GJB 150.8A淋雨試驗解讀及淋雨試驗探討

楊冬甫，羅蘭，劉綱玲

（1.重慶哈丁環境試驗技術股份有限公司，重慶 401533；2.西南技術工程研究所，重慶 400039；3.中國電子科技集團公司第十研究所，成都 610036）

用于替代GJB 150.8—86《軍用設備環境試驗方法 淋雨試驗》的GJB 150.8A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第8部分：淋雨試驗》已經頒布十多年了，作為與2000年1月頒布的MIL-STD-810F等同的試驗方法，GJB 150A增加了“滴水高度應確保水滴的終速度均為9 m/s”的要求。這一變動使原有滿足GJB 150.8—86的試驗設備不能滿足新的試驗方法需求。

美國2019年頒布了MIL-STD-810H，文中通過自然降雨形成和水滴運動分析該要求的合理性，提出了國內標準修訂換版的建議，并對目前淋雨設備的現狀進行探討。

1 自然降雨

1.1 降雨的形成

水汽在高空遇到冷空氣便凝聚成云滴（通常把半徑小于100 μm的水滴稱為云滴，半徑大于100 μm的水滴稱雨滴。標準云滴半徑為10 μm，標準雨滴半徑為1000 μm）或冰晶，云滴和冰晶的體積很小，不能克服空氣阻力和上升氣流的頂托，在空中聚成了云。

由液態水滴所組成的云體稱為水成云；由冰晶組成的云體稱為冰成云；由水滴和冰晶共同組成的云稱為混合云。云滴和冰晶通過不斷凝結、凝華，吸收周圍水蒸氣和水滴碰撞合并，體積約增大100多萬倍后，云滴或冰晶增長到能克服空氣阻力和上升氣流的頂托，并且在降落至地面的過程中保持液態時，才成為降雨。

1.2 降雨的分類

降雨強度指單位時間內的降雨量，以mm/min或mm/h計。中國天氣預報中的日雨量為08~08時24 h降雨量，降水等級劃分見表1。

表1 降水等級劃分Tab.1 Rainfall classification mm

1.3 雨滴

1.3.1 雨滴形狀

表面張力作用使水滴成圓球形——表面積盡量小，但雨滴在降落過程中，水滴還要受重力、空氣阻力的作用。雨滴越大，這些影響作用越突出。一般情況下，小雨滴（直徑＜0.25 mm）為近似球形，大雨滴（直徑＞5.5 mm）開始為紡錘形，如圖1所示。大雨滴在下降過程中，因受空氣阻力作用而呈扁平形，兩側微向上彎曲，雨滴不穩定，極易發生碎裂或變形，稱暫時雨滴。把直徑≤5.5 mm、降落過程中比較穩定的雨滴稱穩定雨滴。 自然降雨強度與雨滴平均直徑的關系見表2。

圖1 雨滴形狀Fig.1 Raindrop shape

表2 降雨強度與雨滴平均直徑Tab.2 Rainfall intensity and average diameter of raindrops

1.3.2 雨滴直徑和終速度

雨滴在靜止空氣下落過程中，受到重力、空氣浮力和空氣阻曳力的作用。浮力僅約為重力的0.1%，計算雨滴終速度時，浮力可以忽略。

受重力加速度作用，雨滴在空氣中的降落速度最初是逐漸增大的。隨雨滴降落速度的增大，空氣阻力也逐漸增大，則雨滴的加速度逐漸減少，最后減為0。這時雨滴的降落速度達到最大值，稱為雨滴終速度。雨滴大小不同，終速度也不同。

2009年3月21日使用激光降水粒子譜測量的雨滴尺寸與終速度的數據如圖2所示[7]。圖2中粗實線是利用D-V經驗公式Vt=9.65?10.3exp(?0.6D)計算的結果。在標準大氣條件下，模擬仿真的雨滴直徑與終速度關系見表3[9]。由表3可以看出，毛毛雨（直徑0.5 mm）的收尾速度為2 m/s，而暴雨（雨滴最大直徑為5.5 mm左右）的雨滴最大收尾速度才能達到9 m/s。

表3 雨滴數值模擬Tab.3 Numerical simulation of raindrop

圖2 雨滴直徑和終速度關系（點表示例子個數分布，等值線表示粒子濃度）Fig.2 Relationship between raindrop diameter and final velocity

1.3.3 雨滴行程

雨滴大小不同，達到終速度所需的行程也不同。通過模擬仿真給出了0.5~6 mm雨滴降落時間、高度、極限速度的關系，見表4[8]。

勞師1941年實驗結果：直徑1.25 mm的雨滴，達到終速度，降落高度需要8 m；直徑2 mm的雨滴，降落高度需要20 m；雨滴直徑6 mm的雨滴，達到終速度，降落高度需要20 m以上。

分析表明，雨滴降落高度＞10 m時，所有雨滴的速度都達到雨滴終速度的95%以上。因此模擬降雨時，雨滴降落高度在10 m以上才比較合理，并且雨滴的大小和組成盡量與天然降雨相近。

1.4 降雨危害

GJB 150.8A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第8部分：淋雨試驗》中給出了淋雨的環境效應。

1）大氣中環境影響。包括干擾或破壞無線電通信，限制雷達的有效性。由于能見度低，使飛機操作受到限制和使翼面升力降低（只在暴雨期間），損壞飛行中的飛機。影響炮和導彈的發射。降低光學裝置能見度和光學觀測效果，甚至無法進行光學監測。降低戶外工作效率，引起引信誤動作等。

2）雨撲擊。淋雨碰撞沖蝕裝備表面。

3）積雨/滲透。包括造成某些材料的強度降低，泡脹、銹蝕的可能性增大，腐蝕甚至生長霉菌，增加設備質量。使電氣和電子設備不能工作或不安全，電氣設備失效。裝備內部結冰，可能會由于元器件膨脹或破裂造成緩慢性能退化和功能失效，改變換熱，使推進劑燃燒減慢等。

2 人工模擬淋雨試驗

2.1 淋雨試驗目的及相關標準

淋雨試驗是人工模擬降雨的手段，目的在于確定下列與淋雨、水噴淋和滴水有關的環境影響：保護罩、外殼和密封墊的有效性；設備在淋雨暴露期間或之后滿足其性能要求的能力；設備由于淋雨造成的物理損壞；雨水排除裝置的有效性；檢驗包裝的有效性。

目前國內應用較多的淋雨試驗相關標準和方法有：GJB 150.8A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第8部分：淋雨試驗》、GB/T 2423.38—2008《電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗R：水試驗方法和導則》、GB 4208—2017《外殼防護等級（IP代碼）》、GJB 4.13—1983《艦船電子設備環境試驗-外殼防水試驗》、JJF 17—2012《淋雨試驗設備校準規范等》。

2.2 GJB 150.8A—2009淋雨試驗解讀

GJB 150.8A—2009淋雨試驗包含了程序Ⅰ（降雨和吹雨）、程序Ⅱ（強化）、程序Ⅲ（滴水）三種試驗方法。適用于評價在貯存、運輸/工作期間可能暴露于淋雨、水噴淋或滴水下的設備。

2.2.1 程序Ⅰ

適用于戶外使用且沒有防降雨和吹雨措施的設備，是模擬自然界降雨的試驗。

2.2.1.1 雨滴產生

GJB 150.8A—2009沒有限定雨滴產生的方式，但采用水分配器時，給出了終速度9 m/s的要求。程序Ⅰ淋雨和吹雨雨滴的產生應按照淋雨試驗對象的危害機理和試驗目的選擇雨滴產生方式。考慮雨滴譜雨滴直徑和降雨強度的關系，程序Ⅰ降雨強度為102 mm/h時，雨滴的平均直徑為2.75~3.0 mm，采用水分配器更合適。穩態雨采用水分配器時，去掉聚乙烯管，減小水滴直徑，在程序Ⅲ滴水試驗時，再加大直徑。使用噴嘴需考慮水滴直徑小、噴霧水滴速度矢量方向不一致等因素影響。

受噴嘴霧化原理、孔徑等影響，很難給出水壓和霧滴直徑的準確關系，但可以明確隨著壓力的升高，霧滴直徑會變小。如孔直徑0.5 mm的噴嘴在壓力為0.5 MPa時，候霧滴直徑為1~2 mm。如使用噴嘴，應考慮降低噴嘴壓力，盡量增大雨滴直徑，同時合理布置噴嘴位置，降低吹雨試驗時水滴速度矢量方向不同的影響。

2.2.1.2 吹雨-角度

GJB 150.8A—2009中規定：根據試件布置風源位置，以使雨水具有水平方向到45°的變化，并均勻撲打在試件一側面。水平風速應不小于18 m/s，在試件放入試驗裝置前于試件處測量。GJB 150.8—86中規定：雨滴由噴頭產生，雨滴直徑為0.5~4.5 mm；風源相對于試驗樣品方向，應使雨從水平方向變到45°角均勻地對試驗樣品一側面吹打。雨滴初速度、吹風、重力作用下呈45°角撲擊在試件側面，標準中未給出允許偏差范圍，而且滴雨運動角度測量難度大，實施困難。

2.2.1.3 預熱

試件與雨水之間的溫差能影響淋雨試驗的結果。對密封的試件，在每個暴露周期開始時，應使試件溫度加熱到高于水溫10 ℃，使試件內部產生負壓，可更好地檢驗試件密封效果。

2.2.1.4 吹雨-轉動

風吹雨對垂直暴露表面的影響通常比水平表面的影響更大，而對垂直或接近垂直方向的雨而言，其影響則正好相反。為使所有表面都暴露于試驗條件下，試驗時試件應轉動。

GJB 150.8A—2009試驗步驟中規定，預熱后一側面吹風30 min后轉動試件，預熱后，再轉動試件。對熱容量較小的試件，試件內產生負壓的效果不理想，且實際應用中實際可操作性不強。

吹雨模擬3種使用狀態：試件靜置，自然界風吹雨形成不同角度；車載外裝試件移動，無風時，雨撲擊產品的角度變化；前兩種狀況疊加。因此可以應該根據試件外形、具體安裝應用條件選擇以下3種方式：

1）四側面分別進行預熱-吹雨-轉90°，適用于所有側面均暴露的類似矩形試件。

2）部分側面進行預熱-吹雨-轉90°，適用于部分側面均暴露的類似矩形試件。

3）預熱后邊吹雨邊旋轉，特別適用于側面均暴露的外形非類似矩形的試件，也適用于狀況1）。

2.2.1.5 試驗用水

GJB 150.8A—2009要求：除另有規定外，淋雨試驗所用水可以使當地水源的水。但標準中未規定水循環使用時的水質要求。

2.2.2 程序Ⅱ

強化不是模擬自然降雨，而是考核受試設備防水性，為設備的防水性提供一個較高的置信度。適用于大型受試設備，有風源的淋雨試驗不能滿足試驗要求時采用。

2.2.2.1 雨滴尺寸

GJB 150—86中雨滴直徑為2~4.5 mm，GJB 150A—2009將雨滴直徑改為0.5~4.5 mm是比較合理的，2019版的MIL-STD-810H該指標同為500~4500 μm。噴嘴霧化水顆粒直徑一般在2 mm以內，壓力越高，顆粒直徑越小。

2.2.2.2 水壓

GJB 150A—2009要求：可按技術文件規定適當改變壓力，但最小噴嘴壓力為276 kPa。GJB 150.8—86要求為375 kPa。

基于伯努利方程，噴嘴流出速度為：

式中：Cv為噴嘴效率，取0.95；P為噴嘴前壓力，Pa；ρ為水滴密度，kg/m3。

根據式（1），表壓為276 kPa時，噴嘴水滴速度為22.3 m/s；375 kPa時，達到26.0 m/s。考慮噴嘴到被測試件表面行程中，水滴速度受空氣阻力影響的衰減，噴嘴壓力為276 kPa時，水滴速度為18 m/s左右。

2.2.2.3 噴嘴

GJB 150A—2009中明確噴嘴間距（平面二維間距，x、y軸兩個方向的間距）為71 cm×71 cm，距離試件表面距離：側面為48 cm，頂部為81 cm。但對噴嘴的類型（例如實心錐是圓形還是方形、擴散角等）沒有給出明確要求，不利于提高淋雨試驗的一致性和復現性。

2.2.3 程序Ⅲ

程序Ⅲ滴水不是模擬降雨，是針對有防雨措施但可能由于冷凝或上表面可能有泄漏產生滴水的設備。

2.2.3.1 水滴

GJB 150.8A中4.3.3條規定：“程序Ⅲ采用分撒管（見圖1），分撒管外套聚乙烯套管，降水滴增大到最大限度”。

GJB 150.8A中規定“使用試驗裝置應能提供大于280 L/(m2·h)的滴水量……采用的滴水高度應確保水滴的最終速度約為9 m/s”，但7.2.3程序Ⅲ的步驟中要求“承受高度不小于1 m的降雨15 min”。實際應用中，水滴的最終速度與降雨高度只能兼顧其一。

2019版的MIL-STD-810H METHOD506.6的4.1.3 Procedure Ⅲ-Drip中，已經去掉雨滴速度9 m/s的要求，使用規定的滴水高度（不小于1 m），從試驗樣品的上主表面開始測量。

GJB 150.8A中6.1.3規定的最終速度約為9 m/s，不符合試驗目的要求。7.2.3中的降雨應為“滴水”。

2.2.3.2 分配器

GJB 150.8A和MIL-STD-810中均給出了同樣的兩種水分配器方案，如圖3、4所示。

圖3所示的針頭式簡易裝置給出了水深和滴水速度的關系，能滿足程序Ⅰ和程序Ⅲ對水滴直徑和水量的要求。圖4分配器適用于程序Ⅲ，水滴直徑大，可能超出程序Ⅰ的直徑要求。

圖3 穩態淋雨和滴水試驗簡易裝置Fig.3 Simple device for steady rain and drip test

圖4 滴水試驗水分配器Fig.4 Water-distributor of drip test

程序Ⅲ的水滴直徑最大限度可以達到5 mm以上，超過程序Ⅰ雨滴直徑0.5~4.5 mm的要求。因不能使用相同的分配器，采用簡易裝置時需要加裝聚乙烯管增大水滴直徑。

3 淋雨設備現狀

3.1 國產設備

由于市場需求相對較小等原因，淋雨試驗箱沒有引起國內大型氣候環境試驗設備行業廠家的重視，產品研制技術水平普遍較低，不能完全滿足試驗標準要求。國內一家環境試驗設備廠家生產的淋雨試驗箱的技術規格（部分）見表5，外形如圖5所示。

圖5 國產高風速淋雨箱外形Fig.5 Appearance of domestic rain chamber with high wind speed

表5 國產淋雨試驗箱技術規格Tab.5 Technical specification of domestic rain chamber

分析技術參數數據可以發現以下問題：

1）產品屬性中滿足GJB 150.8—86 淋雨試驗，但防水試驗水壓已按照GJB 150.8A—2009更新為276 kPa。

2）風速5~18 m/s（轉臺進風處中心水平風速），與JJF 17—2012《淋雨設備校準規范》不一致。

3）防水性試驗“雨滴直徑2~4.5 mm”，噴嘴霧化水滴直徑大部分在2 mm以內，是GJB 150.8—86 的要求，嚴格驗收會不合格。

4）滴水盤面積為760 mm×760 mm，滴雨距離為1 m。滴雨速度不滿足GJB 150.8A—2009降雨試驗要求，考慮內箱高度1.6 m及轉盤高度，能做滴水試驗的試件高度僅500 mm左右。

5）總功率為24 kW，如果嚴格按照GJB 150.8A—2009設計，風機風口尺寸應與工作室深×寬相同，即1.5 m×1.5 m，18 m/s風速時，風量為145 800 m3/h，風機軸功率＞90 kW，電機功率達到132 kW。根據功率分析，吹風口規格不能滿足標準要求。

綜上所述，產品既不能滿足GJB 150.8—86的要求，也無法滿足GJB 150.8A—2009的要求。

由于GJB 150.8A中在降雨和滴水中都規定“滴水高度應確保水滴的終速度均為9 m/s”，國內有廠家將滴雨盤安裝到試件上表面4.5 m高處，希望借助重力加速度使雨滴速度達到9 m/s。這忽略了雨滴直徑和空氣阻力的影響，實際雨滴直徑較小時，終速度達不到9 m/s，雨滴直徑較大時，行程高度又遠遠不夠，也無法達到這一要求。

3.2 進口設備

一臺2006年意大利進口的淋雨試驗箱如圖6所示。風口尺寸與試驗箱迎風截面相同，水滴的產生使用分配器，吹雨使用3個水平布置的噴嘴通過總管轉軸調節角度。能滿足GJB 150—86的要求，但同樣存在不滿足GJB 150A中穩態雨試驗雨滴速度9 m/s和滴水試驗時有效空間太低的問題。

圖6 意大利風源淋雨箱RT 9000 MIL（2006年）Fig.6 RT 9000 MIL rain chamber imported from Italy

4 結語

1）GJB 150.8A—2009中降雨試驗雨滴速度9 m/s不符合實際降雨狀況，也極難實現，建議實際試驗應根據失效或破壞機理對雨滴直徑和雨滴速度進行合理剪裁。

2） 吹雨的角度應給出偏差范圍，以具備可實施性。

3）作為參考標準的MIL-STD-810F已經實施超過20年，建議GJB 150.8A—2009在修訂新版時，完善補充相關內容。

4）用于校準GJB 150.8A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第8部分：淋雨試驗》中淋雨試驗設備的JJF 17—2012《淋雨設備校準規范》，也建議及時進行同步調整。