重視環(huán)境因素對(duì)浮空器的影響

王云　吳玲

摘要： 空中環(huán)境對(duì)浮空器系統(tǒng)安全運(yùn)行有很大影響，必須重視浮空器的空中環(huán)境可靠性設(shè)計(jì)及各種環(huán)境試驗(yàn)。文章提出了在浮空器設(shè)計(jì)、飛行試驗(yàn)過程中，可能影響安全的各種空中環(huán)境因素，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步推斷出各種環(huán)境因素對(duì)浮空器影響的計(jì)算公式。

關(guān)鍵詞： 空中環(huán)境；浮空器；可靠性；環(huán)境試驗(yàn)；試驗(yàn)數(shù)據(jù) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TK124 文章編號(hào)：1009-2374（2017）10-0081-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.040

1 概述

近年來飛艇及系留氣球等浮空器由于在滯空時(shí)間和運(yùn)行費(fèi)用等方面具有優(yōu)勢(shì)，因此得到了廣泛關(guān)注。

眾所周知，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與產(chǎn)品的可靠性密切相關(guān)，所以在設(shè)計(jì)浮空器的時(shí)候需要盡可能多選擇那些可靠性高、技術(shù)先進(jìn)的技術(shù)和工藝。然而，設(shè)計(jì)在完成后，如果不通過具體的試驗(yàn)，僅利用圖面檢查和原理演示是無法找出其中的問題的。產(chǎn)品的研制開發(fā)離不開試驗(yàn)這一過程，并且試驗(yàn)也是對(duì)產(chǎn)品性能考核評(píng)價(jià)的主要方式，所以在當(dāng)下的產(chǎn)品研制初期，都需要完成對(duì)產(chǎn)品基本特性的分析和調(diào)查，明確其中可能影響產(chǎn)品試驗(yàn)的因素，并制定相應(yīng)的試驗(yàn)操作流程，以確保產(chǎn)品研制工作可以順利進(jìn)行。

2 試驗(yàn)分類

產(chǎn)品研制生產(chǎn)階段的試驗(yàn)非常多，但其總體上可以分為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)兩類。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)指的是通過實(shí)際使用來驗(yàn)證產(chǎn)品的性能，比如在產(chǎn)品的運(yùn)輸、存儲(chǔ)以及使用等環(huán)境進(jìn)行產(chǎn)品性能的驗(yàn)證，查驗(yàn)其是否會(huì)出現(xiàn)破損或者功能缺失等情況。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)又可以具體分為飛行試驗(yàn)、跑車試驗(yàn)、自然暴露試驗(yàn)等。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)指的是測(cè)試產(chǎn)品在某些特定受控條件下的性能，比如環(huán)境條件、電源條件等。不同試驗(yàn)?zāi)康乃璧氖芸貤l件是不同的，它需要根據(jù)具體的情況來模擬相應(yīng)的使用條件，以此來驗(yàn)證產(chǎn)品的性能。通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)可以幫助研發(fā)人員找出產(chǎn)品在研發(fā)初期的問題和不足，并且結(jié)合具體的問題制定相應(yīng)的改進(jìn)和處理措施，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行完善和改進(jìn)。在產(chǎn)品的研制后期，由于實(shí)驗(yàn)室條件的限制，其無法將現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行最真實(shí)的模擬，所以必須通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來找出產(chǎn)品中那些比較深層次問題和不足。

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，產(chǎn)品完成的任務(wù)能夠表明其自身的使用壽命典型任務(wù)，那就說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有代表性，它所檢測(cè)出的結(jié)果與產(chǎn)品的真實(shí)性能相符合。然而在短時(shí)間內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)條件是無法全部達(dá)成的。比如以其環(huán)境試驗(yàn)中的氣候試驗(yàn)為例，有些產(chǎn)品需要在冷熱不同環(huán)境下試驗(yàn)一年以上，但是自然界中端冷和極端熱環(huán)境是無法保證其可以及時(shí)出現(xiàn)并被利用的。這些現(xiàn)場(chǎng)條件是無法控制的，這就給現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)帶來了很大的難度。所以在實(shí)際工作中，通常都在最后的研制環(huán)節(jié)采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。在大多數(shù)的產(chǎn)品研制、設(shè)計(jì)以及驗(yàn)收工作中，基本都是采用實(shí)驗(yàn)室試研制以及生產(chǎn)中的可靠性試驗(yàn)與環(huán)境試驗(yàn)分析。

性能試驗(yàn)指的是在實(shí)驗(yàn)室中通過相關(guān)的試驗(yàn)來測(cè)試產(chǎn)品的性能，它的目的有兩個(gè)：第一，對(duì)研制產(chǎn)品的性能進(jìn)行評(píng)估，檢驗(yàn)其是否達(dá)到設(shè)計(jì)的要求；第二，制定一套合理科學(xué)的性能評(píng)判基準(zhǔn)，以此來完成對(duì)試驗(yàn)中、試驗(yàn)后所得到數(shù)據(jù)的比較，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品性能的變化趨勢(shì)以及其性能進(jìn)行合理的評(píng)估。性能試驗(yàn)是其他試驗(yàn)的基礎(chǔ)，產(chǎn)品研制階段樣機(jī)制造出來后應(yīng)立即進(jìn)行性能試驗(yàn)，看其是否滿足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)過程中暴露出來的缺陷應(yīng)作為改進(jìn)措施的直接依據(jù)，一般情況下要經(jīng)過反復(fù)設(shè)計(jì)和改進(jìn)后才能使研制的產(chǎn)品通過性能試驗(yàn)，然而通過了性能試驗(yàn)的產(chǎn)品在實(shí)際環(huán)境條件下不一定能正常工作，因此性能試驗(yàn)后要進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)。

3 環(huán)境試驗(yàn)研究

環(huán)境試驗(yàn)是在產(chǎn)品通過了性能試驗(yàn)后，為了保證產(chǎn)品能耐受預(yù)期的極端環(huán)境（包括氣候、力學(xué)、電磁等）的破壞作用而進(jìn)行的一系列研制和驗(yàn)證試驗(yàn)，具有重要意義。由環(huán)境應(yīng)力造成的失效產(chǎn)品故障的常見原因，1971年美國對(duì)機(jī)載設(shè)備全年的故障進(jìn)行剖析，結(jié)果顯示50%以上的故障是由各種環(huán)境所致，而溫度、振動(dòng)、濕度三項(xiàng)環(huán)境造成電子設(shè)備43.7%的故障。同樣浮空器囊體材料和其搭載的各種電子設(shè)備都受到類似的影響。如何保障浮空器安全，減少在使用中由環(huán)境影響造成的故障比率，應(yīng)在研制和生產(chǎn)階段充分開展環(huán)境試驗(yàn)工作。環(huán)境試驗(yàn)指的是以考核所設(shè)計(jì)或生產(chǎn)的產(chǎn)品對(duì)預(yù)定環(huán)境適應(yīng)性為目標(biāo)的試驗(yàn)。產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性是指產(chǎn)品在運(yùn)輸、儲(chǔ)存以及工作中對(duì)其對(duì)應(yīng)環(huán)境的適應(yīng)性，其包括在最惡劣運(yùn)輸儲(chǔ)存環(huán)境下，產(chǎn)品的抗損壞能力和工作性能。需要注意的是這里的適應(yīng)性指的是產(chǎn)品在這些環(huán)境下的短期適應(yīng)性，而不是指的長(zhǎng)期適應(yīng)性，所以其不屬于可靠性指標(biāo)。

環(huán)境試驗(yàn)多為單項(xiàng)試驗(yàn)，這種試驗(yàn)的設(shè)備比較簡(jiǎn)單、試驗(yàn)費(fèi)用少，且很容易看出來某一環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)品的影響。但是跟實(shí)際使用情況仍有一定的區(qū)別。環(huán)境試驗(yàn)的種類很多，根據(jù)浮空器的使用條件及要求，常用的環(huán)境試驗(yàn)包括高溫試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)、紫外線輻照試驗(yàn)、濕熱交變?cè)囼?yàn)、高溫老化及低壓試驗(yàn)等。

常見的環(huán)境試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件如下：

第一，高低溫試驗(yàn)：

高溫試驗(yàn)條件：60℃穩(wěn)定20min。

低溫試驗(yàn)條件：-40℃穩(wěn)定20min。

試驗(yàn)結(jié)果見表1：

表1 高低溫對(duì)某材料拉伸強(qiáng)度的影響表

溫度 均值（N） 變化率

常溫 3300 ――

60℃ 2800 -21.4%

-40℃ 4200 +39.5%

第二，高溫老化試驗(yàn)：

試驗(yàn)條件：高溫120℃維持老化時(shí)間336h。

低溫試驗(yàn)條件：-40℃穩(wěn)定20min。

試驗(yàn)結(jié)果見表2：

表2 高溫老化對(duì)某材料拉伸強(qiáng)度的影響

項(xiàng)目 均值（N） 變化率

常溫 2500 ――

高溫老化后 2200 -26%

第三，濕熱交變?cè)囼?yàn)。

試驗(yàn)條件及試驗(yàn)時(shí)間如表3所示：

表3 濕熱交變對(duì)某材料拉伸強(qiáng)度的影響表

均值（N） 變化率

常溫 3300 ――

濕熱交變 3200 -7%

第四，紫外線輻照試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：光照為常溫、紫外線輻射強(qiáng)度為0.59W/m2.n·m、波長(zhǎng)為310nm。

輻射方法：每次循環(huán)在80℃下，照射20h，在噴水5min（空氣溫度不控制），然后50℃保持4h，依次

循環(huán)。

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示：

表4 紫外線輻照對(duì)某材料拉伸強(qiáng)度的影響

材料 均值（N） 變化率

常溫 2210 ――

375h 2100 -12%

750h 1600 -36%

1125h 1300 -49%

3000h 960 -62%

第五，低壓試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：貯存壓力為57kPa；貯存時(shí)間為1h；貯存壓力變化率10kPa/min。

試驗(yàn)結(jié)果如表5所示：

表5 濕熱交變對(duì)某材料拉伸強(qiáng)度的影響表

均值（N） 變化率

常溫 3300 ――

濕熱交變 3200 -7%

4 結(jié)語

通過以上各環(huán)境試驗(yàn)的結(jié)果，猜想在各種環(huán)境條件共同影響下，環(huán)境因素對(duì)囊體材料的影響大致可用以下公式表示：

式中：k為一段時(shí)間后某囊體材料性能的損失率；T為各種環(huán)境因素的作用時(shí)間，單位為h；T1為紫外線輻照時(shí)間；T2為高溫老化時(shí)間；T3為高溫時(shí)間；T4為低壓時(shí)間；T5為濕熱交變時(shí)間；T6為低溫時(shí)間。

假設(shè)某型號(hào)浮空器在外場(chǎng)試驗(yàn)60天，其中晴天40天，雨天20天，平均日照8h，每天高溫平均5h，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，大致可以得到：

則代入公式可得材料強(qiáng)度損失率為7.9%。

此公式只是在現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行大致推論得到，具體還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)進(jìn)行完善。本文旨在提供一種思路，量化各種空間環(huán)境對(duì)浮空器囊體性能的影響。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：王云（1979-），女，中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所工程師，研究方向：浮空器結(jié)構(gòu)及總體設(shè)計(jì)；吳玲（1981-），女，中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所高級(jí)工程師，研究方向：浮空器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：蔣建華）