環境試驗特點及其發展方向

康志萍

（中國電器科學研究院有限公司，廣州 510300）

環境試驗特點及其發展方向

康志萍

（中國電器科學研究院有限公司，廣州 510300）

本文從環境試驗技術的發展歷程,論述了環境試驗技術對工業領域尤其是航空航天領域的重要性,通過闡述環境試驗技術的特點、作用、相互關系，分析了國內環境試驗技術研究與應用的現狀、存在的問題及其與國外的差距,提出了環境試驗今后的發展趨勢。

環境試驗；適應性；重要性；自然暴露；發展趨勢

前言

環境試驗技術是驗證產品環境適應性能的重要技術手段,廣泛應用于各個領域，尤其在軍事武器裝備領域發揮著十分重要的作用。

環境試驗技術的發展可以追溯到第一次世界大戰期間，在激烈的戰爭中，不少戰略物資無法在戰場上正常發揮其應有的作用，究其原因竟是非戰爭因素所致：比如俄軍在與德軍的作戰中，遭到來自西伯利亞的寒流，致使棉大衣上的紐扣粉化，不能使用，無法有效御寒，導致戰斗力下降等種種現象。為了避免戰爭物資受到損壞，人們開始關注環境因素的影響。及至第二次世界大戰，環境因素影響武器裝備的事例層出不窮，有些甚至對戰局起著一定的決定性作用：如二戰期間著名的斯大林格勒戰中，由于武器長期存儲，導致德軍的機械故障頻繁出現，嚴重影響了戰斗力的發揮，這也是德國在該場戰役中失敗的重要原因之一。如此種種，二次大戰中因環境因素帶來的嚴重教訓促使人們認真考慮武器裝備的環境適應性問題。據統計，環境因素是造成武器裝備發生故障的重要原因。

環境適應性的重要催生了環境試驗領域的誕生，并使其得以逐漸發展壯大，各種環境試驗標準相繼制定；在以后90多年的發展歷程中，環境試驗經歷了探索（從20年代至50年代）、發展（從50年代末至70年代中期）、飛躍發展（從70年代末至今）三個階段，研制并逐步完善了各種氣候和力學試驗用環境試驗設備。

當今世界局部地區戰爭時有發生，武器裝備需要適應各種戰爭環境，環境試驗成為驗證武器裝備環境適應性的重要手段，并間接地影響到戰爭的結果。隨著科學技術的進一步發展，環境試驗技術日益得到重視，并已成為航天航空、軍工、電工電子、冶金交通等領域里確保產品環境適應性的重要手段。

1 環境試驗技術的特點及其作用

1.1 主要內容

環境試驗是指在某種環境條件（自然環境試驗和現場試驗）下，讓產品經受環境應力的作用，從而獲取相關信息，以檢驗其對預期所遇到的極端環境的適應性的試驗，并做出相應的評價。

通過環境試驗可以發現產品對環境適應性的設計缺陷，從中獲取信息以改進設計，通過不斷調整，直至得到令人滿意的設計；正因為如此，國內外對它相當重視，應用也逾加廣泛。

1.2 環境試驗的各自特點

環境試驗主要考慮氣候、機械，電磁、運輸、海洋等環境因素，牽涉到的試驗項目包括：機械試驗、氣候試驗、電磁輻射試驗、腐蝕性氣體試驗、太陽輻射試驗、沙塵、霉菌、多因素綜合試驗等等。根據這些項目，環境試驗可分為外場試驗及實驗室試驗；外場試驗由自然環境試驗和現場試驗組成。

1.2.1 自然環境試驗

自然環境試驗也叫做天然暴露試驗：是把產品長期暴露于某種特定的自然環境中，進行自然環境對其影響（規律）的環境試驗。天然暴露試驗屬于最基礎的環境試驗，主要積累自然環境試驗基礎數據，供設計人員在環境試驗的設計中選用。

自然環境試驗的典型特點：

(1)自然環境復雜多樣，在這樣的環境下對試樣進行試驗，實際上是綜合了自然界里各種環境因素的共同影響，并不是由某一環境因素單一作用的結果。因此，一般進行自然環境試驗需在具備各種典型的試驗站同時進行；

(2)環境條件為自然資源，雖難以控制、重現性差，但更接近于實際使用環境, 結果接近于真實狀況，較為可靠；

(3)耗時較長，一般需數年至十數年，環境條件隨著時間的變化而變化；

(4)試樣主要為工藝、材料試片和結構部件；

(5)屬基礎性試驗,試驗設備相對簡單。

我國幅員遼闊,960萬平方公里的國土上涵蓋了各種典型的大氣環境,從亞熱帶氣候、雨林氣候、到高原氣候,均可以找到對應的位置。表1集中展示了我國各個典型的大氣環境試驗站。

至今，我國已經建立起了各種典型的環境試驗站，它們所處地區分別為自然界中某種（或一組）環境因素最為嚴酷的地區。如圖1為萬寧自然環境試驗站：屬典型濕熱海洋性氣候環境, 是我國目前規模最大的大氣環境試驗站。

1.2.2 實驗室試驗

實驗室試驗也稱為人工模擬環境試驗：通過儀器設備制造出可控的人造環境試驗條件，將產品在此環境下進行模擬試驗，一般在實驗室內進行。

表1 中國典型氣象環境在不同地區的基礎環境因素

實驗室試驗的典型特點：

(1)能嚴格控制環境試驗條件,確保試驗在受控條件下進行, 可實時記錄，重現性好；

(2)可以隨時模擬所需要的各種特殊試驗環境，并將單獨某一環境條件施加給產品, 方便尋找故障原因和改進設計；

(3)靈活性強、可在線監測、試驗效率高，為設備的故障診斷和可靠性評估提供全面的信息；

(4)模擬的環境試驗條件可以具備加速性，大大縮短試驗時間,能很快發現問題；

(5)試樣大部分為元器件、組件、設備、整機等。

比之自然環境試驗的不足之處：

(1)試驗需要借助設備儀器，使用的試驗技術比自然環境試驗復雜，成本高；

(2)受到設備的條件限制, 與真實的環境綜合模擬性較差；導致試驗結果與實際效果有一定的差異；

(3)試樣主要還是局限在小體積、重量較輕的產品上。

1.2.3 現場試驗

由于實驗室無法完全真實地還原現場的使用環境（由于設備能力和資源等的限制）, 對試樣難以進行完全真實的考核, 所以在很多情況下，仍需要進行現場試驗, 以彌補實驗室的不足, 特別是一些無法在實驗室內進行試驗的整機系統和設備，更需要進行現場試驗,以驗證裝備在現場使用環境中能否正常工作。

現場試驗典型特點：

(1)無需試驗設備，但試驗時需要用到整個裝備，成本高、周期長、涉及的人員較多；

(2)較為真實、可靠, 能起到實驗室起不到的作用；

(3)難以保證試驗在受控環境條件下進行,試驗結果的重現性較差。

1.3 三種環境試驗的對比及其作用

環境試驗幾乎貫穿產品的全過程，涵蓋了從產品的研究性試驗、定型試驗、生產的檢查試驗、驗收試驗、安全性試驗、可靠性試驗等各種類型的環境試驗，使用的試驗設備、條件、產品、作用各不相同，每種環境試驗所涉及的技術和管理也各不相同，如表2。

1.3.1 環境試驗的作用

通過以上對三種環境試驗特點的論述和分析，我們歸納出以下結論：

(1)自然環境試驗在所有的環境試驗中，屬于最基礎的試驗，其數據主要供設計人員在環境適應性的設計中選用。主要是針對產品的使用階段, 以評價其對自然環境的適應性；

(2)實驗室試驗最多應用在產品研制和生產過程，有助于找出設計缺陷,提高產品環境適應性，并確保最終產品的環境適應性滿足甚至超越合同規定的要求；

(3)現場試驗主要用于評估產品對壽命期狀態真實環境的適應性。一般與自然環境試驗的結果綜合分析相結合，才能給出產品環境適應性的客觀的全面評價。經常使用于軍備上無法在實驗室進行試驗的使用驗證實驗。

2 國內外環境試驗技術的差距以及存在的問題

經過近百年的技術積累，國外已經具備了相對完善的標準體系，并針對產業的技術發展，及時調整、制修訂相關標準，形成了較為完整的環境試驗相關數據庫以及完備的專家體系，試驗設備不斷推陳出新，社會分工明確； 同時廣泛在世界范圍內開展比對試驗研究，與生產密切結合，使得相關性研究和預測技術取得較大進展。

表2 三種環境試驗性能比較

相比之下，我國仍處于環境試驗基礎數據積累階段，特別是環境試驗標準化起步較晚，直至上個世紀八十年代才開始引進國外相關標準，制定相應的環境試驗標準；由于跟不上產業的發展，標準的制修訂嚴重滯后，具有針對性的相對應的環境標準較少；試驗規范與標準不健全，與先進國家相比，仍有很大差距；自主研發的環境設備較為落后，很多先進的環境檢測設備仍然依賴進口，檢測技術和手段落后，嚴重地制約了環境試驗水平的提高，這些因素，都使得我國的環境試驗領域普遍存在諸多問題：

(1)環境試驗標準體系不夠完善，基本上依賴于舊標準體系，雖說近年有所改進和重視，但主要還是局限在試驗方法上, 涉及到設計、數據分析、處理、評價、管理等方面的標準很少，總體上沒有形成科學的、完整的環境標準體系, 難以為產品在研制生產和使用階段提供全面的技術支持；

(2)受環境試驗條件所限，試驗設備有一定局限性，實驗室模擬真實環境存在一定的差異，試驗過程不夠規范,導致試驗結果的置信度不高；

(3)我國自主研發的環境設備較為落后，多為中、低檔設備，功能單一，具備多功能、先進控制技術的綜合性高新設備少，尤其缺少對整機的綜合檢測設備，難以滿足對綜合性環境模擬試驗的需求；

(4)我國環境試驗水平仍有待提高，即使從國外引進先進的大型綜合試驗設備，往往只使用其某一個單一的功能，無法充分發揮設備應有的功效，造成資源的極大浪費；

(5)鑒于場地，設備等試驗條件的限制，大型的設備系統級試驗仍主要依賴現場試驗進行，由于該試驗的局限性：環境條件難以控制，數據獲取不便，穩定性，重現性差等缺陷，均給試驗的評估帶來困難；

(6)目前針對環境試驗過程中出現的故障診斷，仍以采用離線分析與診斷為主, 相對落后的信息處理方式使得整體試驗效率低下。監測和實時診斷功能急待加強。

3 環境試驗的發展趨勢

結合目前國內環境試驗存在的諸多問題以及與國外的差距，國內環境試驗的發展要朝著以下幾個方面進行：

3.1 逐步完善環境試驗標準體系，力求使試驗方法、檢測、數據分析、評價處理、管理等進一步標準化，規范化，組建完整的試驗標準體系和網站體系，為產品提供全面的技術支持；

3.2 縮短試驗時間，考慮加速環境試驗的發展方向：標準氣候環境試驗向極端氣候環境試驗發展；純自然環境試驗要向自然加速環境試驗發展；靜態環境試驗向動態環境試驗發展；實驗室試驗向模擬自然環境加速試驗發展等模式；

3.3 逐步建立以功能、信息集成、動態分析和開放式結構為特點，集環境試驗、監測診斷、可靠性分析、綜合評估決策等功能于一體，由環境模擬、產品控制、試驗過程監測、對信息結果的分析診斷和系統管理等幾大部分組成的環境試驗系統，縮短與國外的差距；

3.4 試驗的產品向這幾個方向發展：尺寸要從小到大，從局部到全面，從材料到構件，從零件到整機；

3.5 環境模擬要從單因素向多因素綜合模擬發展;試驗設備由簡單向大型化、多樣化、綜合化和自動化發展（如圖2）；

3.6 采取多樣化的試驗形式，逐漸從環境適應性試驗、檢測、評價向環境失效機理，環境適應性和壽命預測、行為規律的方向發展。

4 結論

隨著現代科學技術的迅猛發展，國力的不斷增強，對航空航天等高精尖領域的日益重視，環境試驗也迎來了有史以來的高速發展時期，在發展過程中,應該基于我國的具體國情，逐步建立完善的環境試驗標準體系，提高環境設備的綜合能力，建立先進的環境試驗系統，形成自然與人工模擬加速試驗相結合,環境試驗與可靠性試驗互為補充向高新尖發展的模式，不斷縮小與歐美等發達國家的差距，建設有中國特色的環境試驗領域，這對于提高我國的航空航天技術水平，提高軍事裝備的環境適應性，進而提高作戰能力，更好地保家衛國均有著重要意義。

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康志萍，高級工程師，長期從事環境試驗技術、成套裝備的研究開發及應用推廣工作。

The Characteristic and Development Direction of Environmental Test

KANG Zhi-ping
(China National Electric Apparatus Research Institute CO.,LTD，Guangzhou 510300)

Based on the development history of environmental test technology, this paper expounds the importance of it in the field of industry, especially aerospace. Furthermore, through the introduction of characteristic, function and cor relations of the environmental test technology, the paper analyzes the status quo and problems of the study and application of domestic environmental test technology and its gap between foreign countries, and points out the development tendency of environmental test.

environmental test；adaptability；importance；natural exposure；development tendency

V216.5

A

1004-7204（2012）04-0015-04