2.2 外在因素的识别与分析

材料、工艺、结构是影响航空装备环境适应性的重要因素，是航空装备在设计和制造过程中涉及的内在因素。一旦飞机制造完成、交付用户使用，航空装备便绝大部分取决于其在未来使用和维护过程中所涉及的外在因素和保障因素的影响。其中，外在因素主要包括载荷因素和环境因素。

2.2.1 载荷因素

按载荷性质划分，航空装备所承受的载荷可分为静、动、疲劳、热四大类。

1）静载荷

静载荷是指构件所承受的外力不随时间变化而变化，而构件本身各点的状态也不随时间而改变，即构件各质点没有加速度。当航空装备的承载能力低于其外部静载荷量值时，就会发生静强度失效，如构件变形、屈服、断裂等。除因单纯载荷作用失效外，静载荷对航空装备的影响还体现在静载应力与环境的协同作用上。静载应力往往会加速基体金属的腐蚀失效进程，并在某些特定情况下发生应力腐蚀开裂，造成严重事故灾难。同时，载荷存在也会影响航空装备表面工艺的完整性。

对发动机而言，在特定状态下，发动机叶片指定部位的离心力也可看成是一种特殊的静载荷。离心力是一种体积力，它与质量及其所处半径成正比，与转速平方成正比。离心力主要使叶片产生径向拉应力，对于扭转叶片，则同时产生扭转应力。由于叶型各截面、缘板、榫头质心通常不在同一条过转子旋转中心的直线上，离心力还会产生弯曲应力。在转子叶片设计中，一般用离心弯曲应力与气动弯曲应力互相抵消来降低叶片应力，并在设计上尽可能采取等强度设计，使叶片材料得到充分利用。

2）动载荷

动载荷是物体在运动过程中受到振动、环境等因素影响下所受的载荷。航空装备在使用过程中常见的动载荷主要是飞行过程中产生的振动、冲击、摇摆、噪声等，其通常伴有动态位移发生。当动载荷超过航空装备的承受能力时会造成航空装备动载荷强度失效，除此之外，动载荷还会对航空装备产生许多力学损伤效应，如摩擦、磨损、疲劳等。这些损伤效应在与腐蚀效应协同作用时，会对航空装备造成更为严重的损伤，如腐蚀磨损，将加速航空装备失效，缩短其使用寿命，降低使用安全性。动载荷易导致航空装备导线磨损、电气短路、密封失效、断续的电气接触和元器件失效等诸多问题。

对发动机来说，发动机叶片也会承受动载荷（气动力和机械振动）的作用。气动力是一种表面分布压力，作用在叶片各个表面，沿叶高方向和叶宽方向不均匀分布。转子和静子叶片都处在流量大、流速高的气流中，尤其是转子叶片驱动空气，受到很大的横向气体力作用在叶片上，使叶片受到气动弯矩，产生弯曲应力，并引起扭转应力。

3）疲劳载荷

疲劳载荷是指大小、方向随时间做周期性或不规则的改变的载荷。航空装备疲劳载荷的来源主要有两种：外界来源，如飞行大气紊流、摇摆等；内部来源，如机动操作等。航空装备在疲劳载荷的作用下会产生疲劳损伤，疲劳损伤与环境腐蚀效应具有相互促进的关系，一方面腐蚀效应会降低航空装备的抗疲劳性能；另一方面疲劳载荷也会破坏航空装备表面工艺的完整性，降低航空装备的耐腐蚀性能，两者的协同作用会对航空装备的使用安全产生较大影响。

对发动机来说，叶片与盘的榫或销连接部位不仅要承受以叶片离心力为主的低周疲劳载荷作用，还要承受叶片或盘/叶耦合振动产生的高周疲劳载荷作用。在两种疲劳载荷的某些组合条件下，将加速裂纹的萌生和扩展，降低榫或销连接部位的抗疲劳性能，缩短其疲劳寿命，导致叶片失效。此外，叶片连接部位还存在着较为严重的微动磨损问题。

4）热载荷

热载荷的来源主要有两种：外界来源，如航空装备在高速飞行过程中因空气阻力作用而产生的热；内部来源，某些局部组件工作发热。在热载荷与外载应力的相互作用下，部分结构会因金属蠕变而产生较大形变，从而导致结构失效。同时，热载荷是发动机的主要载荷，其引起的热氧化和热疲劳也是影响航空装备、发动机在大气环境下腐蚀行为的关键因素。此外，发动机还会额外承受燃气冲击载荷的作用，在燃气流冲刷作用下，硫酸盐类腐蚀性物质与金属发生化学反应，形成硫化物、氧化物。由于S在金属中扩展速率高于O，形成S扩散在前而O扩散在后的姿态，当O供给量不足时，在硫化带与氧化层之间形成半氧化层。最外层的S逐渐被O取代而成为氧化物层。随着发动机工作时间的增加，热腐蚀现象越来越严重，最后导致叶片失效。

本书利用团队以往成果，以恒载拉应力因素（见图2-9）、疲劳载荷因素（见图2-10）、热因素（见图2-14）为例，说明载荷因素对航空装备环境适应性及腐蚀对航空装备耐久性能的影响。

a.恒载拉应力。

图2-9所示为10CrSiNiCu合金钢在无载荷、500N恒载拉应力载荷下的腐蚀测试结果。可以看到，随着恒载拉应力的增大，样件阻抗模值整体显著下降，耐蚀能力变差。一般来说，外载应力会使样件表面金属活性增强，当应力达到一定程度后，甚至会产生局部塑性变形，从而增大腐蚀倾向性，加大腐蚀速率。

b.疲劳载荷。

图2-10所示为机翼上壁板模拟件海洋大气试验1年的结果，样件共计30件。其中，15件定期进行疲劳加载，另外15件作为对照组不加载，加载周期1年1次。统计对照组、疲劳组螺栓初始失效时间和失效个数，可以发现，对照组螺栓涂层约在户外试验4个月时开始发生破损，疲劳组螺栓涂层约在户外试验3个月时开始发生破损。户外试验4个月时，对照组螺栓共计破损4个，疲劳组螺栓共计破损8个；户外试验7个月时，对照组螺栓共计破损44个，疲劳组螺栓共计破损46个；户外试验12个月时，对照组、疲劳组螺栓涂层已全部破损。疲劳载荷会使螺栓初始失效时间变短，失效个数变多。

此外，在涂层色差、光泽度测试结果中（见图2-11），可以看出，在光泽度方面，疲劳组、对照组螺栓涂层失光率变化情况较为一致，在数值上也比较接近，1年试验后，疲劳组螺栓涂层失光率比对照组略高。在色差方面，5个月试验后，疲劳组螺栓色差值比对照组高，1年试验后，对照组螺栓颜色变化等级为1级，属于很轻微变色，疲劳组螺栓颜色变化等级为2级，属于轻微变色。疲劳加载在一定程度上也会加速涂层失光、变色。

图2-12所示为某型航空装备下机翼结构在不同预腐蚀处理后的疲劳试验结果，采用等效载荷谱模拟某航空装备下机翼结构的工况加载，图中表明，在无腐蚀情况下，机翼能历时飞行50000多小时。一旦出现点蚀，且没有厚度损失的条件下，其预期寿命小于一半，只有18200h。当材料剪薄30%时，寿命进一步降低到4150h。由此可见，腐蚀对机体结构疲劳寿命的明显影响。

c.热因素。

图2-13、图2-14所示为某高温合金材料海洋大气—热和热试验氧化动力学曲线和典型的截面形貌。可以看到，对于该型高温合金材料，海洋大气腐蚀对其高温氧化有着明显的促进作用，主要原因是海洋大气环境中的Cl ^- 会破坏高温环境下生成的Cr ₂ O ₃ 膜层的致密性和完整性，加速了外层氧化镍的生成，导致镍基高温合金材料在南海大气—热环境下生成的氧化膜厚度要大于纯高温热环境。同样，高温氧化对镍基高温合金材料的耐海洋大气性能有着明显的恶化作用（见图2-15），主要原因是高温氧化膜的致密性要远低于镍基高温合金材料本身钝化膜的致密性。

2.2.2 环境因素

航空装备的结构、部附件在温度、相对湿度、日照等大气环境因素作用下会发生腐蚀、老化，产生环境损伤，如蚀坑、锈斑，涂层失光、变色、粉化、起泡、开裂、剥落等，从而导致航空装备的使用性能下降，使用安全性降低。

1）温度

温度是影响航空装备腐蚀/老化的重要因素，温度升高会加快腐蚀介质与机体之间的反应速率，增加腐蚀/老化总量。对金属而言，在一定温度范围内，按化学反应理论计算，温度每增加10℃，腐蚀速度约增加1倍。当航空装备在高温环境下使用时，很容易出现典型高温环境效应。典型高温环境效应包括：不同材料膨胀不一致，使得零件相互咬死；材料尺寸全部或局部变化；润滑剂黏度变低及外流造成连接处润滑剂减少；不同材料的热膨胀系数差异使电子线路的稳定性发生变化；固定电阻阻值变化；变压器和机电部件过热；继电器及磁驱动或热驱动装置的吸合/释放范围变化；使用寿命缩短；有机材料褪色、裂解或龟裂；合成材料挥发；外罩和密封条变形或损坏；衬垫发生永久性硬化。

2）相对湿度

在大气环境下，航空装备出现使用寿命损伤的原因有很多，电化学腐蚀是其中最为广泛的一种。大气腐蚀是一种电化学腐蚀，电化学腐蚀的先决条件是要有连续电解质液膜的存在，只有在电解质溶液中，阳极金属失去的电荷才能迁移到阴极金属表面，被去极化剂吸收。电荷在电解质溶液中迁移并伴随物质交换的过程即航空装备大气腐蚀的基本过程。

干燥空气中的航空装备结构及部附件不会发生电化学腐蚀，只有当空气相对湿度达到一定量值，能够在基材表面形成连续液膜时，才会有电化学腐蚀现象的发生。金属表面形成液膜所需要的相对湿度临界值称为腐蚀临界湿度值，其润湿时间决定了航空装备腐蚀损伤的持续时间。一般来说，腐蚀速率会随着空气中相对湿度的增大而增大。航空装备中常用材料（结构钢、铝合金等）的临界相对湿度为60%～80%。有关资料表明，当空气中相对湿度超过65%时，铝合金表面产生0.001～0.012mm厚的水膜。同时，航空装备结构表面状态、表面粗糙度也会影响临界相对湿度值及水膜厚度的大小。一般来说，金属表面粗糙度越高，其临界相对湿度值越低；金属表面越不洁净（如灰尘或盐类、腐蚀产物等），临界相对湿度值越低。

此外，相对湿度与温度、日照、风等因素的协同作用还会引起航空装备部件的干湿交替，干湿应力对表面涂层体系及复合材料会产生较大影响。以涂层、复合材料为例，涂层、复合材料在吸湿过程中会产生溶胀应力，在干燥过程中释放应力，内应力反复作用达到某一量级时即会导致开裂，形成微裂纹，导致航空装备使用寿命损伤。这种损伤效应在湿度、温度、日照、风力等因素的协同及交互作用下表现更为明显，将产生更大的破坏作用。大气相对湿度对航空装备海洋环境适应性的影响如表2-7所示。

3）日照

日照时数和日照强度决定了航空装备承受太阳辐射的量值，太阳辐射对航空装备表面高分子涂层和复合材料老化有重要影响。对于高分子材料，太阳辐射量值越高，材料老化速率越快；对于金属材料，太阳辐射量值越高，金属表面薄液膜蒸发速率越快，金属腐蚀总量越低。此外，太阳辐射的热效应还会影响航空装备表面温度和温变速率。一般来说，白天航空装备受日照作用，温度上升速率高于周围大气升温率，航空装备的温度会高于大气温度；夜晚金属散热快，温度下降速率高于大气降温率，从而会引发一定的环境效应，如凝露、热胀冷缩等。

4）风速、风向

风速对航空装备表面水膜蒸发有一定影响，会改变干湿交替频率，影响材料失效类型和失效速率。风向会影响空气中盐雾和污染介质的传播方向，改变腐蚀/老化类型。此外，细砂粒、尘土微粒等固体颗粒也会因风吹而击打航空装备表面，擦伤并产生小凹坑，这些局部缺陷易于沉积雨水或腐蚀介质，成为航空装备腐蚀或疲劳裂纹萌生的源头。

5）降雨

降雨对航空装备使用寿命的影响较为复杂，主要体现在两个方面：一个是降雨会直接在航空装备表面形成连续液膜，影响航空装备的电化学腐蚀，并在随后时间内增大空气相对湿度，增加金属表面润湿时间，增大腐蚀总量；另一个是降雨会对航空装备表面起到冲刷作用，冲掉结构表面沉积的腐蚀性介质（如Cl ^- ）和灰尘，降低介质浓度，减缓腐蚀。同时，降雨会冲掉腐蚀产物，腐蚀产物的剥离将会使裸露新鲜金属增加，加速航空装备的腐蚀。

6）盐雾

海水是由多组分盐类组成的强电解质溶液，含有多种侵蚀性介质（如Cl ^- 、Br ^- 等），具有很强的侵蚀性。受海浪、潮汐、大风等因素的影响，海洋大气中含有较多的盐雾颗粒和盐雾液滴，沉降到航空装备表面会加速涂层的失效和机体金属的腐蚀。同时，沉积的盐雾颗粒也易使飞机表面形成更厚水膜，产生更持久损伤作用。一般来说，空气中盐雾含量受风向风速、海岸距离、地形地貌影响较大。离海岸线距离越远，空气中盐雾含量越低，金属腐蚀速率越小（见图2-16）。研究资料表明，距离海岸线40m处碳钢腐蚀速率比距离海岸线240m处碳钢腐蚀速率高12倍。

盐雾影响效应如下。

（a）腐蚀影响：电化学反应引起腐蚀；加速应力腐蚀；盐在水中电离后形成酸/碱溶液；

（b）电气影响：由于盐沉积引起电子设备损坏；导电层产生；绝缘材料和金属腐蚀；

（c）物理影响：机械部件和组件活动部分阻塞或黏接；由电解作用导致漆层起泡。

7）化学污染物

大气环境中常见的工业化学污染物有含硫化合物（SO ₂ 、SO ₃ 、H ₂ S）、含氯化合物（Cl ₂ 、HCl）、含氮化合物（NO、NO ₂ 、NO _x 、NH ₃ 、HNO ₃ ）、含碳化合物（CO、CO ₂ ）、有机化合物等，这些化学介质会显著影响航空装备的腐蚀速率和腐蚀类型。例如，硫化物与水作用后，会产生硫酸、亚硫酸，使腐蚀电解质溶液呈现酸性，阴极腐蚀类型由吸氧反应转变为析氢反应或吸氧析氢混合反应，加速腐蚀发生。同时，酸性环境也会向金属充氢，引发氢损伤，对航空装备中的高强度材料影响极为显著。

8）固体颗粒

固体颗粒也会影响航空装备的使用寿命。大气固体颗粒组成十分复杂，除海盐颗粒外，还包括硅酸盐、碳化物、氧化物、铵盐等。固体颗粒对航空装备使用寿命的影响可分为三类：一是固体颗粒本身具有腐蚀性，如铵盐，能溶入水中形成腐蚀电解质溶液，加速航空装备的腐蚀；二是固体颗粒本身无腐蚀作用，如某些氧化物、硅酸盐，但能吸附腐蚀性物质或水汽，影响表面润湿时间；三是固体颗粒既无腐蚀性，也无吸附性，如尘埃粒子SiO ₂ 、CaCO ₃ 等，但沉降到飞机表面的尘埃粒子与基体界面存在缝隙，易形成缝隙腐蚀，诱发局部位置失效。此外，大量砂尘还会使航空装备表面磨蚀、磨损；密封渗漏；电路性能降级；活动部件卡死/阻碍；热传导性降低；干扰光学特性；由于通风或冷却受限引起过热和着火等危害。

9）生物因素

在热带海洋地区，持续的高温和高湿，在阴天、背光或夜晚期间，特别适合霉菌、微生物的生长和繁殖。航空装备生物腐蚀现象一般发生在半封闭结构、发动机燃油系统、电子系统等部位。例如，半封闭结构在雨天或者湿度较大天气，潮湿空气及生物孢子容易渗入，但是又很难排出，导致长期处于潮湿环境中而引起腐蚀、霉变；燃油系统中富含微生物繁殖所需的营养，在油量泡沫、油箱底部及燃油相关扩散部位易发生微生物腐蚀；电子设备中常使用有机高分子材料（含增塑剂、油脂类化合物、含脂肪酸结构等）作为功能组件，容易被霉菌、微生物分解利用，导致有机材料劣化及金属微生物腐蚀加速。同时，电子系统相对密闭，生物繁殖隐蔽不易被发现。据统计，霉菌、微生物腐蚀/老化在金属和装备材料的腐蚀破坏中占20%左右。

霉菌生长会改变航空装备的物理性能，因而影响航空装备的功能或使用，其主要作用如下。

（a）对材料的直接侵蚀。不抗霉材料容易被霉菌分解并作为食物而直接受到破坏。不抗霉材料有天然材料（如皮革、天然纺织品）、合成材料（如含聚氯乙烯组分、某些聚氨酯类、含有容易长霉组分的颜料和油漆）。

（b）对材料的间接侵蚀。生长在积有灰尘、油脂、汗渍和其他污染物表面的霉菌能够损坏底材，甚至可能通过底材直接侵蚀抗霉材料；由霉菌分泌代谢的产物（有机酸）腐蚀金属、蚀刻玻璃、引起塑料或其他材料的发暗或降解；与容易长霉材料相邻的霉菌的生长物会侵蚀抗霉材料。

（c）可能出现的物理影响。直接或间接侵蚀均可导致电气或电子系统损坏（霉菌生长能越过绝缘材料形成不希望有的电气通路，如它能对关键调整电路的电气特性产生有害影响）；长霉能影响光线通过光学系统的传输，阻塞精密活动件，将不潮湿表面变为潮湿表面。

在GB4797.3《电工电子产品自然环境条件 生物》中，根据地面环境条件与有害生物的分布及其对电子设备危害程度，以及温度、湿度条件，对我国在自然环境条件下危害电子设备的生物环境条件作为区域划分。将全国划分为四个区域（见表2-8）。以霉菌为例，温度是霉菌生长与存活的重要条件之一。适宜各种霉菌生长的温度范围是不同的，霉菌生长范围很广，已知的微生物在-10℃～95℃均可生长。但每一种菌种只在一定温度范围内生长，典型霉菌生长温度如表2-9所示、典型装备菌种收集分离结果如表2-10所示、典型菌种对金属的腐蚀效果如表2-11所示。某南海地区最低温度为20℃（3月份），月最高温度为36℃（6月份），月平均温度为28℃，月均相对湿度处于90%以上。温湿度全年均处于较高水平，且温差较小，属于高温高湿状态。在该种环境下微生物极易生长繁殖，并产生破坏性作用。此外，飞鸟也是影响航空装备海洋环境适应性最普遍，也是最危险的一种。在南海地区，海鸟随着季节更替而不断迁徙，每年冬春（3～5月）、秋冬（9～11月）换季期间，时值候鸟大规模迁徙，飞机在起降、飞行期间遭遇鸟击概率变大，将对航空装备使用安全产生较大影响。

10）海洋大气综合环境效应

本节详细阐述了各大气环境因素对航空装备环境适应性的影响，但飞机在实际使用过程中受到的是多种因素共同作用的结果，各因素并不单独存在，同时或部分同时作用在航空装备上，且处在不断变化中。这种综合环境影响效应很难通过简化手段进行分析，需要尽可能针对各因素特点进行综合或组合考虑，大气环境因素组合作用对航空装备海洋环境适应性影响如表2-12所示。