典型船用通導設備低溫性能試驗研究

楊宗豫，王迎暉，李明政，田于逵

（中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082）

冰區船舶在極地低溫、大風、多棲等環境下航行時，暴露在船舶操作環境溫度中存放的設備材料極有可能不耐受低溫，嚴重時將影響船舶的設備操作與航行安全[1]。例如暴露在低溫環境中的船用通導設備，衛星天線被冰覆蓋后，因海冰鹽分較高，將升高天線表面介電常數，影響信號接收[2-3]。在極地高緯度地區，經線圈快速匯聚，精度變化率很大，定位誤差變大，對慣性導航系統定位精度具有較大影響[4-5]。不僅如此，極地環境影響極地的電離層環境等，干擾了高頻無線電和衛星信號，限制了極地地區的通信能力，常規的通信設備等很難適用于該區域航行[6]。

實驗室模擬環境下的考核試驗是驗證或提高設備環境適應性和可靠性的關鍵途徑之一，但目前關于船用通導設備環境效應的研究更多集中在試驗方法的標準剪裁與梳理上。如王一飛等[7]指出，可通過兩箱同步法完成船用導航雷達設備的干熱和低溫試驗。鄭梓楨等[8]為應對新型慣性導航系統環境試驗鑒定的需要，根據慣性導航系統的技術特點提出一種海陸結合試驗模式，并論述了其實施要點。周金亮[9]將艦艇慣性導航系統試驗的項目設計成精度試驗、可靠性試驗、環境適應性試驗、使用性考核式樣和電磁兼容性試驗五大部分，并系統性地闡述了慣性導航系統的試驗方法。上述學者針對通導設備的試驗方法提出了很多獨到的見解，但均沒有落實到具體的試驗研究上，僅有少數的研究是與通導設備的試驗驗證相關[10-11]。例如加拿大漁業與海洋部和McMaster大學通信研究實驗室開展的雙極化冰區導航雷達的裝船試驗研究[10]。中船第七〇七研究所開展的極區慣性導航系統羅經失效機理、解算奇異原理及誤差傳播規律研究，并先后多次開展極區搭載試驗，驗證了光學慣導的極區導航功能。

鑒于此，本文將充分考慮極地低溫環境下船用通導設備的環境適應性、可靠性、可維性等應用需求，建立通導設備的低溫試驗方法，在模擬低溫環境下完成設備的性能試驗，分析可能發生的失效機理以及溫度變化對通導設備性能參數的影響，為保障極地航行船舶在低溫環境下的通訊導航能力提供有效的試驗檢測手段和評估方法。

1 試驗對象與測量儀器

羅經是船舶上必備的一種典型導航設備，一般海船都同時裝備有磁羅經和電子羅經。磁羅經是利用磁針指北的特性而制成，主要由羅經柜、羅經盆以及自差校正器組成。電子羅經是根據高速旋轉陀螺的定向性研制的，主要由主羅經、分羅經以及附屬儀器組成，相比磁羅經，使用更為方便、指向更為準確[12]。本研究的試驗對象分別是CPT-130D型號磁羅經與SY-Ⅱ型號電子羅經，如圖1所示，其主要技術參數見表1。

表1 主要技術參數Tab.1 Main technical parameters

圖1 典型導航設備Fig.1 Typical navigation equipment: a) magnetic compass;b) electronic compass

磁羅經與電子羅經的低溫試驗在型號為UTH-225-A（品牌：優益速）的恒溫濕高低溫箱中進行，試驗箱內尺寸為600 mm×500 mm×750 mm（寬×深×高），質量約390 kg，升溫速率平均2～3 ℃/min，降溫速率平均1～1.5 ℃/min，溫度測試范圍為–40～150 ℃。此外，在進行試驗時，還需要九點溫控儀、穩壓開關電源、秒表、磁鐵、穩壓開關電源、相機等試驗設備及儀表，如圖2所示。

圖2 試驗儀器設備Fig.2 Test equipment: a) constant temperature and humidity box; b) stabilized switching power supply;c) nine-point temperature controller

2 低溫試驗方法

根據GJB 150.4A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法第4部分：低溫試驗》[13]、CB 1146—1985《艦船設備環境試驗方法》[14]以及IEEC 945—1988《船用導航設備總要求——試驗方法和要求的試驗結果》[15]等標準要求，確定了磁羅經與電子羅經的常溫工作測試、低溫貯存、低溫工作以及低溫防寒試驗方法。

2.1 常溫工作測試

準備好試驗測試設備，在離金屬1 m遠的固定場地、固定方向，分別完成磁羅經的試前自查校正工作。測量磁羅經在常溫環境中的羅盤刻度標識靈敏度與羅盤磁力指向穩定性，測量電子羅經在常溫環境中的指向方位、電壓及電流。其中，磁羅經的試前檢測內容詳見表2。

表2 磁羅經試前檢測內容Tab.2 Test content of magnetic compass before test

2.2 低溫貯存試驗

磁羅經與電子羅經的低溫貯存試驗方法見表3。

表3 低溫貯存試驗方法Tab.3 Low temperature storage test method

2.3 低溫工作試驗

電子羅經的低溫工作試驗方法見表4。

表4 低溫工作試驗方法Tab.4 Low temperature working test method

2.4 低溫防寒試驗

遮蔽布置與電伴熱作為CCS《鋼質海船入級規范》[17]、DNV[18]、LR[19]等船級社防寒規范中最主要的防寒措施，廣泛應用于冰區航行船舶的防寒布置。為了驗證遮蔽布置與電伴熱的防寒效果，針對磁羅經開展附加遮蔽措施的貯存試驗，針對電子羅經開展附加電伴熱防寒試驗。其中，遮蔽措施采用硬質可移動的帆布罩，電伴熱帶采用DBR型低溫自限溫電伴熱帶，該電伴熱帶功率為25 W/m，最高加熱溫度可達65 ℃[20]，具體試驗方法見表5和表6。

表5 磁羅經附加遮蔽措施的貯存試驗Tab.5 Storage test of additional shielding measures of magnetic compass

表6 電子羅經附加電伴熱防寒試驗Tab.6 Additional electric heat tracing and winterization test of electronic compass

綜合上述試驗方法，本文針對磁羅經與電子羅經開展包括試前常溫工作測試、–25 ℃低溫貯存試驗、–20 ℃低溫工作試驗以及附加防寒措施的系列考核試驗。試驗工況匯總見表7。

表7 試驗工況匯總Tab.7 Summary of test conditions

3 結果與分析

3.1 磁羅經低溫貯存及防寒試驗結果

通過恒溫濕低溫箱精準控制試驗參數，完成磁羅經24 h的–25 ℃低溫貯存與附加防寒措施試驗，試驗過程記錄如圖3所示。在磁羅經經歷低溫考核后，進行了磁力指向穩定性與羅盤刻度標識靈敏度的試后檢測。

圖3 磁羅經低溫貯存與附加防寒措施試驗Fig.3 Low temperature storage of magnetic compass and additional winterization measures

在磁力指向穩定性的檢測中，依據JT/T 680.1～680.15—2007《船用通信導航設備的安裝、使用、維護、修理技術要求第9部分：磁羅經》中的指導方法，分別用小磁鐵將羅盤從0°平衡位置向左、右引偏40°后迅速移去，用秒表記錄羅盤0°連續2次通過首基線的時間，試驗測試結果如圖4所示。在圖4a向右偏移的磁力指向穩定性試驗中，試驗前常溫下測得羅盤擺動時間為6.46 s，在低溫試驗結束時，擺動時間增加至11.22 s。此后隨著試驗結束時間的增加，曲線呈遞減趨勢，直至試驗結束后2 h，羅盤擺動時間變化為9.77 s。在附加防寒措施后，羅盤擺動時間關于測試時間的曲線變化趨勢與未加措施的貯存試驗一致，擺動時間均是先增大、后減小，但其每項數值均低于未加措施的，尤其在試驗剛結束時，測出的擺動時間為9.69 s，相比未加措施的貯存試驗減少了13.6%。在向左偏移的磁力指向穩定性試驗中，也體現了相同的變化規律，從常溫下測量的6.28 s增至試驗結束時的10.36 s，最終降至試驗結束2 h后的9.23 s。而在采用防寒措施后，羅盤擺動時間發生了顯著的減少。

圖4 羅盤磁力指向穩定性測試結果Fig.4 Test results of magnetic compass pointing stability: a) offset 40° to the right; b) offset 40° to the left

根據劉佳等[21]開展的高寒列車材料阻尼低溫特性試驗可知，材料在低溫環境下發生收緊，會加大機械阻尼。再由標準中提及的羅盤擺動半周期應不小于（H為微特）可知，該型號磁羅經羅盤擺動半周期應不小于5.59 s。在經歷了低溫考核后，磁羅經羅盤擺動時間最高增加至11.22 s，這可能是因為機械阻尼的增大使得羅盤擺動時間增長。從另一個角度分析，低溫對磁鐵的磁性也有一定的影響。低溫會使得磁棒內部粒子運動變慢，一定程度上會改變磁力[22]。因此，磁力指向穩定性的變化也有可能由羅經柜中自差校正磁棒的磁力改變導致，具體的影響原因有待后續的試驗研究。

圖4a、b中，曲線均在試驗結束后呈現下降的趨勢，這表明磁羅經的羅盤磁力指向穩定性在逐漸恢復。一方面，隨著羅經表面溫度的回升，軸帽和軸針間的機械阻尼會降低，這與前人關于溫度對機械阻尼的影響研究所獲得的結論一致[23-24]。因此，阻尼的降低帶來了羅盤擺動時間的減少。另一方面，磁棒發生的是可逆損耗，伴隨著表面溫度的回升，磁性能夠漸漸恢復。采用附加遮蔽防寒措施后，磁羅經的羅盤磁力指向穩定性相比未加措施的貯存試驗有所改善。其中原因更多歸結于采用遮蔽防寒措施后，防寒袋中的磁羅經表面溫度要高于試驗過程中的箱內溫度，而溫度又是影響磁羅經性能變化最主要的原因，因此采用遮蔽防寒措施可提高磁羅經的羅盤磁力指向穩定性。

在羅盤刻度標識靈敏度的試后檢測中，用小磁鐵將羅盤從0°平衡位置向左和向右分別引偏2°～3°后迅速移去，記錄羅盤恢復平衡后的刻度，試驗結果匯總見表8。由表8可知，在常溫下測試、–25 ℃低溫貯存以及–25 ℃附加遮蔽措施貯存試驗中，磁羅經在受到小磁鐵的偏引作用后，羅盤刻度均能從原平衡刻度0°回歸原位，表明磁羅經羅盤刻度標識靈敏度良好，軸帽和軸針之間的摩擦力未達到臨界失效點，仍保持在可控范圍內，羅經軸針在–25 ℃的低溫下未發生磨損失效。

表8 羅盤刻度標識靈敏度測試結果Tab.8 Test results of compass scale mark sensitivity

3.2 電子羅經低溫工作及防寒試驗結果

將電子羅經主機與天線放入處于常溫狀態下的試驗箱中，測得指向刻度175°、電壓為24 V、電流為0.117 A。當溫度到達設定工作溫度且九點溫控儀測得的溫度點與設定溫度之差均不大于3 ℃時，開啟設備，期間每15 min記錄一次數據，獲得了如圖5所示的曲線。從圖5中可以發現，低溫啟動后的電子羅經指向刻度達到195°，指向刻度關于工作時間的曲線幾乎呈線性變化，尤其當達到2 h的工作時間后，指向刻度增大到221.7°，相比未經歷低溫時的175°與低溫啟動時的195°分別增大26.69%、13.69%。同樣，在經歷低溫后電流也發生了顯著波動，從常溫下的0.117 A增加到低溫啟動狀態下的0.144 A，并隨著低溫工作時間的增加，電流增長到最終的0.158 A。在此低溫工作過程中，羅經天線與顯示器主機均受到低溫的影響，故可能存在2種性能失效模式。一方面，天線內部由各向異性磁阻材料制成的地磁傳感器具有一定的溫度漂移特性[25]，電器元件的性能改變會引起羅經指向刻度的大幅波動；另一方面，受低溫影響，羅經主機的電容、電阻等性能參數發生一定的變化，引起羅經電流的增加。

圖5 電子羅經低溫工作試驗結果Fig.5 Low temperature test results of electronic compass

為驗證具體的失效模式，在防寒包裝好的天線表面貼好電伴熱帶，與處于未包裝狀態的羅經主機一并置于試驗箱內。附加電伴熱措施的試驗結果如圖6所示，曲線呈現出與圖5不一樣的變化趨勢。起初，室溫放入箱內測得初始羅經指向刻度223°、電壓為24 V、電流為0.121 A。當啟動電子羅經并開啟電伴熱帶時，電子羅經指向刻度216.4°。而在接下來2 h的低溫工作時間內，指向刻度一直在214.6°±2°內波動，相比未經歷低溫時的223°只減少了3.77%。原因是附加了電伴熱措施后，防寒袋中的天線表面溫度顯著高于箱內溫度，并且天線表面未暴露在低溫環境中，無霜凍現象的出現。此時，天線內部的地磁傳感器受低溫的影響效果減弱，傳感器材料并未發生明顯的收縮或硬化。曲線的變化趨勢也從另一方面體現了天線內部電器元件（地磁傳感器）的性能改變是引起指向刻度變化的主要因素。在本次試驗中，另一個重要的測量參數電流同樣在變化波動中最終增加到0.161 A，變化趨勢與未附加電伴熱措施的試驗結果相近，表明低溫下羅經主機電容、電阻等性能參數的變化是引起電流增大的主要原因。

圖6 電子羅經附加電伴熱措施的低溫工作試驗結果Fig.6 Low temperature test results of electronic compass with additional electric heat tracing measures

3.3 試驗前后檢測結果分析

3.3.1 磁羅經

低溫貯存24 h后，從試驗箱中取出的磁羅經如圖7所示。此時羅盤表面附著著厚重的霜凍，將表面的霜凍擦拭干凈后，發現羅盤內羅經液未發生凍結。在外觀檢查無誤后，測量了磁羅經定點定向的指向刻度，試驗結果與常溫下測得的指向刻度結果見表9。在定點定向處，測得常溫下指向刻度328°，在Case 2經歷–25 ℃低溫貯存試驗后，指向刻度增加至331.3°，試驗前后指向刻度偏差為3.3°。在Case 3附加遮蔽防寒措施的貯存試驗后，指向刻度僅增大了1°，變為329°。從上述數據證實了經歷低溫前后的磁羅經發生了指向偏差，且附加遮蔽防寒措施后磁羅經的失效指向偏差要優于未加措施的。因此，采取一定遮蔽保溫措施將有利于提高磁羅經工作穩定性。

表9 定點定向試后檢測結果匯總Tab.9 Summary of test results after fixed-point orientation test

圖7 試驗后磁羅經外觀檢查Fig.7 Appearance inspection of magnetic compass after test

3.3.2 電子羅經

低溫貯存24 h后從試驗箱中取出的電子羅經主機與天線如圖8所示，可以發現試件表面均附著著霜凍。在外觀檢查無誤后，對試件進行通電狀態下的工作性能檢測。由于在低溫貯存試驗中未進行通電，只能記錄貯存前后電子羅經的定點定向的試驗結果。低溫貯存與低溫工作試驗后電子羅經定點定向的試驗結果見表9。可以看出，在低溫貯存前后，指向刻度從325.4°降低至321.7°，電流從0.116 A增加到0.153 A，證實在經歷低溫前后電子羅經發生了電流增大與指向失效。

圖8 試驗后的外觀檢查與工作性能測量Fig.8 Appearance inspection and working performance measurement after test

從表9仍可以發現，在2類低溫工作試驗中，Case 6試驗前后指向刻度偏差為3.7°，電流增長率為32.8%；Case 7試驗前后指向刻度偏差為2.6°，電流增長率為31%。附加防寒措施后，電子羅經的失效指向偏差確實比未加措施的要小。

4 結論

本文針對典型通導設備磁羅經、電子羅經開展了包括試前常溫工作測試、–25 ℃低溫貯存試驗、–20 ℃低溫工作試驗以及附加防寒措施的系列考核試驗，成功復現低溫環境下磁羅經與電子羅經的性能失效模式，得出以下相關結論。

1）低溫會對磁羅經與電子羅經的工作性能產生影響。因而，此類通導設備若要在冰區低溫環境下使用，需事先進行低溫環境考核試驗，以驗證或提高設備的環境適應性和可靠性。

2）磁羅經在經歷低溫后，磁力指向穩定性大幅減弱，羅盤擺動時間最高增加至11.22 s，相比試驗前增大73.7%。試驗后的定點定向測試結果顯示，指向刻度最大偏差可達3.3°。經分析，引起磁羅經定位精度率波動、定位誤差變大的原因可能歸結于磁羅經內部部件機械阻尼的增大，以及自差校正磁棒磁力的改變。

3）電子羅經在經歷低溫后，指向刻度最大偏差可達3.7°、電流最大增大32.8%。在電子羅經低溫工作過程中，指向刻度與電流隨工作時間的變化波動顯著。經分析，溫度大幅度變化時，天線內部電氣元件性能（如阻值、放大系數、溫度漂移等）改變，是引起電子羅經指向刻度變化的主要因素，元器件性能參數的變化也是引起電流增大的主要原因。

4）通過遮蔽防寒、伴熱措施保溫后，整個試驗過程中溫度趨于穩定，磁羅經與電子羅經的刻度示值變化幅度減小，因此實際使用過程中通過采取一定的防寒保溫措施，減小溫度變化范圍，將有利于提高磁羅經與電子羅經低溫工作的穩定性。