劉海龍,馬英,魏媛
（中國航空綜合技術研究所， 北京 100028）
摘要：介紹了太陽輻射試驗的基本原理和試驗技術及 GJB 150.7A《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第7部分：太陽輻射試驗》試驗程序、試驗條件和試驗順序及其剪裁過程。最後以某產品為例，通過對其應用太陽輻射試驗方法過程的剪裁，為實驗室應用太陽輻射試驗提供了示例。
關鍵詞：太陽輻射；輻照度；熱效應；光化學效應
概述早在五十年代，國外就開始了模擬太陽輻射試驗的研究，並相繼制訂了試驗方法和研製了相應的試驗設備。時至今日，國外太陽輻射試驗技術已經較為成熟。我國對太陽輻射試驗的研究起步較晚，最初直接引用蘇聯和美國標準，如今，我國已制訂了自己的標準，如GJB 150-86、GB 4797-1989和GB/T 2423-1995等標準中都有對太陽輻射試驗方法的應用。
太陽輻射是太陽向地球傳輸能量的一種電磁波，由紫外線、可見光和紅外線組成。當它照射在地球表面的物體上時，一般會產生兩種效應—熱效應和光化學效應。熱效應主要是由太陽輻射能中紅外光譜部分引起的，它使物體溫度升高和局部過熱，會造成溫度敏感的元器件失效，器材結構破壞和絕緣材料過熱損壞等現象；光化學效應主要是由太陽輻射能中紫外光譜部分引起的，當足夠能量的紫外線照射到物體上時，便會把物體的分子離解成原子、較簡單的分子或自由基，從而導致材料老化變質，使織物塑料變色；塗層開裂、粉化和變色等。
太陽輻射試驗是一種人工模擬環境試驗，用以評定戶外無遮蔽使用和貯存的裝備經受太陽輻射熱和光化學作用的能力。在自然環境中，裝備不僅受太陽輻射影響，其往往同時還經受著溫度、溼度和風的作用。所以在進行該試驗時，還需要模擬經受的自然環境空氣溫度，同時也要考慮溼度和風速的影響並對其進行監測與控制。
太陽輻射試驗光的輻照度量值和它的光譜分布決定了太陽輻射對裝備的影響。GJB 150.7A-2009規定用最大量值為1 120 W/m2的輻照度來進行模擬，這是太陽天頂角為0時到達地球表面的總輻射量。即：水平面太陽直接輻射與天空輻射之和。
1 太陽輻射試驗剪裁進行太陽輻射試驗的目的是確定太陽輻射的熱效應和光化學效應對裝備產生的影響。下面對GJB 150.7A-2009作簡要介紹並分析應用太陽輻射試驗時如何對試驗程序、試驗順序以及試驗條件進行剪裁。
1.1 試驗項目剪裁太陽輻射試驗方法適用於在其壽命期內有可能暴露於陽光照射下的裝備。處於太陽直接照射的封閉殼體內或遮蓋物下的裝備也會誘發出高溫熱效應，但這種熱效應是不一樣的。與太陽輻射引起的高溫熱效應相比，太陽輻射的熱效應具有方向性，並產生熱梯度。其梯度是由裝備不同位置（如迎光面和背光面）吸收太陽光譜能量不同造成的。前面已經提到，太陽輻射除了會產生熱效應外，還會產生光化學效應。根據裝備壽命周期內是否會暴露於太陽輻射環境中，這兩種效應對裝備可能產生的影響等，便可以確定標準是否需要選擇該試驗方法。
1.2 試驗程序剪裁試驗方法確定後，就要對GJB 150.7A-2009中給出的試驗程序進行選擇。該標準包含兩個試驗程序：程序Ⅰ-循環試驗和程序Ⅱ-穩態試驗。選擇試驗程序時一般應考慮下列一些因素[1]：
1）試驗程序的目的；
2）產品的結構特點和熱效應特點；
3）產品材料和表面的塗鍍層顏色；
4）預期暴露於太陽輻射環境的持續時間；
5）預計試件出現問題的部位。
根據以上幾點因素，我們便可以選擇出適合特定裝備的太陽輻射試驗程序。見表1：
表1 太陽輻射試驗程序的區別
1.3 試驗條件剪裁選定具體試驗方法和相應的程序後，便可以根據有關技術文件的規定和為該程序提供的信息，確定該程序所對應的試驗條件了。太陽輻射試驗條件包括日循環、試驗持續時間或循環數和光譜分布，還要適當考慮相對溼度和風速及試件的技術結構狀態，最終得到確定的試驗條件。GJB 150.7A-2009兩個試驗程序的試驗條件如表2所示。
1.3.1 光譜分布和太陽輻照度
光譜分布和太陽輻射輻照度及其變化是固定的，一般不考慮剪裁。
1.3.2 溫度日循環
根據裝備壽命期中部署的地域（即所屬氣候類別）選擇溫度條件A1、A2和A3，具體如下[1]：
1）循環A1的峰值條件為1 120 W/m2和49 ℃，代表了世界範圍內的最熱條件，在最熱地區最熱月份中出現和超過這一條件的小時數不超過1 %，這些最嚴酷地區具有十分高的溫度並伴隨高強度太陽輻射，例如中國新疆的沙漠地區、北非炎熱與乾燥的沙漠地區、中東的部分地區、印度北部和美國的西南部地區。
2）循環A2的峰值條件為1 120 W/m2和44 ℃，代表了較不嚴酷的條件，其所在地區具有高溫和中等偏低的溼度並伴隨高強度太陽輻射，例如中國大部分地區、歐洲最南部地區、澳洲大陸的大部分地區、中南亞、非洲的北部和東部地區、北非的沿海地區、美國的南部和墨西哥的大部分地區。
3） 循環A3的峰值條件為1 120W/m2和39 ℃，代表了更不嚴酷的條件，其所在地區在一年中至少部分時間經歷中等偏高溫和中等偏低溼度條件，特別代表了歐洲最南部以外的地區、加拿大、北美和澳洲大陸的南部地區。
1.3.3 試驗持續時間或循環數
1）模擬熱效應的太陽輻射試驗應該根據受試產品達到最高響應溫度所需的天數確定試驗持續時間，一般為3～7個循環。即：不得少於3個循環，也不必大於7個循環。
2）模擬光化學效應試驗見表2中的選擇原則。
表2 程序Ⅰ-循環試驗和程序Ⅱ-穩態試驗確定試驗條件對照表
1.4 試驗順序剪裁若用一個試驗樣品進行多項環境試驗，需考慮不同的試驗項目排序對裝備造成的影響。
通常太陽輻射試驗的熱效應或光化學效應可能影響材料的強度或結構，從而對後續考核裝備強度或結構的環境試驗造成影響；裝備表面的粗糙度和顏色的改變，由於影響試驗樣品吸熱和反射的效果，對太陽輻射試驗效果也會產生影響。
GJB 150.1A-2009在確定試驗順序時也提出了兩個通常情況下需要考慮的因素[2]：
1）利用預期壽命期事件的順序作為通用的試驗順序；
2）建立裝備性能和耐久性的累積效應與試驗順序的相互關係，該試驗順序是裝備按照其任務剖面經受相應應力的順序。
在試驗順序剪裁時，應根據在一個試驗樣品上將進行的試驗項目及其項目之間的相互影響進行綜合分析確定。
2 實驗室中太陽輻射試驗方法的剪裁實例2.1 受試產品簡介1）受試產品為一套由三組機箱組成的指揮系統，由三組控制機箱組成。在使用時，通常並排放置在一起。
2）受試產品主要部署在南京地區，並且長期伴隨著戶外的未鋪徹的路面以及無遮擋的自然環境下貯存和使用。
3）受試產品機箱材料為鋁合金材質，產品外表面塗淺綠色防鏽漆。
2.2 試驗項目剪裁根據受試產品使用環境，可以確定其主要暴露於太陽輻射和飛散砂塵的環境中。據此，為了更全面更真實的模擬產品的貯存和使用環境，確定需要對裝備進行太陽輻射（循環和穩態）試驗、砂塵（吹塵和吹砂）試驗。
圖1 程序Ⅰ－循環試驗
圖2 程序Ⅱ－穩態試驗
選定了試驗方法，確定了試驗程序，接下來我們要對太陽輻射試驗條件進行分析，由於受試產品使用時部署的區域屬於中國大部分地區環境，所以我們在確定太陽輻射試驗條件時，根據表2對日循環的要求，選用A2類別的溫度和太陽輻射日循環對受試產品進行太陽輻射（循環和穩態）試驗，其光譜譜能分布和允差見表3。由於大多數太陽輻射試驗設備的輻照度都不能滿足連續改變的要求，按GJB150A規定，在保證每次太陽輻射總能量不變的前提下，我們可以將循環試驗的上升段和下降段輻照度按8個量值分段施加。如圖1，陰影部分作為等效的8個量值通過計算得出27.5 W/m2、162.5 W/m2、387.5 W/m2、617.5 W/m2、822.5 W/m2、977.5 W/m2、1 080 W/m2、1 120 W/m2。此外，還需要考慮溼度和風速對裝備的影響。因受試產品在使用環境溼度較小，對產品不會產生顯著影響。所以，不考慮溼度。然而，受試產品所處環境卻經常會伴隨著一定的風。在經受太陽輻射的作用下，它會帶走產品本身一定的熱量，使產品響應溫度降低。由於沒有實測響應溫度，因此，在進行太陽輻射（循環試驗）試驗前，首先在產品內表面貼裝了溫度傳感器測量產品表面的最高響應溫度，然後根據此溫度來控制裝備在進行光化學效應時的風速，以使產品表面的響應溫度不超過測量的最高響應溫度。
表3 光譜能量分布和允差
一般在其他太陽輻射應力條件確定的情況下，進行3次循環就可以使循環試驗達到最高響應溫度。而且該設備是屬於長期貯存於戶外，但會偶然在戶外使用的設備，所以，我們將循環試驗的試驗時間定為3個循環，穩態試驗的試驗時間定為10個循環。
試驗條件確定後，只需為這個環境試驗項目確定試驗順序了。太陽輻射試驗在試驗順序中一般不作限制，但是受試產品經過砂塵試驗後，表面會產生塵土層或嚴重的磨損，造成受試產品表面粗糙度發生變化，會對太陽輻射試驗的熱效應產生明顯的影響。為了不使砂塵試驗對太陽輻射試驗造成影響，所以需將砂塵試驗放在太陽輻射之後。最終確定試驗順序：循環試驗、穩態試驗、吹塵試驗、吹砂試驗。
至此，該受試產品太陽輻射試驗項目剪裁完成，我們就可以選擇試驗設備，開始試驗實施了。
2.3 試驗實施我們對受試產品太陽輻射試驗選用的試驗設備為ACS公司生產的SR 3000MIL太陽輻射試驗箱，該設備在改造後能夠滿足GJB 150.7A-2009對試驗設備的要求，且試驗日期在其檢定有效期內。試驗實施前，首先按上述確定好的試驗參數以及圖1和圖2對試驗設備進行參數設置及試運行，使其能夠滿足循環試驗和穩態試驗的試驗條件。
2.3.1 試驗前準備
試驗前準備步驟如下：
1）首先清潔裝備表面。
2) 清潔後，將受試產品安裝在試驗箱靠近中間的有效容積內並使它在標準大氣條件（溫度：15 ℃～35℃，溼度：20 %～80 %）下穩定，其放置要求基本包括以下四點：①使受試產品模擬實際使用狀態放置；②表面距箱壁不小於0.3 m；③試件距離輻射燈約為760 mm；④保持三組控制機箱之間最小間隔距離約為150 mm，使試驗箱內空氣流動均勻。具體情況詳見圖3。
3）對受試產品進行外觀檢查，並記錄結果。
4）在受試產品外殼的內表面部位安裝測定試件最高響應溫度所需的溫度傳感器，並對響應溫度實時記錄。其安裝方式為直接使用錫箔紙膠帶進行粘貼。經實踐證明，用錫箔紙膠帶在進行太陽輻射試驗時固定表面溫度傳感器比GJB 150.7A-2009中提到的銅-鎳管的安裝方式更為方便適用，且對受試產品表面影響較小。
5）對受試產品進行功能/性能檢測，記錄結果。關閉箱門，堵好引線孔，準備試驗運行。
2.3.2 試驗程序運行
1）太陽輻射（循環試驗）試驗：①手動升溫30 ℃，同時啟動溫度傳感器和試驗箱的實時記錄。圖4為模擬試驗的試驗控制曲線記錄；②達到後，按照上面已經設置好的循環試驗參數進行試驗。試驗期間，在第三循環試驗箱達到峰值溫度為44 ℃時，開始對受試產品進行功能/性能檢測；③試驗結束後，打開箱門，讓受試產品在試驗的標準大氣條件下保持，直至試件的溫度達到穩定。同時我們也得到了溫度傳感器所測得的受試產品表面的最高響應溫度，經過3個循環的測量，我們得到受試產品表面的最高響應溫度為82 ℃；④恢復結束後，在試驗的標準大氣條件下（溫度：15～35 ℃，溼度：20 %～80 %）對受試產品進行外觀和功能/性能檢測，最終便可以得到該受試產品所經歷循環試驗的結果。
圖3 產品實際放置狀態
圖4 循環試驗控制曲線
圖5 穩態試驗控制曲線
2）太陽輻射（穩態試驗）試驗：①受試產品太陽輻射（循環試驗）試驗後直接轉入太陽輻射（穩態試驗）試驗。在進行穩態試驗時，我們還需要對受試產品試驗準備做一個補充，就是為受試產品安裝一個通風冷卻系統，通過通風管對準受試產品外殼通一定量的風，使產品表面冷卻降溫，並適時調節風量和風的溫度，以確保其響應溫度不超過82 ℃；②按照上面已經設置好的穩態試驗參數進行試驗，同時啟動溫度傳感器和試驗箱的實時記錄。圖5為模擬試驗的試驗控制曲線記錄。試驗期間，在每次循環峰值溫度為44 ℃，無輻射期間對受試產品進行功能/性能檢測；③試驗結束後，打開箱門，讓受試產品在試驗的標準大氣條件下（溫度：15～35 ℃，溼度：20 %～80 %）保持，直至試件的溫度達到穩定；④恢復結束後，在試驗的標準大氣條件下對受試產品進行外觀和功能/性能檢測，最終便可以得出該產品經歷穩態試驗的結果。
3 體會通過對GJB 150.7A-2009太陽輻射試驗方法的研究、分析以及試驗實踐，能更清楚地認識到太陽輻射對產品的影響。GJB 150.7A-2009較GJB 150.7-1986內容更加完善，要求更加準確，模擬試驗條件更加真實。通過對GJB 150.7A-2009太陽輻射試驗方法在指揮系統上的剪裁應用，加深了我們對該方法的認識和理解，為我們今後更好地運用GJB 150A-2009開展太陽輻射試驗打下了一定的基礎。
參考文獻：
[1]GJB 150.7A-2009.軍用裝備實驗室環境試驗方法 第7部分：太陽輻射試驗[S].
[2]GJB 150.1A-2009.軍用裝備實驗室環境試驗方法 第1部分：通用要求[S].
Solar Radiation Test Method and Practice of GJB 150.7A-2009 Standard
LIU Hai-long，MA Ying，WEI Yuan
(China Aero-Polytechnology Establishment, Beijing 100028)
Abstract：This article introduces the basic principles and test technology of solar radiation test,and the test procedure, conditions, sequence and tailoring process of standard GJB 150.7A Laboratory environmental test methods for military material-Part 7:Solar radiation test. Finally, the tailoring process of solar radiation test is conducted on a certain product, which provides an example for the application of solar radiation test in Laboratory.
Key words：solar radiation; irradiance; thermal effect; photochemical effect
中圖分類號：V216.5
文獻標識碼：A
文章編號：1004-7204(2019)02-0130-07
作者簡介：劉海龍，（1982-），男，北京人，學士，主要從事環境與可靠性及試驗研究工作。