方艙日照熱效應(yīng)試驗(yàn)影響因素分析

劉炳均，譚國(guó)斌，趙曉鵬

（總后軍事交通運(yùn)輸研究所，天津 300161）

0 引 言

太陽(yáng)輻射試驗(yàn)是一種人工模擬環(huán)境試驗(yàn)方法，它模擬產(chǎn)品在地面或較低大氣層中使用或無(wú)遮蔽貯存期間暴露在日輻射條件下受到的影響[1]。其通常分為熱效應(yīng)試驗(yàn)和光化學(xué)效應(yīng)試驗(yàn)兩種，本文探討的是方艙的日照熱效應(yīng)試驗(yàn)。

方艙的日照熱效應(yīng)試驗(yàn)通常按照GJB 2093-1994《軍用方艙通用試驗(yàn)方法》進(jìn)行。該標(biāo)準(zhǔn)要求方艙進(jìn)行日照熱效應(yīng)試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度維持在50℃左右，艙頂溫度控制在96±8℃范圍內(nèi)，持續(xù)時(shí)間為4h。在實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度的控制比較容易實(shí)現(xiàn)，但艙頂溫度由于受多種因素的影響經(jīng)常出現(xiàn)溫度不均勻或達(dá)不到96±8℃的溫度范圍等各種問(wèn)題，從而影響試驗(yàn)進(jìn)程。本文通過(guò)對(duì)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，總結(jié)了影響方艙日照熱效應(yīng)試驗(yàn)的主要因素，并對(duì)環(huán)境試驗(yàn)人員提出了建議。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

在模擬日照試驗(yàn)室內(nèi)展開(kāi)日照熱效應(yīng)試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了艙頂輻射強(qiáng)度、風(fēng)速及方艙自身特性等因素對(duì)方艙頂部溫度的影響。

1.2 試驗(yàn)程序

將方艙水平放置在日照試驗(yàn)室中央，用木塊墊起，然后開(kāi)始升溫。當(dāng)方艙內(nèi)外溫度均達(dá)到50±2℃后，保持溫度穩(wěn)定不變，打開(kāi)方艙頂部模擬日照熱源，將艙頂表面溫度升至96℃。在方艙頂部按每平方米不少于1個(gè)的密度布置溫度傳感器（其位置分布見(jiàn)圖1），傳感器上部加以遮蓋，防止熱源的直接輻射。當(dāng)所有溫度傳感器的讀數(shù)都在96±8℃范圍內(nèi)時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)，持續(xù)4h，在此期間，保持試驗(yàn)室環(huán)境溫度不超過(guò)55℃。試驗(yàn)過(guò)程中，保證升降溫速率不大于10℃/h[2]。試驗(yàn)期間，每隔10min對(duì)艙頂溫度進(jìn)行一次記錄。

圖1 方艙頂部溫度傳感器位置分布圖

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

通常影響方艙表面溫度的因素有：（1）環(huán)境溫度；（2）太陽(yáng)輻射強(qiáng)度；（3）風(fēng)速；（4）暴露時(shí)間；（5）裝備自身特性（表面反射率、尺寸和形狀、熱傳導(dǎo)比率和比熱等）[3]。這些因素可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是可控因素，包括環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和暴露時(shí)間；另一類(lèi)是不可控因素，包括風(fēng)速和裝備自身特性。試驗(yàn)過(guò)程中，環(huán)境溫度始終控制在50℃左右，暴露時(shí)間均為4h；因此，本文只分析日照輻射強(qiáng)度、風(fēng)速和方艙自身特性對(duì)艙頂溫度的影響。

2.1 輻射強(qiáng)度

試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)艙頂溫度穩(wěn)定在96±8℃范圍后，記錄艙頂日照輻射強(qiáng)度，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 方艙頂部日照輻射強(qiáng)度與平均溫度對(duì)照表

由表1可見(jiàn)，不同方艙艙頂溫度達(dá)到96±8℃范圍內(nèi)時(shí)所需的輻射強(qiáng)度差異較大，其最大差值達(dá)到554W/m2。通常自然界中太陽(yáng)天頂角為0°時(shí)到達(dá)地球表面的總輻射強(qiáng)度（水平面太陽(yáng)直接輻射與天空輻射之和）為1 120 W/m2[4]，盡管在地球表面實(shí)際的自然環(huán)境中太陽(yáng)輻射強(qiáng)度會(huì)隨季節(jié)、緯度和海拔的不同而不同，但在太陽(yáng)輻射試驗(yàn)中，輻射強(qiáng)度極值一般都確定為1120W/m2[3-7]。與此相比，554W/m2的差異就很大了。由此可見(jiàn)，除輻射強(qiáng)度外，必定存在著其他因素對(duì)方艙表面溫度產(chǎn)生的較大影響。

2.2 風(fēng)速

將方艙置于試驗(yàn)室內(nèi)某固定位置，當(dāng)環(huán)境溫度50℃，方艙頂面溫度達(dá)到96±8℃范圍時(shí)，測(cè)量方艙頂部四邊中間位置的風(fēng)速，對(duì)比方艙頂部溫度，分析艙頂溫度與風(fēng)速的關(guān)系，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2和表3。

表2 方艙頂部縱向溫度對(duì)比

表3 方艙頂部橫向溫度對(duì)比

由表2可見(jiàn)，方艙前側(cè)頂部溫度明顯高于后側(cè)頂部溫度，其前后溫差最大達(dá)到了17.5℃。與之對(duì)應(yīng)，方艙前側(cè)風(fēng)速為0.6m/s，方艙后側(cè)風(fēng)速為1.5m/s。

由表3可見(jiàn)，方艙頂部左側(cè)溫度明顯高于右側(cè)溫度，其左右兩側(cè)溫差最大達(dá)到了7.2℃。與之對(duì)應(yīng)，方艙左側(cè)風(fēng)速為0.8m/s，方艙右側(cè)風(fēng)速為1.2m/s。

因此，對(duì)同一方艙，在同樣輻射強(qiáng)度下，艙頂表面風(fēng)速越高，其溫度越低，反之其溫度越高。實(shí)踐證明，1m/s的風(fēng)速就可能使溫升減少20%以上[8]。在實(shí)際試驗(yàn)中，往往不能保證試驗(yàn)室內(nèi)各個(gè)位置的風(fēng)速基本相同，如果艙頂不同位置風(fēng)速差異過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致艙頂溫差過(guò)大，就很難保證所有溫度點(diǎn)的溫度都保持在96±8℃范圍內(nèi)。對(duì)于這種情況，在無(wú)法調(diào)節(jié)風(fēng)速的情況下，可以認(rèn)為艙頂平均溫度控制在96±8℃范圍內(nèi)，即達(dá)到試驗(yàn)條件，而不必苛求每個(gè)溫度傳感器讀數(shù)都在96±8℃范圍內(nèi)。

2.3 方艙自身特性

2.3.1 表面材質(zhì)

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，方艙表面蒙皮材質(zhì)的不同對(duì)方艙頂部的溫升速率有一定的影響。表4對(duì)比了不同表面材質(zhì)的方艙其頂部溫度達(dá)到96±8℃范圍時(shí)的輻射強(qiáng)度差異。

表4 不同表面材質(zhì)的輻射強(qiáng)度對(duì)比

由表4可見(jiàn)，在頂部溫度基本相同時(shí)，采用材質(zhì)A的方艙的輻射強(qiáng)度平均值為1289W/m2，采用材質(zhì)B的方艙的輻射強(qiáng)度平均值為1 428 W/m2。也就是說(shuō)，要達(dá)到同樣的溫度標(biāo)準(zhǔn)，表面材質(zhì)為B的方艙需要更多的熱量。

2.3.2 表面反射率

某臺(tái)方艙在日照熱效應(yīng)試驗(yàn)中，當(dāng)其頂部輻射強(qiáng)度達(dá)到1350W/m2時(shí)，其艙頂溫度只能穩(wěn)定在75℃左右，遠(yuǎn)達(dá)不到96±8℃的范圍要求。經(jīng)過(guò)與其他方艙的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該方艙頂部表面光滑，顏色較其他方艙稍淺。

日照熱效應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，方艙吸收熱量和反射熱量取決于方艙被照表面的反射率，因此受試方艙的表面特性（如表面粗糙度和顏色等）是影響太陽(yáng)輻射加熱產(chǎn)生的溫升的重要因素[9]。實(shí)踐證明，對(duì)于同樣材料的蒙皮和芯材，方艙表面反射率越高，則溫升越慢；反之，則溫升越快。

2.3.3 其他特性

除此之外，方艙的其他固有特性也會(huì)對(duì)艙頂溫度造成影響，如：聚氨酯發(fā)泡材料的厚度、艙內(nèi)裝備的多少等。這些特性的不同必然導(dǎo)致方艙的熱傳導(dǎo)比率、比熱等屬性的差異，是影響艙頂溫度的重要因素。

2.4 試驗(yàn)中方艙特性的改變

圖2 某方艙頂部溫度變化曲線(xiàn)

圖2為某方艙試驗(yàn)過(guò)程中艙頂溫度的變化曲線(xiàn)?？梢钥闯?，①、③兩點(diǎn)升溫過(guò)程中，于14∶00左右其溫度突然下降，之后趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定溫度分別為61℃、72℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到96±8℃的溫度范圍標(biāo)準(zhǔn)。而其他點(diǎn)溫度變化平緩，穩(wěn)定溫度為91℃，①、③兩點(diǎn)與其他點(diǎn)溫度相差很大。

試驗(yàn)后對(duì)艙頂進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)①、③兩點(diǎn)所在的位置均出現(xiàn)了起鼓現(xiàn)象，而其他各點(diǎn)未見(jiàn)異常。由此推斷，是由于艙體起鼓影響了起鼓位置的溫度變化規(guī)律。

因此，試驗(yàn)過(guò)程中艙體產(chǎn)生異常變化有可能會(huì)改變方艙的熱量傳導(dǎo)方式，從而影響艙頂溫度的變化。在實(shí)際試驗(yàn)中，如果由于艙體變化引起了艙頂溫度異常，應(yīng)通過(guò)調(diào)節(jié)傳感器位置等方式來(lái)得到合理的數(shù)據(jù)，如果仍不能達(dá)到溫度條件則應(yīng)對(duì)異常溫度點(diǎn)予以剔除。

3 結(jié)束語(yǔ)

方艙日照熱效應(yīng)試驗(yàn)過(guò)程中，方艙頂部溫度受到輻射強(qiáng)度、風(fēng)速、方艙自身特性等多種因素的影響，其中只有太陽(yáng)輻射強(qiáng)度是可控因素；因此，方艙日照熱效應(yīng)試驗(yàn)過(guò)程中，艙頂溫度不可避免的出現(xiàn)異常，試驗(yàn)人員應(yīng)分析艙頂溫度和周?chē)h(huán)境條件，確定引起溫度異常的原因，采取相應(yīng)的措施，保證試驗(yàn)的正常進(jìn)行。如果仍然達(dá)不到試驗(yàn)條件，則應(yīng)該考慮用輻射強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)考核方艙的經(jīng)受太陽(yáng)輻射熱的性能。

[1]馬志宏，李金國(guó)，張景飛.電子設(shè)備太陽(yáng)輻射模擬試驗(yàn)分析與探討[J].環(huán)境技術(shù)，2007（6）：11-14.

[2]GJB 2093—1994軍用方艙通用試驗(yàn)方法[S].北京：國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

[3]MIL-STD-810G Department of defense test method standard environmental engineering considerations and laboratory tests[S].Washington：The US Department of Defense，2008.

[4]GJB 150.7A—2009軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第7部分：太陽(yáng)輻射試驗(yàn)[S].北京：國(guó)防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，2009.

[5]王忠.太陽(yáng)輻射試驗(yàn)技術(shù)[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2005，26（增刊）：15-18.

[6]IEC68-2-5 Test Sa，Simulated solar radiation at ground level[S].Geneva：International Electrotechnical Commission，2007.

[7]DEF STAN 00-35，Environmental handbook for defence materiel part 3：environmental test methods[S].GLASGOW：UK Dstan，2006.

[8]夏越美.太陽(yáng)輻射試驗(yàn)及其標(biāo)準(zhǔn)分析[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2001，30（5）：33-38.

[9]戴光耀.軍用通用方艙日照熱效應(yīng)試驗(yàn)[J].方艙技術(shù)，1995，4（2）：19-26.