我國環境模擬技術現狀與發展

摘 要：
環境模擬技術是一門新的邊緣技術，主要研究各種自然環境及誘發環境的人工再現技術和在模擬環境下的試驗技術。本文綜述了國內環境模擬技術現狀、發展方向及應用領域。

關鍵詞： 環境模擬 環境控制 動態試驗

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 環境模擬技術是新的綜合性工程技術

社會的發展和科學技術的進步，要求人的生存和工作空間不斷擴大，對各類產品的數量和質量的要求不斷提高，相應地，對人的環境適應性和產品的環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境適應性及可靠性試驗，對所有產品(電子及電工產品，常規及非常規兵器，飛行器、艦船及機動車輛等)都制定相應的環境試驗規范，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境試驗要求，據此，各國先后建立了各種類型、不同規模的環境模擬試驗設備，在這些設備中再現各種環境條件，進行環境適應性及可靠性試驗。最新的進展是進行各類人機系統的綜合環境動態試驗。

我國自20世紀60年代以來，為了滿足兵器、飛機、人造衛星、火車和汽車等的研究、研制和生產的需要，自主生產了相當數量的各類不同規模的環境模擬設備。近十幾年來，建成了一些達到國際先進水平、具有自己特色的環模設備，如“重武器環境室”、“某試驗場常規兵器大型環模設備”和“KM6大型空間環模設備”等地面、空中和空間環模設備。在國外，50年代以來，為了適應兵器、航空和航天產品的發展，亦先后建立了各類不同規模的環境模擬設備，如英國皇家陸軍科學研究院車輛環境實驗室、維也納國際車輛研究試驗中心的機車和車廂靜動態環境試驗設備、美國阿伯丁試驗場兵器環境試驗設備、法國圖魯茲航空研究中心高空模擬設備、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模設備和日本筑波空間環模艙等。

伴隨著環模設備和環境試驗技術的發展，在實踐和解決理論問題的過程中，吸收了多門學科(熱學、力學、電學、生物學、醫學和光學等)和多項技術(制冷、真空、空調、自動控制、計量等)的相關理論和方法，形成了一個獨立的技術理論體系——環境模擬技術。環境模擬技術是一門新的邊緣技術，主要研究各種自然環境及誘發環境的人工再現技術和在模擬環境下的試驗技術。環境模擬設備和環境試驗技術經歷了由單參數模擬到多參數模擬，從靜態模擬到動態模擬，從產品試驗到人機系統環境試驗的發展過程。它當前的發展方向是：建立整機多參數綜合動態環境模擬設備，進行多參數綜合動態環境試驗和人機系統綜合環境動態試驗，以及進行虛擬試驗技術的研究和應用。

2 環境模擬分類

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

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

3 環境模擬設備

3.1 地面環境模擬設備

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

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

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

該設備有1000m3、145m3和45m3 3個環境室，采用1套空氣制冷系統和各自獨立的電加熱設備，低溫可達到-100℃，高溫可達80℃，于1984年建成并經國家驗收，在大型環模設備中首次成功采用了空氣制冷。該設備試驗間尺寸為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，模擬的最大風速為35m/s。

3.2 空中環境模擬設備

目前，空中環境模擬試驗主要有飛機環境控制系統空中環境模擬試驗和飛機發動機高空性能試驗。

(1)飛機環控系統空中環境模擬試驗。這類試驗模擬空中飛行時的外界大氣壓力和溫度(蒙皮熱附面層恢復溫度)，以及發動機壓氣機引氣參數和沖壓空氣參數(溫度、壓力和流量)。主要的環境試驗有部件(附件)試驗、環控系統試驗和環控系統聯合(包括座艙和設備艙)試驗。

(2)發動機高空性能試驗。發動機高空性能試驗在發動機高空性能試驗臺上進行。

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

(3)空間環境模擬。空間環境模擬試驗主要有：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境試驗，微重力試驗，空間輻照環境試驗，空間高能粒子輻照試驗，電子、質子、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境試驗，空間防污染環境試驗，磁環境試驗等。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，主輔容器總容積3200m3，可以完成載人航天器和大型衛星的熱真空及熱平衡試驗、宇航員艙外活動環境試驗和航天器系統及部件試驗，已承擔“神州號飛船”及我國多種人造衛星的空間環境試驗。其規模及技術總體水平排在美國、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生保地面模擬試驗——“行星受控生態生保系統聯合試驗”(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雜的艙外航天任務。另外，在這些試驗艙內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境模擬方面的發展趨勢。

4 結束語

綜上所述，環境模擬設備和環境試驗技術經歷了由單參數模擬到多參數模擬，從靜態模擬到動態模擬的發展過程。發展方向是建立整機多參數綜合動態環境模擬設備和進行多參數綜合動態環境模擬試驗及人機系統綜合環境模擬試驗。該項技術可以在環模設備中再現各種環境條件，進行產品的環境適應性和環境可靠性試驗，以及人的環境適應性和人機工效等方面的試驗。

應當加快我國的環境模擬技術研究和設備建設，以達到國際先進水平，為國防建設和國民經濟的發展做出貢獻。