劉超然，張本雙

（廣電計(jì)量檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司，廣州 510656）

引言

無(wú)人機(jī)由于其具有使用風(fēng)險(xiǎn)小，使用場(chǎng)景靈活，全壽命成本低等特點(diǎn)，被廣泛用于偵察、電子對(duì)抗和攻擊等多個(gè)方面[1]。按使用領(lǐng)域劃分，無(wú)人機(jī)可分為軍用、民用和消費(fèi)級(jí)三大類(lèi)，對(duì)于無(wú)人機(jī)的性能要求各有偏重。其中，軍用無(wú)人機(jī)對(duì)于靈敏度、飛行高度速度、智能化等有著更高的要求，是技術(shù)水平最高的無(wú)人機(jī)[2]。目前，有擁有軍用無(wú)人機(jī)的國(guó)家已達(dá)50 多個(gè)，在研制和生產(chǎn)的軍用無(wú)人機(jī)有700 多個(gè)型號(hào)[1,3]。

同有人機(jī)相比，無(wú)人機(jī)在性能設(shè)計(jì)和運(yùn)輸使用過(guò)程中經(jīng)歷的環(huán)境有其特殊性。首先，由于無(wú)人機(jī)不需要考慮人的生理?xiàng)l件、承受能力等因素，設(shè)計(jì)組成上不需要安裝生命保障系統(tǒng)。同時(shí)，無(wú)人機(jī)尤其軍用無(wú)人機(jī)在運(yùn)輸和使用過(guò)程中，會(huì)經(jīng)歷如濃煙、濃霧和砂塵等更為復(fù)雜的環(huán)境。無(wú)人機(jī)的上述特殊的性能設(shè)計(jì)和經(jīng)歷環(huán)境，加大了對(duì)機(jī)上電子設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性能力的需求，提高了無(wú)人機(jī)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的難度，以及對(duì)無(wú)人機(jī)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)驗(yàn)證提出了新的需求。

隨著智能時(shí)代的到來(lái)，無(wú)人機(jī)等以無(wú)人技術(shù)為主的新型武器逐漸成為軍事對(duì)抗的主角[4]，戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)重要性越來(lái)越高，作戰(zhàn)場(chǎng)景越來(lái)越豐富，對(duì)無(wú)人機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性要求越來(lái)越高，為保證無(wú)人機(jī)環(huán)境適應(yīng)性更好地設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，急需針對(duì)性的無(wú)人機(jī)環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，支撐軍用無(wú)人機(jī)裝備設(shè)計(jì)制造和試驗(yàn)驗(yàn)證。另外，隨著無(wú)人機(jī)的使用場(chǎng)景更加豐富，面對(duì)的環(huán)境條件更加多樣，以及無(wú)人機(jī)由于脫離了人的生理極限約束，面對(duì)的環(huán)境條件更加嚴(yán)酷，現(xiàn)有的環(huán)境試驗(yàn)要求和方法不能完全滿足軍用無(wú)人機(jī)的要求。同時(shí)，無(wú)人機(jī)的多樣性和不同機(jī)型間巨大差異性，對(duì)于具體軍用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，領(lǐng)域內(nèi)缺乏公認(rèn)和統(tǒng)一的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法同一尺度下衡量無(wú)人機(jī)質(zhì)量?jī)?yōu)劣，致使安全事故頻繁發(fā)生。為滿足軍用無(wú)人機(jī)裝備研制的發(fā)展需要，對(duì)于軍用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)環(huán)境試驗(yàn)方法的研究愈發(fā)重要。

1 國(guó)內(nèi)外研究概況

1.1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

目前，國(guó)外許多發(fā)達(dá)國(guó)家都已建立或形成自己的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系和方法，并且建立了許多大型的自然環(huán)境試驗(yàn)研究中心和實(shí)驗(yàn)室[5,6]。目前，美國(guó)創(chuàng)建了一個(gè)覆蓋世界范圍內(nèi)各種典型自然環(huán)境氣候條件的陸軍三大自然環(huán)境氣候試驗(yàn)硏究中心、海軍大型武器試驗(yàn)基地、麥金利大型自然環(huán)境氣候?qū)嶒?yàn)室，并建立了MIL-STD-810系列環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[5]。

與國(guó)外相比，我國(guó)在無(wú)人機(jī)環(huán)境試驗(yàn)領(lǐng)域的研究起步相對(duì)較晚。近年來(lái)，我國(guó)裝備環(huán)境試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)管理體系得到了快速發(fā)展，在嚴(yán)格參照MIL-STD-810 系列標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，我國(guó)制定了GJB 150-1986 并于2009 年更新為GJB 150A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》，標(biāo)志著我國(guó)軍用裝備環(huán)境試驗(yàn)方法有了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)規(guī)范。目前，在國(guó)家軍用環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，涉及和應(yīng)用到無(wú)人機(jī)地面環(huán)境試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)具體見(jiàn)表1[5]。表中各軍用標(biāo)準(zhǔn)給出了相應(yīng)的試驗(yàn)項(xiàng)目，但是其參考的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)均已失效，其中GJB 4994、GJB 6760、GJB 7053 只涉及無(wú)人機(jī)相應(yīng)組成部分的試驗(yàn)方法。

表1 國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)環(huán)境試驗(yàn)相關(guān)軍用標(biāo)準(zhǔn)

在民用無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，我國(guó)于2020 年發(fā)布GB/T 38924-2020《民用輕小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)環(huán)境試驗(yàn)方法》[7]，規(guī)定了民用輕小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法，明確給出具體的試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)條件，包括高低溫試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)等。GB/T 38058-2019 規(guī)定了民用多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，環(huán)境適應(yīng)性方面涵蓋高溫試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)、淋雨試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)等[8]。

1.2 國(guó)內(nèi)外差距

目前，無(wú)人機(jī)環(huán)境試驗(yàn)方法研究在國(guó)內(nèi)還處于初期階段。針對(duì)軍用無(wú)人機(jī)的環(huán)境試驗(yàn)方法研究，多數(shù)還停留在理論層面，缺少實(shí)例化的應(yīng)用。排除國(guó)外最新技術(shù)存在保密的因素后，這些差距具體體現(xiàn)在：

1）我國(guó)在無(wú)人機(jī)環(huán)境適應(yīng)性方面的研究，以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，以及試驗(yàn)室的建立相對(duì)發(fā)展緩慢，且有很大欠缺；

2）在軍用無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，尚缺乏明確的無(wú)人機(jī)環(huán)境試驗(yàn)要求，沒(méi)有統(tǒng)一實(shí)施的無(wú)人機(jī)環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)人機(jī)企業(yè)基本參考GJB 150A 或者GB/T 2423 并結(jié)合自身產(chǎn)品特點(diǎn)，進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)。但即使同一類(lèi)型的無(wú)人機(jī)產(chǎn)品，各個(gè)企業(yè)的試驗(yàn)方法也不盡相同，試驗(yàn)人員通常按照自己的理解執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，使得試驗(yàn)質(zhì)量參差不齊，影響試驗(yàn)考核效果。

2 研究路線

從組成上看，無(wú)人機(jī)上動(dòng)力、測(cè)控、飛行控制、導(dǎo)航等系統(tǒng)都與電氣系統(tǒng)有關(guān)，其電氣系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)直接影響到無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的正常工作。同時(shí)，環(huán)境應(yīng)力對(duì)電子產(chǎn)品的質(zhì)量影響很大。據(jù)有關(guān)電子產(chǎn)品故障調(diào)查分析[9,10]：產(chǎn)品的故障52 %是由于環(huán)境因素引起的，溫度占其中的40 %，振動(dòng)占27 %，濕度占19 %，其他（砂塵、鹽霧等）占14 %。本文將重點(diǎn)對(duì)溫度類(lèi)、振動(dòng)類(lèi)環(huán)境試驗(yàn)進(jìn)行探究。

環(huán)境應(yīng)力確定是環(huán)境試驗(yàn)方法研究需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。軍用無(wú)人機(jī)所經(jīng)受的環(huán)境條件復(fù)雜多變，給環(huán)境試驗(yàn)的環(huán)境應(yīng)力確定帶來(lái)難度。本文建議系統(tǒng)任務(wù)剖面以現(xiàn)行無(wú)人機(jī)試驗(yàn)條件、其他相關(guān)軍用裝備標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)條件、民用無(wú)人機(jī)的試驗(yàn)條件作為輸入，并進(jìn)一步結(jié)合無(wú)人機(jī)系統(tǒng)所經(jīng)受的環(huán)境條件，通過(guò)分析總結(jié)、實(shí)際測(cè)量和延伸拓展，還原軍用小型無(wú)人機(jī)的運(yùn)輸和使用環(huán)境，進(jìn)而獲取合適的試驗(yàn)應(yīng)力。本文初步制定如下具體技術(shù)研究路線。

首先，基于軍用裝備和民用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)環(huán)境試驗(yàn)方法以及相關(guān)的其他環(huán)境試驗(yàn)方法，根據(jù)軍用小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)自身的特性特點(diǎn)，形成軍用小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)環(huán)境試驗(yàn)方法通用要求。

其次，對(duì)具體的環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目的試驗(yàn)條件的確定，即具體的環(huán)境應(yīng)力確定過(guò)程中，將通過(guò)對(duì)軍用小型無(wú)人機(jī)任務(wù)剖面進(jìn)行分析，確定環(huán)境應(yīng)力載荷，從而確定試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)條件。對(duì)于無(wú)法參考獲得應(yīng)力載荷的，依靠?jī)?nèi)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，或是采用實(shí)測(cè)的方法獲得環(huán)境應(yīng)力載荷，即內(nèi)外場(chǎng)信息綜合的方法，最終轉(zhuǎn)化為試驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)的環(huán)境試驗(yàn)條件和標(biāo)準(zhǔn)。

3 研究實(shí)施方案

3.1 溫度環(huán)境試驗(yàn)方法

溫度是影響無(wú)人機(jī)系統(tǒng)作戰(zhàn)性能的重要環(huán)境因素。無(wú)人機(jī)進(jìn)行溫度試驗(yàn)過(guò)程中，涉及到髙溫貯存溫度、高溫工作溫度、低溫貯存溫度、低溫工作溫度等試驗(yàn)條件。根據(jù)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具體的任務(wù)剖面以及氣候條件，給出適用的溫度條件和濕度條件建議值，并結(jié)合試驗(yàn)室對(duì)給出的溫度條件和溫度剖面進(jìn)行驗(yàn)證，研究溫度條件合理性和適用性，給出建議溫度試驗(yàn)條件。

對(duì)于系統(tǒng)溫度環(huán)境試驗(yàn)，具體的研究思路為：

1）研究分析無(wú)人機(jī)從出廠到退役的全壽命周期內(nèi)，經(jīng)受到溫度環(huán)境剖面，包括經(jīng)歷溫度的上下限、變化情況和速率以及持續(xù)時(shí)間等；

2）分析現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的適用性和存在的不足，收集試驗(yàn)室積累的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和信息，收集實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的環(huán)境數(shù)據(jù)，分析確定擬合出實(shí)際情況的溫度剖面；

3）給出適合軍用小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的建議溫度環(huán)境試驗(yàn)剖面，獲取合理適用的試驗(yàn)溫度值等試驗(yàn)條件。

3.2 振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)方法

無(wú)人機(jī)能否承受經(jīng)受的振動(dòng)環(huán)境關(guān)系到無(wú)人機(jī)飛行安全和飛行成功。軍用無(wú)人機(jī)運(yùn)輸存儲(chǔ)等振動(dòng)試驗(yàn)，可以參考已有的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，但使用過(guò)程中，如發(fā)射回收的振動(dòng)，以及無(wú)人機(jī)高過(guò)載機(jī)動(dòng)的振動(dòng)特性，無(wú)現(xiàn)成的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)。結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、振動(dòng)實(shí)測(cè)以及實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證確定相關(guān)試驗(yàn)振動(dòng)環(huán)境、振動(dòng)特性，明確沖擊振動(dòng)頻率振幅、沖擊波形和振動(dòng)功率譜，確定試驗(yàn)設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備，均是振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)需要研究制定和規(guī)劃的內(nèi)容。

對(duì)無(wú)人機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究關(guān)鍵的是振動(dòng)源分析和無(wú)人機(jī)振動(dòng)特性分析。其中，無(wú)人機(jī)振動(dòng)特性分析中，根據(jù)無(wú)人機(jī)的各種振動(dòng)源，確定各種振動(dòng)載荷的大致量級(jí)、振動(dòng)類(lèi)別及其作用的位置或區(qū)域。應(yīng)用特定的分析方法或試驗(yàn)技術(shù)，確定振動(dòng)預(yù)計(jì)狀態(tài)下的無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)。例如：對(duì)于要進(jìn)行預(yù)振動(dòng)的地面或飛行狀態(tài)，建立無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)分析用的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)確定的激振動(dòng)力和模態(tài)參數(shù)，在各種特定的飛行狀態(tài)下有關(guān)的振動(dòng)載荷同時(shí)作用的情況下，采用已知的精確或近似方法進(jìn)行響應(yīng)分析，預(yù)計(jì)無(wú)人機(jī)各區(qū)域的振動(dòng)量級(jí)。該振動(dòng)量級(jí)可以作為無(wú)人機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的依據(jù)。另外，目前也可以利用有限元分析軟件進(jìn)行無(wú)人機(jī)模態(tài)分析，確定無(wú)人機(jī)模態(tài)特征，根據(jù)模態(tài)特征對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)，確定振動(dòng)頻幅和振動(dòng)功率譜。

3.3 特殊環(huán)境類(lèi)試驗(yàn)方法

由于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)輸和使用過(guò)程中，會(huì)經(jīng)歷更為復(fù)雜的環(huán)境，如無(wú)人機(jī)穿越火熱濃煙濃霧等特殊環(huán)境執(zhí)行救援和作戰(zhàn)任務(wù)。在特殊環(huán)境類(lèi)試驗(yàn)要求研究中，相關(guān)試驗(yàn)條件的研究思路為：

1）調(diào)研軍用小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)場(chǎng)景，使用環(huán)境和環(huán)境應(yīng)力剖面；

2）借鑒已有的相關(guān)環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)適用性進(jìn)行調(diào)研分析。

3）整體規(guī)劃試驗(yàn)項(xiàng)目，列出適用范圍，所要借鑒的文件，試驗(yàn)的通用要求（試驗(yàn)和測(cè)試設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)條件、條件允差，試驗(yàn)條件確定，以及其他需要明確的內(nèi)容）等。

其中，煙霧環(huán)境建議根據(jù)GB/T 20643-2008《特殊環(huán)境條件環(huán)境試驗(yàn)方法》的有關(guān)通用要求和機(jī)車(chē)防火測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)EN45545 進(jìn)行相關(guān)煙霧環(huán)境試驗(yàn)的裁減，可依據(jù)EN ISO 5659-2 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行煙霧及毒性測(cè)試，采用煙密度、熱釋放量等術(shù)語(yǔ)對(duì)煙霧強(qiáng)度進(jìn)行度量。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)適用性分析法和相關(guān)信息綜合分析法嘗試對(duì)軍用無(wú)人機(jī)的試驗(yàn)方法進(jìn)行探究。針對(duì)軍用無(wú)人機(jī)所經(jīng)受的環(huán)境條件具有較大的復(fù)雜性和不確定性增加了確定其環(huán)境應(yīng)力的難度的問(wèn)題，本文初步探討了相應(yīng)的技術(shù)路線和實(shí)施方案。國(guó)外已有相對(duì)成熟的結(jié)果，國(guó)內(nèi)也有相關(guān)的軍用裝備以及民用無(wú)人機(jī)試驗(yàn)方法和相關(guān)研究成果，為本文研究提供了技術(shù)借鑒基礎(chǔ)；另外，隨著無(wú)人機(jī)廣泛研發(fā)應(yīng)用，外場(chǎng)使用數(shù)據(jù)和內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)逐步積累了豐富的試驗(yàn)信息和經(jīng)驗(yàn)。本文提出的研究實(shí)施方案在理論上是可行且具有較高工程實(shí)用價(jià)值。