惯性器件综合环境试验技术发展浅析

关伟 王洪岩

摘要：为便于在地面模拟惯性器件的跨地区、全时段作战环境，并评价多种环境参数综合作用对惯性器件可靠性的影响，有必要开展惯性器件综合环境试验技术研究。通过归纳分析综合环境试验技术及其在惯性器件测试中的应用，指出惯性器件综合环境试验技术的发展趋势和关键问题，为提升惯性器件在复杂工况下的测试技术水平提供参考。

关键词：惯性器件；综合环境试验；环境可靠性；试验技术

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

0 引言

惯性器件是精确制导武器装备的控制核心，其可靠性直接影响精确制导武器装备作战任务的成败。随着精确制导武器跨地域、全天候作战要求不断提高，如何评估惯性器件在复杂作战环境下的可靠性成为精确制导武器装备维护保障的难点。国军标和美军标均认为，综合环境试验可能比一系列连续的单个试验更能代表实际环境效应，鼓励当使用环境中遇到这些条件时应进行综合环境试验[1，2]。根据惯性器件的实际使用环境，设计相应的综合环境试验来评价惯性器件在多重环境应力综合作用下的可靠性和适应性，成为完善惯性器件性能评估鉴定能力的重要途径之一。

1 惯性器件的综合环境试验

综合环境试验是环境可靠性试验的一种，以其全系统、多剖面、高仿真的优点成为了考核武器装备实战化性能的重要手段。按综合环境试验使用的主体设备不同，可将其分为以下几类。

第一类，以振动台和综合环境试验箱为主体。二者配合构成的温度—湿度—振动、热—振动、温度—噪声—振动等综合环境试验是广泛用于国内各类惯性器件及其配套武器装备环境模拟考核的标准试验项目[3，4]，在惯性器件的出厂鉴定、性能评估、过程试验等环节中均可使用。

第二类，以风洞为主体。例如，风洞—高低温试验、风洞—砂尘试验等综合环境试验，其主要试验对象是飞机、导弹、运载火箭等飞行载体。风洞内温度、气压等气候环境控制是此类试验的难点[5]。由于惯性器件安装在载体内部，随载体一同开展此类项目，因此主要是在整体装配后开展，以系统级试验为主。惯性器件主要受温度、振动、辐射等环境参数传递影响。

第三类，以离心机为主体。例如，离心—振动复合环境试验、离心—温度复合环境试验、离心—噪声复合环境试验等，对于考察惯性器件在高过载条件下的可靠性和环境适应性有重要意义。浙江大学、北京强度环境研究所针对航天器元件大过载条件下的测试问题开展了相关研究[6，7]。中国工程物理研究院针对核战斗部这一特殊部件，专门提出了振动—加速度试验方法，并制定了相应的国军标[8]。离心机产生的离心力场对温度、气压、湿度的分布都有影响，在高精度试验中这一点需要重点注意分析。

第四类，以电磁环境试验室为主体。例如，电磁—温度、电磁—湿度等电磁环境与自然环境综合试验，为装备在电磁环境与温度、湿度环境综合作用下的效应机理研究和适应性考核提供了手段[9]。无论是传统的机电式惯性器件，还是先进的微机电惯性器件、量子惯性器件，电磁干扰都是影响产品性能的重要因素。惯性器件在电磁综合环境下的可靠性是评估众多武器装备能否实现二次反击的重要指标。需要注意的是，电磁发生设备以外的其他设备可能产生额外的电磁干扰，在试验过程中需要仔细甄别被试产品所收到的电磁激励量级与变化特性。

第五类，以多自由度运动模拟设备为主体。例如，六自由度运动模拟台、六自由度振动台、五轴运动仿真台等设备，已经能够模拟飞机、舰船、车辆等动态条件，用于评估惯性器件在多自由度运动环境下的导航性能。三轴线振动台、三轴角振动台等设备则能够对惯导系统的线振动特性和角振动特性进行专门的测试，评估给定振动条件下的可靠性。振动类设备已经从振动模态分析、结构可靠性测试发展到运动模拟过程中的性能测试[10]。

2 惯性器件综合环境试验技术的发展趋势

从惯性器件的综合环境试验情况分析，惯性器件作为控制系统或传感测量系统的一部分，一般位于载体内部，所经受的环境条件以温度、湿度、气压、电磁、振动、冲击、恒加速度等为主。如果惯性器件外围是带有温度控制装置的环境，则实际应用中需要侧重考虑电磁、振动、冲击、恒加速度等环境条件的干扰。按照国家军用标准规定，目前惯性器件的环境试验项目规定了试验前、试验中和试验后的性能测试项目，以评估环境试验对惯性器件精度性能的影响。因此，环境试验与精度测试的关联性越来越强。但是，现有的综合环境试验存在显著问题，限制了惯性器件综合环境试验水平的提升。主要有两点。

第一，综合环境试验设备输出参数的重复性较差。导致重复性差的原因之一是试验设备自身性能的重复性问题，另一个重要原因是综合环境试验设备产生的是相互耦合的环境条件，时变特性明显。例如，离心—温度综合试验设备中，离心力影响了温度场分布的均匀性；温度—湿度—振动综合试验设备各部件产生的电磁干扰、热能传递也会影响被测产品。重复性对于准确评估环境试验条件对惯性器件性能的影响有较大的影响。

第二，综合环境试验设备所在厂房环境干扰大。环境试验设备一般处于空间较为开阔的厂房，且不是独立放置。如果厂房内部温湿度控制要求不高，且配套设备（如风冷系统、控制柜、配电箱）与试验设备隔离不严格，将引起综合環境试验设备所在厂房环境条件波动大、试验环境中的干扰条件难以有效控制等问题，对于高精度惯性器件性能测试来说是较大的误差源。例如，配套设备或其他试验设备共同工作时产生的电磁干扰、振动干扰会影响惯性器件性能测试结果；设备地基倾斜、供电系统的杂波干扰等也会影响惯性器件测试结果。

综合环境试验过程中多种环境参数相互耦合、共同作用于被测对象，作用规律具有强耦合、非线性、非同步时变性的显著特点，对惯性器件的输入—输出关系产生复杂的影响。设计合理的试验方法，建立有效的数学模型表征多个参数对惯性器件性能的影响，是提升惯性器件综合环境试验技术水平的关键。而在现有综合环境试验设备基础上，通过配套外部测量基准，提升综合环境试验过程参数计量溯源能力，是准确建立数学模型的基础，也是综合环境试验技术提升的一个重要方向。

3 结论

环境试验技术与高精度测试技术之间相互融合、相互促进，综合环境试验技术的高精度测试属性越来越明显。现有综合环境试验技术可用于评价实战化条件下多种环境参数综合作用对武器装备性能的影响，但环境试验前、中、后开展的性能试验对惯性器件综合环境试验技术提出了环境参数精确量化的要求。无论是评估设备输出性能的重复性还是试验设备所在厂房的环境干扰，都要求对各种环境参数进行量值溯源。研究多参数复合条件下环境参数的精确测量与量值溯源技术是提升惯性器件综合环境试验技术的必然要求，也是满足实战化条件下高精度惯性器件维护保障需求的重要方面。

参考文献

[1] GJB 150.1A-2009. 军用装备实验室环境试验方法第1部分：通用要求[S].

[2] MIL-STD-810F. Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests[S].

[3] GJB 150.25A-2009. 军用装备实验室环境试验方法第25部分：振动-噪声-温度试验[S].

[4] GJB 150.24A-2009. 军用装备实验室环境试验方法第24部分：溫度-湿度-振动-高度试验[S].

[5] 杨军，李军，宋壮，等. 风洞温度控制系统的前馈模糊PID控制研究[J].控制工程，2018，25（10）：1843-1848.

[6] 吴建国，李海波，张琪，等. 液浮陀螺仪过载振动复合环境试验[J]. 中国惯性技术学报，2015，23（6）：840-844.

[7] 方兵，沈润杰，何闻，等. 航天器元件多参数综合可靠性环境试验研究综述[J]. 中国机械工程，2009，20（22）：2766-2771.

[8] GJB 8384-2015. 核战斗部振动-加速度试验方法[S].

[9] 武剑，贾小青. 基于混响室的电磁环境及自然环境综合试验箱设计和仿真技术[J]. 宇航计测技术，2020，40（1）：67-72.

[10] 邹学利，李宏民，王海燕. 多轴振动与冲击复合环境试验技术研究[J]. 振动与冲击，2019，38（3）：237-343，278.

作者简介

关伟，博士，高级工程师，主要从事惯导系统修理技术及装备研制、惯性测试计量技术及仪器等方向研究。