吳相甫

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航空裝備實驗室溫度環(huán)境試驗剪裁探討

吳相甫

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

闡述了溫度環(huán)境試驗的重要性，基于GJB 150A對裝備壽命期內實驗室環(huán)境試驗的剪裁要求，分析了GJB 150A中關于溫度試驗方法的剪裁內容、典型溫度試驗程序和剪裁方法。提出了航空裝備依據GJB 150A開展實驗室溫度環(huán)境試驗的剪裁方法。基于GJB 150A溫度試驗方法，經剪裁得到了航空裝備進行實驗室溫度環(huán)境試驗的考核項目、試驗順序和試驗條件。剪裁結果可供航空裝備開展實驗室溫度環(huán)境試驗參考。

溫度試驗方法；實驗室環(huán)境試驗；GJB 150A；剪裁

氣候環(huán)境適應性是航空裝備的重要質量特性指標之一，是影響其作戰(zhàn)效能和戰(zhàn)斗力的重要因素，在裝備研制、裝備生產和裝備使用的各個階段需經過環(huán)境試驗考核，以確認產品的環(huán)境適應性是否滿足設計要求。航空裝備實驗室環(huán)境試驗通常讓試驗件經受室內模擬氣候環(huán)境應力的作用，獲取航空裝備耐受氣候環(huán)境極限能力的信息，并根據研制要求、失效判據及試驗數據對其氣候環(huán)境適應性進行綜合評價，確定其氣候環(huán)境適應性能力滿足要求的程度。溫度是最基本的環(huán)境因素，航空裝備在其裝備壽命期內貯存、運輸和使用狀態(tài)下會經受不同的溫度環(huán)境，必須保證在這些溫度環(huán)境下正常工作而不會發(fā)生損壞。在我國軍用設備研制中，涉及具體環(huán)境試驗項目的開展主要依據GJB 150A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》[1]。GJB 150A中與溫度有關的溫度試驗方法有高溫試驗方法、低溫試驗方法及溫度沖擊試驗方法，每個溫度試驗方法都設置了多個試驗程序并均有對應的試驗條件。由于GJB 150A是MIL-STD-810F《環(huán)境工程考慮和實驗室試驗》第I部分《環(huán)境工程工作指南》中第5章節(jié)《通用實驗室試驗方法指南》和MIL- STD-810F中第II部分《實驗室試驗》的等效標準，是一個剪裁標準，所以這些溫度試驗方法不能直接使用[2]。因此，溫度環(huán)境試驗需根據航空裝備的環(huán)境適應性要求、自身特性、部署區(qū)域、設備壽命期階段、使用方式等進行綜合的權衡和分析，以確定航空裝備在其壽命期各個階段的溫度環(huán)境試驗要求，包括溫度試驗考核項目、溫度試驗程序、溫度試驗順序、溫度試驗條件等方面的剪裁，以制定合理科學的溫度環(huán)境試驗方法，對于發(fā)現(xiàn)航空裝備的設計及工藝缺陷有著重要的意義。

1 實驗室溫度環(huán)境試驗剪裁分析

1.1 實驗室溫度試驗

航空裝備在貯存、運輸和使用中時刻經受著溫度本身及溫度與其他環(huán)境的綜合作用，極端溫度會使航空裝備出現(xiàn)各種形式的故障，對航空裝備的性能帶來極大的影響。

按照GJB 4239《裝備環(huán)境工程通用要求》中的規(guī)定，環(huán)境試驗包括實驗室環(huán)境試驗、自然環(huán)境試驗和使用環(huán)境試驗[3]。實驗室試驗與外場自然氣候環(huán)境試驗相比，實驗室試驗不受季節(jié)、地區(qū)和時間的限制，周期短而且成本低，容易得到重復的環(huán)境試驗結果。外場自然氣候環(huán)境試驗將產品長時間暴露在某種自然的環(huán)境中，以確定產品性能受該自然環(huán)境因素的影響。目前航空裝備實驗室模擬氣候環(huán)境試驗和外場自然氣候環(huán)境試驗相輔相成，是一種互補關系，而使用氣候環(huán)境試驗是在復雜氣象條件下的飛行試驗中進行的。

實驗室溫度環(huán)境試驗供用戶對航空裝備在擬定溫度環(huán)境條件下的性能和適應性作出分析，獲取有關數據，以評價溫度因素對航空裝備性能的影響。更能真實地反映航空裝備在實際使用過程中對高低溫環(huán)境變化的適應性，暴露產品的缺陷，是新機研制、樣機試驗、產品合格鑒定試驗全過程必不可少的重要試驗手段。

為了保證航空裝備滿足裝備設計合同及協(xié)議中規(guī)定的溫度要求，確保裝備在實際使用時的耐溫度環(huán)境的能力，提高航空裝備的溫度環(huán)境適應水平，在裝備的研制、生產及使用的各個階段均應安排溫度試驗，各個階段安排的實驗室溫度試驗見表1，貫穿于航空裝備研制和生產的全過程[4]。

表1 實驗室溫度環(huán)境試驗種類

1.2 剪裁目的

在我國軍用設備研制中，GJB 150與GJB 150A是一直引用的環(huán)境試驗標準。GJB 150是可直接引用的標準，自頒布實施以來，其在軍工產品環(huán)境技術要求、軍工產品設計定型的環(huán)境試驗大綱要求和研制總結報告中被經常引用，引用者不用去分析軍工產品自身特性和未來面臨的壽命期環(huán)境，不必對引用的內容解釋[5]。這種直接去引用通用環(huán)境標準內容的做法，會帶來環(huán)境試驗條件選取不合適的問題，從而導致過試驗或欠試驗，會對環(huán)境試驗的初衷和結果造成影響。

GJB 150A是2009年頒布實施的新標準，是MIL- STD-810F第I部分即《環(huán)境工程工作指南》中第5章節(jié)《通用實驗室試驗方法指南》和MIL-STD-810F中第II部分《實驗室試驗》的等效標準，它是一個剪裁標準。我國在GJB 6117—2007《裝備環(huán)境工程術語》中對實驗室環(huán)境試驗剪裁的解釋是：“對裝備壽命期各階段實驗室環(huán)境試驗工作及內容等進行剪裁，是環(huán)境工程剪裁的組成部分”[6]。剪裁標準要求從環(huán)境工程設計的思路出發(fā)，強調環(huán)境試驗要求和試驗方法要根據設備在其整個使用壽命期內所經歷的環(huán)境來確定，這樣可避免裝備環(huán)境適應性設計中的欠設計或過設計問題以及環(huán)境試驗時欠試驗和過試驗的現(xiàn)象，從而保證裝備在其整個壽命期內所經歷的環(huán)境應力作用下能夠可靠地工作。

1.3 GJB 150A溫度試驗剪裁要求

GJB 150A在和溫度有關的環(huán)境試驗方法的剪裁指南中強調，應確定裝備壽命期內高溫環(huán)境、低溫環(huán)境及溫度沖擊環(huán)境出現(xiàn)的階段，根據裝備在各溫度環(huán)境中的環(huán)境效應，通過剪裁確定是否選擇溫度試驗標準中的方法及其中的試驗程序，并確定溫度環(huán)境試驗條件。在進行航空裝備實驗室溫度環(huán)境試驗時，溫度試驗程序及試驗條件的剪裁需根據航空裝備的環(huán)境適應性要求、自身特性、部署區(qū)域、設備壽命期階段、使用方式等進行綜合的權衡和分析，以確定航空裝備在其壽命期各個階段的溫度環(huán)境試驗要求，包括溫度試驗考核項目、溫度試驗程序、溫度試驗順序、溫度試驗條件等方面的剪裁，以制定合理科學的溫度環(huán)境試驗方法。

GJB 150A標準中涉及溫度環(huán)境試驗剪裁的內容見表2。

表2 GJB 150A中溫度環(huán)境試驗的剪裁要求

2 典型溫度試驗程序

在GJB 150A《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》里與溫度相關的試驗方法有高溫試驗、低溫試驗和溫度沖擊試驗共3項。

高溫試驗方法包括高溫貯存試驗和高溫工作試驗兩個試驗項目[7]。高溫貯存試驗有兩個試驗程序，即高溫恒溫貯存試驗和高溫日循環(huán)貯存試驗，前者模擬裝備在露天太陽輻射下或人為熱源附件貯存遇到的極端溫度環(huán)境，后者模擬裝備在露天太陽照射下誘發(fā)的日循環(huán)環(huán)境，兩者都用于考核裝備在高溫貯存環(huán)境下的耐受能力。高溫工作試驗有兩個試驗程序，即高溫恒溫工作試驗程序和高溫日循環(huán)工作試驗程序，前者模擬裝備工作中遇到的高溫環(huán)境，考核裝備對高溫工作環(huán)境的耐受能力；后者模擬裝備在戶外太陽照射下工作時遇到的日循環(huán)溫度環(huán)境，考核裝備耐受日循環(huán)高溫作用的能力。

低溫試驗方法包括低溫貯存試驗和低溫工作試驗兩個試驗項目[8]。低溫貯存試驗項目是低溫恒溫貯存試驗，模擬裝備在戶外極端低溫下貯存遇到的環(huán)境，考核裝備在低溫貯存環(huán)境下的耐受能力。低溫工作試驗項目是低溫恒溫工作試驗，模擬武器裝備工作時遇到的極端低溫工作環(huán)境，考核武器裝備在極端低溫環(huán)境下的工作能力。

溫度沖擊試驗方法包括恒溫沖擊試驗和基于高溫日循環(huán)的溫度沖擊試驗兩個試驗項目[9]。前者模擬裝備工作或搬運遇到的極端高低溫環(huán)境，考核裝備經受極端溫度變化的能力；后者模擬裝備戶外貯存遇到極端循環(huán)高溫和遇到的極端低溫之間的變化環(huán)境，考核裝備經受地面戶外暴露和工作遇到的極端高低溫變化的能力。

GJB 150A《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》中的典型溫度試驗程序見表3。

表3 GJB 150A的典型溫度試驗程序

3 溫度試驗剪裁

溫度試驗剪裁是指將各單個高低溫貯存、工作、溫度沖擊試驗連續(xù)合理地安排成一個試驗項目，包括試驗項目剪裁、試驗順序剪裁和試驗條件剪裁。

3.1 試驗項目

在GJB 150A《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》中，溫度試驗項目包括高溫貯存及工作試驗、低溫貯存及工作試驗和溫度沖擊試驗。航空裝備在選取溫度試驗項目時，應根據航空裝備在壽命期內經歷的溫度環(huán)境及其對裝備影響程度的分析來確定。

3.2 試驗順序

溫度環(huán)境試驗結果的可信度不僅與溫度試驗方法和溫度的嚴酷等級密切相關，還與溫度試驗項目的實施順序有關。MIL-STD-810F中指出：試驗順序要按照被試件的特性、被試件預期使用情況、項目資源和預計的單項環(huán)境試驗的綜合效應等因素確定[10]。在理想情況下，環(huán)境試驗順序的安排應符合以下原則：按照設備壽命期內經歷的環(huán)境條件出現(xiàn)的先后順序；后一項環(huán)境試驗能暴露或者加強前一項環(huán)境試驗對設備的作用；前一項環(huán)境試驗不影響后一項環(huán)境試驗的效果。按照以上原則，航空裝備的溫度環(huán)境試驗順序可作以下安排。

1）低溫試驗：首先進行被試件的低溫貯存試驗程序，再進行低溫工作試驗程序；

2）高溫試驗：首先進行被試件的高溫貯存試驗程序，再進行高溫工作試驗程序；

3）溫度沖擊試驗：完成高溫試驗后進行。

3.3 試驗條件

3.3.1 試驗溫度

1）高低溫貯存試驗。高低溫貯存試驗溫度取決于航空裝備未來壽命期貯存（停放）的場合，若航空裝備貯存于野外露天，則其經受的貯存環(huán)境屬于自然環(huán)境。自然環(huán)境中，太陽輻射誘發(fā)的高溫比自然界環(huán)境空氣溫度高15~20 ℃，致冷輻射造成熱缺失引起的低溫比自然界環(huán)境空氣溫度低3~5 ℃。根據確定的設計風險從MIL-HDBK-310《軍用產品研制用的全球氣候數據》中選取，美國政府文件AR 870-38《極端氣候條件下裝備的研究、研制、試驗與評價》中除嚴冷溫度推薦20%出現(xiàn)頻率、降雨推薦0.5%出現(xiàn)頻率外，其余氣候因素均考慮推薦1%出現(xiàn)頻率。GJB 150.3A/4A 中的貯存溫度均是按照這一出現(xiàn)頻率從世界最熱和最冷地區(qū)的數值數據中選取的。當研制航空裝備任務書限定了未來的應用地域，而不是全球使用，則可從MIL-HDBK-310中選擇相應氣候區(qū)中按選定的出現(xiàn)頻率查找出相應的極端溫度，作為貯存試驗考核溫度值。

GJB 1172.2《軍用設備氣候極值》記錄的我國的高溫工作極值和承受極值分別為45.5 ℃和49.5 ℃；低溫工作極值在1%風險率時為－48.8 ℃，低溫工作極值在5%風險率時為－46.1 ℃，低溫工作極值在10%風險率時為－44.1 ℃，低溫工作極值在20%風險率時為－41.3 ℃。根據我國對飛機在機場停放時對溫度的實際測量結果，熱天機內的實測溫度要比外界自然環(huán)境的溫度高15~20 ℃，冷天機內的實測溫度要比外界自然環(huán)境溫度低3~5 ℃，所以低溫貯存試驗的溫度值推薦選擇－55 ℃，高溫貯存試驗的溫度值推薦選擇70 ℃[11]。需要指出的是，70 ℃的高溫貯存溫度即為高溫恒溫貯存試驗溫度，對應于GJB 150.3A內考核的裝備在露天太陽輻射下或人為熱源附件貯存遇到的極端溫度環(huán)境。高溫日循環(huán)貯存試驗的溫度變化循環(huán)數據則可參考GJB 150.3A中的《高溫日循環(huán)》及《高溫日循環(huán)溫度變化范圍一覽表》的高溫條件。

根據上述分析，航空裝備高低溫貯存試驗推薦試驗溫度見表4。

表4 航空裝備高低溫貯存環(huán)境試驗推薦溫度

2）高低溫工作試驗。根據我國航空裝備部署的區(qū)域，高溫恒溫工作試驗程序的溫度值推薦選擇GJB 150.3A《高溫日循環(huán)》中的基本熱氣候類型或熱氣候類型的最高誘發(fā)條件溫度值，基本熱氣候類型得最高誘發(fā)條件溫度值是63 ℃，熱氣候類型最高誘發(fā)條件溫度為71 ℃。對于高溫日循環(huán)工作試驗，根據航空裝備的部署區(qū)域，日循環(huán)工作溫度推薦選擇GJB 150.3A《高溫日循環(huán)》中基本熱氣候類型或熱氣候類型的典型高溫日循環(huán)條件。對于低溫恒溫工作試驗，根據我國航空裝備的部署區(qū)域，推薦選擇GJB 150.4A《低溫極值出現(xiàn)概率》里的中國的低溫極值，推薦選擇20%出現(xiàn)概率的低溫工作極值－41.3℃。

根據上述分析，航空裝備高低溫工作試驗推薦試驗溫度見表5。

3）溫度沖擊試驗。沖擊溫度要根據具體情況考慮，推薦選擇GJB 150.5A 中第一個程序《恒定極值溫度沖擊》，沖擊溫度推薦選擇GJB 150.3A/4A 中確定的高低溫貯存溫度作為上下限溫度極值。航空裝備溫度沖擊試驗推薦上限溫度極值為70 ℃，下限溫度極值為－55 ℃。

表5 航空裝備高低溫工作試驗推薦試驗溫度

3.3.2 試驗時間

高溫試驗方法包括高溫貯存試驗與高溫工作試驗兩個試驗程序。對于高溫恒溫貯存試驗程序，將航空裝備產品暴露在高溫恒溫的環(huán)境中并使其溫度達到穩(wěn)定后，再繼續(xù)保持該環(huán)境溫度值至少2 h，以確保航空裝備內部元件的溫度真正達到穩(wěn)定，暴露結束后對航空裝備進行后續(xù)的性能檢測程序。對于高溫日循環(huán)貯存試驗，航空裝備暴露于貯存的日循環(huán)溫度條件下，暴露持續(xù)時間至少為7個循環(huán)（若采用24 h循環(huán)，則持續(xù)時間為168 h），暴露結束后對進行后續(xù)的性能檢測程序。對于高溫恒溫工作試驗程序，將航空裝備產品暴露在高溫恒溫的環(huán)境中并使其溫度達到穩(wěn)定后，維持該環(huán)境溫度至少2 h，然后使其工作，并使環(huán)境溫度重新穩(wěn)定，再進行后續(xù)的性能檢測程序。對于高溫日循環(huán)工作試驗，航空裝備至少暴露3個循環(huán)（若采用24 h循環(huán)，則持續(xù)時間為72 h），在暴露循環(huán)的最高溫度響應時段使其工作，并完成全部工作性能檢測程序。

低溫試驗方法包括低溫貯存試驗和低溫工作試驗兩個試驗程序。對于低溫貯存試驗程序，航空裝備暴露于低溫貯存溫度環(huán)境并達到溫度穩(wěn)定后，貯存時間至少4 h，再對其進行后續(xù)的性能檢測程序。對于低溫工作試驗程序，將航空裝備暴露在低溫工作試驗的溫度環(huán)境中并使其溫度達到穩(wěn)定后，維持該低溫工作溫度環(huán)境至少2 h，再進行后續(xù)的性能檢測程序。

溫度沖擊試驗有恒定極值溫度沖擊程序和基于高溫循環(huán)的沖擊程序，推薦采用恒定極值溫度沖擊程序，航空裝備暴露于溫度極值的持續(xù)時間可選擇航空裝備達到表面溫度穩(wěn)定需要的時間或者至少使其表面溫度達到一致所需的時間，應通過實際測量確定，也可選擇實際的工作時間。另外，航空裝備預計較頻繁地暴露于溫度沖擊環(huán)境，沖擊次數不小于3次，溫度轉換時間不大于1 min。

根據上述分析，航空裝備溫度試驗推薦持續(xù)時間見表6。

表6 航空裝備溫度試驗推薦試驗時間

3.4 剪裁示例

以某型號軍用飛機為例，從其裝載、運輸、使用以及貯存的環(huán)境條件出發(fā)，并依據其飛行的環(huán)境條件任務剖面，確定該飛機壽命期內遇到的所有溫度環(huán)境類型，建議需做的溫度環(huán)境試驗項目為高溫貯存及工作試驗、低溫貯存及工作試驗和溫度沖擊試驗。溫度環(huán)境試驗順序為：低溫恒溫貯存試驗、低溫恒溫工作試驗、高溫恒溫貯存試驗、高溫日循環(huán)貯存試驗、高溫恒溫工作試驗、高溫日循環(huán)工作試驗、溫度沖擊試驗。各溫度環(huán)境試驗項目的試驗條件見表7。

表7 某型飛機溫度環(huán)境試驗條件

4 結論

航空裝備實驗室溫度環(huán)境試驗是通過在實驗室內模擬各種環(huán)境溫度，以考核航空裝備在溫度環(huán)境應力下儲存和使用的適應性。GJB 150A中的溫度試驗項目包括高溫試驗、低溫試驗和溫度沖擊試驗，但GJB 150A是一個剪裁標準，需充分考慮裝備壽命期內遇到的溫度環(huán)境作用的影響，選擇合理的溫度試驗方法、試驗順序及試驗條件，以適應航空裝備在全壽命期內經受的溫度環(huán)境條件下可靠地工作。通過剪裁標準中的溫度試驗內容，可以解決航空裝備溫度環(huán)境試驗的過試驗或欠試驗問題，避免影響研制進度或造成資源浪費。航空裝備實驗室溫度環(huán)境試驗剪裁過程不僅要考慮航空裝備壽命期內遇到的溫度環(huán)境、航空裝備特性和受環(huán)境影響程度，還應根據航空裝備產品的研制合同或者協(xié)議中規(guī)定的溫度環(huán)境適應性設計要求來剪裁環(huán)境試驗方法、試驗程序和試驗條件。文中對溫度環(huán)境試驗方法的剪裁，可應用于航空裝備開展實驗室溫度環(huán)境試驗。

[1] 安海軍, 臧兵. 航空軍工產品實驗室環(huán)境鑒定試驗分析[J]. 機械工程師, 2015(5): 256-257.

[2] 祝耀昌, 魏萊, 程叢高. GJB 150/150A?GJB 4239和MIL-STD-810F/G的特性和相互關系分析[J]. 航天器環(huán)境工程, 2012, 29(3): 243-249.

[3] GJB 4239—2001,裝備環(huán)境工程通用要求[S].

[4] 蔡良續(xù), 龍德中, 宋小燕. 溫度環(huán)境試驗及其標準綜述(一)溫度對裝備的影響及溫度試驗的重要性[J]. 環(huán)境技術, 2014(8): 93-96.

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[6] GJB 6117—2007, 裝備環(huán)境工程術語[S].

[7] GJB 150A.3A—2009, 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第3部分: 高溫試驗[S].

[8] GJB 150A.4A—2009, 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第4部分:低溫試驗[S].

[9] GJB 150A.5A—2009, 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第5部分: 溫度沖擊試驗[S].

[10] MIL-STD-810F, 環(huán)境工程考慮和實驗室試驗[S].

[11] 鄒小玲. 直升機機載設備環(huán)境試驗剪裁探討[J]. 直升機技術, 2013(4): 24-28.

Tailoring of Laboratory Temperature Environment Test for Aviation Equipment

WU Xiang-fu

(Aircraft Strength Research Institute, AVIC，Xi'an 710065, China)

The importance of temperature test was expounded. The tailoring requirements on laboratory environment test in the whole equipment life period were presented based on the GJB 150A. Tailoring content, classical temperature test procedures and tailoring methods were analyzed according to GJB150A. The test programs, test sequence and test conditions of laboratory temperature test for aviation equipment are gained by tailing based on GJB 150A temperature test method. The tailoring results can be used for reference in laboratory temperature environment test of aviation equipment.

temperature test methods; laboratory environment test; GJB 150A; tailoring

10.7643/ issn.1672-9242.2018.01.016

V241.06

A

1672-9242(2018)01-0074-06

2017-07-14；

2017-08-28

吳相甫（1987—），男，陜西西安人，碩士，工程師，主要研究方向為飛機氣候環(huán)境適應性試驗測控技術。