我國環(huán)境模擬技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

摘 要：
環(huán)境模擬技術(shù)是一門新的邊緣技術(shù)，主要研究各種自然環(huán)境及誘發(fā)環(huán)境的人工再現(xiàn)技術(shù)和在模擬環(huán)境下的試驗技術(shù)。本文綜述了國內(nèi)環(huán)境模擬技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展方向及應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞： 環(huán)境模擬 環(huán)境控制 動態(tài)試驗

ABSTRACT:Environment simulation is a new boundary technology which mainly researches the manmade reappearance techniques of all kinds of nature environment and the induced environment and test techniques in the simulated environment. The present status, development direction and application fields of the environment simulationtechnology in China are summarized in this paper.

Keywords: Environment simulation Environment control Dynamic test

1 環(huán)境模擬技術(shù)是新的綜合性工程技術(shù)

社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，要求人的生存和工作空間不斷擴大，對各類產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量的要求不斷提高，相應(yīng)地，對人的環(huán)境適應(yīng)性和產(chǎn)品的環(huán)境可靠性也提出了更高的要求。為此，需要進行各種類型的環(huán)境適應(yīng)性及可靠性試驗，對所有產(chǎn)品(電子及電工產(chǎn)品，常規(guī)及非常規(guī)兵器，飛行器、艦船及機動車輛等)都制定相應(yīng)的環(huán)境試驗規(guī)范，并不斷地修訂和更新。美國2000年元旦正式頒布的新軍標MIL-STD-810F代表了目前最新的環(huán)境試驗要求，據(jù)此，各國先后建立了各種類型、不同規(guī)模的環(huán)境模擬試驗設(shè)備，在這些設(shè)備中再現(xiàn)各種環(huán)境條件，進行環(huán)境適應(yīng)性及可靠性試驗。最新的進展是進行各類人機系統(tǒng)的綜合環(huán)境動態(tài)試驗。

我國自20世紀60年代以來，為了滿足兵器、飛機、人造衛(wèi)星、火車和汽車等的研究、研制和生產(chǎn)的需要，自主生產(chǎn)了相當數(shù)量的各類不同規(guī)模的環(huán)境模擬設(shè)備。近十幾年來，建成了一些達到國際先進水平、具有自己特色的環(huán)模設(shè)備，如“重武器環(huán)境室”、“某試驗場常規(guī)兵器大型環(huán)模設(shè)備”和“KM6大型空間環(huán)模設(shè)備”等地面、空中和空間環(huán)模設(shè)備。在國外，50年代以來，為了適應(yīng)兵器、航空和航天產(chǎn)品的發(fā)展，亦先后建立了各類不同規(guī)模的環(huán)境模擬設(shè)備，如英國皇家陸軍科學(xué)研究院車輛環(huán)境實驗室、維也納國際車輛研究試驗中心的機車和車廂靜動態(tài)環(huán)境試驗設(shè)備、美國阿伯丁試驗場兵器環(huán)境試驗設(shè)備、法國圖魯茲航空研究中心高空模擬設(shè)備、美國格魯門公司及波音公司的高空試驗艙、美國NASA約翰遜空間中心的大型空間環(huán)模設(shè)備和日本筑波空間環(huán)模艙等。

伴隨著環(huán)模設(shè)備和環(huán)境試驗技術(shù)的發(fā)展，在實踐和解決理論問題的過程中，吸收了多門學(xué)科(熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和光學(xué)等)和多項技術(shù)(制冷、真空、空調(diào)、自動控制、計量等)的相關(guān)理論和方法，形成了一個獨立的技術(shù)理論體系——環(huán)境模擬技術(shù)。環(huán)境模擬技術(shù)是一門新的邊緣技術(shù)，主要研究各種自然環(huán)境及誘發(fā)環(huán)境的人工再現(xiàn)技術(shù)和在模擬環(huán)境下的試驗技術(shù)。環(huán)境模擬設(shè)備和環(huán)境試驗技術(shù)經(jīng)歷了由單參數(shù)模擬到多參數(shù)模擬，從靜態(tài)模擬到動態(tài)模擬，從產(chǎn)品試驗到人機系統(tǒng)環(huán)境試驗的發(fā)展過程。它當前的發(fā)展方向是：建立整機多參數(shù)綜合動態(tài)環(huán)境模擬設(shè)備，進行多參數(shù)綜合動態(tài)環(huán)境試驗和人機系統(tǒng)綜合環(huán)境動態(tài)試驗，以及進行虛擬試驗技術(shù)的研究和應(yīng)用。

2 環(huán)境模擬分類

人類生活和工作在極其復(fù)雜的自然和人工環(huán)境中，環(huán)境因素對人的生存和工作，以及對產(chǎn)品的可靠性都有重要影響。1971年美國對機載電子設(shè)備進行全年故障率分析后得出結(jié)論：由于環(huán)境因素造成的占50%以上。因此，研究各種環(huán)境的性質(zhì)和特點，分析其對人類生活和工作，以及對產(chǎn)品造成的影響有極其重大的現(xiàn)實意義。環(huán)境種類通常分為氣候環(huán)境、力學(xué)環(huán)境、電磁環(huán)境和復(fù)合環(huán)境。

氣候環(huán)境又可分為地面環(huán)境、空中環(huán)境和空間環(huán)境。由于地面環(huán)境和空中環(huán)境的交融，通常按環(huán)境參數(shù)分為溫度環(huán)境、壓力環(huán)境、濕熱環(huán)境、砂塵環(huán)境、煙霧環(huán)境、雨環(huán)境、霉菌環(huán)境和太陽輻照環(huán)境以及多參數(shù)綜合環(huán)境。空間環(huán)境是個特殊的環(huán)境，相對獨立，通常包括高真空環(huán)境、冷黑環(huán)境、微重力環(huán)境、高能帶電粒子環(huán)境、弱磁場環(huán)境、原子氧環(huán)境、微流星環(huán)境、空間碎片環(huán)境、等離子體環(huán)境和磁層亞爆環(huán)境等。力學(xué)環(huán)境包括加速度環(huán)境、振動環(huán)境
、沖擊環(huán)境和噪聲環(huán)境。

3 環(huán)境模擬設(shè)備

3.1 地面環(huán)境模擬設(shè)備

地面環(huán)境模擬設(shè)備主要有低溫環(huán)境模擬、高溫環(huán)境模擬、濕熱環(huán)境模擬、太陽輻照環(huán)境模擬、砂塵環(huán)境模擬、雨環(huán)境模擬、浸漬環(huán)境模擬、酸性環(huán)境模擬、爆炸性大氣環(huán)境模擬、積冰/凍雨環(huán)境模擬和霉菌環(huán)境模擬等設(shè)備。

由于地面兵器的空運及機載使用，傳統(tǒng)的地面兵器空中使用時可能會遭遇特殊環(huán)境，如快速溫度變化、溫度沖擊和溫壓環(huán)境。對于整機，這些環(huán)境的模擬在技術(shù)上有一定的難度。

當前地面環(huán)境模擬的主要發(fā)展方向是多參數(shù)綜合動態(tài)環(huán)境模擬。美國最新的MIL-STD-810F軍標規(guī)定了溫度、濕度、低氣壓、振動四綜合環(huán)境試驗；英國皇家陸軍科學(xué)研究院的車輛環(huán)境實驗室允許882.6kW的坦克車在開車狀態(tài)下模擬低氣壓、溫度環(huán)境；美國陸軍阿伯丁靶場的兵器環(huán)境試驗設(shè)備能讓車輛在行駛道路條件下模擬低溫、高溫、濕熱、低氣壓等單參數(shù)環(huán)境和多參數(shù)組合環(huán)境。

該設(shè)備有1000m3、145m3和45m3 3個環(huán)境室，采用1套空氣制冷系統(tǒng)和各自獨立的電加熱設(shè)備，低溫可達到-100℃，高溫可達80℃，于1984年建成并經(jīng)國家驗收，在大型環(huán)模設(shè)備中首次成功采用了空氣制冷。該設(shè)備試驗間尺寸為16m×8m×8m(長×寬×高)，溫度范圍為常溫～50℃，濕度可到85×(1±005) RH(≤40℃)，太陽輻射強度最大1kW/m2，模擬的最大風(fēng)速為35m/s。

3.2 空中環(huán)境模擬設(shè)備

目前，空中環(huán)境模擬試驗主要有飛機環(huán)境控制系統(tǒng)空中環(huán)境模擬試驗和飛機發(fā)動機高空性能試驗。

(1)飛機環(huán)控系統(tǒng)空中環(huán)境模擬試驗。這類試驗?zāi)M空中飛行時的外界大氣壓力和溫度(蒙皮熱附面層恢復(fù)溫度)，以及發(fā)動機壓氣機引氣參數(shù)和沖壓空氣參數(shù)(溫度、壓力和流量)。主要的環(huán)境試驗有部件(附件)試驗、環(huán)控系統(tǒng)試驗和環(huán)控系統(tǒng)聯(lián)合(包括座艙和設(shè)備艙)試驗。

(2)發(fā)動機高空性能試驗。發(fā)動機高空性能試驗在發(fā)動機高空性能試驗臺上進行。

當前，空中環(huán)境模擬的發(fā)展方向是：模擬飛行器，特別是高速飛行器飛行任務(wù)包線確定的氣壓和溫度變化環(huán)境；模擬由飛行任務(wù)包線與發(fā)動機工作狀態(tài)變化共同確定的壓氣機引氣參數(shù)變化和沖壓空氣參數(shù)變化(流量、壓力和溫度變化)。這是多參數(shù)綜合的動態(tài)環(huán)境模擬。

(3)空間環(huán)境模擬。空間環(huán)境模擬試驗主要有：熱平衡試驗(載人及無人航天器)，熱真空試驗(載人及無人航天器)，載人航天器人機組合艙外活動的空間環(huán)境試驗，微重力試驗，空間輻照環(huán)境試驗，空間高能粒子輻照試驗，電子、質(zhì)子、紫外線綜合輻照試驗，原子氧、紫外線綜合輻照試驗，空間碎片及微流星環(huán)境試驗，空間防污染環(huán)境試驗，磁環(huán)境試驗等。目前常用熱真空試驗、熱平衡試驗、艙外活動試驗和微重力試驗。

它的主容器(立式)直徑12m，高22.4m，主輔容器總?cè)莘e3200m3，可以完成載人航天器和大型衛(wèi)星的熱真空及熱平衡試驗、宇航員艙外活動環(huán)境試驗和航天器系統(tǒng)及部件試驗，已承擔“神州號飛船”及我國多種人造衛(wèi)星的空間環(huán)境試驗。其規(guī)模及技術(shù)總體水平排在美國、俄羅斯和歐共體之后，日本及印度之前，居世界第4位。

美國最近計劃開始新的大型受控生態(tài)生保地面模擬試驗——“行星受控生態(tài)生保系統(tǒng)聯(lián)合試驗”(BIOPlex)。它是一個大型的綜合性模擬試驗基地，除能進行受控生態(tài)生保永久基地地面模擬試驗外，還可以模擬行星景觀、機械活動、出艙活動和運輸車工作等復(fù)雜的艙外航天任務(wù)。另外，在這些試驗艙內(nèi)可以模擬類似火星和月球表面的光照情況。這也是將來我國在深空探測載人航天環(huán)境模擬方面的發(fā)展趨勢。

4 結(jié)束語

綜上所述，環(huán)境模擬設(shè)備和環(huán)境試驗技術(shù)經(jīng)歷了由單參數(shù)模擬到多參數(shù)模擬，從靜態(tài)模擬到動態(tài)模擬的發(fā)展過程。發(fā)展方向是建立整機多參數(shù)綜合動態(tài)環(huán)境模擬設(shè)備和進行多參數(shù)綜合動態(tài)環(huán)境模擬試驗及人機系統(tǒng)綜合環(huán)境模擬試驗。該項技術(shù)可以在環(huán)模設(shè)備中再現(xiàn)各種環(huán)境條件，進行產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性和環(huán)境可靠性試驗，以及人的環(huán)境適應(yīng)性和人機工效等方面的試驗。

應(yīng)當加快我國的環(huán)境模擬技術(shù)研究和設(shè)備建設(shè)，以達到國際先進水平，為國防建設(shè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展做出貢獻。