車載裝備高溫環(huán)境論證問題及對(duì)策探討

陳穎

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七〇九研究所，武漢 430205）

引言

車載裝備因其具有良好的機(jī)動(dòng)性能，常作為海軍裝備體系的重要補(bǔ)充，涵蓋指揮、雷達(dá)、通信、后勤保障等多類型裝備，一般擔(dān)負(fù)岸基要地或島礁防御的重要使命。我國海岸線長、跨度大，海軍車載裝備往往在壽命周期內(nèi)面臨復(fù)雜的自然環(huán)境，同時(shí)車載裝備一般包括艙內(nèi)設(shè)備和露天設(shè)備，因此在開展環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)論證時(shí)，需要慎重提出相應(yīng)的指標(biāo)，以免造成設(shè)計(jì)上難以實(shí)現(xiàn)的問題。

高溫作為環(huán)境適應(yīng)性的重要指標(biāo)，一般包括高溫工作溫度極值和高溫貯存溫度極值[1]，影響產(chǎn)品的元器件選型、散熱設(shè)計(jì)等，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要制約因素。傳統(tǒng)的考核方式主要以高溫工作試驗(yàn)和高溫貯存試驗(yàn)為主，論證不好將會(huì)導(dǎo)致后期開展高溫環(huán)境試驗(yàn)無法通過的問題，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)計(jì)上的反復(fù)。本文結(jié)合某型車載裝備高溫指標(biāo)的論證，創(chuàng)新性的提出采用“高溫空氣溫度+太陽輻照”試驗(yàn)的方式解決高溫試驗(yàn)可能引起的過考核問題。

1 車載裝備特點(diǎn)及溫度環(huán)境指標(biāo)

1.1 車載裝備產(chǎn)品特點(diǎn)

車載裝備分為底盤和上裝設(shè)備兩部分，其中底盤常包括發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、空調(diào)等，后者則由裝備的任務(wù)決定。通常根據(jù)設(shè)備的安裝位置不同可劃分為不同的工作環(huán)境[2]，包括艙內(nèi)（無溫控）、艙內(nèi)（有溫控）、露天（無太陽直射）、露天（有太陽直射）。具體含義如下：

1）艙內(nèi)（無溫控）設(shè)備：指設(shè)備安裝于車載方艙或遮蔽箱體內(nèi)部，但沒有空調(diào)、水冷等環(huán)控設(shè)備進(jìn)行輔助的溫度控制；

2）艙內(nèi)（有溫控）設(shè)備：指設(shè)備安裝于車載方艙或遮蔽箱體內(nèi)部，有空調(diào)、水冷等環(huán)控設(shè)備進(jìn)行輔助的溫度控制；

3）露天（無太陽直射）設(shè)備：指設(shè)備安裝于無多余防護(hù)的位置，并且太陽無論從哪個(gè)角度均無法直接照射；

4）露天（有太陽直射）設(shè)備：指設(shè)備安裝于無多余防護(hù)的位置，可以直接承受太陽照射。

1.2 溫度環(huán)境指標(biāo)典型表述

溫度環(huán)境指標(biāo)的論證主要是提出高低溫工作溫度范圍和高低溫貯存溫度范圍，而該范圍往往是由邊界值構(gòu)成。車載裝備在論證溫度指標(biāo)時(shí)主要考慮車載裝備可能的部署地域、國家軍用標(biāo)準(zhǔn)要求以及車載裝備的特點(diǎn)：部署地域的歷史溫度極值、國家軍用標(biāo)準(zhǔn)要求的溫度極值以及車載設(shè)備安裝位置的不同，共同決定了車載裝備高低溫工作溫度極值和高低溫貯存溫度極值。目前在型號(hào)中常見的溫度指標(biāo)包括如下提法：

1）只按艙內(nèi)設(shè)備和露天設(shè)備劃分。如某車載裝備在環(huán)境條件中提出的溫度指標(biāo)為艙內(nèi)設(shè)備工作溫度（-10～+45）℃，露天設(shè)備工作溫度（-28～65）℃，露天設(shè)備不損壞溫度（-41～69）℃；

2）只按工作溫度和貯存溫度劃分。如某車載裝備提出溫度指標(biāo)為工作溫度（-10～50）℃（不含太陽輻射）、（-40～60）℃（不含太陽輻射）；

3）考慮太陽輻射引起溫升以及艙內(nèi)、艙外的區(qū)別。如某車載裝備提出溫度指標(biāo)為工作溫度：

（-10～40）℃（有空調(diào)）、（-20～50）℃（無空調(diào)）、（-20～50）℃+T（露天設(shè)備），貯存溫度：（-40～55）℃+T（露天設(shè)備）、（-40～65）℃（艙內(nèi)設(shè)備），其中T為太陽輻射引起的溫升，高溫試驗(yàn)中按15 ℃考核。

以上溫度指標(biāo)來自不同型號(hào)，屬于車載裝備溫度指標(biāo)的典型表述。其中第一條提到的不損壞溫度即為貯存溫度，在實(shí)際開展貯存溫度試驗(yàn)時(shí)，艙內(nèi)設(shè)備和艙外設(shè)備均按照露天設(shè)備的要求執(zhí)行，這里提到的溫度條件也被理解為試驗(yàn)箱內(nèi)應(yīng)施加的空氣溫度；第二條所提的環(huán)境條件屬于自然環(huán)境指標(biāo)，具體到車載裝備內(nèi)部的設(shè)備，需要承研總體單位根據(jù)裝備設(shè)計(jì)情況分解確定；第三條所提的溫度環(huán)境條件比較細(xì)化，尤其是高溫條件給出了空氣溫度要求，并將疊加的太陽輻射溫度引起的溫升也給出，目前開展高溫試驗(yàn)時(shí)是直接將這個(gè)太陽輻射引起的溫升直接施加到試驗(yàn)箱空氣溫度上。

2 車載裝備高溫指標(biāo)論證問題分析

由1.2 節(jié)可知溫度指標(biāo)在不同型號(hào)中表述各異，不仔細(xì)斟酌很難發(fā)現(xiàn)其中的細(xì)微區(qū)別，這很容易在如何開展高溫試驗(yàn)這個(gè)問題上引起歧義，導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的困惑。在具體開展高溫環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，1.2 節(jié)給出的第一種高溫指標(biāo)描述，是從車載上裝設(shè)備角度出發(fā)進(jìn)行的環(huán)境條件約束，在開展整車高溫環(huán)境試驗(yàn)時(shí)會(huì)導(dǎo)致沒法開展，若僅開展車載上裝設(shè)備高溫環(huán)境試驗(yàn)，又無法得到訂購方認(rèn)可；第二種沒有區(qū)分艙內(nèi)、艙外，由于太陽輻射或熱源設(shè)備局部密閉環(huán)境引起的高溫環(huán)境，均無法在上裝設(shè)備高溫試驗(yàn)條件上體現(xiàn)；第三種相對(duì)來說是比較適合的指標(biāo)提法，但缺乏整車的指標(biāo)描述，仍面臨整車高溫試驗(yàn)時(shí)確定溫度條件的困難。

基于目前型號(hào)中高溫指標(biāo)論證，主要存在以下問題：

1）產(chǎn)品的壽命周期剖面分析不全面。壽命周期剖面包括任務(wù)剖面和環(huán)境剖面兩個(gè)部分，目前在分析確定高溫環(huán)境指標(biāo)時(shí)，未能從裝備的使命任務(wù)出發(fā)，全面分析裝備可能的部署地域，進(jìn)而獲得較為合理的壽命周期剖面；

2）標(biāo)準(zhǔn)采用存在偏差。車載裝備屬于典型的岸基裝備，其環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)論證應(yīng)參照的是車載平臺(tái)的相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，而不能簡單的認(rèn)為屬于海軍裝備，就采用艦船相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，這容易導(dǎo)致過嚴(yán)要求，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)計(jì)上的無法實(shí)現(xiàn)；

3）未全面考慮設(shè)備的安裝位置。由于安裝有方艙或遮蔽箱體，以及空調(diào)、水冷等環(huán)控設(shè)備的使用，車載設(shè)備的安裝位置不同，其所面臨的溫度環(huán)境也必然不相同，在開展溫度指標(biāo)論證時(shí)則需考慮這種因素影響并給出細(xì)化的溫度指標(biāo)；

4）未全面考慮太陽輻射的影響。太陽輻射的熱量可以使得空氣溫度升高，同時(shí)熱量在設(shè)備表面的匯聚也會(huì)引起相應(yīng)的溫升?？諝鉁囟葧?huì)將熱量傳導(dǎo)給設(shè)備，加上太陽輻射引；

5）起的溫升，共同構(gòu)成了設(shè)備溫度升高的外界因素，決定了設(shè)備的高溫工作溫度極值和高溫貯存溫度極值。當(dāng)前的溫度指標(biāo)論證往往直接取標(biāo)準(zhǔn)給出的溫度極值，而未考慮到溫度極值是由空氣溫度和太陽輻射共同作用，如GJB 1060.2-1991 中在闡述露天設(shè)備高溫工作溫度時(shí)，提出是海面空氣溫度極值加上1 110 W/m2的太陽輻射引起的溫升（大約為17 ℃）；

6）高溫指標(biāo)的考核方式過于簡單。目前工程上高溫環(huán)境適應(yīng)性的驗(yàn)證主要是根據(jù)GJB 150.3A-2009 要求，采用施加恒定高溫極值條件的方式在溫度試驗(yàn)箱內(nèi)開展，而沒有考慮高溫環(huán)境的構(gòu)成包括空氣溫度和太陽輻射，給部分產(chǎn)品造成設(shè)計(jì)困難，如發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)等需要換熱的設(shè)備。

3 高溫試驗(yàn)和太陽輻射試驗(yàn)

3.1 高溫試驗(yàn)程序介紹

GJB 150.3A-2009 給定的高溫環(huán)境試驗(yàn)包括循環(huán)高溫貯存試驗(yàn)、循環(huán)高溫工作試驗(yàn)、恒定高溫貯存試驗(yàn)和恒定高溫工作試驗(yàn)共四類，具體內(nèi)容見表1[3]。

表1 GJB 150.3A-2009 高溫試驗(yàn)程序介紹

根據(jù)GJB 150.3A-2009，高溫試驗(yàn)在評(píng)價(jià)裝備高溫環(huán)境適應(yīng)性上具有重要作用，但其本身仍有一定的局限性，主要包括：

1）不能評(píng)價(jià)高溫環(huán)境的長期效應(yīng)。通常所說的高溫試驗(yàn)屬于定性試驗(yàn)，主要是為了評(píng)價(jià)裝備在極值環(huán)境下的適應(yīng)能力，高溫造成的裝備老化等長期效應(yīng)，短時(shí)間內(nèi)無法凸顯，或者需要通過定量加速試驗(yàn)來確定；

2）不能替代太陽輻射試驗(yàn)。太陽輻射往往會(huì)在裝備內(nèi)部引起溫度梯度，并且含有紫外線等光譜，考核的是產(chǎn)品材料的溫度匹配性、耐光照老化等方面的能力；

3）不能評(píng)價(jià)由于氣動(dòng)飛行所引起的加熱效應(yīng)。導(dǎo)彈、飛機(jī)、火箭等平臺(tái)在飛行過程中會(huì)有明顯的氣動(dòng)加熱，這些溫度往往會(huì)達(dá)到很高溫度，并且由于高空空氣稀薄，散熱差，對(duì)產(chǎn)品的耐高溫能力提出更高要求，但這些一般持續(xù)過程較短，并且需要特別考慮隔熱設(shè)計(jì)，因此不在常規(guī)高溫試驗(yàn)的考慮范疇。

3. 2 太陽輻射試驗(yàn)程序介紹

根據(jù)GJB 150.7A-2009，太陽輻射試驗(yàn)主要用于評(píng)價(jià)裝備在炎熱季節(jié)直接暴露于太陽輻射環(huán)境中保持安全性、完整性和性能的耐受能力，主要包括熱效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng)，具體內(nèi)容見表2[4]。

表2 GJB 150.7A-2009 太陽輻射試驗(yàn)程序介紹

根據(jù)GJB 150.7A-2009，太陽輻射試驗(yàn)在評(píng)價(jià)裝備高溫環(huán)境適應(yīng)性上具有重要作用，但其本身不適用于封閉環(huán)境內(nèi)均勻熱效應(yīng)的模擬，也不適用于遮蔽區(qū)域內(nèi)核遮蓋貯存條件下非直接熱效應(yīng)的模擬。

4 車載裝備高溫指標(biāo)論證問題的解決對(duì)策

4.1 解決高溫指標(biāo)論證問題的主要工作

車載裝備不同于艦船裝備，其即可以拆解成各個(gè)組成設(shè)備開展高溫環(huán)境試驗(yàn)，又可以作為完整系統(tǒng)在整車試驗(yàn)箱內(nèi)開展高溫環(huán)境試驗(yàn)。通?？傮w單位為了降低整車高溫環(huán)境試驗(yàn)不通過的風(fēng)險(xiǎn)，一般會(huì)要求各分系統(tǒng)或設(shè)備承研單位開展先開展高溫環(huán)境試驗(yàn)。這也導(dǎo)致車載裝備存在兩個(gè)層面問題：一是整車高溫環(huán)境指標(biāo)怎么提，怎么開展驗(yàn)證；二是車載設(shè)備高溫環(huán)境指標(biāo)應(yīng)該怎么提，怎么開展驗(yàn)證。

為了解決車載裝備的高溫環(huán)境指標(biāo)問題，需要做好以下工作：

1）在立項(xiàng)論證階段，訂購方組織開展通用質(zhì)量特性指標(biāo)論證時(shí)，應(yīng)明確給出裝備的壽命剖面，包括預(yù)期使用地域、預(yù)期高溫環(huán)境的期望發(fā)生概率等。通過查閱預(yù)期使用地域的歷年氣象數(shù)據(jù)記錄，可獲得該地域的環(huán)境條件，并根據(jù)預(yù)期高溫環(huán)境的期望發(fā)生概率的要求，來確定最終的高溫環(huán)境條件要求；

2）車載裝備不同于艦載裝備，其只能在我國疆域內(nèi)的陸地或島嶼環(huán)境中使用，確定其預(yù)期使用環(huán)境條件時(shí)，應(yīng)盡量參照裝甲車輛或海軍車載裝備相關(guān)的國軍標(biāo)中環(huán)境條件要求，避免提出過高的環(huán)境要求；

3）訂購方在開展指標(biāo)論證時(shí)，只需給出整車的使用環(huán)境即可，車載設(shè)備的具體環(huán)境要求由總體單位根據(jù)其安裝位置的局部環(huán)境特點(diǎn)具體分析確定。訂購方給出的過細(xì)要求往往可能和裝備的實(shí)際局部環(huán)境存在偏差，束縛了總體單位的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作；

4）車載裝備承研總體單位應(yīng)根據(jù)各設(shè)備的安裝位置，包括是否接觸太陽輻射、通風(fēng)情況、有無遮蔽物、周圍有無熱源、是否帶有環(huán)控，將訂購方給定的高溫環(huán)境條件要求進(jìn)行細(xì)化。一般不直接接觸太陽輻射的產(chǎn)品，其高溫工作溫度主要決定于環(huán)境空氣溫度；若有遮蔽物或通風(fēng)比較差，則會(huì)加劇高溫效應(yīng)；周圍若有發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)等輻射熱源，會(huì)形成穩(wěn)定的高溫環(huán)境；帶有環(huán)控的艙內(nèi)設(shè)備，則會(huì)明顯降低高溫環(huán)境效應(yīng)；

5）高溫環(huán)境往往是由于空氣溫度、太陽輻射或設(shè)備本身發(fā)熱所造成的，在結(jié)合GJB 150.3A-2009 確定開展高溫環(huán)境試驗(yàn)的形式時(shí)，應(yīng)具體問題具體分析，不能統(tǒng)一簡化為按照恒定高溫貯存或恒定高溫工作開展高溫環(huán)境試驗(yàn)，應(yīng)根據(jù)其實(shí)際可能遇到的環(huán)境具體分析確定。

4.2 高溫指標(biāo)驗(yàn)證的建議方案

以某車載裝備為例，其主要部署于我國南部和北部沿海區(qū)域，按照GJB 1172.2-1991、GJB 1060.2-1991 以及1 %期望概率，其高溫工作環(huán)境極值取48 ℃[5,6]，高溫貯存環(huán)境極值取52 ℃[5,6]，該溫度均不含太陽輻射，為空氣溫度；考慮1 110 W/m2的太陽輻射引起的溫升，按17 ℃計(jì)算。因此，整車的高溫條件定為：高溫工作65 ℃（含太陽輻射），高溫貯存69 ℃（含太陽輻射）。車載上裝設(shè)備則根據(jù)安裝位置，分為：艙內(nèi)有溫控設(shè)備高溫工作溫度為45 ℃ 、高溫貯存溫度為69 ℃，艙內(nèi)無溫控設(shè)備高溫工作溫度65 ℃，高溫貯存溫度69 ℃（含太陽輻射）；露天但無太陽直接輻射或艙內(nèi)但空氣流通順暢，高溫工作溫度為48 ℃ 、高溫貯存溫度52 ℃ ；露天且有太陽直射，高溫工作65 ℃（含太陽輻射），高溫貯存69 ℃（含太陽輻射）；有空氣交換或冷卻介質(zhì)工作的設(shè)備，其高溫工作溫度為65 ℃（含太陽輻射），高溫貯存69 ℃（含太陽輻射）。

車載裝備作為平臺(tái)，涉及的上裝設(shè)備類型多，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)、水冷設(shè)備、電子設(shè)備等等。為了降低高溫環(huán)境試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，建議可以采取如下兩種方式：

1）第一種方案是高溫試驗(yàn)只施加環(huán)境條件中高溫空氣溫度極值，試驗(yàn)方法參照GJB 150.3A-2009 執(zhí)行，太陽輻射引起的熱效應(yīng)則單獨(dú)開展，試驗(yàn)方法參照GJB 150.7A-2009 規(guī)定的太陽輻射熱效應(yīng)試驗(yàn)；

2）第二種則是“高溫空氣溫度+太陽輻射”同時(shí)施加的方式來開展高溫試驗(yàn)，即在試驗(yàn)箱內(nèi)施加給定的高溫空氣溫度條件，并同時(shí)施加太陽輻射條件，區(qū)別于GJB 150.7A-2009 中太陽輻射熱效應(yīng)試驗(yàn)方法的是：試驗(yàn)過程中是否工作、施加恒定溫度或循環(huán)溫度則按GJB 150.3A-2009 規(guī)定的條件確定。

雖然這種方式不在GJB 150.3A-2009 和GJB 150.7A-2009 的通用程序范疇，但空氣溫度和太陽輻射的疊加作用屬于實(shí)際自然環(huán)境中會(huì)發(fā)生的環(huán)境，并且在GJB 150.3A-2009 的第3.3.3 節(jié)，明確指出若存在強(qiáng)化的太陽輻射時(shí)，應(yīng)在高溫試驗(yàn)裝置中盡可能包括或模擬這些條件。GJB 150A-2009 作為可裁剪實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)剪裁無疑是合適的，也能更好摸出產(chǎn)品的真實(shí)環(huán)境適應(yīng)能力水平，以驗(yàn)證裝備的高溫環(huán)境適應(yīng)能力。傳統(tǒng)恒定高溫環(huán)境試驗(yàn)只是施加空氣溫度，這對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)設(shè)備、水冷設(shè)備來講無法模擬實(shí)際環(huán)境；而太陽輻射的熱效應(yīng)試驗(yàn)一般只在最高溫度響應(yīng)時(shí)開機(jī)工作測試即可。這種“高溫空氣溫度+太陽輻射”試驗(yàn)方法與傳統(tǒng)恒定高溫環(huán)境試驗(yàn)和太陽輻射的熱效應(yīng)試驗(yàn)均有不同，模擬的是實(shí)際環(huán)境高溫空氣溫度和太陽輻射疊加作用，并在空氣溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行通電，驗(yàn)證產(chǎn)品在空氣溫度、太陽輻射以及產(chǎn)品自身產(chǎn)熱、隔熱和散熱能力綜合作用下的高溫環(huán)境適應(yīng)性。需要說明的是，這種“高溫空氣溫度+太陽輻射”的試驗(yàn)方式主要針對(duì)整車以及上裝設(shè)備中可能接受太陽輻射的產(chǎn)品，對(duì)于其他由于布置在發(fā)動(dòng)機(jī)等熱源附近或者在密閉艙室內(nèi)布置的設(shè)備，則仍建議采用恒定高溫試驗(yàn)。當(dāng)然，承研單位若覺得按該方式開展高溫環(huán)境試驗(yàn)時(shí)仍存在風(fēng)險(xiǎn)，則可按照第一種方案開展，在某種程度上也能降低高溫試驗(yàn)不通過的風(fēng)險(xiǎn)，但會(huì)增加試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，需要研制單位根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)情況以及研制經(jīng)費(fèi)、研制進(jìn)度進(jìn)行綜合權(quán)衡。

5 結(jié)束語

確定的高溫環(huán)境條件不適當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的困難，受到產(chǎn)品設(shè)計(jì)師“自然界不存在這種環(huán)境溫度”的質(zhì)疑；選擇的高溫環(huán)境試驗(yàn)程序不恰當(dāng)，則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品高溫環(huán)境試驗(yàn)不通過。車載裝備很多屬于繼承性成熟設(shè)計(jì)，諸如發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)等均選用成熟產(chǎn)品，更應(yīng)在高溫環(huán)境條件的論證上慎之又慎。本文結(jié)合某車載裝備中高溫環(huán)境條件的論證，從產(chǎn)品特點(diǎn)分析出發(fā)，重點(diǎn)分析了高溫環(huán)境指標(biāo)論證及驗(yàn)證問題并給出了解決對(duì)策，可以為裝備的高溫環(huán)境條件論證工作提供借鑒。