某大型水陸兩棲飛機機載設備環(huán)境試驗研究

閆光巍 張 健 伍 峰

（1.中航通飛華南飛機工業(yè)有限公司，廣東 珠海 519040；2.中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

0 引言

環(huán)境試驗是環(huán)境工程中的一項重要內容，其相關工作貫穿于飛機研制的方案論證、初步設計、詳細設計、原型機試制和試驗以及試飛和設計定型等各個階段，是環(huán)境可靠性設計和分析的第一要素。飛機在貯存、運輸和執(zhí)行任務的各個環(huán)節(jié)中會受氣候、機械和電磁等各種嚴酷環(huán)境條件的考驗。由環(huán)境因素影響導致的發(fā)動機、操作舵面、儀表、系統(tǒng)和起落架等設備出現(xiàn)損傷或功能失效是眾多飛行事故的重要原因之一。

機載設備環(huán)境試驗提供了一種驗證環(huán)境影響的確定性手段，可發(fā)現(xiàn)和改進產(chǎn)品在結構強度、腐蝕防護以及工藝等方面的不足，也是民用飛機開展適航審定的重要部分。

某大型水陸兩棲飛機主要用于森林滅火和海上搜索救援。其中，森林滅火的主要使用地域為我國東北、西南林區(qū)等森林火災高危區(qū)和高風險區(qū)；海上救援的主要使用地域為我國黃/渤海、東海和南海周邊的中遠海海域，在一定條件下可以進行著水救援，通過改裝還可以執(zhí)行海洋環(huán)境監(jiān)測與保護、遠程島礁物資補給等任務，其任務預期的使用環(huán)境包括火場和嚴酷的海洋環(huán)境。該文從該機預期的使用環(huán)境定義、環(huán)境試驗類別識別以及飛行安全試驗等方面描述了水陸兩棲飛機機載設備環(huán)境試驗與典型民用飛機的主要差異。

1 選擇試驗標準

對民用飛機來說，機載設備環(huán)境試驗參考的標準主要包括美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)的技術標準規(guī)范（TSO）以及美國航空無線電委員會頒布的RTCA/DO—160，目前最新版本為2010 年頒布的G 版。

TSO 項目最低性能標準中大部分環(huán)境試驗都與DO—160 相同，等效于我國頒布的技術標準規(guī)定（CTSO）。RTCA/DO—160G 定義了一系列最低標準的環(huán)境試驗類別及程序，與TSO 要求相比，其試驗項目更全面，選用的級別要求更高。它還刪除了對標準中通用性低的試驗項目，例如加速度、太陽輻射以及聲振試驗等試驗項目，并增加了低溫短時工作、高強度短時振動、防冷凝水以及嚴酷鹽霧等試驗類別，類別劃分更細致。

FAA 在其發(fā)布的AC 21-16G 中推薦采用RTCA/DO—160G 標準，歐洲航空安全局（EASA）的修正案EASA CS—25 Amendment 17 也認可了RTCA/DO—160G。國內民用飛機Y12、ARJ 21、C 919、MA 700 以及HO300 輕型水陸兩棲飛機等均選用DO—160 標準作為其機載設備環(huán)境試驗的基礎標準。因此，某大型水陸兩棲飛機將RTCA/DO—160G 作為其機載設備環(huán)境試驗的審定基礎。

2 預期使用環(huán)境定義

預期的使用環(huán)境定義分為整機外部使用環(huán)境定義和內部設備安裝環(huán)境定義。外部使用環(huán)境定義主要定義飛機的溫度-高度包線、溫度變化、濕度、風、降雨、積冰、冰雹、雪、砂塵、霉菌、鹽霧、閃電、靜電、外部高強度輻射場以及滲漏污染物等相關環(huán)境適應性要求。某水陸兩棲飛機著水救援的典型任務剖面如圖1 所示。

圖1 著水救援典型任務剖面

飛機執(zhí)行的著水救援任務包括陸上機場起飛、爬升、巡航、下降、著水、水上起飛、返航及著陸等階段，既包括陸地和海洋，又包括巡航的高空段和海上搜索的低空段，使用環(huán)境復雜。

定義飛機的外部使用環(huán)境是制定機載設備環(huán)境試驗要求的基礎，設備的工作環(huán)境與其在機上具體的安裝位置有關。某大型水陸兩棲飛機機身采用部分增壓設計，根據(jù)最大使用高度、是否增壓、溫控以及部分溫控等條件，并考慮霉菌、鹽霧、濕熱以及發(fā)動機短艙區(qū)域的高溫和強振動，該文將全機環(huán)境劃分為6 個區(qū)域，見表1。

在表1 所示的4 類區(qū)域中，A 類區(qū)域環(huán)境最好，其為機組人員、滅火/搜索觀察員、救援人員和被救人員等工作或活動的區(qū)域；B 類區(qū)域環(huán)境一般，主要布置有救援任務設備，其中B類封閉區(qū)對霉菌、鹽霧的防護要求最嚴格；C類區(qū)域為外部區(qū)域，其與外界大氣環(huán)境相同；D 類區(qū)域環(huán)境最惡劣，發(fā)動機短艙結構基本封閉，不僅溫度高、振動和噪聲大，而且還是爆炸大氣存在的區(qū)域。機身環(huán)境分區(qū)如圖2所示。

表1 某大型水陸兩棲飛機全機環(huán)境區(qū)域劃分

圖2 機身環(huán)境分區(qū)示意圖

3 環(huán)境試驗類別識別

該文對RTCA/DO—160G 試驗項目類別及具體要求的裁剪原則如下：1）保證試驗項目的完整性。RTCA/DO—160G僅為設備級的環(huán)境試驗鑒定標準，應適當考慮其他系統(tǒng)級和飛機級的環(huán)境試驗鑒定項目，可參考ISO 2669—1995、GB/T 2421—2423 系列環(huán)境試驗標準等。2）當機載設備的環(huán)境條件與標準有實質性區(qū)別時，應選擇其中更嚴格的標準制定試驗要求；當試驗類別中試驗參數(shù)與機載設備實際參數(shù)有差異時，也應選擇其中最嚴格的標準制定試驗要求，例如墜撞安全持續(xù)載荷、恒定加速度以及強流體沖擊速度等參數(shù)。3）試驗程序參考標準程序執(zhí)行。但當試驗條件發(fā)生變化時，試驗程序參考RTCA/DO—160G 標準，可適當增加判斷外觀標準，例如霉菌、鹽霧以及濕熱等。4）合理裁剪，不要做過度要求。例如對于純機械固定類設備來說，可以合理刪減沙塵、霉菌等試驗項目，避免對供應商提出過多不必要的要求。

根據(jù)上述全機環(huán)境區(qū)域劃分結果以及機載設備安裝區(qū)域的詳細特征,可對RTCA/DO—160G 標準的不同章節(jié)進行裁剪，選擇合理的試驗類別。此外，還需要根據(jù)某大型水陸兩棲飛機的具體特點對標準進行修改，例如溫度高度、溫度變化、鹽霧、濕熱、霉菌、工作沖擊和墜撞安全、防水性、流體敏感性以及砂塵等試驗項目。

3.1 溫度和高度

如果超過規(guī)定的工作溫度范圍，那么某設備失去功能或性能不滿足要求，而當溫度恢復至工作溫度范圍內時，該設備也能恢復正常，仍可認為該設備滿足對溫度的要求。很多電子設備都會出現(xiàn)類似現(xiàn)象。溫度的高、低對機載設備的影響主要體現(xiàn)在金屬氧化、設備過熱、脆化和物理收縮等方面。

當選擇安裝在外部暴露區(qū)域設備的溫度、高度試驗類別時，除參考RTCA/DO—160G 第四章中定義的設備分類和該章中的表4-1 的溫度和高度標準以外，還需要考慮飛機的溫度-高度包線，如圖3 所示。

圖3 飛機的溫度-高度包線

例如根據(jù)DO—160G 的溫度、高度標準可知，某大型水陸兩棲飛機最大使用高度為7 620 m，其外部暴露區(qū)域的設備類別應為B類。但推薦的低溫工作溫度為-45 ℃，高于其溫度-高度包線定義時考慮時間風險率所規(guī)定的最低工作溫度-55 ℃，無法保證當溫度為-55 ℃～-45 ℃時設備的功能和性能特性，因此可將B類的低溫工作溫度-45 ℃調整為-55 ℃，或根據(jù)C類的相關標準進行鑒定。

3.2 溫度變化

當機載設備在高、低溫工作溫度之間變化的環(huán)境下工作時，由于不同材料的零部件膨脹能力不同，其機械應力會發(fā)生變化，因此可能會產(chǎn)生機械破壞、疲勞損傷和機械松弛等現(xiàn)象。在由環(huán)境因素引起的裝備故障中，因溫度波動而導致的故障比例高達40%。

對救援型飛機來說，其溫度變化主要是由飛機高度變化引起的。飛機在座艙密封失壓、飛機失火以及發(fā)動機故障等特殊情況下需要應急下降。在應急下降場景下，飛機的高度變化率最大，由此可推算飛機最大的溫度變化率。經(jīng)性能計算分析可知，飛機的最大下降率約為26.7m/s。該類型飛機非溫控區(qū)和外部區(qū)域的設備安裝環(huán)境的溫度變化率約為10.4 ℃/min，可考慮根據(jù)DO—160G 第五章S類設備（已知溫度變化率大于10.0 ℃/min）進行溫度變化試驗。對滅火型飛機來說，還需要考慮飛機在火場上空投水作業(yè)時的溫度變化率，在沒有充分證據(jù)指明飛機穿越火場上空的溫度變化率前，采用S類（最小溫度變化速率大于10.0 ℃/min，未知具體溫度變化率的情況下使用S類）設備進行溫度變化試驗。

3.3 鹽霧、濕熱和霉菌

由于救援型飛機一般在嚴酷的海洋環(huán)境中運行，對機載設備和結構的耐腐蝕能力有較高的要求，但DO—160G 標準中的中性pH 值為6.5～7.2，與我國實際海洋環(huán)境存在一定差異?？紤]到我國工業(yè)大氣污染及酸雨環(huán)境特點，在調配好NaCl 溶液后，通過化學純稀硫酸和化學純氫氧化鈉將pH 值調整為4±0.5，將濕度也調整為適用的98%，標準濕熱和嚴酷濕熱環(huán)境試驗周期采用1.5 倍的修正系數(shù)。

某機載救生設備材料選用30CrMnSiA，表面涂有防滑涂層，但經(jīng)濕熱摸底試驗發(fā)現(xiàn)焊接件材料不耐腐蝕，其又與鋁合金結構的支架直接接觸，存在結構縫隙，導致出現(xiàn)電化學腐蝕。這就需要更換耐蝕性較好的材料，鋼鋁接觸面使用密封膠隔離，對鋼制件進行熱滲鋅處理，結構縫隙使用密封膠填充，從而滿足要求。

霉菌在溫度為25 ℃～35 ℃、相對濕度為90%～100%的環(huán)境下生長良好，而該環(huán)境屬于水陸兩棲飛機的典型應用環(huán)境，根據(jù)DO—160G 第十三章規(guī)定的方法進行試驗。但考慮橡膠材料在機載設備上的廣泛應用及霉菌對橡膠的影響，在標準規(guī)定的菌種上可增加對橡膠件較為敏感的短柄帚霉（Scopulariopsis brevicaulis），ATCC 編號36840。目前DO—160G 霉菌試驗并無外觀判定規(guī)則，可根據(jù)長霉程度和長霉面積增加等級判定，見表2。

表2 長霉等級評定表

3.4 工作沖擊和墜撞安全

該項環(huán)境試驗分為短時的工作沖擊試驗和一定持續(xù)載荷的墜撞安全試驗。由于水陸兩棲飛機在著水時某些位置上、下2 個方向載荷超出標準推薦的3.0 g 和 6.0 g，因此應根據(jù)設備具體安裝位置載荷分布確定試驗標準，在實際值與標準推薦值中取較大者作為試驗要求。

例如為應急放下起落架提供氣壓動力的某氮氣瓶安裝于非增壓艙機頭駕駛艙氣密地板下的位置，根據(jù)RTCA/DO—160G 第7.2 節(jié)可知，對試件每個方向進行3 次沖擊，沖擊采用后峰鋸齒波，上、下方向的沖擊加速度調整為8.7 g（標準推薦值為6.0 g）。該墜撞安全試驗持續(xù)載荷的試驗量值與RTCA/DO—160G 第7.3 節(jié)推薦值的對比見表3。

表3 某氮氣瓶墜撞安全試驗持續(xù)載荷對比

在結構設計時，可通過結構仿真優(yōu)化設計，例如增加加強筋等措施對薄弱部位進行加強，使用環(huán)氧樹脂對關鍵元器件進行點膠加固處理。

3.5 防水性

防水性試驗主要用于檢測設備對噴在或落在設備上的液態(tài)水或冷凝水的耐受能力，并驗證水排除系統(tǒng)是否有效。

對A 區(qū)內的設備來說，由于有空調系統(tǒng)的調節(jié)作用，因此可不考慮冷凝水和滴水等因素對該區(qū)設備的影響，但需要考慮下列特殊情況：1）飛行機組工作區(qū)域。需要考慮因飲水而造成意外潑灑的情況對設備的影響，因此主飛行控制面板和中央操縱臺等區(qū)域可考慮按R 類進行試驗。2）盥洗室區(qū)域。滅火型飛機不適于采用打包式馬桶，救援型飛機則需考慮滴水的影響。

參考RTCA/DO—160G 第十章第10.2 節(jié)，定義機載設備防水性等級的類別，對S 類安裝在可能受到液體強大流動力作用（例如在飛機除冰、沖洗或清洗時可能會遇到）位置的設備來說，適用的試驗流程為該標準的第10.3.4 節(jié)，該程序定義的流速為“水流要有足夠的壓力，以通過直徑為6.4 mm的噴嘴后能產(chǎn)生至少6 m 揚程的水流”。

對特殊場景來說，例如出現(xiàn)水上飛機在水面滑行時產(chǎn)生的噴濺、滅火飛機的水流進入水箱等情況，應評估水流沖刷到某些特殊設備的流速，再與上述S 類設備試驗程序的流速進行對比，以評估該程序是否適用。如果超出試驗程序定義的流速，就建議改變設備的安裝位置或適應性修改試驗流體的沖刷速度。

防水性試驗不適用于氣密設備，且滿足R 類（防噴水）或S 類（防連續(xù)水）防水要求的均可不進行W 類滴水試驗。

3.6 流體敏感性

民用飛機機載設備在其生命周期內可能經(jīng)常遭遇某些特定類型的污染流體，會對其功能和物理、化學以及電氣等性能產(chǎn)生不利影響。RTCA/DO—160G 第十一章列出了機上和地面經(jīng)常遇到的7 個類別25 種典型污染流體。流體敏感性試驗只針對那些安裝位置上會經(jīng)常遭到流體污染的設備，意外泄漏、著火以及飛機重著陸等非常規(guī)情況不作為流體敏感性試驗的依據(jù)。但對設備供應商來說，為提升產(chǎn)品的適用范圍，成熟的貨架產(chǎn)品往往會盡可能多地進行流體敏感性試驗，所采用的污染流體也可能會超出DO—160G 推薦的典型污染流體范圍，其符合性方法（MoC）除試驗室試驗以外，也可通過符合性說明文件和分析的方法來表明。

除飛機在地面和飛行過程中可能遇到的燃油、液壓油、潤滑油以及除冰液等典型流體以外，還需要考慮該水陸兩棲飛機特有的滅火添加劑和清洗用液體，例如對通艙滅火藥劑箱周圍、藥劑箱和水箱內部的設備增加滅火添加劑試驗要求，對駕駛艙和通艙增加飛機使用和維護過程中使用的除銹劑、電氣緩蝕劑等污染流體試驗要求。根據(jù)燃油、液壓、電源和滅火任務系統(tǒng)等的布置情況，并結合全機的液體泄漏特定風險分析，選擇對應的污染性流體進行試驗。

例如某起落架組件除15 號航空液壓油、3 號噴氣燃料、防冰流體406B 和合成烴航空潤滑油以外，額外增加了TFQX-1 水基型清洗劑、TFQX-3 溶劑型清洗劑；對安裝在增壓艙的某氧氣瓶組件來說，除上述2 種清洗劑以外，還額外增加了電氣插頭清潔劑LSP CFC 等污染流體的試驗。

流體敏感性試驗的試驗程序分為噴淋試驗和浸漬試驗，對燃油箱、液壓油箱、風擋清洗劑等污染流體存放位置以及水密艙（含水箱）內的設備來說，應進行浸漬試驗，其他可能因污染流體滲漏、起降過程中污水和跑道防凍液噴濺以及地面使用維護過程而遭受流體污染的設備，應進行噴淋試驗。

3.7 砂塵

砂塵試驗主要用以考核當設備遭遇空氣中所攜帶的、具有一定速度的吹砂、吹塵時的能力。由于滅火型飛機在火場上空作業(yè)，森林火災釋放的煙氣除有害氣體以外，還包括大量炭黑粒子、灰分及其他燃燒分解產(chǎn)物的顆粒，因此需要考慮空調氣源系統(tǒng)的引氣和過濾能力，此外還與設備是否設有專門的防沙塵措施（例如濾網(wǎng)、防護罩等）有關。

在選取機載設備砂塵試驗的試驗要求時，應主要考慮設備的安裝位置，通常民用客機的控溫增壓區(qū)無須進行該試驗。但由于某水陸兩棲飛機空調系統(tǒng)并無過濾功能，執(zhí)行滅火任務時需要考慮煙塵的潛在影響，建議開展D 類設備防塵試驗。A區(qū)可不進行該試驗，B 區(qū)則根據(jù)設備是否帶有防護設施選擇D 類或S 類，而對C 區(qū)外部暴露區(qū)來說，則建議根據(jù)S 類設備進行吹砂和吹塵試驗。

對設備供應商來說，可考察其外漏表面是否選用了耐磨材料、是否增加了防塵罩等；對繼電器等電氣設備來說，可采取氣密密封。采取與這2 種相類似的措施，可進一步提升設備耐受砂塵影響的能力。但該項試驗不適用于應急救生斧、換乘裝置等純機械固定類設備，這類設備可通過日常維護和檢查來保證正常使用。

3.8 恒定加速度

RTCA/DO—160G 及其歷史版本中并沒有對恒定加速度試驗的具體要求，僅聲明應由特定設備性能標準的編寫者負責指定。與墜撞安全（持續(xù)載荷）考核的動力學方面不同，恒定加速度是靜力學性能試驗的一部分。因為機載設備在使用過程中經(jīng)常遭遇飛機轉彎、拉起以及橫滾等時所產(chǎn)生的緩變加速度，所以應對設備本身及其安裝裝置進行試驗驗證。機載設備是否開展恒定加速度試驗可根據(jù)其研制保證等級確定，根據(jù)對飛機和系統(tǒng)安全性的影響，對A 類和B 類設備來說，建議均進行該項試驗；對C 類設備來說，可以根據(jù)具體情況判斷是否進行試驗。

對不知用于何種平臺的設備來說，加速度閾值可參考ISO 2669，對某水陸兩棲飛機這類已知安裝平臺的機載設備來說，則根據(jù)平臺自身的特點制定加速度閾值。

例如對某水陸兩棲飛機主飛行控制系統(tǒng)的設備進行功能試驗和結構試驗，根據(jù)B 類設備類別的要求進行試驗，副翼作動器和升降舵作動器功能試驗的量值與標準推薦值的對比見表4。

表4 主操縱系統(tǒng)恒定加速度試驗量值對比

為便于試驗的開展，在實際試驗過程中，可按C 類設備類別的試驗要求進行試驗，試驗量值按表4 的1.5 倍執(zhí)行，也可以不考慮機上實際的安裝方向，6 個方向均按最大的加速度量值進行試驗。

4 飛行安全試驗

在飛行安全試驗之前，如果設備未通過環(huán)境試驗，或已通過其他可接受的方式表明符合性，而該設備又是飛行安全試驗必要的設備，為保障飛行安全，應與適航審定方溝通確定至少須開展的試驗驗證項目，例如高/低溫高度試驗、減壓試驗、振動試驗和爆炸大氣試驗等項目。申請人須對機載設備的風險進行合理評估，并承擔必要的風險，通過合理地限制首飛飛行包線、環(huán)境包線以及增加一系列的限制等措施盡量控制風險。

例如在進行墜撞安全試驗時，可采取飛行員模擬機訓練、首飛氣象條件選擇、限制首飛飛行包線、限制載荷并增加起落架不進行收放的限制等措施，盡量降低飛機發(fā)生應急著陸的風險，因此某大型水陸兩棲飛機首飛前選擇工作沖擊試驗，墜撞安全試驗則可在首飛后陸續(xù)完成。

5 環(huán)境試驗對設計的反饋指導

通過及時制定機載設備環(huán)境試驗要求，并開展摸底試驗，可以對機載設備的設計和設備安裝進行反饋指導。

5.1 優(yōu)化產(chǎn)品設計

綜上所述，通過進行沙塵、霉菌、鹽霧以及濕熱等試驗，如果設備出現(xiàn)無法滿足試驗要求的情況，則可通過采取更換設備材料、增加防塵罩、氣密密封以及熱處理等措施對產(chǎn)品細節(jié)進行優(yōu)化設計，從而保證鑒定試驗能按期完成。

5.2 優(yōu)化設備安裝

對成熟的貨架產(chǎn)品或某些因更改周期、經(jīng)費等限制而難以更改的新研產(chǎn)品來說，在難以滿足所安裝位置的設備環(huán)境要求時，可通過調整設備安裝位置開展優(yōu)化工作。

例如某水陸兩棲飛機原型機的綜合無線電導航接收機NAV 安裝于尾艙中，該處屬于非溫控、非增壓的內部半封閉區(qū)。但通過摸底試驗發(fā)現(xiàn)該設備難以滿足砂塵、鹽霧以及霉菌等試驗要求，在改進、優(yōu)化設計時，便將其布置在增壓艙通艙設備柜中，從而改善設備所處環(huán)境，并滿足設備的環(huán)境試驗要求。

6 結論

不同機載設備的環(huán)境試驗類別與設備具體的安裝區(qū)域環(huán)境有關，合理地對全機的環(huán)境區(qū)域進行劃分是開展設備環(huán)境試驗的基礎。

因為水陸兩棲飛機特殊的任務作業(yè)環(huán)境使其機載設備在溫度高度、溫度變化、腐蝕防護（霉菌、鹽霧以及濕熱）、工作沖擊、墜撞安全和流體敏感性等方面與民用運輸類或通用類飛機存在一定差異，所以應根據(jù)飛機的使用和設計特點合理地對標準進行裁減和延伸，確定適用的試驗類別，并補充恒定加速度試驗，以保證靜力學試驗的完整性。

作為機載設備裝機的最后一個環(huán)節(jié)，環(huán)境鑒定會直接影響機載設備的初始適航和持續(xù)適航，應及早開展機載設備環(huán)境摸底試驗。該文建議在初步設計階段開展環(huán)境適應性研制試驗，尋找設計和工藝缺陷，通過改進、優(yōu)化產(chǎn)品設計或調整產(chǎn)品安裝位置等手段使其滿足環(huán)境要求；在詳細設計階段進行環(huán)境響應特性調查試驗，明確設備對影響其功能和性能的主要環(huán)境試驗因素的耐受邊界，尤其對新研產(chǎn)品來說，設備供應商除滿足主承制商的最低要求以外，也應拓寬產(chǎn)品的適用能力。