GJB 4239《裝備環境工程通用要求》在直升機研制中的應用研究

丁杰，陳圣斌，郝宗敏

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GJB 4239《裝備環境工程通用要求》在直升機研制中的應用研究

丁杰，陳圣斌，郝宗敏

（中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001）

根據直升機及直升機型號的特點，結合直升機環境工程及傳統研制、設計經驗，提出了直升機及直升機型號研制中貫徹GJB 4239的具體實施程序和方法，試圖將GJB 4239的通用要求轉化為直升機和直升機型號系統、部件/設備環境適應性分析、設計、試驗及管理具體實用，易于操作的工程技術要求，并提出直升機研制中環境試驗與評估的實施要求和方法。

直升機；環境適應性；環境適應性分析與設計；實驗室環境試驗

環境適應性與可靠性、維修性、測試性、保障性等都列為裝備質量的通用特性，因此，直升機研制中應按照GJB 4239《裝備環境工程通用要求》編制直升機型號研發的環境適應性大綱，以便在直升機研發過程中實現直升機系統產品/設備環境適應性控制，消除它們對環境風險的敏感性，使直升機在預定的環境條件下安全可靠地工作[1]。

自20世紀50年代以來，國內外均按照上述標準或相似的標準對航空器的產品/設備進行環境試驗，以控制產品/設備對環境風險的敏感性。事實證明，僅靠環境試驗并不能消除或降低環境對產品/設備造成的損傷或失效。例如，現代民用客機由氣象或環境因素引發的飛行事故占總飛行事故的3%，直升機尤甚，其飛行事故中有5%是環境因素造成的[2-3]。到20世紀70—80年代，西方國家在航空器的研發中，都引入了溫度、濕度、振動應力多因素綜合的可靠性環境試驗，但環境對可靠性的影響也未如愿得到明顯改善。造成這種現象的原因是多方面的，首先，從環境控制的角度來看，因其不是從環境對產品功能和性能造成的故障機理為出發點，而是過度地強調通過產品后期實物樣機的試驗來發現故障，采取糾正措施以消除和降低環境風險，顯然，這種本末倒置的方法成效有限。另外，產品環境試驗溫度是標準給定的溫度－55～+70 ℃（直升機一般為+55～－45 ℃），而不是按產品在飛機和直升機上實際工作的環境溫度進行環境試驗。實際上有的產品在機上的工作溫度可能高于標準規定的溫度。例如，某型直升機的電源濾波器安裝在發動機艙內，其溫度高于標準規定的溫度，盡管通過了環境試驗，但使用中，濾波器內的固化劑熔化了，造成濾波器內的元器件故障。凡此種種，產品在其壽命預期的環境作用下，不能實現其預定功能和性能或使其不能安全可靠地工作也就不足為奇了[4]。

2001年，我國頒發了GJB 4239《裝備環境工程通用要求》[5]，該標準對產品的環境適應性從工程管理、環境分析、環境適應性設計、環境試驗與評價等四個層面共計20個工作項目，提出了環境控制的相關要求。在直升機型號研制中，認真貫徹這一標準，按照該標準的要求，制定直升機型號研發的環境適應性大綱，可使直升機環境及環境控制實現四個轉化[6]。

1）從以往傳統的基于環境試驗的單一的環境控制轉化為環境適分析、環境適應性設計、環境試驗與評價的全面、系統的環境控制。

2）從以往傳統的通過環境試驗激發環境故障轉化為環境故障機理、故障原因及故障影響的事前積極主動的分析。

3）從以往過度強調定型時的環境試驗的環境控制轉化為從方案論證階段起，貫穿于整個研發階段的環境適應性的全程監控。

4）從以往單獨的環境控制理念轉化為與可靠性、安全性等多專業融合共同實現產品在規定條件下（環境條件等），在預定時間，實現產品安全可靠地工作。

1 環境適應性要求

環境適應性要求是直升機型號研發的環境適應性設計依據，是環境適應性試驗的目標。因此，在方案論證階段，首先應確定環境適應性參數和參數指標，以便設計部門將環境適應性要求轉化為環境適應性設計措施，并通過后期的環境試驗確認/驗證環境適應性設計的有效性，評估直升機型號是否滿足使用方或用戶要求。為此，研制方應和使用方或用戶在方案論證階段，首先應建立直升機型號的環境適應性參數和參數指標[7-8]。

1.1 參數指標的確定

按GJB 4239《裝備環境工程通用要求》5.2 環境分析相應工作項目（工作項目201-203）的工作內容、環境適應性要求，參數指標的確定程序如圖1所示。

圖1 環境適應性要求-參數指標確定程序

1.2 程序中各項工作的實施

GJB 150包括近20種環境類型，從現有直升機型號來看，包括了溫度、濕度、鹽霧、霉菌、砂塵、淋雨、沖擊、加速度、炮振等動力學環境類別。在目前直升機型號總要求中，往往在總要求的環境條件一節中，僅列出溫度、濕度、“三防”等極少數的環境類型及要求。這少數的環境類型及其要求，不能完整地表述直升機型號的環境特征，也就不能確保直升機型號環境適應性的控制，不能消除環境風險的敏感性。因此，研制部門和使用方必須將直升機總要求的相關參數指標轉換成環境適應性要求：如由飛行高度可以確定低氣壓高度；由旋翼轉速可以確定振動水平；根據直升機的型號，可以確定使用類別，如艦載機在海上執行任務，便可確定鹽霧、霉菌等相應要求。

1.2.1 壽命期剖面及壽命期環境剖面

1）壽命期剖面。這里的壽命期剖面，是指研制方將直升機交付用戶使用，在直升機壽命期內所經歷的事件，這些事件包括運輸、貯存及使用（執行任務）等。

2）壽命期環境剖面。壽命期環境剖面，是指壽命期內各個事件可能遭遇的不同環境類型，包括自然環境和誘發環境。自然環境是指自然界中非人為因素構成的環境，而誘發環境是指人為活動、平臺、其他設備或設備自身產生的局部環境。就直升機而言，如直升機由汽車、火車或船舶運輸到用戶基地，那么這些載體的振動、沖擊、卸裝過程中的意外跌落等即為誘發環境。如直升機自行轉場飛行，直升機自身的振動、著陸時的沖擊、懸停時揚起的砂塵等都是誘發環境。

某型直升機命剖面和壽命期環境剖面見表1。

表1 某型直升機的壽命剖面和壽命期環境剖面

1.2.2 環境參數指標

在建立了使用文件，收集了基本相同或相似直升機的環境類別及其數據之后，接下來便要確定直升機型號具體的環境類型及量值。下面仍以某型直升機為例，描述其環境類別及量值的確定步驟。

1）確定直升機綜合的環境類別。根據直升機的特點，確定壽命期的環境類別，現在必須整合為整機的環境類別。由表1可以看出，該型機的運輸、貯存、使用都具有相同的自然環境，僅僅誘發環境小有區別，即運輸時，表現出低氣壓環境類別，而使用時多了一項機動飛行時的加速度環境類別。由上分析，表征某型直升機環境特征的環境類別為高溫、低溫、氣壓、淋雨（酸雨）、砂塵、振動、沖擊、加速度、噪音等。

2）確定各類環境類別的量值——參數指標。在確定了全機綜合的環境類別之后，便要確定相應的量值，以形成整機的環境適應性要求。就某型直升機而言，作為教練機，每飛行小時平均起降5次，且又是操作不熟練的學員，學員操作粗糙，因此直升機著陸時的沖擊較大。直升機振動是其主要特點，通常低頻大振幅造成損傷較大，直升機飛行速度低，機動飛行時，加速度也較小。此外，直升機的噪音也是其顯著特點。

根據某型直升機的上述特點，最終可形成環境類別的相應量值：高溫為+50 ℃、低溫為－40 ℃、氣壓為8000 m氣壓高度、振動、沖擊、每小時5次起降、加速度、噪音。

通過以上的討論分析，可以得出確定直升機環境適應性要求時，應遵循如下基本原則：全面完整、系統地分析直升機型號在其壽命期可能發生的所有事件及其遭受的環境類型、量值及持續時間；根據環境類型、量值和持續時間，選擇表征直升機型號環境適應性的環境類型；選擇基本相同或相似機型作為直升機型號環境適應性的比較基準；對于難以量化的環境要求，可根據GJB 150的相應要求進行剪裁，基于型號特征及以往經驗，選擇相應的環境要求。

2 環境適應性設計

通過以上討論分析，便能確定直升機型號的環境適應性要求。為確保直升機型號在預期的環境條件達到其預期的性能和功能和/或不破壞的能力，便應通過環境適應性設計，將直升機型號的適應性要求轉化為環境適應性設計措施來實現。

根據GJB 4239《裝備環境工程通用要求》5.3環境適應性設計工作項目301—303的要求，實施環境適應性設計的程序如圖2所示。

圖2 直升機環境適應性設計程序

環境適應性設計準則，事實上是直升機型號環境適應性的設計技術或設計方法，用于指導、規范型號的環境適應性工作，將影響環境適應性設計。設計準則的編寫，是實現型號環境適應性的重要工作內容，是環境適應性設計及其檢查評審的依據。通常，需組織有經驗的技術人員，完成準則的編寫工作。

2.1 基本原則

編制環境適應性設計準則應遵循下列原則。

1）準則內容應反映直升機的特點。直升機的飛行特點為低空、低速，低空飛行會經常遭遇到雨水的影響，因此，淋雨要求或水密性要求應予以充分考慮。旋翼揚起的砂塵是影響動部件安全可靠工作的因素之一，因此準則中應充分考慮防砂塵的設計措施。振動是直升機的顯著特點，通常表現為低頻大振幅。此外，直升機的噪音也是環境條件的顯著特征，因此，準則中應關注直升機的降噪設計措施。

2）準則內容應反映直升機型號特點。不同直升機型號具有不同的環境特征，如對于武裝直升機，炮振是其顯著特征；對于艦載直升機，高溫濕熱、鹽霧、霉菌等是較嚴酷的環境條件；對于教練機，沖擊是其環境特征。

3）準則內容應吸取國內外以往直升機型號的經驗教訓。在以往的型號設計中，由于沒有充分考慮環境條件對直升機使用的影響，曾發生過環境條件對直升機部件/設備造成損傷、故障/失效的經驗教訓。如某型直升機發射導彈的尾氣流誘發的低氣壓使機身后部的貨艙門意外打開。準則中應從這些事故或故障中吸取教訓，提出相應的環境適應性設計措施，避免發生類似的后果。

4）準則內容應將可靠性工作的故障模式及影響分析、故障樹分析中所發現的問題及其設計改進措施作為準則的設計要求。例如，故障樹分析中，發現的振動疲勞損傷在鹽霧條件下，會使結構的剩余強度急劇下降，使部件未到規定的翻修時間便嚴重破壞，因此，應考慮雙重環境應力的組合作用造成的損傷[9]。

5）準則內容，應按安全性的優先順序，考慮相應措施。當環境應力造成的安全性風險不可接受時，應首先采取設計措施消除風險；當沒有有效的設計技術消除風險時，應通過加入安全裝置或告警裝置來消除或降低風險；當上述措施都無效時，應通過使用限制或者維修方式等控制措施來降低風險。例如，直升機飛行中，通過設計措施無法避免遭受到暴風雨，此時，應安裝氣象雷達、實時監控周圍的氣象變化。當飛行前方有暴風雨時，改變航向或就近著陸，避開暴風雨造成的風險。

2.2 制定直升機型號的環境適應性設計準則

目前直升機型號都沒有制定完整、系統的環境適應性設計準則，用以指導和規范型號的環境適應性設計。根據直升機型號可靠性維修性等通用特性設計準則的編制經驗，該設計準則應包括兩個部分，即一般要求和詳細要求。一般要求為直升機型號環境適應性總體、基本和通用性要求。詳細要求為環境適應性設計不同環境類別設計技術、設計方法的表述，通常是具體實施的設計措施。

環境適應性設計的一般要求如應通過型號的環境適應性分析，確定環境風險敏感性的環境類別及量值（環境適應性參數指標）；應將環境適應性工作納入直升機型號研制規劃進行統一安排、統一協調，確保與性能、可靠性等并行設計。在具體的型號研制中，應根據型號特點，做全面綜合考慮，提出完整、系統的一般要求。

對于環境適應性設計的詳細要求，應根據型號適應性要求所確定的環境類別，提出該型機各類環境適應性設計的詳細要求。

現以熱設計為例，說明應包括的內容。熱設計的詳細要求包括：熱分析、熱測試、散熱、散熱器、電子/電氣設備的熱設計等。其中，熱分析包括如下要求：熱分析時應考慮環境因素、鄰近設備、組件元器件的熱作用，電應力及發熱和散熱方式等因素；定量熱分析，確定各設備艙或設備的工作溫度，以便考慮機上、設備艙的冷卻方式；定性熱分析，確定設備對熱的敏感性，提出合理設計措施；電子設備的熱計算，可按GJB/Z 27的方法進行。這里僅列出了部分內容，其他要求見參考文獻[10]。

2.3 制定環境適應性設計內容

1）各系統、部件/設備應按型號環境適應性設計準則進行環境適應性設計，貫徹設計準則的設計措施，將型號的環境適應性要求設計到系統、部件/設備中，以消除或降低產品對環境風險的敏感性。

2）各系統、部件/設備完成設計之后，應按表2的方式對照檢查設計與準則要求的相符性，最終形成系統、部件/設備的環境適應性設計準則符合性報告。

表2 環境適應性設計準則符合性說明表

3）必須指出，各系統、部件/設備的環境適應性設計應充分包括環境適應性的各種試驗，以及可靠性試驗等所獲取的信息，對試驗中所發現的薄弱環節采取相應的設計措施予以糾正。

2.1.4 環境適應性預計

環境適應性設計完成之后，通過環境適應性預計以評估直升機型號各系統、部件/設備環境適應性設計是否滿足環境適應性的要求，即是否滿足直升機型號各種環境類型量值（環境適應性參數指標）的要求。

根據產品在機上艙內所處的最嚴酷工作環境及環境類型及量值，與組成產品的零部件/元器件相關手冊提供的定量的耐環境極限能力進行比較分析，確定產品能否承受最嚴酷工作環境的作用或者承受最嚴酷工作環境作用的余量。

根據直升機型號環境適應性要求，該型機環境溫度為+50 ℃，某一電子產品設置在機身中下部電子設備艙內（艙內有許多電子設備）。通過熱分析計算（GJB/Z 27），該艙內最嚴酷的工作環境溫度為50 ℃+艙內電子設備工作時的溫升（誘發環境溫度），這一最嚴酷的工作環境溫度為+90 ℃。然后列出該電子設備組成的元器件，并根據相關手冊（如MIL-STD- 217或GJB 299）查得各個元器件的最高溫度或極限溫度值。如果所有元器件的極限溫度都超過+90 ℃，那么該產品便滿足環境適應性要求的；如果這一電子設備有個別（重要的）或多個元器件不能承受90 ℃的高溫，那么，必須更改設計，選擇更高極限溫度的元器件或者產品采取自冷卻方式（設備內設置冷卻風扇，如A350直升機的靜止變流器便設有微型電風扇）進行降溫以滿足環境適應性要求；如果這一電子設備艙有多個電子設備不能滿足這一工作環境+90 ℃的要求，艙內必須采取強迫通風（如引入冷氣或加裝冷卻風扇等）方式降低溫度。如法國SA321超黃蜂直升機，其電子設備艙內便裝有冷卻風扇進行降溫。

3 環境試驗與評價

3.1 環境試驗類型、種類及試驗項目的確定

直升機型號按照環境適應性要求完成了環境適應性設計后，便要通過相應的環境試驗，檢查和評估環境適應性設計是否滿足環境適應性要求。為此，GJB 4239提出了環境試驗與評估要求。

按GJB 4239，環境試驗包括自然環境試驗、使用環境試驗和實驗室環境試驗三大試驗類型。基于環境試驗可進行剪裁的原則，下面將根據直升機及直升機型號的特點進行相應分析，以確定其環境試驗類型、種類及試驗項目。

1）環境試驗類別的選擇。基于自然環境試驗、使用環境試驗和實驗室環境試驗的定義、用途及應用時機[1]，便不難發現，實驗室環境試驗的目的為：發現環境設計的薄弱環節，提出改進措施，消除或降低對環境風險的敏感性，以滿足環境適應性要求；確保首飛安全，即通過試驗發現在工作環境下，其重要/關鍵件的工作溫度、振動等是否達到其極限值，危及飛行安全或影響飛行；確認和驗證環境適應性設計是否滿足環境適應性要求，為部件/設備定型提供依據。可以看出，剪裁選擇實驗室環境試驗來確認/驗證型號環境適應性設計是否滿足環境適應性要求。

2）實驗室環境試驗和試驗種類的選擇。按GJB 4239的要求，實驗室環境試驗包括環境適應性研制試驗、環境響應特性調查試驗、直升機安全性環境試驗、環境例行試驗、環境鑒定試驗等5種類實驗室環境試驗。在上述的實驗室環境試驗的5個種類中，環境適應性研制試驗、直升機安全性環境試驗及環境鑒定試驗，與直升機型號研制密切相關，通過這些試驗能滿足實驗室環境試驗的目的，以確保直升機型號環境適應性的固有特性。環境響應特性調查試驗的試驗要求是通過溫度和振動試驗來確定產品對溫度和振動環境特性的響應特性及產品耐環境極限能力，可結合其他試驗種類一起安排，如產品功能性能試驗，電源特性試驗等，因此這一試驗可以刪除。另一試驗種類，即環境例行試驗，是批生產出廠檢驗后的試驗，通過這種試驗以檢查產品工藝穩定性。這與研發階段，確保產品環境適應性的固有特性——環境適應性設計沒有直接關系。因此，這一試驗種類也可剪裁刪除。根據上面的分析，直升機和直升機型號的實驗室環境試驗，可選擇環境適應性研制試驗、直升機安全性環境試驗、環境鑒定試驗這三類試驗。

3）實驗室環境試驗各種環境類別相應試驗項目的剪裁。直升機型號部件/設備實驗室環境試驗所選擇的試驗種類是在型號研制階段實施的，因此，應根據每一試驗種類試驗的時機、試驗目的來選擇每一試驗種類所相應的試驗項目。通常，按下列原則對GJB 150A的試驗項目進行剪裁。

a．環境適應性研制試驗。環境適應性研制試驗是在型號研制的早期進行的，其目的是尋找部件/設備耐環境應力的薄弱環節，并通過設計予以改進。基于GJB 150A列舉的近20項試驗項目故障機理的分析研究，陸航某型直升機研制過程中認為，高溫（工作高溫和貯存高溫）、低溫（工作低溫和貯存低溫）及振動功能環境試驗項目能達到上述目的[11]。

b．直升機安全性環境試驗。該項試驗通常是在直升機型號首飛前實施的，其目的是對飛行安全的關鍵/重要的部件/設備選擇的環境因素及其相應的試驗項目進行試驗，以確保首飛安全。因此，所選擇的試驗項目為：試驗會使部件/設備很快產生破壞或很快影響其正常功能；不選擇長時間才產生影響或破壞的試驗項目，也不選擇對飛行安全影響不大的試驗項目。基于GJB 150A近20項試驗項目的故障機理的分析研究，擬選擇高溫、低溫（工作）試驗，濕度/溫度試驗，溫度沖擊試驗，振動功能試驗，加速度試驗，沖擊試驗等這幾類試驗。

c．環境鑒定試驗。環境鑒定試驗的目的是確認/驗證部件/設備滿足成品技術協議書規定的環境適應性要求；為部件/設備定型提供重要決策信息。該項試驗是在部件/設備設計定型批生產之前進行。通常剪裁的項目有：所有部件/設備應進行高、低溫試驗，溫度沖擊試驗，加速度試驗，振動、沖擊、三防試驗等；有氣密要求的電子/電氣和有氣密性要求的部件應進行溫度-濕度-高度試驗；安裝在機外或安裝在機內貼近蒙皮的部件/設備應進行太陽輻射、淋雨、砂塵、積冰試驗。

通過上述分析，直升機型號研制階段的環境試驗項目的剪裁見表3。

表3 環境試驗項目

注：“√”表示必須選擇的項目，未標示“√”表示項目由研制方與部件/設備轉承制方協調確定；環境響應特性調查試驗，可與“環境適應性研制試驗”或“安全性環境試驗”結合進行

4）部件/設備的實驗室環境，試驗種類及試驗項目的確定。實際工作中，對于一個具體的部件/設備，應根據其特點，對表3所確定的試驗種類及試驗項目，還應詳細分析。如有必要，可作進一步的剪裁。例如，某些機械部件對溫度變化并不敏感，就可不選擇高低溫試驗項目。所選擇的環境試驗項目，包括每一環境項目的參數指標或量值，都應給定在成品協議書中。

3.2 制定部件/設備的實驗室環境試驗大綱

當直升機型號具體產品的環境適應性要求及環境試驗的試驗種類和試驗項目確定之后，另一項重要的工作，便是制定各個部件/設備的實驗室環境試驗大綱，規定各種環境試驗的實施。每一具體部件/設備的環境試驗大綱應經訂購方批準或認可，并得到承制方或研制部門的會簽確認。

部件/設備環境試驗大綱至少應包括如下內容：試驗件的技術狀態及數量；各試驗項目順序安排；各試驗項目試驗方法及試驗程序；試驗設施要求，設備、儀器、儀表及精度要求；試驗數據記錄要求；試驗件故障或破壞判別準則；試驗過程的組織管理和監控要求；試驗過程中，被試驗產品故障或其他原因試驗中斷的處理。

3.3 直升機型號環境適應性評價

如前所述，實驗室環境試驗是為了確認部件/產品的環境適應性設計是否滿足規定的合同文件要求，實驗室環境試驗條件有下列原因或限制：實驗室應用的環境條件；接口關系；負載等。這就不能完全模擬真實的使用（工作）環境和工作狀態，與其他設備接口及相鄰設備的影響。這樣，實驗室環境試驗不能表征真實使用環境中部件/設備的環境適應性[1]。因此，應進行自然環境試驗和使用環境試驗，并收集有關使用信息，全面評估部件/設備在貯存、運輸和各種使用狀態的環境中的環境適應性[1]。

GJB 4239規定根據自然環境試驗和使用環境試驗的結果來評估部件/設備的環境適應性無疑是合理的，但目前的條件并不成熟。

1）這兩項試驗沒有如同GJB 150環境適應性實驗室試驗方法這樣的標準給出相應的試驗程序、試驗時間和判別準則。

2）自然環境試驗和使用環境試驗這兩種試驗需經過長時間的試驗，才能表現出環境適應性特征，如鹽霧、霉菌及振動環境條件對產品的影響。

基于自然環境試驗和使用環境試驗來評價部件/設備的環境適應性，目前尚有困難，但在直升機的實際使用中，可以收集、分析部件/產品因環境引起的故障，并通過機理研究，找出故障原因，采取相應措施，消除或減少環境損傷風險，以保持部件/設備環境適應性的固有特性。

4 結論

通過上述分析研究，可以得出以下結論。

1）環境適應性是直升機的固有特性，是通過設計和管理實現的。

2）應盡早地開展環境適應性分析、設計及試驗（研制試驗）工作，以便及時發現環境適應性的薄弱環節，采取相應的措施，以確保在壽命期內各種預定環境作用下實現預定性能、功能及不被破壞的能力。

3）應明確使用方或研制方（承制方）和轉承制方（部件、設備研制單位）的工作責任和義務，各方緊密協作，確保研制中環境適應性工作有效有序地進行。

4）環境適應性分析、設計和試驗應與直升機型號的工程設計并行實施，確保環境適應性特征設計到直升機系統、部件/設備之中。

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Application of GJB 4239 “General Requirements for Equipment Environmental Engineering” in Helicopter Development

DING Jie, CHEN Sheng-bin, HAO Zong-min

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

Based on characteristics of helicopter and helicopter model, in combination with environmental engineering and traditional development experience of helicopters, the paper put forward specific procedures and methods to implement the requirements of GJB 4239 in development of helicopters, tried to turn general requirements of GJB 4239 into specific and practical technical requirements on environmental adaptability analysis, design, test and management of component and equipment for helicopters, and proposed implementation requirements and methods of environmental test and evaluation in helicopter development.

helicopter; environmental adaptability; analysis and design; lab environment test

10.7643/ issn.1672-9242.2017.11.004

TJ01

A

1672-9242(2017)11-0020-07

2017-08-10；

2017-08-29

丁杰（1989—），男，福建南平人，工程師，主要研究方向為直升機可靠性、維修性、安全性、測試性、綜合保障及環境適應性。