重视环境因素对浮空器的影响

王云　吴玲

摘要： 空中环境对浮空器系统安全运行有很大影响，必须重视浮空器的空中环境可靠性设计及各种环境试验。文章提出了在浮空器设计、飞行试验过程中，可能影响安全的各种空中环境因素，并通过试验数据，初步推断出各种环境因素对浮空器影响的计算公式。

关键词： 空中环境；浮空器；可靠性；环境试验；试验数据 文献标识码：A

中图分类号：TK124 文章编号：1009-2374（2017）10-0081-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.040

1 概述

近年来飞艇及系留气球等浮空器由于在滞空时间和运行费用等方面具有优势，因此得到了广泛关注。

众所周知，产品的设计与产品的可靠性密切相关，所以在设计浮空器的时候需要尽可能多选择那些可靠性高、技术先进的技术和工艺。然而，设计在完成后，如果不通过具体的试验，仅利用图面检查和原理演示是无法找出其中的问题的。产品的研制开发离不开试验这一过程，并且试验也是对产品性能考核评价的主要方式，所以在当下的产品研制初期，都需要完成对产品基本特性的分析和调查，明确其中可能影响产品试验的因素，并制定相应的试验操作流程，以确保产品研制工作可以顺利进行。

2 试验分类

产品研制生产阶段的试验非常多，但其总体上可以分为现场试验和实验室试验两类。现场试验指的是通过实际使用来验证产品的性能，比如在产品的运输、存储以及使用等环境进行产品性能的验证，查验其是否会出现破损或者功能缺失等情况。现场试验又可以具体分为飞行试验、跑车试验、自然暴露试验等。实验室试验指的是测试产品在某些特定受控条件下的性能，比如环境条件、电源条件等。不同试验目的所需的受控条件是不同的，它需要根据具体的情况来模拟相应的使用条件，以此来验证产品的性能。通过实验室试验可以帮助研发人员找出产品在研发初期的问题和不足，并且结合具体的问题制定相应的改进和处理措施，进而对产品进行完善和改进。在产品的研制后期，由于实验室条件的限制，其无法将现场环境进行最真实的模拟，所以必须通过现场试验来找出产品中那些比较深层次问题和不足。

在进行现场试验时，产品完成的任务能夠表明其自身的使用寿命典型任务，那就说明实验结果具有代表性，它所检测出的结果与产品的真实性能相符合。然而在短时间内现场条件是无法全部达成的。比如以其环境试验中的气候试验为例，有些产品需要在冷热不同环境下试验一年以上，但是自然界中端冷和极端热环境是无法保证其可以及时出现并被利用的。这些现场条件是无法控制的，这就给现场试验带来了很大的难度。所以在实际工作中，通常都在最后的研制环节采用现场试验来进行复验。在大多数的产品研制、设计以及验收工作中，基本都是采用实验室试研制以及生产中的可靠性试验与环境试验分析。

性能试验指的是在实验室中通过相关的试验来测试产品的性能，它的目的有两个：第一，对研制产品的性能进行评估，检验其是否达到设计的要求；第二，制定一套合理科学的性能评判基准，以此来完成对试验中、试验后所得到数据的比较，进而对产品性能的变化趋势以及其性能进行合理的评估。性能试验是其他试验的基础，产品研制阶段样机制造出来后应立即进行性能试验，看其是否满足设计要求，试验过程中暴露出来的缺陷应作为改进措施的直接依据，一般情况下要经过反复设计和改进后才能使研制的产品通过性能试验，然而通过了性能试验的产品在实际环境条件下不一定能正常工作，因此性能试验后要进行环境试验。

3 环境试验研究

环境试验是在产品通过了性能试验后，为了保证产品能耐受预期的极端环境（包括气候、力学、电磁等）的破坏作用而进行的一系列研制和验证试验，具有重要意义。由环境应力造成的失效产品故障的常见原因，1971年美国对机载设备全年的故障进行剖析，结果显示50%以上的故障是由各种环境所致，而温度、振动、湿度三项环境造成电子设备43.7%的故障。同样浮空器囊体材料和其搭载的各种电子设备都受到类似的影响。如何保障浮空器安全，减少在使用中由环境影响造成的故障比率，应在研制和生产阶段充分开展环境试验工作。环境试验指的是以考核所设计或生产的产品对预定环境适应性为目标的试验。产品的环境适应性是指产品在运输、储存以及工作中对其对应环境的适应性，其包括在最恶劣运输储存环境下，产品的抗损坏能力和工作性能。需要注意的是这里的适应性指的是产品在这些环境下的短期适应性，而不是指的长期适应性，所以其不属于可靠性指标。

环境试验多为单项试验，这种试验的设备比较简单、试验费用少，且很容易看出来某一环境因素对产品的影响。但是跟实际使用情况仍有一定的区别。环境试验的种类很多，根据浮空器的使用条件及要求，常用的环境试验包括高温试验、低温试验、紫外线辐照试验、湿热交变试验、高温老化及低压试验等。

常见的环境试验的标准试验条件如下：

第一，高低温试验：

高温试验条件：60℃稳定20min。

低温试验条件：-40℃稳定20min。

试验结果见表1：

表1 高低温对某材料拉伸强度的影响表

温度 均值（N） 变化率

常温 3300 ――

60℃ 2800 -21.4%

-40℃ 4200 +39.5%

第二，高温老化试验：

试验条件：高温120℃维持老化时间336h。

低温试验条件：-40℃稳定20min。

试验结果见表2：

表2 高温老化对某材料拉伸强度的影响

项目 均值（N） 变化率

常温 2500 ――

高温老化后 2200 -26%

第三，湿热交变试验。

试验条件及试验时间如表3所示：

表3 湿热交变对某材料拉伸强度的影响表

均值（N） 变化率

常温 3300 ――

湿热交变 3200 -7%

第四，紫外线辐照试验。

试验条件：光照为常温、紫外线辐射强度为0.59W/m2.n·m、波长为310nm。

辐射方法：每次循环在80℃下，照射20h，在喷水5min（空气温度不控制），然后50℃保持4h，依次

循环。

试验结果如表4所示：

表4 紫外线辐照对某材料拉伸强度的影响

材料 均值（N） 变化率

常温 2210 ――

375h 2100 -12%

750h 1600 -36%

1125h 1300 -49%

3000h 960 -62%

第五，低压试验。

试验条件：贮存压力为57kPa；贮存时间为1h；贮存压力变化率10kPa/min。

试验结果如表5所示：

表5 湿热交变对某材料拉伸强度的影响表

均值（N） 变化率

常温 3300 ――

湿热交变 3200 -7%

4 结语

通过以上各环境试验的结果，猜想在各种环境条件共同影响下，环境因素对囊体材料的影响大致可用以下公式表示：

式中：k为一段时间后某囊体材料性能的損失率；T为各种环境因素的作用时间，单位为h；T1为紫外线辐照时间；T2为高温老化时间；T3为高温时间；T4为低压时间；T5为湿热交变时间；T6为低温时间。

假设某型号浮空器在外场试验60天，其中晴天40天，雨天20天，平均日照8h，每天高温平均5h，根据统计数据，大致可以得到：

则代入公式可得材料强度损失率为7.9%。

此公式只是在现有的试验数据的基础上，进行大致推论得到，具体还需要进一步的试验进行完善。本文旨在提供一种思路，量化各种空间环境对浮空器囊体性能的影响。

参考文献

[1] 龙飞，张华.浮空器副气囊体积对环境适应性的影响分析[J].科学技术与工程，2011，（28）.

[2] 颜标.浮空器囊体材料力学性能实时测定[J].实验科学与技术，2012，（1）.

[3] 费东年，王军，高尚书.浮空器设备挂架结构总体设计[J].科学技术与工程，2012，（8）.

作者简介：王云（1979-），女，中国电子科技集团公司第三十八研究所工程师，研究方向：浮空器结构及总体设计；吴玲（1981-），女，中国电子科技集团公司第三十八研究所高级工程师，研究方向：浮空器结构强度设计。

（责任编辑：蒋建华）