DO-160E与GJB150温度试验对比分析

辛 勃，张莎莎

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

DO-160E与GJB150温度试验对比分析

辛 勃，张莎莎

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

主要研究对直升机机载设备有重要影响的温度因素，通过对比军民机环境试验标准，深入分析了军民机在温度试验中存在的差异。详细阐述了民机环境试验标准DO-160E《机载设备环境条件和试验方法》，并结合AC313直升机适航验证工作概述了DO-160E的应用。向民机设计人员及从事民机适航验证工作的人员提供帮助，为民机适航验证工作中的环境试验验证工作提供参考。

直升机；环境试验；对比分析

0 引言

随着我国经济的快速发展，通用航空迎来巨大的市场需求，直升机作为通用航空主力，已列入国家民机发展的战略规划，我国自行研制的AC313直升机便是其中之一。与军机相比，民机的研制历程有其独特之处，民机必须取得型号合格证(TC)才能成为符合法定要求的航空器投入使用。目前，AC313直升机也进入了民机适航取证工作的关键阶段。众所周知，直升机在实际使用中除经受地—空—地循环载荷外，还要遭受化学、热和气候等环境因素的侵蚀。大量研究表明，使用环境会显著降低直升机结构材料的性能，缩短其寿命[1]，机载设备的功能、性能也同样会受到环境的影响。而民用直升机要取得型号合格证，就必须考虑环境因素，并进行相应的验证试验。

本文主要针对对直升机机载设备有重要影响的温度因素进行研究，通过对比GJB150《军用设备环境试验方法》与DO-160E《机载设备环境条件和试验方法》，深入分析两种温度试验方法的试验步骤、试验指标、试验曲线等内容的差异，并结合实际的民机适航验证工作概述了DO-160E的应用。

1 民机与军机的环境试验标准介绍

环境试验是人们进行科学研究和产品研制、生产及评价时应用的众多试验中的一种。环境试验区别于其它试验的根本之处在于其对环境条件有特定的要求，其目的是获取特定环境条件下产品的材料、结构、功能、性能的变化以及产品对其经受的环境应力的物理响应特性和耐环境能力极限方面的信息[2]。

对于军机而言，国内最有代表性军用环境试验标准就是GJB150《军用设备环境试验方法》，它来源于美军标MIL-STD-810《环境试验方法与工程导则》[3]，是我国军工产品研制生产中最为重要、应用最为广泛的试验标准，主要适用于机械设备、电气设备、导航、仪表设备和通信设备等。对于民机而言，环境试验标准基本上有两种，一种就是美国联邦航空局(FAA)颁发的技术标准规定，简称TSO，我国对应的有民用航空局(CAAC)颁发的技术标准规定，简称CTSO。另一种则是美国航空无线电委员会(RTCA)发布的DO-160《机载设备环境条件和试验方法》，国内对应的民用飞机环境试验标准为HB6167[4]。

在国外，由于TSO是民用飞机机载设备的最低安全要求标准，是环境试验中产品应达到的最低标准和要求，而很多TSO标准中关于环境试验的要求会引用到DO-160试验标准。

在国内，由于HB6167颁布于1989年，基本与DO-160B等效，而目前国外民用飞机环境试验的通用性标准已经是DO-160G，颁布于2010年，相比HB6167已经更新了许多内容。并且HB6167已经不能适应国内机载产品研制试验的需要，而国内民机的型号合格审定基本都采纳DO-160E及其更高版本。所以，DO-160E及其更高版本已经成为目前民用飞机适航取证阶段审查方可接受的一种环境试验方法。下面还是以DO-160E版本为研究对象展开温度试验相关内容的研究。

2 DO-160E与GJB150温度试验对比分析

DO-160E总共包含23项试验项目，而GJB150共包含24项试验项目。由于两种标准应用的领域不同，所以部分试验项目考核的内容也不尽相同。下面我们选取DO-160E和GJB150均包含的、具有代表性的温度试验来对两种标准进行对比分析。

2.1 温度试验综合对比

DO-160E温度试验方法和GJB150温度试验方法的对比可以参考表1所示。其中，DO-160E温度试验方法主要包含5项试验，分别是：地面低温耐受和短时低温工作试验、低温工作试验、地面高温耐受和短时高温工作试验、高温工作试验、飞行制冷失效试验。这5种试验方法都有相应的试验曲线，而试验曲线中温度的选取则根据设备分类来确定。DO-160E主要根据设备在飞机上的安装位置、飞机的最大工作高度、设备是否处于温度和压力控制区域这三点将设备分为20类(A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3、C4、D1、D2、D3、E1、E2、F1、F2、F3)，然后根据设备的分类可以查取温度对照表来选择适合于该设备的试验温度，依照此试验温度对设备进行试验。

表1 DO-160E与GJB150温度试验对比

GJB150温度试验方法主要包含4项试验，分别是：高温贮存试验、高温工作试验、低温贮存试验、低温工作试验。4种温度试验方法没有对应的试验曲线，仅对试验的温度变化率、温度稳定判据做了限制，所有设备的高低温贮存试验温度都固定不变：低温-55℃，高温+70℃；高低温工作试验温度则根据设备的最低、最高工作温度来确定。

下面介绍几个术语：低工作温度就是指设备在暴露状态下且在正常工作条件下的最低温度；高工作温度是指正常工作条件下的设备暴露在特定区域的最高温度；短时工作温度是指设备在经过地面保温后启动时的初始温度；由于设备启动后，冷热空气循环系统和其它温度措施将同时启动，因此该温度条件将很少发生并且持续时间很短。实际试验中，如果短时高、低温工作试验温度与高、低温工作试验温度相同，则短时高、低温工作试验可以不做；地面耐受温度是指飞机贮存或暴露于气候极值期间，设备暴露于其中的最高和最低地面温度，不要求设备在此温度下工作，但要能耐受此温度而不被损坏[5]。

2.2 低温试验对比

对于DO-160E温度试验方法来说，低温试验含地面低温耐受和短时低温工作试验、低温工作试验两项；而对于GJB150来说，则含低温贮存试验、低温工作试验两项。

在进行DO-160E的低温试验时，首先要确定设备分类，按照设备等级查询温度对照表确定设备进行两项低温试验对应的试验温度。对于地面低温耐受和短时低温工作试验，则在常压下且在设备不工作时将设备稳定于此温度环境中保持至少3小时，然后将设备置于短时工作低温下，并保持不工作状态不少于30分钟，最后将设备置于工作状态，维持温度为短时工作低温，设备工作至少30分钟。在这30分钟内测量设备性能。试验曲线见图1(T1到T2至少3小时；T3到T4至少30分钟；T4到T5至少30分钟，若设备短时工作低温=地面耐受低温，则T2到T4时间间隔可以为0)。

对于GJB150来说，低温贮存试验相当于DO-160E中的地面低温耐受试验，但不包含短时低温工作试验，且在试验前先将设备置于大气条件下达到温度稳定，对设备进行初始检测，然后将设备置于-55℃下达到温度稳定状态，再保温24小时后，将设备恢复到大气条件下达到温度稳定，进行最后检测，利用两次检测结果的差异分析设备的性能。

对于DO-160E中的低温工作试验，则首先按照设备等级查取温度对照表中该项试验对应的试验温度，然后让设备处于工作状态，调节测试环境温度到选取的温度值。当设备温度稳定后，维持设备在低温状态工作至少2小时。试验曲线见图2(T1到T2为温度稳定阶段；T2到T3至少2小时)。

图1 地面低温耐受和短时低温工作试验曲线

图2 低温工作试验曲线

GJB150低温工作试验与DO-160E低温工作试验不同，GJB150低温工作试验首先将设备置于大气条件下达到温度稳定，然后进行初始检测，再将设备置于非工作状态的试验低温条件下达到温度稳定，然后启动设备直至设备再次达到温度稳定，并进行中间检测；最后将设备置于不工作状态并恢复设备到大气条件下温度稳定，进行最后检测。将中间、最后两次检测分别于初始检测进行对比，以分析设备的性能。

2.3 高温试验对比

对于DO-160E温度试验方法来说，高温试验含地面高温耐受和短时高温工作试验、高温工作试验两项；而对于GJB150来说，则含高温贮存试验、高温工作试验两项。

在进行DO-160E的高温试验时，和低温试验相同，都要首先确定设备分类，按照设备等级查询温度对照表确定设备，进行两项高温试验对应的试验温度。对于地面高温耐受和短时高温工作试验，则在常压下且在设备不工作时将设备稳定于此温度环境中保持至少3小时。然后将设备置于短时工作高温下，并保持不工作状态不少于30分钟，最后将设备置于工作状态，维持温度为短时工作高温，设备工作至少30分钟。在这30分钟内测量设备性能。试验曲线见图3(T1到T2至少3小时；T3到T4至少30分钟；T4到T5至少30分钟，若设备短时工作高温=地面耐受高温，则T2到T4时间间隔可以为0)。

图3 地面高温耐受和短时高温工作试验曲线

对于GJB150来说，高温贮存试验相当于DO-160E中的地面高温耐受试验，但不包含短时高温工作试验，且在试验前先将设备置于大气条件下达到温度稳定，对设备进行初始检测，然后将设备置于+70℃下达到温度稳定状态，再保温48小时后，将设备恢复到大气条件下达到温度稳定，进行最后检测，利用两次检测结果的差异分析设备的性能。

对于DO-160E中的高温工作试验，也与低温试验相同，首先按照设备等级查取温度对照表中该项试验对应的试验温度，然后让设备处于工作状态，调节测试环境温度到选取的温度值。当设备温度稳定后，维持设备在高温状态工作至少2小时。试验曲线见图4(T1到T2为温度稳定阶段；T2到T3至少2小时)。

图4 高温工作试验曲线

GJB150高温工作试验与DO-160E高温工作试验不同，GJB150高温工作试验首先将设备置于大气条件下达到温度稳定，然后进行初始检测，再将设备置于非工作状态的试验高温条件下达到温度稳定，然后启动设备直至设备再次达到温度稳定，并进行中间检测；最后将设备置于不工作状态并恢复设备到大气条件下温度稳定，进行最后检测。将中间、最后两次检测分别与初始检测进行对比，以分析设备的性能。

2.4 飞行制冷失效试验

飞行制冷失效试验是DO-160E特有的一项温度试验，GJB150没有对应的试验项目。该试验的目的主要是检测为设备提供冷却的外部或内部系统失效情况下，设备所具有的在一定时间内不被损坏的能力。

首先将处于工作状态的设备置于环境温度下，并按正常情况供给冷空气，然后将室温调整到温度对照表中查取到的试验温度，使室温达到稳定，然后关闭冷却空气供应，按照该试验的制冷失效持续时间分类(见表2)来进行测试，确定设备性能。该试验的试验曲线和图4形似，仅工作高温改为对照表中查到的温度，且T2到T3的时间要根据制冷失效持续时间分类来确定。

表2 飞行制冷失效持续时间分类

3 DO-160E温度试验方法应用

下面我们以AC313直升机的一项成品设备“旋翼弹性轴承”为例，描述在该设备的审定过程中，如何应用DO-160E试验方法来开展民机机载成品设备适航验证工作。

首先，我们要根据该型直升机的设计参数确定该成品设备在DO-160E中的分类。AC313直升机为非增压类航空器，高度包线为0～6000米，温度包线为-40℃～+60℃，贮存温度为-55℃～+70℃。根据这些参数，结合DO-160E设备分类，可以确定旋翼弹性轴承应该属于B2类设备，试验温度可根据温度对照表中B2类来确定。由于B2类设备的高、低温工作试验温度和短时高、低温工作试验温度相同，参照2.1节最后一段可知短时高、低温工作试验可以不做，只需要进行地面高、低温耐受试验。查表后可知旋翼弹性轴承的高温工作试验温度应为+70℃，低温工作试验温度为-45℃；地面高温耐受试验温度为+85℃，地面低温耐受试验温度为-55℃。

可以看出，旋翼弹性轴承的高、低温工作试验温度，地面高温耐受试验温度都与该型直升机设备设计温度包线存在差异，这就成为设备适航合格审定过程中的矛盾点。若按照GJB150来进行温度试验，无论是高、低温贮存，还是高、低温工作试验，其考核温度值均与直升机的设计温度包线相同。但按照DO-160E试验方法来鉴定设备，则需要解决好设计要求和试验方法之间的矛盾。

结合AC313直升机的设计参数，权衡型号合格审定过程中申请人的风险以及审查组的要求，确定了旋翼弹性轴承环境鉴定试验方法的可行性方案，并得到了AC313直升机型号合格审查组的认可和批准。高、低温工作试验，地面高温耐受试验均按照DO-160E要求进行，但在试验曲线中分别增加了设计的符合性考核段，即高温工作试验增加+60℃考核段，低温工作试验增加-40℃考核段，地面高温耐受试验增加+70℃考核段。这三个考核段按照原试验曲线模式操作，在进行完上述3个考核段后继续按照DO-160E试验曲线执行直至试验结束。对于设计要求考核点和DO-160E试验方法考核点都未能通过的设备则认为其设计不符合适航要求；对于通过设计要求考核点而未通过DO-160E试验方法考核点的设备则进行分析，对比B2类设备定义的参数包线与AC313直升机设计参数的差异，结合该型机的飞行手册限制要求，进行评估，最终确定设备是否符合适航要求。

4 结 语

我国民机研制工作起步晚，大多数研发部门还都按照军用标准来设计、鉴定民机，但民机的型号合格审定工作有自身的标准体系，且与军用标准存在差异，这就可能导致民机研制部门为通过型号合格审定而进行大量重复甚至颠覆性的工作。因此，应该尽快开展GJB150与DO-160E等军、民用标准试验方法差异的相关技术研究工作，为设计人员和适航技术人员提供参考和指导，借用民机大发展的战略机遇，通过型号合格审定不断积累经验，为民机的快速发展打下良好的基础。

[1] 穆志韬，曾本银. 直升机结构疲劳 [M].北京：国防工业出版社，2009.

[2] 祝耀昌，王建刚. 各种环境试验的特点及其应用分析 [J].航空标准化与质量，2004：38-42.

[3] 孔学东，邓国华. 军用与民用环境试验技术的差异与接轨[J].环境技术,1999(03)：2-4.

[4] 林 琳，宴效锋，张熙川. 民机机载产品环境试验技术解析[J].测控技术，2008，27(增刊)：109-111.

[5] DO-160E, Environmental conditions and test procedures for airborne equipment[S]. Washington，DC，USA：RTCA，Dec9，2004

Contrastive Analysis of Temperature Test Method of DO-160E and GJB150

XIN Bo, ZHANG Shasha

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

The article mainly discussed the temperature factor which was important to the equipment of helicopter, and deeply analyzed the difference of temperature test between the military helicopter and the civil helicopter by contrasting the military helicopter environmental test criterion and the civil one, and particularly discussed the civil helicopter environmental test criterion DO-160E “Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment”, then summarized the application of DO-160E according to the airworthiness type certification of AC313 helicopter. So as to help the civil helicopter designers and airworthiness engineers, and supply reference for environmental test during the phase of type certification.

helicopter；environmental test；contrast and analyze

2015-06-25 作者简介：辛 勃(1984- )，男，陕西西安人，硕士，工程师，主要研究方向：直升机适航符合性验证技术和适航管理技术。

1673-1220(2016)01-040-05

V221+.91 ；V216.5

A