劉宗強(qiáng)　張博博

（中國(guó)航空工業(yè)第六○五研究所，湖北荊門(mén)　448035）

系留氣球的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

劉宗強(qiáng)張博博

（中國(guó)航空工業(yè)第六○五研究所，湖北荊門(mén)448035）

本論文主要闡述的是系留氣球環(huán)境適應(yīng)性方面的主要設(shè)計(jì)方法，通過(guò)工程經(jīng)驗(yàn)和使用需求狀況，對(duì)系留氣球在全壽命周期內(nèi)所遇到的各類(lèi)環(huán)境因素及其影響分析，確定相應(yīng)的解決方案，并提供了工程設(shè)計(jì)中的各種設(shè)計(jì)措施；結(jié)合系留氣球特點(diǎn)對(duì)環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證給出工程試驗(yàn)方法；結(jié)合實(shí)際工作給出系留氣球環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)工作的工程建議。

系留氣球環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

1　系留氣球簡(jiǎn)介

系留氣球（見(jiàn)下圖1）是一種依靠氦氣產(chǎn)生浮力，由系留纜繩拖拽，進(jìn)行定點(diǎn)、高空長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的空中平臺(tái)，具有浮力大、野外露天工作、任務(wù)周期長(zhǎng)（超過(guò)24小時(shí)留空、有時(shí)還要求連續(xù)留空一個(gè)月）、任務(wù)范圍廣（機(jī)動(dòng)式系留氣球可廣泛布置在我國(guó)大部分地區(qū)）、設(shè)備工作海拔高（氣球升空高度多超過(guò)1000米，有的升空高度還超過(guò)3000米）等特點(diǎn)。

2　系留氣球使用環(huán)境條件

2.1環(huán)境要素

結(jié)合GJB150和DO-160系列標(biāo)準(zhǔn)、系留氣球受影響的環(huán)境要素和氣球使用環(huán)境條件分析，系留氣球使用環(huán)境要素主要有：溫度、濕度、太陽(yáng)輻射、霉菌、鹽霧、降雨、砂塵、振動(dòng)、沖擊和風(fēng)環(huán)境。

溫度：囊體材料和電子產(chǎn)品對(duì)溫度環(huán)境比較敏感，低溫環(huán)境影響使用，高溫環(huán)境影響壽命，我國(guó)的幅員遼闊，環(huán)境溫度差較大，低溫可達(dá)-50℃，高溫可達(dá)60℃；

濕度：海邊環(huán)境和潮濕環(huán)境中的環(huán)境濕度可達(dá)95%以上，對(duì)電子產(chǎn)品工作影響較大；

太陽(yáng)輻射對(duì)以高分子為主材料的氣囊、索具等產(chǎn)品可靠性、強(qiáng)度和壽命都有較大影響；

霉菌：我國(guó)東南部屬于霉菌高影響區(qū)域，對(duì)電子產(chǎn)品和高分子材料產(chǎn)品影響較大；

鹽霧：我國(guó)大部分地區(qū)高溫高濕，以金屬材料為主體的產(chǎn)品容易受到鹽霧腐蝕而嚴(yán)重影響壽命；

降雨：系留氣球電子系統(tǒng)應(yīng)考慮降雨影響，避免降雨對(duì)其造成的電路損壞及高壓電弧損壞等影響；

圖1　系留氣球

砂塵：在西部、北部高原地區(qū)應(yīng)用的系留氣球應(yīng)充分處理好砂塵對(duì)產(chǎn)品的影響；

振動(dòng)、沖擊：產(chǎn)品本身如依靠油機(jī)工作，則需要考慮油機(jī)振動(dòng)對(duì)油機(jī)附近產(chǎn)品的影響；如依靠地面供電，則僅需要考慮運(yùn)輸振動(dòng)的影響；沖擊環(huán)境一般僅發(fā)生在運(yùn)輸狀態(tài)和搬放狀態(tài)中，影響較小；

風(fēng)環(huán)境：風(fēng)環(huán)境對(duì)系留氣球產(chǎn)品影響較大，應(yīng)利用安全性分析和設(shè)計(jì)方法加以重點(diǎn)分析與研究。

2.2應(yīng)力條件

系留氣球的應(yīng)力條件應(yīng)考慮其具體的或預(yù)期的使用環(huán)境加以分析，分析過(guò)程應(yīng)包含生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用及維護(hù)的所有過(guò)程。

3　環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)原則

環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)首先應(yīng)綜合考慮所設(shè)計(jì)產(chǎn)品可能經(jīng)受的各種環(huán)境要素及其分布與強(qiáng)度，采用有效措施（含防護(hù)體系設(shè)計(jì)、材料優(yōu)選、工藝等）降低產(chǎn)品使用環(huán)境要素的強(qiáng)度、提高產(chǎn)品固有抗環(huán)境損傷的能力，滿足環(huán)境適應(yīng)性要求。

逐級(jí)明確防護(hù)對(duì)象和防護(hù)等級(jí)：按從大到小的順序，即從系統(tǒng)、設(shè)備、單元、零部件、模塊、元器件到材料逐級(jí)明確防護(hù)對(duì)象和防護(hù)等級(jí)。

涂覆有效的防護(hù)體系：應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)和/或使用經(jīng)驗(yàn)評(píng)定防護(hù)體系的有效性，包括與基體材料、工藝的相容性、結(jié)合力、有效期等。

權(quán)衡各種環(huán)境要素的不利影響：一種環(huán)境因素可能產(chǎn)生多種不利影響；一種不利效應(yīng)也可能是多種環(huán)境要素的協(xié)同作用的結(jié)果，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以權(quán)衡考慮。

3.2溫度適應(yīng)性設(shè)計(jì)

應(yīng)考慮環(huán)境溫度、區(qū)域溫升和產(chǎn)品發(fā)熱三個(gè)方面的影響，綜合考慮選用材料、工藝方案及產(chǎn)品選型。

3.3濕度適應(yīng)性設(shè)計(jì)

高濕環(huán)境中工作的系留氣球應(yīng)考慮密閉機(jī)箱設(shè)計(jì)。

優(yōu)先選擇耐潮的材料及產(chǎn)品。

防潮處理可選用憎水處理、浸漬處理、灌封處理、密封處理、表面涂覆處理、使用防潮劑處理等方式。

為了防止運(yùn)輸過(guò)程中受潮，應(yīng)采取防潮包裝。

3.4太陽(yáng)輻射適應(yīng)性設(shè)計(jì)

氣囊表面必需經(jīng)過(guò)防輻射處理，防輻射能力應(yīng)達(dá)到GJB150.7A《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第7部分：太陽(yáng)輻射試驗(yàn)》要求。選用高分子系留纜繩產(chǎn)品，其防輻射設(shè)計(jì)要求應(yīng)不低于氣囊。

3.5霉菌環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

············對(duì)于任何與空氣接觸的電路板與高分子材料等，應(yīng)考慮霉菌適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

在不影響設(shè)備性能的前提下，電子設(shè)備應(yīng)采用氣密式外殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空氣應(yīng)干燥清潔，相對(duì)濕度低于60%；氣密性外殼的技術(shù)要求和檢驗(yàn)應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)品規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。

材料選擇應(yīng)首選防霉材料，高分子材料（如塑料、合成橡膠、膠粘劑、涂料等）中的填料、增塑劑的選擇，應(yīng)盡量選用防霉的無(wú)機(jī)填料及其它耐霉助劑；熱固性塑料應(yīng)完全固化，以提高其防霉性。

防霉包裝可以考慮密封包裝及干燥劑包裝。

3.6鹽霧環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

對(duì)于鹽霧敏感的小型產(chǎn)品，架構(gòu)上一般要求采用密封式結(jié)構(gòu)。密封設(shè)計(jì)優(yōu)先順序?yàn)椋海?）模塊單元進(jìn)行單獨(dú)密封；（2）插箱、分機(jī)局部密封；（3）機(jī)箱或插箱整體密封。進(jìn)行氣密式設(shè)計(jì)時(shí)，容器應(yīng)采用永久性熔焊氣密結(jié)構(gòu)，局部采用密封圈密封，密封圈應(yīng)選用永久變形小的硅橡膠“O”型圈。

對(duì)于大容積的構(gòu)件，應(yīng)避免氣密式設(shè)計(jì)，可考慮鍍層、內(nèi)部密封等方式防腐蝕。

應(yīng)避免異種金屬直接接觸，以防電偶腐蝕；不可避免時(shí)，應(yīng)采用隔離措施或選用電位接近的、相容性較大的金屬；并采用下列一種或幾種防護(hù)措施：（1）選用與兩者都允許接觸的金屬或鍍層進(jìn)行調(diào)整過(guò)渡；（2）活動(dòng)部位涂潤(rùn)滑油，不活動(dòng)部位涂漆；（3）用惰性材料絕緣；（4）密封。

3.7降雨、砂塵適應(yīng)性設(shè)計(jì)

安裝于球體外的設(shè)備，其精密部件應(yīng)置于防塵罩內(nèi)，防塵罩應(yīng)能完全隔絕粉塵。保護(hù)罩（整流罩等）內(nèi)的設(shè)備應(yīng)具有一定抗砂塵能力，保護(hù)罩的設(shè)計(jì)應(yīng)便于設(shè)備的清潔。

安裝于球體外的設(shè)備，其防雨能力應(yīng)滿足降雨量的要求。球上設(shè)備的保護(hù)罩（整流罩等）應(yīng)能保護(hù)內(nèi)部設(shè)備不受降雨影響。地面設(shè)備應(yīng)安裝防雨罩或安裝在設(shè)備艙、控制室內(nèi)。

外部設(shè)備應(yīng)避免水和砂塵的積聚，盡量消除縫隙結(jié)構(gòu)。

3.8振動(dòng)、沖擊適應(yīng)性設(shè)計(jì)

固有頻率：電子系統(tǒng)的機(jī)柜（包括控制臺(tái)）、分箱（包括單元）、組件/模塊等各層次結(jié)構(gòu)的固有頻率應(yīng)按二倍頻的規(guī)則設(shè)計(jì)。當(dāng)工程實(shí)施確有困難時(shí)，可最小不低于1.5。機(jī)柜（包括控制臺(tái)）的固有頻率可設(shè)計(jì)在30Hz～70Hz之間，并且盡量往30Hz的低端設(shè)計(jì)。分箱（包括單元）、組件/模塊按二倍頻或1.5倍頻的固有頻率往上設(shè)計(jì)。

隔振緩沖裝置設(shè)計(jì)：電子設(shè)設(shè)備的隔振緩沖裝置應(yīng)同時(shí)具有隔振和緩沖兩種功能。

支承平臺(tái)的剛度中心應(yīng)與電子設(shè)備的質(zhì)量中心重合，以去除耦聯(lián)振動(dòng)的有害影響。

機(jī)柜（包括控制臺(tái)）應(yīng)采用背架式隔振緩沖系統(tǒng)，其中背架隔振器是非承載隔振器，其剛度阻尼特性在水平面內(nèi)，應(yīng)對(duì)稱(chēng)于原點(diǎn)（平衡位置），并應(yīng)注意它與底部隔振器的剛度位移量等的匹配。

4　環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證

由于系留氣球?qū)儆诖笮驮O(shè)備，無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，目前系留氣球的環(huán)境試驗(yàn)一般參考GJB150或DO-160系列標(biāo)準(zhǔn)以及產(chǎn)品特有的環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范實(shí)施，以主要設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性水平評(píng)估整套系統(tǒng)適應(yīng)性，并在溫度、濕度、太陽(yáng)輻射等方面結(jié)合外場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到產(chǎn)品的最終環(huán)境適應(yīng)性能力。

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)可以參考《系留氣球環(huán)境適應(yīng)性研究》（航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2012年第2期）。

5　工程建議

系留氣球環(huán)境適應(yīng)性工作關(guān)系到產(chǎn)品的可靠性、安全性和使用壽命，對(duì)產(chǎn)品的綜合應(yīng)用有著極為重要的影響，最好環(huán)境適應(yīng)性工作，不但需要學(xué)習(xí)了解標(biāo)準(zhǔn)，更需要研究產(chǎn)品特性和敏感要素，并結(jié)合內(nèi)、外場(chǎng)試驗(yàn)分析，將分析研究結(jié)果逐步反映到設(shè)計(jì)中，才能逐步提升產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)能力，降低使用風(fēng)險(xiǎn)。

［1］GJB150軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法［S］.

［2］孫帆.劉宗強(qiáng).系留氣球環(huán)境適應(yīng)性研究［J］.航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，201 2.

劉宗強(qiáng)（1982—），男，湖北荊門(mén)人，工程師，畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)在中國(guó)航空工業(yè)第605研究所可靠性研究室工作，主要從事可靠性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性的技術(shù)研究；張博博（1988—），男，陜西渭南人，工程師，畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)飛行器動(dòng)力專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)在中國(guó)航空工業(yè)第605研究所可靠性研究室工作，主要從事可靠性的技術(shù)研究。