GJB 150.8A淋雨試驗(yàn)解讀及淋雨試驗(yàn)探討

楊冬甫，羅蘭，劉綱玲

（1.重慶哈丁環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)股份有限公司，重慶 401533；2.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；3.中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，成都 610036）

用于替代GJB 150.8—86《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 淋雨試驗(yàn)》的GJB 150.8A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第8部分：淋雨試驗(yàn)》已經(jīng)頒布十多年了，作為與2000年1月頒布的MIL-STD-810F等同的試驗(yàn)方法，GJB 150A增加了“滴水高度應(yīng)確保水滴的終速度均為9 m/s”的要求。這一變動使原有滿足GJB 150.8—86的試驗(yàn)設(shè)備不能滿足新的試驗(yàn)方法需求。

美國2019年頒布了MIL-STD-810H，文中通過自然降雨形成和水滴運(yùn)動分析該要求的合理性，提出了國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)修訂換版的建議，并對目前淋雨設(shè)備的現(xiàn)狀進(jìn)行探討。

1 自然降雨

1.1 降雨的形成

水汽在高空遇到冷空氣便凝聚成云滴（通常把半徑小于100 μm的水滴稱為云滴，半徑大于100 μm的水滴稱雨滴。標(biāo)準(zhǔn)云滴半徑為10 μm，標(biāo)準(zhǔn)雨滴半徑為1000 μm）或冰晶，云滴和冰晶的體積很小，不能克服空氣阻力和上升氣流的頂托，在空中聚成了云。

由液態(tài)水滴所組成的云體稱為水成云；由冰晶組成的云體稱為冰成云；由水滴和冰晶共同組成的云稱為混合云。云滴和冰晶通過不斷凝結(jié)、凝華，吸收周圍水蒸氣和水滴碰撞合并，體積約增大100多萬倍后，云滴或冰晶增長到能克服空氣阻力和上升氣流的頂托，并且在降落至地面的過程中保持液態(tài)時(shí)，才成為降雨。

1.2 降雨的分類

降雨強(qiáng)度指單位時(shí)間內(nèi)的降雨量，以mm/min或mm/h計(jì)。中國天氣預(yù)報(bào)中的日雨量為08~08時(shí)24 h降雨量，降水等級劃分見表1。

表1 降水等級劃分Tab.1 Rainfall classification mm

1.3 雨滴

1.3.1 雨滴形狀

表面張力作用使水滴成圓球形——表面積盡量小，但雨滴在降落過程中，水滴還要受重力、空氣阻力的作用。雨滴越大，這些影響作用越突出。一般情況下，小雨滴（直徑＜0.25 mm）為近似球形，大雨滴（直徑＞5.5 mm）開始為紡錘形，如圖1所示。大雨滴在下降過程中，因受空氣阻力作用而呈扁平形，兩側(cè)微向上彎曲，雨滴不穩(wěn)定，極易發(fā)生碎裂或變形，稱暫時(shí)雨滴。把直徑≤5.5 mm、降落過程中比較穩(wěn)定的雨滴稱穩(wěn)定雨滴。 自然降雨強(qiáng)度與雨滴平均直徑的關(guān)系見表2。

圖1 雨滴形狀Fig.1 Raindrop shape

表2 降雨強(qiáng)度與雨滴平均直徑Tab.2 Rainfall intensity and average diameter of raindrops

1.3.2 雨滴直徑和終速度

雨滴在靜止空氣下落過程中，受到重力、空氣浮力和空氣阻曳力的作用。浮力僅約為重力的0.1%，計(jì)算雨滴終速度時(shí)，浮力可以忽略。

受重力加速度作用，雨滴在空氣中的降落速度最初是逐漸增大的。隨雨滴降落速度的增大，空氣阻力也逐漸增大，則雨滴的加速度逐漸減少，最后減為0。這時(shí)雨滴的降落速度達(dá)到最大值，稱為雨滴終速度。雨滴大小不同，終速度也不同。

2009年3月21日使用激光降水粒子譜測量的雨滴尺寸與終速度的數(shù)據(jù)如圖2所示[7]。圖2中粗實(shí)線是利用D-V經(jīng)驗(yàn)公式Vt=9.65?10.3exp(?0.6D)計(jì)算的結(jié)果。在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，模擬仿真的雨滴直徑與終速度關(guān)系見表3[9]。由表3可以看出，毛毛雨（直徑0.5 mm）的收尾速度為2 m/s，而暴雨（雨滴最大直徑為5.5 mm左右）的雨滴最大收尾速度才能達(dá)到9 m/s。

表3 雨滴數(shù)值模擬Tab.3 Numerical simulation of raindrop

圖2 雨滴直徑和終速度關(guān)系（點(diǎn)表示例子個數(shù)分布，等值線表示粒子濃度）Fig.2 Relationship between raindrop diameter and final velocity

1.3.3 雨滴行程

雨滴大小不同，達(dá)到終速度所需的行程也不同。通過模擬仿真給出了0.5~6 mm雨滴降落時(shí)間、高度、極限速度的關(guān)系，見表4[8]。

勞師1941年實(shí)驗(yàn)結(jié)果：直徑1.25 mm的雨滴，達(dá)到終速度，降落高度需要8 m；直徑2 mm的雨滴，降落高度需要20 m；雨滴直徑6 mm的雨滴，達(dá)到終速度，降落高度需要20 m以上。

分析表明，雨滴降落高度＞10 m時(shí)，所有雨滴的速度都達(dá)到雨滴終速度的95%以上。因此模擬降雨時(shí)，雨滴降落高度在10 m以上才比較合理，并且雨滴的大小和組成盡量與天然降雨相近。

1.4 降雨危害

GJB 150.8A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第8部分：淋雨試驗(yàn)》中給出了淋雨的環(huán)境效應(yīng)。

1）大氣中環(huán)境影響。包括干擾或破壞無線電通信，限制雷達(dá)的有效性。由于能見度低，使飛機(jī)操作受到限制和使翼面升力降低（只在暴雨期間），損壞飛行中的飛機(jī)。影響炮和導(dǎo)彈的發(fā)射。降低光學(xué)裝置能見度和光學(xué)觀測效果，甚至無法進(jìn)行光學(xué)監(jiān)測。降低戶外工作效率，引起引信誤動作等。

2）雨撲擊。淋雨碰撞沖蝕裝備表面。

3）積雨/滲透。包括造成某些材料的強(qiáng)度降低，泡脹、銹蝕的可能性增大，腐蝕甚至生長霉菌，增加設(shè)備質(zhì)量。使電氣和電子設(shè)備不能工作或不安全，電氣設(shè)備失效。裝備內(nèi)部結(jié)冰，可能會由于元器件膨脹或破裂造成緩慢性能退化和功能失效，改變換熱，使推進(jìn)劑燃燒減慢等。

2 人工模擬淋雨試驗(yàn)

2.1 淋雨試驗(yàn)?zāi)康募跋嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)

淋雨試驗(yàn)是人工模擬降雨的手段，目的在于確定下列與淋雨、水噴淋和滴水有關(guān)的環(huán)境影響：保護(hù)罩、外殼和密封墊的有效性；設(shè)備在淋雨暴露期間或之后滿足其性能要求的能力；設(shè)備由于淋雨造成的物理損壞；雨水排除裝置的有效性；檢驗(yàn)包裝的有效性。

目前國內(nèi)應(yīng)用較多的淋雨試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和方法有：GJB 150.8A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第8部分：淋雨試驗(yàn)》、GB/T 2423.38—2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)R：水試驗(yàn)方法和導(dǎo)則》、GB 4208—2017《外殼防護(hù)等級（IP代碼）》、GJB 4.13—1983《艦船電子設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)-外殼防水試驗(yàn)》、JJF 17—2012《淋雨試驗(yàn)設(shè)備校準(zhǔn)規(guī)范等》。

2.2 GJB 150.8A—2009淋雨試驗(yàn)解讀

GJB 150.8A—2009淋雨試驗(yàn)包含了程序Ⅰ（降雨和吹雨）、程序Ⅱ（強(qiáng)化）、程序Ⅲ（滴水）三種試驗(yàn)方法。適用于評價(jià)在貯存、運(yùn)輸/工作期間可能暴露于淋雨、水噴淋或滴水下的設(shè)備。

2.2.1 程序Ⅰ

適用于戶外使用且沒有防降雨和吹雨措施的設(shè)備，是模擬自然界降雨的試驗(yàn)。

2.2.1.1 雨滴產(chǎn)生

GJB 150.8A—2009沒有限定雨滴產(chǎn)生的方式，但采用水分配器時(shí)，給出了終速度9 m/s的要求。程序Ⅰ淋雨和吹雨雨滴的產(chǎn)生應(yīng)按照淋雨試驗(yàn)對象的危害機(jī)理和試驗(yàn)?zāi)康倪x擇雨滴產(chǎn)生方式?？紤]雨滴譜雨滴直徑和降雨強(qiáng)度的關(guān)系，程序Ⅰ降雨強(qiáng)度為102 mm/h時(shí)，雨滴的平均直徑為2.75~3.0 mm，采用水分配器更合適。穩(wěn)態(tài)雨采用水分配器時(shí)，去掉聚乙烯管，減小水滴直徑，在程序Ⅲ滴水試驗(yàn)時(shí)，再加大直徑。使用噴嘴需考慮水滴直徑小、噴霧水滴速度矢量方向不一致等因素影響。

受噴嘴霧化原理、孔徑等影響，很難給出水壓和霧滴直徑的準(zhǔn)確關(guān)系，但可以明確隨著壓力的升高，霧滴直徑會變小。如孔直徑0.5 mm的噴嘴在壓力為0.5 MPa時(shí)，候霧滴直徑為1~2 mm。如使用噴嘴，應(yīng)考慮降低噴嘴壓力，盡量增大雨滴直徑，同時(shí)合理布置噴嘴位置，降低吹雨試驗(yàn)時(shí)水滴速度矢量方向不同的影響。

2.2.1.2 吹雨-角度

GJB 150.8A—2009中規(guī)定：根據(jù)試件布置風(fēng)源位置，以使雨水具有水平方向到45°的變化，并均勻撲打在試件一側(cè)面。水平風(fēng)速應(yīng)不小于18 m/s，在試件放入試驗(yàn)裝置前于試件處測量。GJB 150.8—86中規(guī)定：雨滴由噴頭產(chǎn)生，雨滴直徑為0.5~4.5 mm；風(fēng)源相對于試驗(yàn)樣品方向，應(yīng)使雨從水平方向變到45°角均勻地對試驗(yàn)樣品一側(cè)面吹打。雨滴初速度、吹風(fēng)、重力作用下呈45°角撲擊在試件側(cè)面，標(biāo)準(zhǔn)中未給出允許偏差范圍，而且滴雨運(yùn)動角度測量難度大，實(shí)施困難。

2.2.1.3 預(yù)熱

試件與雨水之間的溫差能影響淋雨試驗(yàn)的結(jié)果。對密封的試件，在每個暴露周期開始時(shí)，應(yīng)使試件溫度加熱到高于水溫10 ℃，使試件內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，可更好地檢驗(yàn)試件密封效果。

2.2.1.4 吹雨-轉(zhuǎn)動

風(fēng)吹雨對垂直暴露表面的影響通常比水平表面的影響更大，而對垂直或接近垂直方向的雨而言，其影響則正好相反。為使所有表面都暴露于試驗(yàn)條件下，試驗(yàn)時(shí)試件應(yīng)轉(zhuǎn)動。

GJB 150.8A—2009試驗(yàn)步驟中規(guī)定，預(yù)熱后一側(cè)面吹風(fēng)30 min后轉(zhuǎn)動試件，預(yù)熱后，再轉(zhuǎn)動試件。對熱容量較小的試件，試件內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓的效果不理想，且實(shí)際應(yīng)用中實(shí)際可操作性不強(qiáng)。

吹雨模擬3種使用狀態(tài)：試件靜置，自然界風(fēng)吹雨形成不同角度；車載外裝試件移動，無風(fēng)時(shí)，雨撲擊產(chǎn)品的角度變化；前兩種狀況疊加。因此可以應(yīng)該根據(jù)試件外形、具體安裝應(yīng)用條件選擇以下3種方式：

1）四側(cè)面分別進(jìn)行預(yù)熱-吹雨-轉(zhuǎn)90°，適用于所有側(cè)面均暴露的類似矩形試件。

2）部分側(cè)面進(jìn)行預(yù)熱-吹雨-轉(zhuǎn)90°，適用于部分側(cè)面均暴露的類似矩形試件。

3）預(yù)熱后邊吹雨邊旋轉(zhuǎn)，特別適用于側(cè)面均暴露的外形非類似矩形的試件，也適用于狀況1）。

2.2.1.5 試驗(yàn)用水

GJB 150.8A—2009要求：除另有規(guī)定外，淋雨試驗(yàn)所用水可以使當(dāng)?shù)厮吹乃５珮?biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定水循環(huán)使用時(shí)的水質(zhì)要求。

2.2.2 程序Ⅱ

強(qiáng)化不是模擬自然降雨，而是考核受試設(shè)備防水性，為設(shè)備的防水性提供一個較高的置信度。適用于大型受試設(shè)備，有風(fēng)源的淋雨試驗(yàn)不能滿足試驗(yàn)要求時(shí)采用。

2.2.2.1 雨滴尺寸

GJB 150—86中雨滴直徑為2~4.5 mm，GJB 150A—2009將雨滴直徑改為0.5~4.5 mm是比較合理的，2019版的MIL-STD-810H該指標(biāo)同為500~4500 μm。噴嘴霧化水顆粒直徑一般在2 mm以內(nèi)，壓力越高，顆粒直徑越小。

2.2.2.2 水壓

GJB 150A—2009要求：可按技術(shù)文件規(guī)定適當(dāng)改變壓力，但最小噴嘴壓力為276 kPa。GJB 150.8—86要求為375 kPa。

基于伯努利方程，噴嘴流出速度為：

式中：Cv為噴嘴效率，取0.95；P為噴嘴前壓力，Pa；ρ為水滴密度，kg/m3。

根據(jù)式（1），表壓為276 kPa時(shí)，噴嘴水滴速度為22.3 m/s；375 kPa時(shí)，達(dá)到26.0 m/s?？紤]噴嘴到被測試件表面行程中，水滴速度受空氣阻力影響的衰減，噴嘴壓力為276 kPa時(shí)，水滴速度為18 m/s左右。

2.2.2.3 噴嘴

GJB 150A—2009中明確噴嘴間距（平面二維間距，x、y軸兩個方向的間距）為71 cm×71 cm，距離試件表面距離：側(cè)面為48 cm，頂部為81 cm。但對噴嘴的類型（例如實(shí)心錐是圓形還是方形、擴(kuò)散角等）沒有給出明確要求，不利于提高淋雨試驗(yàn)的一致性和復(fù)現(xiàn)性。

2.2.3 程序Ⅲ

程序Ⅲ滴水不是模擬降雨，是針對有防雨措施但可能由于冷凝或上表面可能有泄漏產(chǎn)生滴水的設(shè)備。

2.2.3.1 水滴

GJB 150.8A中4.3.3條規(guī)定：“程序Ⅲ采用分撒管（見圖1），分撒管外套聚乙烯套管，降水滴增大到最大限度”。

GJB 150.8A中規(guī)定“使用試驗(yàn)裝置應(yīng)能提供大于280 L/(m2·h)的滴水量……采用的滴水高度應(yīng)確保水滴的最終速度約為9 m/s”，但7.2.3程序Ⅲ的步驟中要求“承受高度不小于1 m的降雨15 min”。實(shí)際應(yīng)用中，水滴的最終速度與降雨高度只能兼顧其一。

2019版的MIL-STD-810H METHOD506.6的4.1.3 Procedure Ⅲ-Drip中，已經(jīng)去掉雨滴速度9 m/s的要求，使用規(guī)定的滴水高度（不小于1 m），從試驗(yàn)樣品的上主表面開始測量。

GJB 150.8A中6.1.3規(guī)定的最終速度約為9 m/s，不符合試驗(yàn)?zāi)康囊蟆?.2.3中的降雨應(yīng)為“滴水”。

2.2.3.2 分配器

GJB 150.8A和MIL-STD-810中均給出了同樣的兩種水分配器方案，如圖3、4所示。

圖3所示的針頭式簡易裝置給出了水深和滴水速度的關(guān)系，能滿足程序Ⅰ和程序Ⅲ對水滴直徑和水量的要求。圖4分配器適用于程序Ⅲ，水滴直徑大，可能超出程序Ⅰ的直徑要求。

圖3 穩(wěn)態(tài)淋雨和滴水試驗(yàn)簡易裝置Fig.3 Simple device for steady rain and drip test

圖4 滴水試驗(yàn)水分配器Fig.4 Water-distributor of drip test

程序Ⅲ的水滴直徑最大限度可以達(dá)到5 mm以上，超過程序Ⅰ雨滴直徑0.5~4.5 mm的要求。因不能使用相同的分配器，采用簡易裝置時(shí)需要加裝聚乙烯管增大水滴直徑。

3 淋雨設(shè)備現(xiàn)狀

3.1 國產(chǎn)設(shè)備

由于市場需求相對較小等原因，淋雨試驗(yàn)箱沒有引起國內(nèi)大型氣候環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備行業(yè)廠家的重視，產(chǎn)品研制技術(shù)水平普遍較低，不能完全滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。國內(nèi)一家環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備廠家生產(chǎn)的淋雨試驗(yàn)箱的技術(shù)規(guī)格（部分）見表5，外形如圖5所示。

圖5 國產(chǎn)高風(fēng)速淋雨箱外形Fig.5 Appearance of domestic rain chamber with high wind speed

表5 國產(chǎn)淋雨試驗(yàn)箱技術(shù)規(guī)格Tab.5 Technical specification of domestic rain chamber

分析技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)以下問題：

1）產(chǎn)品屬性中滿足GJB 150.8—86 淋雨試驗(yàn)，但防水試驗(yàn)水壓已按照GJB 150.8A—2009更新為276 kPa。

2）風(fēng)速5~18 m/s（轉(zhuǎn)臺進(jìn)風(fēng)處中心水平風(fēng)速），與JJF 17—2012《淋雨設(shè)備校準(zhǔn)規(guī)范》不一致。

3）防水性試驗(yàn)“雨滴直徑2~4.5 mm”，噴嘴霧化水滴直徑大部分在2 mm以內(nèi)，是GJB 150.8—86 的要求，嚴(yán)格驗(yàn)收會不合格。

4）滴水盤面積為760 mm×760 mm，滴雨距離為1 m。滴雨速度不滿足GJB 150.8A—2009降雨試驗(yàn)要求，考慮內(nèi)箱高度1.6 m及轉(zhuǎn)盤高度，能做滴水試驗(yàn)的試件高度僅500 mm左右。

5）總功率為24 kW，如果嚴(yán)格按照GJB 150.8A—2009設(shè)計(jì)，風(fēng)機(jī)風(fēng)口尺寸應(yīng)與工作室深×寬相同，即1.5 m×1.5 m，18 m/s風(fēng)速時(shí)，風(fēng)量為145 800 m3/h，風(fēng)機(jī)軸功率＞90 kW，電機(jī)功率達(dá)到132 kW。根據(jù)功率分析，吹風(fēng)口規(guī)格不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜上所述，產(chǎn)品既不能滿足GJB 150.8—86的要求，也無法滿足GJB 150.8A—2009的要求。

由于GJB 150.8A中在降雨和滴水中都規(guī)定“滴水高度應(yīng)確保水滴的終速度均為9 m/s”，國內(nèi)有廠家將滴雨盤安裝到試件上表面4.5 m高處，希望借助重力加速度使雨滴速度達(dá)到9 m/s。這忽略了雨滴直徑和空氣阻力的影響，實(shí)際雨滴直徑較小時(shí)，終速度達(dá)不到9 m/s，雨滴直徑較大時(shí)，行程高度又遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，也無法達(dá)到這一要求。

3.2 進(jìn)口設(shè)備

一臺2006年意大利進(jìn)口的淋雨試驗(yàn)箱如圖6所示。風(fēng)口尺寸與試驗(yàn)箱迎風(fēng)截面相同，水滴的產(chǎn)生使用分配器，吹雨使用3個水平布置的噴嘴通過總管轉(zhuǎn)軸調(diào)節(jié)角度。能滿足GJB 150—86的要求，但同樣存在不滿足GJB 150A中穩(wěn)態(tài)雨試驗(yàn)雨滴速度9 m/s和滴水試驗(yàn)時(shí)有效空間太低的問題。

圖6 意大利風(fēng)源淋雨箱RT 9000 MIL（2006年）Fig.6 RT 9000 MIL rain chamber imported from Italy

4 結(jié)語

1）GJB 150.8A—2009中降雨試驗(yàn)雨滴速度9 m/s不符合實(shí)際降雨?duì)顩r，也極難實(shí)現(xiàn)，建議實(shí)際試驗(yàn)應(yīng)根據(jù)失效或破壞機(jī)理對雨滴直徑和雨滴速度進(jìn)行合理剪裁。

2） 吹雨的角度應(yīng)給出偏差范圍，以具備可實(shí)施性。

3）作為參考標(biāo)準(zhǔn)的MIL-STD-810F已經(jīng)實(shí)施超過20年，建議GJB 150.8A—2009在修訂新版時(shí)，完善補(bǔ)充相關(guān)內(nèi)容。

4）用于校準(zhǔn)GJB 150.8A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第8部分：淋雨試驗(yàn)》中淋雨試驗(yàn)設(shè)備的JJF 17—2012《淋雨設(shè)備校準(zhǔn)規(guī)范》，也建議及時(shí)進(jìn)行同步調(diào)整。