現行標準對飛機實驗室氣候試驗的作用

雷凱，吳敬濤

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

中國人民解放軍空軍提出的新版GJB 775A—2012 《軍用飛機結構完整性大綱》[1]與1989 年的版本相比，在任務III（全尺寸試驗）中增加了氣候試驗的要求。在實施文件GJB 67.9A—2008《軍用飛機結構強度規范 第9 部分：地面試驗》[2]中明確了氣候試驗目的為：驗證飛機在規定的氣候環境下不會導致可動結構和操作機構的系統故障和功能喪失，通過試驗還應識別出導致區域腐蝕問題的潛在根源，試驗結果為制定結構維修計劃和防腐蝕設計提供依據。

GJB 4239《裝備環境工程通用要求》[3]中規定，環境試驗可以分為3 類，即自然環境試驗、實驗室環境試驗和使用環境試驗。該標準用5 個工作項目說明實驗室環境試驗，另兩種環境試驗各用1 個工作項目來說明，這凸顯了實驗室環境試驗的重要性。由于我國在飛機環境適應性方面起步較晚，目前還沒有軍機在實驗室進行氣候試驗的先例。隨著中國飛機強度所位于西安閻良的氣候實驗室投入使用，飛機環境適應性這一領域將開啟新的章程。

1 飛機氣候試驗及其重要性

飛機氣候試驗是在室內模擬或外場自然氣候環境條件下，按照相關試驗程序，讓飛機經受各種氣候環境作用，根據研制要求和試驗數據對飛機氣候環境適應性進行綜合評價，確定其能力滿足要求的程度。環境適應性在GJB 4239 中定義為：裝備在其壽命期預計可能遇到的各種環境作用下能實現其所有預定功能、性能和（或）不被破壞的能力，是裝備的重要通用質量特性之一。為了保證受試飛機及地面保障設備在氣候試驗中得到全面的考核，要求試驗對象是一架系統和設備完整、地面保障設備齊全的飛機。

作為驗證飛機全天候性能的重要手段，飛機氣候試驗用來評估飛行器在各種極端氣候條件下的有效性以及預估可承受的風險水平，并通過提前發現飛機存在的缺陷，從而減少研制周期與經費。美國極端氣候條件下試飛前的地面全機氣候試驗手冊AFFTCTIH-88-004 中規定：新研制的飛機在極端氣候條件下飛行試驗之前，必須要在實驗室或有極端氣候條件的試驗場中進行飛機氣候試驗[4]。

飛機氣候試驗和設備、系統級氣候試驗以及材料、元器件氣候試驗定位不同。材料、元器件的環境試驗用途之一為充當工程師在環境適應性設計時選用貨架產品的依據[5]。單系統、設備級部件進行氣候鑒定試驗是設備商對管理程序、規范與標準的響應，往往是理想的邊界條件，各個系統之間的交界面和相互作用未能考慮[4]。在集成大系統之后，將可能表現出相互影響的現象。盡管飛機設計過程中考慮了高溫、高寒等極端氣候因素，由于分析模型邊界條件的模糊性和準確性的限制，導致分析結果只能給出定性的結論。飛機的系統極為復雜，并且對系統的運行安全要求極高，決定了飛機氣候試驗這一驗證手段不可或缺。在歐美航空發達國家，一般首先開展氣候實驗室地面試驗，再進行外場地面以及飛行試驗。

2 飛機實驗室氣候試驗

2.1 試驗概述

通過模擬外場環境手段，在室內條件進行的整機試驗就是飛機實驗室氣候試驗。這要求實驗室規模大，可容納整架飛機；實驗室集成度高，可模擬絕大多數氣候環境因素。實驗室氣候試驗是驗證裝備環境適應性是否滿足規定要求，并提高裝備該性能的重要手段[5]。目前，航空工業部門在氣候試驗方面主要以采用氣候試驗箱進行元件和組件的試驗為主。在大型的整機試驗方面，還處于起步階段，而美國、英國等對整機氣候實驗已開展了多年的研究。飛機氣候實驗室可以模擬低溫、高溫、濕熱、降雨、降雪、結冰、吹風等絕大多數自然環境，開展的氣候試驗可以驗證飛機動力裝置、燃油系統、液壓起落架系統、艙門系統、環控系統等大多數飛機系統，其中起落架通過安裝在千斤頂上進行相關科目試驗。其主要限制為發動機不能長時間運轉，此外飛機必須保持固定狀態。

目前，從國外民機的實驗室氣候試驗情況來看，國際大型民機主制造商通常在試飛前期，使用一架試驗機進行實驗室氣候試驗，大部分為研發性試驗，實驗室設置的環境參數可以對其壽命期遇到的真實環境極值進行加劇，用來拓展飛機環境包線。在此基礎上，開展后續試驗機的外場氣候試驗，用來適航審定。然而，近年來波音787、A350 等新研制的民機在實驗室開展的氣候試驗也轉向適航驗證性質，并被FAA 和EASA 接受。國外軍機的實驗室氣候試驗公開的資料較少，往往只有試驗項目的介紹。我國在民機方面開展過型號的適航取證工作，在飛機外場氣候試驗方面具備一套完整的試驗程序和試驗內容，并即將開展飛機實驗室氣候試驗。在軍機方面，還未開展過型號的實驗室氣候試驗，該領域還需多方人員不斷的探索。

2.2 試驗用途

飛機實驗室氣候試驗的作用包括以下幾個方面。

1）檢驗飛機及其各系統、部件和地面保障設備在極端環境條件下的工作性能。GJB 67.9A 中規定了四條[2]：驗證操作機構系統和可動翼面、起落架等可動結構功能是否正常；驗證油箱、駕駛艙、設備艙密封是否失效；驗證除冰、吹雪、環控、液壓等系統能否滿足結構和機構的工作環境要求；淋雨、降雪、凍雨、結冰和濕度試驗來檢查有關結構排水是否通暢。

2）檢驗為補救已知缺陷所采取改進措施的效果。

3）檢驗飛機使用指南中規定的在惡劣氣候環境條件下保養、維護和操作等技術要求的可實現性。

4）為改型或下一代飛機設計提供氣候環境適應性設計經驗。

2.3 試驗特點

飛機實驗室氣候試驗有如下特點：實驗室環境可控，試驗周期短，且結果具有重現性；可以施加單一環境因素，便于尋找故障原因和改進設計；看重飛機的短時效應，試驗條件是極端的氣候環境，具有一定的加速性，能很快發現問題[5]。對于鹽霧、腐蝕等環境往往不進行整機氣候試驗。因此，飛機氣候試驗中凡是能在實驗室中進行的試驗項目都應先在實驗室中開展試驗。

2.4 國外飛機實驗室氣候試驗實例

世界上在實驗室中進行飛機氣候試驗迄今已有70 年歷史，最具代表性的當屬位于美國佛羅里達州格林空軍基地的麥金利氣候實驗室（McKinley Climatic Laboratory）。其主環境室大小為76.8 m×80 m×21.3 m，用于對全機進行氣候試驗，驗證飛機的氣候環境適應性設計。具備的試驗能力包括：高溫、低溫、濕度、降雪、降雨、降霧、各種類型的結冰（凍云，凍雨等）、吹風、太陽輻照等[6]，其空氣補償能力可以實現發動機實驗室開車。實驗室氣候試驗中進行的是21 ℃基準試驗，該試驗的主要作用是測試飛機的基準數據，以便和極端氣候狀況下的測試數據以及下個基準數據進行對比，用來確認系統的退化程度等。從現有的報道中，筆者統計了部分型號在該實驗室已開展的氣候試驗，見表1。F35 結冰試驗照片如圖1所示。

表1 部分型號飛機在麥金利氣候實驗室開展的氣候試驗統計Tab.1 Climate test statistics of some types of aircraft in McKinley climate laboratory

圖1 F35 結冰試驗Fig.1 F35 icing test

3 現行標準對飛機實驗室氣候試驗的作用

在制定飛機氣候試驗計劃前，首先會開展各種設計規范、軍用標準的分析討論工作[4]。MIL-STD-810[7]是國際最有影響的環境標準，在2014 年發布了最新的版本MIL-STD-810G CHG-1。此外，DEF STAN 00-35[8]、NATO STANAG 4370[9]都是較為通用的標準。該類標準都體現了環境工程和試驗剪裁的概念，這對GJB 4239、GJB 150A[10]的制定提供了參考。然而，以上標準并不是專門用于整機實驗室氣候試驗的標準。在整機氣候環境試驗方面，并沒有類似RTCA/DO-160[11]以及我國相應的HB 6167[12]等這類具備針對性的標準。

3.1 GJB 4239 對飛機實驗室氣候試驗的指導

3.1.1 概述

GJB 4239 是我國第一個運用系統工程思想指導裝備全壽命周期開展環境工程工作的頂層標準[13]，其編寫參考了國外標準有關內容，并結合我國的型號實踐需求。該標準適用于裝備立項論證、研制、生產和使用等全壽命各階段，擺脫了我國型號研制中僅僅把環境試驗作為把關手段的局面，也充分說明了向環境工程大概念轉變的必要性。

GJB 4239 規定了環境工程管理、環境分析、環境適應性設計和環境試驗與評價等四方面20 個工作項目和通用要求。該標準應用指南中說明：標準的工作項目及要點可根據裝備的類型、所處階段和可獲得的資源進行適當剪裁。這就對從事環境工作的人員提出更高的要求，因此標準中規定：根據需要，可成立由訂購方和承制方專家組成的型號環境工程專家組，協助開展環境工程工作。

GJB 4239 的詳細要求中對20 個工作項目進行了說明，每個工作項目均包括兩點：工作項目要點和應當確定的事項，該兩點對承制方和訂購方提出了相應的要求。標準的附錄A 提供了裝備環境工程工作項目實施表，簡要說明了工作項目的實施階段、主要輸入信息和主要輸出結果等。文中主要討論該標準在飛機型號中的應用。

3.1.2 在飛機實驗室氣候試驗中的應用

GJB 4239 定義的環境工程管理、環境分析、環境適應性設計和環境試驗與評價四方面的內容系統構成了裝備環境工程，并明確了環境試驗分為自然環境試驗、實驗室環境試驗和使用環境試驗三大種類。其中，實驗室環境試驗定義了5 項工作，表2 介紹了每種試驗的目的和適用階段。

表2 實驗室環境試驗項目Tab.2 Laboratory environmental test items

由于GJB 4239 不是專門針對軍機的標準，部分試驗項目的要求并不一定合理。比如在飛行器安全性環境試驗中，試驗應在飛行器首飛前進行。根據國外的情況來看，F15 和F22 等軍機實驗室氣候試驗均在首飛后。然而，GJB 4239 將以往基于環境試驗的單一的環境控制轉化為環境工程這一系統的環境控制[14]，這將規范飛機環境工程工作，推進該領域的發展。筆者認為，飛機實驗室氣候試驗和飛機環境工程四方面的關系可用圖2 表示。

圖2 飛機實驗室氣候試驗和裝備環境工程四方面的關系Fig.2 Relationship between climate test of aircraft laboratory and four aspects of equipment environmental engineering

3.1.3 作用和局限性

GJB 4239 把環境工程作為一個系統工程納入產品全壽命，不再局限于試驗，從立項論證環境適應性指標開始抓設計、抓全壽命管理。標準用一些術語明確了產品環境工程中的重要概念，起到統一認識的作用。飛機實驗室氣候試驗作為填補我國空白的項目，有GJB 4239 作為試驗規劃的頂層依據，必然有助于試驗工作的開展。然而，由于缺少如環境適應性要求、裁剪指南等方面的支撐標準，以及型號系統上層管理人員還未實現觀念轉變等多方面的原因，GJB 4239 自身也存在有關方責任不清、說法過于籠統等問題[13]。目前，修訂版GJB 4239A 已經送審進入報批階段，新版標準將更好地促進其在型號上的應用。

3.2 GJB 150 與GJB 1172 在飛機實驗室氣候試驗的應用

3.2.1 GJB 150 與GJB 1172 概述

GJB 4239 中規定，GJB 150《軍用裝備實驗室環境試驗方法》為實驗室環境試驗中規定的主要輸入信息。GJB 150 有2009 年版和1986 年版，其中新版等效于MIL-STD-810F 第二部分。和舊版相比，新版刪除了“試驗條件”，增加了確定試驗方法、試驗順序、試驗程序和試驗條件的剪裁指南，剪裁的依據一般是產品研制協議或合同中的環境適應性要求[15]。以低溫試驗為例，表3 對比了新舊兩個版本在試驗條件方面的差異。

表3 GJB 150 新舊版本在低溫試驗中試驗條件的對比Tab.3 Comparison of test conditions of new and old GJB 150 in low temperature test

從表3 可以看出，GJB 150A 更合理，避免了過試驗與欠試驗，但對設計人員提出了更高的要求，也造成現階段貫徹力度不夠的問題[16]。GJB 150A 定義了27 個環境試驗類型，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。在部分氣候環境試驗中，依據GJB 1172《軍用設備氣候極值》[17]給出了氣候條件數據。GJB 1172系列標準規定了軍用設備的自然環境，為確定平臺環境提供了基礎，在我國武器裝備的設計要求和氣候環境驗證條件的確定中提供了數據支持。

3.2.2 GJB 150 的作用和局限性

GJB 67.9A 中定義飛機氣候試驗類型包括高溫、低溫、太陽輻射、濕度／溫度、淋雨、降雪、凍雨、結冰和低速吹風等，以上類型均可在實驗室開展相應試驗。對于整機試驗，一般是總師單位編制任務書，試驗方編制相應的試驗大綱，文件制定的依據一般為設計規范、軍用標準等。雖然GJB 150A 主要針對軍用裝備的組部件、設備、系統[5]，但可以為飛機實驗室氣候環境試驗相關文件的編制提供指導。如對于溫度與濕度、淋雨、結冰/凍雨、太陽輻照等試驗，可根據受試飛機預期壽命期的環境剖面，參照 GJB 150A 有關試驗方法形成相應方法或程序。對于降霧、降雪和吹風等，GJB 150A 未說明的試驗項目，可參照DEF-STAN-00-35 和NATO STAN 4370 中的有關試驗方法。

3.3 現行標準與飛機實驗室氣候試驗的關系

文中通過對GJB 4239、GJB 150、GJB 1172 在飛機實驗室氣候試驗中的應用情況進行分析，認為現行標準與飛機實驗室氣候試驗的關系可用圖3 來說明。

圖3 現標準與飛機實驗室氣候試驗項目關系Fig.3 Relationship between current standards and climate test items of aircraft laboratory

4 結語

新版《軍用飛機結構完整性大綱》將氣候試驗納入飛機全尺寸地面試驗，實驗室氣候試驗條件可控、周期短、費用低，應在外場試驗前開展。過去我國不具備飛機實驗室氣候試驗的能力，而現在中國飛機強度研究所建立的氣候實驗室將其變為可能。從GJB 4239 的實施和GJB 150 的改版可以看出，目前科研人員對環境工作，特別是實驗室環境試驗的重視。然而，目前還沒有針對飛機實驗室氣候試驗的標準。文中通過分析現行標準對飛機實驗室氣候試驗的作用，提出試驗規劃的頂層依據GJB 4239 對試驗的意義和存在的局限性。同時，給出了相關標準與飛機氣候試驗的關系，認為GJB 150A 等可以作為試驗文件編制的參考。