我國(guó)環(huán)境模擬技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

環(huán)境模擬技術(shù)是一門(mén)新的邊緣技術(shù)，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(shù)和在模擬環(huán)境下的試驗(yàn)技術(shù)。本文綜述了國(guó)內(nèi)環(huán)境模擬技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展方向及應(yīng)用領(lǐng)域。

1 環(huán)境模擬技術(shù)是新的綜合性工程技術(shù)

社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，要求人的生存和工作空間不斷擴(kuò)大，對(duì)各類(lèi)產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量的要求不斷提高，相應(yīng)地，對(duì)人的環(huán)境適應(yīng)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(jìn)行各種類(lèi)型的環(huán)境適應(yīng)性及可靠性試驗(yàn)，對(duì)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(jī)動(dòng)車(chē)輛等）都制定相應(yīng)的環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范，并不斷地修訂和更新。美國(guó)2000年元旦正式頒布的新軍標(biāo)MIL-STD-810F代表了目前的環(huán)境試驗(yàn)要求，據(jù)此，各國(guó)先后建立了各種類(lèi)型、不同規(guī)模的環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備，在這些設(shè)備中再現(xiàn)各種環(huán)境條件，進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性及可靠性試驗(yàn)。的進(jìn)展是進(jìn)行各類(lèi)人機(jī)系統(tǒng)的綜合環(huán)境動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

我國(guó)自20世紀(jì)60年代以來(lái)，為了滿足兵器、飛機(jī)、人造衛(wèi)星、火車(chē)和汽車(chē)等的研究、研制和生產(chǎn)的需要，自主生產(chǎn)了相當(dāng)數(shù)量的各類(lèi)不同規(guī)模的環(huán)境模擬設(shè)備。近十幾年來(lái)，建成了一些達(dá)到先進(jìn)水平、具有自己特色的環(huán)模設(shè)備，如“重武器環(huán)境室”、“某試驗(yàn)場(chǎng)常規(guī)兵器大型環(huán)模設(shè)備”和“KM6大型空間環(huán)模設(shè)備”等地面、空中和空間環(huán)模設(shè)備。在國(guó)外，50年代以來(lái)，為了適應(yīng)兵器、航空和航天產(chǎn)品的發(fā)展，亦先后建立了各類(lèi)不同規(guī)模的環(huán)境模擬設(shè)備，如英國(guó)**科學(xué)研究院車(chē)輛環(huán)境實(shí)驗(yàn)室、維也納車(chē)輛研究試驗(yàn)中心的機(jī)車(chē)和車(chē)廂靜動(dòng)態(tài)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備、美國(guó)阿伯丁試驗(yàn)場(chǎng)兵器環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備、法國(guó)圖魯茲航空研究中心高空模擬設(shè)備、美國(guó)格魯門(mén)公司及波音公司的高空試驗(yàn)艙、美國(guó)NASA*空間中心的大型空間環(huán)模設(shè)備和日本筑波空間環(huán)模艙等。

伴隨著環(huán)模設(shè)備和環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)踐和解決理論問(wèn)題的過(guò)程中，吸收了多門(mén)學(xué)科（熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和光學(xué)等）和多項(xiàng)技術(shù)（制冷、真空、空調(diào)、自動(dòng)控制、計(jì)量等）的相關(guān)理論和方法，形成了一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)理論體系——環(huán)境模擬技術(shù)。環(huán)境模擬技術(shù)是一門(mén)新的邊緣技術(shù)，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(shù)和在模擬環(huán)境下的試驗(yàn)技術(shù)。環(huán)境模擬設(shè)備和環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)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(dòng)態(tài)模擬，從產(chǎn)品試驗(yàn)到人機(jī)系統(tǒng)環(huán)境試驗(yàn)的發(fā)展過(guò)程。它當(dāng)前的發(fā)展方向是：建立整機(jī)多參數(shù)綜合動(dòng)態(tài)環(huán)境模擬設(shè)備，進(jìn)行多參數(shù)綜合動(dòng)態(tài)環(huán)境試驗(yàn)和人機(jī)系統(tǒng)綜合環(huán)境動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，以及進(jìn)行虛擬試驗(yàn)技術(shù)的研究和應(yīng)用。

2 環(huán)境模擬分類(lèi)

人類(lèi)生活和工作在極其復(fù)雜的自然和人工環(huán)境中，環(huán)境因素對(duì)人的生存和工作，以及對(duì)產(chǎn)品的可靠性都有重要影響。1971年美國(guó)對(duì)機(jī)載電子設(shè)備進(jìn)行全年故障率分析后得出結(jié)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(diǎn)，分析其對(duì)人類(lèi)生活和工作，以及對(duì)產(chǎn)品造成的影響有極其重大的現(xiàn)實(shí)意義。環(huán)境種類(lèi)通常分為氣候環(huán)境、力學(xué)環(huán)境、電磁環(huán)境和復(fù)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(yáng)輻照環(huán)境以及多參數(shù)綜合環(huán)境。空間環(huán)境是個(gè)特殊的環(huán)境，相對(duì)獨(dú)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(chǎng)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(xué)環(huán)境包括加速度環(huán)境、振動(dòng)環(huán)境
、沖擊環(huán)境和噪聲環(huán)境。

3 環(huán)境模擬設(shè)備

3.1 地面環(huán)境模擬設(shè)備

地面環(huán)境模擬設(shè)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(yáng)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(shè)備。

由于地面兵器的空運(yùn)及機(jī)載使用，傳統(tǒng)的地面兵器空中使用時(shí)可能會(huì)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(duì)于整機(jī)，這些環(huán)境的模擬在技術(shù)上有一定的難度。

當(dāng)前地面環(huán)境模擬的主要發(fā)展方向是多參數(shù)綜合動(dòng)態(tài)環(huán)境模擬。美國(guó)的MIL-STD-810F軍標(biāo)規(guī)定了溫度、濕度、低氣壓、振動(dòng)四綜合環(huán)境試驗(yàn)；英國(guó)**科學(xué)研究院的車(chē)輛環(huán)境實(shí)驗(yàn)室允許882.6kW的坦克車(chē)在開(kāi)車(chē)狀態(tài)下模擬低氣壓、溫度環(huán)境；美國(guó)*阿伯丁靶場(chǎng)的兵器環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備能讓車(chē)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(shè)備有1000m3、145m3和45m3 3個(gè)環(huán)境室，采用1套空氣制冷系統(tǒng)和各自獨(dú)立的電加熱設(shè)備，低溫可達(dá)到-100℃，高溫可達(dá)80℃，于1984年建成并經(jīng)國(guó)家驗(yàn)收，在大型環(huán)模設(shè)備中成功采用了空氣制冷。該設(shè)備試驗(yàn)間尺寸為16m×8m×8m（長(zhǎng)×寬×高），溫度范圍為常溫～50℃，濕度可到85×（1±005） RH（≤40℃），太陽(yáng)輻射強(qiáng)度zui大1kW/m2，模擬的zui大風(fēng)速為35m/s。

3.2 空中環(huán)境模擬設(shè)備

目前，空中環(huán)境模擬試驗(yàn)主要有飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)空中環(huán)境模擬試驗(yàn)和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高空性能試驗(yàn)。

（1）飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)空中環(huán)境模擬試驗(yàn)。這類(lèi)試驗(yàn)?zāi)M空中飛行時(shí)的外界大氣壓力和溫度（蒙皮熱附面層恢復(fù)溫度），以及發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)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(yàn)有部件（附件）試驗(yàn)、環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)和環(huán)控系統(tǒng)聯(lián)合（包括座艙和設(shè)備艙）試驗(yàn)。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)高空性能試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)高空性能試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)高空性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。

當(dāng)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(wù)包線確定的氣壓和溫度變化環(huán)境；模擬由飛行任務(wù)包線與發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)變化共同確定的壓氣機(jī)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(dòng)態(tài)環(huán)境模擬。

（3）空間環(huán)境模擬。空間環(huán)境模擬試驗(yàn)主要有：熱平衡試驗(yàn)（載人及無(wú)人航天器），熱真空試驗(yàn)（載人及無(wú)人航天器），載人航天器人機(jī)組合艙外活動(dòng)的空間環(huán)境試驗(yàn)，微重力試驗(yàn)，空間輻照環(huán)境試驗(yàn)，空間高能粒子輻照試驗(yàn)，電子、質(zhì)子、紫外線綜合輻照試驗(yàn)，原子氧、紫外線綜合輻照試驗(yàn)，空間碎片及微流星環(huán)境試驗(yàn)，空間防污染環(huán)境試驗(yàn)，磁環(huán)境試驗(yàn)等。目前常用熱真空試驗(yàn)、熱平衡試驗(yàn)、艙外活動(dòng)試驗(yàn)和微重力試驗(yàn)。

它的主容器（立式）直徑12m，高22.4m，主輔容器總?cè)莘e3200m3，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(yàn)、宇航員艙外活動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)和航天器系統(tǒng)及部件試驗(yàn)，已承擔(dān)“神州號(hào)飛船”及我國(guó)多種人造衛(wèi)星的空間環(huán)境試驗(yàn)。其規(guī)模及技術(shù)總體水平排在美國(guó)、俄羅斯和歐共體之后，日本及印度之前，居*4位。

美國(guó)zui近計(jì)劃開(kāi)始新的大型受控生態(tài)生保地面模擬試驗(yàn)——“行星受控生態(tài)生保系統(tǒng)聯(lián)合試驗(yàn)”（BIOPlex）。它是一個(gè)大型的綜合性模擬試驗(yàn)基地，除能進(jìn)行受控生態(tài)生保*基地地面模擬試驗(yàn)外，還可以模擬行星景觀、機(jī)械活動(dòng)、出艙活動(dòng)和運(yùn)輸車(chē)工作等復(fù)雜的艙外航天任務(wù)。另外，在這些試驗(yàn)艙內(nèi)可以模擬類(lèi)似火星和月球表面的光照情況。這也是將來(lái)我國(guó)在深空探測(cè)載人航天環(huán)境模擬方面的發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，環(huán)境模擬設(shè)備和環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)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(dòng)態(tài)模擬的發(fā)展過(guò)程。發(fā)展方向是建立整機(jī)多參數(shù)綜合動(dòng)態(tài)環(huán)境模擬設(shè)備和進(jìn)行多參數(shù)綜合動(dòng)態(tài)環(huán)境模擬試驗(yàn)及人機(jī)系統(tǒng)綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)。該項(xiàng)技術(shù)可以在環(huán)模設(shè)備中再現(xiàn)各種環(huán)境條件，進(jìn)行產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性和環(huán)境可靠性試驗(yàn)，以及人的環(huán)境適應(yīng)性和人機(jī)工效等方面的試驗(yàn)。

應(yīng)當(dāng)加快我國(guó)的環(huán)境模擬技術(shù)研究和設(shè)備建設(shè)，以達(dá)到先進(jìn)水平，為國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。