裝備自然環境試驗評價技術研究＊

段曉琴，楊 睿，代 力，郭曉杰，魏連春

（重慶科技學院，重慶 401331）

裝備環境適應性是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。裝備環境適應性研究能力影響裝備工作性能和服役壽命。環境試驗是評價裝備環境適應性最常用的方法之一，能夠積累裝備設計的基礎數據，為裝備制造提供選材依據；同時預測裝備壽命，提出環境適應性改進措施及建議[1]。環境試驗既要準確反映裝備在運輸、貯存和使用等過程的真實服役情況，同時要滿足試驗周期、成本和試驗條件等要求。按試驗形式不同，將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。本文主要研究自然環境試驗方法，為合理選擇試驗類型和研究裝備適應性提供參考。

自然環境試驗是將樣品按預期使用要求置于自然環境中，研究自然環境對其功能和性能影響評價其環境適應性的試驗活動。與實驗室環境試驗相比，自然環境試驗結果直觀可靠，過程操作簡單，適用于對裝備各服役階段的環境適應性進行評價[2]。進行自然環境試驗時，應根據裝備壽命期的環境剖面，確定裝備可能遇到的各種自然環境，并據此確定自然環境試驗的條件，選擇暴露試驗、貯存試驗、自然加速試驗等試驗方式。

1 裝備自然環境試驗

1.1 大氣自然環境試驗

大氣自然環境試驗是將樣品置于典型大氣自然環境中，使其經受大氣環境因素綜合作用的自然環境試驗。常用的大氣自然試驗包括直接暴露試驗、半封閉暴露試驗及全封閉暴露試驗。大氣自然環境試驗利用暴露場地、試驗棚和試驗庫等場地來實現。試驗場地擁有各類型的試驗架、試驗臺及其他輔助設備，此外使用環境監測儀器采集試驗場的環境數據，如溫度、濕度及風向等環境信息。大氣自然環境試驗通常評價材料及部件在大氣環境中的環境適應性，但部分大型試驗站甚至可實現裝備整機大氣自然環境試驗。

大氣自然環境試驗方式日趨多樣，智能化的數據采集和傳輸系統能夠對試驗過程及環境數據進行實時監測，具有廣闊的市場前景；為避免所選擇試樣的代表性不足，要大力發展整臺裝備、整機系統的大氣自然環境試驗技術，建立大型化和綜合化的試驗裝備開發思路。

1.2 海水自然環境試驗

海水自然環境試驗是將試驗樣品置于典型海洋環境經受海水環境因素綜合作用的自然環境試驗，包括表層海水暴露試驗、深海海水暴露試驗、海泥區暴露試驗和長尺試驗等。傳統的海水暴露試驗結果可重現，但不便對海水腐蝕全過程進行連續動態監測，因此發展了動態海水暴露試驗，例如海水轉子動態腐蝕試驗能夠評價材料在流動海水中的腐蝕情況；海水管路動水腐蝕試驗通過在天然海水中控制流速和溫度，在海水中進行管路動水腐蝕試驗和電化學試驗。入海口等位置海水濃度交替變化，對裝備的腐蝕較強，因此該研究方向也備受關注。

隨著中國海洋戰略的發展，海洋成為重要的科研攻堅戰場，服務于海洋的環境試驗技術亟待提高，特別是面向深海的環境適應技術。海水環境試驗在服務海上“絲綢之路”戰略建設的同時，推動了船舶等大型裝備的開發和技術改進，提高了裝備的海洋環境適應性。未來開展海水自然環境試驗的模擬加速試驗，將縮短試驗時間，提供更可靠的海水環境試驗數據；同時要利用先進技術，智能化采集海水環境試驗數據。

1.3 土壤自然環境試驗

土壤自然環境試驗是通過在土壤中埋設各種材料和試件，并定期進行性能測試和腐蝕規律研究的試驗。土壤環境試驗研究裝備在土壤中的腐蝕情況，考核和評價其腐蝕程度，能夠為防護措施的制定提供指導。土壤環境試驗首先要根據土壤類型、地區氣象條件等選擇具有代表性的試驗場；在試驗場地進行開挖和埋藏試樣，同時按原樣回填土層、拍照記錄和設置標志；最后按照規定周期開挖取樣，對試樣進行全面檢測和分析。研究人員根據土壤理化性質、電化學性質和腐蝕產物的情況來探究裝備的土壤環境適應性，逐步建立了青島、沈陽等土壤腐蝕試驗站，探究不同材料在不同土壤環境下的失效行為和失效過程，提出減緩土壤腐蝕的具體措施。

未來的土壤環境試驗技術將對地下裝備性能評價產生積極影響。隨著城市化的推進和地下空間的開發與利用，發展對城區埋地裝備的快速檢測和無損檢測技術具有現實意義，評價埋地裝備的環境適應性技術亟待發展。

1.4 自然貯存試驗

武器裝備從投入使用到退役通常要經歷復雜的任務階段，自然環境下的貯存時間較長，貯存環境存在差異，導致裝備性能損傷行為不同，損傷程度各異。調查表明，部分彈藥在自然環境下的貯存期甚至長達十年之久，某航空直升機在整個服役期內有近80%的時間為非飛行狀態。為全面系統探究裝備在長時間貯存環境下性能演化的規律，軍方逐步建立了更加完善、種類多樣的貯存試驗場，進行導彈、炮彈及其他裝備的貯存試驗。自然貯存試驗彌補常規大氣暴露試驗在地域等方面的局限性，符合裝備的實際作戰環境。

自然貯存試驗越來越被人們關注，其適用領域也正在逐步擴大，例如航空航天、汽車及精密儀器等領域，都將自然環境貯存試驗作為評價其壽命的重要手段，為進一步提高裝備的環境適應性提供保障。

1.5 地區性自然環境試驗

地區性自然環境試驗利用各地已建成的試驗站網進行自然環境試驗，試驗結果能反映裝備在不同服役區域的真實服役情況，同時為相關裝備研制和使用單位提供有針對性的環境數據。國外的地區性環境試驗由來已久，歐美等國家建成了覆蓋范圍廣泛的試驗站，如美國陸軍試驗與鑒定司令部在阿拉斯加等地區建立了環境試驗中心。中國兵器工業第五九研究所在漠河、江津和萬寧等地建成了地區性自然試驗站，可以進行多類型的地區性自然環境試驗[3]。

單一地區的自然環境試驗獲得的數據有限，要推動各地區試驗站的數據共享，引入5G技術和大數據管理等新技術來提高試驗站的管理能力和水平，建成規范的試驗站網管理體系。

2 自然環境試驗新進展

2.1 綜合環境試驗

綜合環境試驗是指兩種或多種環境因素同時作用于試樣的環境試驗。綜合環境試驗能縮短試驗時間，節約試驗成本，能反映復合環境因素對裝備的性能損傷行為[4]。推動多因素綜合環境試驗技術，如溫度-振動-低氣壓綜合環境試驗，能夠模擬多種自然環境因素對裝備的影響，更充分暴露產品在使用過程中的缺陷，縮短裝備開發的流程，同時提供裝備性能改進措施。

當前中國模擬溫度、氣壓等常規氣候環境的試驗設備基本實現了自主化，未來要發展功能多樣化、作用綜合化、設備模塊化的綜合自然環境試驗設備，使其滿足整機、整系統級的試驗要求。隨著綜合自然試驗的條件更加極端，部分環境因素需要實現動態可操控的精確變化，以滿足裝備實際服役環境的情況。

2.2 仿真環境試驗

仿真環境試驗技術是利用已有的環境試驗信息數據，通過構造系統模型，進行模擬仿真試驗，對建立的系統進行動態試驗研究。仿真環境試驗技術具有成本低、對裝備自身無破壞性、試驗結果可重復性好等優點，其適用范圍越來越廣。仿真環境試驗技術能模擬出復雜環境對裝備性能影響的結果，還能對裝備損壞和破壞等過程進行模擬，進一步評價裝備性能。此外發展網絡化的在線分析仿真儀器，促進設備互聯和信息共享，能有效促進仿真環境試驗技術的發展。

2.3 真實服役自然環境試驗

環境適應性研究是一種預見性的研究方法，通過環境試驗等手段，評價裝備性能。但是，隨著裝備服役環境情況的極端化和復雜化，研究人員在研究自然環境試驗的同時，重點關注真實服役自然環境下裝備的失效行為、失效過程及失效機理。真實服役自然環境試驗通常將裝備或元件置于真實服役環境條件下，積累大量同類裝備或元件在真實服役自然環境下的試驗數據。該數據和方法能夠為后續相似產品的環境適應性評價和同類產品的開發提供指導和借鑒。

3 結束語

“環境適應性”概念的普及、國家對裝備綜合性能的重視和自然環境試驗設備研制水平的提高，都促進了自然環境試驗行業的發展。但是，中國的自然環境試驗仍面臨一些問題，例如中國對自然環境試驗與實驗室環境試驗的相關性研究不夠深入，自然環境試驗的種類仍然較少。

自然環境試驗發展能力將很大程度決定下一代裝備的研制水平。將來的發展重點是開發出快速評價裝備自然環境適應性的試驗方法和評價體系，為同類產品的研發和試驗積累數據；研究多環境因素作用下裝備失效的模式及機理，同時重視綜合環境試驗技術的發展；利用5G技術、物聯網技術和大數據系統等新技術，開發新型自然環境試驗管理體系和配套設施，提高自然環境試驗過程的可靠性。