低氣壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)技術(shù)分析

宋小燕，翟 波

（1. 中國(guó)電科第20 研究所，西安 710068； 2. 中航工業(yè)洛陽(yáng)光電所，洛陽(yáng) 471009）

1 低氣壓環(huán)境對(duì)裝備的影響

1.1 低氣壓環(huán)境

空氣由于受到地球引力作用而具一定重量形成大氣壓力，在某高度上的大氣壓力，是該點(diǎn)以上垂直于地面的單位面積上整個(gè)空氣柱的重量。隨著高度的增加，空氣逐漸變得稀薄，大氣壓力逐漸降低。據(jù)實(shí)際測(cè)量，在海平面3000km以內(nèi)，高度每升高10米，氣壓降低100Pa，在接近31km處的大氣壓力為海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值的1/100。大氣壓力除了與高度有關(guān)外，還和天氣變化有關(guān)系，同一地點(diǎn)，晴天氣壓高陰天氣壓地，冬天氣壓比夏天氣壓高。

我國(guó)約有50%的地球表面積高于海平面1000m，約有25%的面積高于海平面2000m。可見，在地球表面高于海平面處和空中貯存、運(yùn)輸和使用的裝備都不可避免地會(huì)遇到低氣壓環(huán)境，受到低氣壓環(huán)境的作用。對(duì)于航空產(chǎn)品，由于飛機(jī)最高飛行高度最低也有數(shù)千米，一般要飛近萬(wàn)米及萬(wàn)米以上，最高可達(dá)30km。故機(jī)載設(shè)備將承受比高原設(shè)備更為嚴(yán)酷的低氣壓作用。

1.2 低氣壓環(huán)境對(duì)裝備的影響

低氣壓環(huán)境對(duì)裝備的影響是多方面的：包括氣壓降低造成的壓力差產(chǎn)生的直接的機(jī)械影響，空氣密度降低對(duì)散熱和動(dòng)力設(shè)備推力的影響及對(duì)電氣設(shè)備的電性能的影響，壓力差導(dǎo)致密封損壞后造成的附加影響和對(duì)揮發(fā)性物質(zhì)的有害影響等。

1）直接的破壞帶殼密封產(chǎn)品

帶殼密封產(chǎn)品在低氣壓的作用下，由于內(nèi)外壓差過大將直接導(dǎo)致殼體破壞，壓差存在也導(dǎo)致密封損壞。

2）降低電性能

在正常大氣條件下，空氣是較好的絕緣介質(zhì)，許多電器產(chǎn)品采用空氣作為絕緣介質(zhì)。當(dāng)這些產(chǎn)品用于高海拔地區(qū)或做為機(jī)載設(shè)備時(shí)，由于大氣壓力降低，常常在電場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)的電極附近產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象。更嚴(yán)重的是有時(shí)會(huì)發(fā)生空氣間隙擊穿，這意味著設(shè)備的正常工作受到破壞。所以，低氣壓環(huán)境對(duì)電工電子產(chǎn)品的電氣性能也會(huì)產(chǎn)生影響，特別是以空氣做為絕緣介質(zhì)的設(shè)備，低氣壓對(duì)其影響更為顯著。

3）導(dǎo)致散熱產(chǎn)品大幅度溫升

所謂散熱產(chǎn)品，是指在自由空氣條件下和規(guī)定的大氣壓力進(jìn)行測(cè)量時(shí)，試驗(yàn)樣品溫度達(dá)到穩(wěn)定后，其表面最熱點(diǎn)的溫度與環(huán)境溫度之差大于5℃的試驗(yàn)樣品。

電工電子產(chǎn)品中有相當(dāng)一部分是散熱產(chǎn)品，如電機(jī)、變壓器等，這些產(chǎn)品在使用中要消耗一部分電能，使其變成熱能，使產(chǎn)品溫度升高。散熱產(chǎn)品的溫升隨海拔高度的增加（大氣壓力的降低）而增加。溫升與海拔高度大致成線性關(guān)系，其斜率取決于本身結(jié)構(gòu)、散熱情況、環(huán)境溫度等因素。

4）導(dǎo)致?lián)]發(fā)性物質(zhì)的流失

壓力的降低，會(huì)使液體的沸點(diǎn)降低，對(duì)于那些在海平面正常大氣條件下有較高飽和蒸氣壓的液體，低氣壓使其蒸發(fā)甚至沸騰。

液體蒸發(fā)過程是一個(gè)平衡過程，即液體分子受到能量揮發(fā)到空氣中的分子數(shù)量與被空氣分子撞回到液體表面而束縛住的分子數(shù)量到達(dá)平衡的過程。當(dāng)大氣壓力降低，空氣密度下降，進(jìn)入空氣中的液體揮發(fā)的分子被撞回到液體表面上的可能性也大大降低，因此在低氣壓條件下液體揮發(fā)的速度將大大增加。潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂屬于這種情況，壓力降低會(huì)使?jié)櫥停ɑ驖?rùn)滑脂）加速揮發(fā)，造成活動(dòng)部件摩擦加劇，使活動(dòng)部件表面加快磨蝕。

有機(jī)材料中的增塑劑也會(huì)因氣壓降低而加速揮發(fā)。增塑劑的揮發(fā)促使有機(jī)材料老化，使其機(jī)械性能或電氣性能發(fā)生變化。

揮發(fā)物的揮發(fā)也會(huì)污染產(chǎn)品及其周圍物件，導(dǎo)致產(chǎn)品或物件受污染甚至腐蝕破壞。

基于以上低氣壓環(huán)境對(duì)裝備的影響，產(chǎn)生的典型的低氣壓環(huán)境效應(yīng)有：密封殼體內(nèi)漏出氣體或液體；密封容器變形、破裂或爆炸；低密度材料的物理、化學(xué)性能發(fā)生變化；低壓下電弧或電暈放電引起設(shè)備誤動(dòng)作或出現(xiàn)故障；低壓下熱傳遞效能降低使設(shè)備過熱；潤(rùn)滑劑揮發(fā)；發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和燃燒不穩(wěn)定，且推力或牽引力下降；氣密密封失效等。

2 典型的試驗(yàn)程序

低氣壓試驗(yàn)程序一般包括貯存試驗(yàn)、工作試驗(yàn)、快速減壓試驗(yàn)和爆炸減壓試驗(yàn)四個(gè)程序，分別適用于作為貨物在飛機(jī)上增壓艙內(nèi)運(yùn)輸?shù)暮驮诟吆０蔚貐^(qū)安裝（不工作狀態(tài)）裝備，在高海拔地面和飛機(jī)等航空器的增壓艙或非增壓艙工作的設(shè)備和外掛、吊艙中的設(shè)備，以及會(huì)暴露于快速減壓或爆炸減壓環(huán)境中的裝備。

GJB 150/150A、HB 6167/6167A、GB/T 2423標(biāo)準(zhǔn)及其等效的國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中均設(shè)置相應(yīng)的低氣壓試驗(yàn)程序，但其內(nèi)容完整程度和目的略存差別，各有特色。例如HB 6167/6167A包含有高度（低氣壓）試驗(yàn)，快速減壓試驗(yàn)和過壓試驗(yàn)三個(gè)程序，其快速減壓試驗(yàn)的壓力和變化時(shí)間雖然與GJB 150/150A相同，但受試產(chǎn)品在試驗(yàn)過程中處于工作狀態(tài)，而GJB 150/150A中是非工作狀態(tài)；GB/T 2423的低氣壓試驗(yàn)中沒有快速減壓和爆炸減壓試驗(yàn)程序，對(duì)于民用電工電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，這是合理的，而其低氣壓試驗(yàn)部分，未明確規(guī)定貯存試驗(yàn)和工作試驗(yàn)。受試設(shè)備進(jìn)行低氣壓試驗(yàn)的，可以是不工作狀態(tài)，也可以是工作狀態(tài)，分別稱為非工作性試驗(yàn)和工作性試驗(yàn)。GJB 150A比GJB 150增加了一個(gè)爆炸減壓試驗(yàn)，GJB 150/150A的工作試驗(yàn)可以模擬設(shè)備地面高海拔地區(qū)工作，也可以模擬設(shè)備裝在飛行器上在不同高度上的工作。

3 低氣壓試驗(yàn)條件說(shuō)明和剪裁

3.1 低氣壓貯存試驗(yàn)條件

低氣壓貯存試驗(yàn)主要模擬在高海拔地區(qū)安裝的地面設(shè)備不工作狀態(tài)環(huán)境和用飛機(jī)增壓艙運(yùn)輸增壓環(huán)境，一般說(shuō)來(lái)，地面安裝設(shè)備使用的最高高度為4500m，這是陸軍地面作戰(zhàn)最高高度，也是人們能長(zhǎng)期生活和工作的最高地面高度，因此低氣壓貯存試驗(yàn)采用相當(dāng)于4500m高度的壓力57kPa。

低氣壓貯存試驗(yàn)的時(shí)間，取決低氣壓環(huán)境對(duì)裝備的作用和影響時(shí)間，低氣壓的壓差對(duì)裝備結(jié)構(gòu)性損壞，所需時(shí)間較短。GJB 150/150A中規(guī)定最好按實(shí)際貯運(yùn)時(shí)間，但不少于1h。特殊產(chǎn)品另有考慮除外，GB/T 2423中推薦的時(shí)間等級(jí)是：5min、30min，2h、4h、6h具體由技術(shù)文件根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)情況和可能的失效模式確定。

3.2 低氣壓工作試驗(yàn)條件

無(wú)論是高海拔地面使用的設(shè)備，還是飛機(jī)等飛行器增壓艙或非增壓艙內(nèi)使用的設(shè)備，均應(yīng)在相應(yīng)的低氣壓條件下工作，其低氣壓條件取決于實(shí)際的海拔高度。如前所述，地面使用設(shè)備的最高工作高度，如一般為4500m，而飛機(jī)等飛行器上使用設(shè)備工作高度取決其飛行的最高高度。HB 6167/6167A將機(jī)載設(shè)備按載機(jī)飛行高度分為六類，分別為4600m（包括增壓艙）、7600m、10700m、15200m、21300m、16800m；GJB 150/150A中不分類別，按載機(jī)實(shí)際飛行高度或增壓對(duì)應(yīng)高度；GB/T 2423則給出了11個(gè)高度等級(jí)（2000米、3000米、4000米、4850米、7200米、10400米、13600米、17600米、22100米、26600米、31200米）及對(duì)應(yīng)的壓力，且給出了不同高度的三個(gè)等級(jí)允差，分別為±2kPa（7200米以下）、給定壓力的±5%（10400米～22100米）、±0.1 kPa（26600米、31200米）。

在GB/T 2423中，高度越高，允差絕對(duì)值越小，這是因?yàn)榈蜌鈮旱慕^對(duì)壓力隨高度升高迅速下降，是比較科學(xué)且符合實(shí)際的。而GJB 150和HB 6167/6167A中規(guī)定為壓力值的±5%，按固定的百分比值要求是不科學(xué)的，是不恰當(dāng)?shù)?，因此GJB 150A中作了改進(jìn)，允差為規(guī)定值的±5%或±200Pa，取大者，保證了高空時(shí)的允差控制的現(xiàn)實(shí)性和可操作性。例如30000m高度的低氣壓試驗(yàn)，其氣壓為1000Pa，其±5%為50Pa，按GJB 150A規(guī)定其允差應(yīng)取200Pa。而在2000m高度的低氣壓試驗(yàn)其±5%的值為±3.975kPa，此值大于GB/T 2423的±2kPa。可以看出，GJB 150A的允差要求比GB/T 2423低。

有關(guān)低氣壓工作試驗(yàn)的保持時(shí)間，由于G J B 150/150A與HB 6167/6167A中對(duì)設(shè)備工作要求不同，因而有不同的規(guī)定，GJB 150/150A規(guī)定的低氣壓工作試驗(yàn)是受試產(chǎn)品不工作狀態(tài)下降壓，到規(guī)定壓力后，開機(jī)進(jìn)行性能檢測(cè)，在低氣壓壓力下的保持時(shí)間即為試驗(yàn)檢測(cè)所需時(shí)間，而HB 6167/6167A則規(guī)定受試產(chǎn)品在工作狀態(tài)下降壓，到規(guī)定壓力后必須待受試產(chǎn)品達(dá)到溫度穩(wěn)定，而后再進(jìn)行檢測(cè)，因此其保持時(shí)間為受試產(chǎn)品在規(guī)定低氣壓下達(dá)到溫度穩(wěn)定時(shí)間，加上性能檢測(cè)所需時(shí)間。GJB 150/150A的保持時(shí)間與810C/810F相同的，但810G中則要求不工作狀態(tài)到低氣壓規(guī)定值時(shí)，要保持至少1h，而后開機(jī)檢測(cè)性能。因此其要求和HB 6167/6167A更接近。

3.3 快速減壓和爆炸減壓的試驗(yàn)條件

快速減壓和爆炸減壓的試驗(yàn)條件包括初始?jí)毫Α⒆罱K壓力、減壓時(shí)間和在低氣壓下保持時(shí)間。

快速減壓和爆炸減壓的起始?jí)毫κ悄M增壓艙的增壓壓力，GJB 150標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定模擬4560m高度的壓力即57kPa，這是一個(gè)大多數(shù)飛機(jī)增壓艙增壓的目標(biāo)，但有許多運(yùn)輸機(jī)的增壓目標(biāo)不是4560m，而是2438m，即75.2kPa壓力。有關(guān)最終壓力，一般選用12192m高度對(duì)應(yīng)的壓力即18.8kPa，這一壓力要求模擬的是飛機(jī)最佳巡航高度，因此GJB 150/150A和HB 6167/6167A是一致的。GJB 150A中改用75.2kPa壓力作為起始?jí)毫?，這樣做其覆蓋面更大，而且使試驗(yàn)中壓力變化范圍擴(kuò)大，從而更為嚴(yán)酷。要說(shuō)明的是HB 6167/6167A中只有快速減壓試驗(yàn)，其起始?jí)毫σ恢笔?400m高度對(duì)應(yīng)的75.2kPa的壓力，民用飛機(jī)與軍機(jī)不同之處在于，不大可能出現(xiàn)軍用飛機(jī)受重大損傷而不墜毀這一情況，因而不安排爆炸減壓這一試驗(yàn)。GB/T 2423作為民用電工電子產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，不包括這兩個(gè)試驗(yàn)程序。

快速減壓和爆炸減壓所需的時(shí)間是不一樣的，快速減壓模擬飛機(jī)增壓艙受較小的損傷而泄漏，因此減壓時(shí)間為不大于15s，爆炸減壓是模擬飛機(jī)受重大損壞而突發(fā)性地產(chǎn)生內(nèi)外壓力平衡過程，因而時(shí)間很短，僅為不大于0.1s，類似于爆炸現(xiàn)象。

快速減壓和爆炸減壓試驗(yàn)中在初始?jí)毫Φ竭_(dá)規(guī)定值時(shí)即可減壓，因而保持時(shí)間為零，而最終壓力下的保持時(shí)間均為10min。由于減壓造成的破壞機(jī)理一般是機(jī)械性損傷而不是化學(xué)、物理性損壞，其破壞過程是很快出現(xiàn)的，因而10min時(shí)間是足夠的。

3.4 低氣壓試驗(yàn)中的壓力變化速率

低氣壓試驗(yàn)中的壓力變化速率與高低溫試驗(yàn)中的升、降溫速率一樣并不是試驗(yàn)條件，但為了防止這種變化速率不當(dāng)產(chǎn)生不應(yīng)有的故障機(jī)理，標(biāo)準(zhǔn)中一般均作了規(guī)定，低氣壓試驗(yàn)中的升壓和降壓速率在GJB 150、HB 6167中規(guī)定不大于10kPa/min，但DO160B/160F中不作規(guī)定，GJB 150A/810F中則明確為10m/s，其依據(jù)是軍用運(yùn)輸機(jī)全推力起升時(shí)，其高度變化速率通常為7m/s，標(biāo)準(zhǔn)中的10m/s已超過這一速率。GJB 150A中也明確，可以按照載機(jī)實(shí)際的高度變化速率實(shí)施。

4 試驗(yàn)設(shè)備及輔助儀器

4.1 一般要求

1）低氣壓試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)當(dāng)能產(chǎn)生和保持試驗(yàn)所需要的低氣壓，并配有能監(jiān)控低氣壓條件的所需的輔助儀器；

2）低氣壓箱中應(yīng)配有連續(xù)記錄試驗(yàn)箱壓力的裝置；

3）數(shù)據(jù)讀出裝置的分辨率不低于其滿量程的2%；

4）注意防止試驗(yàn)設(shè)備本身的抽氣泵、閥門、絕緣材料等揮發(fā)物對(duì)箱內(nèi)空氣的污染；

5）在復(fù)壓時(shí)注意防止外界灰塵和水汽進(jìn)入箱內(nèi)造成污染。

4.2 快速減壓、爆炸減壓設(shè)備

在現(xiàn)有低氣壓試驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上增強(qiáng)真空系統(tǒng)的抽空能力，實(shí)現(xiàn)快速減壓試驗(yàn)是非常困難的，因?yàn)檫@樣做需要配備具有強(qiáng)大抽空能力的真空泵系統(tǒng)，不但需要較多投資，而且要達(dá)到在15s或0.1s內(nèi)試驗(yàn)箱壓力由75kPa降到18.8kPa的降壓速率也是十分困難的。目前，一般采用輔助真空罐法，即使試驗(yàn)箱通過管道電磁閥門與另一較大容積的真空罐或低氣壓箱相連接，并將真空罐或低氣壓箱內(nèi)的空氣抽空。

當(dāng)需要進(jìn)行快速減壓試驗(yàn)時(shí)，迅速打開電磁活門，使試驗(yàn)箱與真空罐相通，試驗(yàn)箱壓力與真空罐壓力相平衡，即可達(dá)到預(yù)期目的。

例如：已知試驗(yàn)箱容積：V1＝1m3

試驗(yàn)箱壓力：P1＝57kPa

真空罐或另一低氣壓箱最終壓力：P2＝18.8kPa

真空罐或另一低氣壓箱容積根據(jù)：P1V1＝P2V2算得：

即為解決1m3試驗(yàn)箱的快速減壓試驗(yàn)問題，尚需配備一個(gè)3m3的真空罐或另一低氣壓箱。當(dāng)然，系統(tǒng)中的管道直徑和閥門等都要進(jìn)行適當(dāng)計(jì)算，以保證在15s內(nèi)試驗(yàn)箱達(dá)到要求的壓力值。

5 試驗(yàn)技術(shù)

低氣壓試驗(yàn)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，其試前準(zhǔn)備、試件安裝、初始檢測(cè)、中間檢測(cè)和最終檢測(cè)等均與GJB 150.1A中的通用要求基本一致。需要注意以下事項(xiàng)。

1）不同的試驗(yàn)程序要求受試產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)不一樣，如低氣壓貯存試驗(yàn)和GJB 150/150A中的快速減壓和爆炸減壓試驗(yàn)，試件應(yīng)處于運(yùn)輸、貯存技術(shù)狀態(tài)，而HB 6167/6167A進(jìn)行的快速減壓試驗(yàn)，試件應(yīng)處于工作技術(shù)狀態(tài)，低氣壓工作試驗(yàn)則當(dāng)然處于工作技術(shù)狀態(tài)。

2）低氣壓作用于受試產(chǎn)品的時(shí)間不能間斷，否則難以得到所需的效果。

3）對(duì)于低氣壓工作試驗(yàn)，試驗(yàn)前初始檢測(cè)應(yīng)在受試產(chǎn)品裝在試驗(yàn)箱中，連接好電源和檢測(cè)線路后進(jìn)行，以確保受試產(chǎn)品不因安裝而損壞，連接的電源和測(cè)試線路均正常，防止出現(xiàn)非責(zé)任故障。

4）若低氣壓貯存和工作試驗(yàn)均要進(jìn)行，則應(yīng)先進(jìn)行貯存試驗(yàn)；快速減壓和爆炸減壓試驗(yàn)應(yīng)在低氣壓工作試驗(yàn)后進(jìn)行，先進(jìn)行快速減壓試驗(yàn)后進(jìn)行爆炸減壓試驗(yàn)。

[1]GJB 150.2, 軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 低氣壓試驗(yàn)[S].

[2]GJB 150.2A , 軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第2 部分：低氣壓試驗(yàn)[S].

[3]GB/T 2423, 電工電子產(chǎn)品環(huán)境 第2 部分：試驗(yàn)Z/AM 低溫低氣壓綜合試驗(yàn)[S].

[4]GB/T 2423, 電工電子產(chǎn)品環(huán)境 第2 部分：試驗(yàn)Z/BM 高溫低氣壓綜合試驗(yàn)[S].

[5]祝耀昌. 產(chǎn)品環(huán)境工程概論[M]. 北京:航空工業(yè)出版社, 2003.