環(huán)境試驗(yàn)特點(diǎn)及其發(fā)展方向

康志萍

（中國電器科學(xué)研究院有限公司，廣州 510300）

環(huán)境試驗(yàn)特點(diǎn)及其發(fā)展方向

康志萍

（中國電器科學(xué)研究院有限公司，廣州 510300）

本文從環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展歷程,論述了環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)對工業(yè)領(lǐng)域尤其是航空航天領(lǐng)域的重要性,通過闡述環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的特點(diǎn)、作用、相互關(guān)系，分析了國內(nèi)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)研究與應(yīng)用的現(xiàn)狀、存在的問題及其與國外的差距,提出了環(huán)境試驗(yàn)今后的發(fā)展趨勢。

環(huán)境試驗(yàn)；適應(yīng)性；重要性；自然暴露；發(fā)展趨勢

前言

環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)是驗(yàn)證產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性能的重要技術(shù)手段,廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，尤其在軍事武器裝備領(lǐng)域發(fā)揮著十分重要的作用。

環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展可以追溯到第一次世界大戰(zhàn)期間，在激烈的戰(zhàn)爭中，不少戰(zhàn)略物資無法在戰(zhàn)場上正常發(fā)揮其應(yīng)有的作用，究其原因竟是非戰(zhàn)爭因素所致：比如俄軍在與德軍的作戰(zhàn)中，遭到來自西伯利亞的寒流，致使棉大衣上的紐扣粉化，不能使用，無法有效御寒，導(dǎo)致戰(zhàn)斗力下降等種種現(xiàn)象。為了避免戰(zhàn)爭物資受到損壞，人們開始關(guān)注環(huán)境因素的影響。及至第二次世界大戰(zhàn)，環(huán)境因素影響武器裝備的事例層出不窮，有些甚至對戰(zhàn)局起著一定的決定性作用：如二戰(zhàn)期間著名的斯大林格勒戰(zhàn)中，由于武器長期存儲，導(dǎo)致德軍的機(jī)械故障頻繁出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了戰(zhàn)斗力的發(fā)揮，這也是德國在該場戰(zhàn)役中失敗的重要原因之一。如此種種，二次大戰(zhàn)中因環(huán)境因素帶來的嚴(yán)重教訓(xùn)促使人們認(rèn)真考慮武器裝備的環(huán)境適應(yīng)性問題。據(jù)統(tǒng)計，環(huán)境因素是造成武器裝備發(fā)生故障的重要原因。

環(huán)境適應(yīng)性的重要催生了環(huán)境試驗(yàn)領(lǐng)域的誕生，并使其得以逐漸發(fā)展壯大，各種環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)相繼制定；在以后90多年的發(fā)展歷程中，環(huán)境試驗(yàn)經(jīng)歷了探索（從20年代至50年代）、發(fā)展（從50年代末至70年代中期）、飛躍發(fā)展（從70年代末至今）三個階段，研制并逐步完善了各種氣候和力學(xué)試驗(yàn)用環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備。

當(dāng)今世界局部地區(qū)戰(zhàn)爭時有發(fā)生，武器裝備需要適應(yīng)各種戰(zhàn)爭環(huán)境，環(huán)境試驗(yàn)成為驗(yàn)證武器裝備環(huán)境適應(yīng)性的重要手段，并間接地影響到戰(zhàn)爭的結(jié)果。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)日益得到重視，并已成為航天航空、軍工、電工電子、冶金交通等領(lǐng)域里確保產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性的重要手段。

1 環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的特點(diǎn)及其作用

1.1 主要內(nèi)容

環(huán)境試驗(yàn)是指在某種環(huán)境條件（自然環(huán)境試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)）下，讓產(chǎn)品經(jīng)受環(huán)境應(yīng)力的作用，從而獲取相關(guān)信息，以檢驗(yàn)其對預(yù)期所遇到的極端環(huán)境的適應(yīng)性的試驗(yàn)，并做出相應(yīng)的評價。

通過環(huán)境試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品對環(huán)境適應(yīng)性的設(shè)計缺陷，從中獲取信息以改進(jìn)設(shè)計，通過不斷調(diào)整，直至得到令人滿意的設(shè)計；正因?yàn)槿绱?，國?nèi)外對它相當(dāng)重視，應(yīng)用也逾加廣泛。

1.2 環(huán)境試驗(yàn)的各自特點(diǎn)

環(huán)境試驗(yàn)主要考慮氣候、機(jī)械，電磁、運(yùn)輸、海洋等環(huán)境因素，牽涉到的試驗(yàn)項(xiàng)目包括：機(jī)械試驗(yàn)、氣候試驗(yàn)、電磁輻射試驗(yàn)、腐蝕性氣體試驗(yàn)、太陽輻射試驗(yàn)、沙塵、霉菌、多因素綜合試驗(yàn)等等。根據(jù)這些項(xiàng)目，環(huán)境試驗(yàn)可分為外場試驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)；外場試驗(yàn)由自然環(huán)境試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)組成。

1.2.1 自然環(huán)境試驗(yàn)

自然環(huán)境試驗(yàn)也叫做天然暴露試驗(yàn)：是把產(chǎn)品長期暴露于某種特定的自然環(huán)境中，進(jìn)行自然環(huán)境對其影響（規(guī)律）的環(huán)境試驗(yàn)。天然暴露試驗(yàn)屬于最基礎(chǔ)的環(huán)境試驗(yàn)，主要積累自然環(huán)境試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，供設(shè)計人員在環(huán)境試驗(yàn)的設(shè)計中選用。

自然環(huán)境試驗(yàn)的典型特點(diǎn)：

(1)自然環(huán)境復(fù)雜多樣，在這樣的環(huán)境下對試樣進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)際上是綜合了自然界里各種環(huán)境因素的共同影響，并不是由某一環(huán)境因素單一作用的結(jié)果。因此，一般進(jìn)行自然環(huán)境試驗(yàn)需在具備各種典型的試驗(yàn)站同時進(jìn)行；

(2)環(huán)境條件為自然資源，雖難以控制、重現(xiàn)性差，但更接近于實(shí)際使用環(huán)境, 結(jié)果接近于真實(shí)狀況，較為可靠；

(3)耗時較長，一般需數(shù)年至十?dāng)?shù)年，環(huán)境條件隨著時間的變化而變化；

(4)試樣主要為工藝、材料試片和結(jié)構(gòu)部件；

(5)屬基礎(chǔ)性試驗(yàn),試驗(yàn)設(shè)備相對簡單。

我國幅員遼闊,960萬平方公里的國土上涵蓋了各種典型的大氣環(huán)境,從亞熱帶氣候、雨林氣候、到高原氣候,均可以找到對應(yīng)的位置。表1集中展示了我國各個典型的大氣環(huán)境試驗(yàn)站。

至今，我國已經(jīng)建立起了各種典型的環(huán)境試驗(yàn)站，它們所處地區(qū)分別為自然界中某種（或一組）環(huán)境因素最為嚴(yán)酷的地區(qū)。如圖1為萬寧自然環(huán)境試驗(yàn)站：屬典型濕熱海洋性氣候環(huán)境, 是我國目前規(guī)模最大的大氣環(huán)境試驗(yàn)站。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)也稱為人工模擬環(huán)境試驗(yàn)：通過儀器設(shè)備制造出可控的人造環(huán)境試驗(yàn)條件，將產(chǎn)品在此環(huán)境下進(jìn)行模擬試驗(yàn)，一般在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。

表1 中國典型氣象環(huán)境在不同地區(qū)的基礎(chǔ)環(huán)境因素

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的典型特點(diǎn)：

(1)能嚴(yán)格控制環(huán)境試驗(yàn)條件,確保試驗(yàn)在受控條件下進(jìn)行, 可實(shí)時記錄，重現(xiàn)性好；

(2)可以隨時模擬所需要的各種特殊試驗(yàn)環(huán)境，并將單獨(dú)某一環(huán)境條件施加給產(chǎn)品, 方便尋找故障原因和改進(jìn)設(shè)計；

(3)靈活性強(qiáng)、可在線監(jiān)測、試驗(yàn)效率高，為設(shè)備的故障診斷和可靠性評估提供全面的信息；

(4)模擬的環(huán)境試驗(yàn)條件可以具備加速性，大大縮短試驗(yàn)時間,能很快發(fā)現(xiàn)問題；

(5)試樣大部分為元器件、組件、設(shè)備、整機(jī)等。

比之自然環(huán)境試驗(yàn)的不足之處：

(1)試驗(yàn)需要借助設(shè)備儀器，使用的試驗(yàn)技術(shù)比自然環(huán)境試驗(yàn)復(fù)雜，成本高；

(2)受到設(shè)備的條件限制, 與真實(shí)的環(huán)境綜合模擬性較差；導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際效果有一定的差異；

(3)試樣主要還是局限在小體積、重量較輕的產(chǎn)品上。

1.2.3 現(xiàn)場試驗(yàn)

由于實(shí)驗(yàn)室無法完全真實(shí)地還原現(xiàn)場的使用環(huán)境（由于設(shè)備能力和資源等的限制）, 對試樣難以進(jìn)行完全真實(shí)的考核, 所以在很多情況下，仍需要進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn), 以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室的不足, 特別是一些無法在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)的整機(jī)系統(tǒng)和設(shè)備，更需要進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn),以驗(yàn)證裝備在現(xiàn)場使用環(huán)境中能否正常工作。

現(xiàn)場試驗(yàn)典型特點(diǎn)：

(1)無需試驗(yàn)設(shè)備，但試驗(yàn)時需要用到整個裝備，成本高、周期長、涉及的人員較多；

(2)較為真實(shí)、可靠, 能起到實(shí)驗(yàn)室起不到的作用；

(3)難以保證試驗(yàn)在受控環(huán)境條件下進(jìn)行,試驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性較差。

1.3 三種環(huán)境試驗(yàn)的對比及其作用

環(huán)境試驗(yàn)幾乎貫穿產(chǎn)品的全過程，涵蓋了從產(chǎn)品的研究性試驗(yàn)、定型試驗(yàn)、生產(chǎn)的檢查試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)、安全性試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)等各種類型的環(huán)境試驗(yàn)，使用的試驗(yàn)設(shè)備、條件、產(chǎn)品、作用各不相同，每種環(huán)境試驗(yàn)所涉及的技術(shù)和管理也各不相同，如表2。

1.3.1 環(huán)境試驗(yàn)的作用

通過以上對三種環(huán)境試驗(yàn)特點(diǎn)的論述和分析，我們歸納出以下結(jié)論：

(1)自然環(huán)境試驗(yàn)在所有的環(huán)境試驗(yàn)中，屬于最基礎(chǔ)的試驗(yàn)，其數(shù)據(jù)主要供設(shè)計人員在環(huán)境適應(yīng)性的設(shè)計中選用。主要是針對產(chǎn)品的使用階段, 以評價其對自然環(huán)境的適應(yīng)性；

(2)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)最多應(yīng)用在產(chǎn)品研制和生產(chǎn)過程，有助于找出設(shè)計缺陷,提高產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性，并確保最終產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性滿足甚至超越合同規(guī)定的要求；

(3)現(xiàn)場試驗(yàn)主要用于評估產(chǎn)品對壽命期狀態(tài)真實(shí)環(huán)境的適應(yīng)性。一般與自然環(huán)境試驗(yàn)的結(jié)果綜合分析相結(jié)合，才能給出產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性的客觀的全面評價。經(jīng)常使用于軍備上無法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)的使用驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

2 國內(nèi)外環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的差距以及存在的問題

經(jīng)過近百年的技術(shù)積累，國外已經(jīng)具備了相對完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，并針對產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展，及時調(diào)整、制修訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，形成了較為完整的環(huán)境試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)庫以及完備的專家體系，試驗(yàn)設(shè)備不斷推陳出新，社會分工明確； 同時廣泛在世界范圍內(nèi)開展比對試驗(yàn)研究，與生產(chǎn)密切結(jié)合，使得相關(guān)性研究和預(yù)測技術(shù)取得較大進(jìn)展。

表2 三種環(huán)境試驗(yàn)性能比較

相比之下，我國仍處于環(huán)境試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累階段，特別是環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化起步較晚，直至上個世紀(jì)八十年代才開始引進(jìn)國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制定相應(yīng)的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；由于跟不上產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)的制修訂嚴(yán)重滯后，具有針對性的相對應(yīng)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)較少；試驗(yàn)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)不健全，與先進(jìn)國家相比，仍有很大差距；自主研發(fā)的環(huán)境設(shè)備較為落后，很多先進(jìn)的環(huán)境檢測設(shè)備仍然依賴進(jìn)口，檢測技術(shù)和手段落后，嚴(yán)重地制約了環(huán)境試驗(yàn)水平的提高，這些因素，都使得我國的環(huán)境試驗(yàn)領(lǐng)域普遍存在諸多問題：

(1)環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系不夠完善，基本上依賴于舊標(biāo)準(zhǔn)體系，雖說近年有所改進(jìn)和重視，但主要還是局限在試驗(yàn)方法上, 涉及到設(shè)計、數(shù)據(jù)分析、處理、評價、管理等方面的標(biāo)準(zhǔn)很少，總體上沒有形成科學(xué)的、完整的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)體系, 難以為產(chǎn)品在研制生產(chǎn)和使用階段提供全面的技術(shù)支持；

(2)受環(huán)境試驗(yàn)條件所限，試驗(yàn)設(shè)備有一定局限性，實(shí)驗(yàn)室模擬真實(shí)環(huán)境存在一定的差異，試驗(yàn)過程不夠規(guī)范,導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的置信度不高；

(3)我國自主研發(fā)的環(huán)境設(shè)備較為落后，多為中、低檔設(shè)備，功能單一，具備多功能、先進(jìn)控制技術(shù)的綜合性高新設(shè)備少，尤其缺少對整機(jī)的綜合檢測設(shè)備，難以滿足對綜合性環(huán)境模擬試驗(yàn)的需求；

(4)我國環(huán)境試驗(yàn)水平仍有待提高，即使從國外引進(jìn)先進(jìn)的大型綜合試驗(yàn)設(shè)備，往往只使用其某一個單一的功能，無法充分發(fā)揮設(shè)備應(yīng)有的功效，造成資源的極大浪費(fèi)；

(5)鑒于場地，設(shè)備等試驗(yàn)條件的限制，大型的設(shè)備系統(tǒng)級試驗(yàn)仍主要依賴現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行，由于該試驗(yàn)的局限性：環(huán)境條件難以控制，數(shù)據(jù)獲取不便，穩(wěn)定性，重現(xiàn)性差等缺陷，均給試驗(yàn)的評估帶來困難；

(6)目前針對環(huán)境試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的故障診斷，仍以采用離線分析與診斷為主, 相對落后的信息處理方式使得整體試驗(yàn)效率低下。監(jiān)測和實(shí)時診斷功能急待加強(qiáng)。

3 環(huán)境試驗(yàn)的發(fā)展趨勢

結(jié)合目前國內(nèi)環(huán)境試驗(yàn)存在的諸多問題以及與國外的差距，國內(nèi)環(huán)境試驗(yàn)的發(fā)展要朝著以下幾個方面進(jìn)行：

3.1 逐步完善環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系，力求使試驗(yàn)方法、檢測、數(shù)據(jù)分析、評價處理、管理等進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)范化，組建完整的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系和網(wǎng)站體系，為產(chǎn)品提供全面的技術(shù)支持；

3.2 縮短試驗(yàn)時間，考慮加速環(huán)境試驗(yàn)的發(fā)展方向：標(biāo)準(zhǔn)氣候環(huán)境試驗(yàn)向極端氣候環(huán)境試驗(yàn)發(fā)展；純自然環(huán)境試驗(yàn)要向自然加速環(huán)境試驗(yàn)發(fā)展；靜態(tài)環(huán)境試驗(yàn)向動態(tài)環(huán)境試驗(yàn)發(fā)展；實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)向模擬自然環(huán)境加速試驗(yàn)發(fā)展等模式；

3.3 逐步建立以功能、信息集成、動態(tài)分析和開放式結(jié)構(gòu)為特點(diǎn)，集環(huán)境試驗(yàn)、監(jiān)測診斷、可靠性分析、綜合評估決策等功能于一體，由環(huán)境模擬、產(chǎn)品控制、試驗(yàn)過程監(jiān)測、對信息結(jié)果的分析診斷和系統(tǒng)管理等幾大部分組成的環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)，縮短與國外的差距；

3.4 試驗(yàn)的產(chǎn)品向這幾個方向發(fā)展：尺寸要從小到大，從局部到全面，從材料到構(gòu)件，從零件到整機(jī)；

3.5 環(huán)境模擬要從單因素向多因素綜合模擬發(fā)展;試驗(yàn)設(shè)備由簡單向大型化、多樣化、綜合化和自動化發(fā)展（如圖2）；

3.6 采取多樣化的試驗(yàn)形式，逐漸從環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)、檢測、評價向環(huán)境失效機(jī)理，環(huán)境適應(yīng)性和壽命預(yù)測、行為規(guī)律的方向發(fā)展。

4 結(jié)論

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，國力的不斷增強(qiáng)，對航空航天等高精尖領(lǐng)域的日益重視，環(huán)境試驗(yàn)也迎來了有史以來的高速發(fā)展時期，在發(fā)展過程中,應(yīng)該基于我國的具體國情，逐步建立完善的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系，提高環(huán)境設(shè)備的綜合能力，建立先進(jìn)的環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)，形成自然與人工模擬加速試驗(yàn)相結(jié)合,環(huán)境試驗(yàn)與可靠性試驗(yàn)互為補(bǔ)充向高新尖發(fā)展的模式，不斷縮小與歐美等發(fā)達(dá)國家的差距，建設(shè)有中國特色的環(huán)境試驗(yàn)領(lǐng)域，這對于提高我國的航空航天技術(shù)水平，提高軍事裝備的環(huán)境適應(yīng)性，進(jìn)而提高作戰(zhàn)能力，更好地保家衛(wèi)國均有著重要意義。

[1] 王麗，祝耀昌.環(huán)境試驗(yàn)及其應(yīng)用綜述[J].環(huán)境技術(shù)，1998，2

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[5] 祝耀昌，王建剛.各種環(huán)境試驗(yàn)的特點(diǎn)及其應(yīng)用分析[J]. 航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2005，(1)，40-44 )

康志萍，高級工程師，長期從事環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)、成套裝備的研究開發(fā)及應(yīng)用推廣工作。

The Characteristic and Development Direction of Environmental Test

KANG Zhi-ping
(China National Electric Apparatus Research Institute CO.,LTD，Guangzhou 510300)

Based on the development history of environmental test technology, this paper expounds the importance of it in the field of industry, especially aerospace. Furthermore, through the introduction of characteristic, function and cor relations of the environmental test technology, the paper analyzes the status quo and problems of the study and application of domestic environmental test technology and its gap between foreign countries, and points out the development tendency of environmental test.

environmental test；adaptability；importance；natural exposure；development tendency

V216.5

A

1004-7204（2012）04-0015-04