系留氣球環(huán)境適應性研究

孫 帆 劉宗強 龔惠玲 陳 芳

（1. 南京航空航天大學，江蘇 南京 210016；2. 中航工業(yè)特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

1 國內(nèi)外系留氣球環(huán)境適應性研究現(xiàn)狀

國外環(huán)境工程在系留氣球的應用特點主要表現(xiàn)在系統(tǒng)化、專業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化等方面。歐美國家在系留氣球的環(huán)境適應性方面已取得了豐碩的成果。

由于觀念的陳舊、認識上的誤差，在系留氣球的研究方面，國內(nèi)沒有將環(huán)境工程作為系統(tǒng)工程加以考慮。另外，現(xiàn)有航空標準對系留氣球針對性不強。長期以來我國系留氣球的環(huán)境適應性工作僅僅停留在環(huán)境試驗的環(huán)節(jié)上，造成產(chǎn)品的環(huán)境適應性不高，不能滿足在各種惡劣環(huán)境條件下的使用要求。

2 系留氣球環(huán)境工程

2.1 環(huán)境適應性

它是產(chǎn)品在其壽命期預計可能遇到的各種環(huán)境的作用下能實現(xiàn)其所有預定功能、性能和（或）不被破壞的能力，是產(chǎn)品的重要質(zhì)量特性之一。

產(chǎn)品的環(huán)境適應性是以產(chǎn)品是否失效或有故障作為判據(jù)的，基本上是以適應或不適應作定性判據(jù)，即如果產(chǎn)品環(huán)境適應性不合格，意味著產(chǎn)品不能投入使用。

產(chǎn)品的功能和性能均滿足要求，說明其在預定環(huán)境中能正常工作，這是環(huán)境適應性的一個標志；另一個標志是產(chǎn)品在預定環(huán)境中不被破壞的能力。

2.2 環(huán)境工程技術(shù)體系

環(huán)境工程是系統(tǒng)地應用各種技術(shù)和管理措施使產(chǎn)品環(huán)境適應性達到規(guī)定要求的系統(tǒng)工程，包括環(huán)境工程管理、環(huán)境分析、環(huán)境適應性設計和環(huán)境試驗與評價。

首先，根據(jù)環(huán)境工程技術(shù)體系中的環(huán)境數(shù)據(jù)和環(huán)境分析技術(shù)對系留氣球的全壽命周期所遇環(huán)境因素及其影響進行分析，并針對環(huán)境影響開展環(huán)境適應性設計。

其次，根據(jù)前面分析及相關(guān)標準選擇試驗項目、試驗參數(shù)，確定試驗方案。系留氣球環(huán)境試驗采用了GJB 150A–2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》[1]系列國家軍用標準。

最后，根據(jù)系留氣球環(huán)境試驗情況對實際工程設計給出建議。

2.3 系留氣球軟式結(jié)構(gòu)環(huán)境適應性

系留氣球的使用特點是：野外露天工作、任務周期長、任務范圍廣、設備工作海拔高等。

環(huán)境對系留氣球產(chǎn)品的影響主要表現(xiàn)為：降低結(jié)構(gòu)件的拉伸斷裂強度；影響材料的透氦率；降低產(chǎn)品壽命。

3 系留氣球全壽命周期環(huán)境影響因素分析

對系留氣球影響最大的環(huán)境因素主要包括：溫度、濕度、鹽霧、霉菌和太陽輻射。

3.1 溫度

3.1.1 溫度因素影響分析系留氣球環(huán)境適應性的研究主要是研究其在運輸階段、使用階段和貯存階段。期間的環(huán)境溫度基本上在–40℃～50℃波動。

3.1.2 溫度效應分析

在高、低溫的作用下，系留氣球軟結(jié)構(gòu)通常產(chǎn)生的失效模式有兩種：強度和彈性材料物理特性的變化；加速老化，誘發(fā)材料開裂、分解。

3.1.2.1 高溫環(huán)境效應

在高溫的作用下，系留氣球軟式結(jié)構(gòu)普遍產(chǎn)生的失效模式有兩種：強度和彈性材料物理特性的變化；加速老化，誘發(fā)材料和表面涂層的開裂、分解、龜裂或退色。

3.1.2.2 低溫環(huán)境效應

在低溫的作用下，系留氣球軟式結(jié)構(gòu)普遍產(chǎn)生的失效模式有兩種：強度和彈性材料物理特性的變化；在低溫下材料脆性增加，導致材料因折疊而脆裂，進而導致壽命縮短或性能降低。

3.1.2.3 溫度沖擊環(huán)境效應

系留氣球暴露于溫度沖擊環(huán)境時可能引發(fā)的問題是：引起材料的膨脹或收縮，導致應力集中而發(fā)生開裂。

3.2 霉菌

3.2.1 霉菌因素影響分析

霉菌的生長發(fā)育受到自然界各種因素的影響比較復雜。但就系留氣球而論，受霉菌侵襲的環(huán)境條件概括起來為3大要素。

溫度：絕大多數(shù)霉菌的平均最適溫度一般定在25℃～30℃之間。

相對濕度：一般生長最適宜的相對濕度為85%～100%，相對濕度在70%時也能生長。低于65%時，多數(shù)霉菌不再生長，孢子停止萌發(fā)。所以在霉菌試驗時，一般將相對濕度控制在96%以上。

營養(yǎng)物質(zhì)：霉菌在生命活動的各個階段，碳、氮、鉀、磷、硫和鎂等是霉菌必需的養(yǎng)料。

3.2.2 霉菌效應分析霉菌生長對一般系留氣球造成的有害侵蝕主要包括：對材料的直接侵蝕、對材料的間接侵蝕。

3.2.2.1 對材料的直接侵蝕

系留氣球軟結(jié)構(gòu)的材料主要由高分子的復合材料構(gòu)成，其表面覆蓋有防氣體滲漏和防太陽輻射等的合成材料涂層，主要成分是聚氨酯、聚氯乙烯，均為非抗霉材料，容易受到直接侵蝕。霉菌能將其分解作為自己的養(yǎng)分，這就影響了產(chǎn)品的性能。

3.2.2.2 對材料的間接侵蝕

對抗霉材料的損害來自間接侵蝕。霉菌與敏感材料接觸會導致其降解，而霉菌的代謝產(chǎn)物與鄰近的抗霉材料接觸，從而造成間接侵蝕。

3.3 鹽霧

系留氣球暴露于腐蝕性大氣環(huán)境中會受到3種類型的影響：腐蝕效應，電氣效應和物理效應。

3.3.1 腐蝕效應

針對系留氣球軟式結(jié)構(gòu)，鹽霧會對其產(chǎn)生如下腐蝕效應：系留氣球囊體材料被腐蝕，嚴重的會導致其抗老化性能下降；影響囊體材料的氣密性。

3.3.2 電氣效應

鹽霧環(huán)境可能導致系留氣球產(chǎn)生電氣效應：鹽沉積物會產(chǎn)生導電的覆蓋層，使得絕緣材料及金屬的腐蝕，導致設備電路的損壞。

3.3.3 物理效應

鹽霧環(huán)境可能導致產(chǎn)生下述物理效應：機械部件和組件的活動部分阻塞或卡死；電氣部件由于電解作用而導致涂層起泡。對于系留氣球主要是影響其囊體材料抗拉強度和延伸率等物理性能。

3.4 濕度

3.4.1 表面效應

包括：加速化學反應，導致表面覆蓋層的化學破壞；表面水氣和外來附著物相互作用產(chǎn)生腐蝕膜；摩擦系數(shù)的改變導致粘結(jié)或粘附。

3.4.2 材料性質(zhì)的改變

包括：物理強度降低；復合材料的分層、塑性或彈性變化、氣密性降低。

3.5 太陽輻射

太陽輻射產(chǎn)生的效應主要分為2種：熱敏效應和光化學效應。

3.5.1 熱敏效應

太陽輻射的不同譜段，對系留氣球的影響也不同。由于系留氣球是在高空使用，而高空大氣層中雜質(zhì)少，太陽輻射能量較高，不過其溫度較低、風的作用比較多，會帶走部分熱量，因此太陽輻射對系留氣球的熱效應不明顯。

3.5.2 光化學效應

光化學效是針對非金屬材料而言，系留氣球軟式結(jié)構(gòu)件均為非金屬材料，故主要考慮光化學效應對其影響。波長短于300 nm的紫外照射雖然只占所有太陽輻射的1%左右，但作用很大。對于系留氣球的囊體材料來說，紫外線的光量子能破壞其分子聚合物的化學鍵，引起光化學反應，造成分子量降低、材料分解、裂析、變色、彈力和抗張力降低等。紫外線和臭氧還會影響橡膠、環(huán)氧樹脂粘合劑和甲基丙烯氣動密封性能的穩(wěn)定性。紫外線會改變熱控涂層的光學性質(zhì)，使表面逐漸變暗，提高太陽輻射的吸收率，從而影響系留氣球的溫度效應。

4 系留氣球環(huán)境試驗

4.1 溫度試驗

4.1.1 試驗條件

在溫度因素對系留氣球影響分析過程中，我們了解了溫度沖擊對系留氣球的影響。在試驗前先確定試驗參數(shù)即試驗溫度和保溫時間。

根據(jù)工程經(jīng)驗， 建議試驗溫度控制在–50℃～50℃；保溫時間已產(chǎn)品達到穩(wěn)定溫度為宜，一般控制在0.5h到1h之間。

4.1.2 試驗方法

試驗方法按照GJB 150.3A–2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第3部分：高溫試驗》和GJB 150.4A–2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第4部分：低溫試驗》執(zhí)行。

4.2 霉菌試驗

4.2.1 試驗條件

由于霉菌發(fā)芽、分解含碳分子以及降解材料所需時間是28天，因此霉菌試驗的最短時間為28天，試驗過程中檢查外觀長霉程度即可。

4.2.2 試驗方法

按照GJB 150.10A–2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第10部分：霉菌試驗》規(guī)定執(zhí)行。

4.3 鹽霧試驗

4.3.1 試驗條件

根據(jù)GJB 150.11A–2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第11部分：鹽霧試驗》要求及系留氣球?qū)嶋H工作環(huán)境確定試驗條件如下：確定鹽溶液的濃度為5%±1%；確定試驗持續(xù)時間為24 h連續(xù)噴鹽霧和24 h干燥兩種狀態(tài)循環(huán)96 h的試驗程序；

噴鹽霧溫度為35℃±2℃；鹽霧沉降率為1～2 ml/80cm2.h。

4.3.2 試驗方法

按照GJB 150.11A–2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第11部分：鹽霧試驗》執(zhí)行。

4.4 濕熱試驗

4.4.1 試驗條件

根據(jù)GJB 150.9A–2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第9部分：濕熱試驗》、ASTM D5427要求及系留氣球?qū)嶋H工作環(huán)境，確定試驗條件如下：試驗溫度（80±2）℃，相對濕度（95±5）%；加速老化時間336 h。

4.4.2 試驗方法

根據(jù)ASTM D5427并參考GJB 150.9A–2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第9部分：濕熱試驗》要求確定。

4.5 太陽輻射試驗

4.5.1 試驗條件

按照ASTM G155–05a要求及系留氣球?qū)嶋H工作環(huán)境確定實驗條件如下：

● 使用輻射強度為0.35W/m2?nm、波長為340 nm的氙燈照射；

● 照射方法為每次循環(huán)在溫度77℃，相對濕度70%下，照射1.5 h，再照射和噴水0.5 h，依次循環(huán)。

4.5.2 試驗方法

按照ASTM G155–05a并參考GJB 150.7A–2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第7部分：太陽輻射試驗》的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

5 工程建議

5.1 高溫環(huán)境適應性設計

根據(jù)高溫對系留氣球的影響效應，對系留氣球的高溫環(huán)境適應性設計，從兩個角度出發(fā)考慮：一是改善產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度環(huán)境；二是提高產(chǎn)品元器件自身的高溫適應能力。

結(jié)合系留氣球的使用特點，給出以下建議：第一，改善產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度環(huán)境方面：建議在發(fā)熱量大的部位加裝散熱風機；第二，將發(fā)熱量大的設備布置在盡可能遠離氣囊的部位，如整流罩、外掛架等處。

5.2 低溫環(huán)境適應性設計

根據(jù)低溫對系留氣球的影響效應，針對系留氣球的低溫環(huán)境適應性設計主要包括兩個方面：其一，改進產(chǎn)品結(jié)構(gòu)：盡可能的減少“非圓弧過度”設計。其二，嚴格展開、拆收規(guī)程。 展開應盡量減少劇烈拖動； 拆收應盡量展平后折疊，并盡量用軟套包裹不能拆卸的硬結(jié)構(gòu)件和設備；對低溫敏感的部件，改善其局部溫度環(huán)境，將其放置在發(fā)熱量較大的器件附近； 對元器件100%進行一次和二次篩選，包括低溫測試。

5.3 鹽霧環(huán)境適應性設計

根據(jù)鹽霧對系留氣球產(chǎn)生的影響效應，建議對系留氣球的鹽霧環(huán)境適應性設計主要是選用耐候材料，對新材料應先進行鹽霧試驗，確保其各方面的性能均滿足設計指標要求，再投入工程應用。

5.4 霉菌環(huán)境適應性設計

根據(jù)霉菌對系留氣球產(chǎn)生的影響效應，建議對系留氣球的霉菌環(huán)境適應性設計如下：

5.4.1 結(jié)構(gòu)設計

產(chǎn)品在設計時，整體外觀要求光滑、流暢、簡潔，盡量不要有縫隙、凹槽，以免積水藏灰，為霉菌的生長創(chuàng)造條件，為提高其抗霉能力。

產(chǎn)品的抗霉能力很大程度上取決于其材料的選取，選取抗霉能力強的材料，能從根本上提高產(chǎn)品的抗霉能力。

5.4.2 生產(chǎn)工藝及過程控制

系留氣球的成型基本上都是特殊過程，一旦成型，就很難返工返修，后續(xù)檢驗也難以發(fā)現(xiàn)一些缺陷，因此就對生產(chǎn)工藝提出了更高的要求。

5.4.2.1 熱合電流、壓力

熱合過程的工藝參數(shù)如果控制不好，熱合部位就宜留下縫隙，就易于霉菌生長。

5.4.2.2 膠接時膠層的厚度、均勻性及加壓的時間和壓力大小

膠接的膠層厚度、均勻性及加壓的時間和壓力大小如果控制不好，都易留下縫隙或在后續(xù)脫膠開裂，也就為霉菌的上傳提供了條件。

5.4.2.3 貯存控制

控制霉菌滋生的辦法之一是除氧封存，試驗表明，如果密閉系統(tǒng)內(nèi)的氧氣濃度低于1%，密閉系統(tǒng)內(nèi)的物品就不會發(fā)霉[2]。

控制霉菌滋生的另一有效辦法是控制溫濕度。絕大多數(shù)霉菌的平均最適溫為25℃～30℃之間，而在0℃～10℃時，霉菌生長顯著變緩。相對濕度也是霉菌生長的必要條件。一般生長最適宜的相對濕度為85%～100%，但相對濕度在70%時也能生長，低于65%時，除個別霉菌外，多數(shù)霉菌不再生長，孢子停止萌發(fā)。因此，應將貯存環(huán)境的溫度控制在0℃～10℃，將貯存環(huán)境的濕度控制在65%以下。

5.5 濕熱環(huán)境適應性設計

5.5.1 選材

主要是選用耐候材料，選用新材料時應先進行濕熱試驗，確保其各方面的性能均滿足設計指標要求，再投入工程應用。

5.5.2 貯存環(huán)境

確保貯存環(huán)境通風、干燥，長時間不使用時，要定期開箱晾曬。在撤收時，盡可能地選擇晴好天氣待囊體材料徹底干燥后打包。

5.6 太陽輻射環(huán)境適應性設計

根據(jù)太陽輻射對系留氣球產(chǎn)生的影響效應，建議對系留氣球的太陽輻射環(huán)境適應性設計主要是選用耐候材料，對新材料應先進行太陽輻射試驗，確保其各方面的性能均滿足設計指標要求，再投入工程應用。

6 結(jié)論

本文通過對系留氣球全壽命周期內(nèi)所遇到環(huán)境因素及其影響分析，確定了系留氣球會受到溫度、霉菌、鹽霧、濕度及太陽輻射這幾種主要因素的影響。然后，根據(jù)系留氣球使用環(huán)境的特點和相關(guān)試驗標準，確定了對系留氣球的試驗項目和試驗方案并給出系留氣球環(huán)境適應性設計工作的工程建議。

[1]GJB 150 A–2009 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 [S].

[2]張江濤，吳龍益.機載設備霉菌防護設計[J].裝 備環(huán)境工程，2007.