浅谈装甲车辆研制中的环境工程

张忠，张帆

（1.中国北方车辆研究所，北京 100072；2.无锡商业职业技术学院，江苏 无锡 214153）

随着现代电子技术的应用与未来作战模式的转变，素有陆战之王的装甲车辆发展趋势也悄然发生着重大变化，快速突击、两栖作战、全域机动是今后装甲车辆使用的主要特征，由此也导致了装甲车辆环境适应性问题比较突出。按照我国陆军全域作战使用要求，未来装甲车辆既要能在江南湿热多沼泽泥泞环境中使用，又要满足北方冬季气温达-50 ℃的寒温带地理气象环境使用要求，还要满足东南沿海地区“三高一多”的气候特点或西北地区干热风沙大的自然环境。大纵深地域机动的使用特点使装甲车辆面临比较严峻的环境适应性挑战，这种现状与发展趋势要求在今后装备研制工作中，必须充分考虑各种环境因素（地理环境、气象环境、力学环境、电磁环境、生物环境等）对装甲车辆使用与保障的影响，系统地开展环境工程工作，提高装甲车辆的环境适应性。

1 装甲车辆行业开展环境工程遇到的问题

目前，我国装甲车辆行业中环境工程工作处于起步阶段，无论是军方的论证部门，还是研制方的设计管理部门或者试验验证部门都还没有环境工程系统概念，环境工作仅仅停留在环境试验的层面上。通过对装甲车辆行业环境工程现状分析，目前环境工程在装甲车辆研制与生产中应用主要存在以下几方面问题。

1）涉及环境工程的基础科研工作滞后，许多基础技术研究不系统，基础数据的测量、分析及标准化建设不完整。以装甲车辆工程设计所需的各种环境基础数据为例，目前还没有形成系统性的技术支撑数据库或标准。如装甲车辆使用中遇到的力学环境，整车设计时需要的数据包括各种车型、路面谱、可能遇到的最严酷力学环境（振动、冲击）量值及频带宽度；对于装甲车辆上安装的电子设备，需要的数据则包括设备在车辆上安装位置、车辆使用工况、局部诱发因素及诱发环境量值等信息。目前，我国的环境工程数据库中严重缺乏这方面数据，虽然也有一些科研单位开展了车辆的振动、冲击测量分析工作，但还没有形成可以支持装甲车辆行业研制与生产的有效数据格式。如装甲车辆振动数据测量工作，现在大部分科研单位对集中在20 Hz以下的平顺性测量与分析，而对影响车载电子设备的高频力学环境的测量分析甚少。对于装甲车辆车载电子设备，影响的频段一般在5～500 Hz 之间，但随着电子器件的小型化和表面贴装器件的大量应用，影响频率段正逐渐向更高频段发展。如果在现行科研工作中没有预见性地对有关环境量值及其影响进行系统规划测量分析，在需要开展工程分析工作时，极有可能出现无基础数据可用的尴尬局面。

2）产品论证部门或产品主机厂所对产品的环境适应性认识不足，对产品环境适应性要求的提出不系统，没有全寿命周期环境适应性概念。装甲车辆是由机、电、光、液组成的复杂武器系统，其中不乏大量的有机材料和光电产品的应用。过去，产品论证部门和产品主机厂关心的重点一直是产品性能，但对于作为产品质量特性中很重要的一个特性——环境适应性问题一直没有得到足够的重视，对待产品研制中的环境适应性问题也仅仅是“头痛医头，脚痛医脚”，出了问题仅仅有针对性地进行改进就万事大吉了。此种工作模式既浪费资源，又影响研制进度，与现代设计研究模式极不协调。以我国某装甲车辆为例，使用方提出的环境适应性要求仅有简单的几项，如整车贮存环境温度、整车工作环境温度、湿度等简单的气象环境指标。另外还有一些定性要求，如：装备能够满足高原、沼泽、丘陵地区使用，能够克服江河、湖泊、稻田等水障要求。从装甲车辆总体设计来讲，仅有上述要求是远远不够的，也不利于系统地开展有效的环境工程工作。另外，总体研制单位对所属部件的设计要求也很少提出系统的环境适应性要求。对于电子产品，总体研制单位往往将例行的环境试验规范作为环境适应性要求提出，而对于机械产品、液压产品、一般电器产品往往没有环境适应性要求，此种局面不利于装甲车辆环境适应性的提高，也不利于促进各级配套单位环境工程工作的系统开展。比如，在我国某些装备使用过程中，曾暴露出装甲车辆舱门无法关严、油气悬挂漏油、液晶显示器不能正常启动等环境适应性问题，究其原因是在设计初期对研制产品没有提出系统的环境适应性要求和相应的验收标准，致使设计人员忽略了环境适应性这一重要的质量属性。

3）研制单位没有在研制过程中贯彻有关环境适应性要求，大部分单位的产品设计还停留在结构设计上，而环境影响分析或缓减环境对产品的影响设计开展得都不理想。GJB 4239 一般要求中规定，应在武器装备论证、研制、生产及使用过程中开展环境工程工作，确定合适的环境适应性要求，并以合理的费用确保满足装备的环境适应性要求。但目前装甲车辆研制过程中，大部分参研厂家没有宣贯GJB 4239，环境工程工作仅仅涉及产品的例行环境试验。环境工程是一项与可靠性工程相同的系统工程，必须从组织和经费上予以保证，必须依靠强有力的科研管理体系，有计划地开展环境适应性设计、分析、试验、评估工作。目前，在我国的装甲车辆研制过程中，缺乏有效的环境工程技术支撑体系或组织体系是环境工程没有系统开展的主要原因之一。综观近年来多个在研装甲车辆，研制单位几乎都没有建立环境工程工作组织或技术支撑体系，研制进程也因此受到较大的影响。如，在装甲车辆研制历史上，就曾出现过装备的寒区适应性无法达到设计要求的事情，严重影响了装备的研制进度和设计定型工作。此类问题的产生，都源于产品研制单位没有系统地开展环境适应性设计与分析，没有系统地贯彻GJB 4239的要求。

4）环境适应性设计缺乏对设计余度的考虑，设计要求和试验验证要求全部按照相同的指标进行，研制风险大。近年来，笔者对多家参与装甲车辆车载电子设备研制厂家的环境适应性工作情况进行了调查分析。目前，在产品的环境适应性设计方面，设计人员缺乏对环境适应性设计余度的考虑，致使产品研制过程中频繁出现环境适应性问题。如某装甲战车车载电子设备，由于总体研制单位对此产品没有提出详细的环境适应性指标，研制单位也没有给设计人员下达相应的环境适应性设计要求，设计人员只能参照GJB 150环境试验要求进行设计，力学环境按照装甲车辆常用的试验要求（振动5～200 Hz，最大振动量值1.5 g，冲击按照10 ms，30 g）开展设计。但在实际使用过程中，该产品频繁发生车辆在过沟坎时设备断电或系统重起问题，为此，研制单位投入大量的人力、物力和财力开展了产品平台环境量值测量和减缓环境对其影响的工作，并最终在实验室模拟环境下冲击达到100 g 时故障得到重现。随后，设计人员改进了结构，加强了产品的抗冲击性能，问题才得以消除。上述环境适应性案例充分暴露出目前普遍存在的环境适应性设计要求不明确，环境适应性设计时缺乏设计余度考虑的现状。虽然产品按照GJB 150.16 和GJB 150.17 试验结果满足要求，但产品不一定满足整车的实际使用要求。

5）对平台环境认识不足。在设计输入时，经常出现对部件环境适应性要求不准确或不合理现象。目前，装甲车辆车载电子设备中，大部分是参照有关军用标准的通用要求提出的环境适应性指标，很少从产品安装或使用的实际情况去预测平台极限环境。如某装甲车辆的车载数据采集装置安装于动力舱内，由于没有相应的通用要求，研制单位在没有详细的设计要求时，只能按普通的装甲车辆车载设备环境适应性要求开展设计与试验，即最高工作温度选择55 ℃，最高贮存温度70 ℃。然而，平台环境量值的确定是环境工程中最重要的一项关键技术，一般情况下，即使开展了平台环境的实际环境量值测量工作，也不能完全按照实测的数据提环境适应性要求。由于实测的平台环境量值是在正常使用工况下测得的数据，完全没有考虑到可能出现的极限状态，所以，必须通过预测分析技术，预测平台可能遇到的极限环境，而且要明确极限环境重现的百分率。只有按照以上程序处理实测数据，按照科学的预测技术提出合理的环境适应性要求，才能保证所设计的产品在可遇到的极限环境下不发生环境适应性问题。仍以上述的某装甲战车数据采集装置为例，设计输入的环境适应性要求不仅应包括高温工作、高温贮存、振动、冲击等基本环境适应性要求，还应有油气浓度、腐蚀性气体浓度、高温高湿等指标要求。以其中的高温工作指标为例，高温工作极限至少要达到90 ℃以上。虽然在正常使用情况下，动力舱的环境温度不可能达到90 ℃，但如果在冷却系统出现问题时，或在高速运行状态下紧急停车时，发动机的热辐射非常严重，很有可能出现高于正常使用的极限高温环境，如果安装于动力舱内的数据采集装置不能满足此类特殊环境下的使用要求，则装甲车辆系统会发生一系列连锁反应，由此造成不可估量的损失。

6）环境适应性鉴定试验与环境适应性例行试验概念混淆，实践中往往以环境适应性例行试验替代环境适应性鉴定试验。其实，环境适应性鉴定试验的目的是鉴定产品是否满足总体或军方提出的环境适应性要求，而例行环境适应性试验是考核生产产品的质量稳定性，验证生产的产品是否与已定型的产品具有同样的环境适应性能力，所以，在抽样方式和验证量值上有所区别。目前，大部分研制单位没有开展环境适应性鉴定试验，仅以例行的环境适应性试验替代环境适应性鉴定试验，且多数情况下不考虑试验样本的抽取与试验结果的置信度问题，这也是装甲车辆在使用中仍有环境适应性问题发生的原因之一。

2 装甲车辆的环境工程工作模式探讨

环境适应性作为装甲车辆重要的质量特性之一，主要取决于各种零部件选用的材料、构件、元器件耐环境能力，以及零部件结构设计和工艺设计时采取的耐环境措施是否有效。解决装甲车辆环境适应性问题的有效措施是在装备研制、生产过程中系统地开展环境工程，按照GJB 4230 的要求开展相应环境工程工作项目。环境工程作为系统工程，由环境工程管理、环境适应性设计、环境适应性分析、环境适应性试验与评价四大部分内容组成[1]，其中，环境工程管理工作是所有环境工程工作的基础和必要保证。

2.1 环境工程管理

环境工程作为系统工程，既具有一般管理的属性，又具有专业技术管理特色。环境工程管理工作一般包括计划、组织、控制、监督、考核等五大要素，其中，组织功能不仅要求管理者组织环境工程工作项目的实施，还要求组织者根据装备研制的特点与组织模式，建立和完善环境工程工作体系，使总体研制单位及各级配套企业都能够得到相应技术人员的管理和技术服务。由于环境工程管理专业管理特色比较浓厚，所以环境工程管理必须由专业的环境工程技术人员协助科研管理人员规划研制过程中的环境工程工作。为此，装甲车辆研制中环境工程管理模式可以参考可靠性工作模式，在项目研制系统设环境工程专项组，在设计师队伍中建立兼职的环境工程工作体系，负责环境工程技术管理和环境工程技术服务工作。

通过对GJB 4239工作项目的分析及对装甲车辆研制模式的分析，装甲车辆环境工程开展可以参照图1所示的流程。其中，环境工程管理除了执行项目的计划、组织、控制、监督、考核等功能外，应重点加强对转承制方和供应方的技术监督，加强设计过程的环境适应性评审工作。条件成熟的单位应将对转承制方和供应方的监督和环境适应性评审工作纳入单位科研工作质量保证体系，使之成为与质量管理和设计评审相协调的制度化和规范化的管理模式。环境工程管理工作中另一项重要的基础工作是环境信息管理工作。装甲车辆涉及的环境信息繁杂而庞大，其中既有气象环境、力学环境、活性机械物质环境、水文地质环境，还有各种诱发环境，环境信息数据格式、信息数据用途也不尽相同，所以，环境信息工作应作为系统的基础工作有计划、有目的地开展。环境工程信息管理工作即包含有基础的环境信息收集、整理、分析及标准化工作，也有为得到特殊产品环境响应特性而开展的环境响应调查中环境信息的收集、整理、分析工作。环境信息的收集必要时可以借助类似装备的外场试验或使用机会专门安排。如装甲车辆射击时的力学环境，就可以有计划地利用各种射击试验或部队训练机会，测量装甲车辆上不同安装部位的冲击量值。当然，在数据测量之前，环境工程技术人员应针对不同设计与分析的需求，制定详细的测量计划，并在技术上予以保证。如冲击测量时采样频率和采样方式，振动数据测量时，路面、速度、测量部位、采样频率、滤波要求等。

图1 装甲车辆研制工程环境工程实施流程Fig.1 implementation flow of environmental engineering in armored vehicle development process

2.2 环境分析

环境工程中的环境分析工作是开展环境适应性设计和环境适应性试验的依据和基础，装甲车辆研制过程中的环境分析工作项目包括了寿命期环境剖面分析、环境类型与环境量值确定、使用环境文件制定等3 项工作内容。由于此3 项工作在以往的装甲车辆研制过程中一直未系统地开展，有些概念及数据表现形式仍在探讨之中。笔者认为，开展环境分析工作主要目的是为设计者提供明确的环境适应性要求，而环境分析工作中最关键的环节是环境类型与环境量值确定。按照图1 所示的流程，装甲车辆寿命期环境剖面的分析，应首先分析研制装备的使用剖面，分析装备的各种任务剖面，从全寿命周期的部署、贮存、使用直至报废，分析装备可能遇到的环境类型，此项工作应由环境工程专项组负责开展，并尽可能在设计输入初期完成。鉴于目前大部分研制单位未开展寿命期环境剖面分析工作，而寿命期环境剖面又是开展环境分析的基础。所以，应在装甲车辆研制工作模式及标准化工作要求方面增加此方面内容，将寿命期环境剖面、使用环境文件作为设计初期输出的必要文本，以法规形式推动环境工程相应工作开展。

装备（或产品）的寿命期环境剖面是依据装备（或产品）寿命期剖面、各种任务剖面、战技指标、使用剖面涉及的地域和海域、产品工作特性和平台位置等要求分析确定。装备寿命期剖面可按照表格形式描述预计出现各种环境因素、出现的频度等信息。装备的使用环境文件是开展环境适应性设计和环境适应性试验的依据，装备的使用环境文件等同于装备研制任务书中的性能指标要求，是开展环境工程的顶层技术要求。因此，对装备涉及的环境因素要尽可能详细，对出现的环境极值要求必须量化说明。在确定环境类型和环境量值时，应遵循以下原则。

1）在确定某一环境因素的量值时，应根据环境因素种类、环境因素的物理特征、环境因素数据点和数量、测试样本量等信息，通过工程处理方式，判断环境因素量值大小的代表性和可信度，不能把某一情况下测得的少量数据作为代表性数据进行处理。

2）环境数据质量取决于数据测量系统精度、传感器在装备上的安装部位、安装方式、测量过程、数据测量环节、数据记录和分析设备、仪器校准情况及对原始数据的预处理等因素，所以必要时应在环境量值确定过程中予以说明。

3）对某些极限环境数据因安全性原因而无法开展实测，或因为该环境极限量值发生的机率很小，而常规观测测量难以采集到的环境数据，应运用数据预测技术，对常规观测到的环境数据进行回归分析和预期暴露百分率的预测分析。

4）对全新研制装备，由于研制初期不可能有硬件产品投入使用，因此可以在论证阶段收集整理分析相似装备的环境数据，必要时可以参照有关军用环境数据进行剪裁确定。

2.3 环境适应性设计与分析

环境适应性设计工作包括编制环境适应性设计准则、环境适应性设计与环境适应性预计3项工作项目，通过环境工程在某步兵战车研制中的应用，环境适应性设计准则的编制与环境适应性设计对于提高产品的环境适应性效果最为显著。环境适应性设计准则的研究与制定应以专业的环境工程专项组为主，专项组应充分分析装甲车辆在运输、贮存、部署、使用及维修各环节遇到的各类环境因素，以减缓环境对装备的影响为目的，制定并推荐使用适合于装甲车辆使用的材料、工艺及结构设计，为设计人员提供设计参考。在编制环境适应性设计准则时，专项组应广泛征求有关专业人员的意见，吸收一批工程经验丰富的技术人员参加准则的编制，如材料专业人员、结构设计人员。环境适应性设计准则是一种投资少，效益好的工作项目，宜以型号项目的行政管理来推动。在装甲车辆研制过程中，应将设计准则作为必备的标准化文件发放至每个设计人员手中，使广大的设计人员在产品设计时能够从不同的侧面汲取设计灵感；在设计完成后，应根据设计准则的要求对所设计的产品进行环境适应性设计评审。装甲车辆的环境适应性设计准则至少应包含以下几方面内容：装甲车辆耐力学环境的设计准则（振动、冲击）、装甲车辆耐严寒的设计准则、装甲车辆耐高温湿热的设计准则、装甲车辆抗盐雾和海水腐蚀的设计准则、装甲车辆耐干热设计准则、装甲车辆水上安全性设计准则、装甲车辆克服越野障碍设计准则等内容。

环境适应性设计目前没有固定的工作模式和工作方法，一般环境适应性设计应从两方面着手：1）采取改善环境或减缓环境影响的措施，如适当的耐环境设计余量设计、防瞬态过应力损伤设计、保护涂（镀）层设计、密封设计、减振设计、冷却设计等；2）选用耐环境能力强的结构、材料、元器件和工艺。环境适应性设计可以采用传统的设计方法，但为了保证环境适应性设计能够系统地在工程设计中得到应用，笔者建议参照FMEA分析原理，采用自下而上的分析方式开展模式化的环境适应性影响分析，检验所设计的产品是否满足设计要求。环境适应性分析见表1。

按照零部件在系统中承担的功能，使用中可能遇到的环境因素、环境极限量值，对可能影响其功能正常发挥的各种环境因素进行影响后果分析，然后针对影响严重的事项或没有考虑到的环境因素开展缓解环境影响设计。按照此分析方法，既可以在设计阶段系统地提醒设计人员关注设计产品的环境适应性，又可以系统地考虑所遇到的各类环境及其缓解措施是否有效。

2.4 环境适应性试验与评价

环境适应性试验是环境工程的重点，是检验产品环境适应性是否满足设计要求的关键环节，环境适应性试验须与环境试验与评价总计划等技术管理工作相协调，并按照环境试验与评价总计划实施。GJB 4239规定的环境试验与评价共包含9个工作项目，其中技术管理型的工作项目有制定环境试验与评价总计划（401），而所有的试验工作都是围绕环境适应性评价（409）来开展的。可以说环境试验与评价总计划是开展环境试验工作的基础，环境适应性评价是开展环境试验的主要目的。通过对GJB 4239环境试验与评价中9个工作项目在装甲车辆研制与生产中的适用性分析，其中7 项工作项目与装甲车辆研制过程密切相关，除技术管理型工作项目外，其余6 项分别是环境适应性研制试验、环境响应特定调查试验、环境适应性鉴定试验、批生产装备的例行环境试验检验（或验收）试验、使用环境试验及环境试验评价等工作项目。

表1 环境影响分析表格Table 1 Environmental impact analysis form

环境试验与评价总计划是开展环境试验的纲，所以，制定环境试验与评价总计划要统筹考虑研制经费、研制进度和具备的技术基础，系统规划产品研制过程中的环境适应性研制试验、环境响应特定调查试验、环境适应性鉴定试验和外场的使用环境试验工作，使各项工作既相互协调，又相互促进和相互保障。环境试验与评价总计划是环境工程专项组工作的重点，在制定完成总计划后，应协调科研管理部门，将环境试验与评价总计划纳入科研计划中，并安排必要的试验经费和试验时间。在装甲车辆研制中，管理者应将环境试验的重点放在部件的实验室环境试验上，注重环境适应性研制试验，实现产品环境适应性的提高。在部件产品实验室环境适应性试验中，要依据总体单位提出的使用环境文件设计试验应力，不可盲目照搬GJB 150的要求。环境适应性研制试验是以暴露产品潜在问题为目的，所以在制定试验室环境应力时应适当增加应力量值，以能够充分暴露产品薄弱环节。

制定环境试验与评价总计划，还应考虑不同阶段的工作重点及预期目标，系统地安排环境试验项目。环境适应性试验应综合考虑实验室环境试验、使用环境试验之间的协调与统一，部件的环境适应性评价应将实验室环境试验、部件使用环境适应性试验和装机适应性试验相结合进行综合评价。以装甲车辆研制为例，产品定型之前，部件环境适应性试验应以实验室环境适应性研制试验为主，辅以整车适应性试验，必要时安排专门的环境响应调查试验（如平台环境测量试验等）。研制阶段的实验室环境试验由于其环境应力可控，既可用于发现设计缺陷，为改进设计提供信息，又可用于环境适应性评价，所以，实验室环境试验是研制阶段最主要的试验项目，也是提高产品环境适应性的主要环节。产品设计定型阶段，应重点安排环境适应性鉴定试验。环境适应性鉴定试验应将实验室的环境适应性鉴定试验和外场使用环境试验相结合，综合分析评价产品的环境适应性。产品设计定型之后，环境试验主要是实验室例行试验，其目的是检验产品满足制造验收规范的程度及产品的一致性。

3 结语

环境适应性是装甲车辆重要的质量特性，是通过贯穿于装备全寿命期内的环境工程各工作项目来实现的。环境工程作为系统工程，涵盖了技术管理、基础技术研究和工程实践等内容；工作项目涉及项目管理、工程设计、基础技术研究、产品制造的监督与控制、试验技术等方方面面。所以，环境工程的开展，必须得到管理层高度重视，在研制系统树立环境工程的大概念。各级管理人员要充分认识环境工程在装备研制生产中的地位和作用，加大力度宣传环境工程的理念，强调环境适应性是设计赋予产品的一个重要质量特性，从设计源头抓起，并注重产品研制全过程的控制与减缓措施的落实。工程设计人员和项目管理人员要转变思想观念，充分认识环境适应性的重要性和在武器装备中的地位，将产品环境适应性要求等同于产品性能要求，真正将环境适应性纳入装备的设计和制造中。

装甲车辆的环境工程工作刚刚起步，面临的问题和困难都比较多，既有技术要求方面不协调不准确的问题，又有基础研究不系统、基础环境数据不完整的问题，更有大部分设计人员和管理层对环境工程的认识不足等问题。所以，在装甲车辆研制与生产中推行环境工程任重而道远。笔者建议在装甲车辆研制过程中，应利用现有的研制、试验等资源，有目的地开展环境适应性基础研究工作和环境数据库建设工作，并针对装甲车辆研制模式开展环境工程工作标准化模式探讨研究工作，以此促进环境工程工作的有序开展。推动环境工程的方式可以采取在设计师系统建立环境工程专项组的模式，有效地从技术上系统地支撑环境工程工作的开展。

[1]王洪光.陆军武器装备[M].北京：原子能出版社，2003：92—94.

[2]祝耀昌，常文君，傅耘.武器装备环境适应性与环境工程[J].装备环境工程.2005，2（1）：78—79.

[3]GJB 4239-2001，装备环境工程通用要求[S].

[4]GJB 150.16-86，军用设备环境试验方法·振动试验[S].

[5]GJB 150.17-86，军用设备环境试验方法·冲击试验[S].

[6]张铮，周林，黄瑞毅.加强装备环境工程管理，提高装备环境适应性[J].装备环境工程，2004，1（3）：23—27.