楊國輝

（中國人民解放軍63853 部隊，吉林 白城 137001）

在裝備環(huán)境工程中，主要包括環(huán)境工程管理、環(huán)境分析、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計、環(huán)境試驗與評價4 個方面[1]。武器裝備在環(huán)境試驗適應(yīng)性考核中，需要進(jìn)行高、低溫等多項環(huán)境試驗，溫度應(yīng)力強度如何選擇至關(guān)重要，對于溫度穩(wěn)定時間的判定與被試品材質(zhì)、尺寸、結(jié)構(gòu)和實驗室空間等因素都有很大關(guān)系。GJB 150.1A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 通用要求》規(guī)定，試件工作時，除另有規(guī)定外，當(dāng)試件中具有最大溫度滯后效應(yīng)的功能部件的溫度變化率不大于2.0 ℃/h 時，則認(rèn)為試件達(dá)到了工作時的溫度穩(wěn)定；試件不工作時，除另有規(guī)定外，當(dāng)試件中具有最大溫度滯后效應(yīng)的功能部件溫度達(dá)到試驗溫度時，則認(rèn)為試件達(dá)到了不工作時的溫度穩(wěn)定。這就需要對裝備的各部位溫度進(jìn)行測量，并對穩(wěn)定時間進(jìn)行判斷，來確定試驗裝備是否達(dá)到了溫度的穩(wěn)定。

溫度環(huán)境試驗的持續(xù)時間應(yīng)從樣品在規(guī)定的試驗溫度下穩(wěn)定的瞬間開始計算，而溫度穩(wěn)定時間則是試驗持續(xù)時間的判定標(biāo)準(zhǔn)，這個時間通常指試驗樣品在預(yù)定試驗溫度下達(dá)到溫度穩(wěn)定所需要的時間。由于進(jìn)入到環(huán)境試驗階段的被試品已經(jīng)生產(chǎn)完畢，不能加裝溫度傳感器破壞其內(nèi)部零部件的整體結(jié)構(gòu)，所以無法測得其內(nèi)部真實溫度，而一般實驗室室溫都已達(dá)到預(yù)定溫度開始計時，這樣會導(dǎo)致裝備溫度平衡后的保溫時間不足。因此，選定了多種裝備進(jìn)行了數(shù)據(jù)測試，并對3 種典型武器裝備進(jìn)行了詳細(xì)的溫度響應(yīng)測試。在高、低溫試驗過程中，對熱容量最大及敏感、薄弱部件進(jìn)行實時溫度測量，進(jìn)而確定溫度平衡時間，并為相同量級的武器裝備試驗量級的選取提供數(shù)據(jù)支持。本文在高低溫試驗的溫度量級選取中，以具體試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對軍標(biāo)的相關(guān)規(guī)定給出了具體合理量化建議，這樣會使武器裝備環(huán)境試驗鑒定數(shù)據(jù)更加科學(xué)準(zhǔn)確可靠。

1 溫度響應(yīng)過程分析

1.1 溫度試驗的傳熱機(jī)理

溫度總是從高溫介質(zhì)傳向低溫介質(zhì)。物體與周圍環(huán)境大氣之間的傳熱形式主要是對流換熱和輻射換熱，其內(nèi)部的主要傳熱過程則是不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程[2-6]。從環(huán)境空氣溫度開始變化，直至被試品的溫度達(dá)到穩(wěn)定之前，其內(nèi)部各點的溫度始終處于變化之中。被試品的表面首先被加熱（或冷卻），被試品中熱容量最大部位的溫度變化最慢，比被試品的表面及其內(nèi)部的其他部位均有較大滯后，只有當(dāng)被試品中熱容量最大部位的溫度與被試品周圍環(huán)境的溫度達(dá)到一致時，才可認(rèn)為被試品的溫度達(dá)到了穩(wěn)定[8-15]。實驗室空氣溫度、被試品表面溫度及被試品中熱容量最大部件的溫度隨時間的變化曲線如圖1 所示。

圖1 被試品各部溫度隨時間的變化曲線Fig.1 Temperature curve of each part of the tested product with time

被試品與周圍空氣之間的對流換熱，遵循牛頓冷卻公式：

被試品與周圍空氣之間的輻射換熱，遵循斯蒂芬–玻爾茲曼定律：

用換熱系數(shù)表示的公式為：

被試品內(nèi)部的不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，遵循傅立葉定律和能量守恒定律，滿足導(dǎo)熱微分方程[13-15]：

式（1）—（3）中：Q1、Q2、Q3為物體與空氣之間的對流換熱量、輻射換熱量及物體內(nèi)部的導(dǎo)熱量；F為物體的表面溫度；ac為對流換熱系數(shù)；Δt為物體表面與環(huán)境空氣之間的溫差；ε、ρ、λ、c為物體的黑度、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱；t為溫度變化的時間；q為被試品內(nèi)部發(fā)熱流量。

1.2 溫度響應(yīng)過程

溫度環(huán)境試驗過程中，被試品與周圍環(huán)境大氣之間的傳熱形式主要是對流換熱和輻射換熱，被試品內(nèi)部的傳熱過程是不穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱過程[3-19]。從環(huán)境空氣溫度開始，直至被試品的溫度達(dá)到穩(wěn)定之前，其內(nèi)部各點的溫度始終是變化的，不是穩(wěn)態(tài)的。被試品的表面最先被加熱（或冷卻），而熱容量最大部位的溫度變化是最慢的，比被試品的表面溫度變化有較大滯后。典型的高溫試驗過程主要包括升溫、保溫、降溫、高溫工作（檢測）、恢復(fù)等5 個階段。典型的低溫試驗過程主要包括降溫、保溫、升溫、低溫工作（檢測）、恢復(fù)等5 個階段[20-21]。各試驗項目中的控制溫度、空氣溫度、被試品溫度隨時間的變化關(guān)系如圖2 所示。

圖2 溫度隨時間的變化關(guān)系Fig.2 Diagram of temperature over time

2 測量設(shè)備及方法

裝備高低溫試驗中，溫度響應(yīng)特性主要包括裝備溫度分布、熱點分布、裝備在規(guī)定的環(huán)境溫度下達(dá)到溫度穩(wěn)定的時間、裝備熱容量最大的部位、裝備對冷熱敏感的部位和薄弱環(huán)節(jié)等。溫度響應(yīng)特性的測量盡可能地在確定的同一裝備上進(jìn)行，以確保測得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。目前，確定裝備溫度環(huán)境試驗溫度平衡時間主要采取以下幾種方法[7-16]。

2.1 重量法

重量法是按照被試品的重量來確定試驗溫度的保持時間。該方法的主要優(yōu)勢是簡單、方便，主要在環(huán)境試驗的發(fā)展早期使用較多。目前除了MTL-STD-202F《電子及電氣元器件試驗方法》、HB67176《飛機(jī)電機(jī)電器環(huán)境試驗方法》等極少數(shù)標(biāo)準(zhǔn)采用該方法外，國內(nèi)外大部分標(biāo)準(zhǔn)已不采用[16-19]。

2.2 熱時間常數(shù)法

在試驗中直接用傳感器測量被試品中關(guān)鍵部位的溫度，將此溫度上升（或下降）到試驗溫度的0.632倍時所需要的時間作為熱時間常數(shù)，并把該常數(shù)的4倍作為溫度穩(wěn)定時間。

該方法在目前使用最普遍，仍被國際電工協(xié)會（IEC）的IEC68 號出版物和GB 2423《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程試驗方法》等標(biāo)準(zhǔn)文件使用，作為溫度的判定方法[4-18]。

2.3 直接測量法

在試驗全過程中，直接用傳感器測量被試品中熱容量最大部件的溫度，以此溫度變化到與試驗溫度的偏差在允許范圍內(nèi)時的這段時間作為溫度穩(wěn)定時間。目前，國內(nèi)外主要標(biāo)準(zhǔn)均采用直接測量法作為溫度穩(wěn)定的判定方法。

由于對被試品中熱容量最大部件的溫度進(jìn)行直接測量，并且考慮到關(guān)鍵部位的溫度變化，直接測量法要準(zhǔn)確可靠得多。目前測溫的設(shè)備有很多，常采用鉑電阻溫度計、熱電偶溫度計和紅外測溫儀來進(jìn)行裝備溫度響應(yīng)測量[11-20]。紅外測溫儀的優(yōu)勢在于非接觸式測溫，用于極端溫度及不能直接測量的環(huán)境；電阻溫度計是根據(jù)電阻值隨溫度的變化這一特性制成的，測量范圍為–260～600 ℃；熱電偶溫度計是由2 條不同金屬連接著1 個靈敏的電壓計所組成，金屬接點在不同的溫度下，會在金屬的兩端產(chǎn)生不同的電位差[19-22]。

采用直接測量法確定被試品的溫度穩(wěn)定時間，至少要測量2 處溫度，一處是最大熱容量部件的溫度，另一處是關(guān)鍵部件（或部位）的溫度。經(jīng)試驗測量，物體的表面溫度與其內(nèi)部溫度之差一般不超過與環(huán)境空氣溫度之差的5%。因此，對部件溫度的測量，一般只需要測量其表面溫度即可[21-27]。

關(guān)鍵部位溫度的測量除采用直接測量法外，如果條件允許，可采用內(nèi)部測量法進(jìn)行更為直接的測量。大型裝備在進(jìn)行溫度環(huán)境試驗時，重要考核部位主要包括底盤（發(fā)動機(jī)、變速箱等）、控制等系統(tǒng)，考核其在特定的溫度條件下的工作性能。內(nèi)部測量法更為直接，可在發(fā)動機(jī)、變速箱、液壓部件及控制部件布置測溫設(shè)備，直接測量內(nèi)部溫度的變化過程，可以獲得較為真實的數(shù)據(jù)，但在傳感器選用及布設(shè)方面存在一定難度，可在條件允許的情況下使用，要視具體情況而定。

根據(jù)裝備實際要求來確定測量數(shù)據(jù)的采樣時間，建議敏感部位要縮短時間間隔，這樣更能及時反映部件的工作性能，捕捉到性能下降及失效時間點，為后續(xù)故障分析處理提供依據(jù)。

3 典型裝備溫度響應(yīng)測量

依據(jù)上述測量方法，進(jìn)行了3 種典型武器裝備溫度響應(yīng)的測量。此次溫度響應(yīng)的測量主要結(jié)合某型系統(tǒng)A、某型系統(tǒng)B 和某型系統(tǒng)C 等3 套系統(tǒng)的6 項高低溫試驗完成的。

A 溫度試驗，主要考核高低溫條件下的A 的工作性能，其溫度敏感及薄弱部件為計算機(jī)、動力柜體、后部、中部、運動轉(zhuǎn)軸、執(zhí)行器等。

B 溫度試驗，主要考核車輛發(fā)動及啟動、火控、隨動等系統(tǒng)在特定的高低溫條件下的工作性能，其溫度敏感及薄弱部件為雷達(dá)、發(fā)動機(jī)、計算機(jī)、液壓系統(tǒng)等。

C 溫度試驗，考核整體的工作性能，其溫度敏感及薄弱部件為天線、計算機(jī)、發(fā)動機(jī)、底盤和控制系統(tǒng)等。

3.1 測量策略

在試驗過程中，實驗室的室內(nèi)溫度由3 支傳感器進(jìn)行測量后實時傳至控制系統(tǒng)，而被試品的溫度測量在試驗程序中沒有要求，故而未配置相關(guān)溫度巡檢設(shè)備，所以只能采用直接測量法進(jìn)行測量。此次典型裝備溫度響應(yīng)測量所采用的是便攜式紅外測溫儀和點溫計。

3.2 測量設(shè)備

1）紅外測溫儀。技術(shù)指標(biāo)：溫度范圍為–40～900 ℃；顯示分辨率為0.1 ℃；精度為目標(biāo)值的±0.75%或±0.75 K，取大值，目標(biāo)溫度低于–5 ℃時，為±2 K；發(fā)射率為0.1～1.00 可調(diào)；響應(yīng)時間為250 ms。發(fā)射率校準(zhǔn)：利用黑膠布進(jìn)行發(fā)射率校準(zhǔn)，黑膠布的發(fā)射率為0.95，將長15 cm 的黑膠布貼在被測部位表面，待黑膠布與被測部位表面溫度平衡后，將紅外測溫儀發(fā)射率設(shè)置為0.95，進(jìn)行測溫記錄。

2）FLUKE 點溫計。技術(shù)指標(biāo)：溫度范圍為–200～760 ℃；顯示分辨率為0.1 ℃；精度為±1 ℃。測量要求：由于受工作環(huán)境溫度限制，點溫計需要保溫措施，防止在高低溫環(huán)境中損壞或產(chǎn)生數(shù)據(jù)漂移。由于熱電偶測溫時需要一定的穩(wěn)定時間，所以在進(jìn)行高溫測溫時，可用膠布將熱電偶探頭固定在待測表面，這樣能保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。低溫測量時，需手持測量，溫度穩(wěn)定后才能記錄。

3.3 結(jié)果及討論

此次溫度響應(yīng)的測量主要結(jié)合A、B 和C 等3 套武器裝備的6 項高低溫試驗完成的。由于實驗室為大型裝備的環(huán)境試驗提供鑒定，容積為1 300 m3，空間較大，降溫速率較慢，所以對裝備進(jìn)行溫度響應(yīng)測量的時間間隔設(shè)定為1 h。

1）A 試驗指標(biāo)：–10 ℃保溫12 h，–40 ℃保溫8 h。試驗數(shù)據(jù)詳見表1 和圖3。從表1 的數(shù)據(jù)中可以看出，開始階段隨著室溫的下降，A 暴露在空氣中的后部溫度下降較快，不完全暴露的計算機(jī)和轉(zhuǎn)軸溫度下降較慢，而內(nèi)部熱容量最大核心部件的中部和執(zhí)行器的溫度下降最慢。當(dāng)室溫達(dá)到預(yù)定溫度后，隨著時間的推移，A 的后部、中部和轉(zhuǎn)軸的溫度開始趨于平衡，而關(guān)鍵部件執(zhí)行器的溫度下降仍然很慢，所以A 整體的溫度穩(wěn)定時間應(yīng)從核心部件執(zhí)行器達(dá)到預(yù)定溫度后開始起算，這對于裝備的環(huán)境適應(yīng)性考核是至關(guān)重要的。裝備A 關(guān)鍵部件及執(zhí)行器溫度距低溫–40 ℃相差較多，最大可達(dá)7 ℃，沒能達(dá)到溫度平衡。從圖5可以看出，執(zhí)行器在室溫達(dá)到–40 ℃后5 h 才達(dá)到預(yù)定溫度。

圖3 A 低溫試驗溫度響應(yīng)測量曲線Fig.3 Temperature response measurement curve for A low temperature test

表1 A 低溫試驗溫度響應(yīng)測量Tab.1 Temperature response measurement for A low temperature test℃

2）B 試驗指標(biāo)：70 ℃高溫貯存，恒溫48 h；50 ℃高溫工作，恒溫8 h；–40 ℃低溫工作，恒溫8 h，–43 ℃低溫貯存，恒溫24 h。試驗數(shù)據(jù)詳見表2—4 和圖4—7。從表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著室內(nèi)溫度的升高，武器系統(tǒng)B 各個部件的溫度響應(yīng)是不同的，暴露在外的雷達(dá)升溫最快，發(fā)動機(jī)和計算機(jī)的溫度響應(yīng)較慢，艙內(nèi)溫度和液壓溫度響應(yīng)是最慢的，并且在22 h后才達(dá)到預(yù)定溫度70 ℃。武器裝備B 溫度響應(yīng)最慢的艙內(nèi)溫度、液壓溫度與室內(nèi)溫度隨時間的響應(yīng)測量曲線如圖4 所示。

表2 B 高溫貯存溫度響應(yīng)測量Tab.2 Temperature response measurement for B high temperature storage℃

圖4 B 高溫貯存試驗溫度響應(yīng)測量曲線Fig.4 Temperature response measurement curve for B high temperature storage

武器裝備B 高溫工作試驗溫度響應(yīng)測量數(shù)據(jù)見表3。溫度響應(yīng)與高溫貯存相似，但是隨著車輛發(fā)動工作，艙內(nèi)溫度和液壓溫度響應(yīng)在10 h 后才達(dá)到預(yù)定溫度50 ℃。武器裝備B 溫度響應(yīng)最慢的艙內(nèi)溫度、液壓溫度與室內(nèi)溫度隨時間的響應(yīng)測量曲線如圖5所示。

表3 B 高溫工作溫度響應(yīng)測量Tab.3 Temperature response measurement for B high temperature working℃

圖5 B 高溫工作試驗溫度響應(yīng)測量曲線Fig.5 Temperature response measurement curve for B high temperature working test

武器裝備B 低溫工作試驗溫度響應(yīng)測量數(shù)據(jù)見表4。車輛工作會產(chǎn)生很多熱量，對于密封較嚴(yán)的艙內(nèi)系統(tǒng)，溫度響應(yīng)很慢，低溫工作艙內(nèi)溫度（–29.5 ℃）距目標(biāo)溫度（–40 ℃）相差較大，溫差達(dá)10.5 ℃，沒有達(dá)到溫度平衡。武器裝備B 溫度響應(yīng)最慢的艙內(nèi)溫度與室內(nèi)溫度隨時間的響應(yīng)測量曲線如圖6 所示。由于B 的低溫貯存試驗溫度響應(yīng)數(shù)據(jù)與低溫工作數(shù)據(jù)類似，故只給了低溫貯存的溫度響應(yīng)測量曲線（如圖7 所示）。圖7 表明，在武器裝備B 的低溫貯存中，密封的艙內(nèi)溫度在24 h 后達(dá)到了溫度平衡。

圖6 B 低溫工作試驗溫度響應(yīng)測量曲線Fig.6 Temperature response measurement curve for B low temperature working test

圖7 B 低溫貯存試驗溫度響應(yīng)測量曲線Fig.7 Temperature response measurement curve for B low temperature storage test.

表4 B 低溫工作溫度響應(yīng)測量Tab.4 Temperature response measurement for B low temperature working℃℃

3）C 試驗指標(biāo)。50 ℃高溫工作。試驗數(shù)據(jù)詳見表5 和圖8。從表5 可以看出，武器系統(tǒng)C 各個部件的溫度響應(yīng)是不同的，暴露在外的天線升溫最快，關(guān)鍵部件發(fā)動機(jī)和計算機(jī)的溫度響應(yīng)較慢，艙內(nèi)溫度響應(yīng)是最慢的，并且在10 h 后才達(dá)到預(yù)定溫度50 ℃。C 高溫50 ℃工作試驗階段保溫時間偏短，整體溫度都沒有達(dá)到平衡，發(fā)動機(jī)表面溫度距50 ℃相差較多，最大可達(dá)7 ℃，沒能達(dá)到溫度平衡。武器裝備C 關(guān)鍵部件發(fā)動機(jī)表面溫度與室內(nèi)溫度隨時間的響應(yīng)測量曲線如圖8 所示，發(fā)動機(jī)表面溫度滯后于室內(nèi)溫度，大約10 h 后達(dá)到目標(biāo)溫度（40 ℃）。

表5 C 高溫工作溫度響應(yīng)測量Tab.5 Temperature response measurement for C high temperature working℃

圖8 C 高溫工作試驗溫度響應(yīng)測量曲線Fig.8 Temperature response measurement curve for C high temperature working test

分析以上測量數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論。

1）3 種典型裝備的應(yīng)力大小選取準(zhǔn)確，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）被試品艙門狀態(tài)對溫度平衡影響較大，熱容量較大部件溫度響應(yīng)較慢，在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能地敞開武器裝備的密閉空間，加快熱交換，以縮短達(dá)到溫度平衡的時間。

3）根據(jù)GJB 150A—2009 進(jìn)行武器裝備高低溫試驗時，被試品溫度穩(wěn)定后，高溫要求繼續(xù)貯存2 h，低溫繼續(xù)貯存4 h[1]。

對于被試品達(dá)到溫度穩(wěn)定的判斷，其實是很模糊的，也是很難判斷的。本文經(jīng)過對3 種典型裝備的溫度響應(yīng)數(shù)據(jù)分析后提出如下建議：高溫工作的整體保溫時間在原有的基礎(chǔ)上再延長大約10 h；高溫貯存時間（48 h）偏短，應(yīng)延長大約4 h；低溫貯存時間偏短，不能夠達(dá)到溫度平衡的要求，應(yīng)適當(dāng)延長4～6 h；低溫工作時間的保溫時間應(yīng)當(dāng)延長大約10 h。

4 結(jié)論

本文通過對3 種典型裝備環(huán)境試驗溫度響應(yīng)進(jìn)行分析和研究，得出以下結(jié)論。

1）對裝備溫度響應(yīng)測量及平衡時間進(jìn)行分析研究是十分重要的，在實際試驗中，要根據(jù)裝備自身性能特點，獲得裝備的真實溫度響應(yīng)特性，對關(guān)鍵及敏感部件應(yīng)實時進(jìn)行溫度響應(yīng)測量，保證試驗量級選取的科學(xué)合理。

2）以軍標(biāo)為基礎(chǔ)，給出溫度試驗的量級選取的建議，為裝備環(huán)境分析及試驗方案的制定提供參考依據(jù)。

3）需要結(jié)合后續(xù)進(jìn)場試驗的大量武器裝備的溫度環(huán)境試驗響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，建立一套數(shù)據(jù)庫，形成定性定量的判斷方法，這樣才更能使武器裝備環(huán)境試驗鑒定數(shù)據(jù)更加科學(xué)準(zhǔn)確可靠。