重視環境因素對浮空器的影響

王云　吳玲

摘要： 空中環境對浮空器系統安全運行有很大影響，必須重視浮空器的空中環境可靠性設計及各種環境試驗。文章提出了在浮空器設計、飛行試驗過程中，可能影響安全的各種空中環境因素，并通過試驗數據，初步推斷出各種環境因素對浮空器影響的計算公式。

關鍵詞： 空中環境；浮空器；可靠性；環境試驗；試驗數據 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK124 文章編號：1009-2374（2017）10-0081-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.040

1 概述

近年來飛艇及系留氣球等浮空器由于在滯空時間和運行費用等方面具有優勢，因此得到了廣泛關注。

眾所周知，產品的設計與產品的可靠性密切相關，所以在設計浮空器的時候需要盡可能多選擇那些可靠性高、技術先進的技術和工藝。然而，設計在完成后，如果不通過具體的試驗，僅利用圖面檢查和原理演示是無法找出其中的問題的。產品的研制開發離不開試驗這一過程，并且試驗也是對產品性能考核評價的主要方式，所以在當下的產品研制初期，都需要完成對產品基本特性的分析和調查，明確其中可能影響產品試驗的因素，并制定相應的試驗操作流程，以確保產品研制工作可以順利進行。

2 試驗分類

產品研制生產階段的試驗非常多，但其總體上可以分為現場試驗和實驗室試驗兩類。現場試驗指的是通過實際使用來驗證產品的性能，比如在產品的運輸、存儲以及使用等環境進行產品性能的驗證，查驗其是否會出現破損或者功能缺失等情況。現場試驗又可以具體分為飛行試驗、跑車試驗、自然暴露試驗等。實驗室試驗指的是測試產品在某些特定受控條件下的性能，比如環境條件、電源條件等。不同試驗目的所需的受控條件是不同的，它需要根據具體的情況來模擬相應的使用條件，以此來驗證產品的性能。通過實驗室試驗可以幫助研發人員找出產品在研發初期的問題和不足，并且結合具體的問題制定相應的改進和處理措施，進而對產品進行完善和改進。在產品的研制后期，由于實驗室條件的限制，其無法將現場環境進行最真實的模擬，所以必須通過現場試驗來找出產品中那些比較深層次問題和不足。

在進行現場試驗時，產品完成的任務能夠表明其自身的使用壽命典型任務，那就說明實驗結果具有代表性，它所檢測出的結果與產品的真實性能相符合。然而在短時間內現場條件是無法全部達成的。比如以其環境試驗中的氣候試驗為例，有些產品需要在冷熱不同環境下試驗一年以上，但是自然界中端冷和極端熱環境是無法保證其可以及時出現并被利用的。這些現場條件是無法控制的，這就給現場試驗帶來了很大的難度。所以在實際工作中，通常都在最后的研制環節采用現場試驗來進行復驗。在大多數的產品研制、設計以及驗收工作中，基本都是采用實驗室試研制以及生產中的可靠性試驗與環境試驗分析。

性能試驗指的是在實驗室中通過相關的試驗來測試產品的性能，它的目的有兩個：第一，對研制產品的性能進行評估，檢驗其是否達到設計的要求；第二，制定一套合理科學的性能評判基準，以此來完成對試驗中、試驗后所得到數據的比較，進而對產品性能的變化趨勢以及其性能進行合理的評估。性能試驗是其他試驗的基礎，產品研制階段樣機制造出來后應立即進行性能試驗，看其是否滿足設計要求，試驗過程中暴露出來的缺陷應作為改進措施的直接依據，一般情況下要經過反復設計和改進后才能使研制的產品通過性能試驗，然而通過了性能試驗的產品在實際環境條件下不一定能正常工作，因此性能試驗后要進行環境試驗。

3 環境試驗研究

環境試驗是在產品通過了性能試驗后，為了保證產品能耐受預期的極端環境（包括氣候、力學、電磁等）的破壞作用而進行的一系列研制和驗證試驗，具有重要意義。由環境應力造成的失效產品故障的常見原因，1971年美國對機載設備全年的故障進行剖析，結果顯示50%以上的故障是由各種環境所致，而溫度、振動、濕度三項環境造成電子設備43.7%的故障。同樣浮空器囊體材料和其搭載的各種電子設備都受到類似的影響。如何保障浮空器安全，減少在使用中由環境影響造成的故障比率，應在研制和生產階段充分開展環境試驗工作。環境試驗指的是以考核所設計或生產的產品對預定環境適應性為目標的試驗。產品的環境適應性是指產品在運輸、儲存以及工作中對其對應環境的適應性，其包括在最惡劣運輸儲存環境下，產品的抗損壞能力和工作性能。需要注意的是這里的適應性指的是產品在這些環境下的短期適應性，而不是指的長期適應性，所以其不屬于可靠性指標。

環境試驗多為單項試驗，這種試驗的設備比較簡單、試驗費用少，且很容易看出來某一環境因素對產品的影響。但是跟實際使用情況仍有一定的區別。環境試驗的種類很多，根據浮空器的使用條件及要求，常用的環境試驗包括高溫試驗、低溫試驗、紫外線輻照試驗、濕熱交變試驗、高溫老化及低壓試驗等。

常見的環境試驗的標準試驗條件如下：

第一，高低溫試驗：

高溫試驗條件：60℃穩定20min。

低溫試驗條件：-40℃穩定20min。

試驗結果見表1：

表1 高低溫對某材料拉伸強度的影響表

溫度 均值（N） 變化率

常溫 3300 ――

60℃ 2800 -21.4%

-40℃ 4200 +39.5%

第二，高溫老化試驗：

試驗條件：高溫120℃維持老化時間336h。

低溫試驗條件：-40℃穩定20min。

試驗結果見表2：

表2 高溫老化對某材料拉伸強度的影響

項目 均值（N） 變化率

常溫 2500 ――

高溫老化后 2200 -26%

第三，濕熱交變試驗。

試驗條件及試驗時間如表3所示：

表3 濕熱交變對某材料拉伸強度的影響表

均值（N） 變化率

常溫 3300 ――

濕熱交變 3200 -7%

第四，紫外線輻照試驗。

試驗條件：光照為常溫、紫外線輻射強度為0.59W/m2.n·m、波長為310nm。

輻射方法：每次循環在80℃下，照射20h，在噴水5min（空氣溫度不控制），然后50℃保持4h，依次

循環。

試驗結果如表4所示：

表4 紫外線輻照對某材料拉伸強度的影響

材料 均值（N） 變化率

常溫 2210 ――

375h 2100 -12%

750h 1600 -36%

1125h 1300 -49%

3000h 960 -62%

第五，低壓試驗。

試驗條件：貯存壓力為57kPa；貯存時間為1h；貯存壓力變化率10kPa/min。

試驗結果如表5所示：

表5 濕熱交變對某材料拉伸強度的影響表

均值（N） 變化率

常溫 3300 ――

濕熱交變 3200 -7%

4 結語

通過以上各環境試驗的結果，猜想在各種環境條件共同影響下，環境因素對囊體材料的影響大致可用以下公式表示：

式中：k為一段時間后某囊體材料性能的損失率；T為各種環境因素的作用時間，單位為h；T1為紫外線輻照時間；T2為高溫老化時間；T3為高溫時間；T4為低壓時間；T5為濕熱交變時間；T6為低溫時間。

假設某型號浮空器在外場試驗60天，其中晴天40天，雨天20天，平均日照8h，每天高溫平均5h，根據統計數據，大致可以得到：

則代入公式可得材料強度損失率為7.9%。

此公式只是在現有的試驗數據的基礎上，進行大致推論得到，具體還需要進一步的試驗進行完善。本文旨在提供一種思路，量化各種空間環境對浮空器囊體性能的影響。

參考文獻

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[2] 顏標.浮空器囊體材料力學性能實時測定[J].實驗科學與技術，2012，（1）.

[3] 費東年，王軍，高尚書.浮空器設備掛架結構總體設計[J].科學技術與工程，2012，（8）.

作者簡介：王云（1979-），女，中國電子科技集團公司第三十八研究所工程師，研究方向：浮空器結構及總體設計；吳玲（1981-），女，中國電子科技集團公司第三十八研究所高級工程師，研究方向：浮空器結構強度設計。

（責任編輯：蔣建華）