装备自然环境试验评价技术研究＊

段晓琴，杨 睿，代 力，郭晓杰，魏连春

（重庆科技学院，重庆 401331）

装备环境适应性是装备在其寿命期预计可能遇到的各种环境作用下能实现其所有预定功能、性能和（或）不被破坏的能力。装备环境适应性研究能力影响装备工作性能和服役寿命。环境试验是评价装备环境适应性最常用的方法之一，能够积累装备设计的基础数据，为装备制造提供选材依据；同时预测装备寿命，提出环境适应性改进措施及建议[1]。环境试验既要准确反映装备在运输、贮存和使用等过程的真实服役情况，同时要满足试验周期、成本和试验条件等要求。按试验形式不同，将环境试验分为自然环境试验、实验室环境试验和使用环境试验。本文主要研究自然环境试验方法，为合理选择试验类型和研究装备适应性提供参考。

自然环境试验是将样品按预期使用要求置于自然环境中，研究自然环境对其功能和性能影响评价其环境适应性的试验活动。与实验室环境试验相比，自然环境试验结果直观可靠，过程操作简单，适用于对装备各服役阶段的环境适应性进行评价[2]。进行自然环境试验时，应根据装备寿命期的环境剖面，确定装备可能遇到的各种自然环境，并据此确定自然环境试验的条件，选择暴露试验、贮存试验、自然加速试验等试验方式。

1 装备自然环境试验

1.1 大气自然环境试验

大气自然环境试验是将样品置于典型大气自然环境中，使其经受大气环境因素综合作用的自然环境试验。常用的大气自然试验包括直接暴露试验、半封闭暴露试验及全封闭暴露试验。大气自然环境试验利用暴露场地、试验棚和试验库等场地来实现。试验场地拥有各类型的试验架、试验台及其他辅助设备，此外使用环境监测仪器采集试验场的环境数据，如温度、湿度及风向等环境信息。大气自然环境试验通常评价材料及部件在大气环境中的环境适应性，但部分大型试验站甚至可实现装备整机大气自然环境试验。

大气自然环境试验方式日趋多样，智能化的数据采集和传输系统能够对试验过程及环境数据进行实时监测，具有广阔的市场前景；为避免所选择试样的代表性不足，要大力发展整台装备、整机系统的大气自然环境试验技术，建立大型化和综合化的试验装备开发思路。

1.2 海水自然环境试验

海水自然环境试验是将试验样品置于典型海洋环境经受海水环境因素综合作用的自然环境试验，包括表层海水暴露试验、深海海水暴露试验、海泥区暴露试验和长尺试验等。传统的海水暴露试验结果可重现，但不便对海水腐蚀全过程进行连续动态监测，因此发展了动态海水暴露试验，例如海水转子动态腐蚀试验能够评价材料在流动海水中的腐蚀情况；海水管路动水腐蚀试验通过在天然海水中控制流速和温度，在海水中进行管路动水腐蚀试验和电化学试验。入海口等位置海水浓度交替变化，对装备的腐蚀较强，因此该研究方向也备受关注。

随着中国海洋战略的发展，海洋成为重要的科研攻坚战场，服务于海洋的环境试验技术亟待提高，特别是面向深海的环境适应技术。海水环境试验在服务海上“丝绸之路”战略建设的同时，推动了船舶等大型装备的开发和技术改进，提高了装备的海洋环境适应性。未来开展海水自然环境试验的模拟加速试验，将缩短试验时间，提供更可靠的海水环境试验数据；同时要利用先进技术，智能化采集海水环境试验数据。

1.3 土壤自然环境试验

土壤自然环境试验是通过在土壤中埋设各种材料和试件，并定期进行性能测试和腐蚀规律研究的试验。土壤环境试验研究装备在土壤中的腐蚀情况，考核和评价其腐蚀程度，能够为防护措施的制定提供指导。土壤环境试验首先要根据土壤类型、地区气象条件等选择具有代表性的试验场；在试验场地进行开挖和埋藏试样，同时按原样回填土层、拍照记录和设置标志；最后按照规定周期开挖取样，对试样进行全面检测和分析。研究人员根据土壤理化性质、电化学性质和腐蚀产物的情况来探究装备的土壤环境适应性，逐步建立了青岛、沈阳等土壤腐蚀试验站，探究不同材料在不同土壤环境下的失效行为和失效过程，提出减缓土壤腐蚀的具体措施。

未来的土壤环境试验技术将对地下装备性能评价产生积极影响。随着城市化的推进和地下空间的开发与利用，发展对城区埋地装备的快速检测和无损检测技术具有现实意义，评价埋地装备的环境适应性技术亟待发展。

1.4 自然贮存试验

武器装备从投入使用到退役通常要经历复杂的任务阶段，自然环境下的贮存时间较长，贮存环境存在差异，导致装备性能损伤行为不同，损伤程度各异。调查表明，部分弹药在自然环境下的贮存期甚至长达十年之久，某航空直升机在整个服役期内有近80%的时间为非飞行状态。为全面系统探究装备在长时间贮存环境下性能演化的规律，军方逐步建立了更加完善、种类多样的贮存试验场，进行导弹、炮弹及其他装备的贮存试验。自然贮存试验弥补常规大气暴露试验在地域等方面的局限性，符合装备的实际作战环境。

自然贮存试验越来越被人们关注，其适用领域也正在逐步扩大，例如航空航天、汽车及精密仪器等领域，都将自然环境贮存试验作为评价其寿命的重要手段，为进一步提高装备的环境适应性提供保障。

1.5 地区性自然环境试验

地区性自然环境试验利用各地已建成的试验站网进行自然环境试验，试验结果能反映装备在不同服役区域的真实服役情况，同时为相关装备研制和使用单位提供有针对性的环境数据。国外的地区性环境试验由来已久，欧美等国家建成了覆盖范围广泛的试验站，如美国陆军试验与鉴定司令部在阿拉斯加等地区建立了环境试验中心。中国兵器工业第五九研究所在漠河、江津和万宁等地建成了地区性自然试验站，可以进行多类型的地区性自然环境试验[3]。

单一地区的自然环境试验获得的数据有限，要推动各地区试验站的数据共享，引入5G技术和大数据管理等新技术来提高试验站的管理能力和水平，建成规范的试验站网管理体系。

2 自然环境试验新进展

2.1 综合环境试验

综合环境试验是指两种或多种环境因素同时作用于试样的环境试验。综合环境试验能缩短试验时间，节约试验成本，能反映复合环境因素对装备的性能损伤行为[4]。推动多因素综合环境试验技术，如温度-振动-低气压综合环境试验，能够模拟多种自然环境因素对装备的影响，更充分暴露产品在使用过程中的缺陷，缩短装备开发的流程，同时提供装备性能改进措施。

当前中国模拟温度、气压等常规气候环境的试验设备基本实现了自主化，未来要发展功能多样化、作用综合化、设备模块化的综合自然环境试验设备，使其满足整机、整系统级的试验要求。随着综合自然试验的条件更加极端，部分环境因素需要实现动态可操控的精确变化，以满足装备实际服役环境的情况。

2.2 仿真环境试验

仿真环境试验技术是利用已有的环境试验信息数据，通过构造系统模型，进行模拟仿真试验，对建立的系统进行动态试验研究。仿真环境试验技术具有成本低、对装备自身无破坏性、试验结果可重复性好等优点，其适用范围越来越广。仿真环境试验技术能模拟出复杂环境对装备性能影响的结果，还能对装备损坏和破坏等过程进行模拟，进一步评价装备性能。此外发展网络化的在线分析仿真仪器，促进设备互联和信息共享，能有效促进仿真环境试验技术的发展。

2.3 真实服役自然环境试验

环境适应性研究是一种预见性的研究方法，通过环境试验等手段，评价装备性能。但是，随着装备服役环境情况的极端化和复杂化，研究人员在研究自然环境试验的同时，重点关注真实服役自然环境下装备的失效行为、失效过程及失效机理。真实服役自然环境试验通常将装备或元件置于真实服役环境条件下，积累大量同类装备或元件在真实服役自然环境下的试验数据。该数据和方法能够为后续相似产品的环境适应性评价和同类产品的开发提供指导和借鉴。

3 结束语

“环境适应性”概念的普及、国家对装备综合性能的重视和自然环境试验设备研制水平的提高，都促进了自然环境试验行业的发展。但是，中国的自然环境试验仍面临一些问题，例如中国对自然环境试验与实验室环境试验的相关性研究不够深入，自然环境试验的种类仍然较少。

自然环境试验发展能力将很大程度决定下一代装备的研制水平。将来的发展重点是开发出快速评价装备自然环境适应性的试验方法和评价体系，为同类产品的研发和试验积累数据；研究多环境因素作用下装备失效的模式及机理，同时重视综合环境试验技术的发展；利用5G技术、物联网技术和大数据系统等新技术，开发新型自然环境试验管理体系和配套设施，提高自然环境试验过程的可靠性。