模拟温度-高度试验方法的技术研究

张子豪，吴晓峰，余松，李少寒

（湖北三江航天红峰控制有限公司，湖北 孝感 432000）

0 引言

温度-高度环境试验所模拟的环境是航空产品可能暴露的地面及高空环境[1]。航空产品会经历温度-高度变化的环境，为了确保能够在温度-高度综合环境下正常工作，在对产品进行试验设计时明确了温度-高度试验项目技术要求和相应标准（GJB 150.6-86[3]、GB-T 2423.25-2008[4]和GB-T 2423.26-2008[5]）。

1 试验装置的设计

1.1 设计背景

对于飞行高度为10 000 m，温度低于-40℃的高空自然环境的模拟试验，试验室现有试验设备只能模拟振动、温度和湿度综合试验条件，不能模拟10 000 m高空的温度-高度环境。大多数温度-高度试验箱的温变速率只能达到1℃/min，且压力介于常压与kPa级别之间。若利用现有高低温试验箱的低温试验能力，再在箱内加装真空环境模拟装置，来模拟产品工作的温度-高度环境，就能完成产品的温度-高度试验项目[6]。

1.2 产品温度-高度试验的具体要求

产品的温度-高度试验是将产品固定在负载台上，加弹性负载，连接好电缆，从常温状态下放入试验箱内，按表1中的条件进行试验。试验过程中，待温度稳定后产品开始通电，保持表1规定的压力、温度，达到规定的时间后，完成例行项目的测试，测试结果应满足技术指标要求。变温过程中产品断电。试验结束后，检查产品的外观，正常试验大气条件下，在1 h内完成例行项目的测试，测试结果应满足技术指标要求。

表1 产品温度-高度试验要求

1.3 产品温度-高度试验对试验设备的要求

高低温试验箱应能提供-10～-50℃的温度条件，满足产品所规定的温度试验条件，可以通过强迫空气循环的方式保持温度均匀性。

按照国军标GJB 150.6的相关要求，产品温度-高度试验的温度检测点要在试验工装内部，试验工装的各个部分温度与规定试验温度之差不应超过8%且试验样品不应受到不符合上述要求的任何加热与冷却元件的直接辐射。

恢复压力时，应避免低温模拟系统的辅助设备、装置和引入的空气对低温模拟系统或工装内的空气产生污染。高空模拟仓内的压力变化不超过10 kPa/min。

1.4 产品温度-高度试验模拟装置的总体结构

产品温度-高度试验模拟装置的总体结构如图1所示。

图1 产品温度-高度试验模拟装置的总体结构

1.5 产品高空模拟工装内的基本结构

产品高空模拟工装内的基本结构如图2所示。

图2 产品高空模拟工装内的基本结构

2 试验装置的控制与试验数据的测量

2.1 试验装置温度的控制与测量

试验过程中的温度控制采用原高低温试验箱的温度控制系统，温度测量则通过接口加装温度巡检仪，将测量点布置在试验工装内部，如图3所示。在产品温度-高度实际试验前，对其工装内部温度的传递和稳定进行预试验，其结果如表2所示。结果表明其控温精度、温变速率、温度稳定度和温度均匀度都能满足产品温度-高度模拟试验的技术条件要求[7]。

图3 试验箱温度控制系统

表2 温度-高度环境模拟系统温度测量表

2.2 保压过程中进气温度的控制

在高空模拟仓压力保持过程中，采用充干燥氮气用于压力平衡。因此，在试验的全过程不会因进气温度影响高空模拟仓内的温度变化。

2.3 试验装置高度(压力)的控制与测量

在试验过程中，有关压力、高度的关系可以在环境类国军标GJB 365.1[8]中查到。10 000 m换算成对应的压力是26.5 kPa。

2.3.1 压力控制

高空模拟仓内的压力控制采用两种方式：1）通过变频调速来控制真空泵驱动电机的转速来控制抽气速度，从而控制仓内的压力；2）通过微量调节阀调节进气量，达到进气量与抽气量的动态平衡实现压力稳定。

2.3.2 压力的测量

压力的测量采用ZDM-1薄膜真空计（标准真空度测量仪），其测量范围是30 Pa～103 kPa到可以满足产品温度-高度模拟试验的技术条件要求。

2.4 试验装置内外电信号传递

产品温度-高度模拟试验装置内外的电信号传递采用专门设计的接线端子进行内外信号的交流，电缆的一端与接线端子连接，另一端通过试验箱的电缆出口与试验箱外部的测试设备连接，形成测试回路。

3 试验装置的完成效果分析

3.1 试验装置的使用效果分析

由于高空模拟仓使用不锈钢制造，且测试电缆对接处采用玻璃烧结的方式。预计总质量为50～60 kg，对照试验箱的技术条件要求，其带负载能力是能够满足并且超过产品温度-高空模拟试验要求。

按照国军标GJB 150.6等相关要求，模拟仓内的压力变化不超过10 kPa/min。根据在上海真空设备厂调研时的试验结果，采用流量为10 L/s的真空泵，配合变频器和辅助充气装置，高空模拟仓内的压力变化速率在2～15 kPa/min范围内连续可调，能够满足产品温度-高度模拟试验的压力变化速率要求。

3.2 试验装置的加工效果分析

a）温度模拟系统采用现有的高低温试验箱来完成，无须再加工和制造。

b）高空模拟仓使用不锈钢制造，可以保证其良好的导热性。

c）从高度模拟仓的总体结构来看，其结构本身无高精度机加件，因此，加工高空模拟仓相对较容易。

d）真空泵、阀门和传感器接口为标准件，可在市场采购。

e）真空度测量仪、压力传感器与现有低气压试验箱上的测量仪同型号，因此在试验时可以借用低气压试验箱的测量仪。另外，真空度测量仪、压力传感器都是标准真空测试设备，北京、上海等地的真空测量设备厂都有销售。

4 结束语

随着技术的发展和试验技术的进步，越来越多的航空航天类产品需要开展的试验条件也越来越苛刻，温度-高度试验要求也随之变得普遍，需通过温度-高度试验也成为了航空航天类产品的重要性能要求。因此对温度-高度试验的技术研究亦显得极其迫切。当下实验室内相关试验设备青黄不接，无法单独满足试验要求。在现有实验室基础和条件下，本文阐述了通过研制真空环境模拟装置，安装在普通高低温试验箱内部，来实现产品的温度-高度试验的方法。