軍用飛機實驗室氣候試驗管理

張昭，吳敬濤，唐虎

（中航工業飛機強度研究所，西安 710065）

飛機氣候環境試驗管理包括氣候試驗在飛機試驗體系中的定位、試驗時機、試驗計劃、試驗項目制定過程、試驗環境應力參數確定過程以及對試驗執行的管理等，還包括試驗過程中對設備和人員的管理。全機氣候環境試驗是一個大的試驗工程，需要進行準確把握和科學的管理，以充分體現試驗的作用，并縮短試驗時間，提高試驗效率。

美國開展實驗室飛機氣候環境試驗的時間較早，具有成熟的試驗技術，豐富的試驗經驗，并逐步搭建起了完善的試驗管理體系。比如美國空軍制定試驗與評估方法體系，以及針對環境試驗方法的MIL-STD-810系列也逐漸加入了環境工程管理的內容[1]，并形成了飛機氣候環境試驗手冊。國內到目前為止，沒有在實驗室內進行全機氣候環境的試驗，2001年頒布的 GJB 4239《裝備環境工程通用要求》，內容對應MIL-STD-810中的環境工程部分，包括環境試驗管理，該標準包括但不針對軍用飛機，國內目前還沒有一部專門針對飛機氣候環境試驗管理的規定。文中以飛機氣候試驗管理內容中對試驗的時機、定位以及管理組織形式為對象，對美國軍用飛機實驗室氣候試驗在其試驗評估體系中的定位與試驗時機進行分析，并剖析美軍氣候環境試驗管理技術，結合國內相關規定，得出對國內飛機實驗室氣候試驗有用的結果與結論。

1 實驗室氣候試驗的定位與時機

最新版《軍用飛機結構完整性大綱》（GJB 775A—2012）在任務 III——全尺寸試驗一項明確規定了氣候試驗的內容，如圖1所示。美軍版的結構完整性大綱（MIL-STD-1530D）也是如此[2]。其中國軍標在氣候試驗的部分規定：“應進行全尺寸系統級的氣候試驗，以識別外場潛在的腐蝕問題。應最大可能地識別出液體源、沉積液區和不合理的排液通道。其試驗結果為制定部隊結構維護計劃（FSMP）的防腐蝕措施提供依據”[3]。MIL-STD-1530D的內容與國軍標基本相同，不同點在于，沒有強調“外場”兩個字。兩者都沒有體現氣候試驗的類型，即是外場氣候試驗或者是實驗室氣候試驗。GJB 775A—2102規定，“結構完整性大綱各項任務應按照 GJB 67A—2008的要求實施”。查看該國軍標，對氣候試驗的類型規定得非常清楚。首先，該標準將氣候試驗歸在了地面試驗部分，這說明結構完整性大綱（ASIP）中要求的氣候試驗不是外場飛行氣候試驗；其次，在標準的氣候試驗部分，規定“試驗模擬的氣候環境包括高溫、低溫、太陽輻射、溫度/濕度、淋雨、降雪、凍雨、結冰和低速吹風等”[4]。這一規定說明試驗屬于地面的實驗室氣候試驗。

圖1 氣候試驗在軍用飛機結構完整性大綱中的定位

除了美軍標以外，美國空軍發布了一系列針對試驗與評估的指令文件，規定了空軍整個裝備試驗評估（T&E）體系，可以從中分析其對實驗室氣候試驗的定位及相關規定。試驗與評估過程的首要目的是交付有效及合適的系統，以及盡早識別和解決系統缺陷，T&E過程貫穿裝備的設計制造、維修升級和使用過程[5]，其時間分布如圖2所示。T&E過程的兩大類型為研發性試驗與評估（DT&E）和運行性試驗與評估（OT&E）。DT&E在零件、系統或全機級別進行，用以證明設計及材料的有效性和可靠性。這里的研發性試驗和結構完整性大綱任務 II的研發性試驗是不同的。前者涵蓋了裝備的整個壽命期旨在改進裝備設計的試驗，而后者指在飛機設計研發過程中對材料及零部件進行的試驗，不包括全機級別的試驗。OT&E的首要任務是確定裝備的使用效率和適用性，不同于DT&E的是技術人員參與試驗，OT&E強調操作人員在真實使用環境下對裝備進行操作、維護和維修[6-7]。在時間上，DT&E和OT&E并沒有明顯的界限，在不同的時期，兩種試驗過程各有側重，總的來看，DT&E過程在時間分布上偏重于系統從研發到投入使用過程的早期階段（產品研發前），OT&E在時間分布上則偏重于后期階段（產品研發后）。

圖2 T&E過程的時間分布[8]

分析DT&E和OT&E過程的區別，DT&E偏重于考核裝備的設計參數是否得到滿足，包括安全性、可靠性是否達標，OT&E過程偏重于裝備的可操作性，例如飛行員座椅是否舒適，操控臺是否便于飛行員操作等。從這個角度來看，實驗室氣候環境試驗無疑屬于 DT&E過程。美軍發布的相關文件也印證了這一判斷，將環境試驗歸到了DT&E中[9-10]，見表1。從另外一個角度來看，進行全機實驗室氣候試驗的飛機應該具備了大部分的系統，屬于具有代表性的產品，而不是研發型的試驗件。另外，在進行的實驗室氣候試驗項目往往包含維護、后勤試驗，也部分具有OT&E的特征。因此對于飛機來說，因為試驗件制造過程復雜、成本高以及周期長等特殊原因，氣候試驗的試驗性質并不是特別明顯，從美國空軍實際的試驗管理案例來看，的確如此。

表1 DT&E過程和OT&E過程的主要特點及項目舉例

F15的T&E時間分布如圖3所示[11]，第二階段的DT&E過程時間從1974年初到 1975年中期。這一階段的末期和 IOT&E時間重合，IOT&E從 1975年上半年開始進行，這說明了DT&E和OT&E在時間上沒有明確界限。F15的氣候試驗從1974年10月8日開始，到11月30日結束，共完成30個試驗項目。從時間上看，在F15的試驗管理上，氣候試驗被明確歸為DT&E過程。

F/A-22的T&E管理情況與F-15有所不同[11]，從圖 4可以看出，最大的不同在于，F/A-22多了一個DT/OT混合試驗的過程。這個過程從1998年下半年開始，到2003年第三季度結束。2002年9月份完成的氣候試驗在 F/A-22的試驗管理時被明確歸到了這個混合試驗的過程中。對于混合試驗，美國空軍給出的解釋是，當受到預算、試驗周期或時間件的可占用性限制時，DT和OT的試驗人員必須共享試驗設施、數據和相關資源，這類試驗稱為混合試驗[11]。比如核打擊生存能力試驗，由于無法在真實的運行環境下操作，或實施起來花費以及難度太大，因此不得不模擬真實的運行環境，并和DT過程一起進行。從這個定義來看，氣候試驗合并了部分 OT&E過程，因為某些極端自然氣候條件很難撲捉，并且實施起來周期長，成本高，因此氣候試驗作為DT&OT過程是綜合了各種考慮的一個結果。

圖3 F15部分T&E過程時間分布

圖4 F/A-22部分T&E過程時間分布

另外，美軍的飛機氣候試驗手冊提到了實驗室氣候環境試驗在氣候環境試驗中的定位。手冊指出全天候試驗項目的內容包括氣候試驗和極端氣候試驗，一般按照三個階段進行，典型的順序為：實驗室氣候環境試驗；極地、熱帶沙漠、熱帶雨林和其它極端自然氣候試驗；使用環境試驗[12]。可見，實驗室氣候試驗是在外場氣候試驗之前進行的。

從結構完整性大綱的角度來看，全機的飛機實驗室氣候試驗和靜力試驗、疲勞試驗以及飛行試驗處于同等重要的地位。在美國空軍對軍用裝備的試驗評估體系中，軍用飛機實驗室氣候試驗在管理上早期劃在DT&E過程中，后調整到Combined DT&OT過程中，這一變化表明美軍從成本以及周期的角度對實驗室氣候試驗進行了優化管理，更加精細化與合理化。結合美軍的相關規定以及實際的操作案例可以看出，美軍飛機實驗室氣候試驗開展的時機在承包商 DT&E以及首飛之后，外場極端自然氣候試驗之前。

2 飛機氣候試驗管理

美軍的 MIL-STD-810系列標準經過不斷的修改和完善，從一個試驗方法的標準演變成了包含試驗方法、環境工程以及氣候極值的綜合環境試驗標準。最新版MIL-STD-810G的環境工程管理部分，對包括氣候試驗在內的環境試驗管理進行了規范，其主要的管理思想可以總結為：在不同的時期、不同的角色承擔相應的工作。項目經理/主任提出裝備的總體要求，環境工程專家制定環境試驗計劃，試驗工程師實施環境試驗，如圖5所示[13]。針對環境試驗的管理內容，主要由環境工程專家進行，標準對這部分內容進行了任務劃分，共分為6個內容，分別為準備環境工程管理計劃、定義裝備壽命期環境剖面、制定使用環境文件、制定環境適應性準則、準備環境試驗詳細方案、以及準備環境試驗報告。

圖5 MIL-STD-810G任務劃分

針對軍用飛機的實驗室氣候環境試驗，美軍的相關文件進行了進一步展開[12]。在計劃管理階段，氣候試驗工程師的首要任務有三個，分別為：確定飛機需要進行的氣候環境、試驗類型，準備一個氣候環境條件的參數表，以及確定測量設備和數據采集要求。初始的氣候試驗計劃需要在試驗開始實施之前 2～3年開始進行。準備一些大概的想法（比如大的試驗工況，大概試驗小時數等），然后隨著試驗飛機詳細的數據增加，來細化試驗計劃。一旦試驗環境條件確定，制定一個包含飛機各子系統的詳細試驗計劃。這些計劃將由負責各個飛機系統的工程師進行編寫。如果可能，子系統工程師可以到試驗現場參與氣候試驗，在氣候試驗工程師的技術指導下。各系統的試驗計劃需要由氣候試驗工程師整合成一個整體計劃。這一計劃將所有的活動和事件結合在一起，詳細規定了所有的目標如何實現。計劃需要足夠詳細，使氣候實驗室進行準備（比如：目的、環境條件、室內條件、測采集方法等），為了達到這個要求，氣候試驗工程師需要飛機子系統工程師的協助。

美軍環境試驗管理組織形式的特點是明確分工，詳細規定了不同的角色介入的階段、承擔的任務以及需要出具的報告。從試驗管理相關規定以及其具體操作來看，美軍對試驗計劃非常重視，體現為早規劃，要求提前2～3年開始進行試驗計劃，以及計劃的深入性，從整機的試驗計劃細分每個子系統的試驗計劃。

3 國內外對比

1）試驗時機與定位對比。如上文提到的，在中美兩國的軍用飛機結構完整性大綱中，對于飛機氣候試驗的目的與定位基本上相同，氣候試驗和飛機靜力試驗、飛行試驗以及疲勞試驗/損傷容限試驗同等重要，從零件、部件到整機級對飛機進行環境適應性試驗驗證。另外，GJB 4239—2001中關于實驗室環境試驗的一項工作項目為“飛行器安全性環境試驗”，其規定“本工作項目要求進行飛行器首飛前的安全性環境試驗，以確保飛行器首飛的安全”[14]。該項試驗的試驗時機與美軍的實際應用情況來并不一致，F-15和 F-22的實驗室氣候試驗均在首飛后進行。針對軍用飛機來說，GJB 4239提出的該項環境試驗時機是否合理，需要國內具備了全機氣候試驗能力以后在實踐中驗證。另外，盡管軍用飛機結構完整性大綱沒有明確說明ASIP的任務編號代表全尺寸試驗的試驗順序，筆者認為，其任務編號的順序大致可以表示試驗順序，其試驗任務編號的先后順序為：靜力試驗、首次飛行試驗、耐久性試驗、損傷容限試驗和氣候試驗。

2）試驗管理的對比。盡管 GJB 150參考了MIL-STD-810試驗方法的內容，兩者在內容上差別不大，作為環境工程的GJB 4239在內容上與MIL-STD-810G相應的環境工程部分有較大的差別，前者基于國內的組織管理體制，對管理工作內容進行了針對性的規定。在組織形式上，后者以三種角色在裝備環境工程不同階段和承擔任務的不同為依據進行展開，由于國內裝備生產體制的不同，GJB 4239并沒有在一開始就明確劃分裝備環境工程過程中的不同角色，并按其不同的職能來編寫，其主要是按照裝備環境工程的不同階段的任務為組織依據，其將環境工程分為四個部分進行描述，分別為環境工程管理、環境分析、環境適應性設計以及環境試驗與評價。在對某些部分行進規定時，標準對訂購方和承制方的責任進行了指定。另外，GJB 4239依據裝備處于的不同階段對環境試驗的類型進行了明確的劃分，包括方案和工程研制階段、定型階段、生產階段和使用階段，這是美軍標沒有的內容。另外一個比較大的區別是 GJB 4239增加了上文提到的“飛行器安全性環境試驗”這一具體的試驗項目。總的來說，GJB 4239的內容對國內的裝備生產使用情況更具有針對性和更具體。

另外，作為裝備環境試驗的一部分，實驗室飛機氣候試驗的內容包含在GJB 4239及MIL-STD-810之中，這些標準是軍用裝備環境試驗的通用標準。美國開展實驗室飛機氣候環境試驗的時間較早，試驗條件比較成熟，具備針對飛機氣候試驗的管理手冊及規定，國內在這一點上還相對欠缺，隨著國內飛機實驗室氣候環境試驗研究的進行，將逐漸得到補充和完善。

4 結論

1）隨著國內飛機實驗室氣候試驗的開展，需要盡快建立相關的規范與手冊。

2）結合軍用飛機研制過程的特點以及美軍的經驗，飛機氣候試驗的合理時機應在飛機首飛后，外場自然極端氣候試驗之前。

3）考慮全機氣候試驗的規模、試驗周期以及成本，應將研制、定型以及后續階段的試驗進行合理融合，不必重復進行。

4）國內在飛機氣候試驗的管理形式上，需要加強分工，明確訂購方、承制方以及承試方的具體任務與職責，并重視試驗計劃。

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