DO—160溫度環(huán)境試驗(yàn)應(yīng)用研究

毛旭明

【摘 要】DO-160《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)方法》是由美國(guó)航空無(wú)線(xiàn)電委員會(huì)發(fā)布的航空規(guī)范，其定義了一系列最低標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境試驗(yàn)條件和相應(yīng)的試驗(yàn)方法。目前DO-160已被廣泛應(yīng)用于民用飛機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)中。本文以DO-160G中溫度環(huán)境為例，研究如何根據(jù)民用飛機(jī)環(huán)境特點(diǎn)，選取合適的環(huán)境條件，為飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)備提供相應(yīng)的設(shè)計(jì)輸入，給民用飛機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)提供借鑒和指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；環(huán)境條件；環(huán)境試驗(yàn)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，運(yùn)輸類(lèi)民用飛機(jī)作為主要的公眾交通工具之一，扮演著越來(lái)越重要的角色。飛機(jī)的安全運(yùn)行一直是民用飛機(jī)設(shè)計(jì)的首要關(guān)注點(diǎn)。民用飛機(jī)的安全性離不開(kāi)全機(jī)性能結(jié)構(gòu)及其組成的各個(gè)系統(tǒng)的正常工作，這與其運(yùn)行所經(jīng)歷的環(huán)境密不可分。環(huán)境對(duì)飛機(jī)及其機(jī)載設(shè)備的壽命和性能有重要的影響，甚至?xí)绊戯w機(jī)的安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)載設(shè)備故障和失效中有52%是由環(huán)境引起的，而飛機(jī)本體所誘發(fā)的振動(dòng)、沖擊、溫度、濕熱環(huán)境因素引起的故障占74%。在這些因素中，溫度對(duì)飛機(jī)的影響最為嚴(yán)重。尤其是民用飛機(jī)在高溫、低溫和溫度急劇變化時(shí)，往往引起結(jié)構(gòu)變形，非金屬材料老化、硬化、彈性消失，潤(rùn)滑油凝固或流失，燃油穩(wěn)定性下降，金屬腐蝕加速，燃料、冷氣系統(tǒng)結(jié)冰和管路堵塞，電氣性能下降等，從而引起各種故障。此外溫度因素還會(huì)和其他環(huán)境因素一起作用，對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的綜合性影響[1-4]。因此在民用飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮飛機(jī)溫度環(huán)境變得十分重要，加上民用飛機(jī)由于涉及公眾安全，及其必須取得適航型號(hào)合格證才能投入市場(chǎng)運(yùn)行的特點(diǎn)，如何表明其對(duì)溫度環(huán)境的適應(yīng)性顯得十分必要。

本文通過(guò)對(duì)DO-160G版研究，根據(jù)民用飛機(jī)的特點(diǎn)，針對(duì)溫度和高度章節(jié)，研究各項(xiàng)試驗(yàn)條件和程序，給出選取合適的系統(tǒng)工作環(huán)境等級(jí)方法和原則，給飛機(jī)設(shè)計(jì)提供輸入，為民用飛機(jī)環(huán)境工程設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

1 DO-160標(biāo)準(zhǔn)介紹

DO-160[5]《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)方法》是由美國(guó)航空無(wú)線(xiàn)電技術(shù)委員會(huì)（RTCA）制定，于2010年發(fā)布，作為民用飛機(jī)環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)之一，目前最新版為G版，并被FAA作為航空規(guī)范推薦使用[6]。在國(guó)內(nèi)，最新版HB6167[7]《民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)方法》也于2014年發(fā)布，基本與DO-160G等效，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)環(huán)境試驗(yàn)的通用性標(biāo)準(zhǔn)已與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)接軌，為了民用飛機(jī)適航取證的順利進(jìn)行，有必要對(duì)最新版的內(nèi)容進(jìn)行研究。

DO-160G中為機(jī)載設(shè)備定義了一系列最低標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境試驗(yàn)條件（類(lèi)別）和相應(yīng)的試驗(yàn)程序方法，這些試驗(yàn)的目的是為了確定機(jī)載設(shè)備在使用過(guò)程中會(huì)遇到的典型環(huán)境條件下的性能特性提供試驗(yàn)室方法[8]。對(duì)于民用飛機(jī)來(lái)說(shuō)，根據(jù)環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)選取合適的試驗(yàn)等級(jí)，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)至關(guān)重要，同時(shí)試驗(yàn)等級(jí)也代表了機(jī)載設(shè)備所在飛機(jī)各艙室中的環(huán)境條件，換言之，DO-160G不僅提供了環(huán)境試驗(yàn)方法，同時(shí)也反映了飛機(jī)內(nèi)部的不同環(huán)境條件。

下面將以溫度和高度章節(jié)為例，詳述DO-160在民用飛機(jī)設(shè)計(jì)中是如何使用的。

2 溫度和高度試驗(yàn)介紹

DO-160G中溫度和高度試驗(yàn)主要是考核設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的溫度和壓力條件下的性能特性。由于該項(xiàng)中，類(lèi)別是溫度條件和壓力條件的組合，因此溫度和高度應(yīng)放在一起綜合考慮。試驗(yàn)內(nèi)容共劃分了20種設(shè)備類(lèi)別，根據(jù)機(jī)載設(shè)備在飛機(jī)的安裝位置來(lái)選取合適的類(lèi)別。

2.1 溫度試驗(yàn)

溫度試驗(yàn)共分為7項(xiàng)子實(shí)驗(yàn)，分別為低溫工作溫度試驗(yàn)、高溫工作溫度試驗(yàn)、低溫短時(shí)工作溫度試驗(yàn)、高溫短時(shí)工作溫度試驗(yàn)、地面耐受低溫試驗(yàn)和地面耐受高溫試驗(yàn)、飛行中冷卻能力損失試驗(yàn)。

地面耐受低溫試驗(yàn)和地面耐受高溫試驗(yàn)均是考核機(jī)載設(shè)備在不工作情況能夠經(jīng)歷較為極端的高低溫度不損壞，并在恢復(fù)至正常工作溫度環(huán)境范圍后是否仍能正常工作。

地面低溫短時(shí)工作溫度試驗(yàn)和高溫短時(shí)工作溫度試驗(yàn)是考核設(shè)備在未上電工作時(shí)處于規(guī)定的高低溫度條件下上電工作是否正常。

低溫工作溫度試驗(yàn)和高溫工作溫度試驗(yàn)程序是考核機(jī)載設(shè)備工作穩(wěn)定狀態(tài)下，在規(guī)定的高低溫度環(huán)境中能否正常工作。

飛行中冷卻能力損失試驗(yàn)程序，是針對(duì)需要額外供電或配備的冷卻源進(jìn)行冷卻才能正常工作的機(jī)載設(shè)備，考核其在冷卻源喪失的情況下仍能在一段時(shí)間內(nèi)正常工作。

2.2 高度試驗(yàn)

高度試驗(yàn)共分為3項(xiàng)子實(shí)驗(yàn)，分別為高度試驗(yàn)、減壓試驗(yàn)和過(guò)壓試驗(yàn)。

高度試驗(yàn)程序，是考核機(jī)載設(shè)備在民用飛機(jī)飛行過(guò)程中所經(jīng)歷的最高的高度環(huán)境，即最低的壓力條件下，是否能夠正常工作。

減壓試驗(yàn)，是考核機(jī)載設(shè)備經(jīng)歷壓力以較快速度降低后設(shè)備是否能夠正常工作，這通常是針對(duì)增壓艙在意外失壓情況下，安裝在艙內(nèi)的機(jī)載設(shè)備仍能在一段時(shí)間內(nèi)正常工作。

過(guò)壓試驗(yàn)，是飛機(jī)在地面狀態(tài)下，考核安裝在增壓艙的機(jī)載設(shè)備不工作，經(jīng)受艙內(nèi)增壓情況下不損壞，并在恢復(fù)正常壓力條件下是否能夠正常工作。

3 溫度和高度應(yīng)用

規(guī)范中溫度和高度章節(jié)內(nèi)容定義的類(lèi)別，代表典型的溫度和高度組合環(huán)境條件，對(duì)應(yīng)于不同飛機(jī)的不同艙室環(huán)境。

根據(jù)一般民用飛機(jī)的特點(diǎn)，艙室劃分通常存在增壓艙和非增壓艙兩類(lèi)，增壓艙有兩類(lèi)，溫度控制區(qū)和部分溫度控制區(qū)，而非增壓艙同時(shí)也是非溫度控制區(qū)，另外還有一種是較為特殊的動(dòng)力艙。下面描述如何使用DO-160G并選取相應(yīng)的等級(jí)。

3.1 增壓艙溫度控制區(qū)

增壓艙溫度控制區(qū)典型的艙室為駕駛艙和客艙，環(huán)控系統(tǒng)對(duì)該類(lèi)艙室溫度控制較好，座艙壓力高度不超過(guò)2，438m（8，000ft）[9]。DO-160G中定義安裝在增壓艙溫度控制區(qū)設(shè)備等級(jí)為A1，正常工作范圍是-15℃至55℃，考慮艙室溫度非均勻分布，機(jī)載設(shè)備局部安裝位置會(huì)遭遇到其他發(fā)熱設(shè)備，以及環(huán)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)艙內(nèi)環(huán)境溫度到正常范圍之前的狀態(tài)。另外因?yàn)槭窃鰤号?，需要進(jìn)行減壓和過(guò)壓試驗(yàn)。

3.2 增壓艙部分溫度控制區(qū)

增壓艙部分溫度控制區(qū)典型的艙室如電子設(shè)備艙等，用于安裝飛機(jī)各系統(tǒng)主要設(shè)備等的艙室DO-160G中定義安裝在增壓艙部分溫度控制區(qū)設(shè)備等級(jí)為A2或者A3，選取等級(jí)原則需根據(jù)部分溫度控制區(qū)的環(huán)境條件確定，正常工作范圍是-15℃至70℃，增壓區(qū)各艙室連通，壓力高度相同。

3.3 非增壓艙非溫度控制區(qū)

非增壓艙非溫度控制區(qū)典型的艙室是起落架艙和尾艙，無(wú)環(huán)境控制系統(tǒng)控制溫度和進(jìn)行增壓，該類(lèi)區(qū)域與外部連通，最低壓力值等同于飛機(jī)升限高度壓力值。DO-160G中定義安裝在非增壓艙非溫控區(qū)設(shè)備等級(jí)為D2，正常工作范圍是-55℃-70℃，壓力高度50000ft。根據(jù)民用飛機(jī)最大使用高度在12500m附近[11]，選擇D2等級(jí)比較合理。

3.4 動(dòng)力艙

動(dòng)力艙是特殊的非增壓非溫度控制艙室，典型為發(fā)動(dòng)機(jī)短艙以及輔助動(dòng)力裝置區(qū)，該類(lèi)艙室因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的特性不同將影響其所在區(qū)域的環(huán)境溫度，主要是高溫極值，因此DO-160G中定義安裝在動(dòng)力艙的設(shè)備等級(jí)為D3，除高溫工作溫度以及地面高溫耐受溫度不同外，均與D2等級(jí)相同，設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的特性來(lái)獲取準(zhǔn)確的環(huán)境條件作為輸入。

對(duì)于飛機(jī)外部安裝的設(shè)備，如傳感器、探頭等，則根據(jù)飛機(jī)溫度包線(xiàn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)DO-160G溫度和高度章節(jié)的試驗(yàn)條件和程序進(jìn)行研究，結(jié)合民用飛機(jī)內(nèi)外部環(huán)境條件的一般特點(diǎn)，給出了現(xiàn)有民用飛機(jī)在溫度環(huán)境設(shè)計(jì)中的指導(dǎo)原則，在此基礎(chǔ)上可逐步迭代，最終設(shè)計(jì)出適應(yīng)飛機(jī)環(huán)境的系統(tǒng)和機(jī)載設(shè)備等，同時(shí)也為系統(tǒng)正常工作設(shè)計(jì)相應(yīng)的環(huán)境條件作為保障。當(dāng)然需要指出的是，DO-160標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要針對(duì)的是電子電氣設(shè)備，并不能直接拿來(lái)解決飛機(jī)所有部件的環(huán)境需求，對(duì)于某些系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)件需要承受很高溫度的影響，如氣源管路等，這類(lèi)部件就需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)具體情況按照材料特性選取以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于民用飛機(jī)環(huán)境工程師，DO-160是值得深入研究的，通過(guò)積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合型號(hào)經(jīng)驗(yàn)來(lái)為民用飛機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)打下更好的基礎(chǔ)。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]