直升機機載產(chǎn)品高溫環(huán)境試驗方法研究及應用分析

彭望舒，張曉娟

(中國直升機設計研究所，綜合技術(shù)研究室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

直升機機載產(chǎn)品高溫環(huán)境試驗方法研究及應用分析

彭望舒，張曉娟

(中國直升機設計研究所，綜合技術(shù)研究室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

分析了GJB150.3A與GJB150.3的高溫試驗程序的主要區(qū)別，闡述了GJB150.3A中采用日循環(huán)的原因，對試驗程序的適用對象進行深入分析，并以陸航某新機天線為例，詳細說明了該試驗方法的應用，并就高溫試驗程序在直升機型號中應用存在的問題進行了分析說明。

高溫環(huán)境試驗；GJB150.3A；適用對象；工程應用

0 引言

高溫環(huán)境可能改變機載產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、物理性能與電氣性能，是造成產(chǎn)品發(fā)生故障的主要環(huán)境因素之一。圖1與圖2分別為各種環(huán)境應力中溫度所占的比重以及高溫應力在溫度影響中所占的比重。而實驗室高溫環(huán)境試驗是目前用以驗證機載產(chǎn)品高溫環(huán)境適應性的主要方法，開展高溫環(huán)境試驗以評價在高溫環(huán)境下運輸、貯存及使用期間機載產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能及性能的完整性，確保機載產(chǎn)品的高溫環(huán)境適應性滿足規(guī)定的要求。

在GJB150A[1]頒布以前，我國軍用直升機機載產(chǎn)品開展高溫環(huán)境試驗主要按GJB150標準執(zhí)行，自2009年GJB150A頒布以來，為了使試驗更加合理、準確、精細，國內(nèi)新研直升機型號均采用GJB150A作為開展環(huán)境試驗的依據(jù)。而在GJB150A實際使用過程中，人們對其中高溫試驗程序的理解與應用存在著較大的困擾。如GJB150.3A與GJB150.3高溫試驗程序主要變化與區(qū)別是什么，GJB150.3A為何要增加日循環(huán)貯存和日循環(huán)工作試驗程序，各試驗程序如何選用等，等等。這些在GJB150A中均沒有明確的說明，使得人們在使用該標準時不知如何選擇。下文將針對以上的困惑及在使用過程中遇到的問題進行了詳細的分析與探討。

圖1 溫度應力對產(chǎn)品的影響比重圖2 高溫應力對產(chǎn)品影響的比重

1 GJB150.3A與GJB150高溫試驗程序分析對比

GJB150.3[2]試驗程序沒有模擬溫度日循環(huán)的試驗程序，僅有恒定溫度儲存和恒定工作兩個試驗程序。模擬的是儲存和工作環(huán)境中遇到的極端環(huán)境溫度。而GJB150.3A又分別將每種試驗程序分為日循環(huán)試驗與恒溫試驗兩個子程序，其具體內(nèi)容(模擬環(huán)境、試驗對象及特點)如表1所示。表2列出了GJB150A中高溫日循環(huán)的循環(huán)數(shù)據(jù)。從表1及表2中可以看出，GJB150A要求進行極端溫度日循環(huán)模擬而不是恒溫極值模擬，追求更為真實的模擬方法。

表1 GJB150.3與GJB150.3A的高溫試驗程序

即使是相同的恒溫貯存與恒溫工作試驗，模擬的高溫環(huán)境也不盡相同，如GJB150.3貯存溫度是世界干熱地區(qū)1%風險的太陽誘發(fā)溫度極值71℃，模擬的是由太陽輻射誘發(fā)的帶殼裝備內(nèi)部的極端高溫環(huán)境；而GJB150.3A模擬的是產(chǎn)品貯存在發(fā)熱設備附近，由于發(fā)熱設備發(fā)熱而造成的高溫環(huán)境，其溫度為發(fā)熱設備附近的實測溫度，即GJB150.3與GJB150.3A中恒溫貯存試驗并不是一個概念。而GJB150.3與GJB150.3A中的恒定溫度工作試驗都是模擬平臺上的誘發(fā)環(huán)境溫度，即因有發(fā)熱源的存在而造成的高溫環(huán)境，基本上一致。

表2 GJB150.3A高溫日循環(huán)

注1：這些值代表了在該種氣候類型中的典型高溫日循環(huán)條件。“誘發(fā)條件”是指裝備在貯存或運輸狀態(tài)下可能暴露于其中的由日曬而加劇的空氣溫度條件。

注2：高溫試驗期間通常不必控制濕度，這些值只在特殊情況下使用。

2 GJB150.3A增加日循環(huán)試驗程序的原因

在氣候環(huán)境試驗方法中，有完全模擬環(huán)境極值和只模擬環(huán)境效應兩種。比較典型的環(huán)境效應模擬是GJB150中的鹽霧試驗和濕熱試驗，這兩個試驗用的溫、濕度環(huán)境均不是真實模擬裝備實際遇到的環(huán)境或環(huán)境極值及其組合或綜合。特別是濕熱試驗，正常情況下，不會出現(xiàn)60℃和相對濕度95%的綜合，只是濕熱環(huán)境效應的模擬。

而GJB150.3A中規(guī)定的日循環(huán)，其模擬的是環(huán)境極值，具體地說是模擬基本熱和熱兩種氣候地區(qū)最熱月中時間風險為1%的那個極值對應的那天的溫度日循環(huán)。而GJB150.3模擬的是1%風險的那個極值(71℃)，模擬的是由太陽輻射誘發(fā)的帶殼裝備內(nèi)部的極端高溫環(huán)境，都可以看做極值模擬，但GJB150.3A更為真實。如日循環(huán)試驗模擬的是裝備實際經(jīng)歷71℃極值對應的日循環(huán)環(huán)境，而不是連續(xù)48h的恒定高溫環(huán)境(極值溫度進行長時間試驗會給裝備施加不切實際的熱載荷)，同時日循環(huán)試驗更能真實地反映濕氣凝露和溫度響應分布。

因此，GJB150.3A增加日循環(huán)程序的原因是為了模擬更真實的環(huán)境溫度，更好地反映實際環(huán)境溫度對設備的影響。

3 GJB150.3A高溫試驗程序的分析與應用

通過上述介紹可以看出，GJB150.3A高溫試驗程序包括日循環(huán)試驗與恒溫試驗兩個子程序，但在實際使用過程中如何確定高溫試驗程序的適用對象及對日循環(huán)中基本熱和熱兩類氣候區(qū)的數(shù)據(jù)如何應用依然是一個問題。如產(chǎn)品直接暴露于太陽輻射下，有無通風，有無工作，安裝位置不同的條件下，其試驗程序的選擇也不相同。以下對GJB150.3A中的日循環(huán)數(shù)據(jù)的應用及各試驗程序的主要適用對象進行詳細的分析與探討。

3.1 日循環(huán)貯存試驗

因日循環(huán)貯存試驗模擬的是真實的貯存環(huán)境，當機載設備在貯存環(huán)境下，其周圍溫升主要由太陽照射引起時，應選擇日循環(huán)貯存試驗。在貯存環(huán)境下，屬于以下幾種情況的設備應選擇日循環(huán)試驗：

1) 暴露于太陽照射下，裝在保護性殼體中或遮蔽物下，不通風的設備。太陽對殼體和遮蔽物的輻射熱效應會引起其內(nèi)部空氣溫度的上升，內(nèi)部的機載設備處于由太陽輻射引起的誘發(fā)環(huán)境溫度下，如安裝在不通風的罩殼內(nèi)部的設備及直升機艙內(nèi)的設備等。該類設備高溫貯存試驗應選用表2中高溫日循環(huán)熱區(qū)中的誘發(fā)條件進行。

2) 直接暴露在太陽照射下，即不裝在保護殼體或遮蔽物下，且通風良好的設備，因空氣的流通，設備的關(guān)鍵部件暴露在自然環(huán)境空氣中，使得設備不會因太陽輻射誘發(fā)出更高的溫度，如航行燈、防撞燈設備，該類設備溫度儲存試驗應選用表2中高溫日循環(huán)熱區(qū)中的環(huán)境空氣溫度條件進行。其試驗條件為熱區(qū)條件。值得指出的是若太陽的照射使得受光面的升溫較大，背光面則基本不升溫，形成較大的溫差，則日循環(huán)貯存不足以模擬該環(huán)境，需用太陽輻射試驗方法中的循環(huán)熱效應試驗。

3) 暴露在有遮擋且通風的環(huán)境下的設備，這種暴露不受太陽直接照射，通風良好，不會產(chǎn)生因太陽輻射引起的溫升。如位于直升機機腹下太陽照不到的設備。該類設備高溫儲存試驗應選用表2中高溫日循環(huán)熱區(qū)中的環(huán)境空氣溫度條件進行。

3.2 恒溫貯存試驗

當機載設備安裝在熱源如發(fā)電機、發(fā)動機、功耗大的電源的附近時，該設備在不工作狀態(tài)時會經(jīng)受發(fā)熱源造成的高溫環(huán)境，該高溫環(huán)境是隨著發(fā)熱設備的工作而變化，不取決于日循環(huán)的影響，而在試驗過程中是無法模擬這種溫度變化的，故而GJB150.3A中規(guī)定只需模擬其最高溫度，進行恒定溫度的高溫貯存試驗。此類設備進行高溫貯存試驗的試驗條件(高溫溫度)應根據(jù)對實際環(huán)境實測的結(jié)果確定。

3.3 日循環(huán)工作試驗

當機載設備本身也并不發(fā)熱，也并不在發(fā)熱源附近工作，其工作溫度遵循日循環(huán)條件，則應采用日循環(huán)工作試驗。有以下三類裝備適用于日循環(huán)工作試驗：

1)暴露于太陽照射，且關(guān)鍵工作部件沒有外殼，不會因受到太陽照射而誘發(fā)很大的溫升，其試驗條件為熱區(qū)環(huán)境空氣溫度；

2)暴露于有遮護且通風的環(huán)境中，不受太陽照射而誘發(fā)高溫，其溫度符合日循環(huán)的規(guī)律，其試驗條件為熱區(qū)環(huán)境空氣溫度；

3)暴露于陽光下，有外殼保護的設備，其關(guān)鍵部件會因太陽照射而產(chǎn)生溫升，其試驗條件為熱區(qū)誘發(fā)條件。

3.4 恒溫工作試驗

安裝在熱源附近，其平臺環(huán)境溫度主要受熱源的影響，不取決于日循環(huán)和陽光照射的工作設備，其內(nèi)部空氣溫度取決于內(nèi)部發(fā)熱設備和冷卻系統(tǒng)及氣動加熱，不受日變化溫度影響，故應使用恒溫工作試驗，其試驗條件需根據(jù)對平臺環(huán)境的實測結(jié)果確定。但美軍標中又有說明，如果日循環(huán)試驗不方便或不適宜時，可以使用日循環(huán)測得的最高響應溫度進行恒溫工作試驗。

3.5 高溫試驗程序在直升機上的應用舉例

通過以上對高溫試驗程序及循環(huán)數(shù)據(jù)的適用對象分析，以下以安裝在我國某陸航直升機上的機載天線為例介紹高溫試驗方法的應用，主要分以下幾個步驟：

1) 確定是否進行高溫試驗：該型天線安裝在直升機機身外部，屬于機外設備，在實際的使用過程中將受到高溫環(huán)境的影響，因此應選用高溫試驗項目對其進行考核。

2) 確定高溫試驗程序：該天線在直升機上的安裝位置附近沒有發(fā)熱設備，因此無論是貯存或工作試驗，均應選擇日循環(huán)試驗程序。

3) 確定試驗條件：我國雖屬于基本熱氣候，但GJB1172[3]中曾記錄1986年7月23日，吐魯番地區(qū)的艾丁湖氣象哨出現(xiàn)50.6℃，吐魯番民航機場也出現(xiàn)49.6℃。由于置于高氣溫環(huán)境中的金屬殼體內(nèi)部的溫度比自然環(huán)境溫度高出15～20℃[4]，此外基于全球作戰(zhàn)戰(zhàn)略的考量，應選取熱氣候類型；天線安裝在機外，受太陽輻射，通風條件較好，應使用自然環(huán)境空氣溫度；貯存和工作試驗時間分別為7個和3個日循環(huán)；在溫度變化期間，應避免給產(chǎn)品造成溫度沖擊，其溫度變化速率不應超過3℃/min；另外，天線所用材料和處理工藝對濕度環(huán)境無特殊要求，高溫試驗中無需控制相對濕度。

4) 確定試驗順序：天線在實際使用過程中，將會受到高溫、低溫、溫度-高度、太陽輻射、加速度、振動、沖擊、濕熱、霉菌、鹽霧、淋雨和砂塵等環(huán)境的影響。在這些環(huán)境當中，高溫相對其他環(huán)境而言，對天線的影響較小，為了在天線損壞之前盡可能做更多的試驗，從而獲取更多的試驗信息，高溫試驗應安排在早期進行。

4 高溫試驗存在的問題及分析

自從GJB150A頒布以來，按照新研產(chǎn)品使用新標準的原則，陸航某新型直升機機載產(chǎn)品全面使用GJB150A開展環(huán)境試驗，其機載產(chǎn)品高溫環(huán)境試驗應選用的是GJB150.3A中的試驗程序，由于GJB150A為剪裁標準，同時加上個人對標準理解不一的原因，GJB150.3A高溫試驗程序在型號使用過程中，出現(xiàn)了一些問題，主要問題分析如下。

4.1 對部分試驗程序理解不透徹

在GJB150.3A日循環(huán)工作中，需確定設備的最高響應溫度，并在最高溫度響應時段使試件工作。而由于熱量傳遞是一個不穩(wěn)定的導熱過程，產(chǎn)品中心處的溫升與表面相比往往有一段滯后時間，所以設備達到最高響應溫度的時段與溫度循環(huán)的最高溫度響應時段(即表2中日循環(huán)第15時)可能是不一致的。

但許多單位在試驗過程中，往往忽略這些區(qū)別，將每個日循環(huán)的第15個小時所測得的溫度視為最高響應溫度，這種確定方法是不夠科學與嚴謹?shù)?。在日循環(huán)工作中，應該使用溫度傳感器測量日循環(huán)中設備關(guān)鍵部位的溫度變化，從而確定其最高響應溫度。

GJB150.3A中還提出使用實測方法確定受試產(chǎn)品達到最高響應溫度的循環(huán)數(shù)的準則，即當日循環(huán)中測得的受試產(chǎn)品最高響應溫度與前一循環(huán)中測得的最高響應溫度之差為2℃時，則認為該日循環(huán)已達到最高響應溫度。且GJB150.3A中明確規(guī)定日循環(huán)工作試驗的循環(huán)數(shù)應不少于3個日循環(huán)，但是當3個日循環(huán)也無法滿足其最高響應溫度與前一循環(huán)的最高響應溫度之差為2℃這一條件時，應該繼續(xù)開展日循環(huán)試驗，直至達到產(chǎn)品的最高響應溫度所需要的循環(huán)數(shù)。但許多單位往往并不開展對試驗循環(huán)數(shù)的探究，而是直接使用其下限，這也是不夠科學與嚴謹?shù)摹?/p>

4.2 試驗程序執(zhí)行不嚴謹

自GJB150A頒布以來，由于人們對其中某些程序認識得不夠，或主要關(guān)注試驗條件的變化，而忽略標準中對一些試驗方法的規(guī)定。往往產(chǎn)品在試驗過程中并沒有按照GJB150A給出的試驗程序而嚴格執(zhí)行。如部分試驗人員并不重視傳感器的布置，而GJB150.3A中提出要在受試產(chǎn)品周圍空氣、受試產(chǎn)品內(nèi)部空氣和關(guān)鍵功能產(chǎn)品表面布置溫度傳感器，測量空氣溫度和產(chǎn)品溫度。雖然這樣做會增加試驗成本與操作的復雜性，但顯而易見，試驗溫度的準確控制在整個試驗過程中是非常關(guān)鍵的，這不僅可以促使溫度應力施加更準確，掌握受試產(chǎn)品內(nèi)部空氣溫度和響應溫度，而且更有利于提高溫度試驗的質(zhì)量和掌控試驗的各種信息，更便于故障分析和后續(xù)改進。

4.3 高溫日循環(huán)工作試驗應用于批生產(chǎn)出廠驗收檢驗

一般而言，批生產(chǎn)驗收檢驗時，需安排高溫工作試驗，其目的是為了發(fā)現(xiàn)批生產(chǎn)產(chǎn)品制造過程中的缺陷。一些單位將GJB150.3A中的日循環(huán)工作試驗引入到產(chǎn)品的逐件檢驗中，這顯然是不合理的。其一，由于高溫日循環(huán)試驗時間較長，至少3個日循環(huán)，會加長試驗時間。其二，其施加的溫度應力不如恒溫試驗嚴酷，產(chǎn)生的效果可能較差。而驗收試驗又是要盡快地將產(chǎn)品制造時的故障激發(fā)出來，所以批生產(chǎn)驗收檢驗時，一般應采用恒溫工作試驗進行驗收。

5 結(jié)束語

1) GJB150.3A增加高溫日循環(huán)試驗程序，提倡進行極端溫度日循環(huán)模擬而不是恒溫極值模擬，強調(diào)真實環(huán)境模擬，其模擬環(huán)境溫度更接近設備的實際使用環(huán)境。

2) 為積極響應新研產(chǎn)品使用新標準的原則，我國陸航新型直升機機載產(chǎn)品已全面使用GJB150.3A高溫試驗方法進行高溫環(huán)境試驗。

3) GJB150A作為剪裁標準及新標準，在實際使用過程中還存在一定的問題 ，為更好地在直升機型號上貫徹GJB150A，應著力加強環(huán)境專業(yè)主管及試驗人員的培訓工作，深入透徹地理解GJB150A標準的內(nèi)涵。

[1] 中國人民解放軍總裝備部.GJB150A-2009 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法[S].中國人民解放軍總裝備部，2009.

[2] 國防科學技術(shù)工業(yè)委員會.GJB150-1986 軍用設備環(huán)境試驗方法[S].國防科學技術(shù)工業(yè)委員會，1986.

[3] 國防科學技術(shù)工業(yè)委員會.GJB1172-1991 軍用設備氣候極值[S].國防科學技術(shù)工業(yè)委員會，1991.

[4] 中航第301研究所.GJB150《軍用設備環(huán)境試驗方法》實施指南[S]. 北京:中國航空工業(yè)總公司第三〇一研究所，1998.

[5] MIL-STD-810G Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests [S]. 2007.

[6] 邱福來，鐘升華，蔡汝山. 高溫試驗中相對濕度的探討[J]. 電子產(chǎn)品可靠性與試驗環(huán)境，2012,30(1)：160-162.

Investigation and Application on High Temperature Test of Assemblies on-board Helicopter

PENG Wangshu，ZHANG Xiaojuan

(China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001, China)

The basic differences between GJB150.3A and GJB150.3 high temperature procedures were introduced，which includes the reason of adding daily cycle procedures in GJB150.3A. The applicable objects of test procedures were emphatically analyzed. And the example of a new aviation aircraft antenna was discussed in detail to illustrate the application of test method. Furthermore, this paper presented and analyzed the problem in the engineering application of GJB150.3A high temperature test.

high temperature test；GJB150.3A；applicable object；engineering application

2016-09-14

彭望舒(1991-)，男， 江西省上饒市鄱陽縣人，碩士， 助理工程師， 主要研究方向：直升機環(huán)境工程。

1673-1220(2016)04-058-06

V216.5

A