方艙日照熱效應試驗影響因素分析

劉炳均，譚國斌，趙曉鵬

（總后軍事交通運輸研究所，天津 300161）

0 引 言

太陽輻射試驗是一種人工模擬環境試驗方法，它模擬產品在地面或較低大氣層中使用或無遮蔽貯存期間暴露在日輻射條件下受到的影響[1]。其通常分為熱效應試驗和光化學效應試驗兩種，本文探討的是方艙的日照熱效應試驗。

方艙的日照熱效應試驗通常按照GJB 2093-1994《軍用方艙通用試驗方法》進行。該標準要求方艙進行日照熱效應試驗時環境溫度維持在50℃左右，艙頂溫度控制在96±8℃范圍內，持續時間為4h。在實際試驗中發現，環境溫度的控制比較容易實現，但艙頂溫度由于受多種因素的影響經常出現溫度不均勻或達不到96±8℃的溫度范圍等各種問題，從而影響試驗進程。本文通過對試驗監測數據的對比分析，總結了影響方艙日照熱效應試驗的主要因素，并對環境試驗人員提出了建議。

1 試驗方法

1.1 試驗內容

在模擬日照試驗室內展開日照熱效應試驗，系統研究了艙頂輻射強度、風速及方艙自身特性等因素對方艙頂部溫度的影響。

1.2 試驗程序

將方艙水平放置在日照試驗室中央，用木塊墊起，然后開始升溫。當方艙內外溫度均達到50±2℃后，保持溫度穩定不變，打開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個的密度布置溫度傳感器（其位置分布見圖1），傳感器上部加以遮蓋，防止熱源的直接輻射。當所有溫度傳感器的讀數都在96±8℃范圍內時，開始計時，持續4h，在此期間，保持試驗室環境溫度不超過55℃。試驗過程中，保證升降溫速率不大于10℃/h[2]。試驗期間，每隔10min對艙頂溫度進行一次記錄。

圖1 方艙頂部溫度傳感器位置分布圖

2 試驗數據與分析

通常影響方艙表面溫度的因素有：（1）環境溫度；（2）太陽輻射強度；（3）風速；（4）暴露時間；（5）裝備自身特性（表面反射率、尺寸和形狀、熱傳導比率和比熱等）[3]。這些因素可以分為兩類，一類是可控因素，包括環境溫度、太陽輻射強度和暴露時間；另一類是不可控因素，包括風速和裝備自身特性。試驗過程中，環境溫度始終控制在50℃左右，暴露時間均為4h；因此，本文只分析日照輻射強度、風速和方艙自身特性對艙頂溫度的影響。

2.1 輻射強度

試驗過程中，當艙頂溫度穩定在96±8℃范圍后，記錄艙頂日照輻射強度，詳細數據見表1。

表1 方艙頂部日照輻射強度與平均溫度對照表

由表1可見，不同方艙艙頂溫度達到96±8℃范圍內時所需的輻射強度差異較大，其最大差值達到554W/m2。通常自然界中太陽天頂角為0°時到達地球表面的總輻射強度（水平面太陽直接輻射與天空輻射之和）為1 120 W/m2[4]，盡管在地球表面實際的自然環境中太陽輻射強度會隨季節、緯度和海拔的不同而不同，但在太陽輻射試驗中，輻射強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，除輻射強度外，必定存在著其他因素對方艙表面溫度產生的較大影響。

2.2 風速

將方艙置于試驗室內某固定位置，當環境溫度50℃，方艙頂面溫度達到96±8℃范圍時，測量方艙頂部四邊中間位置的風速，對比方艙頂部溫度，分析艙頂溫度與風速的關系，具體數據見表2和表3。

表2 方艙頂部縱向溫度對比

表3 方艙頂部橫向溫度對比

由表2可見，方艙前側頂部溫度明顯高于后側頂部溫度，其前后溫差最大達到了17.5℃。與之對應，方艙前側風速為0.6m/s，方艙后側風速為1.5m/s。

由表3可見，方艙頂部左側溫度明顯高于右側溫度，其左右兩側溫差最大達到了7.2℃。與之對應，方艙左側風速為0.8m/s，方艙右側風速為1.2m/s。

因此，對同一方艙，在同樣輻射強度下，艙頂表面風速越高，其溫度越低，反之其溫度越高。實踐證明，1m/s的風速就可能使溫升減少20%以上[8]。在實際試驗中，往往不能保證試驗室內各個位置的風速基本相同，如果艙頂不同位置風速差異過大，就會導致艙頂溫差過大，就很難保證所有溫度點的溫度都保持在96±8℃范圍內。對于這種情況，在無法調節風速的情況下，可以認為艙頂平均溫度控制在96±8℃范圍內，即達到試驗條件，而不必苛求每個溫度傳感器讀數都在96±8℃范圍內。

2.3 方艙自身特性

2.3.1 表面材質

試驗發現，方艙表面蒙皮材質的不同對方艙頂部的溫升速率有一定的影響。表4對比了不同表面材質的方艙其頂部溫度達到96±8℃范圍時的輻射強度差異。

表4 不同表面材質的輻射強度對比

由表4可見，在頂部溫度基本相同時，采用材質A的方艙的輻射強度平均值為1289W/m2，采用材質B的方艙的輻射強度平均值為1 428 W/m2。也就是說，要達到同樣的溫度標準，表面材質為B的方艙需要更多的熱量。

2.3.2 表面反射率

某臺方艙在日照熱效應試驗中，當其頂部輻射強度達到1350W/m2時，其艙頂溫度只能穩定在75℃左右，遠達不到96±8℃的范圍要求。經過與其他方艙的對比發現，該方艙頂部表面光滑，顏色較其他方艙稍淺。

日照熱效應試驗時，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）是影響太陽輻射加熱產生的溫升的重要因素[9]。實踐證明，對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對艙頂溫度造成影響，如：聚氨酯發泡材料的厚度、艙內裝備的多少等。這些特性的不同必然導致方艙的熱傳導比率、比熱等屬性的差異，是影響艙頂溫度的重要因素。

2.4 試驗中方艙特性的改變

圖2 某方艙頂部溫度變化曲線

圖2為某方艙試驗過程中艙頂溫度的變化曲線。可以看出，①、③兩點升溫過程中，于14∶00左右其溫度突然下降，之后趨于穩定，最終穩定溫度分別為61℃、72℃，遠遠達不到96±8℃的溫度范圍標準。而其他點溫度變化平緩，穩定溫度為91℃，①、③兩點與其他點溫度相差很大。

試驗后對艙頂進行外觀檢查，發現①、③兩點所在的位置均出現了起鼓現象，而其他各點未見異常。由此推斷，是由于艙體起鼓影響了起鼓位置的溫度變化規律。

因此，試驗過程中艙體產生異常變化有可能會改變方艙的熱量傳導方式，從而影響艙頂溫度的變化。在實際試驗中，如果由于艙體變化引起了艙頂溫度異常，應通過調節傳感器位置等方式來得到合理的數據，如果仍不能達到溫度條件則應對異常溫度點予以剔除。

3 結束語

方艙日照熱效應試驗過程中，方艙頂部溫度受到輻射強度、風速、方艙自身特性等多種因素的影響，其中只有太陽輻射強度是可控因素；因此，方艙日照熱效應試驗過程中，艙頂溫度不可避免的出現異常，試驗人員應分析艙頂溫度和周圍環境條件，確定引起溫度異常的原因，采取相應的措施，保證試驗的正常進行。如果仍然達不到試驗條件，則應該考慮用輻射強度作為標準來考核方艙的經受太陽輻射熱的性能。

[1]馬志宏，李金國，張景飛.電子設備太陽輻射模擬試驗分析與探討[J].環境技術，2007（6）：11-14.

[2]GJB 2093—1994軍用方艙通用試驗方法[S].北京：國家軍用標準出版社，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軍用裝備實驗室環境試驗方法 第7部分：太陽輻射試驗[S].北京：國防科工委軍標出版發行部，2009.

[5]王忠.太陽輻射試驗技術[J].電子產品可靠性與環境試驗，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.太陽輻射試驗及其標準分析[J].航空標準化與質量，2001，30（5）：33-38.

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