方舱日照热效应试验影响因素分析

刘炳均，谭国斌，赵晓鹏

（总后军事交通运输研究所，天津 300161）

0 引 言

太阳辐射试验是一种人工模拟环境试验方法，它模拟产品在地面或较低大气层中使用或无遮蔽贮存期间暴露在日辐射条件下受到的影响[1]。其通常分为热效应试验和光化学效应试验两种，本文探讨的是方舱的日照热效应试验。

方舱的日照热效应试验通常按照GJB 2093-1994《军用方舱通用试验方法》进行。该标准要求方舱进行日照热效应试验时环境温度维持在50℃左右，舱顶温度控制在96±8℃范围内，持续时间为4h。在实际试验中发现，环境温度的控制比较容易实现，但舱顶温度由于受多种因素的影响经常出现温度不均匀或达不到96±8℃的温度范围等各种问题，从而影响试验进程。本文通过对试验监测数据的对比分析，总结了影响方舱日照热效应试验的主要因素，并对环境试验人员提出了建议。

1 试验方法

1.1 试验内容

在模拟日照试验室内展开日照热效应试验，系统研究了舱顶辐射强度、风速及方舱自身特性等因素对方舱顶部温度的影响。

1.2 试验程序

将方舱水平放置在日照试验室中央，用木块垫起，然后开始升温。当方舱内外温度均达到50±2℃后，保持温度稳定不变，打开方舱顶部模拟日照热源，将舱顶表面温度升至96℃。在方舱顶部按每平方米不少于1个的密度布置温度传感器（其位置分布见图1），传感器上部加以遮盖，防止热源的直接辐射。当所有温度传感器的读数都在96±8℃范围内时，开始计时，持续4h，在此期间，保持试验室环境温度不超过55℃。试验过程中，保证升降温速率不大于10℃/h[2]。试验期间，每隔10min对舱顶温度进行一次记录。

图1 方舱顶部温度传感器位置分布图

2 试验数据与分析

通常影响方舱表面温度的因素有：（1）环境温度；（2）太阳辐射强度；（3）风速；（4）暴露时间；（5）装备自身特性（表面反射率、尺寸和形状、热传导比率和比热等）[3]。这些因素可以分为两类，一类是可控因素，包括环境温度、太阳辐射强度和暴露时间；另一类是不可控因素，包括风速和装备自身特性。试验过程中，环境温度始终控制在50℃左右，暴露时间均为4h；因此，本文只分析日照辐射强度、风速和方舱自身特性对舱顶温度的影响。

2.1 辐射强度

试验过程中，当舱顶温度稳定在96±8℃范围后，记录舱顶日照辐射强度，详细数据见表1。

表1 方舱顶部日照辐射强度与平均温度对照表

由表1可见，不同方舱舱顶温度达到96±8℃范围内时所需的辐射强度差异较大，其最大差值达到554W/m2。通常自然界中太阳天顶角为0°时到达地球表面的总辐射强度（水平面太阳直接辐射与天空辐射之和）为1 120 W/m2[4]，尽管在地球表面实际的自然环境中太阳辐射强度会随季节、纬度和海拔的不同而不同，但在太阳辐射试验中，辐射强度极值一般都确定为1120W/m2[3-7]。与此相比，554W/m2的差异就很大了。由此可见，除辐射强度外，必定存在着其他因素对方舱表面温度产生的较大影响。

2.2 风速

将方舱置于试验室内某固定位置，当环境温度50℃，方舱顶面温度达到96±8℃范围时，测量方舱顶部四边中间位置的风速，对比方舱顶部温度，分析舱顶温度与风速的关系，具体数据见表2和表3。

表2 方舱顶部纵向温度对比

表3 方舱顶部横向温度对比

由表2可见，方舱前侧顶部温度明显高于后侧顶部温度，其前后温差最大达到了17.5℃。与之对应，方舱前侧风速为0.6m/s，方舱后侧风速为1.5m/s。

由表3可见，方舱顶部左侧温度明显高于右侧温度，其左右两侧温差最大达到了7.2℃。与之对应，方舱左侧风速为0.8m/s，方舱右侧风速为1.2m/s。

因此，对同一方舱，在同样辐射强度下，舱顶表面风速越高，其温度越低，反之其温度越高。实践证明，1m/s的风速就可能使温升减少20%以上[8]。在实际试验中，往往不能保证试验室内各个位置的风速基本相同，如果舱顶不同位置风速差异过大，就会导致舱顶温差过大，就很难保证所有温度点的温度都保持在96±8℃范围内。对于这种情况，在无法调节风速的情况下，可以认为舱顶平均温度控制在96±8℃范围内，即达到试验条件，而不必苛求每个温度传感器读数都在96±8℃范围内。

2.3 方舱自身特性

2.3.1 表面材质

试验发现，方舱表面蒙皮材质的不同对方舱顶部的温升速率有一定的影响。表4对比了不同表面材质的方舱其顶部温度达到96±8℃范围时的辐射强度差异。

表4 不同表面材质的辐射强度对比

由表4可见，在顶部温度基本相同时，采用材质A的方舱的辐射强度平均值为1289W/m2，采用材质B的方舱的辐射强度平均值为1 428 W/m2。也就是说，要达到同样的温度标准，表面材质为B的方舱需要更多的热量。

2.3.2 表面反射率

某台方舱在日照热效应试验中，当其顶部辐射强度达到1350W/m2时，其舱顶温度只能稳定在75℃左右，远达不到96±8℃的范围要求。经过与其他方舱的对比发现，该方舱顶部表面光滑，颜色较其他方舱稍浅。

日照热效应试验时，方舱吸收热量和反射热量取决于方舱被照表面的反射率，因此受试方舱的表面特性（如表面粗糙度和颜色等）是影响太阳辐射加热产生的温升的重要因素[9]。实践证明，对于同样材料的蒙皮和芯材，方舱表面反射率越高，则温升越慢；反之，则温升越快。

2.3.3 其他特性

除此之外，方舱的其他固有特性也会对舱顶温度造成影响，如：聚氨酯发泡材料的厚度、舱内装备的多少等。这些特性的不同必然导致方舱的热传导比率、比热等属性的差异，是影响舱顶温度的重要因素。

2.4 试验中方舱特性的改变

图2 某方舱顶部温度变化曲线

图2为某方舱试验过程中舱顶温度的变化曲线。可以看出，①、③两点升温过程中，于14∶00左右其温度突然下降，之后趋于稳定，最终稳定温度分别为61℃、72℃，远远达不到96±8℃的温度范围标准。而其他点温度变化平缓，稳定温度为91℃，①、③两点与其他点温度相差很大。

试验后对舱顶进行外观检查，发现①、③两点所在的位置均出现了起鼓现象，而其他各点未见异常。由此推断，是由于舱体起鼓影响了起鼓位置的温度变化规律。

因此，试验过程中舱体产生异常变化有可能会改变方舱的热量传导方式，从而影响舱顶温度的变化。在实际试验中，如果由于舱体变化引起了舱顶温度异常，应通过调节传感器位置等方式来得到合理的数据，如果仍不能达到温度条件则应对异常温度点予以剔除。

3 结束语

方舱日照热效应试验过程中，方舱顶部温度受到辐射强度、风速、方舱自身特性等多种因素的影响，其中只有太阳辐射强度是可控因素；因此，方舱日照热效应试验过程中，舱顶温度不可避免的出现异常，试验人员应分析舱顶温度和周围环境条件，确定引起温度异常的原因，采取相应的措施，保证试验的正常进行。如果仍然达不到试验条件，则应该考虑用辐射强度作为标准来考核方舱的经受太阳辐射热的性能。

[1]马志宏，李金国，张景飞.电子设备太阳辐射模拟试验分析与探讨[J].环境技术，2007（6）：11-14.

[2]GJB 2093—1994军用方舱通用试验方法[S].北京：国家军用标准出版社，1995.

[3]MIL-STD-810G Department of defense test method standard environmental engineering considerations and laboratory tests[S].Washington：The US Department of Defense，2008.

[4]GJB 150.7A—2009军用装备实验室环境试验方法 第7部分：太阳辐射试验[S].北京：国防科工委军标出版发行部，2009.

[5]王忠.太阳辐射试验技术[J].电子产品可靠性与环境试验，2005，26（增刊）：15-18.

[6]IEC68-2-5 Test Sa，Simulated solar radiation at ground level[S].Geneva：International Electrotechnical Commission，2007.

[7]DEF STAN 00-35，Environmental handbook for defence materiel part 3：environmental test methods[S].GLASGOW：UK Dstan，2006.

[8]夏越美.太阳辐射试验及其标准分析[J].航空标准化与质量，2001，30（5）：33-38.

[9]戴光耀.军用通用方舱日照热效应试验[J].方舱技术，1995，4（2）：19-26.