GJB 150.3A中高溫試驗程序剖析（一）： GJB 150A/150高溫試驗程序及其相互關(guān)系

彭雄偉，祝耀昌，李 明，李寶晗

（1.西安西測電子技術(shù)服務(wù)有限公司，西安 710119；2.中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028； 3.中航工業(yè)洛陽光電設(shè)備研究所，洛陽 471003）

0 引言

GJB 150A[1]自2009年頒布以來，試驗人員一直對其高溫試驗中的日循環(huán)試驗程序的理解和應(yīng)用存在疑問：為什么要將GJB 150.3 中的恒定高溫貯存和工作試驗改成日循環(huán)？為什么 GJB 150.3A 中規(guī)定的恒定溫度貯存試驗的時間要在受試產(chǎn)品達(dá)到溫度穩(wěn)定后再加上至少 2 h？GJB 150.3A 規(guī)定恒定溫度貯存試驗用于貯存在發(fā)熱設(shè)備附近的裝備，那么什么樣的裝備會貯存在發(fā)熱設(shè)備附近？GJB 150.3A 的工作日循環(huán)試驗又適用于什么樣的裝備；對于那些一旦啟動工作，太陽輻射加熱和自然環(huán)境溫度對其工作環(huán)境溫度不起 主導(dǎo)作用的裝備能采用日循環(huán)工作試驗嗎？諸如此類問題，GJB 150.3A 中均沒有明確的說明，從而使該標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用受到影響。本文嘗試對這些問題予以分析和討論，以期幫助試驗人員更好地理解和應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)。

1 GJB 150.3A 中的溫度試驗程序

GJB 150.3A 設(shè)置了貯存和工作2 個試驗程序，每個程序又分為溫度日循環(huán)試驗和恒定溫度試驗2個子程序，具體見表1。

表1 GJB 150.3A 的高溫試驗程序 Table1 High temperature test procedures in GJB 150.3A

1.1 日循環(huán)貯存和日循環(huán)工作試驗

1.1.1 基本內(nèi)容說明

日循環(huán)貯存和日循環(huán)工作試驗程序的特點是分別模擬太陽輻射誘發(fā)的空氣溫度和自然環(huán)境空氣溫度。即裝備貯存或運輸狀態(tài)下暴露于自然環(huán)境空氣溫度下時，日曬在裝備殼體內(nèi)部誘發(fā)出的 空氣溫度，以及百葉箱中測出的大氣溫度。一般來說，帶殼體的裝備內(nèi)部溫度可以高出自然環(huán)境空氣溫度15～22 ℃。GJB 150.3A 給出了世界上“基本熱”和“熱”兩類地區(qū)的地理分布，以及各自對應(yīng)于1%時間風(fēng)險極值溫度的溫度日循環(huán)數(shù)據(jù)，如 表2所示。

表2 世界基本熱和熱兩類地區(qū)的地理分布和溫度 Table2 Location and temperature of basic hot and hot dry regions of the world

由表2可以看出：“基本熱”類地區(qū)裝備貯存或運輸狀態(tài)內(nèi)部誘發(fā)的空氣溫度極值（63 ℃）要比自然環(huán)境溫度極值（43 ℃）高20 ℃，而“熱”類地區(qū)則高出22 ℃。

表2中的“熱”類分布地區(qū)中亞州只有巴基斯坦和印度，沒有中國，似乎在我國國內(nèi)使用的軍用裝備不必按“熱”類地區(qū)的溫度極值（71℃）進(jìn)行設(shè)計和試驗，但這是不可取的。一方面是因為GJB 150.3A 等效采用了美軍標(biāo)MIL-STD-810F[2]第II 部分的高溫試驗信息，而這些信息來源于MIL-HDBK-310《研制軍用產(chǎn)品用的全球氣候數(shù)據(jù)》和美國陸軍規(guī)程AR70-38《用于極端氣候條件的裝備的研究、研制、試驗和評價》。這些標(biāo)準(zhǔn)在確定世界范圍熱類地區(qū)時沒有納入中國最熱地區(qū)的數(shù)據(jù)。事實上20世紀(jì)70年代末，我國環(huán)境專家在南方一些機(jī)場（如江西向塘機(jī)場）對比斯飛機(jī)（殲6 飛機(jī)）內(nèi)部溫度進(jìn)行過實測，均測得高于70 ℃的高溫。另一方面基于全球作戰(zhàn)戰(zhàn)略考慮，也應(yīng)當(dāng)采用覆蓋世界范圍的溫度極值。

1.1.2 GJB 150.3A 采用日循環(huán)試驗程序的原因

氣候環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)中，有完全模擬環(huán)境極值和只模擬環(huán)境效應(yīng)的2 類試驗方法。完全模擬環(huán)境極值的試驗條件設(shè)計原則之一是采用有一定風(fēng)險的極值。軍用裝備能夠承受某一氣候環(huán)境因素極值的作用就意味著其也能承受比極值溫和的該氣候因素的其他值。GJB 1172《軍用設(shè)備氣候極值》和MIL-HDBK-310《研制軍用產(chǎn)品的全球氣候數(shù)據(jù)》2 個標(biāo)準(zhǔn)以0.5%、1%、5%、10%等風(fēng)險給出了相應(yīng)的氣候環(huán)境因素極值供選用，只要確定承擔(dān)的風(fēng)險和裝備未來使用地域，即可從標(biāo)準(zhǔn)中找到各因素的相應(yīng)風(fēng)險極值，用于裝備的設(shè)計和試驗。

GJB 150.3A 中規(guī)定的日循環(huán)模擬的也是環(huán)境極值，具體地說是模擬基本熱和熱2 種氣候類地區(qū)最熱月中時間風(fēng)險為1%的極值對應(yīng)日的溫度日循環(huán)；而GJB 150.3[3]中模擬的是1%風(fēng)險的那個極值（71 ℃），因此都可以看作極值模擬，但GJB 150.3A 的模擬更真實。美國環(huán)境工程專家Herbcr W.Ejbert 在《810G 的歷史與原理》[4]資料中指出，改為日循環(huán)貯存試驗的原因是要模擬裝備實際經(jīng)歷的71 ℃極值對應(yīng)的日循環(huán)溫度環(huán)境，而不是連續(xù)48 h 的恒定高溫環(huán)境。而且，恒定高溫（71 ℃、48 h）的試驗更為嚴(yán)酷，要求進(jìn)行更好的耐高溫設(shè)計，將會增加產(chǎn)品研制成本。

1.2 恒定溫度貯存和恒定溫度工作試驗

1.2.1 GJB 150.3 的恒定溫度貯存試驗僅模擬太陽 輻射誘發(fā)的高溫

GJB 150.3 沒有模擬溫度日循環(huán)的試驗程序，僅有恒定溫度貯存和恒定溫度工作2 個試驗程序。模擬貯存環(huán)境或工作環(huán)境中遇到的極端溫度，認(rèn)為產(chǎn)品能在極端溫度下貯存不被破壞或能正常工作，意味著其也能承受比極端溫度溫和的溫度環(huán)境。

世界熱地區(qū)1%風(fēng)險的太陽誘發(fā)溫度極值為71℃，GJB 150.3 將恒定溫度貯存試驗溫度定為70 ℃，是1983年制定標(biāo)準(zhǔn)時貫徹當(dāng)時流行的將試驗條件數(shù)字圓整化的結(jié)果；而48 h 的貯存時間是沿用早期810 系列標(biāo)準(zhǔn)[5-6]中的時間，有加嚴(yán)的成分，實際上不可能連續(xù)經(jīng)受極端溫度達(dá)48 h，因為一般一天中只有1～2 h 的最高溫度持續(xù)時間。

1.2.2 GJB 150.3A 的恒定溫度貯存試驗不模擬太 陽輻射誘發(fā)的高溫

GJB 150.3A 中的恒定溫度貯存試驗與GJB 150.3 中的70 ℃、48 h 的恒定溫度貯存試驗不是一個概念，切勿混淆。從表1可以看出：GJB 150.3的恒定溫度貯存試驗是模擬太陽輻射在帶外殼裝備內(nèi)部誘發(fā)起最大溫升后的溫度下貯存時對裝備的完整性、安全性的影響，而GJB 150.3A 的恒定溫度貯存則是模擬裝備貯存在發(fā)熱設(shè)備附近，由于發(fā)熱設(shè)備發(fā)熱造成的高溫環(huán)境對裝備完整性、安全性的影響。

1.2.3 GJB 150.3和GJB 150.3A的恒定溫度工作試 驗都是模擬平臺環(huán)境溫度

GJB 150.3 的恒定溫度工作試驗是模擬裝備工作狀態(tài)遇到的最高溫度，通常是指平臺上的誘發(fā)環(huán)境溫度，MIL-STD-810C[5]稱之為設(shè)計最高工作溫度；GJB 150.3A 的恒定溫度工作試驗適用于其工作狀態(tài)會遇到人為發(fā)熱裝置，如電動機(jī)、發(fā)動機(jī)、電源、高密度電子封裝件，通過輻射對流或排出氣流的沖擊作用造成局部高溫環(huán)境的設(shè)備。因此GJB 150.3和GJB 150.3A 的恒定溫度工作試驗基本上是一回事。若裝備產(chǎn)品一直是在連續(xù)工作，就應(yīng)以這個恒定溫度作為高溫工作試驗的溫度；但如果某些產(chǎn)品 的常態(tài)是在此環(huán)境中不工作，必要時才工作，則此溫度既是高溫貯存試驗溫度，又是高溫工作試驗溫度。

2 MIL-STD-810C 中的高溫試驗與GJB150/ 150A 的關(guān)系

2.1 810C 中的高溫試驗程序及說明

許多人認(rèn)為GJB 150.3 中的高溫貯存試驗和高溫工作試驗全部等效采用了美軍標(biāo) MIL-STD- 810C 中方法503“高溫試驗”的內(nèi)容，其實不是這樣。圖1和圖2分別為810C 方法503 中的恒溫貯存和高溫工作兩個試驗組合起來的程序（程序I）和溫度交變循環(huán)貯存試驗和高溫工作試驗組合起來的程序（程序II）。

圖1 MIL-STD-810C 恒溫貯存和高溫工作組合試驗程序 Fig.1 The combination test procedure of constant temperature storage and high temperature operation in MIL-STD-810C

圖2 MIL-STD-810C 溫度交變循環(huán)貯存和高溫工作 組合的試驗程序 Fig.2 The combination test procedure of cycling temperature storage and high temperature operation in MIL-STD-810C

從圖1可以看出：恒溫貯存試驗溫度為71 ℃，時間為48 h；高溫工作試驗的溫度為產(chǎn)品設(shè)計最高工作溫度，時間為受試產(chǎn)品達(dá)到溫度穩(wěn)定后加上檢測產(chǎn)品功能和性能所需的時間。

從圖2可以看出：其溫度循環(huán)試驗用了世界上熱氣候區(qū)1%風(fēng)險極值的自然環(huán)境空氣溫度極值49 ℃和太陽輻射誘發(fā)的溫度極值71 ℃，分別保溫6 h 和4 h，加上中間升/降溫各1 h，構(gòu)成1 個循環(huán)為12 h。810C 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定溫度循環(huán)試驗需完成3個循環(huán)共36 h。但這一循環(huán)不是日循環(huán)模擬，只是把2 個極值組合起來構(gòu)成溫度循環(huán)，其設(shè)計原理不得而知。然而，把2 個極值放在一起是不恰當(dāng)?shù)模驗橘A存狀態(tài)的極值溫度只有1 個，不是太陽輻射誘發(fā)的71 ℃，就是不受太陽輻射影響的49 ℃，不可能同時存在。美軍標(biāo)從810D[6]開始，一直到810G，都不再用這種溫度循環(huán)，而是使用真實日循環(huán)[7-8]。有關(guān)高溫工作溫度試驗部分，也是使用產(chǎn)品設(shè)計最高工作溫度，與程序I 中的這部分是一樣的，可見，810C 的高溫工作試驗不使用日循環(huán)溫度。

2.2 GJB 150 與MIL-STD-810C 高溫試驗程序之間 的關(guān)系

1）高溫貯存試驗程序之間的關(guān)系GJB 150.3 中高溫貯存試驗程序等效采用了810C 方法503 程序I 的恒溫貯存試驗階段，只是貯存試驗溫度GJB 150.3 為70 ℃，而810C 方法503 程序I 為71 ℃。GJB 150 編制組根據(jù)當(dāng)時試驗條件圓整化的原則，將71 ℃改為了70 ℃，兩者都是模擬世界最熱地區(qū)1%風(fēng)險的極值溫度。

GJB 150.3A 雖然也有恒溫貯存試驗，但僅適用于貯存在熱源附近的設(shè)備或安裝在熱源附近且常態(tài)不工作的設(shè)備，不模擬太陽輻射引起的帶外殼設(shè)備內(nèi)部的高溫環(huán)境，因而與GJB 150.3 的高溫貯存試驗程序不能混用。

2）高溫工作試驗程序之間的關(guān)系

由圖1和圖2可以看出：810C 兩個程序的工作試驗階段是完全一樣的，都是恒定溫度試驗，模擬產(chǎn)品設(shè)計最高工作溫度。GJB 150.3 高溫工作試驗程序等效采用了810C 兩個程序的工作試驗階段。產(chǎn)品設(shè)計最高工作溫度實際上是指產(chǎn)品安裝在其平臺上的微環(huán)境中工作時遇到的最高溫度，這一溫度隨平臺不同和在平臺上安裝位置的不同而變化，通用標(biāo)準(zhǔn)中無法規(guī)定，應(yīng)當(dāng)通過實測得到。

3）GJB 150.3 沒有循環(huán)試驗程序

如前所述，810C 方法503 程序II 中貯存試驗以循環(huán)方式進(jìn)行，無法理解，因而GJB 150.3 沒有采用，810C 以后的810D/E/F/G 也取消了這一程序。

3 結(jié)束語

1）GJB 150.3 的高溫貯存試驗程序和高溫工作試驗程序來源于美軍標(biāo)MIL-STD-810C 方法503.1的程序I，后者是將高溫71 ℃恒溫貯存試驗和產(chǎn)品在恒定的最高設(shè)計溫度下工作試驗組合而成的恒定高溫試驗。GJB 150.3 將這一組合試驗程序分為兩個單獨的試驗程序。810C 方法503.1 程序II 是由自然空氣溫度極值（49 ℃）和誘發(fā)空氣溫度極值（71 ℃）構(gòu)成的循環(huán)貯存試驗與產(chǎn)品在恒定的設(shè)計最高溫度下工作試驗組合而成的試驗，由于該程序中的循環(huán)溫度試驗?zāi)M環(huán)境不恰當(dāng)，GJB 150.3 沒有采用，美軍標(biāo)810D/E/F/G 亦將其改成了模擬太陽輻射誘發(fā)環(huán)境溫度的日循環(huán)試驗。

2）GJB 150.3A 中的恒定溫度貯存試驗與GJB 150.3的恒定溫度貯存試驗?zāi)M的環(huán)境不一樣，GJB 150.3 模擬的是裝在密閉、不通風(fēng)的空間中（如飛機(jī)設(shè)備艙），設(shè)備在不工作狀態(tài)下遇到的由太陽照射密閉殼體誘發(fā)的內(nèi)部空氣的溫度。GJB 150 將恒定溫度試驗的溫度確定為70 ℃，相當(dāng)于密閉殼體置于“熱”類地區(qū)的1%風(fēng)險對應(yīng)的高溫誘發(fā)溫度極值，這種環(huán)境模擬在810D/E/F/G 和GJB 150.3A中用對應(yīng)于71 ℃的峰值高溫那天的日循環(huán)，即33～71 ℃的日循環(huán)。因此，GJB 150.3 的恒定高溫貯存試驗與GJB 150.3A 中的33～71 ℃日循環(huán)貯存試驗是一回事，兩者都模擬世界上最熱地區(qū)1%時間風(fēng)險的太陽輻射誘發(fā)的空氣高溫溫度。

3）GJB 150.3A 中的恒定高溫試驗?zāi)M的貯存溫度是產(chǎn)品貯存或不工作狀態(tài)遇到的由發(fā)熱設(shè)備發(fā)熱而不是太陽輻射誘發(fā)的高空氣溫度。放置或安裝在發(fā)熱設(shè)備附近的設(shè)備，要模擬其不工作狀態(tài)遇到的高溫時（相當(dāng)于貯存狀態(tài)），要進(jìn)行這種恒定溫度貯存試驗。這種貯存試驗的時間為受試產(chǎn)品達(dá)到溫度穩(wěn)定后再加上至少2 h，這與GJB 150.3 的恒定溫度試驗時間48 h 不一樣，千萬不能把GJB 150.3 中的70 ℃、48 h的恒溫貯存試驗的48 h改為GJB 150.3A中的“產(chǎn)品達(dá)到溫度穩(wěn)定后再加上至少2 h”。

4）GJB 150.3A 中無論是其恒定溫度貯存試驗還是其恒定溫度工作試驗的保溫時間均是產(chǎn)品在設(shè)定試驗溫度下達(dá)到溫度穩(wěn)定后再加上至少2 h。如此規(guī)定的理由是用直接測量法得到溫度穩(wěn)定時間不可能準(zhǔn)確，為確保受試產(chǎn)品真正達(dá)到溫度穩(wěn)定，以延時作為補充措施。根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、材料受溫度的影響情況和檢測產(chǎn)品功能、性能的需要，這一時間還可延長，因而規(guī)定至少2 h。

5）GJB 150.3A 中恒定溫度工作試驗程序的溫度主要取決于其實際工作環(huán)境中將遇到的溫度。對于大多數(shù)軍用裝備來說，是指其平臺環(huán)境溫度，很顯然這一溫度除了與自然環(huán)境（包括太陽輻射誘發(fā)的環(huán)境）初始或基礎(chǔ)溫度相關(guān)外，主要取決于裝備安裝平臺的運動和其安裝位置附近的設(shè)備發(fā)熱、通風(fēng)和冷卻能力。平臺運動時間取決于其作戰(zhàn)任務(wù)和自身工作特性，與自然環(huán)境日循環(huán)無關(guān)。一般情況下僅模擬其經(jīng)受到的最高溫度，這就是810C 中產(chǎn)品設(shè)計最高溫度和GJB 150.3 中工作溫度的來源，一般要通過實際測量獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。因此，大多數(shù)裝備不模擬日循環(huán)。特殊情況下，為了更真實模擬，也可按照產(chǎn)品負(fù)荷變化和工作周期，設(shè)計一個由幾個溫度組成的日循環(huán)，這通常用于壽命試驗。

6）GJB 150.3A 中的日循環(huán)工作試驗，其應(yīng)用對象和使用什么數(shù)據(jù)，將在本文第二部分加以分析和說明。

（未完待續(xù)）

（References）

[1] GJB 150A—2009 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法[S]

[2] MIL-STD-810F Environmental engineering considerations and laboratory tests[S],2000

[3] GJB 150—1986 軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法[S]

[4] Ejbert H W.The history and rationale of MIL-STD- 810[M].2nd ed.Institute of Environmental Sciences and Technology,2010

[5] MIL-STD-810C Space and army equipment environmental test methods[S],1975

[6] MIL-STD-810D environmental test methods and engineering guidelines[S],1983

[7] MIL-STD-810E Environmental test methods and engineering guidelines[S],1989

[8] MIL-STD-810G Environmental engineering considerations and laboratory tests[S],2008