溫度環(huán)境試驗及其標準綜述（三）溫度試驗的試驗條件和剪裁方法

蔡良續(xù)，祝耀昌，于江波，王克強

（中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

如前所述，溫度試驗程序多種多樣，不同的環(huán)境試驗標準中規(guī)定的試驗程序和試驗條件也不盡相同，本文將最典型的軍用和民用環(huán)境試驗標準中規(guī)定的溫度試驗程序分類匯總在表1 中，并列出各試驗程序?qū)?yīng)的試驗條件和作了相應(yīng)的說明。

不管是什么試驗程序，溫度試驗條件通常包括試驗溫度，在試驗溫度下的保持時間或循環(huán)次數(shù)；對于溫度沖擊和溫度變化試驗來說，還包括轉(zhuǎn)換時間或溫度變化速率及循環(huán)或溫沖次數(shù)。

1 高低溫貯存試驗

1.1 貯存溫度

貯存試驗溫度取決于貯存場合、模擬方式和選用的風險。當裝備貯存于直接受太陽照射的環(huán)境時，由于受到太陽輻射誘發(fā)加熱的影響，其內(nèi)部溫度通常要比自然環(huán)境溫度(即氣象溫度)高出15℃～20℃。高溫貯存溫度要考慮這一誘發(fā)溫升，選用GJB 150.3A 表1 誘發(fā)條件高溫作貯存溫度。

當考慮對貯存狀態(tài)進行真實的日循環(huán)模擬時，則采用GJB 150.3A 中的誘發(fā)條件下的日循環(huán)，溫度在33℃～71℃之間變化；當不考慮進行日循環(huán)模擬，而采用峰值溫度模擬時，則采用GJB 150.3A 中誘發(fā)條件下日循環(huán)溫度中的峰值溫度。GJB 150.3 中的70℃實際對應(yīng)于GJB 150.3A 中熱氣候區(qū)日循環(huán)溫度中的峰值溫度71℃。如果明確裝備未來不會應(yīng)用于熱氣候區(qū)而是基本熱氣候區(qū)，則應(yīng)選用基本熱氣候區(qū)對應(yīng)的誘發(fā)條件，日循環(huán)試驗采用GJB 150.3A 表1 中的基本熱的30℃到63℃的24h 循環(huán)；恒定溫度貯存試驗則采用該循環(huán)的峰值溫度63℃，按GJB 150.3 進行48h 的貯存試驗。如果使用方不打算采用標準中1%時間風險的值，則應(yīng)首先確定選用的風險值是5%、10%還是15%，然后根據(jù)該風險值從MILHDBK-310《研制軍用產(chǎn)品用的全球氣候數(shù)據(jù)》中查取相應(yīng)的溫度日循環(huán)數(shù)據(jù)或該日循環(huán)的峰值溫度作為試驗用的溫度值。

當裝備貯存場合不受太陽光直接照射，完全取決于其附近的發(fā)熱設(shè)備或有關(guān)熱源，則應(yīng)以測得的貯存環(huán)境溫度作為貯存試驗溫度，此時由于不受太陽輻射影響，溫度不會按日循環(huán)變化，因此只進行恒定溫度貯存試驗。

1.2 試驗持續(xù)時間

溫度試驗的持續(xù)時間與受試產(chǎn)品狀態(tài)有關(guān)：如果受試產(chǎn)品不工作狀態(tài)隨試驗箱升溫，則總持續(xù)時間應(yīng)是其在試驗溫度下達到溫度穩(wěn)定的時間，加上由于受試產(chǎn)品工作發(fā)熱表面升溫，破壞了原來的溫度平衡，再次達到溫度穩(wěn)定的時間和溫度穩(wěn)定后檢測產(chǎn)品功能和性能所需的時間；如果產(chǎn)品處于工作狀態(tài)隨試驗箱升降溫，則應(yīng)是受試產(chǎn)品在試驗溫度下達到溫度穩(wěn)定的時間加上進行檢查和性能測量所需的時間。有關(guān)什么是溫度穩(wěn)定在試驗方法中往往按試件工作狀態(tài)和試驗不工作狀態(tài)兩種情況進行定義，通過直接測量其關(guān)鍵功能部件的溫度來確定受試產(chǎn)品達到溫度穩(wěn)定所需的時間。

這種方法雖然科學合理，但長期以來在我國一直未能得到推廣應(yīng)用，主要原因是涉及到要購置微型傳感器、測試線路及儀表；受試產(chǎn)品交付狀態(tài)往往難以安裝傳感器和測試線路；還要確定作為測試點的關(guān)鍵功能部件和布置傳感器，比較復(fù)雜，因而大多堅持采用早期的不科學的重量法，或延用相似設(shè)備數(shù)據(jù)，甚至拍腦袋確定。GJB 150.3A 中明確要求要在受試產(chǎn)品內(nèi)部關(guān)鍵功能部件處安裝傳感器測量響應(yīng)溫度，這一要求與測量溫度穩(wěn)定方法可以合并使用。應(yīng)用直接測量法確定受試產(chǎn)品溫度穩(wěn)定是必然趨勢，設(shè)計人員在設(shè)計產(chǎn)品時應(yīng)盡量考慮使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)便于進行這一操作或者在研制階段早期通過環(huán)境響應(yīng)特性調(diào)查試驗獲取溫度穩(wěn)定時間和響應(yīng)溫度信息，為后續(xù)試驗備用。

由于溫度穩(wěn)定時間通常是試驗箱空氣溫度達到規(guī)定的試驗溫度時算起，因此溫度試驗持續(xù)時間也可稱為試驗箱保溫時間，即試驗箱溫度保持在試驗溫度所用的時間。

在各種環(huán)境試驗方法中，貯存試驗的持續(xù)時間有不同的規(guī)定，具體如表1 所示。對于GJB 150.3《高溫試驗》來講，不提試件溫度穩(wěn)定，標準中直接規(guī)定48h。48h 是一個經(jīng)驗數(shù)據(jù)，認為受試產(chǎn)品在70℃太陽誘發(fā)貯存高溫下放置48h，能夠暴露高溫貯存誘發(fā)的各種問題，這一做法比較簡便。GJB 150.4《低溫試驗》則規(guī)定受試產(chǎn)品要在試驗溫度下達到溫度穩(wěn)定而后再持續(xù)24h，所以持續(xù)時間是受試產(chǎn)品在試驗溫度下達到溫度穩(wěn)定所需的時間再加上24h，受試產(chǎn)品達到溫度穩(wěn)定的時間用直接測量方法獲得。

在民用飛機機載設(shè)備環(huán)境試驗標準HB 6167/HB 6167A（相當美國航空無線電技術(shù)委員會標準DO 160B/DO160F）中高低溫貯存試驗的持續(xù)時間則均為受試產(chǎn)品達到溫度穩(wěn)定后不少于3h。

在GJB 150.3A/4A 中，高低溫貯存試驗的持續(xù)時間與GJB 150.3/.4 有所不同。GJB 150.3A 的高溫日循環(huán)貯存試驗的持續(xù)時間為至少7 天即168h，而其高溫恒定溫度貯存試驗持續(xù)時間為受試產(chǎn)品達到溫度穩(wěn)定的時間加上至少2h，GJB 150.4A 低溫恒溫貯存試驗的持續(xù)時間為受試產(chǎn)品達到溫度穩(wěn)定后再加上至少4h、24h 或72h，具體取決產(chǎn)品自身材料結(jié)構(gòu)特性和使用情況，GJB 150.4A 的4.3.3 其中給出了選用原則。

民用電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗標準GJB/T 2423 中未明確規(guī)定持續(xù)時間，其基本思路是按照GJB 2421《總則》第4.8 條熱穩(wěn)定定義和直接測量得到的時間園整化到與試驗方法標準中規(guī)定的最近的時間等級即可。必須指出，電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗方法標準中有關(guān)溫度試驗的持續(xù)時間，雖然也要求用直接測量法，但溫度穩(wěn)定的定義和所用確定方法與軍用標準是不完全一樣的。

2 高低溫工作試驗

2.1 溫度

高低溫工作試驗的溫度通常是指平臺的誘發(fā)環(huán)境溫度。平臺誘發(fā)環(huán)境溫度雖然受自然環(huán)境基礎(chǔ)溫度的影響，但主要取決平臺特性。安裝于平臺的設(shè)備經(jīng)受的誘發(fā)環(huán)境溫度不僅取決于平臺的任務(wù)特性，還取決于其在平臺上的位置、有否冷卻措施和周圍產(chǎn)品發(fā)熱情況等，因此，通用試驗方法標準中一般無法規(guī)定具體的溫度，這種溫度應(yīng)當通過實測或者根據(jù)相似設(shè)備已經(jīng)使用過的溫度按具體情況適當調(diào)整。當然，如果平臺是大自然，如野外地面固定設(shè)備處于地球表面的自然環(huán)境中，則其工作溫度可以按照自然界環(huán)境空氣溫度，因此，GJB 150.4A 中給出的1%出現(xiàn)頻率和20%出現(xiàn)頻率的自然環(huán)境中高低溫工作試驗溫度，包括日循環(huán)溫度或日循環(huán)溫度中的峰值溫度。由于冬季低緯度地區(qū)太陽輻射影響微弱，GJB 150.4A 中給出的低溫工作溫度不推薦使用日循環(huán)模擬，自然環(huán)境溫度和太陽誘發(fā)的溫度是趨于一致的。

不同的環(huán)境試驗方法標準中對高低溫工作試驗的溫度的確定還會在上述原則的基礎(chǔ)上作一些工程性處理。例如，民用飛機環(huán)境試驗標準HB 6167/6167A（RTCA DO160B/160F）中對民機機載設(shè)備按載機飛行高度和機載設(shè)備所在艙段是否增壓和是否進行溫度控制分成六大類20 小類，并對大部分類別的設(shè)備的高低溫工作溫度作了規(guī)定，這是因為一方面民用飛機的飛行模式單一，飛行高度有相對明確的規(guī)定，另一方面各類設(shè)備所在艙段，采取了增壓或部分增壓和溫度控制措施，對其溫度進行了人為控制。提供這些溫度使標準更便于使用。又如GB/T 2423 標準，其高、低溫工作溫度僅推薦溫度等級，要求標準使用者根據(jù)實際測量得到的或用其他方法得到的溫度數(shù)據(jù)向其規(guī)定的溫等級圓整化。

2.2 持續(xù)時間

溫度試驗中使受試產(chǎn)品達到溫度穩(wěn)定是一個必須遵循的重要原則，因為只有在其(關(guān)鍵部件)真正達到規(guī)定工作溫度時檢測得到的功能和性能數(shù)據(jù)才能真正代表其能適應(yīng)這一溫度，試驗才有效。

高低溫工作試驗持續(xù)時間，原則上應(yīng)是受試產(chǎn)品在試驗溫度下達到溫度穩(wěn)定(即熱透或冷透)所需時間，加上對受試產(chǎn)品進行檢測所需的時間。

由于試驗實施方式不同，產(chǎn)生不同的表述方式。如果受試產(chǎn)品處于不工作狀態(tài)隨溫度試驗箱升降溫，則應(yīng)按GJB 150.1/150.1A 中的不工作狀態(tài)溫度穩(wěn)定的定義來確定溫度穩(wěn)定時間。試驗持續(xù)時間應(yīng)當是受試產(chǎn)品不工作狀態(tài)達到溫度穩(wěn)定的時間，受試產(chǎn)品啟動后工作狀態(tài)重新達到溫度穩(wěn)定(即二次穩(wěn)定)所需的時間，加上二次穩(wěn)定后進行功能性能檢測所需的時間。GJB 150.3 和GJB 150.4 的2.2.2 節(jié)均是這樣規(guī)定的。

如果受試產(chǎn)品以工作狀態(tài)隨溫度試驗箱升溫或降溫，則溫度穩(wěn)定測量過程應(yīng)以GJB 150.1/150.1A 中規(guī)定的工作狀態(tài)定義確定溫度穩(wěn)定時間，試驗持續(xù)時間應(yīng)當是受試產(chǎn)品工作狀態(tài)達到溫度穩(wěn)定的時間加上功能性能檢測所需要的時間。

不同的試驗標準有不同的處理方式，GJB 150.3A/GJB 150.4A 中為了確保測量得到的內(nèi)部元(部)件溫度能真正達到溫度穩(wěn)定。其試驗持續(xù)時間除了用直接測量法確定的溫度穩(wěn)定時間外，還要加上至少2h，而后加上試驗樣品啟動后達到二次溫度穩(wěn)定時間和進行功能性能檢測所需的時間。GJB 150.3A/150.4A 中說明了若無法直接測量內(nèi)部元(部)件溫度時，應(yīng)根據(jù)熱分析確定熱浸時間，因此GJB 150.3A/150.4A 中的高低溫工作試驗持續(xù)時間要比GJB 150.3/150.4 增加至少2h。

HB 6167/6167A 標準規(guī)定試驗樣品以工作狀態(tài)隨試驗箱升溫或降溫，高低溫試驗持續(xù)時間應(yīng)為受試產(chǎn)品工作狀態(tài)在試驗溫度下達到溫度穩(wěn)定的時間再加上至少2h，而功能性能檢測應(yīng)在受試產(chǎn)品溫度穩(wěn)定后的2h 或更長時間內(nèi)進行完，因此不再加上功能性能檢測所需的時間。由于是工作狀態(tài)測得的溫度穩(wěn)定時間，不存在二次熱穩(wěn)定問題。

GB/T 2423 標準中對高、低溫工作試驗的時間無具體說明，原則上是測得的或用其他方法得到的溫度穩(wěn)定時間向標準中規(guī)定的時間等級圓整化。

GJB 150.3A 中高溫工作日循環(huán)試驗強調(diào)工作環(huán)境溫度的模擬日循環(huán)變化，顯然這種環(huán)境只有地面野外使用的固定安裝設(shè)備才可能遇到，裝在飛機、導(dǎo)彈、車輛、艦船上/內(nèi)的設(shè)備在工作時不會遇到這種環(huán)境。GJB 150.4A 中規(guī)定要進行至少3 個日循環(huán)，即72h，認為3個日循環(huán)通?？梢允乖囼灅悠愤_到其最高響應(yīng)溫度，當難以重現(xiàn)溫度響應(yīng)時，最多采用7 個循環(huán)，這種情況往往出現(xiàn)在熱慣性大，溫度響應(yīng)很慢的產(chǎn)品，這種情況下有可能7 個循環(huán)以上還是看不到峰值溫度經(jīng)過24h 后變化值小于3℃的情況，此時，就用7 個循環(huán)。

3 溫度沖擊試驗

GJB 150/150A 中安排有溫度沖擊試驗，HB 6167/6167A 的S2 也采用溫度沖擊試驗，用于安裝在飛機外部或內(nèi)部、但不知道溫度變化率是否大于10℃/min 的設(shè)備。GJB 150.5/150.5A 的溫度沖擊試驗與HB 6167/6167A 中的溫度沖擊試驗的主要區(qū)別是HB 6167/6167A 規(guī)定高、低溫下試驗樣品要工作，并在溫度穩(wěn)定過程中檢測受試產(chǎn)品功能和性能，還要求在轉(zhuǎn)換入另一個箱中前分別停止工作2min（高溫）或30min（低溫）。

溫度沖擊試驗的環(huán)境條件參數(shù)包括：上、下限溫度（即溫度范圍）、高低溫持續(xù)時間、高低溫之間轉(zhuǎn)換時間、循環(huán)數(shù)或沖擊方法和次數(shù)。

3.1 溫度

溫度沖擊試驗一般不進行中間檢測，因此為了加大溫度沖擊效應(yīng)采用高低溫貯存試驗的溫度作為其上、下限溫度。高低溫貯存試驗溫度的確定方法如本文4.1 節(jié)1）中所述。GB/T 2423 為液體沖擊規(guī)定了80℃～100℃的沖擊范圍。

溫度沖擊試驗大多是恒定溫度沖擊，只有GJB 150.3A 等效采用810F 方法503 程序II，其上限溫度部分，模擬高溫日循環(huán)中從峰值高溫降到試驗樣品最高響應(yīng)溫度經(jīng)歷的溫度和最高響應(yīng)溫度。

3.2 上、下限溫度的持續(xù)時間

溫度沖擊試驗中在上、下限溫度上的持續(xù)時間原則上應(yīng)使試驗樣的達到溫度穩(wěn)定，這樣才可能保證沖擊溫度的起始點符合要求。因此，大多數(shù)標準均規(guī)定為試驗樣品達到溫度穩(wěn)定的時間。各個標準中對這一試驗的規(guī)定也有所不同，例如GJB 150.5 中，規(guī)定為1h 或試驗樣品達到溫度穩(wěn)定的時間，以長者為準，GB/T 中介質(zhì)為空氣時，溫度保持時間要根據(jù)熱容量，從10min，30min，1h，2h 和3h 五個等級中選??；介質(zhì)為液體時，溫度應(yīng)保持時間從15s ～5min 和5min ～20min 中選取。GJB 150.5A 中基于日循環(huán)的溫度沖擊程序規(guī)定，在上限值保持時間為從日循環(huán)峰值高溫日循環(huán)歷程降到試驗樣品最高響應(yīng)溫度的時間和試驗樣品在最高響應(yīng)溫度下達到溫度穩(wěn)定或至少試件整個表面溫度達到一致的時間。在下限保持達到溫度穩(wěn)定時間或至少試件整個外表溫度一致。應(yīng)當指出，整個外表面溫度一致看來是放松了要求，但確定方法并不簡單和方便。

3.3 轉(zhuǎn)換時間和循環(huán)次數(shù)

溫度沖擊試驗應(yīng)使用兩箱法或一箱兩室法進行。受試產(chǎn)品在兩箱或兩室間轉(zhuǎn)換的時間和循環(huán)次數(shù)各個標準也不一致，GJB 150.5 規(guī)定5min 和3 個循環(huán)。

GB/T 2423 規(guī)定以氣體為介質(zhì)時為2min ～3min，5個循環(huán)；液體為介質(zhì)時，在8±2(s)和2±1(s)中選取10個循環(huán)，而GJB 150.5A 則規(guī)定轉(zhuǎn)換時間為1min，但不是規(guī)定循環(huán)數(shù)(每個循環(huán)二次沖擊)，而是規(guī)定從低溫到高溫和/或從高溫到低溫方向沖擊的次數(shù)，實際使用中遇到?jīng)_擊少的僅需一次，多的則可進行3 次，顯然，GJB 150.5A 的沖擊次數(shù)遠少于GJB 150.5。

（待續(xù)）