GJB 150.7A 軍用太陽(yáng)輻射試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)存在的問(wèn)題探討

秦杰，吳鵬，陳暉，陳宇騰，胡梓洋，陳家銘

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 511370； 2 廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 511370；3.電子信息產(chǎn)品可靠性分析與測(cè)試技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程中心，廣州 511370；4.廣東智能無(wú)人系統(tǒng)可靠性與數(shù)字化驗(yàn)證技術(shù)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 511370）

引言

GJB 150.7A-2009 自發(fā)布以來(lái)其已有十四年了，隨著社會(huì)發(fā)展、技術(shù)水平提升和質(zhì)量要求不斷提高，太陽(yáng)輻射試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的一些內(nèi)容要求等表述不夠清晰和明確，但難以滿足目前太陽(yáng)輻射試驗(yàn)實(shí)際遇到的問(wèn)題，而最新版MIL-STD-810 標(biāo)準(zhǔn)不斷完善已經(jīng)修訂到了810H 版本，而參考和借鑒該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布的GJB 150A，和其相差2 個(gè)版本，其中很多技術(shù)內(nèi)容更新、標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)宣貫釋疑、標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)理論的積累等無(wú)法及時(shí)完善。以及應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)人員對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中的依據(jù)、方法和理論基礎(chǔ)等缺乏了解，存在理解不到位，在試驗(yàn)實(shí)施中發(fā)生偏差的情況，甚至偏離標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致試驗(yàn)存在爭(zhēng)議[1]。下文對(duì)在應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展試驗(yàn)過(guò)程遇到了一些問(wèn)題逐一進(jìn)行了敘述和分析，并對(duì)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)提出了建議[7]。

1 標(biāo)準(zhǔn)存在的問(wèn)題及建議

方式有兩種[9]，分為連續(xù)和增量并存，見(jiàn)圖1（a），其剖面的輻照度值只給出連續(xù)輸出的數(shù)值，而增量輸出參數(shù)的并沒(méi)有直接明確標(biāo)出，要經(jīng)過(guò)額外計(jì)算得出，公式如下：

圖1 程序I 日循環(huán)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)剖面不夠完善

GJB 150.7A -2009 程序I—循環(huán)試驗(yàn)的輻照度輸出

式中：

a—某段連續(xù)輻照最小值；

b—某段連續(xù)輻照最大值；

E(x)—某段增量輻照值。

試驗(yàn)人員在實(shí)際應(yīng)用中容易將連續(xù)輸出和增量輸出的參數(shù)認(rèn)為是同一數(shù)值，導(dǎo)致輻照度偏離標(biāo)準(zhǔn)。圖1(b)將輻照度的兩種輸出方式的直觀的表達(dá)出來(lái)，方便試驗(yàn)相關(guān)人員開(kāi)展試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)溫度允差值

GJB 150.7A -2009 對(duì)溫度并沒(méi)有給出允差范圍的要求，在6.2.1 溫度，寫(xiě)了按技術(shù)文件的規(guī)定保持試驗(yàn)箱的空氣溫度。在試驗(yàn)期間應(yīng)使“試件附近的空氣溫度與試驗(yàn)區(qū)的溫度一致”[9]，由于技術(shù)和限制較為難實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)箱的控制傳感器一般是位于箱內(nèi)底部或上部并有遮擋位置不受或者受太陽(yáng)輻射影響較小，而標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定放置的在試件附件的水平面的傳感器在太陽(yáng)輻射照射下，雖然有屏蔽太陽(yáng)輻射的照射處理，但由于樣品或樣品架或箱壁的熱輻射的影響，不太可能與設(shè)備控制溫度傳感器的溫度完全一致，一建議將其改為“試件附近的空氣溫度盡可能與試驗(yàn)溫度一致”，二是參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)溫度的描述見(jiàn)表1，給出試驗(yàn)溫度允差值范圍。

表1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)溫度的描述

1.3 樣品表面溫度

試件的表面溫度是除輻照度以外最重要的老化因素，標(biāo)準(zhǔn)中6.2.1 中“用于測(cè)量試件熱響應(yīng)的溫度傳感器也會(huì)受到輻射燈直接熱輻射影響[9]。當(dāng)允許時(shí)，將這些傳感器安裝于試件外殼（上表面）的內(nèi)表面”[9]。但這樣極易對(duì)試件的結(jié)構(gòu)造成破壞。像試件數(shù)量多或裝備上的部件材料不同情況下，準(zhǔn)確測(cè)定和監(jiān)控試表面溫度存在許多技術(shù)上的困難，而且容易出現(xiàn)測(cè)量錯(cuò)誤。

在GJB 2423.24 中利用黑標(biāo)或黑標(biāo)溫度計(jì)來(lái)表征試件表面溫度的方法。即使用涂有黑色涂層的標(biāo)準(zhǔn)金屬板來(lái)作為測(cè)量和控制試件表面可能達(dá)到的最高精度的感溫件，即黑板溫度計(jì)指示的溫度，然而，由于黑板溫度計(jì)是由金屬板材料制作的，造成散熱快，難以反應(yīng)那些導(dǎo)熱性差的深色試件的溫升情況，對(duì)此國(guó)際上又有一種采用帶有絕熱性底座的黑板溫度計(jì)，命名為黑標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。建議采用黑標(biāo)黑板溫度計(jì)表征試件能達(dá)到的最高表面溫度，有利了解試件表面溫度變化及復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)溫度環(huán)境，有助于評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果。

1.4 樣品架

GJB 150.7A-2009 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)樣品的安裝沒(méi)有過(guò)多描述，在6.1.2 中“安裝試件的底座可以是一個(gè)凸起的支架或具有規(guī)定特性的底座[9]。例如按照產(chǎn)品技術(shù)文件的規(guī)定，可采用規(guī)定厚度的混凝土層或具有傳導(dǎo)性和反射性的沙床”[2]。混凝土和沙床是最常見(jiàn)和最有效避免反射率和熱傳導(dǎo)的材料，但不太適用支撐或承載樣品，特別像試樣是經(jīng)剪裁的材料或小部件，其實(shí)更適合類(lèi)似開(kāi)放式框架將樣品置于其上，建議增加對(duì)樣品放置安裝及樣品架的描述，參考相關(guān)光照類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣品架的描述匯總見(jiàn)表2，但為了減小或消除來(lái)自材料表面的輻射反射。支架或底座應(yīng)盡量使用減少反射率和傳導(dǎo)率的材料加工，在GB/T 2424.14 1995 中有給出了常見(jiàn)材料的導(dǎo)熱率，見(jiàn)表3，而反射率取決于材料的顏色和粗糙程度。

表2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣品架的描述

表3 GB/T 2424.14 1995 中的材料導(dǎo)熱率

1.5 照射基準(zhǔn)面

標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)樣品擺放的高度要求在距離燈源0.76 m以下的空間內(nèi)，對(duì)于程序II 來(lái)說(shuō)，只要超過(guò)0.76m，通過(guò)提高功率就能實(shí)現(xiàn)1 120 W/m2。但程序I，需要在某個(gè)高度既滿足1 120 W/m2的同時(shí)又能滿足55 W/m2，且輻照度均勻的水平面，一般稱(chēng)為照射基準(zhǔn)面或基準(zhǔn)高度，見(jiàn)圖2（a）。當(dāng)樣品擺放在低于基準(zhǔn)面時(shí)輻照度能量較少，即便調(diào)整燈最大功率也不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的最大輻照度，反之，樣品高于基準(zhǔn)面時(shí)則輻照度能量較多，調(diào)整燈最小功率也不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的最小輻照度。像1 m3或2 m3使用一組或兩組輻射燈的設(shè)備輻照基準(zhǔn)面在（0.8 ～1.2）m 左右，對(duì)于陣列式大型太陽(yáng)輻射設(shè)備，其照射基準(zhǔn)面可以參考圖2(b)，2.5kW 輻射燈在距離樣品（1.2 ～1.5）m，4kW 輻射燈在距離樣品（1.5 ～1.8）m 左右，如在（1.2 ～1.5）m 則可能輻照度均勻性不能滿足。建議增加對(duì)照射基準(zhǔn)面或高度的描述，對(duì)于有一定高度差的樣品，普遍以樣品暴露于自然太陽(yáng)輻射的實(shí)際狀態(tài)的最高面置于太陽(yáng)輻射箱內(nèi)的照射基準(zhǔn)面，以盡量滿足輻照度均勻性。對(duì)于有較大高度差的樣品，拆分試件照射或按技術(shù)要求的規(guī)定開(kāi)展。

圖2 太陽(yáng)輻射照射基準(zhǔn)面

1.6 輻照度均勻性測(cè)試

標(biāo)準(zhǔn)中只寫(xiě)在試件的表面所測(cè)得輻照度偏差不超過(guò)要求的10 %。具體輻照度的均勻性是怎么測(cè)，沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明。由于太陽(yáng)輻射設(shè)備較多使用兩組太陽(yáng)輻射燈或以上的陣列式照射，不同燈的照射強(qiáng)度的疊堆造成不同位置的輻照度強(qiáng)度不一致，所以需要進(jìn)行輻照度均勻性測(cè)試，查閱標(biāo)準(zhǔn)引用的MIL-STD-810F，其中也沒(méi)作解釋?zhuān)康氖窃谝?guī)定的限度內(nèi)在測(cè)量平面上獲得均勻的輻照度（即1 120 W/m2（+10，-0 W/m2））[8]。建議增加輻照度均勻性測(cè)試方法，在最新MIL-STD-810G 中有詳細(xì)介紹并附圖示，見(jiàn)圖3（a），和在GB/T 5170.9-2017 環(huán)境試驗(yàn)檢驗(yàn)方法第9 部分：太陽(yáng)輻射試驗(yàn)設(shè)備，測(cè)量點(diǎn)數(shù)量及位置，如A 傳感器布放位置見(jiàn)圖3（b），在設(shè)備內(nèi)規(guī)定的照射平面上布固5 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，為A、B、C、D、E，除中心點(diǎn)E 外，其余測(cè)量點(diǎn)與相近的水平樣品架邊緣距離為50 mm[12]。

圖3 輻照度均勻性的測(cè)試方法示意圖

1.7 輻照度允差

GJB 150.7A 中只對(duì)（1 120±47）W/m2做出允差要求，并規(guī)定“確保試件受到均勻輻射，并且在試件的表面所測(cè)得輻照度偏差不超過(guò)要求的10 %”[9]。而這10 %是試驗(yàn)箱內(nèi)的輻照度均性，并不是輻照度允差值。標(biāo)準(zhǔn)全文并沒(méi)有具體明確輻照度允差值，由于程序II 中有階梯輸出的曲線，導(dǎo)致試驗(yàn)人員每個(gè)階梯點(diǎn)按照±47 W/m2或者偏差10 %來(lái)判斷輻照度的允差是否超差。查閱GB/T 2423.24-81、GJB 150.7-86 和IEC 1975 上述3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和允差均只規(guī)定為（（1 120±10）%）W/m2，給出的±10 %的允差是指與光源入射方向垂直的試驗(yàn)樣品表面輻射強(qiáng)度的均勻度要求[4]。溯源至MIL810F 中也沒(méi)有明確指出。建議對(duì)連續(xù)和增量輻照度值給出其允差值，如參考在MIL-STD-810G 的表505.5 A 中，規(guī)定了日變化曲線上任意給定點(diǎn)的總體控制（±4 %或15 W/m2，以較大者為準(zhǔn)）。

1.8 輻射燈校準(zhǔn)時(shí)間

在標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)燈的壽命并沒(méi)有作要求，只是在試驗(yàn)箱校準(zhǔn)中強(qiáng)調(diào)了“輻射燈每累計(jì)工作500 h 就應(yīng)對(duì)其光譜分布、輻照度和均勻性至少進(jìn)行一次徹底檢查”[9]，但其程序II 最長(zhǎng)進(jìn)行56 個(gè)循環(huán)也超過(guò)1 000 h，與其累計(jì)500 h 檢查有一定的矛盾。

目前太陽(yáng)輻射試驗(yàn)設(shè)備基本采用金屬鹵素?zé)簦ń饘冫u化物燈）通常又叫金鹵燈，是由高純石英玻璃制成，腔內(nèi)充入有含汞、鎵、氬的碘化物和鐵的碘化物以及一些稀有金屬鹵化物來(lái)產(chǎn)生這些金屬的光譜。見(jiàn)圖4。

圖4 金屬鹵燈結(jié)構(gòu)圖

太陽(yáng)輻射設(shè)備多以HMI 雙端金鹵燈系列作為全光譜燈源，其壽命在（500～1 000）h 左右，見(jiàn)圖5（a） ，由于其是20 世紀(jì)70 年代推出的產(chǎn)品，推測(cè)最初使用鎮(zhèn)流器控制，其輸出頻率是正弦波，承受電源和電壓的波動(dòng)的范圍小，使燈壽命縮短、老化和變色，所以將其壽命規(guī)定為500 h 也合理，標(biāo)準(zhǔn)中的500 h 進(jìn)行校準(zhǔn)要求應(yīng)該也依據(jù)于此。隨著技術(shù)發(fā)展目前太陽(yáng)輻射設(shè)備用EPS 電源是為陽(yáng)光模擬系統(tǒng)特殊設(shè)計(jì)，EPS 提供規(guī)則的輸出功率，其輸出頻率方波，根據(jù)需要的輻射強(qiáng)度，給燈泡兩端提供持續(xù)穩(wěn)定的電流和電壓，在電源、電壓偏差很大時(shí)以及環(huán)境溫度變化時(shí)，仍然保持恒定功率，很好的補(bǔ)償電網(wǎng)波動(dòng)和燈泡在使用壽命內(nèi)的老化，業(yè)內(nèi)使用HMI金鹵燈的壽命普遍超過(guò)1 000 h，光譜和輻照度也能滿足要求。按照質(zhì)量的角度來(lái)看，超過(guò)壽命不代表不合格，而是判斷其過(guò)程是否處在控制之中，是否超過(guò)控制上下限。建議出于經(jīng)濟(jì)性和可操作性來(lái)看，有必要重新對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中累計(jì)500 h 進(jìn)行檢查做出調(diào)整。

圖5 HMI 雙端金鹵燈技術(shù)參數(shù)

1.9 拆分試件開(kāi)展試驗(yàn)

對(duì)整個(gè)裝備或整機(jī)的試件進(jìn)行太陽(yáng)輻射試驗(yàn)時(shí)，由于受試驗(yàn)箱自身構(gòu)造、裝備物理特性（體積、尺寸、形狀等）以及在箱內(nèi)的放置位置等因素的影響，其各部位的受太陽(yáng)輻射照射光譜能量程度實(shí)際上有所不同，導(dǎo)致不能完全地激發(fā)裝備耐受的太陽(yáng)輻射能力，從而得出正確的評(píng)價(jià)。

于2006 年發(fā)布的第四版英國(guó)國(guó)防標(biāo)準(zhǔn)DEFSTAN00-35《國(guó)防裝備環(huán)境手冊(cè)》在“第3 部分環(huán)境試驗(yàn)方法”的試驗(yàn)“范圍”中指出，試驗(yàn)可用于材料、部件或子組件，以避免對(duì)整個(gè)裝備進(jìn)行不必要的和昂貴的試驗(yàn)。如將裝備拆分為各個(gè)部件開(kāi)展試驗(yàn)，一方面可以確保各個(gè)部位得到充分暴露。另一方面，對(duì)裝備的劣化進(jìn)行檢查和評(píng)價(jià)也要比整個(gè)裝備更方便[7]。建議試件不同部位高度差較大，且試驗(yàn)?zāi)康膬H是考核裝備耐受太陽(yáng)輻射照射特別是光老化效應(yīng)的能力時(shí)，推薦采用上述方法進(jìn)行試驗(yàn)，但需注意的是，當(dāng)試驗(yàn)過(guò)程需要評(píng)價(jià)裝備或整機(jī)在太陽(yáng)輻射環(huán)境下進(jìn)行功能和性能與安全性等測(cè)試，則顯然不適用。

2 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)GJB 150.7A 軍用太陽(yáng)輻射標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)施應(yīng)用過(guò)程中暴露問(wèn)題進(jìn)行闡述，如其中規(guī)范和方法過(guò)于空泛和籠統(tǒng)、缺少可用于指導(dǎo)操作的具體內(nèi)容、部分內(nèi)容表述不夠明確以及試驗(yàn)相關(guān)人員缺乏對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的足夠認(rèn)識(shí)，結(jié)合光老化試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中不足之處提出一些改進(jìn)意見(jiàn)和措施，為發(fā)揮軍用太陽(yáng)輻射標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)作用，建議加強(qiáng)和重視試驗(yàn)相關(guān)人員的培訓(xùn)工作，使其能更深入透徹地理解標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)內(nèi)涵。