谈谈环境工程剪裁和环境试验剪裁

祝耀昌，李 明

（中国航空综合技术研究所，北京 100028）

0 引言

众所周知，GJB 150是引用标准即菜单标准，而GJB 150A是剪裁标准，不能直接引用[1-2]。GJB 150作为引用标准，其包括的内容特别是试验条件可以被相关文件直接引用。因此GJB 150自颁布实施以来，其试验项目或试验条件在军工产品“环境技术要求”、成品研制协议（合同）书、甚至军工产品设计定型（技术鉴定）的环境鉴定试验大纲和研制总结等文件中被大量引用。引用者不必去研究分析研制产品未来的寿命期环境和自身特性等，也无须对引用的内容进行解释[3]。如果出了问题，则可把责任归咎于GJB 150。在我国军工产品刚进入自行研制阶段，缺少相似装备及其应用的环境数据、平台环境实测数据，而且研制人员的环境工程技术水平又不高的情况下，这一做法不失为一种简单易行的好方法。然而直接套用通用标准的内容，则必然会由于环境试验条件过于严酷而导致过设计和过试验，影响研制进度和造成资源浪费。鉴于此，美国从20世纪70年代起就开始研究试验剪裁问题，并把剪裁的思路和方法纳入到标准中。美国从修订 MIL-STD-810C就着手这项工作，历经810D[4]、810E[5]和 810F[6]，花了近 20年的时间基本完成了从引用标准向剪裁标准的重大转变。GJB 150A由于等效采用了810F第I部分的第5章《通用实验室试验方法指南》和第 II部分《实验室试验》，因而也具备剪裁标准的性质。

应当指出，810C修订的初衷只是将810C从引用标准改为剪裁标准，其重点是使试验条件可以剪裁。810D和810E两个修订标准的名称均改为《环境试验方法和工程导则》，它们的结构形式类似于810C，主要篇幅内容（如试验方法）仍保留了810C相关内容，而工程导则内容只包含在第4章《通用要求》中；两个修订提出在整个研制过程中都要适当考虑环境的影响，制订计划前要通过分析寿命期环境剖面等剪裁工作，确定环境设计和试验要求等。810D和810E两个标准内容相差不多。

2000年颁布的810F从结构到内容上都发生了重大改变。在结构上，其内容划分为两部分：第I部分为环境工程工作指南，第 II部分为实验室试验方法。在内容上，改变最大的是第I部分：提出了环境工程的概念和工作内容，对环境工程剪裁进行了定义，并为环境工程专家制定了剪裁指南，而且其剪裁的内容已不局限于环境试验的剪裁。

本文将对810F和GJB 150A中所述的剪裁内容进行介绍并作对比分析。

1 剪裁的定义、目的及任务

1.1 环境工程剪裁的定义及说明

1.1.1 定义

810F中关于环境工程剪裁的定义为“考虑装备寿命期内通常将遇到的特定环境强迫作用的影响，选择装备设计特性/容限和试验环境、试验方法、试验程序、试验条件、试验顺序，以及改变关键设计和试验量值、故障条件等的过程。剪裁过程也包括编写和审查工程任务、规划、试验与评价文件等。在剪裁中要确保在装备的整个采办周期内适当地考虑真实的天气、气候和其他物理条件。”

1.1.2 定义说明

810F第I部分的附录C《环境工程专家环境剪裁指南》中明确指出：“环境工程剪裁是选择或改变装备设计和试验的过程”。这是对810F剪裁定义的很好说明，但不够完整。实际上，环境工程剪裁是在研究将遇到的环境因素作用的基础上进行了如下3个方面的剪裁。

1）选择装备设计特性/容限，改变关键设计和故障条件

这实际上是对装备设计特性要求的剪裁。

所谓装备设计特性是指根据技术要求通过设计而赋予装备的特性。这些特性包括装备的物理特性（尺寸、重量、重心接口、互换性等）、功能性能、环境适应性、可靠性、维修性、测试性、保障性、安全性、电磁兼容性、电源环境适应性等。人们又把物理特性和功能性能称为产品的专用质量特性，而环境适应性和可靠性等特性称为通用质量特性。由此可见，剪裁涉及的内容非常广泛。每一质量特性都有其相应的技术指标和容差要求，如环境适应性，要考虑各环境因素的量值大小和容差。无论是各环境因素应力的容差，还是作为产品故障判据的性能参数容差，其量值的变化实际上就是判定产品是否有故障的依据，称它们为故障条件。因此上述质量特性的应力量值大小及其容差甚至故障条件均是剪裁考虑的重要因素，均需要根据具体情况剪裁确定。

2）选择试验环境、试验方法、试验程序、试验条件、试验顺序，改变试验量值

这实际上就是选择和改变试验的过程，即试验剪裁。

810F中的每一个试验方法都对应一种环境，因而选择试验环境就是选择试验方法。但针对该环境因素对不同装备作用或影响的方式不同，试验方法中往往设置多个试验程序，而每个试验程序均是一个完整的试验过程，即一个完整的试验项目。每个试验程序（试验项目）均有对应的试验条件。

环境试验中有一部分试验项目具有破坏性，而且作用于同一试件上的试验项目次序不相同时，由于产生不同的减缓或叠加效应，试验结果会不一样，因此试验项目实施次序也应很好地进行剪裁、设计。

3）编写和审查工程任务、规划、试验与评价文件

这实际上是对环境工程任务和管理文件的剪裁。

810F第I部分的附录C《环境工程专家环境剪裁指南》中明确指出：“广义说来，剪裁过程也包括编写或修改工程任务和计划文件”。所谓工程任务，就环境工程来说包括环境工程各个工作项目。GJB 4239中规定了包括确定环境适应性要求，进行环境适应设计和预计，开展环境试验与评价，以及全寿命环境工程管理方面的20个环境工程工作项目。由于军用装备研制的起点（包括全新研制、老型号改型）、承研方在型号系统中地位（总体单位、成品厂或成品厂的初始产品供应方）的不同，其实施的工作项目也不同，因而需要根据实际情况，如型号实施的研制阶段的不同等剪裁计划文件和试验文件。这些剪裁工作实际上是管理要求方面的剪裁。

可见，810F的剪裁工作，包括了设计要求（即环境适应性要求）的剪裁、试验剪裁、管理要求及文件的剪裁，剪裁工作遍及方案论证、研制、生产和使用全过程。

1.2 实验室环境试验剪裁的定义和说明

1.2.1 定义

GJB 6117－2007《装备环境工程术语》对实验室环境试验剪裁的定义是：“对装备寿命期各阶段实验室环境试验工作及内容等进行剪裁，是环境工程剪裁的组成部分”。

GJB 6117对该术语进一步解释如下：“是以有关标准或规范规定的试验方法为基础，根据装备（产品）的环境适应性要求、自身特性、相似设备情况、寿命期阶段、设备、人员等进行分析和权衡，确定装备（产品）寿命期各阶段环境试验要求及其具体内容的过程，包括试验项目、试验项目顺序、试验条件和试验步骤等方面的剪裁”。

1.2.2 定义说明

对定义进一步作说明如下：

1）实验室环境试验剪裁的最主要依据是装备（产品）研制合同或协议中规定的环境适应性要求；

2）实验室环境试验剪裁包括GJB 4239中规定的寿命期各阶段的环境试验剪裁，不限于环境鉴定试验；

3）实验室环境试验剪裁还要考虑产品自身特性、相似设备、试验设备等其他情况；

4）实验室环境试验剪裁是环境工程剪裁的组成部分，不包括环境适应性要求的剪裁。

1.3 环境工程剪裁的目的和任务

1.3.1 目的

810F第I部分的附录C中还明确指出剪裁的目的是：“帮助确保装备在其使用寿命期间预期遇到的特定环境方面不会出现过设计和欠设计、过试验和欠试验”，从而使“制造出和经过试验后的装备能在其整个寿命期经历的各种环境因素及其量值的作用下可靠地工作”。

众所周知，美国军用标准810C是一个引用的菜单标准，GJB 150作为其等效标准具有相同的性质。因此810C和GJB 150中规定的一些试验条件常常被直接引用作为设计要求和试验条件，从而导致过设计和过试验的情况屡屡出现。如许多产品怎么也通不过规定的试验，但在使用中却从未出现故障。因而随着810C和GJB 150的广泛贯彻实施，由于过设计和过试验所带来的进度延误、资源浪费，对自行剪裁确定环境适应性设计要求和环境试验条件的呼声日益高涨。810F和GJB 150A这类剪裁标准就是为了避免过设计和过试验而制定的。

1.3.2 任务

环境工程剪裁工作重点是装备设计要求（环境适应性要求）和环境试验要求。GJB 4239中工作项目201、202、203和204明确规定了实现这一目标的工作要点。在810F中则通过规定一组环境管理和工程任务来指导剪裁工作。这些任务及目标包括：制订环境工程管理计划；确定寿命期环境剖面；制定使用环境（数据）文件；确定环境要点/准则清单，即确定环境设计要求和试验量值，并作相关的技术问题说明；制订详细的试验计划及编写环境试验报告。这些工作关系参见810F中《环境工程工作指南》的图1-1。显然，这些工作涉及项目主任（项目总师）、设计工程师、环境工程专家、试验工程师、试验实施和操作人员。各种人员根据其职责实施相应的剪裁任务。

2 810F和GJB 150A的剪裁要求和分析

2.1 810F和GJB 150A的剪裁要求

GJB 150A是810F第I部分《环境工程工作指南》的第5章《通用实验室试验方法指南》和第II部分《实验室试验》的等效标准，因此GJB 150A的剪裁实际上仅限于对实验室试验及相关技术管理文件的剪裁。GJB 150A标准中涉及剪裁的内容及其与810F中相应部分的对比如表1所示。

表1 GJB 150A和810F中相应部分的剪裁要求Table 1 The tailoring requirements of the corresponding parts in GJB 150A and 810F

续表1

2.2 810F和GJB 150A的剪裁要求分析

从表1可以看出，GJB 150A和810F的相应部分基本上都有与剪裁相关的内容和要求，但存在着以下差异：

1）GJB 150.1A的前言没有直接明确标准的剪裁性质，而810F的前言中则明确说明“其第II部分的各试验方法不能全套引用，也不能作为不可改变的例行程序使用，而是用于选择和剪裁的基本方法”。

2）810F前言中明确剪裁的内容是设计要求和试验参数，而且明确标准中的第I部分提供了针对装备寿命期可能遇到的条件进行剪裁的任务、过程和方法指南。应当指出，剪裁设计要求和环境工程工作任务远远超出了实验室试验的范围，已扩充到管理和设计范围。作为810F这样一个集管理、设计和试验方法为一体的混合型标准，前言中有这方面的内容是理所当然的。GJB 150A作为实验室试验方法标准没有提及剪裁设计要求，符合我国军用装备设计要求应当由总体（师）单位剪裁的研制程序。

3）GJB 150A中的各试验方法不像810F第II部分的各试验方法那样在一开头就用眉语强调标准要进行剪裁后才能使用。

4）GJB 150A的编写格式基本上与810F相似，去除了 GJB 150中体现引用标准特点的《试验条件》和《引用本标准时应规定的细节》二节，而将《试验条件》一节改为《剪裁指南》。《剪裁指南》的内容除试验条件外还包括试验方法、试验程序、试验顺序等，具体内容两者基本相同。

2.3 GJB 150A、810F有关实验室试验剪裁阐述上的不足之处

GJB 150A、810F中有关《剪裁指南》一节强调根据装备寿命期可能遇到的环境、装备特性和受环境影响程度等，剪裁确定是否选用某种试验方法及该方法中的有关试验程序，以及确定各程序对应的试验条件。这一过程与我国军用产品的研制体制和程序不符，也不符合GJB 4239中规定的环境工程工作程序，因而易造成以下一些误解。

2.3.1 造成直接确定试验条件而不是先剪裁确定环境适应性要求的印象

环境适应性作为一个质量特性在立项论证阶段和研制阶段早期就应通过应用GJB 4239的环境分析中规定的一系列工作项目或 810F第 I部分4.2.2节和附录A、附录C提供的指导，剪裁确定装备的环境适应性要求的定量和定性要求，然后设计人员按此要求在工程研制阶段进行耐环境设计，研制出的硬件才能逐步开展各种实验室环境试验。

GJB 150A和810F中有关部分（如表1中列出的第4节或第2节《剪裁指南》）规定直接按上述方法导出试验条件，而不提及设计要求，给人的印象就像是环境工作只是进行事后把关的环境试验。这与810F中一再强调的剪裁设计要求，工程研制阶段用环境试验发现装备设计工艺薄弱点和探讨装备设计的环境阈值等是不相符的。

2.3.2 造成环境试验条件是由承制或承试单位剪裁确定的印象

对于军工产品研制来说，实施环境试验的单位不是第三方就是装备成品研制单位，他们并不具备确定环境试验条件的数据，尤其是诱发平台环境数据，而且这也不是他们的职责。事实上环境适应性要求早就应在研制任务书、合同或协议书中明确，因而环境适应性要求的剪裁在形成上述文件前就应进行并将结果固化在上述文件中。准确地说，应当根据研制任务书、合同或协议书中规定的环境适应性要求来剪裁试验方法、试验程序和试验条件，不同阶段的环境试验均应以环境适应性要求为基础剪裁其环境试验的项目和试验条件等。

要指出的是，研制货架产品的民用部门或军工单位，并不存在由用户确定研制任务和签订研制合同与协议书的问题，因而没有用户规定的要求，也就谈不上按用户要求的指标进行相应的鉴定和验收环境试验，产品的环境适应性只能等待实际使用检验，因此研制单位可以自行确定环境适应性要求和试验项目等，甚至不事先确定环境适应性要求，而只确定环境试验项目和进行相应的环境试验。

2.3.3 没有说明试验剪裁在产品研制的不同阶段应由不同单位分别承担完成

剪裁工作由谁承担和由谁来认可不明确。实验室环境试验剪裁涉及的内容是多方面的，有的项目的剪裁应由使用方负责，有的则应由承试单位实施，甚至由承研单位承担，其最终结果应经过评审并得到相应机构的批准。这是一个管理问题。GJB 150A中没有相应的说明，因此实施起来容易造成混乱和无所适从，急切需要加以明确。

3 810F前言中有关剪裁的内容及其分析

3.1 明确剪裁范围和实验室试验标准的剪裁特性

810F前言中指出，“标准分为两部分，第I部分是描述管理、工程与技术在环境设计和试验剪裁过程中的作用，重点是针对某一装备项目按其寿命期内最可能遇到的具体环境条件进行设计和试验准则的剪裁过程。”其含意是根据装备寿命期最可能遇到的环境条件，对环境适应性设计要求和环境试验量值进行剪裁。810F的第I部分及附录中提供了进行这种剪裁的具体指导，显然剪裁工作只有使用方和型号总师单位才有条件且有责任承担。

第II部分是按第I部分的剪裁指南进行剪裁时要用到的各种试验方法，前言中指出“需要强调的是这些方法既不能全套引用，也不能作为不可改变的例行程序使用，而是可以进行选择和剪裁的，以尽可能产生最合适的试验数据”。明确说明了810F中的试验方法部分不能直接引用，而是要经剪裁后才能使用。GJB 150A作为等效标准并没有在总则的前言中明确标准的剪裁特性。

3.2 指出810F中实验室试验方法的可剪裁程度

需要指出的是，人们往往把810F的应用剪裁工作看得很困难，其实不然，并不是标准中的每个试验方法剪裁均要具备大量的资料数据和复杂的剪裁技术。810F前言中指出：“每个试验方法中都包含有一些环境数据和参考文件，且阐明了该试验方法剪裁的可能性。有些方法有很大的剪裁余地，有些方法可通过剪裁达到既定的极限，有些方法的剪裁选择相对较少……每个试验方法都包含基本原则以帮助确定适当的剪裁水平……这些试验方法中所包含的任何具体的剪裁信息和量值均可被可得到的最新信息或装备的具体信息所取代”。810F前言的这一段描述不仅说明了剪裁工作的灵活性，即随时可用新的信息取代原有剪裁的结果，这说明了各试验方法的可剪裁性存在很大的差别，应当具体分析和区别对待。可剪裁性有如下3种情形：

1）有很大剪裁余地的试验方法

一般说来，模拟平台诱发环境的试验方法有很大的剪裁余地。这不仅是由于平台诱发环境随平台种类和在同一平台上位置的不同而变化，而且由于试验方法中模拟这种环境的试验程序具有多样性。典型的试验方法是高温工作试验和振动、冲击等力学环境试验。在这些试验方法的确定试验条件章节中明确规定：“尽可能使用装备安装平台上的实测数据来确定试验激励参数，以获得对真实环境更好的模拟；或者作为替代，使用相同类型平台装备位置上的数据。”因此，标准的正文或附录中提供的环境数据或试验参数只有在上述条件不具备的情况下才能使用。此外，同一试验方法中往往提供多个试验程序或试验参数控制方式，因而需要根据装备实际情况和可用模拟方式的不同等来选择试验程序。因此这些方法在确定试验条件和试验程序方面有较大的剪裁余地。

2）剪裁和选择相对较少的试验方法

一般说来，在模拟自然环境因素作用的试验方法中，某些试验方法的剪裁和选择的可能性相对较小。这是因为自然环境是自然界产生的，与平台本身没有直接关系，不管是什么类型的装备，在同样区域和同样时期内其寿命期中遇到的主要的自然环境因素种类和强度都是相同的，只是由于装备本身的遮挡作用对其内部不同位置的影响或许会有差别。典型的环境如雨淋、沙尘、盐雾、风压、积冰/冻雨有关环境等，这些环境因素的作用强度往往是通过对自然环境因素数据多年的测量记录和统计分析得出的，对于具体装备来说，只要从根据这些数据制定的相应标准如 GJB 1172《军用设备气候数值》和MIL-HDBK-310《全球气候数值》中选择就可以了。这些标准中按1%、5%、10%等时间风险提供了相应的数据。确定环境适应性设计要求和验证试验要求时，只要确定选用的时间风险值后即可从标准中直接查得相应的数据。

要指出的是，GJB 150A中的湿热试验仅提供了一个程序，其试验条件也是明确的，因而几乎没有剪裁或选择的余地，这一试验的不可剪裁是因为试验的设计原则为不打算模拟湿热环境，而只追求能够充分发现湿热环境引起的问题。

3）可以剪裁但剪裁有一定限度的试验方法

一般说来，气候环境因素中的一些环境因素（如温度）也可成为诱发环境因素。其对应的试验方法要进行剪裁，但十分有限。典型的试验方法是高温日循环贮存、日循环工作试验和太阳辐照试验。这3种试验的温度条件均是太阳辐照诱发产生的，而太阳辐照所诱发的温度的高低往往取决于装备部署所在地区的纬度和相关的一些其他因素，因此标准中提供了几种类型的日循环，需要根据部署地域从中选取，其可选择程度是极有限的。

需要指出的是霉菌作为一种生物环境因素，与气候环境因素不同，没有时间风险率的问题。标准中给出美国的5个菌种和欧洲的7个菌种，可按产品应用场合从这两组菌种中选择。流体污染试验标准中，提供20多种试验流体，具体产品试验选用哪种流体，可根据实际情况选择。可见它们的选择也是有限的。

4 结论

1）810F是一个集环境工程管理和实验室环境试验方法为一体的混合型标准，是一个不能直接被引用的剪裁标准，其剪裁的范围遍及环境（适应性）设计要求、环境工程工作项目、环境试验要求和各种管理文件等。实验室环境试验剪裁只是环境工程剪裁工作的一部分。

2）GJB 150A标准只是等效采用了810F第I部分《环境工程工作指南》中的第5章《通用实验室试验方法指南》和第II部分《实验室试验》，因而810F第I部分中有关环境工程剪裁任务的内容和附录C《环境工程专家环境剪裁指南》等未被纳入，而且GJB 150A各试验方法也没有像810F那样强调剪裁要求，因而 GJB 150A未能全部反映810F的剪裁理念和思路。

3）作为GJB 150A实施剪裁的引用标准GJB 4239《装备环境工程通用要求》也未反映810F的剪裁理念和思路，需要修订。

4）810F的前言对各试验方法的可剪裁程度有一个大致的说明，该说明表明，不是所有试验方法中的试验程序都有很大的剪裁余地，需要进行具体分析。

（References）

[1]祝耀昌. 环境试验设计的方向——“编织”[G]. 产品环境工程论文集, 2009: 18

[2]GJB 150A—2009 军用装备实验室环境试验方法[S]

[3]祝耀昌, 王建刚, 张建军. GJB 150A与GJB 150内容对比和分析（一）[J]. 航天器环境工程, 2011, 28(1): 5-10 Zhu Yaochang, Wang Jian’gang, Zhang Jianjun. A comparative study of GJB150A and GJB150(Part I)[J].Spacecraft Environment Engineering, 2011, 28(1): 5-10

[4]MIL-STD-810D 环境试验方法和工程导则[S], 1983

[5]MIL-STD-810E 环境试验方法和工程导则[S], 1989

[6]MIL-STD-810F 环境工程考虑和实验室试验[S], 2000