吴敬涛

（中国飞机强度研究所，西安 710065）

引言

我国幅员辽阔，除了涵盖寒冷、寒温、暖温、亚湿热、湿热、干热、冰雪、季风、暴雨等多种复杂气象条件，还有严寒、海洋、高原、沙漠等极端气候条件，形成了复杂多变的自然气候环境。军用飞机承担陆海空立体化联合作战的历史使命，使得其经历的极端气候环境更加复杂多变，遭遇极端恶劣气候条件的几率急速增大，且军用飞机地面停放、服役环境领域更加广阔，既可能是在自然气候环境中，也可能是在工业大气环境及电磁辐射环境中。为了实现军用飞机全疆域部署，全天候作战的战略目标，必须提升军用飞机的环境适应性能力，以便更好地适应复杂多样的服役环境。

1 军用飞机服役环境适应性分析

地理环境、气候环境和作战环境是对军用飞机影响较大的三种环境因素，具体的环境种类如图1所示。

图1 影响飞机环境适应性因素分类图

地理环境和气候环境构成了自然环境，自然环境主要涉及地域特征和气候环境因素。作战环境指是由人为行为，具体指军用飞机空中作战引发多种环境因素的组合环境，主要包括：污染废气、冲击、电磁、预警、振动等。当军用飞机服役环境同时遭遇以上两种环境时，会严重影响飞机功能及性能的正常发挥，甚至引起严重事故。为了确保军用飞机环境适应性设计的可靠性，环境适应性试验验证是有效手段之一，而通过研究军用飞机寿命期剖面，确定准确的试验剖面，是试验验证的基础支撑。

2 军用飞机寿命期剖面

军用飞机特定任务阶段的环境剖面可以表示为环境参数集合：

式中：

Xi—对应军用飞机预期可能遭遇的各种环境因素，包括温度、湿度、太阳辐射强度、淋雨强度等环境参数。

军用飞机某种环境条件下的任务剖面也可以表示为任务阶段参数集合：

式中：

Yj—对应军用飞机执行特定任务需要经历不同任务阶段，简化后主要包括：地面起飞、巡航、搜索目标、发射炮弹、击中目标、返航等任务参数。

军用飞机在寿命期服役过程中，经常要面对不同的任务阶段，不同的环境条件，其寿命期剖面主要由环境剖面和任务剖面组成，假设R=(rij)mxn是军用飞机寿命期剖面关系矩阵，rij表示第j种任务阶段遭遇的第i种环境参数量化值：

可以得到：

依据以上的参数集合及关系矩阵进行军用飞机寿命期剖面构建，同时又把任务剖面分解为作战剖面和非作战剖面，得到某型飞机寿命期剖面如图2所示。

图2 某型飞机寿命期剖面简图

3 军用飞机气候试验剖面

3.1 试验剖面构成分析

试验剖面是根据军用飞机寿命期环境剖面制定的，对相应环境剖面中的环境应力进行统计分析和数据提取处理，定制环境参数量值与试验时间的对应关系，可直接用于飞机实验室气候环境适应性验证[1]。军用飞机寿命期内要执行各种任务，还会遇到多种环境状况。因此，有必要合理优化多个任务剖面和各种环境剖面的组合，以获得实验室可操作的综合试验剖面。工程上一般不是针对每项任务剖面都进行所对应环境剖面试验，而是依据rij量值计算和专家打分加权合成规则进行环境参数及作用时间关系处理，把多个任务剖面和多种环境剖面合成一个综合试验剖面，具体合成规则如图3所示。

图3 综合环境试验剖面构成规则

3.2 军用飞机试验剖面构架

地面停放和空中飞行是军用飞机服役的2个主要阶段。地面停放主要跟环境剖面相关，该阶段遭遇的环境剖面主要包括：温/湿度、雨、雪、雾、冰雹、冻云、风、太阳辐射、雷电、振动、加速度等。空中飞行阶段是环境剖面和任务剖面相互叠加的过程，该阶段的环境剖面主要包括高空低温、气动加热、冻云、太阳辐射、低气压、战场环境、振动、加速度等，任务剖面以机场起飞为起点，由多种任务阶段构成，主要包括滑行、起飞、爬升、巡航、待机、机动、空-空、空-地、巡航、下滑、着陆和着陆滑行等。在这2个阶段分别叠加上相应的环境剖面和任务剖面，就构成了军用飞机典型试验剖面，如图4所示。

图4 军用飞机典型试验剖面构架图

3.3 气候环境应力分析

3.3.1 温度应力

在地面停放阶段，飞机遇到的温度环境主要有三种类型：标准日、炎热日和寒冷日。国标GB 1920中定义标准日的地表温度是15 ℃；如果极端温度的风险率为10 %，由行标HB 5652.1中可以查到寒冷日和炎热日的地面温度，炎热日地面温度为+45 ℃，寒冷日地面温度为-54 ℃[2]。

在飞行任务阶段，飞机遇到的温度环境主要与飞行高度和高空大气温度等因素有关。飞机的高空温度值（Tr）可根据公式（5）计算得到。

式中：

Tr—高空飞机温度值（K）；

T0—高空大气绝对温度（K）；

M—飞机飞行马赫数。

式中T0需要根据飞机飞行时大气温度的种类来获得，标准日、炎热日和寒冷日，寒冷、炎热日T0可以依据飞行高度从HB 5652.1中查到，取风险10 %；标准日T0可以依据飞行高度从GB 1920查到。

3.3.2 湿度应力

由于冷天气的绝对湿度较低，考虑实际作用效应，湿度应力一般在热天地面阶段施加。执行任务阶段，周围大气温度低，绝对湿度较低，为了防止湿空气冷凝，试验前应进行实验室除湿，试验过程不控制湿度。热天湿度应力的选择可以参考F/A-22飞机和F35B飞机，美国F/A-22飞机在麦金利气候实验室湿热试验所采用的试验条件，选取两组恒定温度-湿度的试验，一组是温度为35 ℃，湿度为75 %RH，另一组是温度41 ℃，湿度80 %RH；F35B飞机两组试验条件是温度40.6 ℃，相对湿度74 %RH；及温度40.6 ℃，相对湿度58 %RH。

3.3.3 太阳辐照强度

GJB 150A-2009《军用装备实验室环境试验方法》中第7部分《太阳辐射试验》中给出3种高温日循环条件，及这三种高温日循环A1～A3类别的辐照度和对应的温度值，具体信息见表1。在确定试验条件时，应根据飞机的服役区域、遭遇的气候环境和类似装备的实测数据来进行剪裁。

表1 太阳辐射试验高温日循环特性

3.3.4 淋雨强度

GJB 150A-2009《军用装备实验室环境试验方法》、GJB 5431-2005《飞机结构防水和排水设计要求》和GJB 2417-95《飞机防水试验要求》中都给出我国军用飞机淋雨试验的要求和条件。实验室飞机淋雨试验条件剪裁应根据上述标准，并参考国外相关标准及飞机淋雨试验的经验进行。推荐军用飞机淋雨试验剖面见图5，实验室需要控制的环境参数有：降雨方向/强度/持续时间、雨滴直径、风速和水温等。

图5 淋雨试验剖面

3.3.5 恶劣气候环境分析

除了在以上常规环境中使用，军用飞机环境适应性指标还规定要能在严寒、高原、沙漠、海洋等极端恶劣地区部署使用，其任务剖面中遭遇的极端气候环境如下所述。

漠河是我国典型的严寒气候环境，极端温度一般可达-55 ℃，年平均温度为-46.4 ℃。极端低温环境会造成飞机辅助动力装置（APU）和发动机无法启动、起落架移动缓慢且不同步、液压系统油液泄漏、环控系统能力不足等问题；曲折复杂的冻土地形也可能因撞击、振动和其他影响而对飞机造成损坏。

沙漠环境具有炎热、干燥、强太阳辐射、大风沙等特点，太阳辐射强度最大可达1120 W/m2，沙尘强度最高可达2 g/m3。由于风、沙、浮尘的影响，能见度极低，使飞机无法正常起飞或降落；肆虐的风沙严重侵蚀飞机的机体，引起过滤器堵塞；干燥的沙尘天气降低材料绝缘性能，产生静电效应[3]。

高原环境的主要特点是低气压、高太阳辐射以及温差大等[4]。由国军标GJB 1172-1991可以得到，高原环境太阳辐射强度最高可达1120 W/m2，低气压极值可达554.7 hPa，经常导致发动机功率降低，使飞机作战效能受到很大影响。

海洋环境的特点主要是湿热、盐雾、冲击、振动等。海洋环境盐雾沉降量可达5 mg/m3，温度29 ℃时相对湿度极值为99 %。海洋环境往往会引起机体的腐蚀损伤，促进裂纹的形成和扩展，进而严重降低飞机结构的强度和使用寿命[5]。

3.4 任务剖面实验室模拟

军用飞机在完成一系列战时任务时，需要完成起飞、下降、巡航等常规动作，参考美国麦金利实验室V-22气候试验，制定任务剖面实验室模拟如图6所示。

3.5 气候环境试验剖面定制

军用飞机的寿命期剖面主要包括：贮存、运输、交付、维保、地面停放、执行任务、日常维修、进场检修、退役和报废等事件，由于军机的地面停放和执行任务时间相对较长，其它任务经历时间较短，在试验剖面定制中进行忽略处理，因此军机试验剖面的任务经历选择地面停放和空中飞行2个主要阶段，空中飞行又可分为起飞爬升、空中执行任务和下降着陆3步骤。

结合以上气候环境极值及飞机环境效应分析，制定军用飞机气候试验剖面如图7所示，其中每个的任务剖面可以依照图6进行细化及剪裁处理。

图6 军用飞机任务剖面实验室模拟

图7 军用飞机环境适应性试验剖面

4 结论

针对军用飞机环境适应性试验需求，分析军用飞机任务剖面、环境剖面及试验剖面的耦合叠加关系及编制方法，建立了军用飞机寿命期剖面数学模型；通过对军用飞机寿命剖面内所经历的环境极值及环境效应进行分析，提出军用飞机气候环境适应性试验剖面构建技术。以某型军用飞机为示例，建立了军用飞机气候环境适应性试验剖面，并明确了军用飞机气候环境条件及实验室任务剖面模拟步骤，可为改善军机气候环境适应性设计，开展气候环境适应性试验验证提供技术支撑。