通过对航空装备典型腐蚀问题梳理发现,恶劣海洋环境下航空装备腐蚀呈现出“早、快、广、深”的特点,即发生早,发展快,范围广,程度深。腐蚀问题主要集中在表面涂层(防护功能失效、涂层受损或防护不到位)、封闭/半封闭舱室区域(制造死角和易积水或排水条件差,维护困难)、连接区域(紧固件和紧固孔周围)、搭接结构(异种金属接触)、活动部位(存在结构缝隙)、电气部位、多因素工况耦合部位(热、力、磁)等。主要问题可以归纳如下。
(1)腐蚀防护涂层体系弱化或老化。由于飞机设计生产时未考虑恶劣海洋环境下飞机的服役情况,并且受技术和成本等各种因素限制,在恶劣海洋环境下,飞机腐蚀防护涂层体系的老化现象普遍存在于其他各型飞机中,尤其是服役时间较长的飞机,蒙皮涂层在高温、髙湿、高盐雾、高紫外线环境下容易发脆,涂层龟裂、剥落和掉块现象较为严重,其中迎风面(直升机的旋翼面、固定翼飞机的进气道唇口、垂尾、机翼前缘等)漆层脱落严重,甚至部分区域底漆也出现脱落,露出结构基体。由于表面防护体系的防护能力下降,如果不采取及时修复措施,那么机体很快出现腐蚀。
(2)起落架结构及舱室腐蚀。起落架结构本身是金属材料,对于髙温、高湿环境非常敏感,飞机地面停放时由于起落架直接暴露于外部环境,高温、高湿气体最先容易影响到结构材料,同时起落架结构又处于最低端,因此机体表面积水、污染物等都容易在此聚积,这些都会加速起落架结构的腐蚀。起落架舱室是半密闭式结构,高温、高湿气体不容易流通出去,因此舱室内的附件、导管等也容易产生腐蚀现象。
(3)螺(铆)钉电偶搭接部位锈蚀。恶劣海洋环境下,所有机型不同程度上都存在螺(铆)钉的锈蚀现象,螺(铆)钉锈蚀多数是由于异种金属接触在潮湿环境下造成的,锈蚀会造成螺(铆)钉强度下降,飞行中在气动力作用下容易出现松动、变形甚至断裂,从而引起蒙皮变形或结构承力条件恶化,造成飞行安全隐患。
(4)金属卡箍、管夹腐蚀。金属卡箍、管夹的腐蚀在所有机型中也是普遍存在的,由于金属管夹多是异种金属接触的形式,且多位于舱室内部,排水和降温不畅,容易造成腐蚀的环境。此外,冷气导管和电气接头处的腐蚀问题明显要多于液压导管,这也与其工作环境有直接关系。
(5)结构件下表面腐蚀比上表面严重。沿海机场相对湿度大,机体下表面离地面比较近,受地面潮气影响大。结构件内部积聚的水分一般在下表面,不易蒸发,所以结构件下表面容易出现缝隙腐蚀,而且比上表面严重。
(6)机载设备、电子电路系统腐蚀比较严重。各种电子电器插头及电缆防护套易腐蚀、长霉,主要是舱内插头、机构插头、接盒插头等;开关、计算机安装架、天线罩等出现锈蚀等。
(7)发动机热带海洋环境下腐蚀损伤显著。压气机叶片、涡轮叶片、涡轮盘、机匣连接接头、紧固连接件、衬套、组合件接合面、外部管路、卡箍、排气管、整流罩、喷嘴管、油管接头、固定销、焊缝、螺钉锁片、电磁活门、调速蜗杆等自身结构复杂且需要承受恶劣海洋环境与复杂工况环境共同作用的部位是腐蚀损伤易于发生的薄弱环节。
1)缺少专门机构和科学的管理制度
腐蚀防护与控制是一项复杂的系统工程,涵盖选材、设计、制造、试验验证、修理、使用维护等全寿命期的各个阶段。目前航空装备腐蚀防护与控制在管理方面主要存在以下3个方面的问题。
一是,没有设置专门的航空装备腐蚀防护与控制的组织机构和科学的管理制度,缺少对口管理的机构,相关部门职责不明确。
二是,缺少由管理部门牵头、腐蚀防护专家参与制定的航空装备腐蚀防护与控制大纲等顶层文件。
三是,缺少航空装备腐蚀防护与控制长期规划,在相关计划和项目安排方面针对性不强。
2)缺少配套、完整的技术文件和管理措施
针对恶劣海洋环境条件下使用的航空装备,缺少配套、完整的腐蚀防护与控制技术文件和相关的管理措施,包括研制阶段的腐蚀防护与控制指南、制造中防腐工艺细则或工艺规程、腐蚀修理大纲与技术要求、试验考核验证等。目前,虽然有些也涉及腐蚀防护方面的内容,但设计之初由于技术继承性和成本等各种因素限制并未考虑到在严酷环境下使用,整机及各系统防腐体系总体技术状态较差。
3)缺少综合治理腐蚀“短板”问题的策略和方案
航空装备腐蚀是一个涉及多类结构、多种系统和多个阶段的复杂问题,各类结构、系统和阶段既相对独立,又相互影响。一方面,结构材料及形式种类繁多,各系统及各类机载设备复杂多样,但它们受环境腐蚀影响的模式、程度、规律及结果有很大差异,也就是说各类结构和系统的抗环境腐蚀能力有明显差异;另一方面,腐蚀防护与控制涉及选材、抗腐蚀细节设计、制造工艺、试验验证、修理和使用维护等不同阶段,各阶段对环节腐蚀防护与控制的侧重点、方法、要求和措施也各不相同。
4)航空装备抗腐蚀品质“先天不足”
在研制阶段虽然在腐蚀防护与控制方面采取了一些针对性的技术和措施,但在选材、抗腐蚀设计和制造工艺中存在明显缺陷和不足,导致航空装备抗腐蚀品质“先天不足”的问题没有得到根本解决,主要体现在以下5个方面。
一是,在设计选材方面,材料抗腐蚀、抗老化性能指标不全面,试验数据不充分;橡胶垫、密封件的严重老化失效问题非常普遍和突出。
二是,航空装备表面防腐涂层抗环境腐蚀老化性能较差,使用寿命较短,在严酷环境下结构表面涂层普遍存在粉化、鼓包、开裂和剥落现象,尤其是连接部位、迎风面涂层更容易失效。
三是,结构抗腐蚀细节设计缺陷普遍存在。例如,紧固件、搭铁线等连接部位没有采取有效的电绝缘隔离措施,容易聚集腐蚀介质,很容易发生电偶腐蚀问题。
四是,密封防水设计和工艺措施缺陷普遍存在,雨水、潮湿空气很容易渗入结构缝隙或死角,这些部位往往不可达或通风、排水不畅,腐蚀介质长期积留或处于干湿交替的状态,局部环境更加恶劣,腐蚀问题更加突出。
五是,电子产品内外结构易出现呼吸效应,各种电缆及电子电器插头、接头等电连接部位容易渗入雨水或潮湿空气而腐蚀,霉变现象导致电性能下降或丧失功能,同时引起焊接、连接强度极大降低,电缆接头接触松弛或断针现象普遍,严重时导致故障频繁发生,引起短路或断路故障。
5)环境试验方法不合理,试验验证不充分
一是,标准方法不合理。目前还没有建立恶劣海洋环境下的评定方法和标准,现有的评定方法及考核验证试验主要是针对一般环境条件制定的,或者引用的国外的一些标准,不适用于航空装备恶劣海洋腐蚀问题。
二是,试验件或试验样品不合理。现有的评定试验,多采用材料级或元件级试样,不能全面反映结构特征、不同材料耦合效应、尺寸效应、载荷作用等情况的影响。
三是,采用单一因素的环境试验代替多因素耦合的环境试验,不能综合考虑多元环境/载荷耦合的影响,试验结果往往不能准确反映航空装备结构或机载设备的失效特征、机理和规律。
6)航空装备修理中腐蚀修理技术滞后
目前修理技术基本上是针对一般环境而非恶劣环境下使用的航空装备,主要存在以下3个方面的问题。
一是,缺少严酷环境下的腐蚀修理技术标准,尤其是缺少航空装备在恶劣海洋环境下,发生腐蚀后的修理标准和工艺或应对措施。
二是,腐蚀修理受条件限制,腐蚀修理标准难以掌握,修理手段欠缺,修复效果较差。在发现腐蚀后,在时间紧、任务急的情况下,只能利用现有的油漆进行简单的刷涂,甚至用快速修复漆,修补后漆层黏附力不足,防护性能难以达到标准要求。
三是,腐蚀修理标准和工艺更新速度慢。飞机送厂修理时,受技术水平或成本的限制,腐蚀修理标准、工艺及防腐改进措施更新不及时。
7)腐蚀防护与控制缺少有效的技术措施
采取合理的干燥除湿技术、清洁等措施可有效缓解或控制恶劣海洋环境下的腐蚀问题。目前我国航空装备腐蚀防护与控制的具体问题可归纳为以下4个方面的问题。
一是,认识上存在局限性,绝大多数不可达内部或不可检结构、系统或机载设备基本上未采取有效防护措施。
二是,标准、规范缺项多。目前标准、规范多是一些顶层设计规范和通用要求,而不针对具体机型,尤其缺乏外场维护的操作规程,使用阶段难以有效开展腐蚀维护工作。
三是,防腐设备、产品及工艺不规范。目前,外场清洗采购抹布、拖把等清洗工具和用品,使用普通塑料桶将清洗剂稀释后,依靠人工擦洗、手工打磨,工作效率低。在进行刷漆、涂抹油脂等表面防护时,处理工艺不规范,效果较差,容易留下腐蚀隐患。
四是,缺少腐蚀防护专业的技术人才。缺少腐蚀防护人才培训规划、机制及配套措施,没有经过专业化培训的腐蚀防护和修理人才队伍,严重制约了飞机腐蚀防护工作的有效开展。
1)加强恶劣环境地区的环境及腐蚀数据采集与应用
环境数据采集:针对航空装备腐蚀故障高发的地区,应加强系统收集大气、航空装备局部区域气象环境因素及介质环境因素数据,按环境因素对装备作用强度、作用时间统计分析,建立各区域气象环境因子、介质环境因子数学模型或函数关系,编制局部腐蚀环境谱,为航空装备腐蚀防护论证、指标设计提供真实有效输入。
腐蚀数据采集:采集恶劣外场试验数据,包括航空装备结构、附件、电子系统及发动机上使用的材料及涂覆层,如结构钢、铝合金、复合材料、橡胶、塑料、隐身涂层、防护涂层、密封剂、镀层等;典型结构件,如承力部件、紧固连接件、油箱、机箱、机柜、半封闭构件、传感器、插接件等。补充部分试验,对数据统计分析,总结腐蚀规律,为腐蚀损伤容限及腐蚀控制方案的制定提供数据与工作基础。同时,应特别注意航空装备的多元工况使用特点,加强对工况—环境耦合/组合效应的效应研究。
2)修改、完善航空装备恶劣环境试验鉴定方法、标准
多型航空装备按现有GB、GJB、DO及适航相关标准在航空装备定型前开展过环境试验鉴定(如盐雾、湿热、太阳辐射等),但依然在短时间内(特别是南海地区)故障频发,亟需针对特殊腐蚀环境特点,完善现有试验鉴定体系,包括结构、电子设备及附件、发动机抗腐蚀评定等部分。根据航空装备任务特点、安装位置及主要腐蚀因素,以装机状态或相应关键部件模拟件开展实验室综合试验、外场自然环境试验及仿真试验,评价航空装备能够满足恶劣腐蚀环境适应性指标。
3)验证腐蚀维护方案及配套产品的有效性及寿命期
现有大部分腐蚀维护方案及耗材(材料、工艺、清洗、缓蚀等)未经有效腐蚀试验验证就投入使用,其防护效能及寿命无法得到保障,影响航空装备使用效能。应针对航空装备(结构、电子、发动机)用清洗、缓蚀、干燥除湿、原位修理等外场耗材及效果进行有效验证,选出一批在恶劣腐蚀环境下好用、管用、安全,综合性能优异、技术成熟度高,且能达到运营要求的腐蚀防护方案及配套产品,并进一步形成航空装备运营腐蚀维护规范、标准,支撑实施工作卡片,指导航空装备用户腐蚀维护、使用。
4)改进航空装备腐蚀检查、修理技术
现有腐蚀信息监控多以目视检查,并归档照片及文字档案,修理厂一般也只采用目视检查及无损检测两项方法,应增加腐蚀检查手段,修订原有腐蚀修理标准及工艺方法,补充完善航空装备修理大纲等技术文件。此外,现有阶段腐蚀监控侧重结构监管,应加强对腐蚀高发的发动机、线缆、管路、电子设备、附件等部位的检查监管力度。
5)完善航空装备腐蚀防护设计及管理体系
在全面梳理现有技术文件的基础上,组织编写、修订航空装备腐蚀防护与控制的相关大纲、标准、规范、手册、指南等技术文件,形成内容涵盖全面、完善的技术文件体系。加强机务人员腐蚀防护专业知识与技能培训,提高对腐蚀防护与腐蚀问题处理能力,设置专门腐蚀防护控制管理办公室;针对具体机型,制定操作规程和工艺卡片等,加强清洗、通风、干燥、除湿等工作;配齐防腐设备及相关产品;加强地面保障设备腐蚀预防工作,制定地面保障设备的有效措施。
6)建设航空装备腐蚀防护数字工程体系
立足“数据+算法”,构建“感知、物联、移动、智慧”系统,开展环境与腐蚀在线监测,建立航空装备材料、涂镀层、紧固件、连接件、电路线缆、插接件、天线、外露传感器、密封橡胶等腐蚀共性部位的失效模型,科学制定腐蚀维修时间、周期和方案。使装备环境工程数据采集、数据传输、数据分析、数据决策过程,从传统的理论推理(观察、抽象、数学)、试验验证(假设、试验、归纳)向模拟择优(样本数据、机理模型)、大数据分析(海量数据、大数据分析模型)转变。将航空装备腐蚀防护知识、数据、业务流程等转化为统一的知识库、模型库、数据库,把隐性知识、数据转化为显性可配置、自动化的软件执行过程,达到知识的凝聚与复用的目的,体系化解决问题。