林琳，張熙川，葉濤

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動(dòng)控制研究所，陜西 西安 710065）

1 引言

從20世紀(jì)40年代開(kāi)始，世界各國(guó)特別是美國(guó)制訂了一系列的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范產(chǎn)品在研制、批生產(chǎn)等階段的環(huán)境試驗(yàn)工作，其中MIL-STD-810系列標(biāo)準(zhǔn)是世界最權(quán)威的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)之一。MIL-STD-810系列標(biāo)準(zhǔn)及我國(guó)對(duì)應(yīng)的軍用標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。MIL-STD-810F（以下簡(jiǎn)稱810F）標(biāo)準(zhǔn)于2000年頒布，是包括環(huán)境工程工作管理和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法兩部分的混合標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)已頒布的GJB 4239和即將頒布的GJB 150A分別是810F的第一部分和第二部分的對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。由于810F標(biāo)準(zhǔn)是剪裁標(biāo)準(zhǔn)，其試驗(yàn)條件和方法均不能象810C（GJB 150對(duì)應(yīng)）的菜單式標(biāo)準(zhǔn)那樣直接引用。本文對(duì)比GJB 150，研究810F低溫試驗(yàn)技術(shù)在實(shí)際產(chǎn)品中的應(yīng)用方法。

表1 MIL-STD-810系列標(biāo)準(zhǔn)及我國(guó)對(duì)應(yīng)的軍用標(biāo)準(zhǔn)

2 低溫給產(chǎn)品帶來(lái)的危害

低溫會(huì)造成產(chǎn)品的失效，包括：材料發(fā)脆、變硬，不同材料的不同收縮而引起的零部件互相咬死，受約束的玻璃產(chǎn)生靜疲勞，晶體管電容器變壓器性能發(fā)生變化，水冷凝和結(jié)冰以及潤(rùn)滑性能降低等。

二戰(zhàn)期間，德軍坦克在蘇德戰(zhàn)場(chǎng)上因低溫?zé)o法啟動(dòng)，不能抵抗蘇軍凌晨發(fā)動(dòng)的突擊，使德軍陷入困境。朝鮮戰(zhàn)場(chǎng)上，低溫使美軍電子探測(cè)系統(tǒng)中的電子設(shè)備的故障率達(dá)80%，使美國(guó)軍隊(duì)的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)失靈。

3 MIL-STD-810F低溫試驗(yàn)技術(shù)解析

3.1 低溫試驗(yàn)的目的與程序

810F低溫試驗(yàn)的目的是評(píng)價(jià)在貯存、工作和裝拆操作期間，低溫條件對(duì)裝備的安全性、完整性和性能的影響。相比較GJB 150，它增加了低溫裝拆操作，這是為了考核操作人員在低溫狀態(tài)下穿著防寒服和拆卸產(chǎn)品是否容易而制定的規(guī)范。相應(yīng)的試驗(yàn)程序也由GJB 150中的2個(gè)變?yōu)?個(gè)（見(jiàn)表2）。試驗(yàn)的程序選擇由產(chǎn)品使用中的情況決定，在大多數(shù)情況下，所有的3個(gè)程序都要使用。

表2 低溫試驗(yàn)程序?qū)Ρ?/p>

3.2 低溫試驗(yàn)設(shè)備及產(chǎn)品安裝要求

3.2.1 風(fēng)速與溫度變化速率要求

810F低溫試驗(yàn)要求試驗(yàn)箱變化速率小于等于3℃/min，相對(duì)于GJB 150中試驗(yàn)箱變化速率小于等于10℃/min的要求低了很多。但這種變化是合適的，在通常情況下，試驗(yàn)箱風(fēng)速不超過(guò)1.7m/s時(shí)，相對(duì)應(yīng)地，試驗(yàn)箱變化速率應(yīng)該小于等于3℃/min。

3.2.2 產(chǎn)品安裝要求

在低溫試驗(yàn)中，產(chǎn)品安裝應(yīng)保證有良好的空氣循環(huán)，除支點(diǎn)外，受試產(chǎn)品應(yīng)被自由空氣包圍。810F明確提出低溫試驗(yàn)中，受試產(chǎn)品之間、受試產(chǎn)品與試驗(yàn)箱箱壁之間至少應(yīng)有15 cm的距離。在我國(guó)溫度試驗(yàn)箱檢定中，測(cè)量點(diǎn)與箱壁之間的距離為試驗(yàn)箱內(nèi)壁對(duì)邊的1/10，以1立方米正方體試驗(yàn)箱為例，對(duì)邊長(zhǎng)的1/10約為15 cm，與810F要求基本一致，這個(gè)區(qū)域即試驗(yàn)箱的工作空間。

除此之外，GJB 150實(shí)施指南中指出產(chǎn)品安裝時(shí)還應(yīng)考慮受試產(chǎn)品與試驗(yàn)箱的有效容積之間要保持合理的比例，對(duì)于發(fā)熱試驗(yàn)樣品，其體積不大于試驗(yàn)箱有效容積的十分之一；對(duì)于不發(fā)熱試驗(yàn)樣品，其體積不大于試驗(yàn)箱有效容積的五分之一。

3.3 溫度響應(yīng)測(cè)量

在810F低溫試驗(yàn)中，其試驗(yàn)過(guò)程與GJB 150比較明顯的區(qū)別是在試驗(yàn)全過(guò)程中產(chǎn)品表面或產(chǎn)品內(nèi)部安裝溫度傳感器，測(cè)量產(chǎn)品溫度穩(wěn)定的時(shí)間。

為了選擇溫度傳感器的測(cè)量點(diǎn)，如具備條件，可在試驗(yàn)前對(duì)產(chǎn)品溫場(chǎng)分布進(jìn)行測(cè)試，如圖1所示。

根據(jù)溫場(chǎng)分布的測(cè)試結(jié)果，再根據(jù)器件的關(guān)鍵程度，選擇溫度傳感器的測(cè)量點(diǎn)，建議選在產(chǎn)品表面、產(chǎn)品熱點(diǎn)以及最關(guān)鍵部位。

3.4 試驗(yàn)溫度條件的剪裁方法

低溫試驗(yàn)溫度條件剪裁首先應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品研制要求或產(chǎn)品任務(wù)說(shuō)明書(shū)，由主機(jī)所和產(chǎn)品所根據(jù)產(chǎn)品運(yùn)輸、貯存和使用遇到的各種情況，共同確定產(chǎn)品壽命期環(huán)境剖面，圖2是美國(guó)空軍某外掛壽命期剖面示意。

其次，根據(jù)產(chǎn)品的部署范圍考慮，當(dāng)產(chǎn)品將在世界范圍內(nèi)、我國(guó)范圍內(nèi)貯存或工作時(shí)，溫度的選擇既要考慮絕對(duì)低溫，還要考慮某一特定冷條件出現(xiàn)的頻度。如果不考慮出現(xiàn)頻度，可能會(huì)造成過(guò)試驗(yàn)。世界范圍和我國(guó)范圍低溫極值出現(xiàn)頻率見(jiàn)表3，地表以上幾厘米高度內(nèi)的氣溫會(huì)比地面氣溫低4～5℃，正常研制費(fèi)用中通常選擇20%出現(xiàn)的概率。如產(chǎn)品在世界范圍部署，按20%的出現(xiàn)概率，低溫為-51℃，地表溫度比地面溫度低4～5℃，因此低溫試驗(yàn)溫度從部署地區(qū)考慮可選擇-55℃。若提高研制要求，也可選擇10%等出現(xiàn)概率的溫度。

（2）給水泵耗電率較高。機(jī)組為直接空冷機(jī)組，機(jī)組設(shè)計(jì)背壓為15kPa，與水冷機(jī)組相比，汽耗率偏高0.2～0.3kg/kWh，造成給水泵流量增加，給水泵耗電率偏高，最高可達(dá)2.6%～2.7%，占廠用電率的24.3%左右。

表3 中國(guó)范圍和世界范圍地面低氣溫工作極值 ℃

最后，根據(jù)產(chǎn)品安裝的平臺(tái)環(huán)境考慮，對(duì)于裝在載體（如飛機(jī)）內(nèi)部使用的設(shè)備，不管飛機(jī)是處于工作狀態(tài)還是不工作狀態(tài)，其經(jīng)受的低溫環(huán)境都不再是自然氣候環(huán)境，而是產(chǎn)品安裝的平臺(tái)環(huán)境。其低溫環(huán)境也不再是自然低溫環(huán)境，而是誘發(fā)低溫環(huán)境。因此外部低溫環(huán)境只是一個(gè)影響因素，具體的內(nèi)部低溫環(huán)境首先應(yīng)通過(guò)實(shí)測(cè)得到，不能簡(jiǎn)單地直接引用自然低溫環(huán)境的數(shù)據(jù)。另外，也可以根據(jù)安裝在相似平臺(tái)的相似產(chǎn)品的實(shí)測(cè)低溫環(huán)境數(shù)據(jù)或其它經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)剪裁產(chǎn)品基于安裝平臺(tái)環(huán)境考慮時(shí)的低溫試驗(yàn)條件。

綜合分析產(chǎn)品自然環(huán)境特性和產(chǎn)品平臺(tái)環(huán)境特性，確定產(chǎn)品安裝的平臺(tái)環(huán)境。根據(jù)產(chǎn)品壽命期內(nèi)可能遇到的貯存、運(yùn)輸和使用的自然和誘發(fā)環(huán)境情況，剪裁產(chǎn)品低溫試驗(yàn)條件。

3.5 試驗(yàn)時(shí)間的確定方法

低溫試驗(yàn)的時(shí)間是根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)來(lái)取定的，一般來(lái)說(shuō)，非危險(xiǎn)或非安全性相關(guān)的產(chǎn)品在其溫度穩(wěn)定后，低溫貯存時(shí)間可取為4 h。爆炸物、彈藥和有機(jī)塑料等產(chǎn)品在其溫度穩(wěn)定后，最少要進(jìn)行72 h的低溫貯存試驗(yàn)。對(duì)于限位玻璃、陶瓷和玻璃類產(chǎn)品（如光學(xué)系統(tǒng)、激光系統(tǒng)和光電系統(tǒng)），則應(yīng)選擇24 h的低溫貯存時(shí)間；低溫工作時(shí)間為產(chǎn)品溫度穩(wěn)定后至少2 h；低溫拆裝試驗(yàn)在低溫工作試驗(yàn)后可直接開(kāi)始，若單獨(dú)進(jìn)行，產(chǎn)品應(yīng)先在低溫狀態(tài)下達(dá)到穩(wěn)定并工作一段時(shí)間后再開(kāi)始。

4 MIL-STD-810F低溫試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用建議

4.1 低溫試驗(yàn)順序

在低溫試驗(yàn)中，應(yīng)首先進(jìn)行低溫貯存試驗(yàn)，其次是低溫工作試驗(yàn)，最后是低溫拆裝試驗(yàn)。低溫試驗(yàn)與其它試驗(yàn)的順序建議遵循2個(gè)原則。一個(gè)原則首先施加對(duì)產(chǎn)品損傷最小的試驗(yàn)環(huán)境以節(jié)省其壽命，遵循這種原則時(shí)，低溫試驗(yàn)應(yīng)盡早進(jìn)行。另一個(gè)原則是應(yīng)用能最大程度暴露迭加效應(yīng)的環(huán)境，遵循這種原則時(shí)，應(yīng)在動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)（如振動(dòng)和沖擊）之后進(jìn)行低溫試驗(yàn)。

4.2 低溫試驗(yàn)條件剪裁過(guò)程

建議在低溫試驗(yàn)條件剪裁的過(guò)程中，由主機(jī)所對(duì)產(chǎn)品安裝的平臺(tái)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與實(shí)測(cè)，確定飛機(jī)壽命期環(huán)境剖面，編寫(xiě)飛機(jī)環(huán)境技術(shù)要求，并確定分部件的環(huán)境要求。產(chǎn)品所對(duì)產(chǎn)品的運(yùn)輸、貯存環(huán)境進(jìn)行分析，確定產(chǎn)品壽命期剖面。

4.3 低溫試驗(yàn)中各類信息記錄

在810F低溫試驗(yàn)前信息記錄中建議注意兩個(gè)方面的內(nèi)容，一方面是在試驗(yàn)前熱電偶信息（包括型號(hào)、技術(shù)指標(biāo)和安裝位置），這是與GJB 150明顯區(qū)別的地方。另一方面是在試驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行基線數(shù)據(jù)的搜集（包括試驗(yàn)件外觀、特殊物理異常和各種環(huán)境試驗(yàn)經(jīng)歷，特別是收集試驗(yàn)中和試驗(yàn)后要監(jiān)控的功能參數(shù)的試驗(yàn)前數(shù)據(jù)），便于試驗(yàn)前、中、后的參數(shù)對(duì)比。

試驗(yàn)期間信息記錄中應(yīng)注意檢查產(chǎn)品性能是否符合技術(shù)規(guī)范要求，試驗(yàn)設(shè)備施加在試驗(yàn)件上的環(huán)境條件是否正確，試驗(yàn)件上由熱電偶測(cè)得的溫度響應(yīng)，試驗(yàn)箱溫度-時(shí)間的記錄以及拆裝操作中防護(hù)服的相關(guān)信息。

試驗(yàn)后應(yīng)將實(shí)際試驗(yàn)的順序、與計(jì)劃的偏差及初步的故障分析等相關(guān)信息及時(shí)記錄。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為MIL-STD-810F的對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，建議GJB 150A盡快在產(chǎn)品中實(shí)施，將這一先進(jìn)的剪裁試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)軍品的研制中，從產(chǎn)品的全壽命周期對(duì)其環(huán)境適應(yīng)性管理，用科學(xué)、合理的環(huán)境適應(yīng)性要求，不斷增加裝備平臺(tái)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，加快軍用產(chǎn)品的研制進(jìn)度，全面提高軍用產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性。

[1]MIL-STD-810F-2000，環(huán)境工程考慮與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)[S].

[2]GJB 150-1986，軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 [S].

[3]GJB 1172-1991，軍用設(shè)備氣候極值 [S].