陳穎

（中國船舶集團有限公司第七〇九研究所，武漢 430205）

引言

車載裝備因其具有良好的機動性能，常作為海軍裝備體系的重要補充，涵蓋指揮、雷達、通信、后勤保障等多類型裝備，一般擔負岸基要地或島礁防御的重要使命。我國海岸線長、跨度大，海軍車載裝備往往在壽命周期內(nèi)面臨復雜的自然環(huán)境，同時車載裝備一般包括艙內(nèi)設備和露天設備，因此在開展環(huán)境適應性指標論證時，需要慎重提出相應的指標，以免造成設計上難以實現(xiàn)的問題。

高溫作為環(huán)境適應性的重要指標，一般包括高溫工作溫度極值和高溫貯存溫度極值[1]，影響產(chǎn)品的元器件選型、散熱設計等，是產(chǎn)品設計的重要制約因素。傳統(tǒng)的考核方式主要以高溫工作試驗和高溫貯存試驗為主，論證不好將會導致后期開展高溫環(huán)境試驗無法通過的問題，進而導致設計上的反復。本文結合某型車載裝備高溫指標的論證，創(chuàng)新性的提出采用“高溫空氣溫度+太陽輻照”試驗的方式解決高溫試驗可能引起的過考核問題。

1 車載裝備特點及溫度環(huán)境指標

1.1 車載裝備產(chǎn)品特點

車載裝備分為底盤和上裝設備兩部分，其中底盤常包括發(fā)動機、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、空調(diào)等，后者則由裝備的任務決定。通常根據(jù)設備的安裝位置不同可劃分為不同的工作環(huán)境[2]，包括艙內(nèi)（無溫控）、艙內(nèi)（有溫控）、露天（無太陽直射）、露天（有太陽直射）。具體含義如下：

1）艙內(nèi)（無溫控）設備：指設備安裝于車載方艙或遮蔽箱體內(nèi)部，但沒有空調(diào)、水冷等環(huán)控設備進行輔助的溫度控制；

2）艙內(nèi)（有溫控）設備：指設備安裝于車載方艙或遮蔽箱體內(nèi)部，有空調(diào)、水冷等環(huán)控設備進行輔助的溫度控制；

3）露天（無太陽直射）設備：指設備安裝于無多余防護的位置，并且太陽無論從哪個角度均無法直接照射；

4）露天（有太陽直射）設備：指設備安裝于無多余防護的位置，可以直接承受太陽照射。

1.2 溫度環(huán)境指標典型表述

溫度環(huán)境指標的論證主要是提出高低溫工作溫度范圍和高低溫貯存溫度范圍，而該范圍往往是由邊界值構成。車載裝備在論證溫度指標時主要考慮車載裝備可能的部署地域、國家軍用標準要求以及車載裝備的特點：部署地域的歷史溫度極值、國家軍用標準要求的溫度極值以及車載設備安裝位置的不同，共同決定了車載裝備高低溫工作溫度極值和高低溫貯存溫度極值。目前在型號中常見的溫度指標包括如下提法：

1）只按艙內(nèi)設備和露天設備劃分。如某車載裝備在環(huán)境條件中提出的溫度指標為艙內(nèi)設備工作溫度（-10～+45）℃，露天設備工作溫度（-28～65）℃，露天設備不損壞溫度（-41～69）℃；

2）只按工作溫度和貯存溫度劃分。如某車載裝備提出溫度指標為工作溫度（-10～50）℃（不含太陽輻射）、（-40～60）℃（不含太陽輻射）；

3）考慮太陽輻射引起溫升以及艙內(nèi)、艙外的區(qū)別。如某車載裝備提出溫度指標為工作溫度：

（-10～40）℃（有空調(diào)）、（-20～50）℃（無空調(diào)）、（-20～50）℃+T（露天設備），貯存溫度：（-40～55）℃+T（露天設備）、（-40～65）℃（艙內(nèi)設備），其中T為太陽輻射引起的溫升，高溫試驗中按15 ℃考核。

以上溫度指標來自不同型號，屬于車載裝備溫度指標的典型表述。其中第一條提到的不損壞溫度即為貯存溫度，在實際開展貯存溫度試驗時，艙內(nèi)設備和艙外設備均按照露天設備的要求執(zhí)行，這里提到的溫度條件也被理解為試驗箱內(nèi)應施加的空氣溫度；第二條所提的環(huán)境條件屬于自然環(huán)境指標，具體到車載裝備內(nèi)部的設備，需要承研總體單位根據(jù)裝備設計情況分解確定；第三條所提的溫度環(huán)境條件比較細化，尤其是高溫條件給出了空氣溫度要求，并將疊加的太陽輻射溫度引起的溫升也給出，目前開展高溫試驗時是直接將這個太陽輻射引起的溫升直接施加到試驗箱空氣溫度上。

2 車載裝備高溫指標論證問題分析

由1.2 節(jié)可知溫度指標在不同型號中表述各異，不仔細斟酌很難發(fā)現(xiàn)其中的細微區(qū)別，這很容易在如何開展高溫試驗這個問題上引起歧義，導致產(chǎn)品設計師的困惑。在具體開展高溫環(huán)境試驗時，1.2 節(jié)給出的第一種高溫指標描述，是從車載上裝設備角度出發(fā)進行的環(huán)境條件約束，在開展整車高溫環(huán)境試驗時會導致沒法開展，若僅開展車載上裝設備高溫環(huán)境試驗，又無法得到訂購方認可；第二種沒有區(qū)分艙內(nèi)、艙外，由于太陽輻射或熱源設備局部密閉環(huán)境引起的高溫環(huán)境，均無法在上裝設備高溫試驗條件上體現(xiàn)；第三種相對來說是比較適合的指標提法，但缺乏整車的指標描述，仍面臨整車高溫試驗時確定溫度條件的困難。

基于目前型號中高溫指標論證，主要存在以下問題：

1）產(chǎn)品的壽命周期剖面分析不全面。壽命周期剖面包括任務剖面和環(huán)境剖面兩個部分，目前在分析確定高溫環(huán)境指標時，未能從裝備的使命任務出發(fā)，全面分析裝備可能的部署地域，進而獲得較為合理的壽命周期剖面；

2）標準采用存在偏差。車載裝備屬于典型的岸基裝備，其環(huán)境適應性指標論證應參照的是車載平臺的相關的標準，而不能簡單的認為屬于海軍裝備，就采用艦船相關的標準，這容易導致過嚴要求，進而導致設計上的無法實現(xiàn)；

3）未全面考慮設備的安裝位置。由于安裝有方艙或遮蔽箱體，以及空調(diào)、水冷等環(huán)控設備的使用，車載設備的安裝位置不同，其所面臨的溫度環(huán)境也必然不相同，在開展溫度指標論證時則需考慮這種因素影響并給出細化的溫度指標；

4）未全面考慮太陽輻射的影響。太陽輻射的熱量可以使得空氣溫度升高，同時熱量在設備表面的匯聚也會引起相應的溫升?？諝鉁囟葧崃總鲗Ыo設備，加上太陽輻射引；

5）起的溫升，共同構成了設備溫度升高的外界因素，決定了設備的高溫工作溫度極值和高溫貯存溫度極值。當前的溫度指標論證往往直接取標準給出的溫度極值，而未考慮到溫度極值是由空氣溫度和太陽輻射共同作用，如GJB 1060.2-1991 中在闡述露天設備高溫工作溫度時，提出是海面空氣溫度極值加上1 110 W/m2的太陽輻射引起的溫升（大約為17 ℃）；

6）高溫指標的考核方式過于簡單。目前工程上高溫環(huán)境適應性的驗證主要是根據(jù)GJB 150.3A-2009 要求，采用施加恒定高溫極值條件的方式在溫度試驗箱內(nèi)開展，而沒有考慮高溫環(huán)境的構成包括空氣溫度和太陽輻射，給部分產(chǎn)品造成設計困難，如發(fā)動機、空調(diào)等需要換熱的設備。

3 高溫試驗和太陽輻射試驗

3.1 高溫試驗程序介紹

GJB 150.3A-2009 給定的高溫環(huán)境試驗包括循環(huán)高溫貯存試驗、循環(huán)高溫工作試驗、恒定高溫貯存試驗和恒定高溫工作試驗共四類，具體內(nèi)容見表1[3]。

表1 GJB 150.3A-2009 高溫試驗程序介紹

根據(jù)GJB 150.3A-2009，高溫試驗在評價裝備高溫環(huán)境適應性上具有重要作用，但其本身仍有一定的局限性，主要包括：

1）不能評價高溫環(huán)境的長期效應。通常所說的高溫試驗屬于定性試驗，主要是為了評價裝備在極值環(huán)境下的適應能力，高溫造成的裝備老化等長期效應，短時間內(nèi)無法凸顯，或者需要通過定量加速試驗來確定；

2）不能替代太陽輻射試驗。太陽輻射往往會在裝備內(nèi)部引起溫度梯度，并且含有紫外線等光譜，考核的是產(chǎn)品材料的溫度匹配性、耐光照老化等方面的能力；

3）不能評價由于氣動飛行所引起的加熱效應。導彈、飛機、火箭等平臺在飛行過程中會有明顯的氣動加熱，這些溫度往往會達到很高溫度，并且由于高空空氣稀薄，散熱差，對產(chǎn)品的耐高溫能力提出更高要求，但這些一般持續(xù)過程較短，并且需要特別考慮隔熱設計，因此不在常規(guī)高溫試驗的考慮范疇。

3. 2 太陽輻射試驗程序介紹

根據(jù)GJB 150.7A-2009，太陽輻射試驗主要用于評價裝備在炎熱季節(jié)直接暴露于太陽輻射環(huán)境中保持安全性、完整性和性能的耐受能力，主要包括熱效應和光化學效應，具體內(nèi)容見表2[4]。

表2 GJB 150.7A-2009 太陽輻射試驗程序介紹

根據(jù)GJB 150.7A-2009，太陽輻射試驗在評價裝備高溫環(huán)境適應性上具有重要作用，但其本身不適用于封閉環(huán)境內(nèi)均勻熱效應的模擬，也不適用于遮蔽區(qū)域內(nèi)核遮蓋貯存條件下非直接熱效應的模擬。

4 車載裝備高溫指標論證問題的解決對策

4.1 解決高溫指標論證問題的主要工作

車載裝備不同于艦船裝備，其即可以拆解成各個組成設備開展高溫環(huán)境試驗，又可以作為完整系統(tǒng)在整車試驗箱內(nèi)開展高溫環(huán)境試驗。通常總體單位為了降低整車高溫環(huán)境試驗不通過的風險，一般會要求各分系統(tǒng)或設備承研單位開展先開展高溫環(huán)境試驗。這也導致車載裝備存在兩個層面問題：一是整車高溫環(huán)境指標怎么提，怎么開展驗證；二是車載設備高溫環(huán)境指標應該怎么提，怎么開展驗證。

為了解決車載裝備的高溫環(huán)境指標問題，需要做好以下工作：

1）在立項論證階段，訂購方組織開展通用質(zhì)量特性指標論證時，應明確給出裝備的壽命剖面，包括預期使用地域、預期高溫環(huán)境的期望發(fā)生概率等。通過查閱預期使用地域的歷年氣象數(shù)據(jù)記錄，可獲得該地域的環(huán)境條件，并根據(jù)預期高溫環(huán)境的期望發(fā)生概率的要求，來確定最終的高溫環(huán)境條件要求；

2）車載裝備不同于艦載裝備，其只能在我國疆域內(nèi)的陸地或島嶼環(huán)境中使用，確定其預期使用環(huán)境條件時，應盡量參照裝甲車輛或海軍車載裝備相關的國軍標中環(huán)境條件要求，避免提出過高的環(huán)境要求；

3）訂購方在開展指標論證時，只需給出整車的使用環(huán)境即可，車載設備的具體環(huán)境要求由總體單位根據(jù)其安裝位置的局部環(huán)境特點具體分析確定。訂購方給出的過細要求往往可能和裝備的實際局部環(huán)境存在偏差，束縛了總體單位的產(chǎn)品設計工作；

4）車載裝備承研總體單位應根據(jù)各設備的安裝位置，包括是否接觸太陽輻射、通風情況、有無遮蔽物、周圍有無熱源、是否帶有環(huán)控，將訂購方給定的高溫環(huán)境條件要求進行細化。一般不直接接觸太陽輻射的產(chǎn)品，其高溫工作溫度主要決定于環(huán)境空氣溫度；若有遮蔽物或通風比較差，則會加劇高溫效應；周圍若有發(fā)動機或電機等輻射熱源，會形成穩(wěn)定的高溫環(huán)境；帶有環(huán)控的艙內(nèi)設備，則會明顯降低高溫環(huán)境效應；

5）高溫環(huán)境往往是由于空氣溫度、太陽輻射或設備本身發(fā)熱所造成的，在結合GJB 150.3A-2009 確定開展高溫環(huán)境試驗的形式時，應具體問題具體分析，不能統(tǒng)一簡化為按照恒定高溫貯存或恒定高溫工作開展高溫環(huán)境試驗，應根據(jù)其實際可能遇到的環(huán)境具體分析確定。

4.2 高溫指標驗證的建議方案

以某車載裝備為例，其主要部署于我國南部和北部沿海區(qū)域，按照GJB 1172.2-1991、GJB 1060.2-1991 以及1 %期望概率，其高溫工作環(huán)境極值取48 ℃[5,6]，高溫貯存環(huán)境極值取52 ℃[5,6]，該溫度均不含太陽輻射，為空氣溫度；考慮1 110 W/m2的太陽輻射引起的溫升，按17 ℃計算。因此，整車的高溫條件定為：高溫工作65 ℃（含太陽輻射），高溫貯存69 ℃（含太陽輻射）。車載上裝設備則根據(jù)安裝位置，分為：艙內(nèi)有溫控設備高溫工作溫度為45 ℃ 、高溫貯存溫度為69 ℃，艙內(nèi)無溫控設備高溫工作溫度65 ℃，高溫貯存溫度69 ℃（含太陽輻射）；露天但無太陽直接輻射或艙內(nèi)但空氣流通順暢，高溫工作溫度為48 ℃ 、高溫貯存溫度52 ℃ ；露天且有太陽直射，高溫工作65 ℃（含太陽輻射），高溫貯存69 ℃（含太陽輻射）；有空氣交換或冷卻介質(zhì)工作的設備，其高溫工作溫度為65 ℃（含太陽輻射），高溫貯存69 ℃（含太陽輻射）。

車載裝備作為平臺，涉及的上裝設備類型多，包括發(fā)動機、空調(diào)、水冷設備、電子設備等等。為了降低高溫環(huán)境試驗的風險，建議可以采取如下兩種方式：

1）第一種方案是高溫試驗只施加環(huán)境條件中高溫空氣溫度極值，試驗方法參照GJB 150.3A-2009 執(zhí)行，太陽輻射引起的熱效應則單獨開展，試驗方法參照GJB 150.7A-2009 規(guī)定的太陽輻射熱效應試驗；

2）第二種則是“高溫空氣溫度+太陽輻射”同時施加的方式來開展高溫試驗，即在試驗箱內(nèi)施加給定的高溫空氣溫度條件，并同時施加太陽輻射條件，區(qū)別于GJB 150.7A-2009 中太陽輻射熱效應試驗方法的是：試驗過程中是否工作、施加恒定溫度或循環(huán)溫度則按GJB 150.3A-2009 規(guī)定的條件確定。

雖然這種方式不在GJB 150.3A-2009 和GJB 150.7A-2009 的通用程序范疇，但空氣溫度和太陽輻射的疊加作用屬于實際自然環(huán)境中會發(fā)生的環(huán)境，并且在GJB 150.3A-2009 的第3.3.3 節(jié)，明確指出若存在強化的太陽輻射時，應在高溫試驗裝置中盡可能包括或模擬這些條件。GJB 150A-2009 作為可裁剪實驗室環(huán)境試驗標準，根據(jù)產(chǎn)品特點進行適當剪裁無疑是合適的，也能更好摸出產(chǎn)品的真實環(huán)境適應能力水平，以驗證裝備的高溫環(huán)境適應能力。傳統(tǒng)恒定高溫環(huán)境試驗只是施加空氣溫度，這對于發(fā)動機、空調(diào)設備、水冷設備來講無法模擬實際環(huán)境；而太陽輻射的熱效應試驗一般只在最高溫度響應時開機工作測試即可。這種“高溫空氣溫度+太陽輻射”試驗方法與傳統(tǒng)恒定高溫環(huán)境試驗和太陽輻射的熱效應試驗均有不同，模擬的是實際環(huán)境高溫空氣溫度和太陽輻射疊加作用，并在空氣溫度達到穩(wěn)定時進行通電，驗證產(chǎn)品在空氣溫度、太陽輻射以及產(chǎn)品自身產(chǎn)熱、隔熱和散熱能力綜合作用下的高溫環(huán)境適應性。需要說明的是，這種“高溫空氣溫度+太陽輻射”的試驗方式主要針對整車以及上裝設備中可能接受太陽輻射的產(chǎn)品，對于其他由于布置在發(fā)動機等熱源附近或者在密閉艙室內(nèi)布置的設備，則仍建議采用恒定高溫試驗。當然，承研單位若覺得按該方式開展高溫環(huán)境試驗時仍存在風險，則可按照第一種方案開展，在某種程度上也能降低高溫試驗不通過的風險，但會增加試驗經(jīng)費，需要研制單位根據(jù)產(chǎn)品的設計情況以及研制經(jīng)費、研制進度進行綜合權衡。

5 結束語

確定的高溫環(huán)境條件不適當，會導致產(chǎn)品設計上的困難，受到產(chǎn)品設計師“自然界不存在這種環(huán)境溫度”的質(zhì)疑；選擇的高溫環(huán)境試驗程序不恰當，則會導致產(chǎn)品高溫環(huán)境試驗不通過。車載裝備很多屬于繼承性成熟設計，諸如發(fā)動機、空調(diào)等均選用成熟產(chǎn)品，更應在高溫環(huán)境條件的論證上慎之又慎。本文結合某車載裝備中高溫環(huán)境條件的論證，從產(chǎn)品特點分析出發(fā)，重點分析了高溫環(huán)境指標論證及驗證問題并給出了解決對策，可以為裝備的高溫環(huán)境條件論證工作提供借鑒。