談談環境工程剪裁和環境試驗剪裁

祝耀昌，李 明

（中國航空綜合技術研究所，北京 100028）

0 引言

眾所周知，GJB 150是引用標準即菜單標準，而GJB 150A是剪裁標準，不能直接引用[1-2]。GJB 150作為引用標準，其包括的內容特別是試驗條件可以被相關文件直接引用。因此GJB 150自頒布實施以來，其試驗項目或試驗條件在軍工產品“環境技術要求”、成品研制協議（合同）書、甚至軍工產品設計定型（技術鑒定）的環境鑒定試驗大綱和研制總結等文件中被大量引用。引用者不必去研究分析研制產品未來的壽命期環境和自身特性等，也無須對引用的內容進行解釋[3]。如果出了問題，則可把責任歸咎于GJB 150。在我國軍工產品剛進入自行研制階段，缺少相似裝備及其應用的環境數據、平臺環境實測數據，而且研制人員的環境工程技術水平又不高的情況下，這一做法不失為一種簡單易行的好方法。然而直接套用通用標準的內容，則必然會由于環境試驗條件過于嚴酷而導致過設計和過試驗，影響研制進度和造成資源浪費。鑒于此，美國從20世紀70年代起就開始研究試驗剪裁問題，并把剪裁的思路和方法納入到標準中。美國從修訂 MIL-STD-810C就著手這項工作，歷經810D[4]、810E[5]和 810F[6]，花了近 20年的時間基本完成了從引用標準向剪裁標準的重大轉變。GJB 150A由于等效采用了810F第I部分的第5章《通用實驗室試驗方法指南》和第 II部分《實驗室試驗》，因而也具備剪裁標準的性質。

應當指出，810C修訂的初衷只是將810C從引用標準改為剪裁標準，其重點是使試驗條件可以剪裁。810D和810E兩個修訂標準的名稱均改為《環境試驗方法和工程導則》，它們的結構形式類似于810C，主要篇幅內容（如試驗方法）仍保留了810C相關內容，而工程導則內容只包含在第4章《通用要求》中；兩個修訂提出在整個研制過程中都要適當考慮環境的影響，制訂計劃前要通過分析壽命期環境剖面等剪裁工作，確定環境設計和試驗要求等。810D和810E兩個標準內容相差不多。

2000年頒布的810F從結構到內容上都發生了重大改變。在結構上，其內容劃分為兩部分：第I部分為環境工程工作指南，第 II部分為實驗室試驗方法。在內容上，改變最大的是第I部分：提出了環境工程的概念和工作內容，對環境工程剪裁進行了定義，并為環境工程專家制定了剪裁指南，而且其剪裁的內容已不局限于環境試驗的剪裁。

本文將對810F和GJB 150A中所述的剪裁內容進行介紹并作對比分析。

1 剪裁的定義、目的及任務

1.1 環境工程剪裁的定義及說明

1.1.1 定義

810F中關于環境工程剪裁的定義為“考慮裝備壽命期內通常將遇到的特定環境強迫作用的影響，選擇裝備設計特性/容限和試驗環境、試驗方法、試驗程序、試驗條件、試驗順序，以及改變關鍵設計和試驗量值、故障條件等的過程。剪裁過程也包括編寫和審查工程任務、規劃、試驗與評價文件等。在剪裁中要確保在裝備的整個采辦周期內適當地考慮真實的天氣、氣候和其他物理條件。”

1.1.2 定義說明

810F第I部分的附錄C《環境工程專家環境剪裁指南》中明確指出：“環境工程剪裁是選擇或改變裝備設計和試驗的過程”。這是對810F剪裁定義的很好說明，但不夠完整。實際上，環境工程剪裁是在研究將遇到的環境因素作用的基礎上進行了如下3個方面的剪裁。

1）選擇裝備設計特性/容限，改變關鍵設計和故障條件

這實際上是對裝備設計特性要求的剪裁。

所謂裝備設計特性是指根據技術要求通過設計而賦予裝備的特性。這些特性包括裝備的物理特性（尺寸、重量、重心接口、互換性等）、功能性能、環境適應性、可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性、電磁兼容性、電源環境適應性等。人們又把物理特性和功能性能稱為產品的專用質量特性，而環境適應性和可靠性等特性稱為通用質量特性。由此可見，剪裁涉及的內容非常廣泛。每一質量特性都有其相應的技術指標和容差要求，如環境適應性，要考慮各環境因素的量值大小和容差。無論是各環境因素應力的容差，還是作為產品故障判據的性能參數容差，其量值的變化實際上就是判定產品是否有故障的依據，稱它們為故障條件。因此上述質量特性的應力量值大小及其容差甚至故障條件均是剪裁考慮的重要因素，均需要根據具體情況剪裁確定。

2）選擇試驗環境、試驗方法、試驗程序、試驗條件、試驗順序，改變試驗量值

這實際上就是選擇和改變試驗的過程，即試驗剪裁。

810F中的每一個試驗方法都對應一種環境，因而選擇試驗環境就是選擇試驗方法。但針對該環境因素對不同裝備作用或影響的方式不同，試驗方法中往往設置多個試驗程序，而每個試驗程序均是一個完整的試驗過程，即一個完整的試驗項目。每個試驗程序（試驗項目）均有對應的試驗條件。

環境試驗中有一部分試驗項目具有破壞性，而且作用于同一試件上的試驗項目次序不相同時，由于產生不同的減緩或疊加效應，試驗結果會不一樣，因此試驗項目實施次序也應很好地進行剪裁、設計。

3）編寫和審查工程任務、規劃、試驗與評價文件

這實際上是對環境工程任務和管理文件的剪裁。

810F第I部分的附錄C《環境工程專家環境剪裁指南》中明確指出：“廣義說來，剪裁過程也包括編寫或修改工程任務和計劃文件”。所謂工程任務，就環境工程來說包括環境工程各個工作項目。GJB 4239中規定了包括確定環境適應性要求，進行環境適應設計和預計，開展環境試驗與評價，以及全壽命環境工程管理方面的20個環境工程工作項目。由于軍用裝備研制的起點（包括全新研制、老型號改型）、承研方在型號系統中地位（總體單位、成品廠或成品廠的初始產品供應方）的不同，其實施的工作項目也不同，因而需要根據實際情況，如型號實施的研制階段的不同等剪裁計劃文件和試驗文件。這些剪裁工作實際上是管理要求方面的剪裁。

可見，810F的剪裁工作，包括了設計要求（即環境適應性要求）的剪裁、試驗剪裁、管理要求及文件的剪裁，剪裁工作遍及方案論證、研制、生產和使用全過程。

1.2 實驗室環境試驗剪裁的定義和說明

1.2.1 定義

GJB 6117－2007《裝備環境工程術語》對實驗室環境試驗剪裁的定義是：“對裝備壽命期各階段實驗室環境試驗工作及內容等進行剪裁，是環境工程剪裁的組成部分”。

GJB 6117對該術語進一步解釋如下：“是以有關標準或規范規定的試驗方法為基礎，根據裝備（產品）的環境適應性要求、自身特性、相似設備情況、壽命期階段、設備、人員等進行分析和權衡，確定裝備（產品）壽命期各階段環境試驗要求及其具體內容的過程，包括試驗項目、試驗項目順序、試驗條件和試驗步驟等方面的剪裁”。

1.2.2 定義說明

對定義進一步作說明如下：

1）實驗室環境試驗剪裁的最主要依據是裝備（產品）研制合同或協議中規定的環境適應性要求；

2）實驗室環境試驗剪裁包括GJB 4239中規定的壽命期各階段的環境試驗剪裁，不限于環境鑒定試驗；

3）實驗室環境試驗剪裁還要考慮產品自身特性、相似設備、試驗設備等其他情況；

4）實驗室環境試驗剪裁是環境工程剪裁的組成部分，不包括環境適應性要求的剪裁。

1.3 環境工程剪裁的目的和任務

1.3.1 目的

810F第I部分的附錄C中還明確指出剪裁的目的是：“幫助確保裝備在其使用壽命期間預期遇到的特定環境方面不會出現過設計和欠設計、過試驗和欠試驗”，從而使“制造出和經過試驗后的裝備能在其整個壽命期經歷的各種環境因素及其量值的作用下可靠地工作”。

眾所周知，美國軍用標準810C是一個引用的菜單標準，GJB 150作為其等效標準具有相同的性質。因此810C和GJB 150中規定的一些試驗條件常常被直接引用作為設計要求和試驗條件，從而導致過設計和過試驗的情況屢屢出現。如許多產品怎么也通不過規定的試驗，但在使用中卻從未出現故障。因而隨著810C和GJB 150的廣泛貫徹實施，由于過設計和過試驗所帶來的進度延誤、資源浪費，對自行剪裁確定環境適應性設計要求和環境試驗條件的呼聲日益高漲。810F和GJB 150A這類剪裁標準就是為了避免過設計和過試驗而制定的。

1.3.2 任務

環境工程剪裁工作重點是裝備設計要求（環境適應性要求）和環境試驗要求。GJB 4239中工作項目201、202、203和204明確規定了實現這一目標的工作要點。在810F中則通過規定一組環境管理和工程任務來指導剪裁工作。這些任務及目標包括：制訂環境工程管理計劃；確定壽命期環境剖面；制定使用環境（數據）文件；確定環境要點/準則清單，即確定環境設計要求和試驗量值，并作相關的技術問題說明；制訂詳細的試驗計劃及編寫環境試驗報告。這些工作關系參見810F中《環境工程工作指南》的圖1-1。顯然，這些工作涉及項目主任（項目總師）、設計工程師、環境工程專家、試驗工程師、試驗實施和操作人員。各種人員根據其職責實施相應的剪裁任務。

2 810F和GJB 150A的剪裁要求和分析

2.1 810F和GJB 150A的剪裁要求

GJB 150A是810F第I部分《環境工程工作指南》的第5章《通用實驗室試驗方法指南》和第II部分《實驗室試驗》的等效標準，因此GJB 150A的剪裁實際上僅限于對實驗室試驗及相關技術管理文件的剪裁。GJB 150A標準中涉及剪裁的內容及其與810F中相應部分的對比如表1所示。

表1 GJB 150A和810F中相應部分的剪裁要求Table 1 The tailoring requirements of the corresponding parts in GJB 150A and 810F

續表1

2.2 810F和GJB 150A的剪裁要求分析

從表1可以看出，GJB 150A和810F的相應部分基本上都有與剪裁相關的內容和要求，但存在著以下差異：

1）GJB 150.1A的前言沒有直接明確標準的剪裁性質，而810F的前言中則明確說明“其第II部分的各試驗方法不能全套引用，也不能作為不可改變的例行程序使用，而是用于選擇和剪裁的基本方法”。

2）810F前言中明確剪裁的內容是設計要求和試驗參數，而且明確標準中的第I部分提供了針對裝備壽命期可能遇到的條件進行剪裁的任務、過程和方法指南。應當指出，剪裁設計要求和環境工程工作任務遠遠超出了實驗室試驗的范圍，已擴充到管理和設計范圍。作為810F這樣一個集管理、設計和試驗方法為一體的混合型標準，前言中有這方面的內容是理所當然的。GJB 150A作為實驗室試驗方法標準沒有提及剪裁設計要求，符合我國軍用裝備設計要求應當由總體（師）單位剪裁的研制程序。

3）GJB 150A中的各試驗方法不像810F第II部分的各試驗方法那樣在一開頭就用眉語強調標準要進行剪裁后才能使用。

4）GJB 150A的編寫格式基本上與810F相似，去除了 GJB 150中體現引用標準特點的《試驗條件》和《引用本標準時應規定的細節》二節，而將《試驗條件》一節改為《剪裁指南》?！都舨弥改稀返膬热莩囼灄l件外還包括試驗方法、試驗程序、試驗順序等，具體內容兩者基本相同。

2.3 GJB 150A、810F有關實驗室試驗剪裁闡述上的不足之處

GJB 150A、810F中有關《剪裁指南》一節強調根據裝備壽命期可能遇到的環境、裝備特性和受環境影響程度等，剪裁確定是否選用某種試驗方法及該方法中的有關試驗程序，以及確定各程序對應的試驗條件。這一過程與我國軍用產品的研制體制和程序不符，也不符合GJB 4239中規定的環境工程工作程序，因而易造成以下一些誤解。

2.3.1 造成直接確定試驗條件而不是先剪裁確定環境適應性要求的印象

環境適應性作為一個質量特性在立項論證階段和研制階段早期就應通過應用GJB 4239的環境分析中規定的一系列工作項目或 810F第 I部分4.2.2節和附錄A、附錄C提供的指導，剪裁確定裝備的環境適應性要求的定量和定性要求，然后設計人員按此要求在工程研制階段進行耐環境設計，研制出的硬件才能逐步開展各種實驗室環境試驗。

GJB 150A和810F中有關部分（如表1中列出的第4節或第2節《剪裁指南》）規定直接按上述方法導出試驗條件，而不提及設計要求，給人的印象就像是環境工作只是進行事后把關的環境試驗。這與810F中一再強調的剪裁設計要求，工程研制階段用環境試驗發現裝備設計工藝薄弱點和探討裝備設計的環境閾值等是不相符的。

2.3.2 造成環境試驗條件是由承制或承試單位剪裁確定的印象

對于軍工產品研制來說，實施環境試驗的單位不是第三方就是裝備成品研制單位，他們并不具備確定環境試驗條件的數據，尤其是誘發平臺環境數據，而且這也不是他們的職責。事實上環境適應性要求早就應在研制任務書、合同或協議書中明確，因而環境適應性要求的剪裁在形成上述文件前就應進行并將結果固化在上述文件中。準確地說，應當根據研制任務書、合同或協議書中規定的環境適應性要求來剪裁試驗方法、試驗程序和試驗條件，不同階段的環境試驗均應以環境適應性要求為基礎剪裁其環境試驗的項目和試驗條件等。

要指出的是，研制貨架產品的民用部門或軍工單位，并不存在由用戶確定研制任務和簽訂研制合同與協議書的問題，因而沒有用戶規定的要求，也就談不上按用戶要求的指標進行相應的鑒定和驗收環境試驗，產品的環境適應性只能等待實際使用檢驗，因此研制單位可以自行確定環境適應性要求和試驗項目等，甚至不事先確定環境適應性要求，而只確定環境試驗項目和進行相應的環境試驗。

2.3.3 沒有說明試驗剪裁在產品研制的不同階段應由不同單位分別承擔完成

剪裁工作由誰承擔和由誰來認可不明確。實驗室環境試驗剪裁涉及的內容是多方面的，有的項目的剪裁應由使用方負責，有的則應由承試單位實施，甚至由承研單位承擔，其最終結果應經過評審并得到相應機構的批準。這是一個管理問題。GJB 150A中沒有相應的說明，因此實施起來容易造成混亂和無所適從，急切需要加以明確。

3 810F前言中有關剪裁的內容及其分析

3.1 明確剪裁范圍和實驗室試驗標準的剪裁特性

810F前言中指出，“標準分為兩部分，第I部分是描述管理、工程與技術在環境設計和試驗剪裁過程中的作用，重點是針對某一裝備項目按其壽命期內最可能遇到的具體環境條件進行設計和試驗準則的剪裁過程。”其含意是根據裝備壽命期最可能遇到的環境條件，對環境適應性設計要求和環境試驗量值進行剪裁。810F的第I部分及附錄中提供了進行這種剪裁的具體指導，顯然剪裁工作只有使用方和型號總師單位才有條件且有責任承擔。

第II部分是按第I部分的剪裁指南進行剪裁時要用到的各種試驗方法，前言中指出“需要強調的是這些方法既不能全套引用，也不能作為不可改變的例行程序使用，而是可以進行選擇和剪裁的，以盡可能產生最合適的試驗數據”。明確說明了810F中的試驗方法部分不能直接引用，而是要經剪裁后才能使用。GJB 150A作為等效標準并沒有在總則的前言中明確標準的剪裁特性。

3.2 指出810F中實驗室試驗方法的可剪裁程度

需要指出的是，人們往往把810F的應用剪裁工作看得很困難，其實不然，并不是標準中的每個試驗方法剪裁均要具備大量的資料數據和復雜的剪裁技術。810F前言中指出：“每個試驗方法中都包含有一些環境數據和參考文件，且闡明了該試驗方法剪裁的可能性。有些方法有很大的剪裁余地，有些方法可通過剪裁達到既定的極限，有些方法的剪裁選擇相對較少……每個試驗方法都包含基本原則以幫助確定適當的剪裁水平……這些試驗方法中所包含的任何具體的剪裁信息和量值均可被可得到的最新信息或裝備的具體信息所取代”。810F前言的這一段描述不僅說明了剪裁工作的靈活性，即隨時可用新的信息取代原有剪裁的結果，這說明了各試驗方法的可剪裁性存在很大的差別，應當具體分析和區別對待?？杉舨眯杂腥缦?種情形：

1）有很大剪裁余地的試驗方法

一般說來，模擬平臺誘發環境的試驗方法有很大的剪裁余地。這不僅是由于平臺誘發環境隨平臺種類和在同一平臺上位置的不同而變化，而且由于試驗方法中模擬這種環境的試驗程序具有多樣性。典型的試驗方法是高溫工作試驗和振動、沖擊等力學環境試驗。在這些試驗方法的確定試驗條件章節中明確規定：“盡可能使用裝備安裝平臺上的實測數據來確定試驗激勵參數，以獲得對真實環境更好的模擬；或者作為替代，使用相同類型平臺裝備位置上的數據?！币虼?，標準的正文或附錄中提供的環境數據或試驗參數只有在上述條件不具備的情況下才能使用。此外，同一試驗方法中往往提供多個試驗程序或試驗參數控制方式，因而需要根據裝備實際情況和可用模擬方式的不同等來選擇試驗程序。因此這些方法在確定試驗條件和試驗程序方面有較大的剪裁余地。

2）剪裁和選擇相對較少的試驗方法

一般說來，在模擬自然環境因素作用的試驗方法中，某些試驗方法的剪裁和選擇的可能性相對較小。這是因為自然環境是自然界產生的，與平臺本身沒有直接關系，不管是什么類型的裝備，在同樣區域和同樣時期內其壽命期中遇到的主要的自然環境因素種類和強度都是相同的，只是由于裝備本身的遮擋作用對其內部不同位置的影響或許會有差別。典型的環境如雨淋、沙塵、鹽霧、風壓、積冰/凍雨有關環境等，這些環境因素的作用強度往往是通過對自然環境因素數據多年的測量記錄和統計分析得出的，對于具體裝備來說，只要從根據這些數據制定的相應標準如 GJB 1172《軍用設備氣候數值》和MIL-HDBK-310《全球氣候數值》中選擇就可以了。這些標準中按1%、5%、10%等時間風險提供了相應的數據。確定環境適應性設計要求和驗證試驗要求時，只要確定選用的時間風險值后即可從標準中直接查得相應的數據。

要指出的是，GJB 150A中的濕熱試驗僅提供了一個程序，其試驗條件也是明確的，因而幾乎沒有剪裁或選擇的余地，這一試驗的不可剪裁是因為試驗的設計原則為不打算模擬濕熱環境，而只追求能夠充分發現濕熱環境引起的問題。

3）可以剪裁但剪裁有一定限度的試驗方法

一般說來，氣候環境因素中的一些環境因素（如溫度）也可成為誘發環境因素。其對應的試驗方法要進行剪裁，但十分有限。典型的試驗方法是高溫日循環貯存、日循環工作試驗和太陽輻照試驗。這3種試驗的溫度條件均是太陽輻照誘發產生的，而太陽輻照所誘發的溫度的高低往往取決于裝備部署所在地區的緯度和相關的一些其他因素，因此標準中提供了幾種類型的日循環，需要根據部署地域從中選取，其可選擇程度是極有限的。

需要指出的是霉菌作為一種生物環境因素，與氣候環境因素不同，沒有時間風險率的問題。標準中給出美國的5個菌種和歐洲的7個菌種，可按產品應用場合從這兩組菌種中選擇。流體污染試驗標準中，提供20多種試驗流體，具體產品試驗選用哪種流體，可根據實際情況選擇?？梢娝鼈兊倪x擇也是有限的。

4 結論

1）810F是一個集環境工程管理和實驗室環境試驗方法為一體的混合型標準，是一個不能直接被引用的剪裁標準，其剪裁的范圍遍及環境（適應性）設計要求、環境工程工作項目、環境試驗要求和各種管理文件等。實驗室環境試驗剪裁只是環境工程剪裁工作的一部分。

2）GJB 150A標準只是等效采用了810F第I部分《環境工程工作指南》中的第5章《通用實驗室試驗方法指南》和第II部分《實驗室試驗》，因而810F第I部分中有關環境工程剪裁任務的內容和附錄C《環境工程專家環境剪裁指南》等未被納入，而且GJB 150A各試驗方法也沒有像810F那樣強調剪裁要求，因而 GJB 150A未能全部反映810F的剪裁理念和思路。

3）作為GJB 150A實施剪裁的引用標準GJB 4239《裝備環境工程通用要求》也未反映810F的剪裁理念和思路，需要修訂。

4）810F的前言對各試驗方法的可剪裁程度有一個大致的說明，該說明表明，不是所有試驗方法中的試驗程序都有很大的剪裁余地，需要進行具體分析。

（References）

[1]祝耀昌. 環境試驗設計的方向——“編織”[G]. 產品環境工程論文集, 2009: 18

[2]GJB 150A—2009 軍用裝備實驗室環境試驗方法[S]

[3]祝耀昌, 王建剛, 張建軍. GJB 150A與GJB 150內容對比和分析（一）[J]. 航天器環境工程, 2011, 28(1): 5-10 Zhu Yaochang, Wang Jian’gang, Zhang Jianjun. A comparative study of GJB150A and GJB150(Part I)[J].Spacecraft Environment Engineering, 2011, 28(1): 5-10

[4]MIL-STD-810D 環境試驗方法和工程導則[S], 1983

[5]MIL-STD-810E 環境試驗方法和工程導則[S], 1989

[6]MIL-STD-810F 環境工程考慮和實驗室試驗[S], 2000