飞机雷达罩防腐蚀设计和控制

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徐京祥① XU Jing-xiang;于吉选② YU Ji-xuan

(①海军驻青岛地区配套设备军事代表室,济南 250000;②中国航空工业集团公司济南特种结构研究所,济南 250000)

摘要:飞机雷达罩作为飞机结构的一部分,应该满足外界各种环境侵蚀,结构上不应该出现腐蚀现象,以确保飞行安全,本文主要根据雷达罩具体结构形式和结构组成,分析了飞机雷达罩材料和结构上常见的腐蚀类型,通过对各种类型的腐蚀机理进行分析,结合不同材料和典型结构的防护和控制措施,提出飞机雷达罩腐蚀控制设计方法,对飞机雷达罩的结构设计提供一定的参考意义。

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关键词 :雷达罩;结构腐蚀;复合材料;使用维护;腐蚀控制

中图分类号:V255+.1 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2015)17-0149-03

作者简介:徐京祥(1975-),男,山东诸城人,工程师,主要从事复合材料防护研究。

0 引言

我国现役飞机尤其是南方、沿海地区和海军飞机,其结构腐蚀比较普遍,有的还很严重,表现形式也是多种多样。飞机结构腐蚀已经逐渐引起设计部门、使用部队和管理部门的高度重视。飞机雷达罩是飞机结构重要一部分,它除了具备电磁性能要求外,还要减免内部雷达天线受外界恶劣环境影响,为雷达天线提供良好的电磁环境,因此是一个重要的功能结构件。由于飞机雷达罩是非气密结构,其结构会受外界大气环境影响,受到一定的腐蚀,对功能任务完成和飞行安全造成一定的影响,因此,对飞机雷达罩进行必要的结构防护控制是必要的。

1 控制要求

为保证飞机雷达罩性能和结构功能的充分实现,提出以下控制要求:

①不能出现由于雷达罩在设计、制造时出现的问题而带来的飞机雷达罩结构腐蚀,造成其强度下降,超出损伤容限范围;②雷达罩结构防护体系的寿命应在维修手册中作出规定,其维修检查内容应满足防腐蚀要求;③对于不易更换的零部件(一般指SRU),其防护措施应满足产品寿命要求,对于易损或易更换的零部件(一般指LRU),其防护寿命满足首翻期或给定的寿命。

2 腐蚀原因和分类

飞机雷达罩腐蚀的主要原因有三方面,包括设计方面、制造方面和雷达罩使用维护方面,其最主要原因为设计方面造成的设计缺陷,例如密封不合理、表面防护措施不能满足寿命要求、材料之间的隔离措施等,这些是影响雷达罩抗腐蚀能力的最主要的原因。制造方面主要包括表面防护工艺和质量不合格,应力装配等;使用维护方面主要包括表面人为损伤、不按使用维护说明书要求佩带保护套、用禁止使用的材料清洗雷达罩表面,这些原因主要会造成涂层的损伤,从而使得透波复合材料罩体与外界液体环境接触发生腐蚀,影响其功能和结构强度。

根据上述原因分析,飞机雷达罩结构腐蚀主要分为两大类,包括自身结构腐蚀和两种或多种材料之间的腐蚀。其中自身结构腐蚀主要包括点蚀和均匀腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀和氢损伤等;两种或多种材料之间的腐蚀主要包括缝隙腐蚀和异种金属的电偶腐蚀。

3 结构腐蚀措施

飞机雷达罩是一个带有功能性能的机构件,在结构上主要分为功能透波复合材料部分、头部空速管连接区域、雷电防护系统和根部连接区域等部分,具体可参见图1。

根据飞机雷达罩结构腐蚀原因和分类,结合通用的防腐控制方法和飞机雷达罩常年设计经验,对飞机雷达罩主要结构腐蚀问题提出建议。

20150916082039214.jpg插图

3.1 头部空速管连接区域腐蚀

头部空速管连接区域结构主要包括两种形式,一种是连接空速管支杆的结构,其结构主要包括复合材料罩体部分和钢质衬套;另外一种是头部带有雨蚀帽,其结构主要包括钢制或氟塑料雨蚀帽以及复合材料罩体。

按使用功能要求,飞机雷达罩上衬套应选用强度高、耐磨性好的材料,通常为不锈钢。不锈钢的腐蚀特点主要为局部点蚀和晶间腐蚀,且奥氏体不锈钢比马氏体不锈钢材料耐腐蚀性能高很多。由于飞机雷达罩使用环境温度一般不超过150℃,不锈钢在该温度下的耐腐蚀能力比较强,建议飞机雷达罩上选用的衬套为易采购、工艺性比较好、耐腐蚀性能比较高的不锈钢,主要包括1Cr18Ni9或1Cr18Ni9Ti或0Cr18Ni9等奥氏体不锈钢。另外,为增加耐腐蚀能力,在设计和制造时,应减少衬套表面的粗糙度,建议其粗糙度不高于3.2。

头部雨蚀帽位于飞机最前端,受大气环境影响非常大。对于金属雨蚀帽的结构腐蚀处理方法亦按上述方案。头部非金属雨蚀帽应尽量选用电性能好、耐环境性能好、对酸碱盐溶液抵抗力强的材料,其材料可选用氟质塑料,例如聚四氟乙烯等材料,该材料能够耐住220℃的温度,抗腐蚀能力相当强,抗老化性能较高。但其力学性能较差,热导性差,具有较高的蠕变性能。对于力学性能,已经通过试验验证,在雨蚀帽上施加某型号飞机气动载荷,试验结果表明力学性能满足使用要求。该材料的抗雨冲击能力和长期的蠕变性能对结构的影响未进行过试验验证,但已经成功应用与某型飞机上,经过较长期飞行其耐腐蚀、抗雨冲击能力等能够满足使用要求。

对于复合材料的处理措施将在下文详细叙述。

3.2 透波复合材料区

飞机雷达罩所选用的复合材料主要为玻璃纤维和树脂混合物、芳纶纸蜂窝以及胶粘剂,这些材料与其它材料之间具有相容性,与金属材料接触时应不会引起金属材料的腐蚀。雷达罩复合材料腐蚀特性主要表现在外界液体环境对材料的物理和化学反应,但其很多反应机理至今不是很清楚。对于玻璃纤维材料,主要是防止材料与外界环境接触,外界环境主要包括:环境介质(海水、机油等)和雨蚀。

雷达罩在设计制造时应采取一定的防护措施,需要在雷达罩表面喷涂防护涂层,防护涂层与雷达罩表面应具有良好的附着能力。为此应在雷达罩成型完毕后,应打磨或吹砂雷达罩外表面,确保雷达罩外表面连续,烘干后室温冷却。之后外表面依次喷涂封孔涂层、防雨蚀涂层以及抗静电涂层等。由于外界环境对雷达罩表面影响较小,可在表面喷涂防潮清漆;对于非外表面的机械加工面,同样应涂防潮清漆。另外,雷达罩根部和头部区域,复合材料与金属件连接区域,金属件应该同时增加防护措施,防止金属腐蚀后,腐蚀液渗透至复合材料罩体内部。

飞机在飞行过程中,迎面受到雨滴的直接撞击,使得雷达罩透波复合材料涂层受损严重,复合材料表面分层、开裂并受雨水浸蚀,形成蚀坑,当雨水进入复合材料罩体内部后将会造成复合材料本身物理性能改变和强度性能下降。雷达罩受雨蚀影响的程度与材料表面状况(粗糙度、冲击强度)及雨滴冲击速度、作用方向等有关。尤其在雷达罩尖部两个15°角切点的前缘部位应进行雨蚀浸蚀防护。当雨滴冲击角小于15°时,雨滴对雷达罩的侵蚀作用极大,造成涂层脱落严重,该部位安装如上一节介绍的防雨蚀性能好的雨蚀帽。

3.3 防雷击系统

飞机雷达罩表面布有防雷击分流条,分流条主要有两种型式,一种是纽扣式防雷击分流条,另外一种是金属防雷击分流条。纽扣式分流条包括基条、纽扣和高阻层,基条为非金属材料,与任何材料相容。纽扣材料为导电性能良好的金属材料,选用具有良好耐蚀性的黄铜或青铜。铜长期暴露在大气中,其表面会生成一层具有保护作用的腐蚀产物致密膜,能够起到防腐蚀作用,经过海军某型号在不同区域进行的试验表明,长期暴露在海水区域的黄铜和铜合金,表面良好。对于金属铝质分流条,一般选用纯铝或防锈铝,防锈铝材料一般选用5A02或退火后的5A06,具备良好的耐腐蚀性能,尤其是适合在海水环境条件下使用。

对于电搭接系统,防雷击分流条上纽扣或金属条应通过紧固件或搭铁线、搭铁片连接固定。考虑到雷击电流强度大,紧固件应选用导电性能良好、强度性能高的钢制标准件(含螺钉、螺母和垫片)。紧固件应尽量采用同一种材料的钢,例如30CrMnSiA。搭铁片材料一般选用铜带。对于纽扣式分流条,紧固件与搭铁片之间会产生电偶腐蚀。相对排列在元素周期表之前的金属为活性金属,表面为阳性,将被腐蚀,紧固件表面会发生腐蚀现象,而紧固件与搭铁片之间又需要紧密接触,减少电阻,只能对紧固件和搭铁片做防护隔离处理。具体措施为:紧固件上镀铬或镀镉钝化处理,搭铁片表面镀或浸锡处理。在此说明,紧固件禁止使用镀锌和镀锡的标准件,禁止发蓝。由于雷电流通路需要通过根部金属件传递到机身上,因此另一端一般是通过紧固件与铝质连接环或钢制连接件电搭接。由于连接部位需要打磨后涂导电胶,该特殊工艺极不利于防腐蚀控制,会造成锈蚀现象。为确保功能实现,在电搭接位置进行电搭接特殊工艺后,应清理掉非电搭接区域残留物,之后将整个电搭接处理界面通过封口清漆进行覆盖或包裹处理,之后将漏出金属部份的位置涂H06-2锌黄底漆或H04-2钢灰底漆处理(与钢质件电搭接时)。以下举个例子,某型号雷达罩进行耐环境试验,试验件模拟了产品的真实状态,试验后发现防雷击电搭接位置紧固件和连接环出现严重的腐蚀现象,经分析发现主要以下原因:

①紧固件表面防护镀层破坏严重;

②电搭接处理完毕后,电搭接位置未涂清漆覆盖或包裹。

由于上述原因,导致导电胶(主要含银)与紧固件(30CrMnSiA)、导电胶与连接环(铝合金)发生电偶腐蚀,使得相对活性的金属钢和铝被腐蚀。

按上述正确处理措施改进后,重新试验后未发现腐蚀现象。

3.4 根部连接区域

雷达罩金属连接件主要包括铝质连接环、铝质连接件、钢制连接件和紧固件等。铝质连接件一般选用铝型材(材料为2A12或高强度铝合金),钢质材料一般选用30CrMnSiA等高强度钢。对于该区域主要发生异种金属电偶腐蚀、缝隙腐蚀、材料自身腐蚀和应力腐蚀。

对于铝合金2A12,其耐腐蚀性较差,其表面必须阳极化处理、铬酸盐或磷酸盐封闭处理后,表面涂H06-2锌黄底漆。对于钢制件,表面应吹砂钝化、镀锌或镀铬处理后喷涂钢灰底漆和磁漆。

对于异种金属腐蚀问题,除了按上述进行防护处理后,尽量避免对零部件自身的损伤,一经打磨必须对紧固件、孔壁、连接件打磨处进行封口等防护处理。

对于金属之间对缝和贴合面,例如连接环之间缝隙、连接件与连接环和连接件之间贴合面和间隙。该缝隙应通过胶粘剂或灌封料进行填充。

连接环与透波复合材料之间及连接件连接时,应避免应力装配。连接环与透波复合材料之间填充缓冲材料,例如短切纤维和树脂混合物、密封剂等材料,连接件之间应填充胶黏剂或密封剂等材料。

对于高强度连接件,例如导销,除了应进行必要的表面处理外,还应注意氢脆腐蚀,材料强度高、脆性大,抗疲劳性能较差,应进行必要的除氢处理。

3.5 其它典型紧固连接件

合理选用铆钉,直径不应超过6mm,合理排列铆钉的间距、排数、排距;

连接螺钉孔与螺钉之间应有一定间隙,方便填充密封。例如连接环与复合材料罩体之间连接、紧固件与连接环和复合材料罩体连接;

对于密封表面,例如电搭接位置,应做好清洗、打底等处理;

尽量不选用铸造材料。

3.6 制造过程中控制

制造过程是确保防腐设计是否能达到设计要求的重要条件,雷达罩制造时应按以下原则进行防腐蚀控制:

①金属材料进行腐蚀检查、探伤检查,进行防锈包装后分类入库;

②所采用的加工工艺、热处理工艺应不能降低材料的力学性能,包括防腐蚀性能;

③加工和装配过程中,不应有划伤、腐蚀损伤;

④工序之间应进行必要的防护、防潮处理;

⑤装配过程应尽量避免带有应力装配。

4 使用维护和检测

飞机雷达罩的使用维护和防腐蚀修理主要包括以下两类:

①外场的使用和维护。

主要是为了保证外场使用时,不会出现腐蚀现象或发现腐蚀现象后能及时采取必要措施,并按使用维护说明书要求进行技术处理。

雷达罩在使用维护时应严格按照使用维护说明书的要求进行防护,增加防护涂层的使用寿命;同时应按照要求进行飞行前、后以及定期的必要检查,一旦发现涂层损伤应按照使用维护说明书的要求进行适当的修补。否则雷达表面涂层将会遭受严重损伤,影响飞机的正常使用。

例如在某机场,发现某型飞机雷达罩表面涂层严重损伤,经到部队走访调查,发现该部队除了所处的外界环境较差外,在正常的停放时期,没有机库甚至必要的遮阳等设备,表面仅套有帆布套,雷达罩上没有套上生产厂家提供的柔性防护套。因此大大缩短了防护涂层对雷达罩的防护寿命。另外,雷达罩表面灰尘清除时,使用了酒精等使用维护说明书上严禁使用的溶剂,造成涂层大面积损伤。因此,在使用维护时,应严格按照使用维护要求,这样会大大提高雷达罩的使用寿命。

②大修或首翻期雷达罩的检查、维修和腐蚀防护。

大修厂或制造厂家对雷达罩进行检查、维修和腐蚀防护,以确保雷达罩在下一个大修期内腐蚀能够得到有效控制。

另外,为确保使用维护过程能够得到有效实施,使用维护说明书中应作出使用维护和腐蚀修理规定。至少包括以下内容:

表面的洁净和防护涂层的完好情况检查;

腐蚀产物是否遗留存在的检查;

内部积水是否吸潮的检查;

上述检查和修理的方法。

由于外场环境比较恶劣,且使用条件各不相同,必须进行必要的检查,并践行维护,以确保飞机雷达罩的防腐蚀能得到有效的控制。

5 结束语

通过上述内容介绍,可以总结出以下结论:①飞机雷达罩应重视腐蚀设计控制,其防腐蚀能力是设计出来的,腐蚀控制是可以得到有效控制的;②雷达罩设计时应遵循基本的防腐蚀设计原则,不应过分追求其性能而丧失其腐蚀设计原则;③雷达罩制造过程尤其装配过程必须有防腐蚀控制手段,工艺应明确腐蚀控制方法,工序间必须采取防护措施;④雷达罩必须按照使用维护说明书的要求进行使用和维护,否则将会影响雷达罩的防腐蚀能力甚至使用寿命;⑤雷达罩设计时,应结合现实情况进行必要的防腐蚀试验,总结关键结构和部位的防腐蚀方法。

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