楊萬均，崔兵兵，陳星昊，楊華明，羅丹，阿旺旦增

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.國防科技工業(yè)自然環(huán)境試驗(yàn)研究中心，重慶 400039；3.西藏拉薩大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學(xué)觀測研究站，拉薩 850100；4. 重慶大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400044）

當(dāng)太陽光照射到材料及制品表面時，光波會被反射或吸收，吸收的光能量傳遞給受照射的分子。根據(jù)降解原理，一個分子如果吸收到足夠多的能量，將會發(fā)生分子結(jié)構(gòu)的改變，即一個分子吸收的能量一旦超過其鍵能，便會產(chǎn)生降解，出現(xiàn)光老化。這也是高分子鏈的鍵合力在具有較高能量的短波長紫外光作用下會出現(xiàn)斷鏈，化合物出現(xiàn)分解的原因之一[1-3]。在自然環(huán)境中，太陽輻射的熱效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng)均會對產(chǎn)品性能造成一定的影響，如非金屬材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和彈性發(fā)生變化，密封完整性破壞，黏合劑膠黏的表面層壓材料（如雷達(dá)波吸收材料）起泡、脫落和分層，非金屬材料的變色、粉化、開裂等一系列環(huán)境效應(yīng)[4-8]。大量研究表明，高分子材料制品的光老化與太陽輻射累計量有著密切關(guān)系，在不改變老化機(jī)理的情況下，通過強(qiáng)化光輻射能量可以更快掌握其光老化效應(yīng)[9-10]。

近年來，高耐候塑料及制品、耐候涂層、樹脂基復(fù)合材料等高分子材料在軍事和民用產(chǎn)品中應(yīng)用越來越廣泛，雖然這些材料及制品通過添加光穩(wěn)定劑、抗氧化劑、消光劑、紫外線吸收劑、優(yōu)化制備工藝等方法，大大提升了其耐候性和耐光性。但是，高分子材料的本身性質(zhì)決定了其在使役環(huán)境下仍然會受到環(huán)境的影響，只不過這一老化過程會比通用高分子材料緩慢很多[10-11]。這些材料及制品的環(huán)境適應(yīng)性考核中，現(xiàn)有的自然環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)和方法、自然環(huán)境加速試驗(yàn)技術(shù)和方法很難在較短的時間內(nèi)給出一個有效的環(huán)境適應(yīng)性評估結(jié)果，而實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)方法尚不能全面模擬自然環(huán)境下的環(huán)境應(yīng)力[12]，這就迫切需要具有更高加速倍率的自然環(huán)境加速試驗(yàn)技術(shù)和裝置研發(fā)，以滿足高耐候材料及制品的研制單位和使用單位開展其環(huán)境適應(yīng)性評價要求[13]。

本文提供了一種新型環(huán)保的自然環(huán)境加速試驗(yàn)系統(tǒng)，利用多平面鏡反射聚能、太陽軌跡雙軸跟蹤和太陽光譜選擇性反射技術(shù)，對太陽輻射紫外光進(jìn)行超高倍率強(qiáng)化，使試驗(yàn)樣品既承受自然環(huán)境介質(zhì)綜合作用，又受到高強(qiáng)度的紫外輻射，能更加真實(shí)地模擬受試產(chǎn)品在此類環(huán)境下的環(huán)境效應(yīng)，更快地反映出這類材料的光老化特性[14]。

1 自然環(huán)境超高加速光老化的基本原理

1.1 太陽軌跡跟蹤[13-17]

自然環(huán)境超高加速光老化其核心便是在自然環(huán)境中，利用一定的物理原理對太陽輻射進(jìn)行強(qiáng)化，照射材料及制品，實(shí)現(xiàn)光老化速率的提升。因此，加深對太陽的了解更有利于對太陽輻射的利用。太陽是位于太陽系中心的一個燃燒的恒星，地球圍繞太陽在一個橢圓軌道上運(yùn)行，太陽位于這個橢圓軌道的一個焦點(diǎn)上。在遠(yuǎn)日點(diǎn)，地球離太陽的距離為1.521×108km；在近日點(diǎn)，地球離太陽的距離為1.471×108km，地球軌道所在的平面就是黃道面，地球圍繞太陽運(yùn)行1 周是1 a，地球自轉(zhuǎn)1 周是1 d，地球的運(yùn)行軌跡如圖1所示。

圖1 地球圍繞太陽的運(yùn)動軌跡Fig.1 Trajectory of the Earth around the Sun

當(dāng)太陽光照射到地面時，可以將光線看作是一束平行光。根據(jù)幾何原理，平行光直射到物體表面時，光斑最小，即單位面積接受的輻照量最大，因此本文研制自然環(huán)境超高加速光老化系統(tǒng)用的第一個原理便是太陽軌跡跟蹤強(qiáng)化。

以地球?yàn)閰⒖济?，太陽的運(yùn)行軌跡可以用太陽高度角和方位角進(jìn)行表示，即滿足以下模型：

式中：h為太陽高度角；δ為太陽赤緯角；φ為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?；A為太陽方位角；τ為當(dāng)時的太陽時角，其中，S為太陽時的小時，F(xiàn)為太陽時的分。

從式（1）可知，只要知道安裝地點(diǎn)的經(jīng)緯度和標(biāo)準(zhǔn)時間，便可計算獲得太陽的實(shí)時位置，實(shí)現(xiàn)精確跟蹤。

1.2 反射聚能強(qiáng)化[18-20]

在自然環(huán)境加速試驗(yàn)領(lǐng)域，反射聚能強(qiáng)化是國內(nèi)外最常采用的一種太陽輻射強(qiáng)化方式，反射聚能強(qiáng)化便是利用菲尼爾（Fresnel）反射原理，在拋物線的切線方向安裝多片平面反射鏡。工作時，平面鏡的位置使太陽光的入射角接近法線角度，每面平面鏡反射的太陽光同時照射到樣品安裝靶板，實(shí)現(xiàn)反射聚能強(qiáng)化。反射聚能強(qiáng)化原理如圖2 所示。

圖2 太陽光反射聚能強(qiáng)化原理Fig.2 Principle of solar reflection and energy accumulation

1.3 太陽光譜選擇性反射[21-22]

高分子材料的分子吸收光輻射能量的大小是否超過其鍵強(qiáng)度，決定了其化學(xué)鍵是否會斷裂，分子結(jié)構(gòu)是否會出現(xiàn)改變和永久損傷。世界氣象組織（WMO）公布的太陽常數(shù)值為1 368 W/m2，由于大氣臭氧層的阻擋，到達(dá)地球表面的太陽光譜中紫外光主要是290～400 nm。這一波段雖然只占太陽輻射能量的 7%，但單光子能量高，是造成高分子材料斷鏈的主要光譜。同時，為了避免高倍率太陽輻射強(qiáng)化產(chǎn)生的極高溫度對受試樣品造成意外損傷，本系統(tǒng)主要利用太陽輻射的紫外光部分，采用高透鍍膜玻璃平面鏡，太陽光照射到該平面鏡上，紫外部分被反射到樣品靶板區(qū)域，而可見和紅外大部分部分被透射，實(shí)現(xiàn)太陽光選擇性反射，原理如圖3所示。

圖3 太陽光譜選擇性反射Fig.3 Selective reflection of solar spectrum

2 系統(tǒng)布局與總體設(shè)計

由于自然環(huán)境加速試驗(yàn)裝置是一種戶外工作設(shè)備，需要戶外長期可靠工作，在環(huán)境嚴(yán)酷下，必須兼顧較好維修性和較高的自動化水平。本文基于自然環(huán)境超高加速光老化的基本原理，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、強(qiáng)度仿真，確定了系統(tǒng)的外形結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)的研制涉及總體結(jié)構(gòu)、水平跟蹤、俯仰跟蹤、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)械結(jié)構(gòu)、鼓風(fēng)降溫、噴淋加濕、樣品安裝靶板及支架設(shè)計、鏡床、太陽能供電分系統(tǒng)、防護(hù)工藝、安全等多個模塊和部件[23]。

本文設(shè)計的自然環(huán)境超高加速光老化試驗(yàn)系統(tǒng)主要由3 部分構(gòu)成，分別為試驗(yàn)主機(jī)、太陽能供電分系統(tǒng)和具有人機(jī)交互功能的控制分系統(tǒng)。試驗(yàn)主機(jī)主要用于開展超高加速光老化試驗(yàn)；太陽能供電分系統(tǒng)采用多塊組網(wǎng)方式為戶外主機(jī)和環(huán)境數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)提供清潔能源；控制軟件包括安裝于主機(jī)上的現(xiàn)場控制器和安裝于實(shí)驗(yàn)室中的遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)，主要用于整個系統(tǒng)的人機(jī)交互控制、溫度/太陽輻射等環(huán)境數(shù)據(jù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。自然環(huán)境超高加速光老化試驗(yàn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)布局如圖4 所示。

圖4 自然環(huán)境超高加速光老化試驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)布局Fig.4 Layout of for overall structure of ultra-accelerated UV aging test device under natural environment

3 試驗(yàn)系統(tǒng)主機(jī)設(shè)計

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

試驗(yàn)系統(tǒng)主機(jī)是自然環(huán)境超高加速光老化試驗(yàn)系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)太陽輻射的強(qiáng)化原理和技術(shù)要求，設(shè)計的試驗(yàn)主機(jī)長約4 m，寬約3.2 m，高約3.8 m，安裝占地面積約13 m2。試驗(yàn)主機(jī)由轉(zhuǎn)動支座、太陽光反射部裝和樣品試驗(yàn)組件構(gòu)成。

轉(zhuǎn)動支座通過俯仰和水平的二維旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)的太陽高度角和方位角跟蹤。轉(zhuǎn)動支座由底板、承力框架、回轉(zhuǎn)支承、大行程電動缸等零部件裝配而成；反射鏡和安裝支架等構(gòu)成太陽光反射部裝，安裝于轉(zhuǎn)動支座上，由轉(zhuǎn)動支座帶動實(shí)現(xiàn)水平和俯仰旋轉(zhuǎn)；樣品試驗(yàn)組件與反射鏡安裝支架采用螺紋的剛性連接，樣品安裝靶板中心與反射鏡安裝支架中心在一條直線上，使得跟蹤狀態(tài)下，太陽光均能反射至樣品靶板。設(shè)計的轉(zhuǎn)動支座三維結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 主機(jī)轉(zhuǎn)動支座三維結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of host rotating support

轉(zhuǎn)動支座既需要承受一定的軸向載荷、徑向載荷，還需要承受較大的傾覆力矩，屬于典型的承力結(jié)構(gòu)，采用316L 不銹鋼和6061 鋁合金型材或板材加工而成。主機(jī)的水平旋轉(zhuǎn)體選擇了在工程機(jī)械、船舶設(shè)備中廣泛應(yīng)用的單排交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承。該型回轉(zhuǎn)支承由2 個座圈組成，直徑為φ200 mm，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，制造精度高，裝配間隙小。配合渦輪蝸桿箱，能自鎖，轉(zhuǎn)動精度為 0.001°～0.05°，承力大于20 kN，能自鎖，滿足水平轉(zhuǎn)動的精度要求。俯仰轉(zhuǎn)動驅(qū)動采用推力為10 kN、行程為1.5 m 的大推力、大行程電動缸，配合伺服電機(jī)，俯仰轉(zhuǎn)動速度在0～60 (°)/min 可根據(jù)轉(zhuǎn)動角度調(diào)速。太陽光反射部裝的反射鏡安裝支架（鏡床）與樣品試驗(yàn)組件為了便于運(yùn)輸和安裝，結(jié)構(gòu)主體均采用6061 鋁合金型材焊接成小型構(gòu)件，然后采用螺接的方式現(xiàn)場組裝，其三維結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 反射部裝與樣品試驗(yàn)組件三維結(jié)構(gòu)Fig.6 3D structures of reflector and sample test assembly

平面反射鏡作為本試驗(yàn)系統(tǒng)的核心零件，90 組平面反射鏡采用萬向支座固定于安裝支架上，選擇耐高溫和耐腐蝕的基體材料超硼化硅玻璃，將基體材料進(jìn)行相應(yīng)的研磨與拋光等鍍膜預(yù)處理，使其達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)要求。設(shè)計最優(yōu)化的耐腐蝕結(jié)構(gòu)，利用真空鍍膜技術(shù)將鍍膜材料（TiO2和SiO2等）分32 層鍍在基體材料上，制作成環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)良的低（頻）透高（頻）反紫外反射鏡，厚度小于0.05 mm。最后，在真空爐中鍍一層氟化物防水防污膜，厚度為0.001～0.01 mm。研制完成的反射鏡反射光譜曲線如圖7 所示，300～400 nm 紫外區(qū)平均反射率大于90%，而400 nm 以上波段反射率小于13.8%[16]。

圖7 反射鏡反射光譜曲線Fig.7 Reflected spectrum curve of reflector

3.2 強(qiáng)度與變形仿真分析

自然環(huán)境超高加速光老化試驗(yàn)系統(tǒng)屬于戶外使用的自然加速試驗(yàn)設(shè)備，抗風(fēng)能力是一個重要參數(shù)，設(shè)計試驗(yàn)主機(jī)最大迎風(fēng)面可達(dá)到12.8 m2，防止8 級大風(fēng)下出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞。采用ANSYS Workbench 軟件對自然環(huán)境超高加速光老化試驗(yàn)系統(tǒng)主機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析（FEA），將反射鏡安裝支架調(diào)整至豎直90°，以最大迎風(fēng)面工況檢驗(yàn)該裝置在8 級橫風(fēng)（取20 m/s）下的抗風(fēng)能力。此仿真計算不考慮鏡片及其連接結(jié)構(gòu)，將鏡面上的風(fēng)壓直接施加于鏡架上，分析裝置主體架構(gòu)的強(qiáng)度與剛度。

將20 m/s 風(fēng)速與受風(fēng)面積換算成作用應(yīng)力，約為6 000 N，直接作用于鏡架主體結(jié)構(gòu)，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在電動推桿插銷處，約為102 MPa，仍遠(yuǎn)低于設(shè)計的屈服強(qiáng)度280 MPa，其余各部分皆處于良好的低應(yīng)力狀態(tài)，可見其強(qiáng)度滿足抗風(fēng)要求。

由于樣品靶板支臂較長，約為3.4 m，為了防止變形造成反射光斑偏移，仿真分析了鏡床在90°垂直狀態(tài)下X和Y方向（如圖8 所示）上的變形量，試樣架按25 kg 的重物計。結(jié)果顯示，頂端樣品靶板處Y向最大變形量達(dá)到19.1 mm 以上。通過更換槽鋁選型和增設(shè)加強(qiáng)筋，有效地減小了頂端樣品靶板處的變形量。在風(fēng)力作用下，橫向位移較小，X和Y方向上的變形量控制在10 mm 以下。

圖8 頂端Y 向變形仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of Y-direction deformation of device top

4 太陽能供電分系統(tǒng)設(shè)計

太陽能供電系統(tǒng)包含有太陽能電池陣列、蓄電池組、直流控制器、直流-交流逆變器等。太陽能電池陣列將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，通過控制器存儲到蓄電池組中。太陽能供電分系統(tǒng)控制器以脈沖方式開關(guān)光伏組件的輸入，利用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)控制光伏電池以最大功率輸出運(yùn)行。當(dāng)蓄電池趨于充滿時，隨著端電壓的逐漸升高，脈沖的頻率或占空比發(fā)生變化，使導(dǎo)通時間縮短，充電電流逐漸趨于0。當(dāng)蓄電池電壓由充滿點(diǎn)開始下降時，充電電流又會逐漸增大，通過這種充電過程可以形成完整的充電狀態(tài)，有效地防止過充。同時，本次設(shè)計中利用PMW 控制器來實(shí)現(xiàn)MPPT 功能，控制器為雙向的DC/DC 變換器，既可以工作于放電狀態(tài)，也可工作于充電狀態(tài)。

太陽能電池陣列由16 塊太陽能電池板組成，每塊電池板尺寸為1 010 mm×990 mm。太陽能電池板采用單晶硅太陽能電池組件。單晶硅太陽能電池組件具有使用壽命長、衰減小、可靠性高的特點(diǎn)。背板采用原產(chǎn)EVA、TPT 等材料封裝，抗老化能力強(qiáng)，面板采用高透低鐵鋼化玻璃封裝，機(jī)械強(qiáng)度高，透光率大于91%。單塊太陽能電池板的功率為160 W，電壓為36 V，共計16 塊，因此電池板總功率可達(dá)2 560 W，滿足試驗(yàn)裝置最大功率的要求。

5 控制分系統(tǒng)及軟件設(shè)計

控制分系統(tǒng)是由現(xiàn)場控制器、遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)及光纖通信網(wǎng)絡(luò)等硬件和數(shù)據(jù)采集與存儲、計算與控制及人機(jī)交互等軟件構(gòu)成。現(xiàn)場控制器采用具有以太網(wǎng)模塊的PLC 和觸摸屏搭建，如圖9 所示。PLC 讀取溫度（含黑板或黑標(biāo)溫度）、太陽輻射（含紫外、紅外和總輻射）、衛(wèi)星授時、水平/俯仰編碼器等數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1）計算太陽實(shí)時的方位角和高度角。根據(jù)偏差驅(qū)動水平和俯仰跟蹤，并按照相應(yīng)的試驗(yàn)要求或試驗(yàn)程序進(jìn)行鼓風(fēng)降溫或噴淋加濕。觸摸屏用于現(xiàn)場人機(jī)交互和試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置，遠(yuǎn)程計算機(jī)采用光纖與PLC 通信，實(shí)時監(jiān)控并讀取裝置狀態(tài)。

圖9 控制器組成Fig.9 Diagram of controller composition

采用梯形圖編制PLC 控制程序，采用C++高級語言，編寫出了計算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件和人機(jī)交互界面，將計算機(jī)與現(xiàn)場PLC 邏輯控制程序進(jìn)行了無縫鏈接，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場和遠(yuǎn)程的復(fù)合監(jiān)控，為試驗(yàn)開展和裝置狀態(tài)監(jiān)控提供了便利。數(shù)據(jù)管理使用的 SQL Server 數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫連接時，調(diào)用AfxOleInit函數(shù)進(jìn)行相關(guān)函數(shù)模塊的初始化。初始化函數(shù)完成后，使用_ConnectionPtr 類中的CreateInstance 方法設(shè)置ADO 的連接方式，使用_ConnectionPtr 類中的ConnectionTimeout 方法設(shè)置響應(yīng)超時的時間閾值。按照固定格式設(shè)置字符串，該字符串中包含待連接的數(shù)據(jù)庫信息、連接數(shù)據(jù)庫的用戶與密碼。調(diào)用_ConnectionPtr 類中的Open 方法即可與目標(biāo)數(shù)據(jù)庫建立連接， 無論連接成功或失敗都會使用AfxMessageBox 函數(shù)彈出對話框，以此提示數(shù)據(jù)庫連接的結(jié)果。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中有用戶管理、日報、月報、溫濕度、輻射量分鐘累計、輻射量小時累計和輻射量日累計以及系統(tǒng)狀態(tài)等數(shù)據(jù)報表。

6 太陽紫外輻射強(qiáng)化倍率計算

本文研制的自然環(huán)境超高加速光老化試驗(yàn)系統(tǒng)，采用式（2）計算太陽紫外輻射強(qiáng)化倍率。

式中：A為靶板處太陽紫外輻射強(qiáng)化倍率；N為系統(tǒng)采用的平面反射鏡數(shù)量，本系統(tǒng)N=90；ρ為平面反射鏡紫外反射率，%；βi為第i片平面反射鏡與鏡床平面的側(cè)向傾角，(°)；θi為第i片平面反射鏡與鏡床平面的高低傾角，(°)。

從反射部裝的三維結(jié)構(gòu)可以看出，反射鏡被分割成4 個互相對稱的區(qū)域，每個區(qū)域3 列6 排共18 塊鏡片，2 條對稱中心軸線共18 塊，合計90 塊反射鏡。安裝完成后，測得一個區(qū)域6 排的反射鏡高低傾角分別為46.8°、41.6°、35.4°、28.1°、19.6°、10.1°，3 列的側(cè)向傾角為37.9°、28.1°、16.1°。由此可知，一個區(qū)域內(nèi)，反射鏡的角度分別為(46.8°, 37.9°)、(41.6°,37.9°)、…、(19.6, 16.1)、(10.1, 16.1)，中心排側(cè)傾角為0°，中心列的高低傾角為0°?？紤]到實(shí)際使用過程中反射鏡的反射率的衰減，反射鏡反射率ρ取80%～90%。代入式（2），可得太陽紫外輻射強(qiáng)化倍率為48.6～54.6 倍。

7 結(jié)語

自然環(huán)境超高加速光老化試驗(yàn)系統(tǒng)的研制，切合了長壽命產(chǎn)品的研制需求和環(huán)試技術(shù)的發(fā)展方向，著力為武器裝備和長壽命產(chǎn)品的環(huán)境效應(yīng)評價和壽命評估提供一種既環(huán)保、又快速、試驗(yàn)結(jié)果還接近真實(shí)的試驗(yàn)評價手段。自然環(huán)境超高加速光老化試驗(yàn)系統(tǒng)在戶外裝備設(shè)計選材，高分子材料、太陽能電池板等產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性評價、耐久性評估、防護(hù)工藝改進(jìn)等方面具有很好的應(yīng)用前景[24-26]。