我國環(huán)境模擬技術現(xiàn)狀與發(fā)展

我國環(huán)境模擬技術現(xiàn)狀與發(fā)展

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

1 環(huán)境模擬技術是新的綜合性工程技術

社會的發(fā)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(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量的要求不斷提高，相應地，對人的環(huán)境適應性和產(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)境模擬試驗設備，在這些設備中再現(xiàn)各種環(huán)境條件，進行環(huán)境適應性及可靠性試驗。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)境模擬設備。近十幾年來，建成了一些達到先進水平、具有自己特色的環(huán)模設備，如“重武器環(huán)境室”、“某試驗場常規(guī)兵器大型環(huán)模設備”和“KM6大型空間環(huán)模設備”等地面、空中和空間環(huán)模設備。在國外，50年代以來，為了適應兵器、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)境模擬設備，如英國**科學研究院車輛環(huán)境實驗室、維也納車輛研究試驗中心的機車和車廂靜動態(tài)環(huán)境試驗設備、美國阿伯丁試驗場兵器環(huán)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*空間中心的大型空間環(huán)模設備和日本筑波空間環(huán)模艙等。

伴隨著環(huán)模設備和環(huán)境試驗技術的發(fā)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(yī)學和光學等）和多項技術（制冷、真空、空調(diào)、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(huán)境模擬技術。環(huán)境模擬技術是一門新的邊緣技術，主要研究各種自然環(huán)境及誘發(fā)環(huán)境的人工再現(xiàn)技術和在模擬環(huán)境下的試驗技術。環(huán)境模擬設備和環(huán)境試驗技術經(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的研究和應用。

2 環(huán)境模擬分類

人類生活和工作在極其復雜的自然和人工環(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備進行全年故障率分析后得出結論：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、力學環(huán)境、電磁環(huán)境和復合環(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?？臻g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)境模擬設備

3.1 地面環(huán)境模擬設備

地面環(huán)境模擬設備主要有低溫環(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**科學研究院的車輛環(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*阿伯丁靶場的兵器環(huán)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(shù)環(huán)境和多參數(shù)組合環(huán)境。

該設備有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)模設備中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zui大1kW/m2，模擬的zui大風速為35m/s。

3.2 空中環(huán)境模擬設備

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(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包線確定的氣壓和溫度變化環(huán)境；模擬由飛行任務包線與發(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?？臻g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，主輔容器總容積3200m3，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*4位。

美國zui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*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(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 結束語

綜上所述，環(huán)境模擬設備和環(huán)境試驗技術經(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。該項技術可以在環(huán)模設備中再現(xiàn)各種環(huán)境條件，進行產(chǎn)品的環(huán)境適應性和環(huán)境可靠性試驗，以及人的環(huán)境適應性和人機工效等方面的試驗。

應當加快我國的環(huán)境模擬技術研究和設備建設，以達到先進水平，為國防建設和國民經(jīng)濟的發(fā)展做出貢獻。