1. 引言
飞机在飞行过程中需应对复杂的自然环境，其中雨水是高频且显著的环境因素之一。雨水不仅可能直接侵入电气设备，还可能通过冷凝水、湿度波动等间接方式影响系统稳定性，这一问题在水陆两栖飞机等特殊机型上表现尤为突出[1]。飞机防水手段的研究是航空安全的“隐形护盾”，可以减少因腐蚀维修、延误停场带来的经济损耗，让飞机在多雨、潮湿等复杂环境下稳定服役，提升飞行的效率与经济性，持续推动航空产业向更安全、更可靠、更先进的方向迈进。
2. 雨水对飞机电气设备的影响机理
雨水对飞机电气设备的影响主要通过以下四类物理与电气效应实现，其机理复杂且相互关联。
2.1. 短路风险：导电路径的形成
雨水的导电性可能在电气设备内部形成非预期的导电路径，导致电路短路。正如谢义水在舰载电子设备防护研究中指出的，液体介质的侵入是电气短路的主要诱因之一，即使微量水分也可能引发电路故障[2]。当雨水渗入未密封的电路板或连接器时，水分子与导电杂质可桥接相邻导线或触点，引发瞬时短路故障。此类短路可能直接导致设备失效，甚至引发火灾风险。
2.2. 腐蚀效应：材料性能的退化
长期暴露在潮湿环境中，雨水中的水分子与杂质会加速金属部件的腐蚀过程。谭娜等在《航空材料与工艺》中系统阐述了雨水介质中的氯离子对航空铝合金的点蚀机制，指出这种腐蚀会逐步破坏材料结构完整性[3]，如图1所示。另外，飞机外部的导线护套若存在微小孔隙，雨水渗入后可能与铜导体反应生成氧化物，导致导电性能下降或断路。同时，腐蚀产物可能积累在电路中，进一步加剧绝缘性能恶化，这与舰载电子设备的腐蚀失效规律具有一致性[2]。
2.3. 绝缘性能下降：介电强度的削弱
雨水的侵入会显著降低电气设备的绝缘性能。水的介电常数较低，且其导电性可能削弱绝缘材料的隔离作用。谢义水的研究表明，湿热环境下绝缘材料的介电强度可下降30%以上，且这种衰减具有不可逆性[2]，如图2所示。雨水渗入电缆或元件间的绝缘层后，可能导致漏电流增加，甚至在高压设备中引发击穿现象。此外，冷凝水在设备内部的积聚同样会破坏绝缘设计的完整性，这一问题在温湿度剧烈变化的航空环境中更为突出[4]。
Figure 1. Corrosion of aircraft structural materials caused by rainwater
图1. 雨水对飞机结构材料的腐蚀
Figure 2. The effect of humid and hot environments on the dielectric strength of insulating materials
图2. 湿热环境对绝缘材料介电强度的影响
2.4. 信号干扰：传播模式的扰动
雨水可能通过改变电磁环境间接影响信号传输。付尧明等在《航空材料与腐蚀》中指出，雨水的介电特性会干扰电磁波的传播路径，导致信号衰减或反射[4]，如图3所示，雨强越大、信号频率越高衰减越明显。雨水渗入电路后可能引发阻抗失配，影响信号完整性。这种干扰在飞机的导航、通信及控制子系统中尤为敏感，可能引发误操作或数据丢失，这与微波电路在潮湿环境中的信号衰减规律相符[3]。
Figure 3. Relationship between signal frequency and attenuation under different rainfall intensities
图3. 不同雨强下信号频率与衰减关系图
3. 现有飞机防水技术的局限与实践困境
3.1. 涂层防护技术：寿命衰减与环境适配难题
涂层失效是当前最突出的技术瓶颈，在多因素耦合作用下，涂层易发生老化、龟裂与剥落。热带海洋环境的高温、高湿、高盐雾形成“多因素耦合侵蚀”，加速涂层分子链断裂与界面剥离，导致失效周期大幅缩短。更关键的是，失效初期的微裂纹难以通过目视或常规无损检测发现，易形成“涂层下腐蚀”的隐蔽风险。
高性能涂层对施工环境的严苛要求，导致其在机场现场抢修场景中适用性受限，而喷砂除旧的修复方式，还可能对设备基体造成微小损伤，与航空工程“高效运维”、“低损伤修复”的目标存在冲突。
3.2. 结构密封技术：动态失效
发动机舱门等高频开合部位的密封件，在数万次机械循环后会出现弹性疲劳，导致密封压力衰减。极端温差下，密封剂与金属基体的热膨胀系数差异会引发界面应力开裂在极端温差环境中，密封剂与金属基体的热膨胀系数差异易产生界面应力，形成微缝隙，成为水分渗透的通道。
3.3. 材料改性技术：成本壁垒与工艺适配的落地障碍
材料改性技术虽能显著提升防水性能，但从实验室成果到工程应用仍存在多重梗阻，高性能改性材料面临严峻的成本与量产平衡、工艺适配性不足的问题。
3.4. 系统防护体系：协同不足与维护滞后的系统性缺陷
飞机防水本质是系统工程，但现有技术体系存在“单点防护强、协同能力弱”的结构性问题。密封设计、材料防护与冷凝水控制等环节缺乏联动考量。冗余容错系统虽能降低故障后果，但无法从源头解决防水失效问题。
维护监测体系的滞后性更放大了防水风险。现有检测技术难以实现全生命周期动态监控，对于接线端子腐蚀、绝缘层老化等渐进式失效，通常需在定检时才能发现，而此时往往已造成不可逆损伤。维护策略的针对性也不足，统一的防水维护标准难以适配不同气候区域需求。
4. 预防雨水影响飞机性能的应对措施
为应对雨水的多重威胁，航空工程领域已形成从设计到测试的全链条防护策略，其核心在于“主动预防”与“被动防护”的结合。
4.1. 密封设计：物理隔离的强化——从标准规范到多维度防护体系
密封设计作为阻断雨水侵入飞机电气设备的第一道物理屏障，其核心在于构建“分级防护、精准适配”的防护体系，而非单一的结构密封。结构设计的合理性对设备环境适应能力影响最大，是防水防护的关键环节[2]。现代民航与军用飞机均严格遵循国际电工委员会(IEC)制定的IP (Ingress Protection)防护等级标准，且针对不同安装位置的电气设备制定差异化防护要求。对于机身外部暴露的关键设备，需达到IP67及以上防护等级，该等级要求设备在1米深的水中浸泡30分钟内无渗水，同时实现完全防尘。而机身内部非直接淋雨区域的设备，虽可放宽至IP54等级，但仍需满足防泼溅与防尘要求[3]。
在具体技术实现上，采用“多层级密封 + 环境适配设计”：其一，外壳密封采用全封闭压铸铝壳体 + 激光焊接工艺，壳体接缝处涂抹航空级硅酮密封胶，避免雨水从壳体缝隙渗入，如图4中的A所示，这种密封方式与舰载电子设备的气密封装技术原理一致[2]；其二，线缆引入部位采用防爆密封接头，通过填料函式结构将线缆与壳体间隙完全填充，适用于发动机舱等高振动、高湿度区域，有效阻断雨水沿线缆缝隙侵入设备内部电路[3]，如图4的B所示；其三，接口密封采用弹性密封胶圈与金属压合结构，胶圈材质选用耐航空煤油、高低温的氟橡胶，通过精确控制压缩量确保密封性能，如图4中C所示。
Figure 4. Case study of multi-level sealing and environment-adaptive design
图4. 多层级密封 + 环境适配设计案例
4.2. 材料选择：耐腐蚀与高绝缘性能——基于环境适应性的材料工程优化
飞机电气设备的材料选择需同时应对雨水的化学腐蚀与电气绝缘性能衰减，因此需建立“材料性能指标–使用环境–寿命周期”的匹配体系，这一理念在《航空材料与工艺》中得到充分阐述[3]。正确选用耐蚀性好的金属材料和耐老化的非金属材料是三防设计的基础[2]。
在耐腐蚀材料方面，优先选用耐候性金属合金与表面处理技术。对于设备壳体与结构件，采用316 L不锈钢或航空级铝合金[4]。研究表明，通过石墨烯涂层处理可使铝合金的腐蚀速率降低90%以上，这种表面改性技术已逐步应用于航空电气设备[3]。对于电气触点与连接器插针，采用镀金或镀钯镍合金处理，镀金层厚度需≥0.5 μm，可有效防止触点表面氧化与电化学腐蚀，确保低接触电阻。例如军用飞机的雷达电气连接器，其插针镀金层经过1000小时盐雾测试后，接触电阻无明显变化[2]。
在绝缘材料方面，重点关注材料的耐湿热性、耐老化性与电气强度，确保在恶劣环境下的绝缘可靠性。建议采用材料改性、表面镀涂等工艺提升绝缘防护能力，尤其推荐微波/毫米波电路采用密封与屏蔽复合技术[2]。电缆护套材料选用交联聚乙烯(XLPE)或氯化聚乙烯(CPE)，XLPE电缆经辐照交联处理后，耐温等级可达125℃，在85℃、85%相对湿度环境下放置1000小时后，绝缘电阻保持率 ≥ 80%，且抗紫外线老化能力优异[3]。关键元件的绝缘层采用聚四氟乙烯(PTFE)或云母带，在−200℃至260℃范围内保持稳定绝缘性能，适用于发动机附近高温高湿区域[4]。
4.3. 冷凝水防护：环境控制与结构设计——从温湿度调控到主动排水的系统优化
冷凝水虽非直接雨水侵入，但却是雨水间接影响飞机电气设备的重要隐患，尤其在高空飞行与地面潮湿环境切换时，冷凝水易在设备内部积聚，导致电路短路或绝缘性能下降。谢义水在舰载电子设备防护中也强调了冷凝水控制的重要性，认为其是潮湿环境下设备失效的主要间接因素之一[2]。针对这一问题，需采用“主动环境控制 + 被动结构优化”的双重防护策略。
在主动环境控制方面，依托飞机环控系统与局部温控单元实现精准调控。对于航电设备舱，环控系统通过调节送风温度与湿度，使舱内温度与设备工作温度的温差控制在10℃以内，避免因温差过大导致舱内空气中的水蒸气在设备表面凝结[3]。对于功率密度较高的设备，采用强制风冷 + 温度反馈调节，通过内置温度传感器实时监测设备温度，自动调节风扇转速，确保设备表面温度均匀，减少局部温差引发的冷凝水[4]。此外，部分军用飞机在电子设备舱内加装除湿装置，采用转轮除湿技术，将舱内湿度进一步降至40%以下，适用于高湿度作战环境[2]。
在被动结构设计方面，通过优化设备内部结构实现冷凝水的有效疏导：其一，设备壳体采用倾斜式设计，壳体底部设置≥5˚的倾斜角，确保冷凝水沿壳体壁面流向最低处[3]；其二，在壳体最低处开设排水孔与疏水阀，排水孔直径 ≥ 3 mm，配合单向疏水阀，使积聚的冷凝水及时排出，例如空客A320的飞控计算机外壳，底部便设计有2个疏水阀，可在设备通电与断电状态下均实现排水[1]；其三，设备内部电路板采用三防涂覆，涂覆材料选用丙烯酸或聚氨酯，涂层厚度 ≥ 50 μm，这种工艺可有效隔绝冷凝水与电路的直接接触，与谢义水提出的浸渍、灌封防护技术理念一致[2]。
4.4. 冗余与故障容错：系统可靠性的提升——从硬件冗余到智能诊断的全流程保障
雨水可能导致飞机电气设备突发故障，为确保飞行安全，需构建“硬件冗余 + 软件容错 + 智能监测”的三级可靠性保障体系，实现“故障检测–隔离–恢复”的自动化处理。这一保障体系与《航空材料与工艺》中提出的“全生命周期可靠性设计”理念相契合[3]。
(1) 在硬件冗余方面，针对关键电气系统采用多通道冗余设计
1、供电冗余，如飞机主电源系统采用“双发电机 + 应急电源”架构，当一台发电机因雨水导致短路失效时，另一台发电机可自动承担全部负载，应急电源可在双发电机均失效时提供关键设备供电[4]，如图5所示。由于电源系统本身就具有较强的防水性，双冗余度主电源和应急电源同时故障的概率是比较低的，能有效保证飞机用电设备的正常供电。
Figure 5. Power system redundancy diagram of “dual generators + emergency power supply architecture”
图5. “双发电机 + 应急电源架构”电源系统冗余图
2、信号传输冗余，如自动驾驶系统的传感器信号采用三通道传输，通过“多数表决机制”判断信号有效性，若某一通道因雨水干扰导致信号异常，系统可自动剔除异常信号，基于另外两个正常通道的信号实现控制，避免因单一通道故障影响系统功能[2]，如图6所示。
Figure 6. Triple-channel redundancy diagram of the autonomous driving system
图6. 自动驾驶系统的三通道冗余图
3、设备冗余，如飞机导航系统中的GPS接收机配备2台独立设备，分别安装在机身不同位置，降低同时受雨水影响的风险，当主用GPS因雨水导致天线短路时，备用GPS可在1秒内完成切换，确保导航信号连续[3]，如图7所示。
(2) 在软件容错方面，通过故障处理算法与鲁棒性设计提升系统抗干扰能力
1、采用“超时重发”机制，如图8所示，针对雨水导致的信号传输延迟或丢失，软件可自动检测信号超时，并触发重发指令，确保数据传输完整性[2]。
2、实现“故障隔离”功能，当某一电气设备因雨水发生短路时，软件可通过电流监测判断故障位置，并控制固态继电器切断故障设备的供电，避免故障扩散至其他系统。如图9所示，飞机电源管理系统(PMS)可在200 ms内检测到短路故障，并实现故障设备的电气隔离[3]。
Figure 7. Dual redundancy diagram of the GPS navigation system
图7. GPS导航系统双冗余图
Figure 8. Timeout and retransmission mechanism
图8. 超时重发机制
Figure 9. Aircraft power management system
图9. 飞机电源管理系统
3、具备“降级运行”能力，当非关键设备因雨水失效时，系统可自动关闭非必要功能，维持核心功能正常运行[4]。
(3) 在智能监测方面，依托故障诊断系统(FDS)与健康管理(PHM)技术实现风险提前预警
1、实时参数监测，通过内置传感器持续监测设备的工作电流、壳体温度、绝缘电阻等关键参数，当参数超出阈值时，系统可实时发出预警信号，并在驾驶舱显示故障位置与类型[3]。
2、基于FMEA的风险评估，提前梳理雨水可能导致的所有故障模式，建立故障影响矩阵，这种方法在谢义水的舰载设备故障分析中已得到成熟应用，当监测到某一早期故障征兆时，可结合FMEA模型评估故障发展趋势，预测故障发生时间，为地面维修提供依据[2]。
3、大数据分析与趋势预测，通过飞机通信寻址与报告系统(ACARS)将设备运行数据实时传输至地面运维中心，结合历史故障数据与环境数据，采用机器学习算法识别雨水对设备性能的长期影响，提前制定预防性维修计划，避免故障发生[4]。
5. 未来飞机电气设备防水技术的发展方向
随着飞机电气系统向高集成化、高功率密度方向演进，防水技术需在以下领域持续创新。
5.1. 智能化防护：实时监测与主动干预
未来技术将结合物联网与传感器网络，实现防水状态的实时监测。谭娜等在航空材料研究中指出，智能传感与响应技术是下一代航空防护的核心方向[3]。例如，通过嵌入式湿度传感器或水分子探测器，可在雨水侵入初期发出预警。同时，智能控制系统可联动排水或除湿装置，主动干预潜在风险，这种主动防护模式比传统被动防护的故障响应速度提升50%以上[2]。
5.2. 新材料与新工艺：性能与成本的平衡
新型防水材料的研发将显著提升设备的抗水性能。研究表明，石墨烯基复合涂层可使材料的接触角达到150˚以上，实现超疏水效果，同时其绝缘强度比传统材料提升30% [3]。例如，超疏水涂层可减少雨水附着，降低渗入风险，而纳米复合材料可通过分子结构优化，同时具备高绝缘性与抗腐蚀性[4]。此外，3D打印等新工艺可实现复杂结构的密封性优化，提升制造精度，这与谢义水提出的“工艺技术升级是防护能力提升的关键”观点一致[2]。
5.3. 设计标准化与测试方法的完善
未来需进一步强化防水设计的标准化，如深化对RTCA DO-160中潮湿与浸水测试方法的应用，确保设备在模拟极端降雨环境下的可靠性。标准化的测试与验证体系是保障防护效果一致性的基础[2]。同时，针对不同气候区域的特殊需求，需制定差异化的防护规范，参考《航空材料与腐蚀》中提出的区域适配性设计理念，形成覆盖全气候场景的防护标准体系[4]。
5.4. 系统集成化与网络化：综合防护策略
随着飞机电气系统向网络化发展，防水技术需与整体系统设计融合。谢义水在舰载设备设计中提出的“密封与电磁屏蔽复合技术”为航空领域提供了借鉴，该技术可在实现IP68防护等级的同时，确保0.1~10 GHz频段内的屏蔽性能大于80 dB [2]。通过集成防水与抗干扰设计，可同时应对雨水侵入与电磁干扰的双重威胁[3]。此外，网络化故障诊断系统可通过多点监测，快速定位并隔离受雨水影响的故障区域，使故障修复时间缩短40%以上[4]。
6. 结论
雨水对飞机电气设备的影响贯穿物理、化学与电气性能层面，其机理涉及短路、腐蚀、绝缘劣化及信号干扰等复杂过程，这与谢义水等学者揭示的潮湿环境下电子设备失效规律高度一致[2]。通过密封设计、材料优化、冷凝水防护及冗余系统等措施，可有效降低雨水危害，这些措施在舰载电子设备与航空装备中均得到了实践验证[1]。未来，智能化监测、新材料应用、标准化测试及系统集成化将成为防水技术的核心发展方向，能够为应对航空电气系统日益严苛的环境适应性需求提供支撑。