粒子侵蚀

当飞行器在大气层中飞行时，可能会受到不同颗粒物的撞击，造成外来损伤，这种现象被称为粒子侵蚀。根据粒子种类的不同，可将其分为液体冲击侵蚀和固体冲击侵蚀。其中液体粒子主要指雨滴，固体粒子指沙子、灰尘、冰雹和冰在内的水凝物。随着飞行速度的不断提高和飞行剖面的不断丰富，粒子侵蚀现象会对飞机结构产生不利影响，并大大缩短部件的使用寿命。

从历史上看，侵蚀现象引起了学科界的极大兴趣。在航空界，飞行器会面临多种天气相关现象造成的危害，如冰、雪、冰雹、雨、雷暴、闪电和阵风，在极端情况下甚至会影响飞行器的适航性。在军事界，雨水侵蚀退化现已成为众所周知的问题。第一个意外事故是第二次世界大战期间，1944年B＃x2011；29轰炸机飞越太平洋期间，虽然轰炸机的速度仅限于0.60马赫且降雨适中，但机鼻雷达罩仍遭受严重雨水损坏；另一个例子是，1959年一架佩刀飞机在5000英尺的高度和0.76马赫的速度下飞行时，机鼻雷达罩被击穿，其他结构受损，飞机被击穿的机鼻雷达罩如图1所示；

图1　佩刀飞机的椭圆形进气口（左）和被刺破的天线罩（右）

1973年，幻影YF–4M进行了实际的侵蚀试验，飞行计划结束时，大约进行了40次不同的飞行，降雨强度从小雨到大雨不等，平均速度为0.99马赫，在测试飞机的各个部件上都观察到了雨蚀损坏，从前缘和机鼻雷达罩到油漆和皮托管。图2显示了发动机旁通皮托管进气口遭受的侵蚀损坏。

图2　　YF–4M飞机发动机旁通皮托管进气道上的侵蚀损伤

在第二次世界大战之后，侵蚀研究得到了快速发展，工程师们对大量不同的材料进行了大量飞行条件下的粒子侵蚀测试，揭示了侵蚀对不同飞机部件的影响及其危害。对于直升机来说，雨水进入发动机进气口，尤其是旋翼叶片的前缘，即使在亚音速飞行时也会带来很大的危险。吸入的沙子以及过滤和未过滤的灰尘也会对直升机造成严重的侵蚀。直升机发动机涡轮叶片的侵蚀和腐蚀问题在20世纪90年代的沙漠风暴和沙漠盾牌行动中被大量发现；对于军用飞机而言，喷气发动机羽流的排气或推力反向器的使用使机身、控制面或机翼前缘的局部区域暴露在热气体中，在受到雨水和冰雹等高速水汽凝结物的撞击时，会加速表面涂层降解，从而暴露出被侵蚀区域的金属表面，影响其隐身性能；对于垂直起降飞机，当喷气发动机偏转时，碎片可能会从未处理的表面升起，从而导致空气中的沙子、砾石和其他颗粒等侵蚀物严重遮挡飞行员的视野，损坏机身并可能伤害地面人员。据报道，在飞行测试中，以下军用飞机因雨水和固体侵蚀而出现了意外的劣化：B＃x2011；2A轰炸机、UH＃x2011；60A黑鹰、CH＃x2011；47奇努克和F＃x2011；18大黄蜂战斗轰炸机。对于星式战斗机F＃x2011；104等军用飞机，观察到的侵蚀撞击地点总结在下图中。

图3　星际战斗机F－104的雨蚀影响位置：（A）迎角换能器，（B）天线，（C）发动机压气机叶片，（D）红外窗，（E）机翼前缘，（F）进气口前缘，（G）导弹支架，（H）翼尖导航灯，（I）天线罩，（J）挡风玻璃（中间部分），（K）外油箱尖端区域（图中未示出）。

从历史上看，不同的研究人员利用了许多不同的方法来模拟历史过程中不同材料的雨水侵蚀。雨蚀试验的地面试验必须设计成能够模拟飞机在飞行过程中所经历的相应侵蚀特性。因此，雨蚀设备测试结果的可靠性、简洁性、成本和可重复性具有显著意义。雨水侵蚀测试可以通过采用一套不同的技术来实现，包括旋转臂、单冲击水射流、多冲击水射流、单滴冲击测试、火箭雪橇测试和飞行测试。飞行测试的使用受到高成本和机组人员在高风险侵蚀条件下执行侵蚀测试的安全问题的限制，但其仍然是真实飞行条件下的最终概念验证。

图4　代表性雨蚀模拟设施：（A）单冲击射流装置－SIJA，卡文迪什实验室，英国，（B）多冲击射流装置－MIJA，卡文迪什实验室，英国，（C）　AFML旋臂装置，赖特－帕特森空军基地，俄亥俄州，美利坚合众国b，　（D）测试滑台轨道设施－霍洛曼空军基地，美利坚合众国，（E）美利坚合众国通用研究公司的水流星撞击设施，（F）　F－　100f飞机上用于飞行雨蚀试验的试件位置。

侵蚀的影响在很大程度上取决于许多因素，例如材料特性、飞行／撞击速度、入射角等。飞行器的不同部件通常使用多种材料，包括金属、陶瓷、弹性体和塑料。液体和固体对半球形机鼻雷达罩的侵蚀一直是航空领域最深入的研究课题。卡文迪什实验室开展了一项早期研究，旨在寻找适合飞行器机鼻雷达罩的材料；不同速度范围，包括亚音速，跨音速、超音速，甚至高超音速内的磨损现象已经被证实。雨水和其他颗粒物对侵蚀的影响在亚音速下尤为明显，在超音速和高超音速下更为严重。超音速下液体侵蚀的直接结果之一是液滴发生气动破碎，导致质量损失和原始液滴形状的扭曲。因此，球形液滴会使撞击材料发生会严重变形；在撞击角度方面，具体而言，液体粒子在正交撞击时造成的损害最大，而固体粒子侵蚀的情况则相反，在固体粒子侵蚀的情况下，切向分量对材料的损害最大，已有研究表明，对于陶瓷和硬质聚合物，当冲击速度较高时，切向分量可能会造成与法向分量同等程度的损伤。

根据重要性顺序，Schmitt确定速度、撞击角度和液滴尺寸的降低以及颗粒浓度是造成航空航天部件侵蚀的主要因素。下图列出了可能减少航空侵蚀的因素。防止侵蚀的一个重要方面是确定飞行器上最有可能遭受侵蚀的位置。液滴的轨迹决定了撞击极限以及局部和总收集效率，液滴轨迹可以通过数学和大量计算进行描述。因此，仅基于模拟，它们就可以提供有关飞机撞击位置的有用信息。在假设大多数液滴跟随气流的情况下，完整的流动解决方案对于评估液滴的轨迹至关重要。流线解可以推断液滴的撞击位置。在液滴轨迹模拟中，液滴大小起着核心作用，因为它决定了液滴终端速度的重要性以及惯性和阻力之间的平衡。一般来说，较大的液滴受惯性力大于阻力。这意味着这些液滴不再遵循流线，而是在下游位置撞击表面，收集效率更高。

图5　可能减少航空侵蚀的因素

随着商用和军用飞机、无人飞行器以及未来概念飞机在内的航空飞行器的高速发展对这些飞行器的材料施加了更大的限制，粒子侵蚀现象会导致飞行器的气动特性、生存能力和落点精度受到严重影响，危害飞行的安全性和稳定性，因而高速飞行器上所选用的防热材料除了要求有很高的力学性能、抗烧蚀性能外，　还要求有很高的抗粒子侵蚀性能，尤其对弹头而言，其抗侵蚀性能已列为全天候战略武器的主要战术技术指标。本文主要回顾了航空领域粒子侵蚀研究工作进展，为未来先进飞行器侵蚀测试方面提供参考。（文／李冠东　图／李冠东）