軍用小型無人機系統環境試驗方法研究探討

劉超然，張本雙

（廣電計量檢測集團股份有限公司，廣州 510656）

引言

無人機由于其具有使用風險小，使用場景靈活，全壽命成本低等特點，被廣泛用于偵察、電子對抗和攻擊等多個方面[1]。按使用領域劃分，無人機可分為軍用、民用和消費級三大類，對于無人機的性能要求各有偏重。其中，軍用無人機對于靈敏度、飛行高度速度、智能化等有著更高的要求，是技術水平最高的無人機[2]。目前，有擁有軍用無人機的國家已達50 多個，在研制和生產的軍用無人機有700 多個型號[1,3]。

同有人機相比，無人機在性能設計和運輸使用過程中經歷的環境有其特殊性。首先，由于無人機不需要考慮人的生理條件、承受能力等因素，設計組成上不需要安裝生命保障系統。同時，無人機尤其軍用無人機在運輸和使用過程中，會經歷如濃煙、濃霧和砂塵等更為復雜的環境。無人機的上述特殊的性能設計和經歷環境，加大了對機上電子設備的環境適應性能力的需求，提高了無人機環境適應性設計的難度，以及對無人機環境適應性試驗驗證提出了新的需求。

隨著智能時代的到來，無人機等以無人技術為主的新型武器逐漸成為軍事對抗的主角[4]，戰略戰術重要性越來越高，作戰場景越來越豐富，對無人機的環境適應性要求越來越高，為保證無人機環境適應性更好地設計實現，急需針對性的無人機環境試驗規范標準，支撐軍用無人機裝備設計制造和試驗驗證。另外，隨著無人機的使用場景更加豐富，面對的環境條件更加多樣，以及無人機由于脫離了人的生理極限約束，面對的環境條件更加嚴酷，現有的環境試驗要求和方法不能完全滿足軍用無人機的要求。同時，無人機的多樣性和不同機型間巨大差異性，對于具體軍用無人機系統，領域內缺乏公認和統一的環境試驗標準，無法同一尺度下衡量無人機質量優劣，致使安全事故頻繁發生。為滿足軍用無人機裝備研制的發展需要，對于軍用無人機系統環境試驗方法的研究愈發重要。

1 國內外研究概況

1.1 國內外現狀

目前，國外許多發達國家都已建立或形成自己的環境試驗標準體系和方法，并且建立了許多大型的自然環境試驗研究中心和實驗室[5,6]。目前，美國創建了一個覆蓋世界范圍內各種典型自然環境氣候條件的陸軍三大自然環境氣候試驗硏究中心、海軍大型武器試驗基地、麥金利大型自然環境氣候實驗室，并建立了MIL-STD-810系列環境試驗標準[5]。

與國外相比，我國在無人機環境試驗領域的研究起步相對較晚。近年來，我國裝備環境試驗的標準管理體系得到了快速發展，在嚴格參照MIL-STD-810 系列標準的基礎上，我國制定了GJB 150-1986 并于2009 年更新為GJB 150A-2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》，標志著我國軍用裝備環境試驗方法有了統一的標準指導規范。目前，在國家軍用環境試驗標準中，涉及和應用到無人機地面環境試驗的標準具體見表1[5]。表中各軍用標準給出了相應的試驗項目，但是其參考的試驗標準均已失效，其中GJB 4994、GJB 6760、GJB 7053 只涉及無人機相應組成部分的試驗方法。

表1 國內無人機環境試驗相關軍用標準

在民用無人機領域，我國于2020 年發布GB/T 38924-2020《民用輕小型無人機系統環境試驗方法》[7]，規定了民用輕小型無人機系統實驗室環境試驗方法，明確給出具體的試驗項目和試驗條件，包括高低溫試驗、沖擊試驗、振動試驗、濕熱試驗等。GB/T 38058-2019 規定了民用多旋翼無人機系統的試驗方法，環境適應性方面涵蓋高溫試驗、低溫試驗、淋雨試驗、濕熱試驗、振動試驗等[8]。

1.2 國內外差距

目前，無人機環境試驗方法研究在國內還處于初期階段。針對軍用無人機的環境試驗方法研究，多數還停留在理論層面，缺少實例化的應用。排除國外最新技術存在保密的因素后，這些差距具體體現在：

1）我國在無人機環境適應性方面的研究，以及相關標準的制定，以及試驗室的建立相對發展緩慢，且有很大欠缺；

2）在軍用無人機領域，尚缺乏明確的無人機環境試驗要求，沒有統一實施的無人機環境試驗標準，無人機企業基本參考GJB 150A 或者GB/T 2423 并結合自身產品特點，進行環境試驗。但即使同一類型的無人機產品，各個企業的試驗方法也不盡相同，試驗人員通常按照自己的理解執行標準，使得試驗質量參差不齊，影響試驗考核效果。

2 研究路線

從組成上看，無人機上動力、測控、飛行控制、導航等系統都與電氣系統有關，其電氣系統的運行狀態直接影響到無人機系統的正常工作。同時，環境應力對電子產品的質量影響很大。據有關電子產品故障調查分析[9,10]：產品的故障52 %是由于環境因素引起的，溫度占其中的40 %，振動占27 %，濕度占19 %，其他（砂塵、鹽霧等）占14 %。本文將重點對溫度類、振動類環境試驗進行探究。

環境應力確定是環境試驗方法研究需要解決的關鍵技術問題。軍用無人機所經受的環境條件復雜多變，給環境試驗的環境應力確定帶來難度。本文建議系統任務剖面以現行無人機試驗條件、其他相關軍用裝備標準的試驗條件、民用無人機的試驗條件作為輸入，并進一步結合無人機系統所經受的環境條件，通過分析總結、實際測量和延伸拓展，還原軍用小型無人機的運輸和使用環境，進而獲取合適的試驗應力。本文初步制定如下具體技術研究路線。

首先，基于軍用裝備和民用無人機系統環境試驗方法以及相關的其他環境試驗方法，根據軍用小型無人機系統自身的特性特點，形成軍用小型無人機系統環境試驗方法通用要求。

其次，對具體的環境試驗項目的試驗條件的確定，即具體的環境應力確定過程中，將通過對軍用小型無人機任務剖面進行分析，確定環境應力載荷，從而確定試驗項目及試驗條件。對于無法參考獲得應力載荷的，依靠內場試驗數據，或是采用實測的方法獲得環境應力載荷，即內外場信息綜合的方法，最終轉化為試驗室可以實現的環境試驗條件和標準。

3 研究實施方案

3.1 溫度環境試驗方法

溫度是影響無人機系統作戰性能的重要環境因素。無人機進行溫度試驗過程中，涉及到髙溫貯存溫度、高溫工作溫度、低溫貯存溫度、低溫工作溫度等試驗條件。根據無人機系統具體的任務剖面以及氣候條件，給出適用的溫度條件和濕度條件建議值，并結合試驗室對給出的溫度條件和溫度剖面進行驗證，研究溫度條件合理性和適用性，給出建議溫度試驗條件。

對于系統溫度環境試驗，具體的研究思路為：

1）研究分析無人機從出廠到退役的全壽命周期內，經受到溫度環境剖面，包括經歷溫度的上下限、變化情況和速率以及持續時間等；

2）分析現有相關標準的適用性和存在的不足，收集試驗室積累的試驗經驗數據和信息，收集實測數據或是相關標準中的環境數據，分析確定擬合出實際情況的溫度剖面；

3）給出適合軍用小型無人機系統的建議溫度環境試驗剖面，獲取合理適用的試驗溫度值等試驗條件。

3.2 振動環境試驗方法

無人機能否承受經受的振動環境關系到無人機飛行安全和飛行成功。軍用無人機運輸存儲等振動試驗，可以參考已有的試驗標準，但使用過程中，如發射回收的振動，以及無人機高過載機動的振動特性，無現成的試驗標準和數據。結合相關標準、振動實測以及實驗室驗證確定相關試驗振動環境、振動特性，明確沖擊振動頻率振幅、沖擊波形和振動功率譜，確定試驗設備和檢測設備，均是振動環境試驗需要研究制定和規劃的內容。

對無人機振動試驗設計進行研究關鍵的是振動源分析和無人機振動特性分析。其中，無人機振動特性分析中，根據無人機的各種振動源，確定各種振動載荷的大致量級、振動類別及其作用的位置或區域。應用特定的分析方法或試驗技術，確定振動預計狀態下的無人機結構模態參數。例如：對于要進行預振動的地面或飛行狀態，建立無人機結構振動響應分析用的數學模型，根據確定的激振動力和模態參數，在各種特定的飛行狀態下有關的振動載荷同時作用的情況下，采用已知的精確或近似方法進行響應分析，預計無人機各區域的振動量級。該振動量級可以作為無人機振動試驗設計的依據。另外，目前也可以利用有限元分析軟件進行無人機模態分析，確定無人機模態特征，根據模態特征對振動的響應，確定振動頻幅和振動功率譜。

3.3 特殊環境類試驗方法

由于無人機系統在運輸和使用過程中，會經歷更為復雜的環境，如無人機穿越火熱濃煙濃霧等特殊環境執行救援和作戰任務。在特殊環境類試驗要求研究中，相關試驗條件的研究思路為：

1）調研軍用小型無人機系統的任務場景，使用環境和環境應力剖面；

2）借鑒已有的相關環境試驗標準，對適用性進行調研分析。

3）整體規劃試驗項目，列出適用范圍，所要借鑒的文件，試驗的通用要求（試驗和測試設備、標準條件、條件允差，試驗條件確定，以及其他需要明確的內容）等。

其中，煙霧環境建議根據GB/T 20643-2008《特殊環境條件環境試驗方法》的有關通用要求和機車防火測試標準EN45545 進行相關煙霧環境試驗的裁減，可依據EN ISO 5659-2 標準進行煙霧及毒性測試，采用煙密度、熱釋放量等術語對煙霧強度進行度量。

4 結語

本文利用現有標準適用性分析法和相關信息綜合分析法嘗試對軍用無人機的試驗方法進行探究。針對軍用無人機所經受的環境條件具有較大的復雜性和不確定性增加了確定其環境應力的難度的問題，本文初步探討了相應的技術路線和實施方案。國外已有相對成熟的結果，國內也有相關的軍用裝備以及民用無人機試驗方法和相關研究成果，為本文研究提供了技術借鑒基礎；另外，隨著無人機廣泛研發應用，外場使用數據和內場試驗逐步積累了豐富的試驗信息和經驗。本文提出的研究實施方案在理論上是可行且具有較高工程實用價值。