DO-160E與GJB150溫度試驗對比分析

辛 勃，張莎莎

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

DO-160E與GJB150溫度試驗對比分析

辛 勃，張莎莎

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

主要研究對直升機機載設(shè)備有重要影響的溫度因素，通過對比軍民機環(huán)境試驗標準，深入分析了軍民機在溫度試驗中存在的差異。詳細闡述了民機環(huán)境試驗標準DO-160E《機載設(shè)備環(huán)境條件和試驗方法》，并結(jié)合AC313直升機適航驗證工作概述了DO-160E的應(yīng)用。向民機設(shè)計人員及從事民機適航驗證工作的人員提供幫助，為民機適航驗證工作中的環(huán)境試驗驗證工作提供參考。

直升機；環(huán)境試驗；對比分析

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，通用航空迎來巨大的市場需求，直升機作為通用航空主力，已列入國家民機發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃，我國自行研制的AC313直升機便是其中之一。與軍機相比，民機的研制歷程有其獨特之處，民機必須取得型號合格證(TC)才能成為符合法定要求的航空器投入使用。目前，AC313直升機也進入了民機適航取證工作的關(guān)鍵階段。眾所周知，直升機在實際使用中除經(jīng)受地—空—地循環(huán)載荷外，還要遭受化學(xué)、熱和氣候等環(huán)境因素的侵蝕。大量研究表明，使用環(huán)境會顯著降低直升機結(jié)構(gòu)材料的性能，縮短其壽命[1]，機載設(shè)備的功能、性能也同樣會受到環(huán)境的影響。而民用直升機要取得型號合格證，就必須考慮環(huán)境因素，并進行相應(yīng)的驗證試驗。

本文主要針對對直升機機載設(shè)備有重要影響的溫度因素進行研究，通過對比GJB150《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法》與DO-160E《機載設(shè)備環(huán)境條件和試驗方法》，深入分析兩種溫度試驗方法的試驗步驟、試驗指標、試驗曲線等內(nèi)容的差異，并結(jié)合實際的民機適航驗證工作概述了DO-160E的應(yīng)用。

1 民機與軍機的環(huán)境試驗標準介紹

環(huán)境試驗是人們進行科學(xué)研究和產(chǎn)品研制、生產(chǎn)及評價時應(yīng)用的眾多試驗中的一種。環(huán)境試驗區(qū)別于其它試驗的根本之處在于其對環(huán)境條件有特定的要求，其目的是獲取特定環(huán)境條件下產(chǎn)品的材料、結(jié)構(gòu)、功能、性能的變化以及產(chǎn)品對其經(jīng)受的環(huán)境應(yīng)力的物理響應(yīng)特性和耐環(huán)境能力極限方面的信息[2]。

對于軍機而言，國內(nèi)最有代表性軍用環(huán)境試驗標準就是GJB150《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法》，它來源于美軍標MIL-STD-810《環(huán)境試驗方法與工程導(dǎo)則》[3]，是我國軍工產(chǎn)品研制生產(chǎn)中最為重要、應(yīng)用最為廣泛的試驗標準，主要適用于機械設(shè)備、電氣設(shè)備、導(dǎo)航、儀表設(shè)備和通信設(shè)備等。對于民機而言，環(huán)境試驗標準基本上有兩種，一種就是美國聯(lián)邦航空局(FAA)頒發(fā)的技術(shù)標準規(guī)定，簡稱TSO，我國對應(yīng)的有民用航空局(CAAC)頒發(fā)的技術(shù)標準規(guī)定，簡稱CTSO。另一種則是美國航空無線電委員會(RTCA)發(fā)布的DO-160《機載設(shè)備環(huán)境條件和試驗方法》，國內(nèi)對應(yīng)的民用飛機環(huán)境試驗標準為HB6167[4]。

在國外，由于TSO是民用飛機機載設(shè)備的最低安全要求標準，是環(huán)境試驗中產(chǎn)品應(yīng)達到的最低標準和要求，而很多TSO標準中關(guān)于環(huán)境試驗的要求會引用到DO-160試驗標準。

在國內(nèi)，由于HB6167頒布于1989年，基本與DO-160B等效，而目前國外民用飛機環(huán)境試驗的通用性標準已經(jīng)是DO-160G，頒布于2010年，相比HB6167已經(jīng)更新了許多內(nèi)容。并且HB6167已經(jīng)不能適應(yīng)國內(nèi)機載產(chǎn)品研制試驗的需要，而國內(nèi)民機的型號合格審定基本都采納DO-160E及其更高版本。所以，DO-160E及其更高版本已經(jīng)成為目前民用飛機適航取證階段審查方可接受的一種環(huán)境試驗方法。下面還是以DO-160E版本為研究對象展開溫度試驗相關(guān)內(nèi)容的研究。

2 DO-160E與GJB150溫度試驗對比分析

DO-160E總共包含23項試驗項目，而GJB150共包含24項試驗項目。由于兩種標準應(yīng)用的領(lǐng)域不同，所以部分試驗項目考核的內(nèi)容也不盡相同。下面我們選取DO-160E和GJB150均包含的、具有代表性的溫度試驗來對兩種標準進行對比分析。

2.1 溫度試驗綜合對比

DO-160E溫度試驗方法和GJB150溫度試驗方法的對比可以參考表1所示。其中，DO-160E溫度試驗方法主要包含5項試驗，分別是：地面低溫耐受和短時低溫工作試驗、低溫工作試驗、地面高溫耐受和短時高溫工作試驗、高溫工作試驗、飛行制冷失效試驗。這5種試驗方法都有相應(yīng)的試驗曲線，而試驗曲線中溫度的選取則根據(jù)設(shè)備分類來確定。DO-160E主要根據(jù)設(shè)備在飛機上的安裝位置、飛機的最大工作高度、設(shè)備是否處于溫度和壓力控制區(qū)域這三點將設(shè)備分為20類(A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3、C4、D1、D2、D3、E1、E2、F1、F2、F3)，然后根據(jù)設(shè)備的分類可以查取溫度對照表來選擇適合于該設(shè)備的試驗溫度，依照此試驗溫度對設(shè)備進行試驗。

表1 DO-160E與GJB150溫度試驗對比

GJB150溫度試驗方法主要包含4項試驗，分別是：高溫貯存試驗、高溫工作試驗、低溫貯存試驗、低溫工作試驗。4種溫度試驗方法沒有對應(yīng)的試驗曲線，僅對試驗的溫度變化率、溫度穩(wěn)定判據(jù)做了限制，所有設(shè)備的高低溫貯存試驗溫度都固定不變：低溫-55℃，高溫+70℃；高低溫工作試驗溫度則根據(jù)設(shè)備的最低、最高工作溫度來確定。

下面介紹幾個術(shù)語：低工作溫度就是指設(shè)備在暴露狀態(tài)下且在正常工作條件下的最低溫度；高工作溫度是指正常工作條件下的設(shè)備暴露在特定區(qū)域的最高溫度；短時工作溫度是指設(shè)備在經(jīng)過地面保溫后啟動時的初始溫度；由于設(shè)備啟動后，冷熱空氣循環(huán)系統(tǒng)和其它溫度措施將同時啟動，因此該溫度條件將很少發(fā)生并且持續(xù)時間很短。實際試驗中，如果短時高、低溫工作試驗溫度與高、低溫工作試驗溫度相同，則短時高、低溫工作試驗可以不做；地面耐受溫度是指飛機貯存或暴露于氣候極值期間，設(shè)備暴露于其中的最高和最低地面溫度，不要求設(shè)備在此溫度下工作，但要能耐受此溫度而不被損壞[5]。

2.2 低溫試驗對比

對于DO-160E溫度試驗方法來說，低溫試驗含地面低溫耐受和短時低溫工作試驗、低溫工作試驗兩項；而對于GJB150來說，則含低溫貯存試驗、低溫工作試驗兩項。

在進行DO-160E的低溫試驗時，首先要確定設(shè)備分類，按照設(shè)備等級查詢溫度對照表確定設(shè)備進行兩項低溫試驗對應(yīng)的試驗溫度。對于地面低溫耐受和短時低溫工作試驗，則在常壓下且在設(shè)備不工作時將設(shè)備穩(wěn)定于此溫度環(huán)境中保持至少3小時，然后將設(shè)備置于短時工作低溫下，并保持不工作狀態(tài)不少于30分鐘，最后將設(shè)備置于工作狀態(tài)，維持溫度為短時工作低溫，設(shè)備工作至少30分鐘。在這30分鐘內(nèi)測量設(shè)備性能。試驗曲線見圖1(T1到T2至少3小時；T3到T4至少30分鐘；T4到T5至少30分鐘，若設(shè)備短時工作低溫=地面耐受低溫，則T2到T4時間間隔可以為0)。

對于GJB150來說，低溫貯存試驗相當于DO-160E中的地面低溫耐受試驗，但不包含短時低溫工作試驗，且在試驗前先將設(shè)備置于大氣條件下達到溫度穩(wěn)定，對設(shè)備進行初始檢測，然后將設(shè)備置于-55℃下達到溫度穩(wěn)定狀態(tài)，再保溫24小時后，將設(shè)備恢復(fù)到大氣條件下達到溫度穩(wěn)定，進行最后檢測，利用兩次檢測結(jié)果的差異分析設(shè)備的性能。

對于DO-160E中的低溫工作試驗，則首先按照設(shè)備等級查取溫度對照表中該項試驗對應(yīng)的試驗溫度，然后讓設(shè)備處于工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)測試環(huán)境溫度到選取的溫度值。當設(shè)備溫度穩(wěn)定后，維持設(shè)備在低溫狀態(tài)工作至少2小時。試驗曲線見圖2(T1到T2為溫度穩(wěn)定階段；T2到T3至少2小時)。

圖1 地面低溫耐受和短時低溫工作試驗曲線

圖2 低溫工作試驗曲線

GJB150低溫工作試驗與DO-160E低溫工作試驗不同，GJB150低溫工作試驗首先將設(shè)備置于大氣條件下達到溫度穩(wěn)定，然后進行初始檢測，再將設(shè)備置于非工作狀態(tài)的試驗低溫條件下達到溫度穩(wěn)定，然后啟動設(shè)備直至設(shè)備再次達到溫度穩(wěn)定，并進行中間檢測；最后將設(shè)備置于不工作狀態(tài)并恢復(fù)設(shè)備到大氣條件下溫度穩(wěn)定，進行最后檢測。將中間、最后兩次檢測分別于初始檢測進行對比，以分析設(shè)備的性能。

2.3 高溫試驗對比

對于DO-160E溫度試驗方法來說，高溫試驗含地面高溫耐受和短時高溫工作試驗、高溫工作試驗兩項；而對于GJB150來說，則含高溫貯存試驗、高溫工作試驗兩項。

在進行DO-160E的高溫試驗時，和低溫試驗相同，都要首先確定設(shè)備分類，按照設(shè)備等級查詢溫度對照表確定設(shè)備，進行兩項高溫試驗對應(yīng)的試驗溫度。對于地面高溫耐受和短時高溫工作試驗，則在常壓下且在設(shè)備不工作時將設(shè)備穩(wěn)定于此溫度環(huán)境中保持至少3小時。然后將設(shè)備置于短時工作高溫下，并保持不工作狀態(tài)不少于30分鐘，最后將設(shè)備置于工作狀態(tài)，維持溫度為短時工作高溫，設(shè)備工作至少30分鐘。在這30分鐘內(nèi)測量設(shè)備性能。試驗曲線見圖3(T1到T2至少3小時；T3到T4至少30分鐘；T4到T5至少30分鐘，若設(shè)備短時工作高溫=地面耐受高溫，則T2到T4時間間隔可以為0)。

圖3 地面高溫耐受和短時高溫工作試驗曲線

對于GJB150來說，高溫貯存試驗相當于DO-160E中的地面高溫耐受試驗，但不包含短時高溫工作試驗，且在試驗前先將設(shè)備置于大氣條件下達到溫度穩(wěn)定，對設(shè)備進行初始檢測，然后將設(shè)備置于+70℃下達到溫度穩(wěn)定狀態(tài)，再保溫48小時后，將設(shè)備恢復(fù)到大氣條件下達到溫度穩(wěn)定，進行最后檢測，利用兩次檢測結(jié)果的差異分析設(shè)備的性能。

對于DO-160E中的高溫工作試驗，也與低溫試驗相同，首先按照設(shè)備等級查取溫度對照表中該項試驗對應(yīng)的試驗溫度，然后讓設(shè)備處于工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)測試環(huán)境溫度到選取的溫度值。當設(shè)備溫度穩(wěn)定后，維持設(shè)備在高溫狀態(tài)工作至少2小時。試驗曲線見圖4(T1到T2為溫度穩(wěn)定階段；T2到T3至少2小時)。

圖4 高溫工作試驗曲線

GJB150高溫工作試驗與DO-160E高溫工作試驗不同，GJB150高溫工作試驗首先將設(shè)備置于大氣條件下達到溫度穩(wěn)定，然后進行初始檢測，再將設(shè)備置于非工作狀態(tài)的試驗高溫條件下達到溫度穩(wěn)定，然后啟動設(shè)備直至設(shè)備再次達到溫度穩(wěn)定，并進行中間檢測；最后將設(shè)備置于不工作狀態(tài)并恢復(fù)設(shè)備到大氣條件下溫度穩(wěn)定，進行最后檢測。將中間、最后兩次檢測分別與初始檢測進行對比，以分析設(shè)備的性能。

2.4 飛行制冷失效試驗

飛行制冷失效試驗是DO-160E特有的一項溫度試驗，GJB150沒有對應(yīng)的試驗項目。該試驗的目的主要是檢測為設(shè)備提供冷卻的外部或內(nèi)部系統(tǒng)失效情況下，設(shè)備所具有的在一定時間內(nèi)不被損壞的能力。

首先將處于工作狀態(tài)的設(shè)備置于環(huán)境溫度下，并按正常情況供給冷空氣，然后將室溫調(diào)整到溫度對照表中查取到的試驗溫度，使室溫達到穩(wěn)定，然后關(guān)閉冷卻空氣供應(yīng)，按照該試驗的制冷失效持續(xù)時間分類(見表2)來進行測試，確定設(shè)備性能。該試驗的試驗曲線和圖4形似，僅工作高溫改為對照表中查到的溫度，且T2到T3的時間要根據(jù)制冷失效持續(xù)時間分類來確定。

表2 飛行制冷失效持續(xù)時間分類

3 DO-160E溫度試驗方法應(yīng)用

下面我們以AC313直升機的一項成品設(shè)備“旋翼彈性軸承”為例，描述在該設(shè)備的審定過程中，如何應(yīng)用DO-160E試驗方法來開展民機機載成品設(shè)備適航驗證工作。

首先，我們要根據(jù)該型直升機的設(shè)計參數(shù)確定該成品設(shè)備在DO-160E中的分類。AC313直升機為非增壓類航空器，高度包線為0～6000米，溫度包線為-40℃～+60℃，貯存溫度為-55℃～+70℃。根據(jù)這些參數(shù)，結(jié)合DO-160E設(shè)備分類，可以確定旋翼彈性軸承應(yīng)該屬于B2類設(shè)備，試驗溫度可根據(jù)溫度對照表中B2類來確定。由于B2類設(shè)備的高、低溫工作試驗溫度和短時高、低溫工作試驗溫度相同，參照2.1節(jié)最后一段可知短時高、低溫工作試驗可以不做，只需要進行地面高、低溫耐受試驗。查表后可知旋翼彈性軸承的高溫工作試驗溫度應(yīng)為+70℃，低溫工作試驗溫度為-45℃；地面高溫耐受試驗溫度為+85℃，地面低溫耐受試驗溫度為-55℃。

可以看出，旋翼彈性軸承的高、低溫工作試驗溫度，地面高溫耐受試驗溫度都與該型直升機設(shè)備設(shè)計溫度包線存在差異，這就成為設(shè)備適航合格審定過程中的矛盾點。若按照GJB150來進行溫度試驗，無論是高、低溫貯存，還是高、低溫工作試驗，其考核溫度值均與直升機的設(shè)計溫度包線相同。但按照DO-160E試驗方法來鑒定設(shè)備，則需要解決好設(shè)計要求和試驗方法之間的矛盾。

結(jié)合AC313直升機的設(shè)計參數(shù)，權(quán)衡型號合格審定過程中申請人的風(fēng)險以及審查組的要求，確定了旋翼彈性軸承環(huán)境鑒定試驗方法的可行性方案，并得到了AC313直升機型號合格審查組的認可和批準。高、低溫工作試驗，地面高溫耐受試驗均按照DO-160E要求進行，但在試驗曲線中分別增加了設(shè)計的符合性考核段，即高溫工作試驗增加+60℃考核段，低溫工作試驗增加-40℃考核段，地面高溫耐受試驗增加+70℃考核段。這三個考核段按照原試驗曲線模式操作，在進行完上述3個考核段后繼續(xù)按照DO-160E試驗曲線執(zhí)行直至試驗結(jié)束。對于設(shè)計要求考核點和DO-160E試驗方法考核點都未能通過的設(shè)備則認為其設(shè)計不符合適航要求；對于通過設(shè)計要求考核點而未通過DO-160E試驗方法考核點的設(shè)備則進行分析，對比B2類設(shè)備定義的參數(shù)包線與AC313直升機設(shè)計參數(shù)的差異，結(jié)合該型機的飛行手冊限制要求，進行評估，最終確定設(shè)備是否符合適航要求。

4 結(jié) 語

我國民機研制工作起步晚，大多數(shù)研發(fā)部門還都按照軍用標準來設(shè)計、鑒定民機，但民機的型號合格審定工作有自身的標準體系，且與軍用標準存在差異，這就可能導(dǎo)致民機研制部門為通過型號合格審定而進行大量重復(fù)甚至顛覆性的工作。因此，應(yīng)該盡快開展GJB150與DO-160E等軍、民用標準試驗方法差異的相關(guān)技術(shù)研究工作，為設(shè)計人員和適航技術(shù)人員提供參考和指導(dǎo)，借用民機大發(fā)展的戰(zhàn)略機遇，通過型號合格審定不斷積累經(jīng)驗，為民機的快速發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

[1] 穆志韜，曾本銀. 直升機結(jié)構(gòu)疲勞 [M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[2] 祝耀昌，王建剛. 各種環(huán)境試驗的特點及其應(yīng)用分析 [J].航空標準化與質(zhì)量，2004：38-42.

[3] 孔學(xué)東，鄧國華. 軍用與民用環(huán)境試驗技術(shù)的差異與接軌[J].環(huán)境技術(shù),1999(03)：2-4.

[4] 林 琳，宴效鋒，張熙川. 民機機載產(chǎn)品環(huán)境試驗技術(shù)解析[J].測控技術(shù)，2008，27(增刊)：109-111.

[5] DO-160E, Environmental conditions and test procedures for airborne equipment[S]. Washington，DC，USA：RTCA，Dec9，2004

Contrastive Analysis of Temperature Test Method of DO-160E and GJB150

XIN Bo, ZHANG Shasha

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

The article mainly discussed the temperature factor which was important to the equipment of helicopter, and deeply analyzed the difference of temperature test between the military helicopter and the civil helicopter by contrasting the military helicopter environmental test criterion and the civil one, and particularly discussed the civil helicopter environmental test criterion DO-160E “Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment”, then summarized the application of DO-160E according to the airworthiness type certification of AC313 helicopter. So as to help the civil helicopter designers and airworthiness engineers, and supply reference for environmental test during the phase of type certification.

helicopter；environmental test；contrast and analyze

2015-06-25 作者簡介：辛 勃(1984- )，男，陜西西安人，碩士，工程師，主要研究方向：直升機適航符合性驗證技術(shù)和適航管理技術(shù)。

1673-1220(2016)01-040-05

V221+.91 ；V216.5

A