光電偵察裝備高原環(huán)境試驗研究

李忠升，王佳笑，劉學俊，張德斌，宋余華，王曄，劉亞飛，廖彩紅

（1.63870 部隊，陜西 渭南 714200；2.江蘇曙光光電有限公司，江蘇 揚州 225009）

我國是一個多高原多山地的國家，全國陸地總面積的60%以上地區(qū)海拔在1 km 以上，33%以上地區(qū)的海拔超過2 km，16%以上地區(qū)的海拔超過3 km[1]。高海拔地區(qū)多屬于邊境地區(qū)。由于邊境高原地區(qū)的地理位置比較特殊，近年來隨著周邊形勢的變化，高原軍事斗爭準備的深入推進，高原環(huán)境適應性已成為各裝備定型試驗的必考內(nèi)容。未來戰(zhàn)爭模式的變化給作戰(zhàn)裝備提出了更全面的要求，武器裝備不僅需要具備全面的戰(zhàn)技指標要求，同時還需要適應復雜的戰(zhàn)場環(huán)境條件。因此，通過環(huán)境試驗手段盡早地全面評價和鑒定新研制光電裝備的實際作戰(zhàn)能力，以及滿足戰(zhàn)時需求的程度，將在未來的作戰(zhàn)中對戰(zhàn)局產(chǎn)生重大影響[2]。定型試驗是在接近實戰(zhàn)條件下對新裝備進行全面考核，確定其戰(zhàn)技性能和作戰(zhàn)使用性能是否達到研制總要求和設(shè)計定型試驗大綱所進行的試驗。光電偵察裝備作為武器裝備的重要組成部分，無論是單獨使用還是配屬于其他武器系統(tǒng)，其高原環(huán)境適應性已成為使用單位關(guān)心的重要內(nèi)容。目前，承試單位進行的高原環(huán)境適應性試驗，基本上都是在高原實地環(huán)境下對武器裝備的主要技術(shù)性能進行考核，有些指標只能進行簡單的功能性試驗，時間短、科目少，不能充分驗證高原環(huán)境適應性能，不能高效揭示存在的設(shè)計缺陷。因此，開展光電偵察裝備的高原環(huán)境試驗研究已成為迫切需要。

1 光電偵察裝備對高原環(huán)境試驗的需求

低氣壓是高原環(huán)境的一個典型特征。研究表明，隨著空氣壓力或空氣密度的降低，電子產(chǎn)品的外絕緣強度會出現(xiàn)下降。這對于軍工電子產(chǎn)品的影響不可小視[3]，嚴重時會影響到產(chǎn)品的正常使用。在海拔5 km范圍內(nèi)，高度每升高 1 km，平均氣壓會下降 7.7～10.5 kPa，電子產(chǎn)品的外絕緣強度則會下降8%～13%。絕緣強度的降低，將會導致均勻電場氣體間隙間出現(xiàn)電壓擊穿。1889 年，帕邢根據(jù)平行平板電極的間隙擊穿試驗結(jié)果得出了帕邢定律，表征了均勻電場氣體間隙的擊穿電壓、氣體壓力和電極距離之間的關(guān)系定律。

式中：U0為擊穿電壓；a、b 為常數(shù)，與氣體的成分有關(guān)，在標準氣壓下，a=43.66，b=12.8；p 為氣體的壓力；d 為電極的距離。

描述擊穿電壓、氣體壓力和電極距離之間的關(guān)系曲線如圖1 所示。

圖1 帕邢曲線

軍用光電偵察裝備作為軍工電子的特殊產(chǎn)品之一，通常包括白光、CCD、微光、熱像等偵察手段。經(jīng)過多年發(fā)展，隨著產(chǎn)品集成度的提高，現(xiàn)在的光電偵察裝備已經(jīng)逐漸集成了激光測距以及照射等特殊功能。由于激光產(chǎn)品內(nèi)部存在幾百伏左右的充電電壓、近千伏左右的封鎖電壓以及上萬伏左右的打火電壓，多路高壓同時并存一方面使得光電產(chǎn)品內(nèi)部電磁環(huán)境復雜，同時對產(chǎn)品電氣絕緣強度也提出了較高要求。尤其是高原環(huán)境的低氣壓條件下，產(chǎn)品內(nèi)部電氣絕緣強度的下降及密封性能的降低，將會直接影響到產(chǎn)品的性能。因此需要對該類光電偵察裝備在交付用戶之前進行充分的性能檢測。

軍用裝備試驗室環(huán)境試驗方法的第2 部分低氣壓（高度）試驗規(guī)定了通用武器裝備高原環(huán)境試驗需求在于確定裝備在常溫的環(huán)境條件下，通過高原環(huán)境模擬試驗條件，判斷被試裝備耐受高原實地環(huán)境的能力；檢驗被試裝備在高原環(huán)境模擬試驗條件下能否正常工作；驗證被試裝備在空氣壓力快速變化的條件下能否耐受[4]。軍用光電測角儀的試驗方法中要求光電偵察裝備在經(jīng)歷高原環(huán)境模擬試驗后被試產(chǎn)品仍能夠正常工作；被試產(chǎn)品殼體及零部件不能產(chǎn)生變形；被試產(chǎn)品的氣密性能不能受到破壞[5]而下降。末制導激光測距目標指示器的試驗方法中要求光電偵察裝備應能夠在57 kPa 的氣壓下正常工作；同時被試產(chǎn)品能經(jīng)受18.8 kPa 的快速減壓，減壓試驗恢復到正常氣壓環(huán)境條件下，被試產(chǎn)品仍能夠工作，戰(zhàn)術(shù)性能不能下降；不得出現(xiàn)產(chǎn)品密封性能遭到破壞、電子元器件性能下降和光學零件膜層損壞、低密度材料發(fā)生化學及物理變化而失去其作用[6]等情況。

根據(jù)通用環(huán)境試驗方法，結(jié)合前期軍用光電偵察裝備在高原實地試驗中暴露的問題，以及用戶關(guān)心的高原環(huán)境試驗科目，總結(jié)軍用光電偵察裝備高原環(huán)境試驗的基本需求如下：在高原低氣壓試驗條件下，被試產(chǎn)品應能夠耐受與實際使用條件對應的高、低溫環(huán)境溫度以及低氣壓環(huán)境，確保被試產(chǎn)品能夠正常工作，性能不下降；耐受快速減壓的空氣壓力變化；產(chǎn)品殼體及零部件不能夠產(chǎn)生變形；產(chǎn)品密封性不能夠被破壞；電子元器件和光學零件不能夠損壞；低密度材料不能夠發(fā)生物理及化學變化而失去其作用；產(chǎn)品觀瞄及偵察性能不能夠有所下降。

光電偵察類產(chǎn)品高原環(huán)境模擬試驗的目的都是用于考察被試品對高原環(huán)境模擬試驗條件的環(huán)境適應能力，確認被試品能否承受高原實地環(huán)境，驗證產(chǎn)品能否在使用地理位置耐受快速減壓的空氣壓力變化，仍然能夠正常工作，確認被試品在經(jīng)歷過高原環(huán)境模擬試驗后是否存在器件損傷的情況。研究表明，3 萬m 以上的高空由于空氣特別稀薄，因此安裝或工作在航天器、特種飛機和導彈上的設(shè)備，當飛行高度超過3 萬m 時，不存在低氣壓問題[7]，上面總結(jié)的試驗方法不適用。

2 高原環(huán)境特點及對光電偵察裝備環(huán)境試驗的潛在影響

根據(jù)軍用光電偵察裝備高原環(huán)境試驗需求，從高效完成試驗任務、裝備快速形成戰(zhàn)斗力角度出發(fā)，分析了高原環(huán)境特點、被試光電偵察裝備、試驗保障人員、試驗保障裝備等人機環(huán)因素對試驗帶來的潛在影響。

2.1 高原環(huán)境

由于光電偵察裝備一般采用密封工藝提高產(chǎn)品的可靠性，低溫、低氣壓的條件對光電偵察裝備會帶來密封性能下降，導致產(chǎn)品出現(xiàn)漏氣、內(nèi)部高壓電路絕緣強度下降等潛在影響使得產(chǎn)品性能下降。高原地區(qū)地勢崎嶇不平坦，周邊變化較大，道路路面較窄，條件相對較差，加上上下坡較多，有的坡道又長又陡，而且彎道也比較多還特別急，道路運輸條件相對平原條件較為惡劣，會導致被試產(chǎn)品的機動保障裝備行駛不安全[8]。

2.2 試驗保障人員

高原環(huán)境缺氧是對試驗保障人員最大的影響。視覺對缺氧最為敏感，當海拔高度超過4 km 以上時，人在夜間的視力會明顯下降；在海拔2 km 時，大部分人的記憶力便開始受到影響；海拔3 km 時，人各方面思維能力將全面下降，其中判斷力下降尤為明顯；海拔5 km 左右時，人的記憶會出現(xiàn)薄弱，這個時候很難同時記住兩件事情了。在高原環(huán)境下，人體通過呼吸和皮膚排出的水分為同一緯度平原地區(qū)人體排出水分的2 倍，表現(xiàn)為口干、唇干。高原環(huán)境下人的血壓相對于平原的血壓會升高，呼吸也從60、70 次/min 升高到上百次每分鐘。因此，在高原實地環(huán)境下，人的反應速度會下降，動作會遲緩，耐受性會降低，意識會恍惚，對考核光電裝備的某些性能指標時會有一定影響，對評價武器裝備的架設(shè)和撤收時間、操作性能及人機環(huán)特性有一定的影響，尤其是夜間操縱光電偵察裝備的情況下，整個試驗的準備、實施、撤收時間將明顯延長。

2.3 被試光電偵察裝備

太陽輻射、紫外線輻射量對一些高分子材料的破壞作用不可忽視，特別是對有機材料的老化效應尤為顯著。高原環(huán)境下，太陽的輻射愈加強烈，結(jié)合晝夜間較大的溫差綜合作用，對光電偵察裝備殼體表面的油漆涂層老化和龜裂會起到加速作用。

高原實地條件下，光電偵察裝備光學系統(tǒng)內(nèi)部密封圈、密封膠等的物理和化學性質(zhì)會發(fā)生變化，增大氣體泄漏率，造成裝備內(nèi)部光學諧振腔發(fā)生扭曲變形，降低出光效率。密封性能的下降，在電場強度較強的電極附近慢慢會產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，產(chǎn)生炭化形成雜質(zhì)，惡性循環(huán)使絕緣強度越來越低，嚴重時會發(fā)生空氣間隙擊穿，使得設(shè)備不能正常工作。因此，高原實地環(huán)境下對光電偵察類產(chǎn)品的電氣性能也會產(chǎn)生影響，特別是以空氣作為絕緣介質(zhì)的光電偵察裝備，低氣壓環(huán)境對其影響更明顯[9]。

低氣壓與常壓試驗條件下，光電偵察裝備產(chǎn)品內(nèi)部各高壓部件的絕緣強度對比關(guān)系如圖2 所示。

圖2 光電偵察裝備產(chǎn)品內(nèi)部各高壓部件的絕緣強度

低溫和低氣壓環(huán)境的結(jié)合會使光電偵察裝備光學系統(tǒng)的鏡頭曲率發(fā)生一定變化，造成成像質(zhì)量下降，進而影響觀瞄效果。高原實地條件下，輻射和強風沙也會使裝備使用壽命出現(xiàn)下降[10]。

高原地區(qū)常年保持著零下氣溫，目標背景溫度較平原變化大，熱效應較為明顯。4500 m 以上的高海拔地區(qū)，背景相對單調(diào)，光輻射強度較高，車輛在行駛過程中，與背景產(chǎn)生十分明顯的溫差[11]，運動類車輛目標在高原寒冷氣候條件下紅外特征會更加明顯。高原地區(qū)空氣稀薄，大氣對光的衰減效應比平原地區(qū)大幅下降，高原空氣稀薄使光電裝備偵察距離更遠，更利于光電偵察裝備對目標的偵察。

2.4 試驗保障裝備

高原環(huán)境下，氣壓及溫度的下降，導致保障車輛發(fā)動機起動困難，熱負荷增大，排放惡化，造成動力性和經(jīng)濟性降低，需要充分考慮保障的預案。某裝備在高原夜間制熱時，由于高原大氣含氧量低，不充分的燃油燃燒，使得燃油加熱器產(chǎn)生大量炭黑，堵塞進氣孔，造成多次自動關(guān)機[12]。

高原地區(qū)海拔高，地形復雜，多高山陡坡，多低溫，無線通信較為困難，長時間的凍土層加大了有線通信的架設(shè)難度。這些氣候原因所帶來的問題都將直接影響通信裝備的穩(wěn)定性和效能的發(fā)揮，給通信聯(lián)絡帶來諸多的不穩(wěn)定性。在發(fā)生意外情況時，帶來的后果有可能會是致命的[13]，而光電偵察裝備的使用通常需要伴隨通信保障，對高原環(huán)境的通信保障也提出了較高的要求。

3 高原環(huán)境試驗的考慮

3.1 試驗思路

高原環(huán)境的特殊性需要光電偵察裝備在設(shè)計上采取相應的技術(shù)和防護措施，保證武器裝備不受高原環(huán)境的損害正常工作，滿足高原環(huán)境的長期存放和使用要求，保證可靠性。同時通過必要的模擬高原試驗，減輕試驗人員高原不適的影響。

第一步：檢查裝備是否在外觀、防靜電和雷擊、電子產(chǎn)品散熱與防擊穿、光學系統(tǒng)設(shè)計、人員的防護等方面考慮高原環(huán)境的影響，是否考慮了高原環(huán)境適應性設(shè)計。即使產(chǎn)品一時能通過高原實地試驗，但因其未進行相應的高原環(huán)境防護設(shè)計，其在高原長期工作的可靠性是值得懷疑的。

第二步：通過模擬高原環(huán)境的平原試驗，合理減少高原實地試驗的工作時間，減輕試驗保障人員高原不適應的壓力。

第三步：在高原實地長期存放試驗環(huán)節(jié)，主要考核被試裝備處于高原實地環(huán)境下的長期適應能力?？紤]到高原實地與平原環(huán)境之間的主要差異為低氣壓應力、低溫應力、白天夜間的溫度沖擊應力、太陽輻射應力、雷電應力，因此也可采用低氣壓貯存試驗、低溫貯存試驗、溫度沖擊試驗、太陽輻射試驗、靜電荷試驗以及外部電磁輻射試驗進行高原實地環(huán)境的模擬試驗。模擬高原試驗后對主要檢查被試裝備的外觀有無油漆龜裂、變色，有機材料是否老化，產(chǎn)品的密封性能，被試裝備各項電氣及其他功能是否正常。若以上檢查滿足要求，則認為被試裝備滿足高原實地環(huán)境的長期存放要求。

第四步：性能試驗環(huán)節(jié)，主要考核被試裝備的各項性能是否滿足規(guī)定的要求。對于光電偵察裝備，性能考核分為光電裝備的探測、識別距離性能考核以及輸出性能考核。由于高原空氣稀薄，背景與目標溫差大的原因，光電裝備的偵察距離一般要大于平原。若裝備有專門的高原性能指標，則嚴格按照要求考核其在高原實地的性能；若裝備沒有專門的高原性能指標，可以參照平原指標進行。試驗中要嚴格控制試驗條件，尤其是紅外性能的考核，要嚴格控制試驗溫差條件。對于激光裝備，應重點考察激光裝備的激光能量、測距能力等主要輸出指標是否滿足指標要求。

從被試光電偵察裝備在高原條件下的性能、不被破壞的能力、環(huán)境因素的適應性三方面形成完整的評價體系，能夠定量地、有針對性地反映光電偵察裝備對高原環(huán)境的適應能力，符合現(xiàn)實情況，具有較強的可操作性[14]。

3.2 試驗方法和手段

早期項目研制過程中，由于未明確高原使用條件，沒有針對高原環(huán)境進行適應性設(shè)計，因此一些產(chǎn)品在高原條件下使用出現(xiàn)了問題。近年來，隨著周邊環(huán)境的變化，高原環(huán)境的使用需求越來越迫切。

根據(jù)高原環(huán)境的氣候特點，結(jié)合人員及陪試裝備的承受能力，總結(jié)了高原環(huán)境試驗采取模擬高原試驗與高原實地試驗測試結(jié)果相結(jié)合的試驗評估方法，可以合理、準確、有效地反映光電裝備產(chǎn)品在高原條件的技術(shù)性能水平，評估方法及步驟如圖3 所示。

圖3 測試評價方法流程

針對高原環(huán)境的低溫、低氣壓以及產(chǎn)品實際使用過程中可能存在的運輸條件，試驗過程可以根據(jù)式（2）和式（3）對應的溫度-高度關(guān)系進行單項試驗或與運輸條件綜合的多項試驗，全面考察模擬高原環(huán)境產(chǎn)品的適應性，試驗之前需先檢查產(chǎn)品的密封性能。

3.3 試驗結(jié)論及分析

某型號光電裝備產(chǎn)品在樣機研制階段，考慮了高原環(huán)境的設(shè)計，采用了氣壓、溫度、運輸?shù)葪l件的模擬高原試驗，對產(chǎn)品的電氣性能進行了檢測。檢測過程中發(fā)現(xiàn)，低氣壓條件下，產(chǎn)品內(nèi)部高壓電路爬電、漏電造成絕緣強度下降，導致工作異常的情況，提前暴露了高原環(huán)境可能遇到的問題。進行增加高壓線距以及點膠等工藝技術(shù)改進后，在模擬高原試驗條件下產(chǎn)品工作正常。

針對高壓電纜接線柱、電接頭等粘接環(huán)節(jié)在模擬高原條件下的絕緣強度下降問題，經(jīng)過試驗驗證，測試比較了幾種絕緣膠的電絕緣強度，見表1。

表1 絕緣膠粘劑的特性比較

試驗證明，SG-14 號高壓絕緣膠能夠有效解決光電偵察裝備類激光產(chǎn)品中高壓電路在模擬高原試驗條件下爬電漏電等問題。通過高壓電路及連接部位的點膠工藝，提高了產(chǎn)品在模擬高原環(huán)境條件下的適應性。

針對部分導線在模擬高原試驗條件下絕緣強度下降的情況，測試比較了幾種硅橡膠絕緣高壓安裝導線的耐壓強度，見表2。

表2 絕緣高壓安裝導體的特性比較

試驗證明，AGG-15 1*0.2 硅橡膠絕緣高壓安裝導線能夠有效解決光電偵察裝備類激光產(chǎn)品中高壓打火電路在模擬低氣壓條件下爬電漏電等問題；AGG-5 1*0.2 硅橡膠絕緣高壓安裝導線能夠有效解決光電偵察裝備類激光產(chǎn)品中高壓封鎖及充電電路在模擬高原試驗條件下爬電漏電等問題。通過更換高壓絕緣導線，提高了產(chǎn)品在模擬高原環(huán)境條件下的適應性。

高原海拔高度與低氣壓條件之間的關(guān)系為：

式中：P 為當前高原海拔高度對應的低氣壓值，kPa；h 為當前高原海拔高度，m。

高原海拔高度與溫度之間的關(guān)系為：

式中：t 為當前海拔高度下對應的溫度，℃。

高原海拔高度與低氣壓以及高原海拔高度與溫度之間的關(guān)系如圖4 所示。

通過上述試驗方法進行模擬高原試驗之后，在設(shè)計定型階段的高原實地試驗全面考核中，產(chǎn)品未出現(xiàn)電氣性能上的任何質(zhì)量問題，有效地縮短了高原試驗的周期。涉及到產(chǎn)品光學識別及探測能力的高原性能檢測，由于缺乏模擬測試手段，在高原實地環(huán)境條件下進行了測試，通過多人綜合評判的方式，未發(fā)現(xiàn)與理論設(shè)計出現(xiàn)大的出入。

圖4 高原海拔高度與低氣壓和溫度之間之間的關(guān)系

4 研制建議

目前，光電偵察裝備普遍按照海拔幾千米的高度設(shè)計，通過采取一定的設(shè)計及工藝技術(shù)措施，基本能夠滿足海拔幾千米的高原環(huán)境條件的使用要求。考慮到后續(xù)可能出現(xiàn)的極端氣候環(huán)境以及更高海拔條件下的高空環(huán)境下進行使用，因此有必要對武器裝備采取進一步的應對及改進措施[15]。

4.1 小型化、輕量化設(shè)計

光電偵察裝備已經(jīng)從白光單一觀瞄設(shè)備逐漸發(fā)展為多功能的智能化光電裝備，功能強大的同時，對裝備的集成化設(shè)計也提出了更高的要求，根據(jù)作戰(zhàn)使命，結(jié)合各功能模塊的應用環(huán)境，合理進行集成化或者積木式設(shè)計需要重點考慮。研究報告中稱，對于單兵而言，較為理想的負重應該控制在25～40 kg 之間。要在短時間內(nèi)達到這個目標有三種方式：盡量少地攜帶裝備和物資、盡可能地減輕裝備自重以及采用更先進的攜行方案[16]。根據(jù)《超負荷步兵戰(zhàn)士》的報告，現(xiàn)代戰(zhàn)場上的士兵通常需要攜帶相當于自身體重1/2的裝備和物資執(zhí)行作戰(zhàn)任務，這極大地影響了士兵們的戰(zhàn)斗力。過高的單兵負重主要從兩個方面拖了戰(zhàn)斗力的后腿：一是造成大量因疲勞性損傷導致非戰(zhàn)斗力減員；二是影響士兵在戰(zhàn)斗中的靈活性和機動能力。因此作為配備于前沿陣地的光電偵察裝備必須進行小型化輕量化設(shè)計。

4.2 可靠性設(shè)計

為了保證光電武器裝備高原環(huán)境長期使用的可靠性，在研制環(huán)節(jié)應考慮高原環(huán)境防護設(shè)計，重點考慮以下幾個方面。

1）外觀及表面設(shè)計。高分子材料建議選用具有較好的耐寒、臭氧、熱氧、光、大氣老化性能的三元乙丙橡膠，適應高海拔山地地區(qū)紫外光線照射。金屬表面防護建議選用環(huán)氧-聚酰胺底漆和丙烯酸聚氨酯面漆復合涂層，具有優(yōu)異的防腐、耐候性能，可以適應高原地區(qū)日照強、風沙大的環(huán)境特點。

2）電子設(shè)備設(shè)計。電子元器件選用應重點考慮高原氣候特點，選用滿足高原環(huán)境要求的開關(guān)、接插件和電線保護套等軍品級器件，并采取灌封設(shè)計、密封措施，選用軟膠電線、防塵接插件，采用耐低溫、防紫外線的電子元材料，使設(shè)備能滿足高原環(huán)境下的工作要求。加大高壓、大電流信號的板上線間距，加大爬電距離是提高高壓電路板印制線間及板間擊穿電壓的有效方法，但是必然會增加電路板板面面積，增加設(shè)備的體積和質(zhì)量。也可以采取空間走線的技術(shù)手段把平面爬電變?yōu)榭臻g的電氣間隙，將部分高壓印制線通過高壓導線加絕緣套管進行在空間進行電氣連接，提高擊穿電壓[17]，適應高原環(huán)境。

3）光學系統(tǒng)設(shè)計。針對高原環(huán)境對光學系統(tǒng)的影響，針對性解決措施建議：改進完善光學設(shè)計，改變非球面光學鏡片數(shù)目，減小高原環(huán)境帶來的光學離焦效應；在校正方法上進行工藝保證，對離焦量進行補償；選用特殊材料的光學材質(zhì)，降低離焦效應。為了減少高原環(huán)境下強光輻射、長時間的風沙對光電偵察裝備使用壽命的影響，可以對光學零件鏡頭膜層鍍制工藝進行選擇。如鍍制金剛膜，既可防止紫外線進入，又可有效保護光學系統(tǒng)不被風沙損壞，同時保證光學性能。

5 結(jié)語

隨著裝備戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標的不斷完善，光電偵察裝備的高原環(huán)境試驗已成為基地試驗的常態(tài)。高原地區(qū)由于其使用環(huán)境的特殊性，決定了光電偵察被試裝備和參試和保障設(shè)備在設(shè)計、研制過程中必須充分考慮高原環(huán)境因素的影響，提高光電偵察裝備的高原環(huán)境適應性，保證光電偵察裝備高原環(huán)境的長期存放和使用要求。

文中總結(jié)的絕緣膠以及絕緣導線可以在光電偵察裝備早期研制過程或者高原試驗出現(xiàn)絕緣強度下降影響產(chǎn)品性能時參考使用。密封性-高度-溫度-振動等高原環(huán)境單項以及多項綜合模擬的試驗方法與步驟，模擬高原試驗與高原實地試驗測試相結(jié)合的試驗評估方法對光電偵察裝備的研制及試驗過程具有一定的借鑒意義。