軍用飛機實驗室氣候環境試驗項目分析

張昭，唐虎，成竹

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軍用飛機實驗室氣候環境試驗項目分析

張昭，唐虎，成竹

（中航工業飛機強度研究所，西安 710065）

為了對軍用飛機實驗室氣候環境試驗進行項目規劃，分析了國內外軍用裝備環境試驗標準對軍用飛機氣候試驗的適用性，得到了針對軍用飛機的標準要求試驗項目。通過對國內外相關文獻的分析挖掘，分析了美國麥金利氣候實驗室可以開展的全機試驗項目，并探討了美軍第四代戰機進行的氣候試驗項目。根據以上結果，結合相關設計原則，給出了軍用飛機實驗室氣候環境試驗的具體規劃，以及試驗順序，規劃結果可以為將來國內軍用飛機氣候試驗項目規劃提供參考。

軍用飛機；氣候實驗室；氣候環境試驗；美軍四代機；試驗項目

軍用飛機結構強度設計規范和軍用飛機結構完整性大綱等相關規范中明確提出軍用飛機在設計生產的過程中必須進行氣候環境試驗[1-2]。其中實驗室氣候環境試驗是氣候環境試驗的重要組成部分。飛機實驗室氣候環境試驗是一項龐大的綜合性項目，根據國外經驗一般需要提前兩年時間進行試驗計劃，其中試驗項目規劃是試驗計劃的重要內容之一，它包括飛機需要經受哪些試驗項目的考核以及這些試驗項目的順序。

美國自1947年麥金利氣候實驗室成立以來，已進行了400余架飛機的氣候環境試驗[3]。在試驗管理規劃方面，1988年美國空軍制定飛機環境試驗手冊TIH-88-004《FLIGHT TESTING UNDER EXTREME CLIMATIC CONDITIONS》，總結了飛機氣候試驗過程與方法，包括試驗項目規劃等內容。1997年，美軍標MIL-STD-810F《環境工程考慮和實驗室試驗》草案發布，810F的內容和格式與以往的版本大不相同，它將標準分為環境工程管理和實驗室試驗兩大部分，首次將包括試驗項目規劃等試驗管理內容納入該系列標準。國內飛機只進行自然環境下的氣候試驗以及設備級的實驗室氣候環境試驗，尚未進行過實驗室內的全機氣候環境試驗，對實驗室全機氣候環境試驗，還在研究階段。2001年，GJB 4239《裝備環境工程通用要求》頒布，該標準以國內環境工程工作經驗為基礎，重點參考810F的第一部分編制，由于該標準是針對軍用裝備，對于飛機環境試驗的項目規劃，國內還缺乏相關研究。文中結合國內外相關標準要求，現階段試驗能力以及國際現行試驗規劃案例，進行軍用飛機氣候試驗項目規劃，為將來國內軍用飛機氣候試驗項目規劃提供參考。

1 國內外軍用裝備環境試驗標準分析

1.1 試驗項目分析與對比

這里重點分析討論GJB 150A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》、美軍標MIL-STD-810G《環境工程考慮和實驗室試驗》、英軍標DEF STAN 00-35《防務裝備環境手冊第三部分環境測試方法》、北約標準AECPT 300《氣候環境試驗》等國內外四部與飛機氣候環境試驗相關的標準規范。其中前三部為裝備環境試驗，不僅包含氣候環境試驗，還包括機械環境與生物化學環境等試驗。這幾部標準對于試驗項目的分類與項目的細分程度不一致，文中將其關于氣候環境試驗的項目進行了總結概括，見表1。

美軍標MIL-STD810G中規定的環境試驗一共有29項，其中包括機械環境試驗，氣候環境試驗，生物化學環境試驗等，見表1（標準未對環境試驗分類）。其中氣候環境試驗項目有11項，分別為：低氣壓試驗、低溫試驗、高溫試驗、溫度沖擊試驗、太陽輻照試驗、淋雨試驗、相對濕度試驗、結冰凍雨試驗、液浸試驗以及凍融試驗等[4]。GJB 150A是國內現行的軍用設備環境試驗標準，規定了27個試驗項目[5]，可以歸納為4類，包括氣候環境試驗、機械環境試驗、生物環境試驗、化學環境試驗。其試驗項目與美軍標MIL-STD-810G基本相同，存在的差異是，前者比后者多了兩項試驗，少了四項試驗。多出的兩項為：風壓試驗、傾斜搖擺試驗；缺少的四項試驗為：聲振試驗、鐵路沖擊試驗、時域波形再現試驗與凍融試驗，與氣候環境試驗相關的項目見表1。英軍標規定了59項試驗項目，標準對這些試驗進行分類，其中包括機械環境、氣候環境、化學生物環境等，其中氣候環境試驗共30項[6]。其項目劃分更加細化，概括起來，可以歸納為12項：低氣壓試驗、高溫試驗、低溫試驗、溫度沖擊試驗、相對濕度試驗、太陽輻照試驗、降雪試驗、降霧試驗、淋雨試驗、結冰凍雨試驗、砂塵試驗、吹風試驗以及凍融試驗等。北約標準AECPT-300是一部氣候環境試驗標準，規定了18項試驗項目，其中包含綜合2項綜合試驗，16項氣候環境試驗[7]。

表1 國內外部分標準與氣候試驗相關的試驗項目匯總

1.2 適用性分析

首先，幾部標準存在氣候環境試驗分類不一致的問題。英軍標DEF 00-35和北約標準STAN-300都對環境試驗進行了分類，但存在異同。其中前者將“酸性大氣試驗、流體污染試驗、霉菌試驗以及鹽霧試驗”規定為氣候環境試驗，而后者將這四個試驗規定為化學生物試驗，從常規劃分方法以及國外飛機環境試驗的經驗來看，后者的劃分更加合理。

其次，部分試驗項目對飛機存在適用性問題。上文提到的標準里有三個標準為軍用裝備通用的環境試驗規范，部分試驗項目對于飛機并不適用，需要針對飛機進行適當剪裁。例如：爆炸性大氣試驗，該項目針對于工作在爆炸性大氣附近的裝備，因此并不適用于飛機；液浸試驗，GJB 150A—2009中規定“本試驗適用于在工作或不工作的情況下可能被部分地或完全地浸漬的裝備”以及“本試驗不適用于有浮力的裝備”，可見，該項目不適用于普通軍用飛機以及水上飛機；GJB 150A中試驗項目風壓試驗，標準中提出“本試驗不適用于飛行器”。

另外，標準要求的部分試驗項目可以進行合并與整合。部分標準中提到的某些試驗項目在具體操作時可以進行合并。英軍標DEF 00-35規定的高速吹風試驗，可以和淋雨試驗合并，淋雨試驗的風吹雨試驗包含了吹風的因素。

最后，標準間試驗項目可以互相補充。存在某一試驗項目對飛機有重要意義，而一些標準沒有提到，另外一些標準提到了，可以互相補充。例如：凍融試驗考察裝備在冰點溫度附近時，水汽的解凍與融化對設備的影響，由于GJB 150A—2009借鑒了老版美軍標MIL-STD-810F的內容，而凍融試驗在新版的MIL-STD-810G中才被添加進來，故GJB 150A—2009缺該試驗項目，而在美軍標、英軍標以及北約標準中均有規定，因此該項目可以作為我國軍標的補充，并且，該項目可以合并在相對濕度試驗中進行；英軍標DEF 00-35中規定了降雪試驗以及降霧試驗，這是其他三個標準都沒有規定的項目，而這兩個項目對于考察飛機在大霧環境下光學器件的性能以及飛機結構的雪載承受能力具有重要意義。

綜上所述，通過剔除化學生物試驗、不適用于飛機的項目、互相借鑒以及合并部分項目，從標準中得到的飛機氣候環境試驗項目為：高溫試驗、低溫試驗、太陽輻照試驗、相對濕度試驗（包含凍融試驗）、淋雨試驗、凍雨/結冰試驗、降雪試驗、降霧試驗、低氣壓試驗、溫度沖擊試驗、砂塵試驗等，共11項。

2 美國空軍的全機氣候環境試驗能力與試驗規劃方法分析

2.1 麥金利實驗室開展的試驗項目分析

從目前掌握的資料來看，麥金利氣候實驗室可以進行的氣候環境試驗項目有：高溫、低溫、濕熱、淋雨、降雪、太陽輻照、旋風結冰、砂塵、凍云、海洋氣候、沙漠氣候、雷電等30多個項目的試驗[8-11]。麥金利氣候實驗室的試驗設施及試驗能力見表2。

表2 麥金利氣候實驗室試驗項目

從環境室尺寸來看，只有主環境室可以容納正常尺寸的軍用飛機。因此，麥金利實驗室可以進行的軍用飛機全機氣候試驗項目共11項，分別為：低溫、高溫、相對濕度、太陽輻照、結冰凍雨、凍云、旋風結冰、淋雨、吹風、降雪、降霧等。另外，主環境室還具備發動機補氣能力，飛機在主環境室進行試驗時可以發動機開車。

2.2 美軍的試驗規劃方法

美國空軍環境試驗手冊指出，飛機實驗室氣候試驗共7項試驗，包括：21 ℃基線試驗、低溫試驗、太陽輻照條件下的高溫試驗、相對濕度試驗、熱帶降雨試驗、凍雨試驗、發動機攝水試驗[12]。其中基線試驗一共進行3次，其具體的試驗次序為：21 ℃基線試驗→低溫試驗→第二次21 ℃基線試驗→太陽輻照條件下的高溫試驗→相對濕度試驗→熱帶降雨試驗→凍雨試驗→發動機攝水試驗→第三次21 ℃基線試驗。

基線試驗的作用是獲取飛機各系統基線數據，以便和后面的基線試驗數據進行對比，獲取飛機功能退化的依據。其中第一次基線試驗除此作用外，還具備考察系留系統，讓試驗人員熟悉試驗操作的作用。根據相關資料及美軍飛機氣候試驗來看，對于試驗項目的順序，有兩個原則，一是將條件最嚴酷的試驗優先進行，一般來說，高溫和低溫試驗是首先要進行的試驗項目；另外一個原則是盡量減少試驗設備的拆裝，提高試驗效率。比如將凍雨試驗安排在淋雨試驗之后，是為了減少淋雨架的拆裝。

3 美軍部分第四代戰機的氣候環境試驗項目

從成立至今，麥金利實驗室進行了大量的飛機氣候環境試驗，在此簡要介紹美軍第四代戰機F-22和F-35所進行過的氣候試驗項目。圖1為它們在麥金利試驗室進行試驗的照片[3,13]。

F/A-22猛禽04號機于2002年5月底飛抵麥金利氣候實驗室，飛機到達后立即準備試驗，開始了為期3個多月的氣候試驗。在這期間F/A-22經歷了冷凍、高溫、大雨沖洗、雪封、風吹、霧罩和濕化等嚴酷考驗，具體試驗項目見表3。

F-35B“閃電II”BF-05架機于2014年9月底抵達麥金利氣候實驗室，開始長達6個月的氣候試驗。在這6個月的試驗期間，飛機經受了高達48.8 ℃的高溫、低至－40 ℃的低溫、結冰、暴風雨和高濕度等環境，具體試驗項目見表3。在F-35B所有試驗項目中，最受關注的是結冰試驗，F-35和大多數戰術飛機一樣，只具備有限的除冰能力。不像民航客機或者運輸機那樣在機翼前緣有可充氣的通道或者有加熱層，戰術飛機沒有這些。它的主要除冰方式是在發動機進氣口引入熱氣來阻止結冰，而翼面結冰會極大影響飛機氣動特性和升力的產生。

圖1 F-22和F-35在麥金利試驗室的照片

表3 F/A-22和F-35B進行的實驗室氣候試驗項目

4 軍用飛機實驗室氣候環境試驗項目綜合分析

上文在國內外環境標準要求基礎上，根據飛機氣候試驗特殊需求，得到的飛機環境試驗項目。根據麥金利實驗室環境室功能及尺寸，介紹該實驗室可以進行的全機氣候環境試驗，分析了美軍氣候試驗項目的規劃方法，以及介紹了美國第四代戰機F/A-22和F-35B進行的氣候試驗項目。將得到的幾種項目規劃，整合后列出，見表4。

綜合上文內容以及表4可以得到以下結論。

1）標準中有低氣壓試驗要求，麥金利實驗室不具備全機低氣壓試驗的能力，美國第四代戰機也沒有進行該試驗。麥金利實驗室的溫度/高度實驗室具備對設備級裝備進行低氣壓試驗的能力，可以對飛機機載設備進行低氣壓試驗。

2）同樣，標準中有溫度沖擊試驗的要求，沒有資料表明美軍四代機進行過該試驗。從設備能力上來看，麥金利實驗室應該具備該試驗能力。GJB 150A—2009對于溫度沖擊的界定是：溫度變化率大于10 ℃/min，這一氣候環境在飛機的日常運行中幾乎是不會出現的，飛機遭遇到得溫度變化情況將在低溫和高溫試驗中進行考核。

3）砂塵試驗在麥金利試驗室也無法對飛機進行，美軍四代機也沒有進行該試驗的記錄，麥金利實驗室對設備級裝備具有該試驗能力。

4）美軍四代戰機在麥金利實驗室進行了凍云結冰試驗和旋風結冰試驗，這在標準中沒有體現，這兩項試驗是針對飛機的項目，對飛機性能考核具有重要意義。

根據以上分析結果，結合現階段試驗設備水平，軍用飛機應進行的實驗室氣候環境試驗項目包括：基線溫度試驗、低溫試驗、高溫試驗、太陽輻照試驗、相對濕度試驗、淋雨試驗、結冰試驗、降霧試驗、降雪試驗等共9個大項，其中相對濕度試驗包括濕熱試驗和凍融試驗兩個子項目，結冰試驗包括凍雨、旋風結冰、凍云三個子項目。

表4 與飛機實驗室氣候環境試驗相關的項目列表

根據優先進行最嚴酷試驗以及試驗過程中盡量減少設備拆卸的原則，試驗順序為：21 ℃基線試驗→低溫試驗→21 ℃基線試驗→高溫試驗→太陽輻照試驗→濕熱試驗→冷凝試驗→熱帶降雨試驗→凍雨試驗→降霧試驗→風吹雨試驗→凍云試驗→旋風結冰試驗→降雪試驗→21 ℃基線試驗。

5 結論

1）現行軍用裝備實驗室環境試驗標準中給出的試驗項目，適用于軍用飛機的項目共11項。分別為高溫試驗、低溫試驗、太陽輻照試驗、相對濕度試驗（包含凍融試驗）、淋雨試驗、凍雨/結冰試驗、降雪試驗、降霧試驗、低氣壓試驗、溫度沖擊試驗、砂塵試驗等。

2）現階段的試驗技術及設施無法對整機進行標準要求的所有實驗室氣候試驗項目，包括低氣壓試驗、砂塵試驗等。

3）在現行國軍標要求之外，一些試驗項目對于飛機氣候環境適應性考察具有重要作用，包括凍融試驗、凍云結冰試驗以及旋風結冰試驗等。

4）現階段，軍用飛機應進行的試驗項目包括9大項，包括基線溫度試驗、低溫試驗、高溫試驗、太陽輻照試驗、相對濕度試驗、淋雨試驗、結冰試驗、降霧試驗、降雪試驗等，并按照一定的順序進行試驗。

[1] GJB 67.9A—2008, 軍用飛機結構強度規范第九部分:地面試驗[S].

[2] GJB 775A—2012, 軍用飛機結構完整性大綱[S].

[3] 唐虎, 李喜明.飛機氣候試驗[J]. 裝備環境工程, 2012, 9(1): 60-65.

[4] MIL-STD-810F, Environmental Engineering Consideration Sand Laboratory Tests[S].

[5] GJB 150A—2009, 軍用裝備實驗室環境試驗方法[S].

[6] DEF STAN 00-35, Environment Handbook for Defence Materiel[S].

[7] AECTP-300, Climatic Environmental Test[S].

[8] 孫立華, 何飛. 美軍氣候實驗室研究解決高技術武器戰場“中暑”問題[J]. 國防科技, 2007(11): 87-89.

[9] Drake C W. Environmental Test Capabilities of the Air Force Mckinley Climatic Laboratory: AIAA-85-0089[R]. Reno: AIAA, 1985.

[10] BELL J D. Icing at the McKinley Climatic Laboratory : AIAA-2004-735[R]. Reno:AIAA, 2004.

[11] RUSSELL A A. The Air Force Flight Test Center Artificial Icing and Rain Testing Capability Upgrade Program: AIAA-93-0295[R]. Reno: AIAA, 1993.

[12] Hendrickson. Flight Test under Extreme Climatic Condition[R]. AD/A201710, 1988.

[13] MARK A. F-35B Forty Below Hot-cold Tests[J]. Air International, 2015(3): 7-9.

Laboratory Climatic Test Items of Military Aircraft

ZHANG Zhao, TANG Hu, CHENG Zhu

(AVIC Aircraft Strength Research Institute, Xi′an 710065, China)

To plan items for military aircraft laboratory climatic test, several military material standards of environmental test were analyzed for applicability and test items meeting standard requirement of military aircraft were obtained. Relevant document at home and abroad were analyzed and explored to analyze full-aircraft test items of McKinley climatic laboratory and discuss climatic test items carried for USAF's fourth airplanes. Specific planning and test sequence on climatic test of military aircraft was given based on the above result and in combination with relevant design The planning effect can provide references for planning climatic test of military aircraft in the future.

military aircraft; laboratory climatic; climatic test; USAF's fourth generation aircraft; test items

10.7643/ issn.1672-9242.2017.10.017

TJ85；V216

A

1672-9242(2017)10-0087-05

2017-05-31；

2017-06-15

張昭（1984—），男，碩士，主要研究方向為飛機氣候環境適應性驗證技術。