基于任務剖面的機載外掛溫度試驗條件探討

郭迅，郭強嶺，張艷輝，劉新佳

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基于任務剖面的機載外掛溫度試驗條件探討

郭迅，郭強嶺，張艷輝，劉新佳

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009）

目的獲取一種合理的溫度試驗條件用以考核機載外掛對溫度環境的適應性。方法針對影響機載外掛溫度的自然或誘發環境因素，分別分析自然環境、氣動加熱以及設備工作發熱的三種典型因素的不同特點，并結合機載外掛的空中掛飛使用狀態，給出相應的溫度計算方法。結果通過對某載機的典型任務剖面的計算，指出了現有機載外掛基于地面使用溫度制定的試驗條件無法完全覆蓋空中掛飛時的溫度環境，并由此提出了基于任務剖面的溫度試驗條件，以更好地考核機載外掛溫度環境適應性。結論給出了一種用于考核機載外掛溫度環境適應性的溫度試驗條件及其計算方法。

機載外掛；任務剖面；溫度試驗

機載外掛是掛裝在飛機上隨載機飛行并完成各種復雜工作的設備，如光電偵察吊艙、空空導彈等。溫度環境是裝備壽命期內不可避免的環境因素，會直接或間接地影響機載外掛物的性能，因此在機載外掛的研制過程中，為滿足預期的使用要求，產品必須進行相應的溫度試驗，以驗證其對溫度環境的適應性[1]。

溫度環境的考核一般參照GJB 150.3A以及GJB 150.4A來制定相應的環境試驗條件[2—3]，但這些標準中無一例外地都只考慮了地面的高低溫情況[4—6]。機載外掛由于其工作的特殊性，除貯存、運輸所經歷的自然溫度環境外，還會經歷掛機飛行時高空中極低的環境溫度、氣動加熱環境等自然和誘發環境因素，若只按地面使用環境制定溫度試驗條件可能無法考核掛機飛行時誘發的溫度環境。GJB 899A中雖然給出基于任務剖面的可靠性評估方法[7—9]，但對于環境試驗，目前國內少有機載外掛按溫度剖面進行試驗。雖然某些國外機載外掛類產品（如AIM-9X）除采用地面極值進行溫度試驗外，同時也給出了空中掛飛時的溫度工況用于產品設計，但由于溫度試驗條件與載機類型直接相關，無法直接借鑒。GJB 150.24A借鑒了美軍標MIL-STD-810F給出綜合試驗剖面的簡要確定方法，但其試驗程序較復雜，并且在試驗程序中直接采用產品預計最高、最低工作溫度來進行熱穩定試驗，與機載外掛的實際工作情況存在差異。因此文中針對機載外掛的典型使用特點，結合載機的典型任務剖面，探討機載外掛應如何進行此項試驗的考核。

1 溫度環境因素分析

機載外掛掛飛時的環境因素主要由三部分組成：自然環境空氣溫度、氣動加熱恢復溫度、內部設備工作發熱。下面針對這些典型環境進行分析[10—12]。

1.1 自然環境溫度

機載外掛除經歷地面溫度環境外，還需經歷空中的環境。一般來說，海拔越高，氣溫越低，這是因為對流層大氣的直接熱源是地面，離地面越遠，得到的地面輻射越少，氣溫也就越低。不同氣層的氣溫隨高度變化常用氣溫垂直遞減率來表示，即在垂直于地面每升高100 m氣溫的變化值。對于干空氣，海拔大約平均每上升100 m，氣溫就下降約1 ℃。含有水汽的較濕空氣，就會受到水氣凝結時所釋放的潛熱影響，因此平均每上升100 m氣溫約下降0.6 ℃，且不同于干空氣。對于濕空氣來說，氣溫垂直遞減率還會受溫度與壓強的影響，使其值位于0.4~0.9之間，因此空中的氣溫不能直接用地面溫度來預估，特別是環境試驗需考核裝備預期的極值環境。查GJB 1172 《軍用設備氣候極值》中地面氣溫和空中溫度[13—14]，分別取高溫時間風險率1%和低溫時間風險率1%，即可得到氣溫的極值環境，如圖1所示。

圖1 高度與溫度極值

1.2 氣動加熱

氣動加熱是指物理與空氣作高速相對運動時所產生的摩擦力轉為熱力的過程，這是機載外掛物掛機飛行時必須經歷的環境因素。由于氣動加熱效應與飛行速度有直接關系，因此載機高速飛行時機載外掛會產生很高的恢復溫度，氣動加熱的恢復溫度一般可按式（1）確定[15]：

eff=(amb+273)[1+0.182]－273 (1)

式中：eff是指被流動空氣冷卻效應改變后的溫度，即氣動加熱的恢復溫度；amb是指飛行時的外界環境空氣溫度；是指飛行馬赫數。

1.3 內部設備工作發熱

機載外掛在掛機飛行時可能存在通電工作的情況。這種情況下，機載外掛的內部設備由于電子元器件阻抗的存在，必然會導致發熱，特別是功率器件，若連續工作將產生大量的熱量，這些熱量會在機載外掛的某些局部集中存在。同時機載外掛內部若存在運動機構，則運動機構的摩擦也將產生熱量。因此內部設備的發熱情況與機載外掛的工作狀態直接相關，即在分析制定溫度試驗條件時應考慮機載外掛預期的工作狀態，如連續通電工作、間歇工作、部分部件工作等情況。

2 基于任務剖面的溫度計算

針對某載機的典型任務剖面開展分析，以確定其搭載的機載外掛溫度試驗條件。

2.1 典型任務剖面

某機載外掛需掛裝某高性能噴氣式戰斗機上使用，其典型任務剖面如圖2所示。雖然飛行員不可能每次都以相同的方式執行任務，給出的任務剖面僅僅是估計數值，但典型的任務剖面包含了與溫度分析有關的顯著的飛行條件。

圖2 典型任務剖面的高度及馬赫數

2.2 氣動加熱恢復溫度的確定

根據式（1），要計算氣動加熱恢復溫度，首先需確定外部空氣溫度，由于通過GJB 1172只能查得典型高度下的極值溫度，因此若計算任一高度點的外部溫度，則需按下述公式進行插值，計算得到預知高度的極值溫度。

式中：h為已知高度，m；t為預求h高度上的氣溫，℃；h1已知，為h下一層高度，m；h2已知，為h上一層高度，m；已知，為h1高度上的氣溫，℃；已知，為h2高度上的氣溫，℃。

分別將典型任務剖面中的高度值代入式（2），可計算得到t，將t和剖面中對應的馬赫數代入式（1），可計算得到任務剖面相應點的極值溫度，對高溫極值和低溫極值分別進行計算，可得到相應的溫度極值剖面，見圖3。

圖3 溫度剖面

從圖3可以看出，極冷環境下，最低溫度出現在載機高度為11 km，速度為0.75 Ma狀態，溫度最低為－48.6 ℃，最長持續時間為50 min；極熱環境下，最高溫度出現在11 km，速度為1.5 Ma狀態，溫度最高為72.8 ℃，持續時間僅一個時間點，處于剖面的“作戰2”任務段中，任務時間總長僅1.3 min。

2.3 某機載外掛試驗條件設計

目前某機載外掛的試驗條件為高溫60 ℃，低溫－45 ℃，試驗方法采取產品達到溫度穩定后加電測試。可以看出，掛飛時可能存在最低溫度和氣動加熱的最高溫度，均超出了產品的高、低溫試驗條件，存在未考核的高低溫環境。GJB 150.3A和GJB 150.4A均要求產品達到溫度穩定，GJB 150.24A也在試驗程序中明確要求“系統達到熱穩定或4 h，以長者為準”，但在掛機飛行時的最高溫度及最低溫度下使產品達到溫度穩定，若再同時考慮電應力，則產品很有可能超出其承受極限，造成產品損壞。實際飛行時，通過任務剖面可看出，在極值高溫條件下，機載外掛表面的恢復溫度絕大部分時間都處于20 ℃以下，而72.8 ℃的極值高溫僅存在一個時間點。考慮到機載外掛一般尺寸較大，存在較大的熱容量，且外表面可能存在隔熱層，產品達到溫度穩定時間可能長達5 h以上，在極限高溫下不存在產品達到溫度穩定的可能。采用飛行的極值溫度制定高低溫工作條件存在嚴重的過試驗風險，因此采用任務剖面模擬實際工作情況，是一種合理的解決方案。

電應力方面，由于機載外掛的通電狀態不確定，可能存在整個飛行架次全程通電的可能，也可能在飛行過程中才進行產品上電工作。一般需考核兩方面的內容：產品低溫下的啟動能力以及產品連續工作時的熱量積累。因此應考核高溫極值剖面下的產品連接工作能力和低溫極值剖面下的產品啟動能力（產品啟動點選取最低溫環境結束時刻）。

由于目前機載外掛是根據其典型使用環境制定的地面試驗條件，外場服役時飛機也存在地面停放等環境，因此在按計算得到的溫度剖面進行試驗時，必須進行預處理，使產品在地面極值溫度環境達到溫度穩定。一般選取機載外掛正常高低溫工作條件。

某機載外掛的熱穩定時間為5 h，若采用高溫極值環境進行試驗，同時考慮電應力，則通電2 h后內部電路局部溫度可高達85 ℃，超出元器件的高溫工作極限，造成產品故障。載機實際執行飛行任務時不可能長時間保持極值飛行，且實測數據表明，產品內部溫度遠低于85 ℃，因此采用計算得到的極值任務剖面進行試驗，能夠更好地模擬實際使用工況，更加符合實際情況。

3 結語

文中基于機載外掛自身的使用特點，并結合載機的典型任務剖面，提出了一種基于任務剖面的溫度試驗條件制定方法。目前機載外掛除進行按GJB 150等標準制定的溫度試驗外，可補充進行此項溫度試驗，以更加合理地驗證機載外掛空中掛機飛行時的溫度環境適應性，同時也可直接作為GJB 150.24A的溫度試驗剖面，結合高度、振動等環境因素對機載外掛進行綜合試驗考核。

[1] 祝耀昌. 產品環境工程概論[M]. 北京: 航空工業出版社, 2003.

[2] GJB 150.3A—2009, 軍用裝備實驗室環境試驗方法第3部分: 高溫試驗[S].

[3] GJB 150.4A—2009, 軍用裝備實驗室環境試驗方法第4部分: 低溫試驗[S].

[4] 蔡良續, 龍德中, 宋小燕, 等. 溫度環境試驗及其標準綜述(一)溫度對裝備的影響及溫度試驗的重要性[J]. 環境技術, 2014(4): 93—96.

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[7] GJB 899A—2009, 可靠性鑒定和驗收試驗[S].

[8] 樊西龍, 趙曉東. 軍用噴氣式飛機一種可靠性綜合應力條件中溫度應力的確定方法[J]. 航空科學技術, 2014, 25(9): 52—55.

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[13] GJB 1172.2—1991, 軍用設備氣候極值: 地面氣溫[S].

[14] GJB 1172.12—1991, 軍用設備氣候極值: 空中氣溫[S].

[15] GJB 150.24A—2009, 軍用裝備實驗室環境試驗方法第24部分: 溫度-濕度-振動-高度試驗[S]

Conditions for Temperature Test of Aircraft Store based on Mission Profile

GUO Xun, GUO Qiang-ling, ZHANG Yan-hui, LIU Xin-jia

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

Objective To obtain a reasonable temperature test condition to evaluate the temperature environment adaptability of airborne store. Methods Environmental factors, which influence airborne store’s temperature such as natural environment, aerodynamic heating and equipment working heating, were analyzed on their different features. The calculation method, which is related to aircraft’s flight conditions, was given. Results According to typical mission profile of an aircraft, the temperature profile is calculated. Based on the temperature profile, the ground temperature can’t cover the temperature of flight, thus a temperature test method based on mission profile was given to evaluate the temperature environment adaptability of airborne stores better. Conclusion Reasonable test conditions and calculation methods for airborne store’s temperature test are given.

aircraft store; mission profile; temperature test

10.7643/ issn.1672-9242.2017.04.010

TJ85

A

1672-9242(2017)05-0044-04

2016-12-31；

2017-01-24

郭迅（1987—），男，河南洛陽人，碩士，工程師，主要研究方向為環境預示。