系留气球环境适应性研究

孙 帆 刘宗强 龚惠玲 陈 芳

（1. 南京航空航天大学，江苏 南京 210016；2. 中航工业特种飞行器研究所，湖北 荆门 448035）

1 国内外系留气球环境适应性研究现状

国外环境工程在系留气球的应用特点主要表现在系统化、专业化和产业化等方面。欧美国家在系留气球的环境适应性方面已取得了丰硕的成果。

由于观念的陈旧、认识上的误差，在系留气球的研究方面，国内没有将环境工程作为系统工程加以考虑。另外，现有航空标准对系留气球针对性不强。长期以来我国系留气球的环境适应性工作仅仅停留在环境试验的环节上，造成产品的环境适应性不高，不能满足在各种恶劣环境条件下的使用要求。

2 系留气球环境工程

2.1 环境适应性

它是产品在其寿命期预计可能遇到的各种环境的作用下能实现其所有预定功能、性能和（或）不被破坏的能力，是产品的重要质量特性之一。

产品的环境适应性是以产品是否失效或有故障作为判据的，基本上是以适应或不适应作定性判据，即如果产品环境适应性不合格，意味着产品不能投入使用。

产品的功能和性能均满足要求，说明其在预定环境中能正常工作，这是环境适应性的一个标志；另一个标志是产品在预定环境中不被破坏的能力。

2.2 环境工程技术体系

环境工程是系统地应用各种技术和管理措施使产品环境适应性达到规定要求的系统工程，包括环境工程管理、环境分析、环境适应性设计和环境试验与评价。

首先，根据环境工程技术体系中的环境数据和环境分析技术对系留气球的全寿命周期所遇环境因素及其影响进行分析，并针对环境影响开展环境适应性设计。

其次，根据前面分析及相关标准选择试验项目、试验参数，确定试验方案。系留气球环境试验采用了GJB 150A–2009《军用装备实验室环境试验方法》[1]系列国家军用标准。

最后，根据系留气球环境试验情况对实际工程设计给出建议。

2.3 系留气球软式结构环境适应性

系留气球的使用特点是：野外露天工作、任务周期长、任务范围广、设备工作海拔高等。

环境对系留气球产品的影响主要表现为：降低结构件的拉伸断裂强度；影响材料的透氦率；降低产品寿命。

3 系留气球全寿命周期环境影响因素分析

对系留气球影响最大的环境因素主要包括：温度、湿度、盐雾、霉菌和太阳辐射。

3.1 温度

3.1.1 温度因素影响分析系留气球环境适应性的研究主要是研究其在运输阶段、使用阶段和贮存阶段。期间的环境温度基本上在–40℃～50℃波动。

3.1.2 温度效应分析

在高、低温的作用下，系留气球软结构通常产生的失效模式有两种：强度和弹性材料物理特性的变化；加速老化，诱发材料开裂、分解。

3.1.2.1 高温环境效应

在高温的作用下，系留气球软式结构普遍产生的失效模式有两种：强度和弹性材料物理特性的变化；加速老化，诱发材料和表面涂层的开裂、分解、龟裂或退色。

3.1.2.2 低温环境效应

在低温的作用下，系留气球软式结构普遍产生的失效模式有两种：强度和弹性材料物理特性的变化；在低温下材料脆性增加，导致材料因折叠而脆裂，进而导致寿命缩短或性能降低。

3.1.2.3 温度冲击环境效应

系留气球暴露于温度冲击环境时可能引发的问题是：引起材料的膨胀或收缩，导致应力集中而发生开裂。

3.2 霉菌

3.2.1 霉菌因素影响分析

霉菌的生长发育受到自然界各种因素的影响比较复杂。但就系留气球而论，受霉菌侵袭的环境条件概括起来为3大要素。

温度：绝大多数霉菌的平均最适温度一般定在25℃～30℃之间。

相对湿度：一般生长最适宜的相对湿度为85%～100%，相对湿度在70%时也能生长。低于65%时，多数霉菌不再生长，孢子停止萌发。所以在霉菌试验时，一般将相对湿度控制在96%以上。

营养物质：霉菌在生命活动的各个阶段，碳、氮、钾、磷、硫和镁等是霉菌必需的养料。

3.2.2 霉菌效应分析霉菌生长对一般系留气球造成的有害侵蚀主要包括：对材料的直接侵蚀、对材料的间接侵蚀。

3.2.2.1 对材料的直接侵蚀

系留气球软结构的材料主要由高分子的复合材料构成，其表面覆盖有防气体渗漏和防太阳辐射等的合成材料涂层，主要成分是聚氨酯、聚氯乙烯，均为非抗霉材料，容易受到直接侵蚀。霉菌能将其分解作为自己的养分，这就影响了产品的性能。

3.2.2.2 对材料的间接侵蚀

对抗霉材料的损害来自间接侵蚀。霉菌与敏感材料接触会导致其降解，而霉菌的代谢产物与邻近的抗霉材料接触，从而造成间接侵蚀。

3.3 盐雾

系留气球暴露于腐蚀性大气环境中会受到3种类型的影响：腐蚀效应，电气效应和物理效应。

3.3.1 腐蚀效应

针对系留气球软式结构，盐雾会对其产生如下腐蚀效应：系留气球囊体材料被腐蚀，严重的会导致其抗老化性能下降；影响囊体材料的气密性。

3.3.2 电气效应

盐雾环境可能导致系留气球产生电气效应：盐沉积物会产生导电的覆盖层，使得绝缘材料及金属的腐蚀，导致设备电路的损坏。

3.3.3 物理效应

盐雾环境可能导致产生下述物理效应：机械部件和组件的活动部分阻塞或卡死；电气部件由于电解作用而导致涂层起泡。对于系留气球主要是影响其囊体材料抗拉强度和延伸率等物理性能。

3.4 湿度

3.4.1 表面效应

包括：加速化学反应，导致表面覆盖层的化学破坏；表面水气和外来附着物相互作用产生腐蚀膜；摩擦系数的改变导致粘结或粘附。

3.4.2 材料性质的改变

包括：物理强度降低；复合材料的分层、塑性或弹性变化、气密性降低。

3.5 太阳辐射

太阳辐射产生的效应主要分为2种：热敏效应和光化学效应。

3.5.1 热敏效应

太阳辐射的不同谱段，对系留气球的影响也不同。由于系留气球是在高空使用，而高空大气层中杂质少，太阳辐射能量较高，不过其温度较低、风的作用比较多，会带走部分热量，因此太阳辐射对系留气球的热效应不明显。

3.5.2 光化学效应

光化学效是针对非金属材料而言，系留气球软式结构件均为非金属材料，故主要考虑光化学效应对其影响。波长短于300 nm的紫外照射虽然只占所有太阳辐射的1%左右，但作用很大。对于系留气球的囊体材料来说，紫外线的光量子能破坏其分子聚合物的化学键，引起光化学反应，造成分子量降低、材料分解、裂析、变色、弹力和抗张力降低等。紫外线和臭氧还会影响橡胶、环氧树脂粘合剂和甲基丙烯气动密封性能的稳定性。紫外线会改变热控涂层的光学性质，使表面逐渐变暗，提高太阳辐射的吸收率，从而影响系留气球的温度效应。

4 系留气球环境试验

4.1 温度试验

4.1.1 试验条件

在温度因素对系留气球影响分析过程中，我们了解了温度冲击对系留气球的影响。在试验前先确定试验参数即试验温度和保温时间。

根据工程经验， 建议试验温度控制在–50℃～50℃；保温时间已产品达到稳定温度为宜，一般控制在0.5h到1h之间。

4.1.2 试验方法

试验方法按照GJB 150.3A–2009《军用装备实验室环境试验方法 第3部分：高温试验》和GJB 150.4A–2009《军用装备实验室环境试验方法 第4部分：低温试验》执行。

4.2 霉菌试验

4.2.1 试验条件

由于霉菌发芽、分解含碳分子以及降解材料所需时间是28天，因此霉菌试验的最短时间为28天，试验过程中检查外观长霉程度即可。

4.2.2 试验方法

按照GJB 150.10A–2009《军用装备实验室环境试验方法 第10部分：霉菌试验》规定执行。

4.3 盐雾试验

4.3.1 试验条件

根据GJB 150.11A–2009《军用装备实验室环境试验方法 第11部分：盐雾试验》要求及系留气球实际工作环境确定试验条件如下：确定盐溶液的浓度为5%±1%；确定试验持续时间为24 h连续喷盐雾和24 h干燥两种状态循环96 h的试验程序；

喷盐雾温度为35℃±2℃；盐雾沉降率为1～2 ml/80cm2.h。

4.3.2 试验方法

按照GJB 150.11A–2009《军用装备实验室环境试验方法 第11部分：盐雾试验》执行。

4.4 湿热试验

4.4.1 试验条件

根据GJB 150.9A–2009《军用装备实验室环境试验方法 第9部分：湿热试验》、ASTM D5427要求及系留气球实际工作环境，确定试验条件如下：试验温度（80±2）℃，相对湿度（95±5）%；加速老化时间336 h。

4.4.2 试验方法

根据ASTM D5427并参考GJB 150.9A–2009《军用装备实验室环境试验方法 第9部分：湿热试验》要求确定。

4.5 太阳辐射试验

4.5.1 试验条件

按照ASTM G155–05a要求及系留气球实际工作环境确定实验条件如下：

● 使用辐射强度为0.35W/m2•nm、波长为340 nm的氙灯照射；

● 照射方法为每次循环在温度77℃，相对湿度70%下，照射1.5 h，再照射和喷水0.5 h，依次循环。

4.5.2 试验方法

按照ASTM G155–05a并参考GJB 150.7A–2009《军用装备实验室环境试验方法 第7部分：太阳辐射试验》的相关规定执行。

5 工程建议

5.1 高温环境适应性设计

根据高温对系留气球的影响效应，对系留气球的高温环境适应性设计，从两个角度出发考虑：一是改善产品内部结构的温度环境；二是提高产品元器件自身的高温适应能力。

结合系留气球的使用特点，给出以下建议：第一，改善产品内部结构的温度环境方面：建议在发热量大的部位加装散热风机；第二，将发热量大的设备布置在尽可能远离气囊的部位，如整流罩、外挂架等处。

5.2 低温环境适应性设计

根据低温对系留气球的影响效应，针对系留气球的低温环境适应性设计主要包括两个方面：其一，改进产品结构：尽可能的减少“非圆弧过度”设计。其二，严格展开、拆收规程。 展开应尽量减少剧烈拖动； 拆收应尽量展平后折叠，并尽量用软套包裹不能拆卸的硬结构件和设备；对低温敏感的部件，改善其局部温度环境，将其放置在发热量较大的器件附近； 对元器件100%进行一次和二次筛选，包括低温测试。

5.3 盐雾环境适应性设计

根据盐雾对系留气球产生的影响效应，建议对系留气球的盐雾环境适应性设计主要是选用耐候材料，对新材料应先进行盐雾试验，确保其各方面的性能均满足设计指标要求，再投入工程应用。

5.4 霉菌环境适应性设计

根据霉菌对系留气球产生的影响效应，建议对系留气球的霉菌环境适应性设计如下：

5.4.1 结构设计

产品在设计时，整体外观要求光滑、流畅、简洁，尽量不要有缝隙、凹槽，以免积水藏灰，为霉菌的生长创造条件，为提高其抗霉能力。

产品的抗霉能力很大程度上取决于其材料的选取，选取抗霉能力强的材料，能从根本上提高产品的抗霉能力。

5.4.2 生产工艺及过程控制

系留气球的成型基本上都是特殊过程，一旦成型，就很难返工返修，后续检验也难以发现一些缺陷，因此就对生产工艺提出了更高的要求。

5.4.2.1 热合电流、压力

热合过程的工艺参数如果控制不好，热合部位就宜留下缝隙，就易于霉菌生长。

5.4.2.2 胶接时胶层的厚度、均匀性及加压的时间和压力大小

胶接的胶层厚度、均匀性及加压的时间和压力大小如果控制不好，都易留下缝隙或在后续脱胶开裂，也就为霉菌的上传提供了条件。

5.4.2.3 贮存控制

控制霉菌滋生的办法之一是除氧封存，试验表明，如果密闭系统内的氧气浓度低于1%，密闭系统内的物品就不会发霉[2]。

控制霉菌滋生的另一有效办法是控制温湿度。绝大多数霉菌的平均最适温为25℃～30℃之间，而在0℃～10℃时，霉菌生长显著变缓。相对湿度也是霉菌生长的必要条件。一般生长最适宜的相对湿度为85%～100%，但相对湿度在70%时也能生长，低于65%时，除个别霉菌外，多数霉菌不再生长，孢子停止萌发。因此，应将贮存环境的温度控制在0℃～10℃，将贮存环境的湿度控制在65%以下。

5.5 湿热环境适应性设计

5.5.1 选材

主要是选用耐候材料，选用新材料时应先进行湿热试验，确保其各方面的性能均满足设计指标要求，再投入工程应用。

5.5.2 贮存环境

确保贮存环境通风、干燥，长时间不使用时，要定期开箱晾晒。在撤收时，尽可能地选择晴好天气待囊体材料彻底干燥后打包。

5.6 太阳辐射环境适应性设计

根据太阳辐射对系留气球产生的影响效应，建议对系留气球的太阳辐射环境适应性设计主要是选用耐候材料，对新材料应先进行太阳辐射试验，确保其各方面的性能均满足设计指标要求，再投入工程应用。

6 结论

本文通过对系留气球全寿命周期内所遇到环境因素及其影响分析，确定了系留气球会受到温度、霉菌、盐雾、湿度及太阳辐射这几种主要因素的影响。然后，根据系留气球使用环境的特点和相关试验标准，确定了对系留气球的试验项目和试验方案并给出系留气球环境适应性设计工作的工程建议。

[1]GJB 150 A–2009 军用装备实验室环境试验方法 [S].

[2]张江涛，吴龙益.机载设备霉菌防护设计[J].装 备环境工程，2007.