基于任務(wù)剖面的機載外掛溫度試驗條件探討

郭迅，郭強嶺，張艷輝，劉新佳

?

基于任務(wù)剖面的機載外掛溫度試驗條件探討

郭迅，郭強嶺，張艷輝，劉新佳

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009）

目的獲取一種合理的溫度試驗條件用以考核機載外掛對溫度環(huán)境的適應(yīng)性。方法針對影響機載外掛溫度的自然或誘發(fā)環(huán)境因素，分別分析自然環(huán)境、氣動加熱以及設(shè)備工作發(fā)熱的三種典型因素的不同特點，并結(jié)合機載外掛的空中掛飛使用狀態(tài)，給出相應(yīng)的溫度計算方法。結(jié)果通過對某載機的典型任務(wù)剖面的計算，指出了現(xiàn)有機載外掛基于地面使用溫度制定的試驗條件無法完全覆蓋空中掛飛時的溫度環(huán)境，并由此提出了基于任務(wù)剖面的溫度試驗條件，以更好地考核機載外掛溫度環(huán)境適應(yīng)性。結(jié)論給出了一種用于考核機載外掛溫度環(huán)境適應(yīng)性的溫度試驗條件及其計算方法。

機載外掛；任務(wù)剖面；溫度試驗

機載外掛是掛裝在飛機上隨載機飛行并完成各種復(fù)雜工作的設(shè)備，如光電偵察吊艙、空空導(dǎo)彈等。溫度環(huán)境是裝備壽命期內(nèi)不可避免的環(huán)境因素，會直接或間接地影響機載外掛物的性能，因此在機載外掛的研制過程中，為滿足預(yù)期的使用要求，產(chǎn)品必須進行相應(yīng)的溫度試驗，以驗證其對溫度環(huán)境的適應(yīng)性[1]。

溫度環(huán)境的考核一般參照GJB 150.3A以及GJB 150.4A來制定相應(yīng)的環(huán)境試驗條件[2—3]，但這些標準中無一例外地都只考慮了地面的高低溫情況[4—6]。機載外掛由于其工作的特殊性，除貯存、運輸所經(jīng)歷的自然溫度環(huán)境外，還會經(jīng)歷掛機飛行時高空中極低的環(huán)境溫度、氣動加熱環(huán)境等自然和誘發(fā)環(huán)境因素，若只按地面使用環(huán)境制定溫度試驗條件可能無法考核掛機飛行時誘發(fā)的溫度環(huán)境。GJB 899A中雖然給出基于任務(wù)剖面的可靠性評估方法[7—9]，但對于環(huán)境試驗，目前國內(nèi)少有機載外掛按溫度剖面進行試驗。雖然某些國外機載外掛類產(chǎn)品（如AIM-9X）除采用地面極值進行溫度試驗外，同時也給出了空中掛飛時的溫度工況用于產(chǎn)品設(shè)計，但由于溫度試驗條件與載機類型直接相關(guān)，無法直接借鑒。GJB 150.24A借鑒了美軍標MIL-STD-810F給出綜合試驗剖面的簡要確定方法，但其試驗程序較復(fù)雜，并且在試驗程序中直接采用產(chǎn)品預(yù)計最高、最低工作溫度來進行熱穩(wěn)定試驗，與機載外掛的實際工作情況存在差異。因此文中針對機載外掛的典型使用特點，結(jié)合載機的典型任務(wù)剖面，探討機載外掛應(yīng)如何進行此項試驗的考核。

1 溫度環(huán)境因素分析

機載外掛掛飛時的環(huán)境因素主要由三部分組成：自然環(huán)境空氣溫度、氣動加熱恢復(fù)溫度、內(nèi)部設(shè)備工作發(fā)熱。下面針對這些典型環(huán)境進行分析[10—12]。

1.1 自然環(huán)境溫度

機載外掛除經(jīng)歷地面溫度環(huán)境外，還需經(jīng)歷空中的環(huán)境。一般來說，海拔越高，氣溫越低，這是因為對流層大氣的直接熱源是地面，離地面越遠，得到的地面輻射越少，氣溫也就越低。不同氣層的氣溫隨高度變化常用氣溫垂直遞減率來表示，即在垂直于地面每升高100 m氣溫的變化值。對于干空氣，海拔大約平均每上升100 m，氣溫就下降約1 ℃。含有水汽的較濕空氣，就會受到水氣凝結(jié)時所釋放的潛熱影響，因此平均每上升100 m氣溫約下降0.6 ℃，且不同于干空氣。對于濕空氣來說，氣溫垂直遞減率還會受溫度與壓強的影響，使其值位于0.4~0.9之間，因此空中的氣溫不能直接用地面溫度來預(yù)估，特別是環(huán)境試驗需考核裝備預(yù)期的極值環(huán)境。查GJB 1172 《軍用設(shè)備氣候極值》中地面氣溫和空中溫度[13—14]，分別取高溫時間風(fēng)險率1%和低溫時間風(fēng)險率1%，即可得到氣溫的極值環(huán)境，如圖1所示。

圖1 高度與溫度極值

1.2 氣動加熱

氣動加熱是指物理與空氣作高速相對運動時所產(chǎn)生的摩擦力轉(zhuǎn)為熱力的過程，這是機載外掛物掛機飛行時必須經(jīng)歷的環(huán)境因素。由于氣動加熱效應(yīng)與飛行速度有直接關(guān)系，因此載機高速飛行時機載外掛會產(chǎn)生很高的恢復(fù)溫度，氣動加熱的恢復(fù)溫度一般可按式（1）確定[15]：

eff=(amb+273)[1+0.182]－273 (1)

式中：eff是指被流動空氣冷卻效應(yīng)改變后的溫度，即氣動加熱的恢復(fù)溫度；amb是指飛行時的外界環(huán)境空氣溫度；是指飛行馬赫數(shù)。

1.3 內(nèi)部設(shè)備工作發(fā)熱

機載外掛在掛機飛行時可能存在通電工作的情況。這種情況下，機載外掛的內(nèi)部設(shè)備由于電子元器件阻抗的存在，必然會導(dǎo)致發(fā)熱，特別是功率器件，若連續(xù)工作將產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量會在機載外掛的某些局部集中存在。同時機載外掛內(nèi)部若存在運動機構(gòu)，則運動機構(gòu)的摩擦也將產(chǎn)生熱量。因此內(nèi)部設(shè)備的發(fā)熱情況與機載外掛的工作狀態(tài)直接相關(guān)，即在分析制定溫度試驗條件時應(yīng)考慮機載外掛預(yù)期的工作狀態(tài)，如連續(xù)通電工作、間歇工作、部分部件工作等情況。

2 基于任務(wù)剖面的溫度計算

針對某載機的典型任務(wù)剖面開展分析，以確定其搭載的機載外掛溫度試驗條件。

2.1 典型任務(wù)剖面

某機載外掛需掛裝某高性能噴氣式戰(zhàn)斗機上使用，其典型任務(wù)剖面如圖2所示。雖然飛行員不可能每次都以相同的方式執(zhí)行任務(wù)，給出的任務(wù)剖面僅僅是估計數(shù)值，但典型的任務(wù)剖面包含了與溫度分析有關(guān)的顯著的飛行條件。

圖2 典型任務(wù)剖面的高度及馬赫數(shù)

2.2 氣動加熱恢復(fù)溫度的確定

根據(jù)式（1），要計算氣動加熱恢復(fù)溫度，首先需確定外部空氣溫度，由于通過GJB 1172只能查得典型高度下的極值溫度，因此若計算任一高度點的外部溫度，則需按下述公式進行插值，計算得到預(yù)知高度的極值溫度。

式中：h為已知高度，m；t為預(yù)求h高度上的氣溫，℃；h1已知，為h下一層高度，m；h2已知，為h上一層高度，m；已知，為h1高度上的氣溫，℃；已知，為h2高度上的氣溫，℃。

分別將典型任務(wù)剖面中的高度值代入式（2），可計算得到t，將t和剖面中對應(yīng)的馬赫數(shù)代入式（1），可計算得到任務(wù)剖面相應(yīng)點的極值溫度，對高溫極值和低溫極值分別進行計算，可得到相應(yīng)的溫度極值剖面，見圖3。

圖3 溫度剖面

從圖3可以看出，極冷環(huán)境下，最低溫度出現(xiàn)在載機高度為11 km，速度為0.75 Ma狀態(tài)，溫度最低為－48.6 ℃，最長持續(xù)時間為50 min；極熱環(huán)境下，最高溫度出現(xiàn)在11 km，速度為1.5 Ma狀態(tài)，溫度最高為72.8 ℃，持續(xù)時間僅一個時間點，處于剖面的“作戰(zhàn)2”任務(wù)段中，任務(wù)時間總長僅1.3 min。

2.3 某機載外掛試驗條件設(shè)計

目前某機載外掛的試驗條件為高溫60 ℃，低溫－45 ℃，試驗方法采取產(chǎn)品達到溫度穩(wěn)定后加電測試?？梢钥闯觯瑨祜w時可能存在最低溫度和氣動加熱的最高溫度，均超出了產(chǎn)品的高、低溫試驗條件，存在未考核的高低溫環(huán)境。GJB 150.3A和GJB 150.4A均要求產(chǎn)品達到溫度穩(wěn)定，GJB 150.24A也在試驗程序中明確要求“系統(tǒng)達到熱穩(wěn)定或4 h，以長者為準”，但在掛機飛行時的最高溫度及最低溫度下使產(chǎn)品達到溫度穩(wěn)定，若再同時考慮電應(yīng)力，則產(chǎn)品很有可能超出其承受極限，造成產(chǎn)品損壞。實際飛行時，通過任務(wù)剖面可看出，在極值高溫條件下，機載外掛表面的恢復(fù)溫度絕大部分時間都處于20 ℃以下，而72.8 ℃的極值高溫僅存在一個時間點。考慮到機載外掛一般尺寸較大，存在較大的熱容量，且外表面可能存在隔熱層，產(chǎn)品達到溫度穩(wěn)定時間可能長達5 h以上，在極限高溫下不存在產(chǎn)品達到溫度穩(wěn)定的可能。采用飛行的極值溫度制定高低溫工作條件存在嚴重的過試驗風(fēng)險，因此采用任務(wù)剖面模擬實際工作情況，是一種合理的解決方案。

電應(yīng)力方面，由于機載外掛的通電狀態(tài)不確定，可能存在整個飛行架次全程通電的可能，也可能在飛行過程中才進行產(chǎn)品上電工作。一般需考核兩方面的內(nèi)容：產(chǎn)品低溫下的啟動能力以及產(chǎn)品連續(xù)工作時的熱量積累。因此應(yīng)考核高溫極值剖面下的產(chǎn)品連接工作能力和低溫極值剖面下的產(chǎn)品啟動能力（產(chǎn)品啟動點選取最低溫環(huán)境結(jié)束時刻）。

由于目前機載外掛是根據(jù)其典型使用環(huán)境制定的地面試驗條件，外場服役時飛機也存在地面停放等環(huán)境，因此在按計算得到的溫度剖面進行試驗時，必須進行預(yù)處理，使產(chǎn)品在地面極值溫度環(huán)境達到溫度穩(wěn)定。一般選取機載外掛正常高低溫工作條件。

某機載外掛的熱穩(wěn)定時間為5 h，若采用高溫極值環(huán)境進行試驗，同時考慮電應(yīng)力，則通電2 h后內(nèi)部電路局部溫度可高達85 ℃，超出元器件的高溫工作極限，造成產(chǎn)品故障。載機實際執(zhí)行飛行任務(wù)時不可能長時間保持極值飛行，且實測數(shù)據(jù)表明，產(chǎn)品內(nèi)部溫度遠低于85 ℃，因此采用計算得到的極值任務(wù)剖面進行試驗，能夠更好地模擬實際使用工況，更加符合實際情況。

3 結(jié)語

文中基于機載外掛自身的使用特點，并結(jié)合載機的典型任務(wù)剖面，提出了一種基于任務(wù)剖面的溫度試驗條件制定方法。目前機載外掛除進行按GJB 150等標準制定的溫度試驗外，可補充進行此項溫度試驗，以更加合理地驗證機載外掛空中掛機飛行時的溫度環(huán)境適應(yīng)性，同時也可直接作為GJB 150.24A的溫度試驗剖面，結(jié)合高度、振動等環(huán)境因素對機載外掛進行綜合試驗考核。

[1] 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.

[2] GJB 150.3A—2009, 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第3部分: 高溫試驗[S].

[3] GJB 150.4A—2009, 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第4部分: 低溫試驗[S].

[4] 蔡良續(xù), 龍德中, 宋小燕, 等. 溫度環(huán)境試驗及其標準綜述(一)溫度對裝備的影響及溫度試驗的重要性[J]. 環(huán)境技術(shù), 2014(4): 93—96.

[5] 翟波, 蔡良續(xù), 李寶晗, 等. 溫度環(huán)境試驗及其標準綜述(二)典型溫度試驗程控[J]. 環(huán)境技術(shù), 2014(5): 89—91.

[6] 蔡良續(xù), 祝耀昌, 于江波, 等. 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[J]. 環(huán)境技術(shù), 2015(1): 98—101.

[7] GJB 899A—2009, 可靠性鑒定和驗收試驗[S].

[8] 樊西龍, 趙曉東. 軍用噴氣式飛機一種可靠性綜合應(yīng)力條件中溫度應(yīng)力的確定方法[J]. 航空科學(xué)技術(shù), 2014, 25(9): 52—55.

[9] 劉震宇, 馬小兵, 洪東跑, 等. 基于飛行剖面的作戰(zhàn)飛機任務(wù)可靠性評估方法[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報, 2012, 38(1): 59—63.

[10] 張艷輝, 史明麗. 空空導(dǎo)彈工作溫度分析[J]. 裝備環(huán)境工程, 2015, 12(2): 99—103.

[11] 劉新佳, 郭強嶺. 空空導(dǎo)彈高溫試驗實施研究[J]. 河南科技, 2015, 12(2): 99—103.

[12] 李堯. 飛機溫度環(huán)境適應(yīng)性要求分析和確定技術(shù)探討[J]. 裝備環(huán)境工程, 2008, 5(6): 60—64.

[13] GJB 1172.2—1991, 軍用設(shè)備氣候極值: 地面氣溫[S].

[14] GJB 1172.12—1991, 軍用設(shè)備氣候極值: 空中氣溫[S].

[15] GJB 150.24A—2009, 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第24部分: 溫度-濕度-振動-高度試驗[S]

Conditions for Temperature Test of Aircraft Store based on Mission Profile

GUO Xun, GUO Qiang-ling, ZHANG Yan-hui, LIU Xin-jia

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

Objective To obtain a reasonable temperature test condition to evaluate the temperature environment adaptability of airborne store. Methods Environmental factors, which influence airborne store’s temperature such as natural environment, aerodynamic heating and equipment working heating, were analyzed on their different features. The calculation method, which is related to aircraft’s flight conditions, was given. Results According to typical mission profile of an aircraft, the temperature profile is calculated. Based on the temperature profile, the ground temperature can’t cover the temperature of flight, thus a temperature test method based on mission profile was given to evaluate the temperature environment adaptability of airborne stores better. Conclusion Reasonable test conditions and calculation methods for airborne store’s temperature test are given.

aircraft store; mission profile; temperature test

10.7643/ issn.1672-9242.2017.04.010

TJ85

A

1672-9242(2017)05-0044-04

2016-12-31；

2017-01-24

郭迅（1987—），男，河南洛陽人，碩士，工程師，主要研究方向為環(huán)境預(yù)示。