王云 吳玲
摘要: 空中環(huán)境對(duì)浮空器系統(tǒng)安全運(yùn)行有很大影響,必須重視浮空器的空中環(huán)境可靠性設(shè)計(jì)及各種環(huán)境試驗(yàn)。文章提出了在浮空器設(shè)計(jì)、飛行試驗(yàn)過程中,可能影響安全的各種空中環(huán)境因素,并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù),初步推斷出各種環(huán)境因素對(duì)浮空器影響的計(jì)算公式。
關(guān)鍵詞: 空中環(huán)境;浮空器;可靠性;環(huán)境試驗(yàn);試驗(yàn)數(shù)據(jù) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
中圖分類號(hào):TK124 文章編號(hào):1009-2374(2017)10-0081-02 DOI:10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.040
1 概述
近年來飛艇及系留氣球等浮空器由于在滯空時(shí)間和運(yùn)行費(fèi)用等方面具有優(yōu)勢(shì),因此得到了廣泛關(guān)注。
眾所周知,產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與產(chǎn)品的可靠性密切相關(guān),所以在設(shè)計(jì)浮空器的時(shí)候需要盡可能多選擇那些可靠性高、技術(shù)先進(jìn)的技術(shù)和工藝。然而,設(shè)計(jì)在完成后,如果不通過具體的試驗(yàn),僅利用圖面檢查和原理演示是無法找出其中的問題的。產(chǎn)品的研制開發(fā)離不開試驗(yàn)這一過程,并且試驗(yàn)也是對(duì)產(chǎn)品性能考核評(píng)價(jià)的主要方式,所以在當(dāng)下的產(chǎn)品研制初期,都需要完成對(duì)產(chǎn)品基本特性的分析和調(diào)查,明確其中可能影響產(chǎn)品試驗(yàn)的因素,并制定相應(yīng)的試驗(yàn)操作流程,以確保產(chǎn)品研制工作可以順利進(jìn)行。
2 試驗(yàn)分類
產(chǎn)品研制生產(chǎn)階段的試驗(yàn)非常多,但其總體上可以分為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)兩類。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)指的是通過實(shí)際使用來驗(yàn)證產(chǎn)品的性能,比如在產(chǎn)品的運(yùn)輸、存儲(chǔ)以及使用等環(huán)境進(jìn)行產(chǎn)品性能的驗(yàn)證,查驗(yàn)其是否會(huì)出現(xiàn)破損或者功能缺失等情況。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)又可以具體分為飛行試驗(yàn)、跑車試驗(yàn)、自然暴露試驗(yàn)等。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)指的是測(cè)試產(chǎn)品在某些特定受控條件下的性能,比如環(huán)境條件、電源條件等。不同試驗(yàn)?zāi)康乃璧氖芸貤l件是不同的,它需要根據(jù)具體的情況來模擬相應(yīng)的使用條件,以此來驗(yàn)證產(chǎn)品的性能。通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)可以幫助研發(fā)人員找出產(chǎn)品在研發(fā)初期的問題和不足,并且結(jié)合具體的問題制定相應(yīng)的改進(jìn)和處理措施,進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行完善和改進(jìn)。在產(chǎn)品的研制后期,由于實(shí)驗(yàn)室條件的限制,其無法將現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行最真實(shí)的模擬,所以必須通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來找出產(chǎn)品中那些比較深層次問題和不足。
在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí),產(chǎn)品完成的任務(wù)能夠表明其自身的使用壽命典型任務(wù),那就說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有代表性,它所檢測(cè)出的結(jié)果與產(chǎn)品的真實(shí)性能相符合。然而在短時(shí)間內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)條件是無法全部達(dá)成的。比如以其環(huán)境試驗(yàn)中的氣候試驗(yàn)為例,有些產(chǎn)品需要在冷熱不同環(huán)境下試驗(yàn)一年以上,但是自然界中端冷和極端熱環(huán)境是無法保證其可以及時(shí)出現(xiàn)并被利用的。這些現(xiàn)場(chǎng)條件是無法控制的,這就給現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)帶來了很大的難度。所以在實(shí)際工作中,通常都在最后的研制環(huán)節(jié)采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。在大多數(shù)的產(chǎn)品研制、設(shè)計(jì)以及驗(yàn)收工作中,基本都是采用實(shí)驗(yàn)室試研制以及生產(chǎn)中的可靠性試驗(yàn)與環(huán)境試驗(yàn)分析。
性能試驗(yàn)指的是在實(shí)驗(yàn)室中通過相關(guān)的試驗(yàn)來測(cè)試產(chǎn)品的性能,它的目的有兩個(gè):第一,對(duì)研制產(chǎn)品的性能進(jìn)行評(píng)估,檢驗(yàn)其是否達(dá)到設(shè)計(jì)的要求;第二,制定一套合理科學(xué)的性能評(píng)判基準(zhǔn),以此來完成對(duì)試驗(yàn)中、試驗(yàn)后所得到數(shù)據(jù)的比較,進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品性能的變化趨勢(shì)以及其性能進(jìn)行合理的評(píng)估。性能試驗(yàn)是其他試驗(yàn)的基礎(chǔ),產(chǎn)品研制階段樣機(jī)制造出來后應(yīng)立即進(jìn)行性能試驗(yàn),看其是否滿足設(shè)計(jì)要求,試驗(yàn)過程中暴露出來的缺陷應(yīng)作為改進(jìn)措施的直接依據(jù),一般情況下要經(jīng)過反復(fù)設(shè)計(jì)和改進(jìn)后才能使研制的產(chǎn)品通過性能試驗(yàn),然而通過了性能試驗(yàn)的產(chǎn)品在實(shí)際環(huán)境條件下不一定能正常工作,因此性能試驗(yàn)后要進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)。
3 環(huán)境試驗(yàn)研究
環(huán)境試驗(yàn)是在產(chǎn)品通過了性能試驗(yàn)后,為了保證產(chǎn)品能耐受預(yù)期的極端環(huán)境(包括氣候、力學(xué)、電磁等)的破壞作用而進(jìn)行的一系列研制和驗(yàn)證試驗(yàn),具有重要意義。由環(huán)境應(yīng)力造成的失效產(chǎn)品故障的常見原因,1971年美國對(duì)機(jī)載設(shè)備全年的故障進(jìn)行剖析,結(jié)果顯示50%以上的故障是由各種環(huán)境所致,而溫度、振動(dòng)、濕度三項(xiàng)環(huán)境造成電子設(shè)備43.7%的故障。同樣浮空器囊體材料和其搭載的各種電子設(shè)備都受到類似的影響。如何保障浮空器安全,減少在使用中由環(huán)境影響造成的故障比率,應(yīng)在研制和生產(chǎn)階段充分開展環(huán)境試驗(yàn)工作。環(huán)境試驗(yàn)指的是以考核所設(shè)計(jì)或生產(chǎn)的產(chǎn)品對(duì)預(yù)定環(huán)境適應(yīng)性為目標(biāo)的試驗(yàn)。產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性是指產(chǎn)品在運(yùn)輸、儲(chǔ)存以及工作中對(duì)其對(duì)應(yīng)環(huán)境的適應(yīng)性,其包括在最惡劣運(yùn)輸儲(chǔ)存環(huán)境下,產(chǎn)品的抗損壞能力和工作性能。需要注意的是這里的適應(yīng)性指的是產(chǎn)品在這些環(huán)境下的短期適應(yīng)性,而不是指的長(zhǎng)期適應(yīng)性,所以其不屬于可靠性指標(biāo)。
環(huán)境試驗(yàn)多為單項(xiàng)試驗(yàn),這種試驗(yàn)的設(shè)備比較簡(jiǎn)單、試驗(yàn)費(fèi)用少,且很容易看出來某一環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)品的影響。但是跟實(shí)際使用情況仍有一定的區(qū)別。環(huán)境試驗(yàn)的種類很多,根據(jù)浮空器的使用條件及要求,常用的環(huán)境試驗(yàn)包括高溫試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)、紫外線輻照試驗(yàn)、濕熱交變?cè)囼?yàn)、高溫老化及低壓試驗(yàn)等。
常見的環(huán)境試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件如下:
第一,高低溫試驗(yàn):
高溫試驗(yàn)條件:60℃穩(wěn)定20min。
低溫試驗(yàn)條件:-40℃穩(wěn)定20min。
試驗(yàn)結(jié)果見表1:
表1 高低溫對(duì)某材料拉伸強(qiáng)度的影響表
溫度 均值(N) 變化率
常溫 3300 ――
60℃ 2800 -21.4%
-40℃ 4200 +39.5%
第二,高溫老化試驗(yàn):
試驗(yàn)條件:高溫120℃維持老化時(shí)間336h。
低溫試驗(yàn)條件:-40℃穩(wěn)定20min。
試驗(yàn)結(jié)果見表2:
表2 高溫老化對(duì)某材料拉伸強(qiáng)度的影響
項(xiàng)目 均值(N) 變化率
常溫 2500 ――
高溫老化后 2200 -26%
第三,濕熱交變?cè)囼?yàn)。
試驗(yàn)條件及試驗(yàn)時(shí)間如表3所示:
表3 濕熱交變對(duì)某材料拉伸強(qiáng)度的影響表
均值(N) 變化率
常溫 3300 ――
濕熱交變 3200 -7%
第四,紫外線輻照試驗(yàn)。
試驗(yàn)條件:光照為常溫、紫外線輻射強(qiáng)度為0.59W/m2.n·m、波長(zhǎng)為310nm。
輻射方法:每次循環(huán)在80℃下,照射20h,在噴水5min(空氣溫度不控制),然后50℃保持4h,依次
循環(huán)。
試驗(yàn)結(jié)果如表4所示:
表4 紫外線輻照對(duì)某材料拉伸強(qiáng)度的影響
材料 均值(N) 變化率
常溫 2210 ――
375h 2100 -12%
750h 1600 -36%
1125h 1300 -49%
3000h 960 -62%
第五,低壓試驗(yàn)。
試驗(yàn)條件:貯存壓力為57kPa;貯存時(shí)間為1h;貯存壓力變化率10kPa/min。
試驗(yàn)結(jié)果如表5所示:
表5 濕熱交變對(duì)某材料拉伸強(qiáng)度的影響表
均值(N) 變化率
常溫 3300 ――
濕熱交變 3200 -7%
4 結(jié)語
通過以上各環(huán)境試驗(yàn)的結(jié)果,猜想在各種環(huán)境條件共同影響下,環(huán)境因素對(duì)囊體材料的影響大致可用以下公式表示:
式中:k為一段時(shí)間后某囊體材料性能的損失率;T為各種環(huán)境因素的作用時(shí)間,單位為h;T1為紫外線輻照時(shí)間;T2為高溫老化時(shí)間;T3為高溫時(shí)間;T4為低壓時(shí)間;T5為濕熱交變時(shí)間;T6為低溫時(shí)間。
假設(shè)某型號(hào)浮空器在外場(chǎng)試驗(yàn)60天,其中晴天40天,雨天20天,平均日照8h,每天高溫平均5h,根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),大致可以得到:
則代入公式可得材料強(qiáng)度損失率為7.9%。
此公式只是在現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行大致推論得到,具體還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)進(jìn)行完善。本文旨在提供一種思路,量化各種空間環(huán)境對(duì)浮空器囊體性能的影響。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介:王云(1979-),女,中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所工程師,研究方向:浮空器結(jié)構(gòu)及總體設(shè)計(jì);吳玲(1981-),女,中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所高級(jí)工程師,研究方向:浮空器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。
(責(zé)任編輯:蔣建華)