裝的電子裝備一般情況下不直接暴露在海洋大氣中，但在設備故障維修階段，這些封閉駕駛艙、工作艙、設備艙的艙門或口蓋將被長時間打開，有時修理故障周期長達10 h以上，此時高濕、高鹽霧和含燃料廢氣的腐蝕大氣將進入密封艙室。此外，遭遇惡劣海況天氣時，內部電子裝備也可能會受到海水的直接侵入。

2）Ⅱ類（內部半封閉）環境區

Ⅱ類環境區安裝的電子裝備，會遭受更大幾率的腐蝕因素影響。Ⅱ類區域往往是非密封或者氣密的結構區域，該環境區的鹽霧情況與飛機外部環境類似，但飛濺的海水、雨水及外部結構產生的凝露（含有腐蝕性極強的硫酸H2SO4）等會沿縫隙滲入機體及設備中，在一定的溫度影響下，內部水汽的蒸發形成更惡劣的濕熱環境，而加速電子元器件（如電連接器），異種金屬接觸部位（如螺釘、螺母、緊固件、支架等），控制桿開關面板和控制臺等機載設備的腐蝕。

同時，艦載飛機日常維護中的清洗操作也會為Ⅱ級環境區的電子裝備帶來極大的影響。表面活性劑在清洗飛機零部件時會降低其表面張力，使得清洗溶液具有很強的滲透性，溶解了油污、燃料殘渣和其它表面污染物的清洗劑，會沿縫隙滲入機體及設備中，加速腐蝕非金屬材料（如電纜絕緣包皮）。

2）Ⅲ類（敞開/外露）環境區

Ⅲ類環境區的電子裝備將同時受到I區、Ⅱ區腐蝕環境因素的影響，并更加的嚴酷。如起落架艙，在艦載飛機停放階段，起落架艙直接暴露在海洋環境下，長期遭受高濕、高鹽霧海洋大氣環境的作用。同時，中大型艦船動力系統化石燃料燃燒產生的廢氣以及艦載飛機起降過程中排出尾氣會與海洋鹽霧組合產生酸性潮濕層，通常會形成酸性液膜附著在飛機結構表面，這種復合酸性鹽霧將強化對艦載飛機機載電子裝備的腐蝕作用[10]。而遇到惡劣天氣時，飛行甲板被海水沖刷，飛機及外露的機載電子裝備處于海水飛沫和鹽霧空氣中，會受到海水、鹽霧的直接侵蝕。

2 腐蝕防護設計與典型工藝

2.1 材料選用及表面處理（涂層）

根據以上環境分析可知，即便機載電子裝備安裝于條件相對較優的Ⅰ類（內部封閉）環境中，電子裝備外表面依然會在特定條件下暴露在高濕、高鹽霧和含燃料廢氣的腐蝕大氣環境中，承受較為惡劣的環境因素的影響。電子裝備內部各零部件及功能模塊則主要依賴于電子裝備本身的密閉設計將內外環境進行隔離。因此，在材料選用及表面處理（涂層）方面主要采取以下措施：

1）優選系統目錄內材料和已成熟應用并驗證可靠的牌號、型號；

2）所有目錄外材料提前進行摸底驗證，確保所選材料符合環境指標要求；

3）所有金屬材料、印制板等均進行嚴格的表面處理措施。

機載電子裝備典型材料及表面處理（涂層）如表2所示。

表2 機載電子裝備典型材料及表面處理（涂層）表

2.2 結構設計與工藝

為應對高濕、高鹽霧和含燃料廢氣的腐蝕大氣環境，整體結構上通常采取密封機箱設計，將內外環境進行隔離，避免外部腐蝕介質進入裝備內部，一般可采用以下腐蝕防護設計原則：

1）應考慮裝備在機體安裝時的姿態，如在頂部吊裝、側壁安裝的設備，必須考慮在裝機狀態下的防排水問題；

2）焊接結構機箱不能在有應力腐蝕的環境條件下使用；

3）上蓋板表面不得有凹槽或減重腔，或將減重腔設置在機箱內部，避免積水腐蝕，如圖4所示；

圖4 裝備機箱結構設計圖

4）可采用雙重密封結構設計方案，外層隔絕環境，內層電磁屏蔽，在保證環境密封設計的同時兼顧電磁屏蔽性能，如圖5所示；

圖5 雙層屏蔽密封設計示意圖

5）外表面應避免布置凹槽、盲孔、縫隙、孔隙和尖角，盡量單一、致密、光滑，保證腐蝕性介質不易滯留和聚集；

6）零部件盡可能避免采用異種金屬接觸，以避免電偶腐蝕[11]。必須接觸的異種金屬，應采取防接觸腐蝕的控制方法，例如對黃銅接地柱進行表面鍍鎳處理[12]，在安裝時保護表面鍍層，同時對接地柱安裝尺寸進行嚴格控制，避免過盈配合，確保不會進行強迫裝配而破壞鍍層；

7）緊固件盡量安裝在垂直面上（沿側面邊緣分布），若不可避免在機箱頂部安裝緊固件，應采用密封劑進行濕安裝，并進行封包處理；

8）盡量水平安裝電連接器，避免垂直安裝電連接器，如圖6所示，必要時可通過使用“L”型的電連接器尾部附件來改變電纜走向，確保電連接器水平安裝；

圖6 典型電連接器安裝圖

9）內部各功能模塊、背板等印刷電路板均以豎直方向裝入機箱，盡量避免水平安裝，防止濕氣、冷凝水聚集；

10）活動組件的零部件需進行表面處理后涂覆潤滑脂。

2.3 線纜設計與工藝

線纜是機載電子裝備與外部實現信息交互的重要傳輸通道，也是裝備正常工作的供電渠道。線纜的設計十分關鍵，是其壽命期內正常工作，免受腐蝕影響的重要保證。由于裝備內聯線纜主要依賴于電子裝備本身的密閉設計將內外環境進行隔離，故此處主要討論外聯線纜的設計要點，一般可采用以下腐蝕防護設計原則：

1）穿艙線纜通道盡量避免設置在易積水位置，如必需設置于易積水的位置，則應在通道口設防水密封堤，堵塞滲漏通道，并密封好電纜尾部附件，如圖7所示；

圖7 穿艙線纜示意圖

2）線纜避免從上方或側上方進入電連接器，使得水份、操作液體沿線纜走向流入電連接器內部。線纜應保留足夠長度余量，設置低位滴水或滴水環，如圖8所示；

圖8 滴水環示意圖

3）線纜外部需要進行防護，特別是金屬外殼的半鋼電纜。線纜外部可采用帶膠熱縮管或電氣專用緩蝕劑等控制腐蝕的措施，特別是位于Ⅱ類（內部半封閉）和Ⅲ類（敞開/外露）區域的線纜，極易產生腐蝕問題，可噴涂電子設備專用水置換型緩蝕劑（如CRC 3-36）；

4）在線纜選型方面，應選擇具有絕緣性能好、耐化學穩定性高、易加工等特點的線材。一般可采用聚四氟乙烯絕緣安裝線，不允許使用聚氯乙烯安裝線；

5）在線纜電連接器選型方面，應根據電連接器所處位置選擇合適的殼體材料，具體如表3所示；

表3 線纜電連接器選型建議表

6）線纜電連接器與線纜連接處可采用灌封防護工藝，保證密封層平整覆蓋線纜芯線剝皮部分。灌封完成后，在電連接器殼體及尾部附件外表面噴涂電氣專用緩蝕劑；

7）在完成航插頭與航插座對接后，為防止插頭插座連接體本身密封泄露，可在插頭與插座螺紋連接處及插頭尾部卡簧縫隙使用有機硅密封劑密封。

2.4 過程控制

1）確保車間半成品倉庫保持清潔、干燥，預防雨水及腐蝕性介質侵入。對金屬有害的化學藥品和其它物質應單獨存放[13]。在半成品倉庫存放的零件應注明封存日期，并定期檢查存放質量；

2）確保在金屬零件上做標記所使用的標記筆不含有石墨（碳）等對金屬有不良影響的成分[14]；

3）確保所有作業、檢驗、調試等人員，不赤手接觸零件的最終加工表面[15]；

4）確保具有最終加工表面的零件、易銹零組件、熱加工后需要防銹處理的零件和組裝后的部件，均得到及時清洗并進行防銹處理；

5）確保所有組裝后的整件都應進行清理以去除殘留物（如金屬屑、破碎緊固件和灰塵）[16]。

3 試驗驗證與結果分析

3.1 試驗驗證

本單位某型機載電子裝備應用以上腐蝕防護設計和典型工藝方案進行了樣機投產，并以本樣機為樣本，在2021年12月～2022年1月期間，根據GJB 150.9A-2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第9部分：濕熱試驗》[17]、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》[18]和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》[19]，在濕熱、霉菌、酸性鹽霧等環境條件下進行了試驗驗證，具體見表4所示。

表4 濕熱、霉菌、酸性鹽霧環境試驗驗證匯總表

3.2 結果分析

經試驗驗證，試驗樣本在濕熱、霉菌、酸性鹽霧等腐蝕環境下，可保持結構穩定性，達到有關防護指標要求，實現腐蝕防護設計目標，本文所述腐蝕防護設計和典型工藝方案切實有效。

4 結束語

近年來，我國海軍重大裝備建設領域取得了長足發展，以中大型艦船為載具平臺的艦載飛機使用日益常態化，直接面對著海洋環境對有關裝備的嚴酷考驗。與一些擁有豐富艦載飛機使用經驗的國家相比，我國起步晚、經驗淺、樣本少、數據缺，因此，研究海洋環境下機載電子裝備腐蝕防護設計和工藝具有很強的現實意義和理論價值，希望可為有關裝備研制工作提供參考。