GJB 150.7A 军用太阳辐射试验标准存在的问题探讨

秦杰，吴鹏，陈晖，陈宇腾，胡梓洋，陈家铭

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广州 511370； 2 广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广州 511370；3.电子信息产品可靠性分析与测试技术国家地方联合工程中心，广州 511370；4.广东智能无人系统可靠性与数字化验证技术省级重点实验室，广州 511370）

引言

GJB 150.7A-2009 自发布以来其已有十四年了，随着社会发展、技术水平提升和质量要求不断提高，太阳辐射试验标准中的一些内容要求等表述不够清晰和明确，但难以满足目前太阳辐射试验实际遇到的问题，而最新版MIL-STD-810 标准不断完善已经修订到了810H 版本，而参考和借鉴该标准发布的GJB 150A，和其相差2 个版本，其中很多技术内容更新、标准技术宣贯释疑、标准相关技术基础理论的积累等无法及时完善。以及应用该标准相关人员对标准中的依据、方法和理论基础等缺乏了解，存在理解不到位，在试验实施中发生偏差的情况，甚至偏离标准要求，导致试验存在争议[1]。下文对在应用该标准开展试验过程遇到了一些问题逐一进行了叙述和分析，并对实施标准时应注意的事项提出了建议[7]。

1 标准存在的问题及建议

方式有两种[9]，分为连续和增量并存，见图1（a），其剖面的辐照度值只给出连续输出的数值，而增量输出参数的并没有直接明确标出，要经过额外计算得出，公式如下：

图1 程序I 日循环试验

1.1 试验剖面不够完善

GJB 150.7A -2009 程序I—循环试验的辐照度输出

式中：

a—某段连续辐照最小值；

b—某段连续辐照最大值；

E(x)—某段增量辐照值。

试验人员在实际应用中容易将连续输出和增量输出的参数认为是同一数值，导致辐照度偏离标准。图1(b)将辐照度的两种输出方式的直观的表达出来，方便试验相关人员开展试验。

1.2 试验温度允差值

GJB 150.7A -2009 对温度并没有给出允差范围的要求，在6.2.1 温度，写了按技术文件的规定保持试验箱的空气温度。在试验期间应使“试件附近的空气温度与试验区的温度一致”[9]，由于技术和限制较为难实现，试验箱的控制传感器一般是位于箱内底部或上部并有遮挡位置不受或者受太阳辐射影响较小，而标准中规定放置的在试件附件的水平面的传感器在太阳辐射照射下，虽然有屏蔽太阳辐射的照射处理，但由于样品或样品架或箱壁的热辐射的影响，不太可能与设备控制温度传感器的温度完全一致，一建议将其改为“试件附近的空气温度尽可能与试验温度一致”，二是参考相关标准中对温度的描述见表1，给出试验温度允差值范围。

表1 相关标准对温度的描述

1.3 样品表面温度

试件的表面温度是除辐照度以外最重要的老化因素，标准中6.2.1 中“用于测量试件热响应的温度传感器也会受到辐射灯直接热辐射影响[9]。当允许时，将这些传感器安装于试件外壳（上表面）的内表面”[9]。但这样极易对试件的结构造成破坏。像试件数量多或装备上的部件材料不同情况下，准确测定和监控试表面温度存在许多技术上的困难，而且容易出现测量错误。

在GJB 2423.24 中利用黑标或黑标温度计来表征试件表面温度的方法。即使用涂有黑色涂层的标准金属板来作为测量和控制试件表面可能达到的最高精度的感温件，即黑板温度计指示的温度，然而，由于黑板温度计是由金属板材料制作的，造成散热快，难以反应那些导热性差的深色试件的温升情况，对此国际上又有一种采用带有绝热性底座的黑板温度计，命名为黑标准温度计。建议采用黑标黑板温度计表征试件能达到的最高表面温度，有利了解试件表面温度变化及复现试验温度环境，有助于评价试验结果。

1.4 样品架

GJB 150.7A-2009 标准中对样品的安装没有过多描述，在6.1.2 中“安装试件的底座可以是一个凸起的支架或具有规定特性的底座[9]。例如按照产品技术文件的规定，可采用规定厚度的混凝土层或具有传导性和反射性的沙床”[2]。混凝土和沙床是最常见和最有效避免反射率和热传导的材料，但不太适用支撑或承载样品，特别像试样是经剪裁的材料或小部件，其实更适合类似开放式框架将样品置于其上，建议增加对样品放置安装及样品架的描述，参考相关光照类标准对样品架的描述汇总见表2，但为了减小或消除来自材料表面的辐射反射。支架或底座应尽量使用减少反射率和传导率的材料加工，在GB/T 2424.14 1995 中有给出了常见材料的导热率，见表3，而反射率取决于材料的颜色和粗糙程度。

表2 相关标准对样品架的描述

表3 GB/T 2424.14 1995 中的材料导热率

1.5 照射基准面

标准中对样品摆放的高度要求在距离灯源0.76 m以下的空间内，对于程序II 来说，只要超过0.76m，通过提高功率就能实现1 120 W/m2。但程序I，需要在某个高度既满足1 120 W/m2的同时又能满足55 W/m2，且辐照度均匀的水平面，一般称为照射基准面或基准高度，见图2（a）。当样品摆放在低于基准面时辐照度能量较少，即便调整灯最大功率也不能满足标准要求的最大辐照度，反之，样品高于基准面时则辐照度能量较多，调整灯最小功率也不能满足标准要求的最小辐照度。像1 m³或2 m³使用一组或两组辐射灯的设备辐照基准面在（0.8 ～1.2）m 左右，对于阵列式大型太阳辐射设备，其照射基准面可以参考图2(b)，2.5kW 辐射灯在距离样品（1.2 ～1.5）m，4kW 辐射灯在距离样品（1.5 ～1.8）m 左右，如在（1.2 ～1.5）m 则可能辐照度均匀性不能满足。建议增加对照射基准面或高度的描述，对于有一定高度差的样品，普遍以样品暴露于自然太阳辐射的实际状态的最高面置于太阳辐射箱内的照射基准面，以尽量满足辐照度均匀性。对于有较大高度差的样品，拆分试件照射或按技术要求的规定开展。

图2 太阳辐射照射基准面

1.6 辐照度均匀性测试

标准中只写在试件的表面所测得辐照度偏差不超过要求的10 %。具体辐照度的均匀性是怎么测，没有详细说明。由于太阳辐射设备较多使用两组太阳辐射灯或以上的阵列式照射，不同灯的照射强度的叠堆造成不同位置的辐照度强度不一致，所以需要进行辐照度均匀性测试，查阅标准引用的MIL-STD-810F，其中也没作解释，目的是在规定的限度内在测量平面上获得均匀的辐照度（即1 120 W/m2（+10，-0 W/m2））[8]。建议增加辐照度均匀性测试方法，在最新MIL-STD-810G 中有详细介绍并附图示，见图3（a），和在GB/T 5170.9-2017 环境试验检验方法第9 部分：太阳辐射试验设备，测量点数量及位置，如A 传感器布放位置见图3（b），在设备内规定的照射平面上布固5 个测量点，为A、B、C、D、E，除中心点E 外，其余测量点与相近的水平样品架边缘距离为50 mm[12]。

图3 辐照度均匀性的测试方法示意图

1.7 辐照度允差

GJB 150.7A 中只对（1 120±47）W/m2做出允差要求，并规定“确保试件受到均匀辐射，并且在试件的表面所测得辐照度偏差不超过要求的10 %”[9]。而这10 %是试验箱内的辐照度均性，并不是辐照度允差值。标准全文并没有具体明确辐照度允差值，由于程序II 中有阶梯输出的曲线，导致试验人员每个阶梯点按照±47 W/m2或者偏差10 %来判断辐照度的允差是否超差。查阅GB/T 2423.24-81、GJB 150.7-86 和IEC 1975 上述3 个标准关于太阳辐射强度和允差均只规定为（（1 120±10）%）W/m2，给出的±10 %的允差是指与光源入射方向垂直的试验样品表面辐射强度的均匀度要求[4]。溯源至MIL810F 中也没有明确指出。建议对连续和增量辐照度值给出其允差值，如参考在MIL-STD-810G 的表505.5 A 中，规定了日变化曲线上任意给定点的总体控制（±4 %或15 W/m2，以较大者为准）。

1.8 辐射灯校准时间

在标准中对灯的寿命并没有作要求，只是在试验箱校准中强调了“辐射灯每累计工作500 h 就应对其光谱分布、辐照度和均匀性至少进行一次彻底检查”[9]，但其程序II 最长进行56 个循环也超过1 000 h，与其累计500 h 检查有一定的矛盾。

目前太阳辐射试验设备基本采用金属卤素灯（金属卤化物灯）通常又叫金卤灯，是由高纯石英玻璃制成，腔内充入有含汞、镓、氩的碘化物和铁的碘化物以及一些稀有金属卤化物来产生这些金属的光谱。见图4。

图4 金属卤灯结构图

太阳辐射设备多以HMI 双端金卤灯系列作为全光谱灯源，其寿命在（500～1 000）h 左右，见图5（a） ，由于其是20 世纪70 年代推出的产品，推测最初使用镇流器控制，其输出频率是正弦波，承受电源和电压的波动的范围小，使灯寿命缩短、老化和变色，所以将其寿命规定为500 h 也合理，标准中的500 h 进行校准要求应该也依据于此。随着技术发展目前太阳辐射设备用EPS 电源是为阳光模拟系统特殊设计，EPS 提供规则的输出功率，其输出频率方波，根据需要的辐射强度，给灯泡两端提供持续稳定的电流和电压，在电源、电压偏差很大时以及环境温度变化时，仍然保持恒定功率，很好的补偿电网波动和灯泡在使用寿命内的老化，业内使用HMI金卤灯的寿命普遍超过1 000 h，光谱和辐照度也能满足要求。按照质量的角度来看，超过寿命不代表不合格，而是判断其过程是否处在控制之中，是否超过控制上下限。建议出于经济性和可操作性来看，有必要重新对标准中累计500 h 进行检查做出调整。

图5 HMI 双端金卤灯技术参数

1.9 拆分试件开展试验

对整个装备或整机的试件进行太阳辐射试验时，由于受试验箱自身构造、装备物理特性（体积、尺寸、形状等）以及在箱内的放置位置等因素的影响，其各部位的受太阳辐射照射光谱能量程度实际上有所不同，导致不能完全地激发装备耐受的太阳辐射能力，从而得出正确的评价。

于2006 年发布的第四版英国国防标准DEFSTAN00-35《国防装备环境手册》在“第3 部分环境试验方法”的试验“范围”中指出，试验可用于材料、部件或子组件，以避免对整个装备进行不必要的和昂贵的试验。如将装备拆分为各个部件开展试验，一方面可以确保各个部位得到充分暴露。另一方面，对装备的劣化进行检查和评价也要比整个装备更方便[7]。建议试件不同部位高度差较大，且试验目的仅是考核装备耐受太阳辐射照射特别是光老化效应的能力时，推荐采用上述方法进行试验，但需注意的是，当试验过程需要评价装备或整机在太阳辐射环境下进行功能和性能与安全性等测试，则显然不适用。

2 总结

本文通过对GJB 150.7A 军用太阳辐射标准在实施应用过程中暴露问题进行阐述，如其中规范和方法过于空泛和笼统、缺少可用于指导操作的具体内容、部分内容表述不够明确以及试验相关人员缺乏对标准的足够认识，结合光老化试验相关标准中的内容，对标准中不足之处提出一些改进意见和措施，为发挥军用太阳辐射标准的指导作用，建议加强和重视试验相关人员的培训工作，使其能更深入透彻地理解标准的指导内涵。