我國環(huán)境模擬技術現狀與發(fā)展

環(huán)境模擬技術是一門新的邊緣技術,，主要研究各種自然環(huán)境及誘發(fā)環(huán)境的人工再現技術和在模擬環(huán)境下的試驗技術。本文綜述了國內環(huán)境模擬技術現狀,、發(fā)展方向及應用領域。

1 環(huán)境模擬技術是新的綜合性工程技術

社會的發(fā)展和科學技術的進步,，要求人的生存和工作空間不斷擴大,，對各類產品的數量和質量的要求不斷提高，相應地，對人的環(huán)境適應性和產品的環(huán)境可靠性也提出了更高的要求,。為此,，需要進行各種類型的環(huán)境適應性及可靠性試驗，對所有產品（電子及電工產品,，常規(guī)及非常規(guī)兵器,，飛行器、艦船及機動車輛等）都制定相應的環(huán)境試驗規(guī)范,，并不斷地修訂和更新,。美國2000年元旦正式頒布的新軍標MIL-STD-810F代表了目前的環(huán)境試驗要求，據此,，各國先后建立了各種類型,、不同規(guī)模的環(huán)境模擬試驗設備，在這些設備中再現各種環(huán)境條件,，進行環(huán)境適應性及可靠性試驗,。的進展是進行各類人機系統(tǒng)的綜合環(huán)境動態(tài)試驗。

我國自20世紀60年代以來,，為了滿足兵器,、飛機、人造衛(wèi)星,、火車和汽車等的研究,、研制和生產的需要，自主生產了相當數量的各類不同規(guī)模的環(huán)境模擬設備,。近十幾年來,，建成了一些達到先進水平、具有自己特色的環(huán)模設備,，如“重武器環(huán)境室”,、“某試驗場常規(guī)兵器大型環(huán)模設備”和“KM6大型空間環(huán)模設備”等地面、空中和空間環(huán)模設備,。在國外,，50年代以來，為了適應兵器,、航空和航天產品的發(fā)展,，亦先后建立了各類不同規(guī)模的環(huán)境模擬設備，如英國**科學研究院車輛環(huán)境實驗室,、維也納車輛研究試驗中心的機車和車廂靜動態(tài)環(huán)境試驗設備,、美國阿伯丁試驗場兵器環(huán)境試驗設備、法國圖魯茲航空研究中心高空模擬設備,、美國格魯門公司及波音公司的高空試驗艙,、美國NASA*空間中心的大型空間環(huán)模設備和日本筑波空間環(huán)模艙等,。

伴隨著環(huán)模設備和環(huán)境試驗技術的發(fā)展，在實踐和解決理論問題的過程中,，吸收了多門學科（熱學,、力學、電學,、生物學,、醫(yī)學和光學等）和多項技術（制冷、真空,、空調,、自動控制、計量等）的相關理論和方法,，形成了一個獨立的技術理論體系——環(huán)境模擬技術,。環(huán)境模擬技術是一門新的邊緣技術，主要研究各種自然環(huán)境及誘發(fā)環(huán)境的人工再現技術和在模擬環(huán)境下的試驗技術,。環(huán)境模擬設備和環(huán)境試驗技術經歷了由單參數模擬到多參數模擬,，從靜態(tài)模擬到動態(tài)模擬，從產品試驗到人機系統(tǒng)環(huán)境試驗的發(fā)展過程,。它當前的發(fā)展方向是：建立整機多參數綜合動態(tài)環(huán)境模擬設備,，進行多參數綜合動態(tài)環(huán)境試驗和人機系統(tǒng)綜合環(huán)境動態(tài)試驗，以及進行虛擬試驗技術的研究和應用,。

2 環(huán)境模擬分類

人類生活和工作在極其復雜的自然和人工環(huán)境中,，環(huán)境因素對人的生存和工作，以及對產品的可靠性都有重要影響,。1971年美國對機載電子設備進行全年故障率分析后得出結論：由于環(huán)境因素造成的占50%以上,。因此，研究各種環(huán)境的性質和特點,，分析其對人類生活和工作,，以及對產品造成的影響有極其重大的現實意義。環(huán)境種類通常分為氣候環(huán)境,、力學環(huán)境,、電磁環(huán)境和復合環(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)境和太陽輻照環(huán)境以及多參數綜合環(huán)境,?？臻g環(huán)境是個特殊的環(huán)境，相對獨立,，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,。力學環(huán)境包括加速度環(huán)境,、振動環(huán)境
、沖擊環(huán)境和噪聲環(huán)境,。

3 環(huán)境模擬設備

3.1 地面環(huán)境模擬設備

地面環(huán)境模擬設備主要有低溫環(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)境模擬等設備,。

由于地面兵器的空運及機載使用，傳統(tǒng)的地面兵器空中使用時可能會遭遇特殊環(huán)境,，如快速溫度變化,、溫度沖擊和溫壓環(huán)境。對于整機,，這些環(huán)境的模擬在技術上有一定的難度,。

當前地面環(huán)境模擬的主要發(fā)展方向是多參數綜合動態(tài)環(huán)境模擬。美國的MIL-STD-810F軍標規(guī)定了溫度,、濕度,、低氣壓、振動四綜合環(huán)境試驗,；英國**科學研究院的車輛環(huán)境實驗室允許882.6kW的坦克車在開車狀態(tài)下模擬低氣壓,、溫度環(huán)境,；美國*阿伯丁靶場的兵器環(huán)境試驗設備能讓車輛在行駛道路條件下模擬低溫、高溫,、濕熱,、低氣壓等單參數環(huán)境和多參數組合環(huán)境。

該設備有1000m3,、145m3和45m3 3個環(huán)境室,，采用1套空氣制冷系統(tǒng)和各自獨立的電加熱設備，低溫可達到-100℃,，高溫可達80℃,，于1984年建成并經國家驗收，在大型環(huán)模設備中成功采用了空氣制冷,。該設備試驗間尺寸為16m×8m×8m（長×寬×高）,，溫度范圍為常溫～50℃，濕度可到85×（1±005） RH（≤40℃）,，太陽輻射強度zui大1kW/m2,，模擬的zui大風速為35m/s。

3.2 空中環(huán)境模擬設備

目前,，空中環(huán)境模擬試驗主要有飛機環(huán)境控制系統(tǒng)空中環(huán)境模擬試驗和飛機發(fā)動機高空性能試驗,。

（1）飛機環(huán)控系統(tǒng)空中環(huán)境模擬試驗。這類試驗模擬空中飛行時的外界大氣壓力和溫度（蒙皮熱附面層恢復溫度）,，以及發(fā)動機壓氣機引氣參數和沖壓空氣參數（溫度,、壓力和流量）。主要的環(huán)境試驗有部件（附件）試驗,、環(huán)控系統(tǒng)試驗和環(huán)控系統(tǒng)聯合（包括座艙和設備艙）試驗,。

（2）發(fā)動機高空性能試驗。發(fā)動機高空性能試驗在發(fā)動機高空性能試驗臺上進行,。

當前,，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包線確定的氣壓和溫度變化環(huán)境,；模擬由飛行任務包線與發(fā)動機工作狀態(tài)變化共同確定的壓氣機引氣參數變化和沖壓空氣參數變化（流量,、壓力和溫度變化）。這是多參數綜合的動態(tài)環(huán)境模擬,。

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

它的主容器（立式）直徑12m，高22.4m,，主輔容器總容積3200m3,，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、宇航員艙外活動環(huán)境試驗和航天器系統(tǒng)及部件試驗,，已承擔“神州號飛船”及我國多種人造衛(wèi)星的空間環(huán)境試驗,。其規(guī)模及技術總體水平排在美國、俄羅斯和歐共體之后,，日本及印度之前,，居*4位。

美國zui近計劃開始新的大型受控生態(tài)生保地面模擬試驗——“行星受控生態(tài)生保系統(tǒng)聯合試驗”（BIOPlex）,。它是一個大型的綜合性模擬試驗基地,，除能進行受控生態(tài)生保*基地地面模擬試驗外，還可以模擬行星景觀,、機械活動,、出艙活動和運輸車工作等復雜的艙外航天任務。另外,，在這些試驗艙內可以模擬類似火星和月球表面的光照情況,。這也是將來我國在深空探測載人航天環(huán)境模擬方面的發(fā)展趨勢。

4 結束語

綜上所述,，環(huán)境模擬設備和環(huán)境試驗技術經歷了由單參數模擬到多參數模擬,，從靜態(tài)模擬到動態(tài)模擬的發(fā)展過程。發(fā)展方向是建立整機多參數綜合動態(tài)環(huán)境模擬設備和進行多參數綜合動態(tài)環(huán)境模擬試驗及人機系統(tǒng)綜合環(huán)境模擬試驗,。該項技術可以在環(huán)模設備中再現各種環(huán)境條件,，進行產品的環(huán)境適應性和環(huán)境可靠性試驗，以及人的環(huán)境適應性和人機工效等方面的試驗,。

應當加快我國的環(huán)境模擬技術研究和設備建設,，以達到先進水平,，為國防建設和國民經濟的發(fā)展做出貢獻。