軍用裝備產(chǎn)品的積冰/凍雨試驗方法分析

賀天遠(yuǎn)，江露，汪凱蔚，胡湘洪

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實驗室，廣東 廣州 511370；3.陸軍裝備部駐南京地區(qū)軍事代表局駐上海地區(qū)第二軍事代表室，上海 200030）

0 引言

現(xiàn)階段由于使用與部署環(huán)境復(fù)雜多樣，裝備在壽命周期內(nèi)可能面臨極端嚴(yán)寒的惡劣條件，經(jīng)受積冰/凍雨環(huán)境應(yīng)力的物理或化學(xué)作用，從而在使用運(yùn)行和操作維護(hù)方面產(chǎn)生影響任務(wù)完成的不利影響。據(jù)不完全統(tǒng)計，每年由于積冰導(dǎo)致的飛機(jī)失事近30 起，其中飛機(jī)上有霜、雪、凍雨等失事每年約13 起，起飛、巡航與著陸過程中因積冰相關(guān)問題導(dǎo)致的失事各占1/3[1]。對飛機(jī)整機(jī)而言，積冰/凍雨惡劣氣候環(huán)境條件會直接導(dǎo)致飛機(jī)氣動性能變差，機(jī)體表面流線型空氣動力場也將受到破壞，使正面阻力增大，升力和推力減小，影響穩(wěn)定性，使操縱困難，嚴(yán)重時會造成飛機(jī)失事。對航空裝備系統(tǒng)或部附件而言，積冰/凍雨航路天氣會對系統(tǒng)與設(shè)備的正常使用帶來干擾，影響飛行任務(wù)的正常執(zhí)行，例如：造成發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道積冰，嚴(yán)重時可造成發(fā)動機(jī)空中停車；空速管積冰將使儀表指示失真，導(dǎo)致飛行員無法準(zhǔn)確判讀；天線積冰，影響正常陸空通信或造成通訊導(dǎo)航信息的中斷[2]。上述一系列的危險源事件都表明，積冰/凍雨作為一種嚴(yán)酷環(huán)境應(yīng)力，對裝備的環(huán)境適應(yīng)性能力起到明顯制約作用。

積冰/凍雨可能改變裝備構(gòu)成材料的物理性質(zhì)，從而在壽命周期內(nèi)的使用、維護(hù)、轉(zhuǎn)場和貯存階段，對裝備機(jī)械結(jié)構(gòu)與功能性能造成漸進(jìn)性或永久性損傷與劣化，對裝備使用人員的正常工作造成阻礙。首先，極端嚴(yán)寒氣候產(chǎn)生的積冰/凍雨環(huán)境會導(dǎo)致雷達(dá)、天線罩和氣動控制面等機(jī)外設(shè)備的活動阻滯，進(jìn)而導(dǎo)致航空裝備通信導(dǎo)航、動力操縱等相關(guān)功能的異常；其次，受到積冰/凍雨作用后的設(shè)備材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會顯著降低，使得系統(tǒng)或部附件的使用壽命與可靠性下降；此外，積冰/凍雨環(huán)境可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)葉片磨損或凍結(jié)從而影響飛行員對飛機(jī)的操控，還可能導(dǎo)致飛機(jī)透明表面和光學(xué)設(shè)備的可視度降低從而影響有效飛行視距。因此，對于在壽命周期各階段面臨經(jīng)受積冰/凍雨環(huán)境應(yīng)力作用的裝備，通過適當(dāng)?shù)脑囼灧椒ㄑ芯?，對其進(jìn)行積冰/凍雨試驗是考核與提升裝備環(huán)境適應(yīng)性的一項關(guān)鍵工作需求。

1 積冰/凍雨相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)

1.1 GJB 150A 中的積冰/凍雨試驗

國內(nèi)開展積冰/凍雨試驗最為常用的參考標(biāo)準(zhǔn)即是GJB 150.22A—2009 《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第22 部分 積冰/凍雨試驗》，該標(biāo)準(zhǔn)于2009 年替換了舊版的GJB 150.22—87 標(biāo)準(zhǔn)[3]。與GJB 150.22—1987 相比，新的GJB 150.22A—2009除標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)有較大改動外，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容變化不大。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗的目的在于確定裝備能否：

a）耐受積冰/凍雨環(huán)境；

b）在積冰/凍雨環(huán)境下工作；

c）確定除冰設(shè)備和技術(shù)的有效性，包括現(xiàn)場規(guī)定使用的設(shè)備和方法的效能。

該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了積冰/凍雨試驗適用于評價可能暴露在由冰雨或毛毛雨產(chǎn)生的積冰條件下的裝備和由于海水濺沫或霧狀物而引起冰的聚集對其工作性能影響的裝備；且不適用于模擬降雪條件、模擬飛機(jī)穿過過冷云層時機(jī)上的積冰、評價天線裝置和天線的性能（充滿空氣的冰霜引起了相當(dāng)大的信號反射）、雪水積冰所造成的影響[4]。與GJB 150.22—1987 相比，該標(biāo)準(zhǔn)適用范圍更廣，且具有剪裁標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)，可利用標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)、技術(shù)和指導(dǎo)，結(jié)合裝備自身特點(diǎn)，剪裁確定試驗項目、試驗順序、試驗條件和試驗程序等。在該標(biāo)準(zhǔn)中要求試驗中的積冰類型為明冰，明冰形成于環(huán)境溫度較高（通常為-18～0 ℃）、空氣中水密度高且水滴高速撞擊表面情況下，碰撞放出的熱量使碰撞點(diǎn)的溫度升高到冰點(diǎn)附近，部分水滴立即凍結(jié)，大部分區(qū)域的水滴未能立即完全凍結(jié)，在氣流和重力驅(qū)動下沿表面向后流動并逐漸凍結(jié)，由此形成表面光滑、干凈、透明的積冰。明冰凍結(jié)時水滴緊湊，冰體透明且組織致密，冰中和界面很少有氣泡，界面粘附力大，不易脫落。該標(biāo)準(zhǔn)目前是國內(nèi)軍用裝備應(yīng)用得最為廣泛的積冰/凍雨試驗標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 其他標(biāo)準(zhǔn)中的積冰凍雨試驗

除了GJB 150A—2009 外，國際上使用最為廣泛的環(huán)境試驗方法標(biāo)準(zhǔn)就是美軍標(biāo)MIL-STD-810H[5]。該標(biāo)準(zhǔn)自1962 年頒布以來，歷經(jīng)60 余年，我國的GJB 150A 就是以美軍標(biāo)MIL-STD-810G 為基礎(chǔ)改編而來。MIL-STD-810H 中的 “方法521.4 積冰/凍雨” 試驗方法是由MIL-STD-810G修訂而成，相較于2009 年頒布的GJB 150.22A 中的積冰/凍雨試驗方法，2019 年新頒布的MILSTD-810H 中的積冰/凍雨試驗方法內(nèi)容并無太大差異，僅修改了之前版本的部分筆誤和個別字詞，其他的包括試驗?zāi)康?、?yīng)用范圍、剪裁指南和試驗過程等內(nèi)容基本均與MIL-STD-810G 相同，與GJB 150A 中的積冰/凍雨要求也基本相同。相關(guān)試驗人員之后在按照GJB 150.22A 積冰/凍雨試驗方法進(jìn)行積冰/凍雨試驗時，也可參考MIL-STD-810H 中的要求，酌情對試驗內(nèi)容進(jìn)行剪裁。

英國國防標(biāo)準(zhǔn)DEF STAN 00-35 第3～10 節(jié)CL10-結(jié)冰也是國外常用的積冰/凍雨相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之一。該標(biāo)準(zhǔn)與GJB 150A 和MIL-STD-810H 中的積冰/凍雨試驗方法有一定的差異。其中，應(yīng)用范圍與GJB 150A 和MIL-STD-810H 基本類似，適用于安裝在軍用飛機(jī)上暴露位置處的設(shè)備，該設(shè)備在低速飛行期間可能會受到過冷水滴、冰晶、雨水或海浪飛沫、薄霧或在低于零度時含有大量水蒸汽的空氣的影響。主要分為程序A 與程序B，其中程序A適用于在陸基平臺、水面船只和潛艇上使用時，可能遭受到結(jié)冰的各類設(shè)備，這與GJB 150A 和MIL-STD-810H 基本相同；試驗程序B 適用于評定與光學(xué)系統(tǒng)和各類透明物體有關(guān)的除冰系統(tǒng)的性能，包括車輛擋風(fēng)玻璃，這是GJB 150A 和MILSTD-810H 所未包含的。在這兩種程序中，程序A的要求，包括積冰厚度、試驗溫度和試驗流程等要求基本與GJB 150A 和MIL-STD-810H 中的積冰/凍雨試驗要求大致相同，僅額外加入了-25 ℃的溫度要求，并規(guī)定了積冰的增長速率。同時，程序A中還允許使用模擬海水來進(jìn)行試驗，GJB 150A 和MIL-STD-810H 中并未對此進(jìn)行要求。

航空領(lǐng)域常用的RTCA/DO－160G 機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗程序中的第24 章結(jié)冰同樣也是國外常用的積冰/凍雨試驗相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之一[6]。該程序中將被試設(shè)備分為了ABC 3 類，其中C 類的結(jié)冰程序要求與GJB 150A 和MIL-STD-810H 中的積冰/凍雨試驗程序要求相類似，但該程序是用于評價由直接暴露的水引起的積冰的影響，與GJB 150A 和MILSTD-810H 中的積冰/凍雨試驗也有較大差異，同時，RTCA/DO－160G 結(jié)冰試驗程序中的C 類結(jié)冰試驗程序的要求也更為簡略，對結(jié)冰厚度、雨滴大小、降水強(qiáng)度和降水溫度等方面均未作出明確的要求。

國內(nèi)外其他有關(guān)于積冰/凍雨試驗的試驗方法或標(biāo)準(zhǔn)還有北約的AECTP 300 氣候環(huán)境試驗 方法311：結(jié)冰[7]、國內(nèi)的HB 6167.13—2014 《民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗方法 第13 部分：結(jié)冰試驗》[8]等。其中AECTP 300 中結(jié)冰試驗的要求與MIL-STD-810H 基本一致，HB 6167.13—2014的結(jié)冰試驗要求與RTCA/DO－160G 基本一致。需要注意的是，積冰/凍雨試驗與冰風(fēng)洞試驗和燃油結(jié)冰試驗在試驗方法、失效機(jī)理和環(huán)境效應(yīng)等方面完全不同[10]，切勿將這幾種試驗混為一談[11]。

常用積冰/冰雨相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對照表如表1 所示。

表1 常用積冰/凍雨相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對照表

2 積冰/凍雨試驗方法

2.1 試驗實施方案

國內(nèi)軍用裝備產(chǎn)品在進(jìn)行積冰/凍雨試驗時，大多是采用GJB 150.22A—2009，該標(biāo)準(zhǔn)對適用范圍和環(huán)境影響效應(yīng)的解釋相當(dāng)直觀清晰。整個標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)都突出盡可能反映受試裝備在實際受到積冰/凍雨環(huán)境應(yīng)力作用時的情況，強(qiáng)調(diào)對實際自然暴露環(huán)境的模擬和還原[9]。標(biāo)準(zhǔn)列舉了4 種冰的形成機(jī)理和2 種冰的類型，在壽命周期內(nèi)由于經(jīng)受積冰/凍雨影響導(dǎo)致實際作戰(zhàn)部署使用不符合預(yù)期的軍用裝備均適用于該標(biāo)準(zhǔn)試驗考核需求，同時，GJB 150.22A 還對環(huán)境溫度、被試品溫度、降雨速率、降雨方式、水滴尺寸和積冰厚度等條件參數(shù)作出了規(guī)定。在試驗體系框架較完備的基礎(chǔ)上，允許試驗人員按照實際應(yīng)力影響場景選取合適的試驗參數(shù)，加上可供選擇的試驗程序最終得以構(gòu)成試驗剖面。由于積冰/凍雨的試驗條件具體量值較單一，因此在不具備外場環(huán)境實測值的情況下可直接應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)推薦的量值。

首先，應(yīng)根據(jù)國軍標(biāo)及有關(guān)技術(shù)文件的要求確定積冰/凍雨試驗過程中的試驗參數(shù)，如環(huán)境溫度、被試品溫度、降雨速率、降雨方式、水滴尺寸、積冰厚度和受試面等，以及容易被試驗方案制定人員所忽略的結(jié)冰類型。其次，應(yīng)根據(jù)被試品的特性，制定被試品進(jìn)行積冰/凍雨試驗的合格判據(jù)，包括外觀和功能性能檢測合格判據(jù)等。

試驗開始前，應(yīng)在試驗的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下對被試品進(jìn)行相應(yīng)的外觀檢查及功能/性能檢測，以確保試驗前被試品狀態(tài)的正常。之后將被試品固定在積冰/凍雨試驗箱（室）內(nèi)，若試驗中需要對被試品進(jìn)行功能/性能檢測，還需將被試品通過測試線纜與試驗箱（室）外的檢測設(shè)備相連。

準(zhǔn)備妥當(dāng)之后，可按如下程序進(jìn)行積冰/凍雨試驗：

a）降低試驗箱（室）溫度至0+2 ℃，并保持一段時間使被試品達(dá)到溫度穩(wěn)定；

b）對被試品均勻噴灑預(yù)冷水至少1 h，允許水滲入被試品的縫隙/開啟口；

c）調(diào)節(jié)試驗箱（室）溫度至-10 ℃或規(guī)定的其他試驗溫度，并保持水的噴灑速率直至被試品表面上堆積的冰達(dá)到規(guī)定的厚度，對于被試品的側(cè)面，可使用風(fēng)或側(cè)面噴灑的方式使其積冰；

d）保持該溫度至少4 h 以使冰硬化，并在此期間對被試品進(jìn)行一次功能/性能檢測（如果有要求）；

e）若步驟d）失敗或允許被試品除冰則可開始除冰；

f）繼續(xù)調(diào)節(jié)試驗箱（室）溫度至被試品的最低工作溫度，并使被試品在最低工作溫度下進(jìn)行一次功能/性能檢測（如有要求）；

g）重復(fù)上述步驟c）～步驟f），產(chǎn)生其他要求的結(jié)冰厚度；

h）恢復(fù)試驗箱（室）溫度至標(biāo)準(zhǔn)大氣條件，并使被試品達(dá)到溫度穩(wěn)定，之后對被試品進(jìn)行試驗后的外觀檢查、功能/性能檢測。

2.2 試驗注意事項

在對軍用裝備產(chǎn)品進(jìn)行積冰/凍雨試驗時，尤其是在按照GJB 150.22A—2009 進(jìn)行試驗時，試驗人員應(yīng)注意以下幾點(diǎn)要求。

a）積冰/凍雨試驗應(yīng)放在淋雨試驗后和力學(xué)試驗前

雨水環(huán)境應(yīng)力可以視作不含結(jié)冰因素的積冰/凍雨環(huán)境應(yīng)力，由淋雨轉(zhuǎn)為積冰/凍雨環(huán)境，一方面更符合實際自然環(huán)境變化情況，另一方面也能夠避免過應(yīng)力的情況；而鹽霧試驗的開展會導(dǎo)致受試樣品的表面殘留大量的沉積鹽物質(zhì)，在鹽的作用下，雨冰基本上不會對受試樣品發(fā)生任何作用，這就導(dǎo)致環(huán)境試驗考核不充分。并且，由于大多數(shù)軍用裝備在使用中都不可避免地受到力學(xué)環(huán)境應(yīng)力（如振動、沖擊和持續(xù)載荷）的影響，為了能夠展示環(huán)境適應(yīng)性相關(guān)效應(yīng)的疊加作用，將積冰/凍雨試驗順序安排在力學(xué)試驗前，更加能體現(xiàn)相關(guān)受考核關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。若反之，則力學(xué)試驗對受試樣品可能已造成較大損傷，則無法體現(xiàn)出積冰/凍雨的實際作用效應(yīng)。但在實際操作過程中，部分試驗人員主觀認(rèn)為裝備受積冰/凍雨試驗順序影響較小，通常會忽略試驗順序的要求。

b）不應(yīng)盲目大范圍地調(diào)整試驗條件

標(biāo)準(zhǔn)中雖然對試件溫度、降雨溫度、雨滴尺寸和試驗箱溫度等條件給出了推薦值，但部分試驗人員為使冰層能夠更快地形成，會將試驗條件進(jìn)行大范圍的修改，例如：將試驗箱溫度由-10 ℃調(diào)整為-30 ℃甚至更低、將雨滴尺寸減小甚至于使用霧化噴嘴、盲目增大或減小降水速率等，這些操作雖有可能更快地形成積冰，但通常會產(chǎn)生不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的 “霜冰”，即灰乳白色、表面粗糙的霜狀積冰，最終難以得到理想的試驗結(jié)果。

通過分析以往的積冰/凍雨試驗實施經(jīng)驗，當(dāng)試驗箱內(nèi)溫度升至-5 ℃或更高時，基本難以形成積冰，溫度越低，積冰形成的速率越快，當(dāng)溫度降至-25 ℃甚至更低時，積冰速率明顯加快但已難以形成明冰；當(dāng)降水溫度高于5 ℃時，試件表面通常難以形成積冰，當(dāng)降水溫度高于10 ℃時，試件表面已形成的積冰也會開始融化，當(dāng)降水溫度低于5 ℃時比較容易形成令人滿意的明冰。在同等條件下，具有突出表面的試件在試驗中的結(jié)冰初期更容易形成積冰，但在較長時間的積冰/凍雨試驗后，突出部位相較于平整表面的積冰速率優(yōu)勢會逐漸減小，直至整個表面上的積冰達(dá)到基本平整。大多數(shù)情況下，不同種材料的試件對積冰/凍雨試驗的結(jié)冰結(jié)果影響不大，對其積冰速率的影響較小，但在積冰形成的初期，不同試件因其表面特性、傳熱特性等的不同，會使得傳熱特性較差、表面較為疏水的材料開始形成積冰所需時間較長，初期的積冰形成速率較低，但在形成一定厚度的積冰之后，不同試件間的積冰速率基本相當(dāng)。

c）應(yīng)注意冰積冰厚度的測量方法

在GJB 150.22A 中推薦了一種測量積冰厚度的方法，即：“在與受試裝備鄰近處放置不易受冷天溫度影響而變形的測量尺”，但實際上這種測量方法較為粗略，在美軍標(biāo)MIL-STD-810H 中就將其修改為“將測厚計（如尺寸適當(dāng)?shù)你~棒或管子）安裝在像與試件一樣接受相同的總噴水量的地方。如果能夠說明其他厚度測量技術(shù)也能指示冰厚，也可采用這些測量技術(shù)?！?修改后的這種測試方法仍然較為粗略，難以對不同形式、不同大小的試件積冰厚度測量方式進(jìn)行有效的指導(dǎo)。根據(jù)實際積冰/凍雨試驗經(jīng)驗，推薦以下4 種測量積冰厚度的方法：

1）對于小型受試裝備可直接在試件旁放置測量尺或?qū)Ρ任镞M(jìn)行對照比較測量；

2）對于大型受試裝備可使用多個測量尺固定在表面進(jìn)行積冰厚度直接測量；

3）對于高度變化較大的試件，可以在試件表面或旁邊的不同高度上安裝測量尺；

4）對于有條件的試驗箱，可在試件斜上方10～100 mm 處設(shè)置一水平固定的平板或金屬棒，用測量高度差的方法來進(jìn)行積冰厚度測量。

同時，標(biāo)準(zhǔn)中雖對積冰的厚度給出了4 種推薦值，但并未明確在積冰厚度不均時如何進(jìn)行厚度判定。在實際試驗過程中，通常也會出現(xiàn)受試面積冰厚度不均的情況，此時部分試驗人員可能會產(chǎn)生“最厚處達(dá)到規(guī)定厚度即可” 的錯誤觀念，建議實際試驗過程中以受試面所產(chǎn)生積冰的最薄厚度為準(zhǔn)。

e）應(yīng)注意對降水暫停時間的控制

在試驗操作過程中，受限于試驗室當(dāng)?shù)厮|(zhì)、試件的表面特性和試驗設(shè)備的能力等原因，可能會出現(xiàn)進(jìn)行較長時間試驗也難以產(chǎn)生規(guī)定厚度積冰的現(xiàn)象，此時試驗人員應(yīng)特別注意試件的積冰情況，如果已產(chǎn)生的積冰在降水的影響下發(fā)生了冰層破裂、冰面融化等現(xiàn)象，應(yīng)及時暫停降水并使試件的溫度穩(wěn)定，然后再重新進(jìn)行降水。

在試驗過程中因測量積冰厚度、調(diào)整噴嘴位置等因素需暫停降水時，也需注意暫停時間不能過久，以免噴嘴位置產(chǎn)生凍結(jié)影響后續(xù)試驗，若確需暫停較長時間的噴水，應(yīng)確保試驗設(shè)備在噴嘴位置有相關(guān)的防結(jié)冰措施。

3 結(jié)束語

積冰/凍雨試驗是我軍裝備產(chǎn)品較為常用的特種環(huán)境試驗項目之一，在以GJB 150.22A—2009 為代表的多個試驗標(biāo)準(zhǔn)中都對積冰/凍雨試驗實施方法和試驗條件等內(nèi)容作出了要求。同時，我國近年來對裝備質(zhì)量要求愈來愈高，也對試驗實施單位科學(xué)合理地開展積冰/凍雨試驗提出了更高的要求。試驗人員應(yīng)在充分理解積冰/凍雨試驗標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，結(jié)合相應(yīng)的積冰/凍雨試驗經(jīng)驗，盡量避免諸如試件無法積冰、積冰類型不對和積冰厚度不足等問題的出現(xiàn)，確保積冰/凍雨試驗?zāi)軌虬凑諛?biāo)準(zhǔn)要求順利實施。