慣性器件綜合環(huán)境試驗技術(shù)發(fā)展淺析

關(guān)偉 王洪巖

摘要：為便于在地面模擬慣性器件的跨地區(qū)、全時段作戰(zhàn)環(huán)境，并評價多種環(huán)境參數(shù)綜合作用對慣性器件可靠性的影響，有必要開展慣性器件綜合環(huán)境試驗技術(shù)研究。通過歸納分析綜合環(huán)境試驗技術(shù)及其在慣性器件測試中的應用，指出慣性器件綜合環(huán)境試驗技術(shù)的發(fā)展趨勢和關(guān)鍵問題，為提升慣性器件在復雜工況下的測試技術(shù)水平提供參考。

關(guān)鍵詞：慣性器件；綜合環(huán)境試驗；環(huán)境可靠性；試驗技術(shù)

Keywords：inertial devices；composite environmental testing；environmental reliability；testing technology

0 引言

慣性器件是精確制導武器裝備的控制核心，其可靠性直接影響精確制導武器裝備作戰(zhàn)任務的成敗。隨著精確制導武器跨地域、全天候作戰(zhàn)要求不斷提高，如何評估慣性器件在復雜作戰(zhàn)環(huán)境下的可靠性成為精確制導武器裝備維護保障的難點。國軍標和美軍標均認為，綜合環(huán)境試驗可能比一系列連續(xù)的單個試驗更能代表實際環(huán)境效應，鼓勵當使用環(huán)境中遇到這些條件時應進行綜合環(huán)境試驗[1，2]。根據(jù)慣性器件的實際使用環(huán)境，設(shè)計相應的綜合環(huán)境試驗來評價慣性器件在多重環(huán)境應力綜合作用下的可靠性和適應性，成為完善慣性器件性能評估鑒定能力的重要途徑之一。

1 慣性器件的綜合環(huán)境試驗

綜合環(huán)境試驗是環(huán)境可靠性試驗的一種，以其全系統(tǒng)、多剖面、高仿真的優(yōu)點成為了考核武器裝備實戰(zhàn)化性能的重要手段。按綜合環(huán)境試驗使用的主體設(shè)備不同，可將其分為以下幾類。

第一類，以振動臺和綜合環(huán)境試驗箱為主體。二者配合構(gòu)成的溫度—濕度—振動、熱—振動、溫度—噪聲—振動等綜合環(huán)境試驗是廣泛用于國內(nèi)各類慣性器件及其配套武器裝備環(huán)境模擬考核的標準試驗項目[3，4]，在慣性器件的出廠鑒定、性能評估、過程試驗等環(huán)節(jié)中均可使用。

第二類，以風洞為主體。例如，風洞—高低溫試驗、風洞—砂塵試驗等綜合環(huán)境試驗，其主要試驗對象是飛機、導彈、運載火箭等飛行載體。風洞內(nèi)溫度、氣壓等氣候環(huán)境控制是此類試驗的難點[5]。由于慣性器件安裝在載體內(nèi)部，隨載體一同開展此類項目，因此主要是在整體裝配后開展，以系統(tǒng)級試驗為主。慣性器件主要受溫度、振動、輻射等環(huán)境參數(shù)傳遞影響。

第三類，以離心機為主體。例如，離心—振動復合環(huán)境試驗、離心—溫度復合環(huán)境試驗、離心—噪聲復合環(huán)境試驗等，對于考察慣性器件在高過載條件下的可靠性和環(huán)境適應性有重要意義。浙江大學、北京強度環(huán)境研究所針對航天器元件大過載條件下的測試問題開展了相關(guān)研究[6，7]。中國工程物理研究院針對核戰(zhàn)斗部這一特殊部件，專門提出了振動—加速度試驗方法，并制定了相應的國軍標[8]。離心機產(chǎn)生的離心力場對溫度、氣壓、濕度的分布都有影響，在高精度試驗中這一點需要重點注意分析。

第四類，以電磁環(huán)境試驗室為主體。例如，電磁—溫度、電磁—濕度等電磁環(huán)境與自然環(huán)境綜合試驗，為裝備在電磁環(huán)境與溫度、濕度環(huán)境綜合作用下的效應機理研究和適應性考核提供了手段[9]。無論是傳統(tǒng)的機電式慣性器件，還是先進的微機電慣性器件、量子慣性器件，電磁干擾都是影響產(chǎn)品性能的重要因素。慣性器件在電磁綜合環(huán)境下的可靠性是評估眾多武器裝備能否實現(xiàn)二次反擊的重要指標。需要注意的是，電磁發(fā)生設(shè)備以外的其他設(shè)備可能產(chǎn)生額外的電磁干擾，在試驗過程中需要仔細甄別被試產(chǎn)品所收到的電磁激勵量級與變化特性。

第五類，以多自由度運動模擬設(shè)備為主體。例如，六自由度運動模擬臺、六自由度振動臺、五軸運動仿真臺等設(shè)備，已經(jīng)能夠模擬飛機、艦船、車輛等動態(tài)條件，用于評估慣性器件在多自由度運動環(huán)境下的導航性能。三軸線振動臺、三軸角振動臺等設(shè)備則能夠?qū)T導系統(tǒng)的線振動特性和角振動特性進行專門的測試，評估給定振動條件下的可靠性。振動類設(shè)備已經(jīng)從振動模態(tài)分析、結(jié)構(gòu)可靠性測試發(fā)展到運動模擬過程中的性能測試[10]。

2 慣性器件綜合環(huán)境試驗技術(shù)的發(fā)展趨勢

從慣性器件的綜合環(huán)境試驗情況分析，慣性器件作為控制系統(tǒng)或傳感測量系統(tǒng)的一部分，一般位于載體內(nèi)部，所經(jīng)受的環(huán)境條件以溫度、濕度、氣壓、電磁、振動、沖擊、恒加速度等為主。如果慣性器件外圍是帶有溫度控制裝置的環(huán)境，則實際應用中需要側(cè)重考慮電磁、振動、沖擊、恒加速度等環(huán)境條件的干擾。按照國家軍用標準規(guī)定，目前慣性器件的環(huán)境試驗項目規(guī)定了試驗前、試驗中和試驗后的性能測試項目，以評估環(huán)境試驗對慣性器件精度性能的影響。因此，環(huán)境試驗與精度測試的關(guān)聯(lián)性越來越強。但是，現(xiàn)有的綜合環(huán)境試驗存在顯著問題，限制了慣性器件綜合環(huán)境試驗水平的提升。主要有兩點。

第一，綜合環(huán)境試驗設(shè)備輸出參數(shù)的重復性較差。導致重復性差的原因之一是試驗設(shè)備自身性能的重復性問題，另一個重要原因是綜合環(huán)境試驗設(shè)備產(chǎn)生的是相互耦合的環(huán)境條件，時變特性明顯。例如，離心—溫度綜合試驗設(shè)備中，離心力影響了溫度場分布的均勻性；溫度—濕度—振動綜合試驗設(shè)備各部件產(chǎn)生的電磁干擾、熱能傳遞也會影響被測產(chǎn)品。重復性對于準確評估環(huán)境試驗條件對慣性器件性能的影響有較大的影響。

第二，綜合環(huán)境試驗設(shè)備所在廠房環(huán)境干擾大。環(huán)境試驗設(shè)備一般處于空間較為開闊的廠房，且不是獨立放置。如果廠房內(nèi)部溫濕度控制要求不高，且配套設(shè)備（如風冷系統(tǒng)、控制柜、配電箱）與試驗設(shè)備隔離不嚴格，將引起綜合環(huán)境試驗設(shè)備所在廠房環(huán)境條件波動大、試驗環(huán)境中的干擾條件難以有效控制等問題，對于高精度慣性器件性能測試來說是較大的誤差源。例如，配套設(shè)備或其他試驗設(shè)備共同工作時產(chǎn)生的電磁干擾、振動干擾會影響慣性器件性能測試結(jié)果；設(shè)備地基傾斜、供電系統(tǒng)的雜波干擾等也會影響慣性器件測試結(jié)果。

綜合環(huán)境試驗過程中多種環(huán)境參數(shù)相互耦合、共同作用于被測對象，作用規(guī)律具有強耦合、非線性、非同步時變性的顯著特點，對慣性器件的輸入—輸出關(guān)系產(chǎn)生復雜的影響。設(shè)計合理的試驗方法，建立有效的數(shù)學模型表征多個參數(shù)對慣性器件性能的影響，是提升慣性器件綜合環(huán)境試驗技術(shù)水平的關(guān)鍵。而在現(xiàn)有綜合環(huán)境試驗設(shè)備基礎(chǔ)上，通過配套外部測量基準，提升綜合環(huán)境試驗過程參數(shù)計量溯源能力，是準確建立數(shù)學模型的基礎(chǔ)，也是綜合環(huán)境試驗技術(shù)提升的一個重要方向。

3 結(jié)論

環(huán)境試驗技術(shù)與高精度測試技術(shù)之間相互融合、相互促進，綜合環(huán)境試驗技術(shù)的高精度測試屬性越來越明顯?，F(xiàn)有綜合環(huán)境試驗技術(shù)可用于評價實戰(zhàn)化條件下多種環(huán)境參數(shù)綜合作用對武器裝備性能的影響，但環(huán)境試驗前、中、后開展的性能試驗對慣性器件綜合環(huán)境試驗技術(shù)提出了環(huán)境參數(shù)精確量化的要求。無論是評估設(shè)備輸出性能的重復性還是試驗設(shè)備所在廠房的環(huán)境干擾，都要求對各種環(huán)境參數(shù)進行量值溯源。研究多參數(shù)復合條件下環(huán)境參數(shù)的精確測量與量值溯源技術(shù)是提升慣性器件綜合環(huán)境試驗技術(shù)的必然要求，也是滿足實戰(zhàn)化條件下高精度慣性器件維護保障需求的重要方面。

參考文獻

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作者簡介

關(guān)偉，博士，高級工程師，主要從事慣導系統(tǒng)修理技術(shù)及裝備研制、慣性測試計量技術(shù)及儀器等方向研究。