劉炳均，譚國斌，趙曉鵬

（總后軍事交通運(yùn)輸研究所，天津 300161）

0 引 言

太陽輻射試驗(yàn)是一種人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法，它模擬產(chǎn)品在地面或較低大氣層中使用或無遮蔽貯存期間暴露在日輻射條件下受到的影響[1]。其通常分為熱效應(yīng)試驗(yàn)和光化學(xué)效應(yīng)試驗(yàn)兩種，本文探討的是方艙的日照熱效應(yīng)試驗(yàn)。

方艙的日照熱效應(yīng)試驗(yàn)通常按照GJB 2093-1994《軍用方艙通用試驗(yàn)方法》進(jìn)行。該標(biāo)準(zhǔn)要求方艙進(jìn)行日照熱效應(yīng)試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度維持在50℃左右，艙頂溫度控制在96±8℃范圍內(nèi)，持續(xù)時(shí)間為4h。在實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度的控制比較容易實(shí)現(xiàn)，但艙頂溫度由于受多種因素的影響經(jīng)常出現(xiàn)溫度不均勻或達(dá)不到96±8℃的溫度范圍等各種問題，從而影響試驗(yàn)進(jìn)程。本文通過對(duì)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，總結(jié)了影響方艙日照熱效應(yīng)試驗(yàn)的主要因素，并對(duì)環(huán)境試驗(yàn)人員提出了建議。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

在模擬日照試驗(yàn)室內(nèi)展開日照熱效應(yīng)試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了艙頂輻射強(qiáng)度、風(fēng)速及方艙自身特性等因素對(duì)方艙頂部溫度的影響。

1.2 試驗(yàn)程序

將方艙水平放置在日照試驗(yàn)室中央，用木塊墊起，然后開始升溫。當(dāng)方艙內(nèi)外溫度均達(dá)到50±2℃后，保持溫度穩(wěn)定不變，打開方艙頂部模擬日照熱源，將艙頂表面溫度升至96℃。在方艙頂部按每平方米不少于1個(gè)的密度布置溫度傳感器（其位置分布見圖1），傳感器上部加以遮蓋，防止熱源的直接輻射。當(dāng)所有溫度傳感器的讀數(shù)都在96±8℃范圍內(nèi)時(shí)，開始計(jì)時(shí)，持續(xù)4h，在此期間，保持試驗(yàn)室環(huán)境溫度不超過55℃。試驗(yàn)過程中，保證升降溫速率不大于10℃/h[2]。試驗(yàn)期間，每隔10min對(duì)艙頂溫度進(jìn)行一次記錄。

圖1 方艙頂部溫度傳感器位置分布圖

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

通常影響方艙表面溫度的因素有：（1）環(huán)境溫度；（2）太陽輻射強(qiáng)度；（3）風(fēng)速；（4）暴露時(shí)間；（5）裝備自身特性（表面反射率、尺寸和形狀、熱傳導(dǎo)比率和比熱等）[3]。這些因素可以分為兩類，一類是可控因素，包括環(huán)境溫度、太陽輻射強(qiáng)度和暴露時(shí)間；另一類是不可控因素，包括風(fēng)速和裝備自身特性。試驗(yàn)過程中，環(huán)境溫度始終控制在50℃左右，暴露時(shí)間均為4h；因此，本文只分析日照輻射強(qiáng)度、風(fēng)速和方艙自身特性對(duì)艙頂溫度的影響。

2.1 輻射強(qiáng)度

試驗(yàn)過程中，當(dāng)艙頂溫度穩(wěn)定在96±8℃范圍后，記錄艙頂日照輻射強(qiáng)度，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 方艙頂部日照輻射強(qiáng)度與平均溫度對(duì)照表

由表1可見，不同方艙艙頂溫度達(dá)到96±8℃范圍內(nèi)時(shí)所需的輻射強(qiáng)度差異較大，其最大差值達(dá)到554W/m2。通常自然界中太陽天頂角為0°時(shí)到達(dá)地球表面的總輻射強(qiáng)度（水平面太陽直接輻射與天空輻射之和）為1 120 W/m2[4]，盡管在地球表面實(shí)際的自然環(huán)境中太陽輻射強(qiáng)度會(huì)隨季節(jié)、緯度和海拔的不同而不同，但在太陽輻射試驗(yàn)中，輻射強(qiáng)度極值一般都確定為1120W/m2[3-7]。與此相比，554W/m2的差異就很大了。由此可見，除輻射強(qiáng)度外，必定存在著其他因素對(duì)方艙表面溫度產(chǎn)生的較大影響。

2.2 風(fēng)速

將方艙置于試驗(yàn)室內(nèi)某固定位置，當(dāng)環(huán)境溫度50℃，方艙頂面溫度達(dá)到96±8℃范圍時(shí)，測(cè)量方艙頂部四邊中間位置的風(fēng)速，對(duì)比方艙頂部溫度，分析艙頂溫度與風(fēng)速的關(guān)系，具體數(shù)據(jù)見表2和表3。

表2 方艙頂部縱向溫度對(duì)比

表3 方艙頂部橫向溫度對(duì)比

由表2可見，方艙前側(cè)頂部溫度明顯高于后側(cè)頂部溫度，其前后溫差最大達(dá)到了17.5℃。與之對(duì)應(yīng)，方艙前側(cè)風(fēng)速為0.6m/s，方艙后側(cè)風(fēng)速為1.5m/s。

由表3可見，方艙頂部左側(cè)溫度明顯高于右側(cè)溫度，其左右兩側(cè)溫差最大達(dá)到了7.2℃。與之對(duì)應(yīng)，方艙左側(cè)風(fēng)速為0.8m/s，方艙右側(cè)風(fēng)速為1.2m/s。

因此，對(duì)同一方艙，在同樣輻射強(qiáng)度下，艙頂表面風(fēng)速越高，其溫度越低，反之其溫度越高。實(shí)踐證明，1m/s的風(fēng)速就可能使溫升減少20%以上[8]。在實(shí)際試驗(yàn)中，往往不能保證試驗(yàn)室內(nèi)各個(gè)位置的風(fēng)速基本相同，如果艙頂不同位置風(fēng)速差異過大，就會(huì)導(dǎo)致艙頂溫差過大，就很難保證所有溫度點(diǎn)的溫度都保持在96±8℃范圍內(nèi)。對(duì)于這種情況，在無法調(diào)節(jié)風(fēng)速的情況下，可以認(rèn)為艙頂平均溫度控制在96±8℃范圍內(nèi)，即達(dá)到試驗(yàn)條件，而不必苛求每個(gè)溫度傳感器讀數(shù)都在96±8℃范圍內(nèi)。

2.3 方艙自身特性

2.3.1 表面材質(zhì)

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，方艙表面蒙皮材質(zhì)的不同對(duì)方艙頂部的溫升速率有一定的影響。表4對(duì)比了不同表面材質(zhì)的方艙其頂部溫度達(dá)到96±8℃范圍時(shí)的輻射強(qiáng)度差異。

表4 不同表面材質(zhì)的輻射強(qiáng)度對(duì)比

由表4可見，在頂部溫度基本相同時(shí)，采用材質(zhì)A的方艙的輻射強(qiáng)度平均值為1289W/m2，采用材質(zhì)B的方艙的輻射強(qiáng)度平均值為1 428 W/m2。也就是說，要達(dá)到同樣的溫度標(biāo)準(zhǔn)，表面材質(zhì)為B的方艙需要更多的熱量。

2.3.2 表面反射率

某臺(tái)方艙在日照熱效應(yīng)試驗(yàn)中，當(dāng)其頂部輻射強(qiáng)度達(dá)到1350W/m2時(shí)，其艙頂溫度只能穩(wěn)定在75℃左右，遠(yuǎn)達(dá)不到96±8℃的范圍要求。經(jīng)過與其他方艙的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該方艙頂部表面光滑，顏色較其他方艙稍淺。

日照熱效應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，方艙吸收熱量和反射熱量取決于方艙被照表面的反射率，因此受試方艙的表面特性（如表面粗糙度和顏色等）是影響太陽輻射加熱產(chǎn)生的溫升的重要因素[9]。實(shí)踐證明，對(duì)于同樣材料的蒙皮和芯材，方艙表面反射率越高，則溫升越慢；反之，則溫升越快。

2.3.3 其他特性

除此之外，方艙的其他固有特性也會(huì)對(duì)艙頂溫度造成影響，如：聚氨酯發(fā)泡材料的厚度、艙內(nèi)裝備的多少等。這些特性的不同必然導(dǎo)致方艙的熱傳導(dǎo)比率、比熱等屬性的差異，是影響艙頂溫度的重要因素。

2.4 試驗(yàn)中方艙特性的改變

圖2 某方艙頂部溫度變化曲線

圖2為某方艙試驗(yàn)過程中艙頂溫度的變化曲線?？梢钥闯觯?、③兩點(diǎn)升溫過程中，于14∶00左右其溫度突然下降，之后趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定溫度分別為61℃、72℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到96±8℃的溫度范圍標(biāo)準(zhǔn)。而其他點(diǎn)溫度變化平緩，穩(wěn)定溫度為91℃，①、③兩點(diǎn)與其他點(diǎn)溫度相差很大。

試驗(yàn)后對(duì)艙頂進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)①、③兩點(diǎn)所在的位置均出現(xiàn)了起鼓現(xiàn)象，而其他各點(diǎn)未見異常。由此推斷，是由于艙體起鼓影響了起鼓位置的溫度變化規(guī)律。

因此，試驗(yàn)過程中艙體產(chǎn)生異常變化有可能會(huì)改變方艙的熱量傳導(dǎo)方式，從而影響艙頂溫度的變化。在實(shí)際試驗(yàn)中，如果由于艙體變化引起了艙頂溫度異常，應(yīng)通過調(diào)節(jié)傳感器位置等方式來得到合理的數(shù)據(jù)，如果仍不能達(dá)到溫度條件則應(yīng)對(duì)異常溫度點(diǎn)予以剔除。

3 結(jié)束語

方艙日照熱效應(yīng)試驗(yàn)過程中，方艙頂部溫度受到輻射強(qiáng)度、風(fēng)速、方艙自身特性等多種因素的影響，其中只有太陽輻射強(qiáng)度是可控因素；因此，方艙日照熱效應(yīng)試驗(yàn)過程中，艙頂溫度不可避免的出現(xiàn)異常，試驗(yàn)人員應(yīng)分析艙頂溫度和周圍環(huán)境條件，確定引起溫度異常的原因，采取相應(yīng)的措施，保證試驗(yàn)的正常進(jìn)行。如果仍然達(dá)不到試驗(yàn)條件，則應(yīng)該考慮用輻射強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)來考核方艙的經(jīng)受太陽輻射熱的性能。

[1]馬志宏，李金國，張景飛.電子設(shè)備太陽輻射模擬試驗(yàn)分析與探討[J].環(huán)境技術(shù)，2007（6）：11-14.

[2]GJB 2093—1994軍用方艙通用試驗(yàn)方法[S].北京：國家軍用標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

[3]MIL-STD-810G Department of defense test method standard environmental engineering considerations and laboratory tests[S].Washington：The US Department of Defense，2008.

[4]GJB 150.7A—2009軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第7部分：太陽輻射試驗(yàn)[S].北京：國防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，2009.

[5]王忠.太陽輻射試驗(yàn)技術(shù)[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2005，26（增刊）：15-18.

[6]IEC68-2-5 Test Sa，Simulated solar radiation at ground level[S].Geneva：International Electrotechnical Commission，2007.

[7]DEF STAN 00-35，Environmental handbook for defence materiel part 3：environmental test methods[S].GLASGOW：UK Dstan，2006.

[8]夏越美.太陽輻射試驗(yàn)及其標(biāo)準(zhǔn)分析[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2001，30（5）：33-38.

[9]戴光耀.軍用通用方艙日照熱效應(yīng)試驗(yàn)[J].方艙技術(shù)，1995，4（2）：19-26.