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航空電子設備腐蝕因素研究的論文
摘要：對航空電子設備腐蝕因素進行了分析，為腐蝕防護設計提供了依據(jù)和基礎。根據(jù)航空電子設備的腐蝕失效問題、原防護體系類型及服役環(huán)境特點，從多個角度來分析腐蝕因素，如外部介質(zhì)侵入、內(nèi)部液體泄漏、設備結構上的薄弱環(huán)節(jié)等，詳細描述了各個因素對航空電子設備的腐蝕影響。由于使用環(huán)境惡劣等原因，腐蝕介質(zhì)會從多個途徑侵入到航空電子設備的內(nèi)部并嚴重影響其性能。為改善新設計或服役中航空電子設備的可靠性和可維修性，必須從根源上隔斷腐蝕源頭，無論是減輕環(huán)境的影響，還是加強結構設計的完整性。
關鍵詞：航空電子設備；腐蝕；服役環(huán)境
航空電子設備在其生產(chǎn)制造、貯存、使用的全壽命期內(nèi)都會經(jīng)受各種環(huán)境因素的作用，各種惡劣環(huán)境對其性能有嚴重影響，而其性能直接關系到飛機的使用性能、安全性和可靠性。因此，航空電子設備都必須保證環(huán)境適應性，都要在一定環(huán)境條件下滿足其性能、可靠性、維修性、生存性、電磁兼容性、安全性和保障性等要求[1—4]。航空電子設備的腐蝕防護與控制是環(huán)境適應性設計的主要內(nèi)容和實施的重要保證措施。
1腐蝕因素分析
以上案例說明，液體的侵入是一個重要的腐蝕因素，可以說是根源性問題。液體的侵入包括外部腐蝕環(huán)境引起的鹽霧、濕氣侵入，也包括內(nèi)部燃油、潤滑油等液體介質(zhì)的泄漏等。液體侵入的途徑也是必須考慮的重要腐蝕因素，許多設計缺陷直接導致液體的侵入，如口蓋的密封失效、通風口的換氣操作、空調(diào)系統(tǒng)的冷熱調(diào)節(jié)、設備吸潮材料的影響、各位置的積水等[5—13]。文中將從這幾個方面對航空電子設備腐蝕因素進行分析。
2外部腐蝕環(huán)境的影響嚴酷的腐蝕
環(huán)境并不只是作用在機體表面或結構部位，同樣，鹽霧和濕氣會進入到機體內(nèi)部的航空電子設備區(qū)，并因其特殊位置，很難檢查出已經(jīng)導入設備內(nèi)部的這些液體介質(zhì)。以下列舉了一些典型的腐蝕環(huán)境。航母甲板上的維護作業(yè)，口蓋、雷達、艙門和設備區(qū)的頻繁打開，海水氣氛直接影響到了航空電子設備的核心部位，且不易排出；飛機或航母排放的二氧化硫在空氣中形成硫酸，滲入設備中，加速了腐蝕。開啟口蓋時使得頂部的凝露、雨水落到口蓋控制桿、控制面板、控制臺上，腐蝕航空電子設備內(nèi)部異種金屬連接部位，緊固件連接區(qū)。維護作業(yè)過程中，人為造成的惡劣環(huán)境也會對航空電子設備產(chǎn)生影響。附件的操作（焊接、噴涂和溶劑清洗）產(chǎn)生的煙和蒸氣均可能引發(fā)腐蝕。工作站的空調(diào)系統(tǒng)會持續(xù)地提供低溫，在工作站中，如果不控制濕度，濕氣冷卻后將會產(chǎn)生冷凝液。飛機低空掠海飛行時處于高濃度鹽霧環(huán)境下，濕氣會滲入飛機中，極易導致電纜、電連接器、天線、雷達、控制開關、焊接線和電搭接處等零件或部位產(chǎn)生腐蝕問題。直升機海上低空懸停時，旋翼揚起的水汽形成酸性鹽霧包裹著機身，大量的鹽霧甚至海水被卷入到發(fā)動機進氣口中或機身縫隙中，超過機身自排水能力。直升機在執(zhí)行海上救援任務時，人員、設備、貨物附著的海水也會進入機艙內(nèi)，這些腐蝕性極強的海水在飛機內(nèi)部流動，最后積聚在機身底部，滲入機身底部天線系統(tǒng)或其他電子設備中。還有飛機停放階段的腐蝕環(huán)境，以及航空電子設備存儲運輸?shù)母g環(huán)境都是必須考慮的問題。
3內(nèi)部腐蝕液體介質(zhì)的影響
內(nèi)部液體介質(zhì)包括燃油、液壓油、潤滑油、電子設備冷卻液、除冰液、各類內(nèi)部水污染等。這些油脂類介質(zhì)大多會對橡膠產(chǎn)生影響，許多操作性液體還會腐蝕操作設備的密封，1）發(fā)動機燃油。國內(nèi)常用的發(fā)動機燃油（如3號噴氣燃油）是一種石油蒸餾產(chǎn)物，主要添加了防止結冰、殺菌劑以及用于改良潤滑的劑料，燃油具有較低的溶解力，會使某些橡膠膨脹變軟，以致失效。2）液壓油。該液壓油是一種從合成烴中提取的防火合成液體介質(zhì)，它的存在會降低涂層的粘附性，這類流體介質(zhì)的泄露可能會在電連接器的接觸偶間產(chǎn)生絕緣層，影響電器導通。3）潤滑油。合成航空潤滑油（如國產(chǎn)長城一坪生產(chǎn)的4106號潤滑油）是一種既可用在燃氣輪機（噴氣發(fā)動機），又可用在傳動裝置上的酯類油。這種全合成的油脂對合成橡膠和天然橡膠都有危害。4）電子設備冷卻液。常用的電子設備冷卻液是一種硅酸鹽酯類液體，用于冷卻高功率電子設備。只有異常穩(wěn)定的密封劑，如碳氟化合物密封劑、氟橡膠或聚硫橡膠才可以抵抗該冷卻液。在未完全排除濕氣的電子設備上使用該冷卻液會造成水污染，最終會使冷卻液患上“黑死病”，這種黑色泡沫狀產(chǎn)物會降低冷卻液的冷卻效果。5）除冰液。屬于異丙醇（MH/T6001—1995《民用航空飛機除冰/防冰液標準》）通常用于飛機的除冰系統(tǒng)中。這種材料基本上對所有的密封材料和機體結構都是安全的，但會影響到電子專用清漆，這類清漆廣泛地使用在各類電子設備上。異丙醇具有很高的揮發(fā)速率，因此在局部冷卻中促進了冷凝水的產(chǎn)生。6）水污染。多種類型的潮氣（水）會進入機體或設備，通過如下途徑：雨水、行李架清潔的殘余液體，行駛中進行沖洗操作濺出的水，以及乘客無意灑出的咖啡、飲料、茶水等；盥洗室內(nèi)濺出的尿液，尿液可能通過外部管道進入波導、艙底天線或其他設備；在潮濕的海洋環(huán)境下，溫度降低造成的水氣凝結，非氣密部件中通常會因為這個現(xiàn)象而產(chǎn)生冷凝水；除濕泵內(nèi)的干燥劑失效，干燥劑吸收空氣中的濕氣直至飽和，溫度上升時會使干燥劑中的水分散出，導致設備內(nèi)部濕氣的產(chǎn)生。所有侵入的水分會在低點形成水洼，腐蝕無保護的異種金屬連接，影響電連接器的絕緣。
4結構設計的腐蝕薄弱環(huán)節(jié)
1）口蓋與襯墊間的縫隙。一架固定翼飛機有超過200個可拆卸的面板，為了密封，在口蓋和機身間一般配有固定的襯墊。測試中完好的密封效果卻不能保證隨著使用過程一直有效。這些都是潮氣或液體侵入的有效途徑。2）機身撓性變形區(qū)。飛行高度的大范圍變化會造成飛行載荷、氣壓和溫度的循環(huán)變化，引起密封退化問題。現(xiàn)代飛機為滿足高性能，作用在機身的大載荷會引起撓性變形。不論高速固定翼飛機或是高載荷直升機，撓性變形都會使得口蓋、面板、接縫和蒙皮搭接處的密封變差甚至失效。不僅是飛行載荷有可能使密封失效，甚至牽引或是短距離滑行都有可能造成口蓋滲水。3）通風口、管道和機身壓力傳感器。機身蒙皮上有多種功能孔，用于通風或安裝設備。機身壓力傳感器需要將外界大氣引入內(nèi)部設備進行測量，空氣進入機體時會引入相當比例的水分和潮氣，需要進行分離或濃縮。通風口和管道在非操作周期都是打開的，這樣外部的水分就會凝結在內(nèi)，流入機體。4）雷達天線罩。由于鉸鏈和門閂之間的距離非常長，因此要保持機鼻處巨大的雷達天線罩的密封非常困難，維護時需要多次開合雷達罩也會對密封造成損害，雷達天線艙段內(nèi)的濕氣會隨著溫度變化而形成冷凝液，加上密封困難造成的水氣侵入，大部分飛行器在每次雷達罩開啟后都需要額外的維護。特別是暴露于高鹽分環(huán)境下，設備表面上會附著大量的鹽霧[14]。5）開啟的舷窗或艙門。不管是在飛行還是在停放時，都經(jīng)常需要開啟直升機的舷窗或艙門，因而直升機的艙段特別容易受液體侵入。在執(zhí)行任務過程中，比如搜救任務，為保證工作人員的良好視線，通常會開啟舷窗或艙門，而含鹽的水會流入艙底和底部的天線及設備。直升機夜間飛行時駕駛員通常將側(cè)窗打開以得知是否在側(cè)滑，由于活動的（非密封）舷窗頻繁打開或關閉的時候有漏洞，因此窗邊的任何設備都有可能遭受水氣侵入。日常維護中，機艙用淡水沖洗也導致了水分的侵入。有份工程調(diào)查報告說明有些直升機艙底積聚約30cm深的水，這一類型的直升機明顯沒有在艙底設置排水口的設計。6）鎂合金雷達部件。出于減重的需要，可能在飛機上使用鎂制部件。據(jù)記錄，海軍飛機使用鎂在不同部件上的應用已有多年。一般來說，這種設計是有缺陷的，因為鎂的性質(zhì)在海洋環(huán)境下非常活潑（不耐腐蝕）。
5設備設計的薄弱環(huán)節(jié)
侵入機體的液體不會立即從附近排水孔排出而脫離飛機，反而，這些液體會順著線束、液壓管道、操縱鋼索和波導管流動。除了重力會使水流動之外，飛行時的機動、彈射和剎車會使液體順著各種管道運動。在某些情況，液體甚至可以因為毛細作用往上走。多種侵入方式的組合，還有液體會隨著溫度氣壓等的變化蒸發(fā)、冷凝，使得水或其他液體存在于多個系統(tǒng)及部件中。機箱緊固件區(qū)域，液體會積聚在設備的頂部或是水平表面，上蓋板緊固件周圍的埋頭孔或凹陷都可導致濕氣侵入。一般來說，設備頂部的緊固件孔都有可能成為液體的侵入點。緊固件孔是在表面陽極化或化學轉(zhuǎn)化膜處理后再加工，孔周圍極易遭受腐蝕，最終將會導致緊固件區(qū)域的滲漏。樹脂墊圈用于常拆裝的部件的維護，定期維護時的人為損害，因尺寸變化和各種液體、高溫、臭氧等因素侵害造成的退化，共同作用降低了墊圈的密封性能。氣壓和溫度的變化，使得墊圈產(chǎn)生呼吸效應，潮氣和液體借機侵入機箱內(nèi)部。緊固件間距以及配套部件的硬度都會影響墊圈的密封效果。現(xiàn)場成形的密封存在多種潛在的問題。普遍的問題是在成形時，密封太薄而彈性不足；或墊圈有空腔；或局部附著力太差而造成密封性不足。對于人工制作的密封，質(zhì)量的穩(wěn)定性是一個固有問題。設計現(xiàn)場成形密封時要考慮方便可達性要求和工作尺寸。以下討論三種典型電連接器的薄弱環(huán)節(jié)：多孔、同軸和電路板安裝的電連接器。電連接器失效是航空電子設備故障的主要根源之一[15]。1）多孔連接器。首先，接觸偶換位，更換電連接器內(nèi)的插針容易造成后殼的密封不良。另外，尾部線束易擠壓損傷。出于空間限制和減重要求，線束都比較短，并且在尾部附件上捆扎的彎曲半徑小，這樣不僅導致維修困難，且很小的彎曲半徑使得線束對尾部附件產(chǎn)生擠壓力，在振動和飛行載荷情況下，破壞了電連接器的尾部襯墊或密封。同時，擠壓和小彎曲半徑的共同作用下，使得線束絕緣破壞（破裂、分層、外層剝離等）。大多數(shù)飛機的線束問題都發(fā)生在進電連接器前的一小段，由于余量太小導致很難維修。2）同軸連接器。相對多孔連接器，同軸連接器在海洋環(huán)境下并不需要經(jīng)常維護。一般同軸連接器用于連接刀型天線，刀型天線一般安裝在機腹，其90%的更換原因是因為腐蝕引起的信號衰減，水容易在天線部位聚集造成天線同軸連接器腐蝕。通常，艙底天線安裝部位不便維護，因此必須在天線和機身結合面做好密封預防，但完全做好內(nèi)部密封也是極困難的。3）印制板邊緣連接器。印制板水平安裝容易堆積灰塵、殘渣等，垂直安裝能極大地降低此類問題（同時允許更好冷卻）。潮氣和吸潮的碎屑會在印制板頂部和底部邊緣聚集，其邊緣連接器會很大程度上受到腐蝕的影響。有很多案例表明，因為機架排水不暢，印制板底部邊緣和邊緣連接器會浸在水里。
6結論
腐蝕及其環(huán)境條件是對航空電子設備造成負面影響的一種自然現(xiàn)象，為了有效地針對腐蝕進行防護和控制，使其降到可控的程序，必須從各方面去了解腐蝕的來源，設備失效的機理，如此才能選取正確的設計方法以及維護程序。綜上所述，設計必須基于以下假定：液體將會存在于任何無涂層的金屬表面；電解液將會存在任何異種金屬電偶對之間；水會積聚在所有低點區(qū)域；液體將會通過一些管道如電線束，波導管、控制桿或液壓管路到達設備內(nèi)部；非氣密機箱將會出現(xiàn)呼吸效應；電路板、連接器等元器件周圍易積聚水霧、灰塵、雜質(zhì)等。
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