GJB 150.7A 軍用太陽輻射試驗標(biāo)準(zhǔn)存在的問題探討

秦杰，吳鵬，陳暉，陳宇騰，胡梓洋，陳家銘

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 511370； 2 廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點實驗室，廣州 511370；3.電子信息產(chǎn)品可靠性分析與測試技術(shù)國家地方聯(lián)合工程中心，廣州 511370；4.廣東智能無人系統(tǒng)可靠性與數(shù)字化驗證技術(shù)省級重點實驗室，廣州 511370）

引言

GJB 150.7A-2009 自發(fā)布以來其已有十四年了，隨著社會發(fā)展、技術(shù)水平提升和質(zhì)量要求不斷提高，太陽輻射試驗標(biāo)準(zhǔn)中的一些內(nèi)容要求等表述不夠清晰和明確，但難以滿足目前太陽輻射試驗實際遇到的問題，而最新版MIL-STD-810 標(biāo)準(zhǔn)不斷完善已經(jīng)修訂到了810H 版本，而參考和借鑒該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布的GJB 150A，和其相差2 個版本，其中很多技術(shù)內(nèi)容更新、標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)宣貫釋疑、標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)理論的積累等無法及時完善。以及應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)人員對標(biāo)準(zhǔn)中的依據(jù)、方法和理論基礎(chǔ)等缺乏了解，存在理解不到位，在試驗實施中發(fā)生偏差的情況，甚至偏離標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致試驗存在爭議[1]。下文對在應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)開展試驗過程遇到了一些問題逐一進(jìn)行了敘述和分析，并對實施標(biāo)準(zhǔn)時應(yīng)注意的事項提出了建議[7]。

1 標(biāo)準(zhǔn)存在的問題及建議

方式有兩種[9]，分為連續(xù)和增量并存，見圖1（a），其剖面的輻照度值只給出連續(xù)輸出的數(shù)值，而增量輸出參數(shù)的并沒有直接明確標(biāo)出，要經(jīng)過額外計算得出，公式如下：

圖1 程序I 日循環(huán)試驗

1.1 試驗剖面不夠完善

GJB 150.7A -2009 程序I—循環(huán)試驗的輻照度輸出

式中：

a—某段連續(xù)輻照最小值；

b—某段連續(xù)輻照最大值；

E(x)—某段增量輻照值。

試驗人員在實際應(yīng)用中容易將連續(xù)輸出和增量輸出的參數(shù)認(rèn)為是同一數(shù)值，導(dǎo)致輻照度偏離標(biāo)準(zhǔn)。圖1(b)將輻照度的兩種輸出方式的直觀的表達(dá)出來，方便試驗相關(guān)人員開展試驗。

1.2 試驗溫度允差值

GJB 150.7A -2009 對溫度并沒有給出允差范圍的要求，在6.2.1 溫度，寫了按技術(shù)文件的規(guī)定保持試驗箱的空氣溫度。在試驗期間應(yīng)使“試件附近的空氣溫度與試驗區(qū)的溫度一致”[9]，由于技術(shù)和限制較為難實現(xiàn)，試驗箱的控制傳感器一般是位于箱內(nèi)底部或上部并有遮擋位置不受或者受太陽輻射影響較小，而標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定放置的在試件附件的水平面的傳感器在太陽輻射照射下，雖然有屏蔽太陽輻射的照射處理，但由于樣品或樣品架或箱壁的熱輻射的影響，不太可能與設(shè)備控制溫度傳感器的溫度完全一致，一建議將其改為“試件附近的空氣溫度盡可能與試驗溫度一致”，二是參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對溫度的描述見表1，給出試驗溫度允差值范圍。

表1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對溫度的描述

1.3 樣品表面溫度

試件的表面溫度是除輻照度以外最重要的老化因素，標(biāo)準(zhǔn)中6.2.1 中“用于測量試件熱響應(yīng)的溫度傳感器也會受到輻射燈直接熱輻射影響[9]。當(dāng)允許時，將這些傳感器安裝于試件外殼（上表面）的內(nèi)表面”[9]。但這樣極易對試件的結(jié)構(gòu)造成破壞。像試件數(shù)量多或裝備上的部件材料不同情況下，準(zhǔn)確測定和監(jiān)控試表面溫度存在許多技術(shù)上的困難，而且容易出現(xiàn)測量錯誤。

在GJB 2423.24 中利用黑標(biāo)或黑標(biāo)溫度計來表征試件表面溫度的方法。即使用涂有黑色涂層的標(biāo)準(zhǔn)金屬板來作為測量和控制試件表面可能達(dá)到的最高精度的感溫件，即黑板溫度計指示的溫度，然而，由于黑板溫度計是由金屬板材料制作的，造成散熱快，難以反應(yīng)那些導(dǎo)熱性差的深色試件的溫升情況，對此國際上又有一種采用帶有絕熱性底座的黑板溫度計，命名為黑標(biāo)準(zhǔn)溫度計。建議采用黑標(biāo)黑板溫度計表征試件能達(dá)到的最高表面溫度，有利了解試件表面溫度變化及復(fù)現(xiàn)試驗溫度環(huán)境，有助于評價試驗結(jié)果。

1.4 樣品架

GJB 150.7A-2009 標(biāo)準(zhǔn)中對樣品的安裝沒有過多描述，在6.1.2 中“安裝試件的底座可以是一個凸起的支架或具有規(guī)定特性的底座[9]。例如按照產(chǎn)品技術(shù)文件的規(guī)定，可采用規(guī)定厚度的混凝土層或具有傳導(dǎo)性和反射性的沙床”[2]?；炷梁蜕炒彩亲畛Ｒ姾妥钣行П苊夥瓷渎屎蜔醾鲗?dǎo)的材料，但不太適用支撐或承載樣品，特別像試樣是經(jīng)剪裁的材料或小部件，其實更適合類似開放式框架將樣品置于其上，建議增加對樣品放置安裝及樣品架的描述，參考相關(guān)光照類標(biāo)準(zhǔn)對樣品架的描述匯總見表2，但為了減小或消除來自材料表面的輻射反射。支架或底座應(yīng)盡量使用減少反射率和傳導(dǎo)率的材料加工，在GB/T 2424.14 1995 中有給出了常見材料的導(dǎo)熱率，見表3，而反射率取決于材料的顏色和粗糙程度。

表2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對樣品架的描述

表3 GB/T 2424.14 1995 中的材料導(dǎo)熱率

1.5 照射基準(zhǔn)面

標(biāo)準(zhǔn)中對樣品擺放的高度要求在距離燈源0.76 m以下的空間內(nèi)，對于程序II 來說，只要超過0.76m，通過提高功率就能實現(xiàn)1 120 W/m2。但程序I，需要在某個高度既滿足1 120 W/m2的同時又能滿足55 W/m2，且輻照度均勻的水平面，一般稱為照射基準(zhǔn)面或基準(zhǔn)高度，見圖2（a）。當(dāng)樣品擺放在低于基準(zhǔn)面時輻照度能量較少，即便調(diào)整燈最大功率也不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的最大輻照度，反之，樣品高于基準(zhǔn)面時則輻照度能量較多，調(diào)整燈最小功率也不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的最小輻照度。像1 m3或2 m3使用一組或兩組輻射燈的設(shè)備輻照基準(zhǔn)面在（0.8 ～1.2）m 左右，對于陣列式大型太陽輻射設(shè)備，其照射基準(zhǔn)面可以參考圖2(b)，2.5kW 輻射燈在距離樣品（1.2 ～1.5）m，4kW 輻射燈在距離樣品（1.5 ～1.8）m 左右，如在（1.2 ～1.5）m 則可能輻照度均勻性不能滿足。建議增加對照射基準(zhǔn)面或高度的描述，對于有一定高度差的樣品，普遍以樣品暴露于自然太陽輻射的實際狀態(tài)的最高面置于太陽輻射箱內(nèi)的照射基準(zhǔn)面，以盡量滿足輻照度均勻性。對于有較大高度差的樣品，拆分試件照射或按技術(shù)要求的規(guī)定開展。

圖2 太陽輻射照射基準(zhǔn)面

1.6 輻照度均勻性測試

標(biāo)準(zhǔn)中只寫在試件的表面所測得輻照度偏差不超過要求的10 %。具體輻照度的均勻性是怎么測，沒有詳細(xì)說明。由于太陽輻射設(shè)備較多使用兩組太陽輻射燈或以上的陣列式照射，不同燈的照射強度的疊堆造成不同位置的輻照度強度不一致，所以需要進(jìn)行輻照度均勻性測試，查閱標(biāo)準(zhǔn)引用的MIL-STD-810F，其中也沒作解釋，目的是在規(guī)定的限度內(nèi)在測量平面上獲得均勻的輻照度（即1 120 W/m2（+10，-0 W/m2））[8]。建議增加輻照度均勻性測試方法，在最新MIL-STD-810G 中有詳細(xì)介紹并附圖示，見圖3（a），和在GB/T 5170.9-2017 環(huán)境試驗檢驗方法第9 部分：太陽輻射試驗設(shè)備，測量點數(shù)量及位置，如A 傳感器布放位置見圖3（b），在設(shè)備內(nèi)規(guī)定的照射平面上布固5 個測量點，為A、B、C、D、E，除中心點E 外，其余測量點與相近的水平樣品架邊緣距離為50 mm[12]。

圖3 輻照度均勻性的測試方法示意圖

1.7 輻照度允差

GJB 150.7A 中只對（1 120±47）W/m2做出允差要求，并規(guī)定“確保試件受到均勻輻射，并且在試件的表面所測得輻照度偏差不超過要求的10 %”[9]。而這10 %是試驗箱內(nèi)的輻照度均性，并不是輻照度允差值。標(biāo)準(zhǔn)全文并沒有具體明確輻照度允差值，由于程序II 中有階梯輸出的曲線，導(dǎo)致試驗人員每個階梯點按照±47 W/m2或者偏差10 %來判斷輻照度的允差是否超差。查閱GB/T 2423.24-81、GJB 150.7-86 和IEC 1975 上述3 個標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于太陽輻射強度和允差均只規(guī)定為（（1 120±10）%）W/m2，給出的±10 %的允差是指與光源入射方向垂直的試驗樣品表面輻射強度的均勻度要求[4]。溯源至MIL810F 中也沒有明確指出。建議對連續(xù)和增量輻照度值給出其允差值，如參考在MIL-STD-810G 的表505.5 A 中，規(guī)定了日變化曲線上任意給定點的總體控制（±4 %或15 W/m2，以較大者為準(zhǔn)）。

1.8 輻射燈校準(zhǔn)時間

在標(biāo)準(zhǔn)中對燈的壽命并沒有作要求，只是在試驗箱校準(zhǔn)中強調(diào)了“輻射燈每累計工作500 h 就應(yīng)對其光譜分布、輻照度和均勻性至少進(jìn)行一次徹底檢查”[9]，但其程序II 最長進(jìn)行56 個循環(huán)也超過1 000 h，與其累計500 h 檢查有一定的矛盾。

目前太陽輻射試驗設(shè)備基本采用金屬鹵素?zé)簦ń饘冫u化物燈）通常又叫金鹵燈，是由高純石英玻璃制成，腔內(nèi)充入有含汞、鎵、氬的碘化物和鐵的碘化物以及一些稀有金屬鹵化物來產(chǎn)生這些金屬的光譜。見圖4。

圖4 金屬鹵燈結(jié)構(gòu)圖

太陽輻射設(shè)備多以HMI 雙端金鹵燈系列作為全光譜燈源，其壽命在（500～1 000）h 左右，見圖5（a） ，由于其是20 世紀(jì)70 年代推出的產(chǎn)品，推測最初使用鎮(zhèn)流器控制，其輸出頻率是正弦波，承受電源和電壓的波動的范圍小，使燈壽命縮短、老化和變色，所以將其壽命規(guī)定為500 h 也合理，標(biāo)準(zhǔn)中的500 h 進(jìn)行校準(zhǔn)要求應(yīng)該也依據(jù)于此。隨著技術(shù)發(fā)展目前太陽輻射設(shè)備用EPS 電源是為陽光模擬系統(tǒng)特殊設(shè)計，EPS 提供規(guī)則的輸出功率，其輸出頻率方波，根據(jù)需要的輻射強度，給燈泡兩端提供持續(xù)穩(wěn)定的電流和電壓，在電源、電壓偏差很大時以及環(huán)境溫度變化時，仍然保持恒定功率，很好的補償電網(wǎng)波動和燈泡在使用壽命內(nèi)的老化，業(yè)內(nèi)使用HMI金鹵燈的壽命普遍超過1 000 h，光譜和輻照度也能滿足要求。按照質(zhì)量的角度來看，超過壽命不代表不合格，而是判斷其過程是否處在控制之中，是否超過控制上下限。建議出于經(jīng)濟(jì)性和可操作性來看，有必要重新對標(biāo)準(zhǔn)中累計500 h 進(jìn)行檢查做出調(diào)整。

圖5 HMI 雙端金鹵燈技術(shù)參數(shù)

1.9 拆分試件開展試驗

對整個裝備或整機的試件進(jìn)行太陽輻射試驗時，由于受試驗箱自身構(gòu)造、裝備物理特性（體積、尺寸、形狀等）以及在箱內(nèi)的放置位置等因素的影響，其各部位的受太陽輻射照射光譜能量程度實際上有所不同，導(dǎo)致不能完全地激發(fā)裝備耐受的太陽輻射能力，從而得出正確的評價。

于2006 年發(fā)布的第四版英國國防標(biāo)準(zhǔn)DEFSTAN00-35《國防裝備環(huán)境手冊》在“第3 部分環(huán)境試驗方法”的試驗“范圍”中指出，試驗可用于材料、部件或子組件，以避免對整個裝備進(jìn)行不必要的和昂貴的試驗。如將裝備拆分為各個部件開展試驗，一方面可以確保各個部位得到充分暴露。另一方面，對裝備的劣化進(jìn)行檢查和評價也要比整個裝備更方便[7]。建議試件不同部位高度差較大，且試驗?zāi)康膬H是考核裝備耐受太陽輻射照射特別是光老化效應(yīng)的能力時，推薦采用上述方法進(jìn)行試驗，但需注意的是，當(dāng)試驗過程需要評價裝備或整機在太陽輻射環(huán)境下進(jìn)行功能和性能與安全性等測試，則顯然不適用。

2 總結(jié)

本文通過對GJB 150.7A 軍用太陽輻射標(biāo)準(zhǔn)在實施應(yīng)用過程中暴露問題進(jìn)行闡述，如其中規(guī)范和方法過于空泛和籠統(tǒng)、缺少可用于指導(dǎo)操作的具體內(nèi)容、部分內(nèi)容表述不夠明確以及試驗相關(guān)人員缺乏對標(biāo)準(zhǔn)的足夠認(rèn)識，結(jié)合光老化試驗相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容，對標(biāo)準(zhǔn)中不足之處提出一些改進(jìn)意見和措施，為發(fā)揮軍用太陽輻射標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)作用，建議加強和重視試驗相關(guān)人員的培訓(xùn)工作，使其能更深入透徹地理解標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)內(nèi)涵。