国内外动态自然环境试验技术发展现状

朱玉琴，陈源，张燕，文邦伟

（1．西南技术工程研究所，重庆400039；2．环境效应与防护重庆市重点实验室，重庆400039）

国内外动态自然环境试验技术发展现状

朱玉琴1，2，陈源1，2，张燕1，文邦伟1，2

（1．西南技术工程研究所，重庆400039；2．环境效应与防护重庆市重点实验室，重庆400039）

针对常规静态自然环境试验，明确给出了动态自然环境试验的定义及分类，在此基础上详细阐述了国内外海上动态和陆上动态两方面的自然环境试验技术发展现状，目前国外已取得丰硕研究成果，国内处于起步探索阶段。通过国内外对比分析，提出了我国今后在动态自然环境试验试验技术发展方面的对策建议。

动态自然环境技术；海上动态；陆上动态

美国的军事理念是着眼全球，在全世界范围内同时打赢两场战争，这就要求装备需要在世界各个地方之间进行转运、贮存、使用，这必然会遭遇跨地域、跨国域、跨海域复杂环境因素的作用和影响，为此国外开展了大量的动态自然环境[1—7]。国内在装备（产品）的环境适应性研究方面，针对静态自然环境试验与实验室加速试验已开展了大量的基础研究[8—15]，并取得了丰硕的研究成果，但针对动态自然环境试验，目前才逐步开始试验，取得了部分阶段性成果。

1 定义及分类

动态自然环境试验是为了模拟装备（产品）实际使用状态，借助船舶、车辆等移动平台，通过在1种或几种自然环境条件下运行，利用环境条件变化，加速考核其对产品及材料、工艺、构件性能的影响，从而开展的环境适应性试验与研究工作。动态自然环境试验相对于静态自然环境试验，针对装备需要在世界各个地方之间进行转运、贮存、使用，会遭遇跨地域、跨国域、跨海域的复杂环境因素的作用和影响更加贴近。根据平台类型不同，动态自然环境试验主要分为海上动态自然环境试验和陆上动态自然环境试验两类。

2 国外技术发展现状

2.1 海上动态自然环境试验

2.1.1 水面舰艇环境

水面舰艇常年在海上游弋，且海域宽广，常跨越多个气候带，不断遭受海浪、盐雾、海水飞溅及飞机引擎排放物等的侵袭，针对水面舰艇飞行甲板表面凝结的水蒸气成分及酸碱度分析结果，水蒸气中含有硫离子，且pH呈酸性，这意味着水上舰艇既具有海洋环境又具有工业环境[16]。

2.1.2 试验材料

在试验中，多种材料被用于评估，包括第一代铝锂合金，20世纪50年代用于RA-5C舰载机的2020合金、现役的F/A-18大黄蜂战机的铝锂合金，同时也包含新一代的铝锂合金，如2090和8090。目前开展过的试验材料包括：17-4PH不锈钢、4130钢、1420&1421铝锂合金、2090&8090铝锂合金、7075-T6/T651/T7351铝合金、2024-T3铝合金、7249-T76铝合金、2124厚板-T851/T351铝合金、7075挤压件铝合金、7178薄板-T6铝合金、俄制合金等。其中一类试样尺寸为75 mm× 150 mm[17—19]。

2.1.3 试样放置

试样用塑料螺钉固定在支架上，如图1所示。支架与地面成45°角安装，并被焊接在飞行甲板上面2.1～2.4 m高的雷达工作台上。根据特殊要求，其中一些水上舰艇，试验支架被安装在飞行甲板上方的3.6～4.2 m高处，如图2所示[20]。

2.1.4 水面舰艇上的暴露试验

样品搭载完成便由执行任务的水面舰艇开往各个海域开展相关试验，各水面舰艇的试验地域和持续时间如下[16，21]。

1）水面舰艇从美国弗吉尼亚州出发，开往印度洋海域，之后返回，为期1年。

2）核动力水上舰艇7—12月部署在地中海，第二年7—12月部署在印度洋，未进行中间检查，历时10个月后水上舰艇返回后取走试样。

3）肯尼迪号：部署在地中海历时8个月，4个月之后检查试样，8个月后返回并取走试样。

4）星座号：部署在西太平洋和印度洋，时间为2—10月，未进行中间检查，历时8个月后取走试样。

5）尼米兹号：部署在西太平洋和印度洋，试验时间为5年。

6）游骑兵号：部署在西太平洋及波斯湾，试验时间为4个月。

2.1.5 加速试验

为了与自然环境暴露试验数据进行对比，同时也开展了实验室加速试验。实验室加速试验采用的是二氧化硫盐雾试验，按照ASTM盐雾/二氧化硫试验的实施细则进行（如ASTMG85 A4）[22]。试验在质量分数为5%的氯化钠盐雾中进行，同时通SO2气体，采用每天喷4次，每次1 h（每隔6 h喷1次）。盐雾箱暴露区温度保持为35℃，样品按底部支撑45°角进行摆放。试验实施时间为4周，如若腐蚀严酷时间会大大缩短。

2.1.6 样品结果检测

试验结束后对试样进行检测，检测性能包括剥离腐蚀程度（ASTM G34-79）[23]、力学性能（极限抗拉强度、屈服强度、伸长率）等，7075-T6的剥离腐蚀情况如图3所示，腐蚀评级结果如图4所示。

2.1.7 对比分析

1）二氧化硫盐雾试验能够贴切地模拟水面舰艇环境。通过对试验结果对比分析，二氧化硫盐雾粒子能够较好地模拟航空材料在水面舰艇上的腐蚀行为。7075-T6，2024-T3，7249-T76三种铝合金实验室加速试验和船上暴露后极限抗拉强度和延伸率的比较如图5所示。

2）水面舰艇甲板测试项目显示，水面舰艇环境比海岸和工业环境更为严酷。2124-T6铝板在水面舰艇、海滨和工业条件下暴露5年的腐蚀程度比较如图6所示。2124-T6铝板在水面舰艇环境仅0.5年腐蚀就已达严重程度，表明水面舰艇环境非常严酷。

2.2 陆上动态自然环境试验

1）维也纳环境试验中心车辆动态试验。维也纳环境试验中心可开展温度、湿度、风速、淋雨、降雪、太阳辐射等气候模拟，该中心除可进行常规的静态试验外，还可模拟车辆运行进行动态试验。如风洞中车辆在双波滚动试验台上模拟运行时，伴随着风、雪及冰的施加，可测量车辆转向架的主要部件在恶劣环境条件下的失效情况[24]。

2）储油罐底外边缘板的动态试验。研究人员进行了油罐外边缘板在混凝土基座上相对位移变化的测试，继而开展了罐底外边缘板动态试验。在白天太阳辐射下，由于钢基与混凝土基的导热系数相差很大，两者之间形成温度差，这种温差导致的热膨胀使得罐底板在基座上沿水平方向发生位移。如在冬季，油罐负载时，静液压作用使得罐体沿水平方向向外扩张，而边缘板与罐底连接，无法向外扩张而产生塑性变形，卸载后边缘板无法完全恢复原状而向上翘起，上翘变形的罐底边缘板造成罐底边缘板与基座之间缝隙扩大[25]。

3）美国装甲车辆动态试验。美国为弄清海军陆战队车辆经历的腐蚀环境，以及影响延期贮存可能的情况，开展了车辆状况跟踪研究，包括车辆停放-训练-停放三阶段的实际状态，以再现车辆真实的腐蚀环境和量化车辆的腐蚀效应。

3 国内技术发展现状

3.1 海上动态自然环境试验

选择厦门或南京港发往美洲或非洲单程航行距离在3000 km以上的定线货运船舶作为海洋移动平台，试验中定期采集试验船舶《航海日志》上的有关数据信息，包括气象海况数据（干湿球气温、海水温度、风向/风级、波浪等级）、航行纪录（航向、实测航速、计程仪读数、天气现象）、经纬度、昼夜航程、昼夜平均航速、航行时间、累计实际航程、日出/日落时间等相关数据；定期对返港材料进行腐蚀性能测试，包括涂层试样的光泽、色差、厚度及裸材试样的腐蚀形貌与力学性能等相关数据。研究掌握环境动态变化规律及材料性能退化规律，同时与我国典型海洋大气环境及该环境下材料的腐蚀性能进行对比分析，以此得到常规静态试验与动态试验之间的关联性[26—27]。

3.2 陆上动态自然环境试验

1）定线班车动态试验。选择重庆开往广州单程行驶距离在1000 km以上的国内长途定线班车作为陆上移动平台，试验中通过行驶线路上主要县市的气象台/站采集环境因素，包括温度、湿度、降雨、风速等数据；定期对返回重庆的材料进行腐蚀性能测试，包括涂层试样的光泽、色差、厚度及裸材试样的腐蚀形貌与力学性能等相关数据。研究掌握环境动态变化规律及材料性能退化规律，同时与我国典型工业大气环境及该环境下材料的腐蚀性能进行对比分析，以此得到常规静态试验与动态试验之间的关联性。

2）德尔福高原发动机标定试验。德尔福开展“三高”试验的地点有：海南岛、重庆及新疆吐鲁番（夏季高温标定）、内蒙古加格达奇市及黑龙江黑河（冬季高寒标定）、云南中甸、青海昆仑山口、西藏及四川川西（高原标定）。标定试验主要是在符合测试条件的路段上，使发动机负荷状态和驾驶员操作模式形成不同组合来完成整个试验。在试验的整个过程中，用安装在发动机不同部位的多种传感器与安装了特殊分析软件的便携式电脑相配合，在车辆本身的电控单元（ECU）的协助下，对发动机的转速、进排气工况、车速、水温、燃烧、油耗等众多相关参数进行全程数据采集[28]。

3）发电车空调组运行试验。为了摸清在环境温度较高时，发电车空调机组制冷系统中的高压继电器动作保护的原因，研究人员对KLP5.0，KLP4.7和KTC-2027等三种型号空调机组进行了动态试验[29]，见表1。结果表明，空调机组安装在发电车上的工作环境温度比外温高0.51～11.6℃。从试验数据与车速的对应关系看，空调机组冷凝器的进风温度与车速有关，车速越高，进风温度也越高。当车速较低或静止时，冷凝器进风温度就接近外温。另外，进风温度还与空调机组距热源的远近有关，距离越近，进风温度越高，所受的影响也越大。

4 对策建议

1）加大力度研究动态自然环境试验方法及技术，形成GJB××《移动平台动态自然环境试验方法》标准草案。目前已形成有关大气自然环境下户外、棚下和库内的试验方法，及有关海水自然环境下表层海水、海水长尺和深海海水的试验方法，以上均属常规试验方法。针对动态自然环境试验方法和技术研究尚处于初始阶段，只形成了企业标准，无法指导武器装备开展此类试验。为此，建议加大力度研究动态自然环境试验方法及技术，根据船舶/车辆等移动平台动态试验研究，对形成的试验方法进行反复验证，与此同时，积极开展该方法的标准预先研究工作，尽早形成针对装备（产品）的GJB××《移动平台动态自然环境试验方法》标准草案，指导相关试验的开展[30]。该标准草案内容建议主要包括以下几个部分：试验目的、试验要求（过程要求和安全性要求）、试验场所、试验装置、试验样品、试验程序、试验时间、过程检查及结果分析等。

2）加强实验室试验与动态自然环境试验的对比试验。目前，考察材料、部组件及装备（产品）耐候性的试验方法主要集中在自然环境试验、实验室试验等两种主要试验方法，并通过不断对比研究两种试验方法下的材料腐蚀率和腐蚀程度等物理量，得到加速性和模拟性关系。“十二五”开展的移动平台动态自然环境试验也仅局限于与各大典型气候环境下的静态自然环境试验进行对比，而未开展动态自然环境试验与实验室试验之间的对比研究，两种试验方式相对于静态自然环境试验均具有一定的加速性，为此建议下一步加强实验室试验与动态自然环境试验的对比试验。对比试验主要从以下两方面进行：一是从试验环境条件的模拟出发，根据装备（产品）进行的动态自然环境剖面，编制动态环境谱，进而编制加速试验谱，以此谱为基础开展实验室加速试验；二是从加速性和模拟性角度出发，寻找两者之间的定量关系，为不同试验方法相关性研究奠定基础。

3）加强陆上装备动态自然环境试验。我国幅员辽阔，东西部海拔落差大，气候类型多样，陆军及航空装备都可能遇到在不同类型气候区域长期使用和停放的问题，因而陆上动态自然环境适应性问题较为突出。美军在车辆尾部与车牌相交的位置安装试样，以确保试样暴露于与车架相同的环境，且不妨碍军事行动。我国可以仿照美军的方式对装备及材料在我国不同地域的环境适应性进行研究。加强陆上动态自然环境试验，首先应做好三方面的工作：一是对典型装备（产品）及搭载的移动平台进行分门别类，按以往作战场所进行主活动区域初步划分；二是对移动平台途径路线作好规划，线路所经历气候区域应具有环境条件差异特征，并能够利用相关手段对其环境因素条件进行监测及分析；三是结合环境条件分析装备（产品）的环境适应性。

4）加大在动态自然环境试验方面的人力和物力投入。动态自然环境试验刚刚起步，其技术方法的不成熟导致无法对装备（产品）耐候性进行有效指导，其经济效益和军事效益不明显。在人员吸引方面相比常规成熟试验方法有所欠缺，另外从事该项工作的人还很少，但工作内容较多，故需要增大该项工作的人员投入，并对人员进行培训学习。同时，动态自然环境试验通常涉及的幅员较广，需要协调各地域的部门收集各种数据和投入相应设备实时记录相应数据，需要一定的物力投入。

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Current Status of Dynamic Natural Environmental Test Techniques at Home and Abroad

ZHU Yu-qin1，2，CHEN Yuan1，2，ZHANG Yan1，WEN Bang-wei1，2
（1.Southwest Technology and Engineering Research Institute，Chongqing 400039，China；2.Chongqing Key Laboratory for Environmental Effect and Protection，Chongqing 400039，China）

The definition and types of dynamic natural environmental test were put forward and the current status of shipboard dynamic and vehicle dynamic natural environmental test techniques were expatiated.Currently foreign countries have achieved fruitful research results,however,China is still in the initial stage of exploration.Through comparative analysis in China and foreign countries,the countermeasures and suggestions of dynamic natural environmental test techniques in our country in the future were proposed.

dynamic natural environmental test techniques；shipboard dynamic；vehicle dynamic

10.7643/issn.1672-9242.2015.06.016

TJ01

A

1672-9242（2015）06-0093-07

2015-06-13；

2015-07-08

Received：2015-06-13；Revised：2015-07-08

朱玉琴（1983—），女，青海西宁人，硕士，工程师，主要研究方向为环境试验与评价。

Biography：ZHU Yu-qing（1983—），Famale，from Xining，Qinghai，Master，Engineer，Research focus:environmental testing and cualuation.