關(guān)偉 王洪巖

摘要：為便于在地面模擬慣性器件的跨地區(qū)、全時(shí)段作戰(zhàn)環(huán)境，并評(píng)價(jià)多種環(huán)境參數(shù)綜合作用對(duì)慣性器件可靠性的影響，有必要開(kāi)展慣性器件綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)研究。通過(guò)歸納分析綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)及其在慣性器件測(cè)試中的應(yīng)用，指出慣性器件綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和關(guān)鍵問(wèn)題，為提升慣性器件在復(fù)雜工況下的測(cè)試技術(shù)水平提供參考。

關(guān)鍵詞：慣性器件；綜合環(huán)境試驗(yàn)；環(huán)境可靠性；試驗(yàn)技術(shù)

Keywords：inertial devices；composite environmental testing；environmental reliability；testing technology

0 引言

慣性器件是精確制導(dǎo)武器裝備的控制核心，其可靠性直接影響精確制導(dǎo)武器裝備作戰(zhàn)任務(wù)的成敗。隨著精確制導(dǎo)武器跨地域、全天候作戰(zhàn)要求不斷提高，如何評(píng)估慣性器件在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下的可靠性成為精確制導(dǎo)武器裝備維護(hù)保障的難點(diǎn)。國(guó)軍標(biāo)和美軍標(biāo)均認(rèn)為，綜合環(huán)境試驗(yàn)可能比一系列連續(xù)的單個(gè)試驗(yàn)更能代表實(shí)際環(huán)境效應(yīng)，鼓勵(lì)當(dāng)使用環(huán)境中遇到這些條件時(shí)應(yīng)進(jìn)行綜合環(huán)境試驗(yàn)[1，2]。根據(jù)慣性器件的實(shí)際使用環(huán)境，設(shè)計(jì)相應(yīng)的綜合環(huán)境試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)慣性器件在多重環(huán)境應(yīng)力綜合作用下的可靠性和適應(yīng)性，成為完善慣性器件性能評(píng)估鑒定能力的重要途徑之一。

1 慣性器件的綜合環(huán)境試驗(yàn)

綜合環(huán)境試驗(yàn)是環(huán)境可靠性試驗(yàn)的一種，以其全系統(tǒng)、多剖面、高仿真的優(yōu)點(diǎn)成為了考核武器裝備實(shí)戰(zhàn)化性能的重要手段。按綜合環(huán)境試驗(yàn)使用的主體設(shè)備不同，可將其分為以下幾類。

第一類，以振動(dòng)臺(tái)和綜合環(huán)境試驗(yàn)箱為主體。二者配合構(gòu)成的溫度—濕度—振動(dòng)、熱—振動(dòng)、溫度—噪聲—振動(dòng)等綜合環(huán)境試驗(yàn)是廣泛用于國(guó)內(nèi)各類慣性器件及其配套武器裝備環(huán)境模擬考核的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)項(xiàng)目[3，4]，在慣性器件的出廠鑒定、性能評(píng)估、過(guò)程試驗(yàn)等環(huán)節(jié)中均可使用。

第二類，以風(fēng)洞為主體。例如，風(fēng)洞—高低溫試驗(yàn)、風(fēng)洞—砂塵試驗(yàn)等綜合環(huán)境試驗(yàn)，其主要試驗(yàn)對(duì)象是飛機(jī)、導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭等飛行載體。風(fēng)洞內(nèi)溫度、氣壓等氣候環(huán)境控制是此類試驗(yàn)的難點(diǎn)[5]。由于慣性器件安裝在載體內(nèi)部，隨載體一同開(kāi)展此類項(xiàng)目，因此主要是在整體裝配后開(kāi)展，以系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)為主。慣性器件主要受溫度、振動(dòng)、輻射等環(huán)境參數(shù)傳遞影響。

第三類，以離心機(jī)為主體。例如，離心—振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)、離心—溫度復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)、離心—噪聲復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)等，對(duì)于考察慣性器件在高過(guò)載條件下的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性有重要意義。浙江大學(xué)、北京強(qiáng)度環(huán)境研究所針對(duì)航天器元件大過(guò)載條件下的測(cè)試問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究[6，7]。中國(guó)工程物理研究院針對(duì)核戰(zhàn)斗部這一特殊部件，專門(mén)提出了振動(dòng)—加速度試驗(yàn)方法，并制定了相應(yīng)的國(guó)軍標(biāo)[8]。離心機(jī)產(chǎn)生的離心力場(chǎng)對(duì)溫度、氣壓、濕度的分布都有影響，在高精度試驗(yàn)中這一點(diǎn)需要重點(diǎn)注意分析。

第四類，以電磁環(huán)境試驗(yàn)室為主體。例如，電磁—溫度、電磁—濕度等電磁環(huán)境與自然環(huán)境綜合試驗(yàn)，為裝備在電磁環(huán)境與溫度、濕度環(huán)境綜合作用下的效應(yīng)機(jī)理研究和適應(yīng)性考核提供了手段[9]。無(wú)論是傳統(tǒng)的機(jī)電式慣性器件，還是先進(jìn)的微機(jī)電慣性器件、量子慣性器件，電磁干擾都是影響產(chǎn)品性能的重要因素。慣性器件在電磁綜合環(huán)境下的可靠性是評(píng)估眾多武器裝備能否實(shí)現(xiàn)二次反擊的重要指標(biāo)。需要注意的是，電磁發(fā)生設(shè)備以外的其他設(shè)備可能產(chǎn)生額外的電磁干擾，在試驗(yàn)過(guò)程中需要仔細(xì)甄別被試產(chǎn)品所收到的電磁激勵(lì)量級(jí)與變化特性。

第五類，以多自由度運(yùn)動(dòng)模擬設(shè)備為主體。例如，六自由度運(yùn)動(dòng)模擬臺(tái)、六自由度振動(dòng)臺(tái)、五軸運(yùn)動(dòng)仿真臺(tái)等設(shè)備，已經(jīng)能夠模擬飛機(jī)、艦船、車(chē)輛等動(dòng)態(tài)條件，用于評(píng)估慣性器件在多自由度運(yùn)動(dòng)環(huán)境下的導(dǎo)航性能。三軸線振動(dòng)臺(tái)、三軸角振動(dòng)臺(tái)等設(shè)備則能夠?qū)T導(dǎo)系統(tǒng)的線振動(dòng)特性和角振動(dòng)特性進(jìn)行專門(mén)的測(cè)試，評(píng)估給定振動(dòng)條件下的可靠性。振動(dòng)類設(shè)備已經(jīng)從振動(dòng)模態(tài)分析、結(jié)構(gòu)可靠性測(cè)試發(fā)展到運(yùn)動(dòng)模擬過(guò)程中的性能測(cè)試[10]。

2 慣性器件綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

從慣性器件的綜合環(huán)境試驗(yàn)情況分析，慣性器件作為控制系統(tǒng)或傳感測(cè)量系統(tǒng)的一部分，一般位于載體內(nèi)部，所經(jīng)受的環(huán)境條件以溫度、濕度、氣壓、電磁、振動(dòng)、沖擊、恒加速度等為主。如果慣性器件外圍是帶有溫度控制裝置的環(huán)境，則實(shí)際應(yīng)用中需要側(cè)重考慮電磁、振動(dòng)、沖擊、恒加速度等環(huán)境條件的干擾。按照國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，目前慣性器件的環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)定了試驗(yàn)前、試驗(yàn)中和試驗(yàn)后的性能測(cè)試項(xiàng)目，以評(píng)估環(huán)境試驗(yàn)對(duì)慣性器件精度性能的影響。因此，環(huán)境試驗(yàn)與精度測(cè)試的關(guān)聯(lián)性越來(lái)越強(qiáng)。但是，現(xiàn)有的綜合環(huán)境試驗(yàn)存在顯著問(wèn)題，限制了慣性器件綜合環(huán)境試驗(yàn)水平的提升。主要有兩點(diǎn)。

第一，綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備輸出參數(shù)的重復(fù)性較差。導(dǎo)致重復(fù)性差的原因之一是試驗(yàn)設(shè)備自身性能的重復(fù)性問(wèn)題，另一個(gè)重要原因是綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)生的是相互耦合的環(huán)境條件，時(shí)變特性明顯。例如，離心—溫度綜合試驗(yàn)設(shè)備中，離心力影響了溫度場(chǎng)分布的均勻性；溫度—濕度—振動(dòng)綜合試驗(yàn)設(shè)備各部件產(chǎn)生的電磁干擾、熱能傳遞也會(huì)影響被測(cè)產(chǎn)品。重復(fù)性對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估環(huán)境試驗(yàn)條件對(duì)慣性器件性能的影響有較大的影響。

第二，綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備所在廠房環(huán)境干擾大。環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備一般處于空間較為開(kāi)闊的廠房，且不是獨(dú)立放置。如果廠房?jī)?nèi)部溫濕度控制要求不高，且配套設(shè)備（如風(fēng)冷系統(tǒng)、控制柜、配電箱）與試驗(yàn)設(shè)備隔離不嚴(yán)格，將引起綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備所在廠房環(huán)境條件波動(dòng)大、試驗(yàn)環(huán)境中的干擾條件難以有效控制等問(wèn)題，對(duì)于高精度慣性器件性能測(cè)試來(lái)說(shuō)是較大的誤差源。例如，配套設(shè)備或其他試驗(yàn)設(shè)備共同工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾、振動(dòng)干擾會(huì)影響慣性器件性能測(cè)試結(jié)果；設(shè)備地基傾斜、供電系統(tǒng)的雜波干擾等也會(huì)影響慣性器件測(cè)試結(jié)果。

綜合環(huán)境試驗(yàn)過(guò)程中多種環(huán)境參數(shù)相互耦合、共同作用于被測(cè)對(duì)象，作用規(guī)律具有強(qiáng)耦合、非線性、非同步時(shí)變性的顯著特點(diǎn)，對(duì)慣性器件的輸入—輸出關(guān)系產(chǎn)生復(fù)雜的影響。設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)方法，建立有效的數(shù)學(xué)模型表征多個(gè)參數(shù)對(duì)慣性器件性能的影響，是提升慣性器件綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)水平的關(guān)鍵。而在現(xiàn)有綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)上，通過(guò)配套外部測(cè)量基準(zhǔn)，提升綜合環(huán)境試驗(yàn)過(guò)程參數(shù)計(jì)量溯源能力，是準(zhǔn)確建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)，也是綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)提升的一個(gè)重要方向。

3 結(jié)論

環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)與高精度測(cè)試技術(shù)之間相互融合、相互促進(jìn)，綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的高精度測(cè)試屬性越來(lái)越明顯?，F(xiàn)有綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)可用于評(píng)價(jià)實(shí)戰(zhàn)化條件下多種環(huán)境參數(shù)綜合作用對(duì)武器裝備性能的影響，但環(huán)境試驗(yàn)前、中、后開(kāi)展的性能試驗(yàn)對(duì)慣性器件綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)提出了環(huán)境參數(shù)精確量化的要求。無(wú)論是評(píng)估設(shè)備輸出性能的重復(fù)性還是試驗(yàn)設(shè)備所在廠房的環(huán)境干擾，都要求對(duì)各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行量值溯源。研究多參數(shù)復(fù)合條件下環(huán)境參數(shù)的精確測(cè)量與量值溯源技術(shù)是提升慣性器件綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的必然要求，也是滿足實(shí)戰(zhàn)化條件下高精度慣性器件維護(hù)保障需求的重要方面。

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作者簡(jiǎn)介

關(guān)偉，博士，高級(jí)工程師，主要從事慣導(dǎo)系統(tǒng)修理技術(shù)及裝備研制、慣性測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器等方向研究。