低氣壓試驗標準及試驗技術(shù)分析

宋小燕，翟 波

（1. 中國電科第20 研究所，西安 710068； 2. 中航工業(yè)洛陽光電所，洛陽 471009）

1 低氣壓環(huán)境對裝備的影響

1.1 低氣壓環(huán)境

空氣由于受到地球引力作用而具一定重量形成大氣壓力，在某高度上的大氣壓力，是該點以上垂直于地面的單位面積上整個空氣柱的重量。隨著高度的增加，空氣逐漸變得稀薄，大氣壓力逐漸降低。據(jù)實際測量，在海平面3000km以內(nèi)，高度每升高10米，氣壓降低100Pa，在接近31km處的大氣壓力為海平面標準大氣壓值的1/100。大氣壓力除了與高度有關(guān)外，還和天氣變化有關(guān)系，同一地點，晴天氣壓高陰天氣壓地，冬天氣壓比夏天氣壓高。

我國約有50%的地球表面積高于海平面1000m，約有25%的面積高于海平面2000m?？梢?，在地球表面高于海平面處和空中貯存、運輸和使用的裝備都不可避免地會遇到低氣壓環(huán)境，受到低氣壓環(huán)境的作用。對于航空產(chǎn)品，由于飛機最高飛行高度最低也有數(shù)千米，一般要飛近萬米及萬米以上，最高可達30km。故機載設(shè)備將承受比高原設(shè)備更為嚴酷的低氣壓作用。

1.2 低氣壓環(huán)境對裝備的影響

低氣壓環(huán)境對裝備的影響是多方面的：包括氣壓降低造成的壓力差產(chǎn)生的直接的機械影響，空氣密度降低對散熱和動力設(shè)備推力的影響及對電氣設(shè)備的電性能的影響，壓力差導(dǎo)致密封損壞后造成的附加影響和對揮發(fā)性物質(zhì)的有害影響等。

1）直接的破壞帶殼密封產(chǎn)品

帶殼密封產(chǎn)品在低氣壓的作用下，由于內(nèi)外壓差過大將直接導(dǎo)致殼體破壞，壓差存在也導(dǎo)致密封損壞。

2）降低電性能

在正常大氣條件下，空氣是較好的絕緣介質(zhì)，許多電器產(chǎn)品采用空氣作為絕緣介質(zhì)。當這些產(chǎn)品用于高海拔地區(qū)或做為機載設(shè)備時，由于大氣壓力降低，常常在電場強度較強的電極附近產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象。更嚴重的是有時會發(fā)生空氣間隙擊穿，這意味著設(shè)備的正常工作受到破壞。所以，低氣壓環(huán)境對電工電子產(chǎn)品的電氣性能也會產(chǎn)生影響，特別是以空氣做為絕緣介質(zhì)的設(shè)備，低氣壓對其影響更為顯著。

3）導(dǎo)致散熱產(chǎn)品大幅度溫升

所謂散熱產(chǎn)品，是指在自由空氣條件下和規(guī)定的大氣壓力進行測量時，試驗樣品溫度達到穩(wěn)定后，其表面最熱點的溫度與環(huán)境溫度之差大于5℃的試驗樣品。

電工電子產(chǎn)品中有相當一部分是散熱產(chǎn)品，如電機、變壓器等，這些產(chǎn)品在使用中要消耗一部分電能，使其變成熱能，使產(chǎn)品溫度升高。散熱產(chǎn)品的溫升隨海拔高度的增加（大氣壓力的降低）而增加。溫升與海拔高度大致成線性關(guān)系，其斜率取決于本身結(jié)構(gòu)、散熱情況、環(huán)境溫度等因素。

4）導(dǎo)致?lián)]發(fā)性物質(zhì)的流失

壓力的降低，會使液體的沸點降低，對于那些在海平面正常大氣條件下有較高飽和蒸氣壓的液體，低氣壓使其蒸發(fā)甚至沸騰。

液體蒸發(fā)過程是一個平衡過程，即液體分子受到能量揮發(fā)到空氣中的分子數(shù)量與被空氣分子撞回到液體表面而束縛住的分子數(shù)量到達平衡的過程。當大氣壓力降低，空氣密度下降，進入空氣中的液體揮發(fā)的分子被撞回到液體表面上的可能性也大大降低，因此在低氣壓條件下液體揮發(fā)的速度將大大增加。潤滑油或潤滑脂屬于這種情況，壓力降低會使?jié)櫥停ɑ驖櫥┘铀贀]發(fā)，造成活動部件摩擦加劇，使活動部件表面加快磨蝕。

有機材料中的增塑劑也會因氣壓降低而加速揮發(fā)。增塑劑的揮發(fā)促使有機材料老化，使其機械性能或電氣性能發(fā)生變化。

揮發(fā)物的揮發(fā)也會污染產(chǎn)品及其周圍物件，導(dǎo)致產(chǎn)品或物件受污染甚至腐蝕破壞。

基于以上低氣壓環(huán)境對裝備的影響，產(chǎn)生的典型的低氣壓環(huán)境效應(yīng)有：密封殼體內(nèi)漏出氣體或液體；密封容器變形、破裂或爆炸；低密度材料的物理、化學(xué)性能發(fā)生變化；低壓下電弧或電暈放電引起設(shè)備誤動作或出現(xiàn)故障；低壓下熱傳遞效能降低使設(shè)備過熱；潤滑劑揮發(fā)；發(fā)動機起動和燃燒不穩(wěn)定，且推力或牽引力下降；氣密密封失效等。

2 典型的試驗程序

低氣壓試驗程序一般包括貯存試驗、工作試驗、快速減壓試驗和爆炸減壓試驗四個程序，分別適用于作為貨物在飛機上增壓艙內(nèi)運輸?shù)暮驮诟吆０蔚貐^(qū)安裝（不工作狀態(tài)）裝備，在高海拔地面和飛機等航空器的增壓艙或非增壓艙工作的設(shè)備和外掛、吊艙中的設(shè)備，以及會暴露于快速減壓或爆炸減壓環(huán)境中的裝備。

GJB 150/150A、HB 6167/6167A、GB/T 2423標準及其等效的國外標準中均設(shè)置相應(yīng)的低氣壓試驗程序，但其內(nèi)容完整程度和目的略存差別，各有特色。例如HB 6167/6167A包含有高度（低氣壓）試驗，快速減壓試驗和過壓試驗三個程序，其快速減壓試驗的壓力和變化時間雖然與GJB 150/150A相同，但受試產(chǎn)品在試驗過程中處于工作狀態(tài)，而GJB 150/150A中是非工作狀態(tài)；GB/T 2423的低氣壓試驗中沒有快速減壓和爆炸減壓試驗程序，對于民用電工電子產(chǎn)品來說，這是合理的，而其低氣壓試驗部分，未明確規(guī)定貯存試驗和工作試驗。受試設(shè)備進行低氣壓試驗的，可以是不工作狀態(tài)，也可以是工作狀態(tài)，分別稱為非工作性試驗和工作性試驗。GJB 150A比GJB 150增加了一個爆炸減壓試驗，GJB 150/150A的工作試驗可以模擬設(shè)備地面高海拔地區(qū)工作，也可以模擬設(shè)備裝在飛行器上在不同高度上的工作。

3 低氣壓試驗條件說明和剪裁

3.1 低氣壓貯存試驗條件

低氣壓貯存試驗主要模擬在高海拔地區(qū)安裝的地面設(shè)備不工作狀態(tài)環(huán)境和用飛機增壓艙運輸增壓環(huán)境，一般說來，地面安裝設(shè)備使用的最高高度為4500m，這是陸軍地面作戰(zhàn)最高高度，也是人們能長期生活和工作的最高地面高度，因此低氣壓貯存試驗采用相當于4500m高度的壓力57kPa。

低氣壓貯存試驗的時間，取決低氣壓環(huán)境對裝備的作用和影響時間，低氣壓的壓差對裝備結(jié)構(gòu)性損壞，所需時間較短。GJB 150/150A中規(guī)定最好按實際貯運時間，但不少于1h。特殊產(chǎn)品另有考慮除外，GB/T 2423中推薦的時間等級是：5min、30min，2h、4h、6h具體由技術(shù)文件根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)情況和可能的失效模式確定。

3.2 低氣壓工作試驗條件

無論是高海拔地面使用的設(shè)備，還是飛機等飛行器增壓艙或非增壓艙內(nèi)使用的設(shè)備，均應(yīng)在相應(yīng)的低氣壓條件下工作，其低氣壓條件取決于實際的海拔高度。如前所述，地面使用設(shè)備的最高工作高度，如一般為4500m，而飛機等飛行器上使用設(shè)備工作高度取決其飛行的最高高度。HB 6167/6167A將機載設(shè)備按載機飛行高度分為六類，分別為4600m（包括增壓艙）、7600m、10700m、15200m、21300m、16800m；GJB 150/150A中不分類別，按載機實際飛行高度或增壓對應(yīng)高度；GB/T 2423則給出了11個高度等級（2000米、3000米、4000米、4850米、7200米、10400米、13600米、17600米、22100米、26600米、31200米）及對應(yīng)的壓力，且給出了不同高度的三個等級允差，分別為±2kPa（7200米以下）、給定壓力的±5%（10400米～22100米）、±0.1 kPa（26600米、31200米）。

在GB/T 2423中，高度越高，允差絕對值越小，這是因為低氣壓的絕對壓力隨高度升高迅速下降，是比較科學(xué)且符合實際的。而GJB 150和HB 6167/6167A中規(guī)定為壓力值的±5%，按固定的百分比值要求是不科學(xué)的，是不恰當?shù)模虼薌JB 150A中作了改進，允差為規(guī)定值的±5%或±200Pa，取大者，保證了高空時的允差控制的現(xiàn)實性和可操作性。例如30000m高度的低氣壓試驗，其氣壓為1000Pa，其±5%為50Pa，按GJB 150A規(guī)定其允差應(yīng)取200Pa。而在2000m高度的低氣壓試驗其±5%的值為±3.975kPa，此值大于GB/T 2423的±2kPa?？梢钥闯?，GJB 150A的允差要求比GB/T 2423低。

有關(guān)低氣壓工作試驗的保持時間，由于G J B 150/150A與HB 6167/6167A中對設(shè)備工作要求不同，因而有不同的規(guī)定，GJB 150/150A規(guī)定的低氣壓工作試驗是受試產(chǎn)品不工作狀態(tài)下降壓，到規(guī)定壓力后，開機進行性能檢測，在低氣壓壓力下的保持時間即為試驗檢測所需時間，而HB 6167/6167A則規(guī)定受試產(chǎn)品在工作狀態(tài)下降壓，到規(guī)定壓力后必須待受試產(chǎn)品達到溫度穩(wěn)定，而后再進行檢測，因此其保持時間為受試產(chǎn)品在規(guī)定低氣壓下達到溫度穩(wěn)定時間，加上性能檢測所需時間。GJB 150/150A的保持時間與810C/810F相同的，但810G中則要求不工作狀態(tài)到低氣壓規(guī)定值時，要保持至少1h，而后開機檢測性能。因此其要求和HB 6167/6167A更接近。

3.3 快速減壓和爆炸減壓的試驗條件

快速減壓和爆炸減壓的試驗條件包括初始壓力、最終壓力、減壓時間和在低氣壓下保持時間。

快速減壓和爆炸減壓的起始壓力是模擬增壓艙的增壓壓力，GJB 150標準中規(guī)定模擬4560m高度的壓力即57kPa，這是一個大多數(shù)飛機增壓艙增壓的目標，但有許多運輸機的增壓目標不是4560m，而是2438m，即75.2kPa壓力。有關(guān)最終壓力，一般選用12192m高度對應(yīng)的壓力即18.8kPa，這一壓力要求模擬的是飛機最佳巡航高度，因此GJB 150/150A和HB 6167/6167A是一致的。GJB 150A中改用75.2kPa壓力作為起始壓力，這樣做其覆蓋面更大，而且使試驗中壓力變化范圍擴大，從而更為嚴酷。要說明的是HB 6167/6167A中只有快速減壓試驗，其起始壓力一直是2400m高度對應(yīng)的75.2kPa的壓力，民用飛機與軍機不同之處在于，不大可能出現(xiàn)軍用飛機受重大損傷而不墜毀這一情況，因而不安排爆炸減壓這一試驗。GB/T 2423作為民用電工電子產(chǎn)品標準，不包括這兩個試驗程序。

快速減壓和爆炸減壓所需的時間是不一樣的，快速減壓模擬飛機增壓艙受較小的損傷而泄漏，因此減壓時間為不大于15s，爆炸減壓是模擬飛機受重大損壞而突發(fā)性地產(chǎn)生內(nèi)外壓力平衡過程，因而時間很短，僅為不大于0.1s，類似于爆炸現(xiàn)象。

快速減壓和爆炸減壓試驗中在初始壓力到達規(guī)定值時即可減壓，因而保持時間為零，而最終壓力下的保持時間均為10min。由于減壓造成的破壞機理一般是機械性損傷而不是化學(xué)、物理性損壞，其破壞過程是很快出現(xiàn)的，因而10min時間是足夠的。

3.4 低氣壓試驗中的壓力變化速率

低氣壓試驗中的壓力變化速率與高低溫試驗中的升、降溫速率一樣并不是試驗條件，但為了防止這種變化速率不當產(chǎn)生不應(yīng)有的故障機理，標準中一般均作了規(guī)定，低氣壓試驗中的升壓和降壓速率在GJB 150、HB 6167中規(guī)定不大于10kPa/min，但DO160B/160F中不作規(guī)定，GJB 150A/810F中則明確為10m/s，其依據(jù)是軍用運輸機全推力起升時，其高度變化速率通常為7m/s，標準中的10m/s已超過這一速率。GJB 150A中也明確，可以按照載機實際的高度變化速率實施。

4 試驗設(shè)備及輔助儀器

4.1 一般要求

1）低氣壓試驗設(shè)備應(yīng)當能產(chǎn)生和保持試驗所需要的低氣壓，并配有能監(jiān)控低氣壓條件的所需的輔助儀器；

2）低氣壓箱中應(yīng)配有連續(xù)記錄試驗箱壓力的裝置；

3）數(shù)據(jù)讀出裝置的分辨率不低于其滿量程的2%；

4）注意防止試驗設(shè)備本身的抽氣泵、閥門、絕緣材料等揮發(fā)物對箱內(nèi)空氣的污染；

5）在復(fù)壓時注意防止外界灰塵和水汽進入箱內(nèi)造成污染。

4.2 快速減壓、爆炸減壓設(shè)備

在現(xiàn)有低氣壓試驗設(shè)備的基礎(chǔ)上增強真空系統(tǒng)的抽空能力，實現(xiàn)快速減壓試驗是非常困難的，因為這樣做需要配備具有強大抽空能力的真空泵系統(tǒng)，不但需要較多投資，而且要達到在15s或0.1s內(nèi)試驗箱壓力由75kPa降到18.8kPa的降壓速率也是十分困難的。目前，一般采用輔助真空罐法，即使試驗箱通過管道電磁閥門與另一較大容積的真空罐或低氣壓箱相連接，并將真空罐或低氣壓箱內(nèi)的空氣抽空。

當需要進行快速減壓試驗時，迅速打開電磁活門，使試驗箱與真空罐相通，試驗箱壓力與真空罐壓力相平衡，即可達到預(yù)期目的。

例如：已知試驗箱容積：V1＝1m3

試驗箱壓力：P1＝57kPa

真空罐或另一低氣壓箱最終壓力：P2＝18.8kPa

真空罐或另一低氣壓箱容積根據(jù)：P1V1＝P2V2算得：

即為解決1m3試驗箱的快速減壓試驗問題，尚需配備一個3m3的真空罐或另一低氣壓箱。當然，系統(tǒng)中的管道直徑和閥門等都要進行適當計算，以保證在15s內(nèi)試驗箱達到要求的壓力值。

5 試驗技術(shù)

低氣壓試驗相對比較簡單，其試前準備、試件安裝、初始檢測、中間檢測和最終檢測等均與GJB 150.1A中的通用要求基本一致。需要注意以下事項。

1）不同的試驗程序要求受試產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)不一樣，如低氣壓貯存試驗和GJB 150/150A中的快速減壓和爆炸減壓試驗，試件應(yīng)處于運輸、貯存技術(shù)狀態(tài)，而HB 6167/6167A進行的快速減壓試驗，試件應(yīng)處于工作技術(shù)狀態(tài)，低氣壓工作試驗則當然處于工作技術(shù)狀態(tài)。

2）低氣壓作用于受試產(chǎn)品的時間不能間斷，否則難以得到所需的效果。

3）對于低氣壓工作試驗，試驗前初始檢測應(yīng)在受試產(chǎn)品裝在試驗箱中，連接好電源和檢測線路后進行，以確保受試產(chǎn)品不因安裝而損壞，連接的電源和測試線路均正常，防止出現(xiàn)非責任故障。

4）若低氣壓貯存和工作試驗均要進行，則應(yīng)先進行貯存試驗；快速減壓和爆炸減壓試驗應(yīng)在低氣壓工作試驗后進行，先進行快速減壓試驗后進行爆炸減壓試驗。

[1]GJB 150.2, 軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法 低氣壓試驗[S].

[2]GJB 150.2A , 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第2 部分：低氣壓試驗[S].

[3]GB/T 2423, 電工電子產(chǎn)品環(huán)境 第2 部分：試驗Z/AM 低溫低氣壓綜合試驗[S].

[4]GB/T 2423, 電工電子產(chǎn)品環(huán)境 第2 部分：試驗Z/BM 高溫低氣壓綜合試驗[S].

[5]祝耀昌. 產(chǎn)品環(huán)境工程概論[M]. 北京:航空工業(yè)出版社, 2003.