宋潔瓊、許玉珍、羅婷

中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院 北京強(qiáng)度環(huán)境研究所 中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院

隨著人們對自然環(huán)境開發(fā)與利用的范圍越來越廣，各類工業(yè)產(chǎn)品在生產(chǎn)、貯存、運(yùn)輸和使用過程中經(jīng)歷的環(huán)境越來越復(fù)雜。上至太空，下至深海，北至極地，南至赤道，為保證工業(yè)產(chǎn)品在相關(guān)環(huán)境中都能兼顧可靠和安全，可同時模擬多類型復(fù)雜環(huán)境的綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備在產(chǎn)品性能測試中越來越重要。西方國家對綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的研發(fā)起步較早，已具備了較強(qiáng)的開發(fā)研制能力，形成了比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈。我國環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)研究起步相對較晚，但近年隨著航空航天、軌道交通、電子電器等戰(zhàn)略性行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，國內(nèi)綜合試驗(yàn)設(shè)備的市場需求迅速提升。面對快速發(fā)展的新機(jī)遇，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)應(yīng)對領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)研發(fā)態(tài)勢和競爭能力進(jìn)行全面掌握，以有效對抗市場風(fēng)險(xiǎn)。蘊(yùn)含豐富技術(shù)信息和法律信息的專利，便是其中一個觀察業(yè)內(nèi)發(fā)展態(tài)勢的可靠情報(bào)視角。

綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的整機(jī)研發(fā)中，涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括基于電動振動臺低壓環(huán)境下的振動模擬技術(shù)、低壓環(huán)境下振動耦合優(yōu)化技術(shù)、基于綜合環(huán)境試驗(yàn)箱的高濕溫模擬技術(shù)、過渡連接裝置密封技術(shù)、溫濕高振四綜合一體化控制技術(shù)等。本文通過對上述5 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)關(guān)鍵詞和分類號進(jìn)行整理，在全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫中對截至2021 年的各國技術(shù)創(chuàng)新成果進(jìn)行檢索和挖掘，進(jìn)一步透過專利在不同維度的信息分布情況，呈現(xiàn)出了綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備近年創(chuàng)新發(fā)展態(tài)勢和主要企業(yè)研發(fā)投入及市場保護(hù)布局重點(diǎn)。

一、近年領(lǐng)域內(nèi)創(chuàng)新熱情高漲，中國成為全球?qū)＠a(chǎn)出的主要來源

基于相關(guān)專利的最早優(yōu)先權(quán)年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（見圖1），可看出綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)發(fā)展前期的專利量很少，基本來自于美國和日本。美國是最早開始研制生產(chǎn)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的國家，基礎(chǔ)雄厚，又有海陸空多兵種的大力支持。日本則在20 世紀(jì)90 年代逐步發(fā)力，基于其快速發(fā)展的機(jī)械制造能力和電子元器件加工能力，很快在全球市場中也占得一席之地。

圖1 專利申請趨勢分析圖

到2005 年后，綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)出量呈現(xiàn)出了一定幅度的提高。該階段，我國環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)和制造水平有了極大的進(jìn)步，蘇試、東菱等一眾先進(jìn)制造企業(yè)興起?；趪曳鲋埠透偁幮枨螅瑖鴥?nèi)企業(yè)創(chuàng)新投入和保護(hù)意識大幅增長，在國外專利申請量僅小幅提升的情況下，中國專利申請量開始遠(yuǎn)超國外。至近5 年，中國專利已成為全球創(chuàng)新產(chǎn)出的主要支撐?；诓粩嗟陌l(fā)展與完善，近兩年我國在通用、中小型環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備方面已經(jīng)接近國際先進(jìn)水平，多因素綜合性環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備生產(chǎn)能力提升，自動化控制水平與國外產(chǎn)品相比差距已越來越小。

二、蘇試、東菱、航天等企業(yè)創(chuàng)能能力領(lǐng)先，但海外專利布局需重視

針對檢索獲取的近200 項(xiàng)專利進(jìn)行全球?qū)＠暾埲私y(tǒng)計(jì)，專利量排名如圖2 所示。在本文關(guān)注的綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，專利量排名前十的申請人主要為中、日兩國創(chuàng)新主體，有蘇州蘇試試驗(yàn)集團(tuán)（以下簡稱蘇試）、蘇州東菱振動試驗(yàn)儀器公司（以下簡稱東菱）、北京強(qiáng)度環(huán)境研究所、日本愛斯佩克株式會社（以下簡稱愛斯佩克）和IMV 株式會社（以下簡稱IMV）等。

圖2 全球?qū)＠暾埲伺琶?/p>

其中，北京航天斯達(dá)科技公司、天津航天瑞萊科技公司和北京航天希爾測試技術(shù)公司同作為北京強(qiáng)度環(huán)境研究所下屬子公司，相互配合、共同開發(fā)研制了多個低壓振動臺和高溫濕三綜合環(huán)境試驗(yàn)箱技術(shù)創(chuàng)新方案，近年針對四綜合試驗(yàn)設(shè)備也提出了多個密封系統(tǒng)專利設(shè)計(jì)，已代表航天在綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備領(lǐng)域占有一席關(guān)鍵之地。日本兩企業(yè)中，IMV 的創(chuàng)新技術(shù)主要投入在低壓環(huán)境下電動振動臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)上，愛斯佩克則更加偏重高溫濕綜合環(huán)境試驗(yàn)箱的改進(jìn)研究。

表1 為以上排名靠前的主要申請人專利技術(shù)在5 個關(guān)鍵技術(shù)上的分布情況?？煽闯觯K試的創(chuàng)新成果數(shù)量和種類最為豐富，專利申請?jiān)诟麝P(guān)鍵技術(shù)上均有涉及，在低壓振動臺和高溫濕三綜合環(huán)境試驗(yàn)箱2 個關(guān)鍵技術(shù)上分布也相對均衡。蘇試近年的22 項(xiàng)專利中，11 項(xiàng)已授權(quán)，11 項(xiàng)尚在審查，無因中斷官費(fèi)或撤回引起的專利失效現(xiàn)象，說明蘇試對自有知識產(chǎn)權(quán)的重視程度頗高，既積極保護(hù)也悉心維護(hù)。且蘇試較注重保護(hù)策略，多項(xiàng)裝置結(jié)構(gòu)類創(chuàng)新都以一案雙審的形式進(jìn)行專利申請，即先以授權(quán)的實(shí)用新型開始保護(hù)，后以時效更長的授權(quán)發(fā)明延長保護(hù)期限，以獲得最大的技術(shù)保護(hù)能力。

表1 主要申請人技術(shù)分布

東菱則在低壓振動臺和高溫濕三綜合環(huán)境試驗(yàn)箱技術(shù)上的創(chuàng)新保護(hù)相對弱勢，但對過渡連接密封技術(shù)和低壓振動耦合優(yōu)化技術(shù)較為關(guān)注。以上2 個關(guān)鍵創(chuàng)新主體中，蘇試作為專注于工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的制造服務(wù)型企業(yè)，已做到國內(nèi)領(lǐng)先、國際知名；東菱亦基于其大噸位振動臺先進(jìn)技術(shù)手握大量國外訂單。但綜合檢索出的相關(guān)專利信息，上述兩企業(yè)專利量雖大，海外同族布局量極少。雖以蘇試、東菱為代表的中國振動測試和環(huán)境測試系統(tǒng)已到全球先進(jìn)水平，甚至部分達(dá)到“大國重器”水平的環(huán)境試驗(yàn)裝置已列入限制出口清單，但對于大部分的產(chǎn)品，海外市場仍具有相當(dāng)大的吸引力。缺少海外當(dāng)?shù)氐膶＠Ｗo(hù)對企業(yè)市場拓展和競爭優(yōu)勢保持都是極為不利的，在這一點(diǎn)上國內(nèi)相關(guān)研制單位都要關(guān)注和重視。

三、各關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)量不一，保護(hù)力度與發(fā)展態(tài)勢區(qū)別顯著

1.高溫濕三綜合環(huán)境試驗(yàn)箱技術(shù)上日本企業(yè)持續(xù)投入，國內(nèi)部分針對性應(yīng)用創(chuàng)新值得關(guān)注

將全部專利以所屬技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行分布統(tǒng)計(jì)，獲得圖3，可看出其中基于綜合環(huán)境試驗(yàn)箱的高濕溫模擬技術(shù)相關(guān)專利申請量最多（72 項(xiàng)），包括試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化、試驗(yàn)箱熱氣旁通設(shè)計(jì)、高溫濕耦合試驗(yàn)等技術(shù)。在該領(lǐng)域，國外專利中日本申請量最高，持續(xù)時間長且到近年仍在投入，主要來源于日本愛斯佩克和神戸制鋼所株式會社。愛斯佩克為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)低功耗精確控溫及避免結(jié)霜，先后在專利JP6062172B2、JP6258416B2 中提出了不同的環(huán)境試驗(yàn)箱熱氣旁通設(shè)計(jì)方案；另針對常規(guī)振動復(fù)合環(huán)境測試設(shè)備規(guī)模大且制造成本高的問題，2019 年愛斯佩克又在專利JP2020165671A 中提出了一種振動復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備方案，結(jié)構(gòu)簡單且不易因振動而損壞，該技術(shù)同期布局了中國同族。

圖3 關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠空急?/p>

另有部分專利中的針對性應(yīng)用解決方案值得關(guān)注和借鑒。針對高空環(huán)境的無線電裝備測試，韓國標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)研究院2018 年在專利US20200124766A1 中提出了一種高溫濕環(huán)境模擬裝置；針對海洋環(huán)境中軍用裝備上電子產(chǎn)品檢測，中國兵器工業(yè)第五九研究所2019 年在專利CN110108967A 中提出了一種四綜合環(huán)境試驗(yàn)裝置，可以準(zhǔn)確模擬實(shí)際鹽霧對產(chǎn)品的影響，并可通過強(qiáng)化效果使試驗(yàn)過程中避免出現(xiàn)凝露。

2.低壓振動臺技術(shù)上國外企業(yè)重視全球布局，國內(nèi)蘇試專利技術(shù)全面

在基于電動振動臺低壓環(huán)境下的振動模擬技術(shù)領(lǐng)域中，專利申請量有48 項(xiàng)，包括振動臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化、全數(shù)字功率放大器、低壓環(huán)境下散熱及絕緣等技術(shù)。該領(lǐng)域國外專利中，美國申請量最高，起源也最早，基于其軍方和航空航天設(shè)備發(fā)展需求，波音、雷神、洛馬等企業(yè)早期在該領(lǐng)域均有投入。如針對火箭發(fā)射及入軌分離時的煙火沖擊模擬，波音公司先后在US8306796B2、US8429975B2 中提出多個可重復(fù)性精確控制且成本低廉的沖擊模擬系統(tǒng)，并基于其技術(shù)先進(jìn)性和通用性，波音將部分技術(shù)在日本、韓國、中國、俄羅斯、加拿大等多地進(jìn)行專利保護(hù)布局，現(xiàn)已均獲得授權(quán)。

國內(nèi)專利中，基于航天領(lǐng)域的應(yīng)用與帶動，北京強(qiáng)度環(huán)境研究所及其下屬子公司的成果也相對突出，但整體仍不如蘇試的創(chuàng)新產(chǎn)出豐富。圍繞低壓振動臺領(lǐng)域中的各個分支，蘇試均有多種創(chuàng)新方案，如放大器遠(yuǎn)程控制技術(shù)、振動臺滾動密封結(jié)構(gòu)、液壓油自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、動圈復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)等，保護(hù)范圍全面且細(xì)致。

3.過渡連接裝置密封技術(shù)創(chuàng)新量相對低位，溫濕高振四綜合技術(shù)方案成熟度尚弱

過渡連接裝置密封技術(shù)領(lǐng)域包括組合密封、隔熱設(shè)計(jì)等技術(shù)，有相關(guān)專利32 項(xiàng)。在綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備中，環(huán)境箱分系統(tǒng)與振動臺分系統(tǒng)之間既有運(yùn)動接口又有靜態(tài)接口，其密封性能好壞將直接影響振動臺能否正常工作。但在連接件密封領(lǐng)域，現(xiàn)有專利量尚不豐富。由圖4 也可看出，在近5 年綜合環(huán)境試驗(yàn)箱與電動振動臺創(chuàng)新產(chǎn)出迅速提升的情況下，關(guān)于兩者間的過渡連接裝置密封與隔熱技術(shù)相關(guān)專利申請相對低位。其中，國內(nèi)仍是蘇試最為領(lǐng)先，圍繞防凝露、易操作、高密封等需求提出多個解決方案。東菱在專利CN101324479A 中提出的綜合環(huán)境水平振動臺保溫密封裝置也較值得關(guān)注，東菱在該專利被駁回后積極進(jìn)行了復(fù)審申辯，足以看出該專利中的技術(shù)方案對其產(chǎn)品的重要性。

圖4 3個主要技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾堏厔輰Ρ?/p>

溫濕高振四綜合一體化控制技術(shù)是綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備近年的發(fā)展熱點(diǎn)，同時相關(guān)專利申請的稀有度也反映出該技術(shù)是國內(nèi)外綜合環(huán)境試驗(yàn)裝備研究的難點(diǎn)。目前在復(fù)雜環(huán)境試驗(yàn)中，溫度、濕度、高度、振動單獨(dú)或2 種復(fù)合實(shí)施比較常見，控制方案也一般是各環(huán)境控制單獨(dú)實(shí)施，多環(huán)境耦合控制很少。四綜合環(huán)境試驗(yàn)控制系統(tǒng)要同時實(shí)現(xiàn)多種信號的耦合控制，多類型信號控制器集成和多類型信號耦合控制算法的設(shè)計(jì)均是有待重點(diǎn)攻克的關(guān)鍵。北航、蘇試、東菱、泰斯特雖都有個別專利申請，但基本都無法綜合解決大尺寸工作空間溫度均勻、空氣流場均勻、溫度低差值等問題，技術(shù)全面性不夠，方案成熟度不高。

四、啟示與建議

1.加強(qiáng)對綜合設(shè)備連接密封技術(shù)的針對性創(chuàng)新與保護(hù)

過渡連接裝置密封技術(shù)是綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備中的關(guān)鍵技術(shù)，也是容易被遺漏創(chuàng)新點(diǎn)保護(hù)的技術(shù)類型，現(xiàn)關(guān)于綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備中過渡連接裝置的密封與隔熱設(shè)計(jì)專利申請還相對低位。為提升系統(tǒng)整體性能，建議加大領(lǐng)域內(nèi)過渡連接裝置密封技術(shù)的投入力度和保護(hù)強(qiáng)度，積極通過新型密封材料、隔熱材料的挖掘及特定化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證住裝置連接強(qiáng)度和支撐剛度的性能下，滿足好綜合設(shè)備里環(huán)境箱與振動臺之間繁雜的運(yùn)動接口和靜態(tài)接口的差異化連接密封需求。

2.增大四綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備一體化集成設(shè)計(jì)及用戶操作便捷性設(shè)計(jì)投入

傳統(tǒng)綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備通常由各專業(yè)廠家的子系統(tǒng)組成，各組成部分獨(dú)立控制，獨(dú)立完成特定工作，存在相互之間易發(fā)生互鎖、不便組網(wǎng)聯(lián)合控制、不便實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、不便后續(xù)升級、不便協(xié)調(diào)多維度試驗(yàn)條件下組合調(diào)節(jié)要求等明顯缺陷，容易帶來一些安全隱患和使用不便。后續(xù)在開展四綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備儀器集成和控制技術(shù)研究時，應(yīng)注意各分組件的系統(tǒng)兼容性和集成可行性，在控制系統(tǒng)融合與設(shè)計(jì)過程中充分考慮溫、濕、高、振四類分環(huán)境下控制輸出及采集輸入的時序控制與數(shù)據(jù)融合需求。同時，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注整機(jī)控制界面的應(yīng)用便捷性和友好性，提升用戶使用體驗(yàn)。

3.靈活化旁通管路設(shè)計(jì)及控制，提升環(huán)境試驗(yàn)箱制冷系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性

先進(jìn)的環(huán)境試驗(yàn)箱必須要能滿足越來越快的溫度變化速率要求、越來越寬的極限高低溫要求、越來越大的承載能力要求。為避免制冷壓縮機(jī)的頻繁啟停，制冷系統(tǒng)常維持低載運(yùn)行，當(dāng)試驗(yàn)設(shè)備需求的蒸發(fā)量不足以維持壓縮機(jī)最低吸氣壓力時，額外的回氣補(bǔ)充成為一種關(guān)鍵的調(diào)節(jié)手段。冷熱旁通調(diào)節(jié)可以保持試驗(yàn)箱壓縮機(jī)在低吸氣壓力下可靠運(yùn)行，不僅能有效的防止壓縮機(jī)頻繁起停，更利于環(huán)境試驗(yàn)箱溫濕度性能的穩(wěn)定性保持。建議對冷熱旁通調(diào)節(jié)的管路設(shè)計(jì)及精準(zhǔn)控制多加關(guān)注，提升設(shè)計(jì)靈活性與快速控制準(zhǔn)確性。

通過對綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備相關(guān)專利信息的整理和技術(shù)的挖掘，本文較為清晰的呈現(xiàn)出了國內(nèi)外針對綜合環(huán)境系統(tǒng)技術(shù)的創(chuàng)新態(tài)勢、企業(yè)能力和技術(shù)現(xiàn)狀，對我國相關(guān)機(jī)構(gòu)和企業(yè)制定技術(shù)發(fā)展規(guī)劃可具備一定的參考意義?；诩夹g(shù)領(lǐng)域內(nèi)已公開的專利申請態(tài)勢，可看出創(chuàng)新成果公開量仍有繼續(xù)提升的潛力。隨著軍品、民品各領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品可靠性測試要求越來越高，三綜合/四綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備性能均有較大提升空間。相關(guān)機(jī)構(gòu)和企業(yè)需持續(xù)加大關(guān)注力度，為增強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)的自主可控能力和國際影響力，進(jìn)一步增加研究投入，在關(guān)鍵技術(shù)自主突破過程中也做好自有專利及時布局，圍建技術(shù)保護(hù)高地，在競爭中占領(lǐng)進(jìn)攻主動權(quán)，并通過知識產(chǎn)權(quán)進(jìn)一步提升專業(yè)化品牌價值與合作談判有力籌碼?！?/p>