典型船用通导设备低温性能试验研究

杨宗豫，王迎晖，李明政，田于逵

（中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）

冰区船舶在极地低温、大风、多栖等环境下航行时，暴露在船舶操作环境温度中存放的设备材料极有可能不耐受低温，严重时将影响船舶的设备操作与航行安全[1]。例如暴露在低温环境中的船用通导设备，卫星天线被冰覆盖后，因海冰盐分较高，将升高天线表面介电常数，影响信号接收[2-3]。在极地高纬度地区，经线圈快速汇聚，精度变化率很大，定位误差变大，对惯性导航系统定位精度具有较大影响[4-5]。不仅如此，极地环境影响极地的电离层环境等，干扰了高频无线电和卫星信号，限制了极地地区的通信能力，常规的通信设备等很难适用于该区域航行[6]。

实验室模拟环境下的考核试验是验证或提高设备环境适应性和可靠性的关键途径之一，但目前关于船用通导设备环境效应的研究更多集中在试验方法的标准剪裁与梳理上。如王一飞等[7]指出，可通过两箱同步法完成船用导航雷达设备的干热和低温试验。郑梓桢等[8]为应对新型惯性导航系统环境试验鉴定的需要，根据惯性导航系统的技术特点提出一种海陆结合试验模式，并论述了其实施要点。周金亮[9]将舰艇惯性导航系统试验的项目设计成精度试验、可靠性试验、环境适应性试验、使用性考核式样和电磁兼容性试验五大部分，并系统性地阐述了惯性导航系统的试验方法。上述学者针对通导设备的试验方法提出了很多独到的见解，但均没有落实到具体的试验研究上，仅有少数的研究是与通导设备的试验验证相关[10-11]。例如加拿大渔业与海洋部和McMaster大学通信研究实验室开展的双极化冰区导航雷达的装船试验研究[10]。中船第七〇七研究所开展的极区惯性导航系统罗经失效机理、解算奇异原理及误差传播规律研究，并先后多次开展极区搭载试验，验证了光学惯导的极区导航功能。

鉴于此，本文将充分考虑极地低温环境下船用通导设备的环境适应性、可靠性、可维性等应用需求，建立通导设备的低温试验方法，在模拟低温环境下完成设备的性能试验，分析可能发生的失效机理以及温度变化对通导设备性能参数的影响，为保障极地航行船舶在低温环境下的通讯导航能力提供有效的试验检测手段和评估方法。

1 试验对象与测量仪器

罗经是船舶上必备的一种典型导航设备，一般海船都同时装备有磁罗经和电子罗经。磁罗经是利用磁针指北的特性而制成，主要由罗经柜、罗经盆以及自差校正器组成。电子罗经是根据高速旋转陀螺的定向性研制的，主要由主罗经、分罗经以及附属仪器组成，相比磁罗经，使用更为方便、指向更为准确[12]。本研究的试验对象分别是CPT-130D型号磁罗经与SY-Ⅱ型号电子罗经，如图1所示，其主要技术参数见表1。

表1 主要技术参数Tab.1 Main technical parameters

图1 典型导航设备Fig.1 Typical navigation equipment: a) magnetic compass;b) electronic compass

磁罗经与电子罗经的低温试验在型号为UTH-225-A（品牌：优益速）的恒温湿高低温箱中进行，试验箱内尺寸为600 mm×500 mm×750 mm（宽×深×高），质量约390 kg，升温速率平均2～3 ℃/min，降温速率平均1～1.5 ℃/min，温度测试范围为–40～150 ℃。此外，在进行试验时，还需要九点温控仪、稳压开关电源、秒表、磁铁、稳压开关电源、相机等试验设备及仪表，如图2所示。

图2 试验仪器设备Fig.2 Test equipment: a) constant temperature and humidity box; b) stabilized switching power supply;c) nine-point temperature controller

2 低温试验方法

根据GJB 150.4A—2009《军用装备实验室环境试验方法第4部分：低温试验》[13]、CB 1146—1985《舰船设备环境试验方法》[14]以及IEEC 945—1988《船用导航设备总要求——试验方法和要求的试验结果》[15]等标准要求，确定了磁罗经与电子罗经的常温工作测试、低温贮存、低温工作以及低温防寒试验方法。

2.1 常温工作测试

准备好试验测试设备，在离金属1 m远的固定场地、固定方向，分别完成磁罗经的试前自查校正工作。测量磁罗经在常温环境中的罗盘刻度标识灵敏度与罗盘磁力指向稳定性，测量电子罗经在常温环境中的指向方位、电压及电流。其中，磁罗经的试前检测内容详见表2。

表2 磁罗经试前检测内容Tab.2 Test content of magnetic compass before test

2.2 低温贮存试验

磁罗经与电子罗经的低温贮存试验方法见表3。

表3 低温贮存试验方法Tab.3 Low temperature storage test method

2.3 低温工作试验

电子罗经的低温工作试验方法见表4。

表4 低温工作试验方法Tab.4 Low temperature working test method

2.4 低温防寒试验

遮蔽布置与电伴热作为CCS《钢质海船入级规范》[17]、DNV[18]、LR[19]等船级社防寒规范中最主要的防寒措施，广泛应用于冰区航行船舶的防寒布置。为了验证遮蔽布置与电伴热的防寒效果，针对磁罗经开展附加遮蔽措施的贮存试验，针对电子罗经开展附加电伴热防寒试验。其中，遮蔽措施采用硬质可移动的帆布罩，电伴热带采用DBR型低温自限温电伴热带，该电伴热带功率为25 W/m，最高加热温度可达65 ℃[20]，具体试验方法见表5和表6。

表5 磁罗经附加遮蔽措施的贮存试验Tab.5 Storage test of additional shielding measures of magnetic compass

表6 电子罗经附加电伴热防寒试验Tab.6 Additional electric heat tracing and winterization test of electronic compass

综合上述试验方法，本文针对磁罗经与电子罗经开展包括试前常温工作测试、–25 ℃低温贮存试验、–20 ℃低温工作试验以及附加防寒措施的系列考核试验。试验工况汇总见表7。

表7 试验工况汇总Tab.7 Summary of test conditions

3 结果与分析

3.1 磁罗经低温贮存及防寒试验结果

通过恒温湿低温箱精准控制试验参数，完成磁罗经24 h的–25 ℃低温贮存与附加防寒措施试验，试验过程记录如图3所示。在磁罗经经历低温考核后，进行了磁力指向稳定性与罗盘刻度标识灵敏度的试后检测。

图3 磁罗经低温贮存与附加防寒措施试验Fig.3 Low temperature storage of magnetic compass and additional winterization measures

在磁力指向稳定性的检测中，依据JT/T 680.1～680.15—2007《船用通信导航设备的安装、使用、维护、修理技术要求第9部分：磁罗经》中的指导方法，分别用小磁铁将罗盘从0°平衡位置向左、右引偏40°后迅速移去，用秒表记录罗盘0°连续2次通过首基线的时间，试验测试结果如图4所示。在图4a向右偏移的磁力指向稳定性试验中，试验前常温下测得罗盘摆动时间为6.46 s，在低温试验结束时，摆动时间增加至11.22 s。此后随着试验结束时间的增加，曲线呈递减趋势，直至试验结束后2 h，罗盘摆动时间变化为9.77 s。在附加防寒措施后，罗盘摆动时间关于测试时间的曲线变化趋势与未加措施的贮存试验一致，摆动时间均是先增大、后减小，但其每项数值均低于未加措施的，尤其在试验刚结束时，测出的摆动时间为9.69 s，相比未加措施的贮存试验减少了13.6%。在向左偏移的磁力指向稳定性试验中，也体现了相同的变化规律，从常温下测量的6.28 s增至试验结束时的10.36 s，最终降至试验结束2 h后的9.23 s。而在采用防寒措施后，罗盘摆动时间发生了显著的减少。

图4 罗盘磁力指向稳定性测试结果Fig.4 Test results of magnetic compass pointing stability: a) offset 40° to the right; b) offset 40° to the left

根据刘佳等[21]开展的高寒列车材料阻尼低温特性试验可知，材料在低温环境下发生收紧，会加大机械阻尼。再由标准中提及的罗盘摆动半周期应不小于（H为微特）可知，该型号磁罗经罗盘摆动半周期应不小于5.59 s。在经历了低温考核后，磁罗经罗盘摆动时间最高增加至11.22 s，这可能是因为机械阻尼的增大使得罗盘摆动时间增长。从另一个角度分析，低温对磁铁的磁性也有一定的影响。低温会使得磁棒内部粒子运动变慢，一定程度上会改变磁力[22]。因此，磁力指向稳定性的变化也有可能由罗经柜中自差校正磁棒的磁力改变导致，具体的影响原因有待后续的试验研究。

图4a、b中，曲线均在试验结束后呈现下降的趋势，这表明磁罗经的罗盘磁力指向稳定性在逐渐恢复。一方面，随着罗经表面温度的回升，轴帽和轴针间的机械阻尼会降低，这与前人关于温度对机械阻尼的影响研究所获得的结论一致[23-24]。因此，阻尼的降低带来了罗盘摆动时间的减少。另一方面，磁棒发生的是可逆损耗，伴随着表面温度的回升，磁性能够渐渐恢复。采用附加遮蔽防寒措施后，磁罗经的罗盘磁力指向稳定性相比未加措施的贮存试验有所改善。其中原因更多归结于采用遮蔽防寒措施后，防寒袋中的磁罗经表面温度要高于试验过程中的箱内温度，而温度又是影响磁罗经性能变化最主要的原因，因此采用遮蔽防寒措施可提高磁罗经的罗盘磁力指向稳定性。

在罗盘刻度标识灵敏度的试后检测中，用小磁铁将罗盘从0°平衡位置向左和向右分别引偏2°～3°后迅速移去，记录罗盘恢复平衡后的刻度，试验结果汇总见表8。由表8可知，在常温下测试、–25 ℃低温贮存以及–25 ℃附加遮蔽措施贮存试验中，磁罗经在受到小磁铁的偏引作用后，罗盘刻度均能从原平衡刻度0°回归原位，表明磁罗经罗盘刻度标识灵敏度良好，轴帽和轴针之间的摩擦力未达到临界失效点，仍保持在可控范围内，罗经轴针在–25 ℃的低温下未发生磨损失效。

表8 罗盘刻度标识灵敏度测试结果Tab.8 Test results of compass scale mark sensitivity

3.2 电子罗经低温工作及防寒试验结果

将电子罗经主机与天线放入处于常温状态下的试验箱中，测得指向刻度175°、电压为24 V、电流为0.117 A。当温度到达设定工作温度且九点温控仪测得的温度点与设定温度之差均不大于3 ℃时，开启设备，期间每15 min记录一次数据，获得了如图5所示的曲线。从图5中可以发现，低温启动后的电子罗经指向刻度达到195°，指向刻度关于工作时间的曲线几乎呈线性变化，尤其当达到2 h的工作时间后，指向刻度增大到221.7°，相比未经历低温时的175°与低温启动时的195°分别增大26.69%、13.69%。同样，在经历低温后电流也发生了显著波动，从常温下的0.117 A增加到低温启动状态下的0.144 A，并随着低温工作时间的增加，电流增长到最终的0.158 A。在此低温工作过程中，罗经天线与显示器主机均受到低温的影响，故可能存在2种性能失效模式。一方面，天线内部由各向异性磁阻材料制成的地磁传感器具有一定的温度漂移特性[25]，电器元件的性能改变会引起罗经指向刻度的大幅波动；另一方面，受低温影响，罗经主机的电容、电阻等性能参数发生一定的变化，引起罗经电流的增加。

图5 电子罗经低温工作试验结果Fig.5 Low temperature test results of electronic compass

为验证具体的失效模式，在防寒包装好的天线表面贴好电伴热带，与处于未包装状态的罗经主机一并置于试验箱内。附加电伴热措施的试验结果如图6所示，曲线呈现出与图5不一样的变化趋势。起初，室温放入箱内测得初始罗经指向刻度223°、电压为24 V、电流为0.121 A。当启动电子罗经并开启电伴热带时，电子罗经指向刻度216.4°。而在接下来2 h的低温工作时间内，指向刻度一直在214.6°±2°内波动，相比未经历低温时的223°只减少了3.77%。原因是附加了电伴热措施后，防寒袋中的天线表面温度显著高于箱内温度，并且天线表面未暴露在低温环境中，无霜冻现象的出现。此时，天线内部的地磁传感器受低温的影响效果减弱，传感器材料并未发生明显的收缩或硬化。曲线的变化趋势也从另一方面体现了天线内部电器元件（地磁传感器）的性能改变是引起指向刻度变化的主要因素。在本次试验中，另一个重要的测量参数电流同样在变化波动中最终增加到0.161 A，变化趋势与未附加电伴热措施的试验结果相近，表明低温下罗经主机电容、电阻等性能参数的变化是引起电流增大的主要原因。

图6 电子罗经附加电伴热措施的低温工作试验结果Fig.6 Low temperature test results of electronic compass with additional electric heat tracing measures

3.3 试验前后检测结果分析

3.3.1 磁罗经

低温贮存24 h后，从试验箱中取出的磁罗经如图7所示。此时罗盘表面附着着厚重的霜冻，将表面的霜冻擦拭干净后，发现罗盘内罗经液未发生冻结。在外观检查无误后，测量了磁罗经定点定向的指向刻度，试验结果与常温下测得的指向刻度结果见表9。在定点定向处，测得常温下指向刻度328°，在Case 2经历–25 ℃低温贮存试验后，指向刻度增加至331.3°，试验前后指向刻度偏差为3.3°。在Case 3附加遮蔽防寒措施的贮存试验后，指向刻度仅增大了1°，变为329°。从上述数据证实了经历低温前后的磁罗经发生了指向偏差，且附加遮蔽防寒措施后磁罗经的失效指向偏差要优于未加措施的。因此，采取一定遮蔽保温措施将有利于提高磁罗经工作稳定性。

表9 定点定向试后检测结果汇总Tab.9 Summary of test results after fixed-point orientation test

图7 试验后磁罗经外观检查Fig.7 Appearance inspection of magnetic compass after test

3.3.2 电子罗经

低温贮存24 h后从试验箱中取出的电子罗经主机与天线如图8所示，可以发现试件表面均附着着霜冻。在外观检查无误后，对试件进行通电状态下的工作性能检测。由于在低温贮存试验中未进行通电，只能记录贮存前后电子罗经的定点定向的试验结果。低温贮存与低温工作试验后电子罗经定点定向的试验结果见表9。可以看出，在低温贮存前后，指向刻度从325.4°降低至321.7°，电流从0.116 A增加到0.153 A，证实在经历低温前后电子罗经发生了电流增大与指向失效。

图8 试验后的外观检查与工作性能测量Fig.8 Appearance inspection and working performance measurement after test

从表9仍可以发现，在2类低温工作试验中，Case 6试验前后指向刻度偏差为3.7°，电流增长率为32.8%；Case 7试验前后指向刻度偏差为2.6°，电流增长率为31%。附加防寒措施后，电子罗经的失效指向偏差确实比未加措施的要小。

4 结论

本文针对典型通导设备磁罗经、电子罗经开展了包括试前常温工作测试、–25 ℃低温贮存试验、–20 ℃低温工作试验以及附加防寒措施的系列考核试验，成功复现低温环境下磁罗经与电子罗经的性能失效模式，得出以下相关结论。

1）低温会对磁罗经与电子罗经的工作性能产生影响。因而，此类通导设备若要在冰区低温环境下使用，需事先进行低温环境考核试验，以验证或提高设备的环境适应性和可靠性。

2）磁罗经在经历低温后，磁力指向稳定性大幅减弱，罗盘摆动时间最高增加至11.22 s，相比试验前增大73.7%。试验后的定点定向测试结果显示，指向刻度最大偏差可达3.3°。经分析，引起磁罗经定位精度率波动、定位误差变大的原因可能归结于磁罗经内部部件机械阻尼的增大，以及自差校正磁棒磁力的改变。

3）电子罗经在经历低温后，指向刻度最大偏差可达3.7°、电流最大增大32.8%。在电子罗经低温工作过程中，指向刻度与电流随工作时间的变化波动显著。经分析，温度大幅度变化时，天线内部电气元件性能（如阻值、放大系数、温度漂移等）改变，是引起电子罗经指向刻度变化的主要因素，元器件性能参数的变化也是引起电流增大的主要原因。

4）通过遮蔽防寒、伴热措施保温后，整个试验过程中温度趋于稳定，磁罗经与电子罗经的刻度示值变化幅度减小，因此实际使用过程中通过采取一定的防寒保温措施，减小温度变化范围，将有利于提高磁罗经与电子罗经低温工作的稳定性。