基于標準分析軍用飛機實驗室淋雨試驗參數(shù)設計

張昭，唐虎，張亞娟

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基于標準分析軍用飛機實驗室淋雨試驗參數(shù)設計

張昭，唐虎，張亞娟

（中航工業(yè)飛機強度研究所，西安 700165）

目的對軍用飛機淋雨試驗進行降雨參數(shù)設計，為軍用飛機實驗室淋雨試驗參數(shù)設計提供參考。方法采用逐一分析，橫向?qū)Ρ鹊姆椒?，對國軍標中部分與淋雨試驗相關(guān)的六個標準，以及國外的三個標準，在降雨強度、雨滴直徑及降雨方向等的參數(shù)設置進行分析。結(jié)果總結(jié)降雨強度設計的規(guī)律以及各標準在實驗室淋雨試驗設計時的作用，給出飛機水密性淋雨試驗和除雨性能淋雨試驗的部分降雨參數(shù)設計。結(jié)論給出的降雨強度參數(shù)符合各標準的要求，所總結(jié)的規(guī)律建立在深層理解各個標準的基礎(chǔ)上，為軍用飛機實驗室淋雨試驗參數(shù)設計提供了參考。

軍用飛機；淋雨試驗；降雨強度；雨滴直徑

淋雨可能導致飛機發(fā)生一些功能性的損害，例如雨水滲入導致電子設備故障、大雨導致飛機在起飛進場時能見度受影響等[1]。早期，降雨對飛機的影響被認為是輕微的。1977年，F(xiàn)AA對1964年到1976年的25起與低空風切變有關(guān)的飛機事故進行了研究，發(fā)現(xiàn)25起事故中飛機都遭遇了降雨或者降雪天氣，其中有17起事故與大雨有關(guān)，從此降雨對飛機的危害被重視起來[2]。

為了驗證飛機在淋雨氣候環(huán)境中仍然能夠?qū)崿F(xiàn)設計性能，需要進行淋雨試驗[3]。國外，如美國從20世紀40年代開始對飛機進行包括淋雨試驗在內(nèi)的實驗室氣候環(huán)境試驗[4-5]。目前，國內(nèi)尚不具備在實驗室進行淋雨試驗的條件，現(xiàn)代軍用飛機必須具備全天候作戰(zhàn)和跨區(qū)域作戰(zhàn)的能力[6]，國內(nèi)軍用飛機的實驗室氣候試驗勢在必行。淋雨試驗參數(shù)設計是對淋雨試驗的試驗條件進行具體規(guī)定，包括降雨強度、雨滴直徑及疊加風速等。目前，關(guān)于軍用飛機的實驗室淋雨試驗，有多項國軍標進行相關(guān)規(guī)定。由于標準提出單位、出發(fā)點以及類型不盡相同，存在對同一過程規(guī)定不一致的地方，并且部分標準由過去的引用標準發(fā)展為剪裁標準。這一變化對飛機淋雨試驗設計人員提出了更高的要求，設計人員需要根據(jù)飛機的部署、使用環(huán)境特點，充分理解現(xiàn)有標準的規(guī)定，對試驗參數(shù)、程序以及順序進行剪裁設計。

文中從不同角度，深入分析國內(nèi)和飛機淋雨試驗相關(guān)的數(shù)個標準，并結(jié)合國外標準，對淋雨試驗參數(shù)進行了對比分析。理清飛機淋雨試驗參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，得出能夠覆蓋大部分標準要求的淋雨參數(shù)，為將來國內(nèi)軍用飛機淋雨試驗設計提供參考。

1 相關(guān)國軍標

現(xiàn)行涉及軍用飛機淋雨試驗的標準較多，表1為部分與淋雨試驗相關(guān)的國軍標（起草單位只列出前三名）。內(nèi)容包括氣候極值、防水排水設計要求、實驗室試驗方法、風擋除雨系統(tǒng)規(guī)范等。這些標準出臺的背景、目的及考察部位不盡相同，標準提出方以及起草單位也不相同，導致對同一考察目的出現(xiàn)的降雨參數(shù)，比如降雨強度、雨滴直徑、風速等多種多樣。另外，一些問題幾個標準都沒有明確給出確定的參數(shù)。比如，GJB 150.8A中指出，該標準不適于進行飛機風擋除雨裝置評定，而GJB 5190中雖然規(guī)定了飛機風擋除雨系統(tǒng)的設計工作強度以及雨情分類，但是在試驗驗證部分沒有和其聯(lián)系起來，也沒有給出具體的降雨參數(shù)。另外，針對飛機防水性能考核試驗，GJB 150.8A，GJB 5431以及GJB 2417都對試驗提出了要求，但是降雨強度、降雨方向等參數(shù)都不一致。

在這些標準中，部分標準直接提供了淋雨試驗的參數(shù)及過程，如GJB 150.8A，是專門針對軍用設備淋雨試驗的軍用標準。GJB 2417是軍方提出的飛機防水性試驗要求，GJB 5431在設計要求的試驗驗證部分描述了淋雨試驗過程及參數(shù)，見表2。其他標準通過提出風擋除雨系統(tǒng)的設計強度、飛機進場保證能見度的降雨強度、軍用設備降雨極值等參數(shù)，間接體現(xiàn)了對淋雨試驗的參數(shù)要求。表2中，GJB 150.8A雨滴直徑0.5~4.5 mm是標準中對程序I和程序II的規(guī)定，其程序III的雨滴直徑另有專門規(guī)定。

表1 部分與飛機淋雨試驗相關(guān)的國軍標（后文中標準號省去版本號）

表2 部分標準規(guī)定的淋雨試驗相關(guān)參數(shù)

飛機淋雨試驗的主要目的有三個方面，一是考察飛機在淋雨環(huán)境中水密性（即防水排水性能），及發(fā)現(xiàn)由此導致的滲水部位及積水部位；二是考察飛機除雨系統(tǒng)性能，比如飛機在淋雨環(huán)境下進場時飛機風擋在除雨系統(tǒng)的幫助下能否提供必需的能見度；三是考察飛機在暴風雨環(huán)境下露天停放時是否會產(chǎn)生機械損傷。這三個主要考察目的中，又以前兩個最為關(guān)鍵。由于對降雨強度要求都比較高，暴風雨下機械損傷的試驗可以疊加到水密性試驗一并進行。下面以水密性試驗和除雨性能試驗為主，分析相關(guān)標準的規(guī)定并進行相關(guān)淋雨參數(shù)設計。

2 參數(shù)設計

2.1 水密性淋雨試驗參數(shù)

GJB 150.8A是一個軍用設備淋雨試驗的剪裁標準，是我國實驗室淋雨試驗的基本規(guī)范。標準的考核目的比較全面，主要涵蓋設備的防水密封性、裝備淋雨后的性能、淋雨過程中的物理損壞、及除雨裝置的有效性（標準注明不適于評定飛機風擋除雨裝置）。標準推薦的降雨參數(shù)也比較全面，除了基本的降雨強度、雨滴直徑及持續(xù)時間外，還有風速、接觸角、水溫與設備溫差等。其中風速的加入是為了制造雨流的傾角，以便增加設備的暴露面。標準指出，對于設備的側(cè)面，使雨水具有水平方向到45°的變化，其次對除雨設備性能的考核也需要疊加風速影響，同時也考察了設備在暴風雨中物理損害的可能性。標準規(guī)定，試驗開始前，設備溫度高于水溫10°左右，雨水與設備溫差的加入主要是為了增加設備內(nèi)部的負壓，以充分考核設備的防水密封性能[7]，其他國軍標中針對防水性試驗沒有提出該要求。

GJB 5431在飛機防水排水系統(tǒng)設計過程中的驗證環(huán)節(jié)，提出了試驗的降雨參數(shù)，規(guī)定了降雨強度、雨滴直徑及持續(xù)時間等主要降雨參數(shù)，對降雨方向的要求為垂直向下[8]。該試驗的目的比較明確，是考核防水排水系統(tǒng)的性能。

GJB 2417同GJB 5431類似，試驗目的是考核飛機的防水性能，它的特別之處在于標準由空軍提出，標準中的規(guī)定更直接代表了訂購方的要求。對于雨流方向，標準具體要求為未被機翼擋住的部位雨流方向為90°，維護口蓋處為45°，被機翼遮擋的部位為水平方向[9]。此部分規(guī)定較為具體，操作性強，在淋雨試驗方案制定過程中可以作為參考。另外該標準中規(guī)定的最大降雨強度是文中提及的標準中降雨強度最大的。

上文提到的三個標準，都適用于對飛機水密性能的試驗驗證，但是三個標準對于具體降雨參數(shù)的規(guī)定并不一致。其中，GJB 150.8A給出了程序I降雨和吹雨的推薦降雨強度（102 mm/h），對于程序II加強（水密性）并沒有給出推薦的降雨強度，只給出了噴嘴壓力，其降雨強度值將在下文討論。這樣來看，與其他兩個標準并不沖突，其他兩個標準給出的降雨強度值可以作為GJB 150.8A的剪裁參考值。對于另外兩個標準來說，同樣是對飛機防水性能的考察，GJB 2417的規(guī)定要比GJB 5431更加苛刻。前者最大降雨強度為288 mm/h，后者為230 mm/h。從標準的提出方來看，前者由采購方提出，后者由設計方提出。另外，GJB 150.8A在試驗程序選擇部分提到：選擇程序時，應選擇能代表預期最嚴酷的暴露程序。該原則對于參數(shù)選擇同樣適用，具體進行試驗降雨強度選擇時，應該根據(jù)該原則和委托方的要求進行綜合考慮。

關(guān)于降雨方向的規(guī)定，三個標準互不相同，GJB 150.8A對于設備側(cè)面，要求降雨方向為水平到45°，GJB 5431要求垂直降雨，GJB 2417進行了分類規(guī)定。三個標準中，GJB 2417的規(guī)定最具針對性，也最為具體。在試驗設計時，降雨方向的設計，應盡可能地參考GJB 2417的規(guī)定。

2.2 飛機除雨性能試驗降雨參數(shù)

GJB 5190《飛機風擋除雨系統(tǒng)通用規(guī)范》沒有明確規(guī)定淋雨試驗的參數(shù)，但給出了風擋除雨系統(tǒng)的設計參數(shù)：工作降雨強度為48 mm/h，設計降雨強度為39 mm/h，其中前者為除雨系統(tǒng)工作的最大降雨強度，后者為除雨系統(tǒng)設計的指標值[10]。除此之外，該標準還對雨情進行分類，見表3。

表3 雨情分類

GJB 150.8A中注明，其對除雨裝置的考核不適用于飛機風擋裝置，GJB 5190內(nèi)容中試驗考核部分可以作為對GJB 150.8A在飛機風擋這一點的補充。標準中給出的雨情分類表，將降雨強度和雨滴直徑聯(lián)系起來，這是其他標準中沒有的，只是在雨滴直徑的數(shù)值上，與其他標準的值有細微差異。值得注意的是，標準給出了飛機風擋除雨系統(tǒng)的設計和工作降雨強度，以及雨情分類，但是在驗證試驗部分，并沒有給出具體的降雨參數(shù)。在GJB 2537—95中規(guī)定，風擋排雨系統(tǒng)“保證在100 mm/h降雨量條件下進場著陸能見度”[11]。這一規(guī)定表明，對飛機風擋系統(tǒng)的性能驗證試驗，降雨量應不小于100 mm/h。同時，考慮到飛機進場這一要求，在試驗時需要疊加一定的風速。綜上所述，試驗設計過程中，參考這三個標準給出的這些參數(shù)及試驗程序，結(jié)合飛機風擋排雨系統(tǒng)的實際設計指標，對不同的飛機的風擋除雨裝置進行針對性的性能驗證試驗設計。

2.3 結(jié)合氣候極值分析相關(guān)降雨參數(shù)

以上標準是對淋雨試驗或者除雨系統(tǒng)設計要求提出的降雨強度等參數(shù)要求，還有GJB 1172.5《軍用設備氣候極值地面降水強度》，標準給出的全國小時降雨量記錄極值為252.8 mm。表4截取了標準中軍用設備環(huán)境條件1 h地面降水面積風險率承受極值[12]。

表4 普通降水1 h降水歷時的降水量面積風險率承受極值 mm

GJB 1172中給出的最小面積風險率（即最大級別降水）的小時降雨量為113 mm/h。綜合上文提到的幾個標準，可以看出，GJB 150.8A中推薦的降雨強度102 mm/h，GJB 5190中霪雨的降雨強度100 mm/h與GJB 1172.5的10年小時降雨量相同或接近。其他幾個標準中提出的最大降雨強度230，288 mm/h與GJB 1172.5中的記錄極值252.8 mm接近。GJB 1172.5中的數(shù)據(jù)是綜合根據(jù)全國各地區(qū)的降雨情況以及長時間的降雨記錄數(shù)據(jù)綜合得到的，具備實際意義和應用價值，是飛機淋雨試驗設計重要的參考源，不過該標準的制定時間距今已有一段時間，需要關(guān)注新標準的頒布。

對于飛機水密性試驗，GJB 150.8A和GJB 5431對雨滴直徑的規(guī)定是0.5~4.5 mm，而GJB 2417未做要求。從這些要求來看，得不到降雨強度與雨滴直徑的具體對應關(guān)系。GJB 5190對雨情的規(guī)定則對此進行了補充，因此對飛機水密性試驗進行設計時可以參考此對應關(guān)系進行雨滴直徑設計。

3 國外相關(guān)標準對比與分析

在此有代表性地選取美國、英國及北約現(xiàn)行相關(guān)標準進行分析。這些標準與GJB 150A類似，是針對軍用設備的通用規(guī)范。對應于美軍標，GJB 150.8A和MIL-STD-810F對于降雨參數(shù)的規(guī)定基本相同，英軍標DEF STAN 0035和北約標準AECTP-300與GJB 150.8A相比參數(shù)相差較多，表5給出了這三個標準的部分參數(shù)。

表5 三個國外標準的部分參數(shù)設置

除了DEF STAN 00-35，其他標準，包括MIL- STD-810F，AECTP-300和GJB 150.8A給出了三個剪裁試驗程序。這三個程序分類大致相同，其中程序I為淋雨和吹雨，程序II為加強（水密性），程序III為滴水。文中列出了程序I的降雨強度，GJB 150.8A，MIL-STD-810F對程序II的降雨強度沒有具體給出，只規(guī)定了噴嘴壓力，均為276 kPa。AECTP-300對程序II降雨強度規(guī)定為2400 mm/h，噴嘴壓力為377 kPa[13-15]。由此可見，GJB150.8A中程序II水密性試驗的實際降雨強度也比較高，與上文提到的其他兩個針對水密性試驗的國軍標相比，對降雨強度的規(guī)定并不矛盾。

從降雨強度來看，DEF STAN 00-35和AECTP- 300的要求更加苛刻。DET STAN 00-35在降雨強度上，區(qū)分了歐洲部署和全球部署，進行了針對性設置，并且沒有區(qū)分程序I和程序II，因此降雨強度要求較高。另外該標準在雨滴直徑規(guī)定部分指出，雨滴直徑小于0.5 mm時，視為霧或毛毛雨。AECTP不同于其他標準，給出了程序II建議降雨強度，并且兩個程序的降雨強度要求都要比其他標準高。

綜上所述，國外標準在降雨參數(shù)的規(guī)定上與GJB 150.8A基本相同。在降雨強度的規(guī)定上，除了美軍標外，其他兩個標準均比GJB 150.8A要求更高一點，原因之一是他們考慮了全球部署的因素。

4 結(jié)論

1）對于飛機防水性試驗，根據(jù)“選擇能代表預期最嚴酷的暴露程序”這一原則，結(jié)合委托方需求，最大降雨強度在230~288 mm/h范圍內(nèi)選擇，降雨方向根據(jù)GJB 2417進行設計，飛機溫度高于降水溫度10 ℃左右。

2）對于飛機除雨性能考核試驗，由GJB 5190提供的雨情分類，最大工作雨情為100 mm/h，并且GJB 2537提出“保證在100 mm/h降雨量條件下的進場著陸能見度”，因此試驗降雨強度應不小于100 mm/h，推薦值為100 mm/h，并根據(jù)飛機實際情況，對應飛機風擋的方向疊加適當?shù)娘L速。

3）在進行飛機淋雨試驗設計時，以GJB 150.8A為主，以其他國軍標為輔作為試驗剪裁參考。GJB 150.8A規(guī)定最為具體，提供了不同試驗參數(shù)、程序、順序等的剪裁參考，包括了其他標準沒有提到的細節(jié)。GJB 5431和GJB 5190，GJB 2417等作為針對飛機風擋排水系統(tǒng)的針對性補充，后者體現(xiàn)了軍方的要求，GJB 1172.5對淋雨試驗參數(shù)設計提供數(shù)據(jù)支撐。

4）縱觀國內(nèi)外關(guān)于飛機淋雨試驗的降雨參數(shù)，這些參數(shù)與飛機的實際應用環(huán)境，部署位置等關(guān)系密切。在淋雨試驗設計時，要充分考慮每一架飛機的具體情況，結(jié)合相關(guān)標準，進行有針對性的剪裁。

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Analysis of Parameters Setting in Military Aircraft Laboratory Rain Test Based on Standards

ZHANG Zhao, TANG Hu, ZHANG Ya-juan

(AVIC Aircraft Strength Research Institute, Xi’an 710065, China)

Objective To design rainfall parameters for rain test of military aircraft rain test, and finally provide reference for parameters setting for laboratory rain test of military aircraft. Methods The six GJB standards and other three foreign standards were analyzed individually, and compared in parameters including rainfall rate, droplet size, duration time, rain angle, etc. Results The rules on design rainfall intensity and roles of each standard in designing laboratory rain test were summarized. Some rainfall parameters for rain test for water tightness and rain removal performance of aircraft were given. Conclusion The given value on rainfall intensity meets the requirements of all the standards. The rules summarized are established based on in-depth understanding of each standard. All these provide reference for parameters setting for laboratory rain test of military aircraft.

military aircraft; rain test; rainfall rate; droplet size

10.7643/ issn.1672-9242.2017.09.009

TJ07；V216

A

1672-9242(2017)09-0043-05

2017-05-04；

2017-05-16

張昭（1984—），男，碩士，主要研究方向為飛機結(jié)構(gòu)無損檢測及健康檢測。