军用装备产品的积冰/冻雨试验方法分析

贺天远，江露，汪凯蔚，胡湘洪

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东 广州 511370；3.陆军装备部驻南京地区军事代表局驻上海地区第二军事代表室，上海 200030）

0 引言

现阶段由于使用与部署环境复杂多样，装备在寿命周期内可能面临极端严寒的恶劣条件，经受积冰/冻雨环境应力的物理或化学作用，从而在使用运行和操作维护方面产生影响任务完成的不利影响。据不完全统计，每年由于积冰导致的飞机失事近30 起，其中飞机上有霜、雪、冻雨等失事每年约13 起，起飞、巡航与着陆过程中因积冰相关问题导致的失事各占1/3[1]。对飞机整机而言，积冰/冻雨恶劣气候环境条件会直接导致飞机气动性能变差，机体表面流线型空气动力场也将受到破坏，使正面阻力增大，升力和推力减小，影响稳定性，使操纵困难，严重时会造成飞机失事。对航空装备系统或部附件而言，积冰/冻雨航路天气会对系统与设备的正常使用带来干扰，影响飞行任务的正常执行，例如：造成发动机进气道积冰，严重时可造成发动机空中停车；空速管积冰将使仪表指示失真，导致飞行员无法准确判读；天线积冰，影响正常陆空通信或造成通讯导航信息的中断[2]。上述一系列的危险源事件都表明，积冰/冻雨作为一种严酷环境应力，对装备的环境适应性能力起到明显制约作用。

积冰/冻雨可能改变装备构成材料的物理性质，从而在寿命周期内的使用、维护、转场和贮存阶段，对装备机械结构与功能性能造成渐进性或永久性损伤与劣化，对装备使用人员的正常工作造成阻碍。首先，极端严寒气候产生的积冰/冻雨环境会导致雷达、天线罩和气动控制面等机外设备的活动阻滞，进而导致航空装备通信导航、动力操纵等相关功能的异常；其次，受到积冰/冻雨作用后的设备材料结构强度会显著降低，使得系统或部附件的使用寿命与可靠性下降；此外，积冰/冻雨环境可能导致发动机叶片磨损或冻结从而影响飞行员对飞机的操控，还可能导致飞机透明表面和光学设备的可视度降低从而影响有效飞行视距。因此，对于在寿命周期各阶段面临经受积冰/冻雨环境应力作用的装备，通过适当的试验方法研究，对其进行积冰/冻雨试验是考核与提升装备环境适应性的一项关键工作需求。

1 积冰/冻雨相关试验标准

1.1 GJB 150A 中的积冰/冻雨试验

国内开展积冰/冻雨试验最为常用的参考标准即是GJB 150.22A—2009 《军用装备实验室环境试验方法 第22 部分 积冰/冻雨试验》，该标准于2009 年替换了旧版的GJB 150.22—87 标准[3]。与GJB 150.22—1987 相比，新的GJB 150.22A—2009除标准结构有较大改动外，标准内容变化不大。标准规定试验的目的在于确定装备能否：

a）耐受积冰/冻雨环境；

b）在积冰/冻雨环境下工作；

c）确定除冰设备和技术的有效性，包括现场规定使用的设备和方法的效能。

该标准规定了积冰/冻雨试验适用于评价可能暴露在由冰雨或毛毛雨产生的积冰条件下的装备和由于海水溅沫或雾状物而引起冰的聚集对其工作性能影响的装备；且不适用于模拟降雪条件、模拟飞机穿过过冷云层时机上的积冰、评价天线装置和天线的性能（充满空气的冰霜引起了相当大的信号反射）、雪水积冰所造成的影响[4]。与GJB 150.22—1987 相比，该标准适用范围更广，且具有剪裁标准的特点，可利用标准中的数据、技术和指导，结合装备自身特点，剪裁确定试验项目、试验顺序、试验条件和试验程序等。在该标准中要求试验中的积冰类型为明冰，明冰形成于环境温度较高（通常为-18～0 ℃）、空气中水密度高且水滴高速撞击表面情况下，碰撞放出的热量使碰撞点的温度升高到冰点附近，部分水滴立即冻结，大部分区域的水滴未能立即完全冻结，在气流和重力驱动下沿表面向后流动并逐渐冻结，由此形成表面光滑、干净、透明的积冰。明冰冻结时水滴紧凑，冰体透明且组织致密，冰中和界面很少有气泡，界面粘附力大，不易脱落。该标准目前是国内军用装备应用得最为广泛的积冰/冻雨试验标准。

1.2 其他标准中的积冰冻雨试验

除了GJB 150A—2009 外，国际上使用最为广泛的环境试验方法标准就是美军标MIL-STD-810H[5]。该标准自1962 年颁布以来，历经60 余年，我国的GJB 150A 就是以美军标MIL-STD-810G 为基础改编而来。MIL-STD-810H 中的 “方法521.4 积冰/冻雨” 试验方法是由MIL-STD-810G修订而成，相较于2009 年颁布的GJB 150.22A 中的积冰/冻雨试验方法，2019 年新颁布的MILSTD-810H 中的积冰/冻雨试验方法内容并无太大差异，仅修改了之前版本的部分笔误和个别字词，其他的包括试验目的、应用范围、剪裁指南和试验过程等内容基本均与MIL-STD-810G 相同，与GJB 150A 中的积冰/冻雨要求也基本相同。相关试验人员之后在按照GJB 150.22A 积冰/冻雨试验方法进行积冰/冻雨试验时，也可参考MIL-STD-810H 中的要求，酌情对试验内容进行剪裁。

英国国防标准DEF STAN 00-35 第3～10 节CL10-结冰也是国外常用的积冰/冻雨相关标准之一。该标准与GJB 150A 和MIL-STD-810H 中的积冰/冻雨试验方法有一定的差异。其中，应用范围与GJB 150A 和MIL-STD-810H 基本类似，适用于安装在军用飞机上暴露位置处的设备，该设备在低速飞行期间可能会受到过冷水滴、冰晶、雨水或海浪飞沫、薄雾或在低于零度时含有大量水蒸汽的空气的影响。主要分为程序A 与程序B，其中程序A适用于在陆基平台、水面船只和潜艇上使用时，可能遭受到结冰的各类设备，这与GJB 150A 和MIL-STD-810H 基本相同；试验程序B 适用于评定与光学系统和各类透明物体有关的除冰系统的性能，包括车辆挡风玻璃，这是GJB 150A 和MILSTD-810H 所未包含的。在这两种程序中，程序A的要求，包括积冰厚度、试验温度和试验流程等要求基本与GJB 150A 和MIL-STD-810H 中的积冰/冻雨试验要求大致相同，仅额外加入了-25 ℃的温度要求，并规定了积冰的增长速率。同时，程序A中还允许使用模拟海水来进行试验，GJB 150A 和MIL-STD-810H 中并未对此进行要求。

航空领域常用的RTCA/DO－160G 机载设备环境条件和试验程序中的第24 章结冰同样也是国外常用的积冰/冻雨试验相关标准之一[6]。该程序中将被试设备分为了ABC 3 类，其中C 类的结冰程序要求与GJB 150A 和MIL-STD-810H 中的积冰/冻雨试验程序要求相类似，但该程序是用于评价由直接暴露的水引起的积冰的影响，与GJB 150A 和MILSTD-810H 中的积冰/冻雨试验也有较大差异，同时，RTCA/DO－160G 结冰试验程序中的C 类结冰试验程序的要求也更为简略，对结冰厚度、雨滴大小、降水强度和降水温度等方面均未作出明确的要求。

国内外其他有关于积冰/冻雨试验的试验方法或标准还有北约的AECTP 300 气候环境试验 方法311：结冰[7]、国内的HB 6167.13—2014 《民用飞机机载设备环境条件和试验方法 第13 部分：结冰试验》[8]等。其中AECTP 300 中结冰试验的要求与MIL-STD-810H 基本一致，HB 6167.13—2014的结冰试验要求与RTCA/DO－160G 基本一致。需要注意的是，积冰/冻雨试验与冰风洞试验和燃油结冰试验在试验方法、失效机理和环境效应等方面完全不同[10]，切勿将这几种试验混为一谈[11]。

常用积冰/冰雨相关标准对照表如表1 所示。

表1 常用积冰/冻雨相关标准对照表

2 积冰/冻雨试验方法

2.1 试验实施方案

国内军用装备产品在进行积冰/冻雨试验时，大多是采用GJB 150.22A—2009，该标准对适用范围和环境影响效应的解释相当直观清晰。整个标准架构都突出尽可能反映受试装备在实际受到积冰/冻雨环境应力作用时的情况，强调对实际自然暴露环境的模拟和还原[9]。标准列举了4 种冰的形成机理和2 种冰的类型，在寿命周期内由于经受积冰/冻雨影响导致实际作战部署使用不符合预期的军用装备均适用于该标准试验考核需求，同时，GJB 150.22A 还对环境温度、被试品温度、降雨速率、降雨方式、水滴尺寸和积冰厚度等条件参数作出了规定。在试验体系框架较完备的基础上，允许试验人员按照实际应力影响场景选取合适的试验参数，加上可供选择的试验程序最终得以构成试验剖面。由于积冰/冻雨的试验条件具体量值较单一，因此在不具备外场环境实测值的情况下可直接应用标准推荐的量值。

首先，应根据国军标及有关技术文件的要求确定积冰/冻雨试验过程中的试验参数，如环境温度、被试品温度、降雨速率、降雨方式、水滴尺寸、积冰厚度和受试面等，以及容易被试验方案制定人员所忽略的结冰类型。其次，应根据被试品的特性，制定被试品进行积冰/冻雨试验的合格判据，包括外观和功能性能检测合格判据等。

试验开始前，应在试验的标准大气条件下对被试品进行相应的外观检查及功能/性能检测，以确保试验前被试品状态的正常。之后将被试品固定在积冰/冻雨试验箱（室）内，若试验中需要对被试品进行功能/性能检测，还需将被试品通过测试线缆与试验箱（室）外的检测设备相连。

准备妥当之后，可按如下程序进行积冰/冻雨试验：

a）降低试验箱（室）温度至0+2 ℃，并保持一段时间使被试品达到温度稳定；

b）对被试品均匀喷洒预冷水至少1 h，允许水渗入被试品的缝隙/开启口；

c）调节试验箱（室）温度至-10 ℃或规定的其他试验温度，并保持水的喷洒速率直至被试品表面上堆积的冰达到规定的厚度，对于被试品的侧面，可使用风或侧面喷洒的方式使其积冰；

d）保持该温度至少4 h 以使冰硬化，并在此期间对被试品进行一次功能/性能检测（如果有要求）；

e）若步骤d）失败或允许被试品除冰则可开始除冰；

f）继续调节试验箱（室）温度至被试品的最低工作温度，并使被试品在最低工作温度下进行一次功能/性能检测（如有要求）；

g）重复上述步骤c）～步骤f），产生其他要求的结冰厚度；

h）恢复试验箱（室）温度至标准大气条件，并使被试品达到温度稳定，之后对被试品进行试验后的外观检查、功能/性能检测。

2.2 试验注意事项

在对军用装备产品进行积冰/冻雨试验时，尤其是在按照GJB 150.22A—2009 进行试验时，试验人员应注意以下几点要求。

a）积冰/冻雨试验应放在淋雨试验后和力学试验前

雨水环境应力可以视作不含结冰因素的积冰/冻雨环境应力，由淋雨转为积冰/冻雨环境，一方面更符合实际自然环境变化情况，另一方面也能够避免过应力的情况；而盐雾试验的开展会导致受试样品的表面残留大量的沉积盐物质，在盐的作用下，雨冰基本上不会对受试样品发生任何作用，这就导致环境试验考核不充分。并且，由于大多数军用装备在使用中都不可避免地受到力学环境应力（如振动、冲击和持续载荷）的影响，为了能够展示环境适应性相关效应的叠加作用，将积冰/冻雨试验顺序安排在力学试验前，更加能体现相关受考核关键部位的结构强度。若反之，则力学试验对受试样品可能已造成较大损伤，则无法体现出积冰/冻雨的实际作用效应。但在实际操作过程中，部分试验人员主观认为装备受积冰/冻雨试验顺序影响较小，通常会忽略试验顺序的要求。

b）不应盲目大范围地调整试验条件

标准中虽然对试件温度、降雨温度、雨滴尺寸和试验箱温度等条件给出了推荐值，但部分试验人员为使冰层能够更快地形成，会将试验条件进行大范围的修改，例如：将试验箱温度由-10 ℃调整为-30 ℃甚至更低、将雨滴尺寸减小甚至于使用雾化喷嘴、盲目增大或减小降水速率等，这些操作虽有可能更快地形成积冰，但通常会产生不符合标准要求的 “霜冰”，即灰乳白色、表面粗糙的霜状积冰，最终难以得到理想的试验结果。

通过分析以往的积冰/冻雨试验实施经验，当试验箱内温度升至-5 ℃或更高时，基本难以形成积冰，温度越低，积冰形成的速率越快，当温度降至-25 ℃甚至更低时，积冰速率明显加快但已难以形成明冰；当降水温度高于5 ℃时，试件表面通常难以形成积冰，当降水温度高于10 ℃时，试件表面已形成的积冰也会开始融化，当降水温度低于5 ℃时比较容易形成令人满意的明冰。在同等条件下，具有突出表面的试件在试验中的结冰初期更容易形成积冰，但在较长时间的积冰/冻雨试验后，突出部位相较于平整表面的积冰速率优势会逐渐减小，直至整个表面上的积冰达到基本平整。大多数情况下，不同种材料的试件对积冰/冻雨试验的结冰结果影响不大，对其积冰速率的影响较小，但在积冰形成的初期，不同试件因其表面特性、传热特性等的不同，会使得传热特性较差、表面较为疏水的材料开始形成积冰所需时间较长，初期的积冰形成速率较低，但在形成一定厚度的积冰之后，不同试件间的积冰速率基本相当。

c）应注意冰积冰厚度的测量方法

在GJB 150.22A 中推荐了一种测量积冰厚度的方法，即：“在与受试装备邻近处放置不易受冷天温度影响而变形的测量尺”，但实际上这种测量方法较为粗略，在美军标MIL-STD-810H 中就将其修改为“将测厚计（如尺寸适当的铜棒或管子）安装在像与试件一样接受相同的总喷水量的地方。如果能够说明其他厚度测量技术也能指示冰厚，也可采用这些测量技术。” 修改后的这种测试方法仍然较为粗略，难以对不同形式、不同大小的试件积冰厚度测量方式进行有效的指导。根据实际积冰/冻雨试验经验，推荐以下4 种测量积冰厚度的方法：

1）对于小型受试装备可直接在试件旁放置测量尺或对比物进行对照比较测量；

2）对于大型受试装备可使用多个测量尺固定在表面进行积冰厚度直接测量；

3）对于高度变化较大的试件，可以在试件表面或旁边的不同高度上安装测量尺；

4）对于有条件的试验箱，可在试件斜上方10～100 mm 处设置一水平固定的平板或金属棒，用测量高度差的方法来进行积冰厚度测量。

同时，标准中虽对积冰的厚度给出了4 种推荐值，但并未明确在积冰厚度不均时如何进行厚度判定。在实际试验过程中，通常也会出现受试面积冰厚度不均的情况，此时部分试验人员可能会产生“最厚处达到规定厚度即可” 的错误观念，建议实际试验过程中以受试面所产生积冰的最薄厚度为准。

e）应注意对降水暂停时间的控制

在试验操作过程中，受限于试验室当地水质、试件的表面特性和试验设备的能力等原因，可能会出现进行较长时间试验也难以产生规定厚度积冰的现象，此时试验人员应特别注意试件的积冰情况，如果已产生的积冰在降水的影响下发生了冰层破裂、冰面融化等现象，应及时暂停降水并使试件的温度稳定，然后再重新进行降水。

在试验过程中因测量积冰厚度、调整喷嘴位置等因素需暂停降水时，也需注意暂停时间不能过久，以免喷嘴位置产生冻结影响后续试验，若确需暂停较长时间的喷水，应确保试验设备在喷嘴位置有相关的防结冰措施。

3 结束语

积冰/冻雨试验是我军装备产品较为常用的特种环境试验项目之一，在以GJB 150.22A—2009 为代表的多个试验标准中都对积冰/冻雨试验实施方法和试验条件等内容作出了要求。同时，我国近年来对装备质量要求愈来愈高，也对试验实施单位科学合理地开展积冰/冻雨试验提出了更高的要求。试验人员应在充分理解积冰/冻雨试验标准要求的前提下，结合相应的积冰/冻雨试验经验，尽量避免诸如试件无法积冰、积冰类型不对和积冰厚度不足等问题的出现，确保积冰/冻雨试验能够按照标准要求顺利实施。