復(fù)合環(huán)境試驗技術(shù)研究進(jìn)展*

董雪明

(中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京 100095)

0　引言

根據(jù)試驗場地或者試驗條件的構(gòu)成方式不同，環(huán)境試驗可以分為“外場試驗”和“環(huán)境模擬試驗”?！巴鈭鲈囼灐笔侵讣兇饫米匀画h(huán)境進(jìn)行的試驗。由于自然環(huán)境條件具有復(fù)雜性、波動性、隨機(jī)性，通過自然環(huán)境進(jìn)行高精度重復(fù)性試驗存在較大難度。主要原因包括：1)自然環(huán)境包含的環(huán)境因素較多，很難精確估計具體環(huán)境因素的影響；2)不同時間的自然環(huán)境條件難以保持高精度一致；3)自然環(huán)境重復(fù)出現(xiàn)的時間間隔不固定?！碍h(huán)境模擬試驗”是通過人工構(gòu)建試驗環(huán)境，來模擬自然條件進(jìn)行的試驗。這種方式可以實現(xiàn)環(huán)境條件的人為控制，進(jìn)行有針對性的、可重復(fù)驗證的試驗。對于科學(xué)研究而言，重復(fù)性試驗對于確認(rèn)科研數(shù)據(jù)、支撐科研理論具有重要價值。因此，需要進(jìn)行重復(fù)性驗證的環(huán)境試驗主要依靠環(huán)境模擬試驗。

單一環(huán)境試驗由于開展較早，技術(shù)和試驗裝置較為成熟。為了模擬復(fù)合環(huán)境的影響，目前也進(jìn)行單因素順序環(huán)境試驗，但是，不同的試驗次序，對試驗結(jié)果的影響是不同的，也不能夠準(zhǔn)確反映多環(huán)境因素同時綜合作用的結(jié)果，易使得試驗中產(chǎn)品的故障模式與實際使用中出現(xiàn)的故障模式存在很大差異。因此，為了真實反映實際工作環(huán)境中被測對象受多環(huán)境因素作用的情況，必須建立復(fù)合環(huán)境試驗裝置，開展復(fù)合環(huán)境試驗技術(shù)研究。

1　復(fù)合環(huán)境試驗技術(shù)

1.1　環(huán)境試驗概述

根據(jù)環(huán)境因素的個數(shù)，環(huán)境試驗可以分為單一環(huán)境試驗和復(fù)合環(huán)境試驗兩類。單一環(huán)境試驗是指試驗中保持其他環(huán)境因素不變，或者說忽略其他環(huán)境因素的影響，主要考察某一確定的環(huán)境因素對被測對象的影響；復(fù)合環(huán)境試驗則是保持其他環(huán)境因素不變，在試驗中引入2個或以上環(huán)境因素，考察多個環(huán)境因素復(fù)合作用時對被測對象的影響。

為進(jìn)一步明確環(huán)境試驗項目的范圍，在實際應(yīng)用中，一般將環(huán)境試驗項目分為3大部分：氣候環(huán)境試驗、機(jī)械環(huán)境試驗、綜合環(huán)境試驗。本文中定義的“復(fù)合環(huán)境試驗”，指的是多個環(huán)境因素同時作用的試驗，包括這里的綜合環(huán)境試驗以及氣候環(huán)境試驗中的多因素氣候環(huán)境試驗和機(jī)械環(huán)境試驗中的多因素機(jī)械環(huán)境試驗。

前述環(huán)境因素主要是大氣層以內(nèi)的自然環(huán)境因素，而沒有涉及到大氣層以外的空間環(huán)境因素。對于航天器(主要指航天飛機(jī)、載人飛船、空間站、衛(wèi)星、星際探測器等)的環(huán)境試驗而言，除了以上提及的環(huán)境試驗，還需要考慮空間環(huán)境因素?？臻g環(huán)境是個特殊的環(huán)境，通常包括：高真空環(huán)境、冷黑環(huán)境、微重力環(huán)境、高能帶電粒子環(huán)境、弱磁場環(huán)境、原子氧環(huán)境、微流星環(huán)境、空間碎片環(huán)境、等離子體環(huán)境和磁層亞爆環(huán)境等[1，2]，空間環(huán)境試驗具有特殊性和專用性，也是復(fù)合環(huán)境試驗研究的一個重要方向。

1.2　復(fù)合環(huán)境試驗分類

當(dāng)前開展的復(fù)合環(huán)境試驗主要是考察溫度、濕度、氣壓(高度)、振動、噪聲等環(huán)境因素的綜合影響。而氣候環(huán)境因素與機(jī)械環(huán)境因素的復(fù)合技術(shù)目前研究較少，成果也不多，是復(fù)合環(huán)境試驗技術(shù)研究人員下一步研究的重點。氣候環(huán)境因素與機(jī)械環(huán)境因素分類分別如圖1和圖2所示。

圖1　氣候環(huán)境因素分類

圖2　機(jī)械環(huán)境因素分類

按照復(fù)合方式不同，可以將氣候與機(jī)械環(huán)境因素分為兩類：單一種類多環(huán)境因素復(fù)合與不同種類多環(huán)境因素復(fù)合。

1.2.1單一種類多環(huán)境因素復(fù)合

單一種類多環(huán)境因素復(fù)合是指多個氣候環(huán)境因素之間的相互復(fù)合，或者是多個機(jī)械環(huán)境因素之間的相互復(fù)合，是同一類之間的相互復(fù)合，不包括不同類之間的復(fù)合，下面分別敘述。

氣候環(huán)境因素中的氣體屬性，特別是溫度、濕度和壓力，屬于耦合程度比較高的類型，互相影響，互相制約，難以進(jìn)行單獨調(diào)控。各種非氣體因素則可以較為容易地復(fù)合到環(huán)境試驗中，如通過發(fā)聲器將噪聲疊加到溫度、濕度、壓力復(fù)合環(huán)境中；通過輻射發(fā)生裝置將太陽輻照疊加到溫度、濕度、壓力復(fù)合環(huán)境中。

機(jī)械環(huán)境因素中的“其他加速度”(如圖2所示)對應(yīng)的因素之間，因為其加速度變化規(guī)律不同，所以很難直接進(jìn)行疊加。如正弦振動與跌落，它們發(fā)生的裝置是截然不同的，也很難進(jìn)行疊加。但是，不同方向的同一種“其他加速度”或者非規(guī)律變化加速度，是有可能疊加的。如恒定加速度一般通過離心機(jī)來提供，以離心機(jī)為主體的復(fù)合環(huán)境試驗設(shè)備上搭載可以提供其他加速度的設(shè)備，就能實現(xiàn)恒加速度與其他加速度的疊加。同理，在以振動平臺為主體的復(fù)合環(huán)境試驗設(shè)備上，也有可能搭載提供其他加速度的設(shè)備，實現(xiàn)振動加速度與其他不同種類加速度的疊加。

1.2.2不同種類多環(huán)境因素復(fù)合

不同種類多環(huán)境因素復(fù)合主要是指氣候環(huán)境因素與機(jī)械環(huán)境因素之間的復(fù)合，是在單一種類環(huán)境因素復(fù)合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的技術(shù)。比如：產(chǎn)生不同種類環(huán)境因素的設(shè)備一般是不同的，它們之間必須進(jìn)行一定的隔離，以保證所產(chǎn)生的環(huán)境因素是準(zhǔn)確的、可控的。常見的如隔熱、隔振、電磁屏蔽等。

另外一個原因，在復(fù)合環(huán)境因素作用下，被測對象的性能可能發(fā)生改變，一方面要確定被測對象對不能控制的環(huán)境因素的抗性較好，另一方面要對被測對象的多方面特性進(jìn)行全方位監(jiān)測與控制，這些都需要完善的理論支持。目前，簡單的振動或者恒加速度與溫度、濕度、壓力的復(fù)合是比較常見的，而把這些全復(fù)合則尚存在一些問題，也是我們目前研究的重中之重。

2　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1　國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國的環(huán)境模擬設(shè)備研發(fā)從上世紀(jì)60年代開始，已經(jīng)建立起較為齊全的單環(huán)境測試項目和測試設(shè)備。目前，國內(nèi)開展環(huán)境試驗的單位包括：中航工業(yè)301所、北京航空航天大學(xué)、中船重工723所、北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所、中國計量科學(xué)研究院、中國測試技術(shù)研究院、信息產(chǎn)業(yè)部電子第五研究所、中國空軍電子設(shè)備環(huán)境條件試驗中心等，環(huán)境試驗?zāi)繕?biāo)遍及海陸空各種機(jī)電元器件、設(shè)備、系統(tǒng)等。

在復(fù)合環(huán)境研究方面起步較晚，成熟產(chǎn)品不多。2008年，中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所董雪明等開展大g值條件下加速度計溫度系數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)研究，在離心機(jī)上復(fù)合溫控試驗裝置，利用半導(dǎo)體制冷技術(shù)實現(xiàn)了大g值下低溫、高溫控制，完成了加速度與熱(溫度)復(fù)合的校準(zhǔn)裝置研制。之后又開展了高速率大g值慣性系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)研究，在離心機(jī)上安裝高速轉(zhuǎn)臺，該轉(zhuǎn)臺可以在水平和垂直兩個方向旋轉(zhuǎn)，完成了加速度-速度復(fù)合校準(zhǔn)裝置研制，主要開展旋轉(zhuǎn)彈校準(zhǔn)。

2009年，浙江大學(xué)方兵、沈潤杰等報道了用于航天元器件的高線加速度、熱、振動綜合環(huán)境試驗裝置[3]，是國內(nèi)報道比較完善的一種復(fù)合環(huán)境試驗裝置。沈潤杰等利用剛體動力學(xué)方法，分析振動臺動圈產(chǎn)生偏離的原因和離心力場對振動臺固有特性的影響，提出氣囊位移反饋動圈糾偏系統(tǒng)的設(shè)計方案，并對氣囊動態(tài)特性進(jìn)行分析，最后對振動臺模型進(jìn)行修正[4]。

2012 年，中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所董雪明等以離心機(jī)為主體，復(fù)合了振動臺、溫控試驗裝置以及氣壓裝置(高度模擬)，開展慣性器件復(fù)合校準(zhǔn)技術(shù)研究。

國內(nèi)復(fù)合環(huán)境試驗研究中一些關(guān)鍵技術(shù)問題仍在探索之中?？傮w趨勢是對于單一種類多因素環(huán)境復(fù)合研究較多，如溫度、濕度、壓力復(fù)合；對簡單的振動或者恒加速度與溫度、濕度、壓力的復(fù)合研究也有一定進(jìn)展，一些國內(nèi)環(huán)境試驗設(shè)備生產(chǎn)廠家研制了振動與溫度、濕度三綜合試驗箱以及振動與溫度、濕度、低氣壓四綜合試驗箱等。但是，對于多機(jī)械環(huán)境因素的復(fù)合環(huán)境試驗技術(shù)，理論研究較多，實際成品較少。

2.2　國外研究現(xiàn)狀

1980年左右，美國Sandia國家實驗室研制的“離心-振動設(shè)備”是目前可查的最早的離心-振動復(fù)合設(shè)備，該設(shè)備是在離心機(jī)的擺臂末端安裝機(jī)械振動臺。1989年，該實驗室的Doggett和Rogers等人將振動臺進(jìn)行改裝，研制出復(fù)合環(huán)境試驗設(shè)備。2005年又報道了最新的改進(jìn)，采用Adaptronics公司的APA95ML壓電動作器組成壓電振動系統(tǒng)[5]，但是振動幅度有限。該設(shè)備是當(dāng)今所知最為完善的振動-離心復(fù)合環(huán)境試驗設(shè)備之一。

2012年，美國Drexel大學(xué)的Frank Arute報道了一個模擬衛(wèi)星發(fā)射和再入的復(fù)合環(huán)境設(shè)備，綜合了振動、沖擊和加速度環(huán)境，由Drexel大學(xué)聯(lián)合美國航空航天咨詢公司(American Aerospace Advisors Inc)和ETC的 NASTAR中心共同開發(fā)，對小衛(wèi)星進(jìn)行測試。

國外復(fù)合環(huán)境試驗技術(shù)研究比較成熟，其中一些關(guān)鍵技術(shù)問題己經(jīng)解決，相應(yīng)設(shè)備不僅應(yīng)用于軍事領(lǐng)域和航空航天領(lǐng)域，而且在民用多個領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。

3　復(fù)合環(huán)境試驗技術(shù)發(fā)展趨勢

由于環(huán)境試驗對象種類繁多，參數(shù)各異，各種環(huán)境實驗條件迥異，決定了復(fù)合環(huán)境試驗技術(shù)是一門高度綜合性的工程技術(shù)。

在各國大力投入和積極推動下，環(huán)境試驗技術(shù)發(fā)展迅速。從單一環(huán)境試驗發(fā)展到復(fù)合環(huán)境試驗，從簡單靜態(tài)環(huán)境試驗到復(fù)雜動態(tài)環(huán)境試驗，從單純產(chǎn)品試驗到人機(jī)聯(lián)合系統(tǒng)試驗，一步一步更貼近所模擬的實際應(yīng)用環(huán)境。建立整機(jī)多參數(shù)綜合動態(tài)環(huán)境試驗裝置和進(jìn)行多參數(shù)綜合動態(tài)環(huán)境試驗以及人機(jī)系統(tǒng)環(huán)境試驗是當(dāng)前復(fù)合環(huán)境試驗技術(shù)的發(fā)展趨勢。

復(fù)合環(huán)境試驗中的靜態(tài)環(huán)境試驗，或者說保持環(huán)境因素穩(wěn)定的環(huán)境試驗，比要求環(huán)境因素動態(tài)變化的情況要簡單。按照指定的近似“自然規(guī)律”產(chǎn)生動態(tài)環(huán)境，是動態(tài)環(huán)境試驗需要突破的重點。復(fù)合環(huán)境試驗總的發(fā)展趨勢可以歸納為以下幾個方面：

1)多環(huán)境參數(shù)全復(fù)合。通過建造全復(fù)合環(huán)境試驗裝置，把原來多個單一的環(huán)境試驗根據(jù)需要全復(fù)合(或者盡可能多的復(fù)合)起來，進(jìn)行綜合環(huán)境試驗。

2)復(fù)雜的動態(tài)環(huán)境試驗。從簡單靜態(tài)環(huán)境試驗到復(fù)雜的動態(tài)環(huán)境試驗轉(zhuǎn)變，研制動態(tài)環(huán)境試驗裝置，研究動態(tài)環(huán)境下產(chǎn)品的性能和結(jié)構(gòu)變化。

3)系統(tǒng)級、整機(jī)試驗。逐步從器件級環(huán)境試驗向系統(tǒng)級、整機(jī)試驗轉(zhuǎn)變，以更加全面地考核整個系統(tǒng)或整機(jī)的可靠性、穩(wěn)定性以及環(huán)境適應(yīng)性。

4)天地一致性。復(fù)合環(huán)境試驗的終極目標(biāo)是實現(xiàn)“天地一致性”，即在實驗室“真實”模擬武器裝備實際使用環(huán)境，確保武器裝備在實際使用過程中結(jié)構(gòu)可靠、性能穩(wěn)定，這一目標(biāo)的實現(xiàn)是很復(fù)雜、很困難的，但也是非常值得研究的。

5)大型化、復(fù)雜化。環(huán)境試驗設(shè)備逐步向大型化、復(fù)雜化發(fā)展，相關(guān)的技術(shù)研究需要進(jìn)一步深入，各國都在投入更大的人力和物力。

6)綜合化、系統(tǒng)化。環(huán)境試驗設(shè)備逐步從單一化向綜合化、系統(tǒng)化發(fā)展，隨著研究的不斷深入，綜合化、系統(tǒng)化程度會越來越高。

7)高準(zhǔn)確度、高可靠性。隨著武器裝備的精度要求越來越高，對復(fù)合環(huán)境試驗裝置的準(zhǔn)確度、可靠性要求也會越來越高。

4　我國復(fù)合環(huán)境試驗技術(shù)存在的一些問題

就國內(nèi)復(fù)合環(huán)境試驗技術(shù)的研究現(xiàn)狀而言，目前仍然存在一些技術(shù)難點沒有得到實質(zhì)性突破。

4.1　多參數(shù)綜合動態(tài)同步控制技術(shù)

在復(fù)合環(huán)境試驗中，往往涉及到多個參數(shù)的調(diào)控。由于多參數(shù)之間的耦合特性，這種調(diào)控是聯(lián)動的，需要進(jìn)行動態(tài)同步控制。而且，各個參數(shù)對控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)可能各不相同，如何在足夠短的時間內(nèi)，實現(xiàn)多個參數(shù)的綜合動態(tài)同步控制，是復(fù)合環(huán)境試驗必須解決的關(guān)鍵問題。

4.2　高精度自然環(huán)境模擬技術(shù)

目前的環(huán)境試驗技術(shù)，模擬得到的環(huán)境因素的精度往往不高，對于一般應(yīng)用而言是足夠的。但是，對于航空航天、武器裝備等高精度的應(yīng)用，必須提高環(huán)境模擬技術(shù)的精度，盡可能提供較為完整、逼真的自然環(huán)境，對產(chǎn)品進(jìn)行精細(xì)化測試。因此，構(gòu)建更為精密的環(huán)境仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)高精度自然環(huán)境模擬，是進(jìn)一步提升復(fù)合環(huán)境試驗技術(shù)應(yīng)用價值的重要問題。

4.3　多參數(shù)復(fù)合環(huán)境試驗平臺構(gòu)建技術(shù)

多參數(shù)復(fù)合環(huán)境試驗平臺的構(gòu)建，首先就需要朝著多機(jī)械環(huán)境因素綜合的方向投入；其次，對于未曾涉及到的氣候環(huán)境因素和機(jī)械環(huán)境因素，要遵循松散耦合、獨立控制的原則，盡量構(gòu)建相對獨立的環(huán)境因素提供單元，根據(jù)不同的試驗需求進(jìn)行組合。

5　結(jié)束語

就國內(nèi)外的研究成果來看，單一環(huán)境試驗技術(shù)發(fā)展較早，技術(shù)成熟，包含的環(huán)境因素種類較多，有專用的測試設(shè)備和系統(tǒng)；復(fù)合環(huán)境試驗技術(shù)起步較晚，目前有關(guān)復(fù)合環(huán)境試驗技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)裝置還不是很多。國內(nèi)的研究人員在成熟的理論研究基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行復(fù)合環(huán)境試驗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制。

就環(huán)境試驗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)而言，國外處于主導(dǎo)地位。國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)可以在復(fù)合環(huán)境試驗技術(shù)方面、在已有的環(huán)境試驗技術(shù)基礎(chǔ)之上進(jìn)行較大的突破，建立比較系統(tǒng)的、完善的復(fù)合環(huán)境試驗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。特別是航空航天領(lǐng)域，很多大型的復(fù)合環(huán)境試驗裝備，都需要結(jié)合最新科學(xué)技術(shù)進(jìn)行本質(zhì)上的創(chuàng)新和發(fā)展。

復(fù)合環(huán)境試驗技術(shù)是一門綜合性的工程技術(shù)，涉及到的學(xué)科種類繁多，技術(shù)組成復(fù)雜，難度較大。這就對研究團(tuán)隊的人員組成提出明確的要求，需要具有良好的跨學(xué)科、跨專業(yè)溝通能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。研究人員要在精通本專業(yè)、本領(lǐng)域技術(shù)和理論的情況下，對其他專業(yè)也要有所涉獵，這樣就可以很快融合到整體研究當(dāng)中。

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