环境适应性设计
（王树荣）
一个产品要成为被广大消费者所接受的商品，一个产品要成为一种招之既来、来之能战、战之能胜的武器，除了它的功能和性能外，就是它对环境的适应性和使用的可靠性。
任何产品都处于一定的环境之中，在一定的环境条件下使用、运输和贮存。因此都逃脱不了这些环境的影响。特别恶劣的条件下工作的产品更是如此。产品环境适应性水平高低的源头是环境适应性设计，因此要研制出一个环境适应性好的产品，首先抓的是环境适应性设计，设计奠定了产品的固有环境适应性。
1 环境适应性的设计步骤
（1）确定产品寿命期的环境剖面
一个产品从出厂到报废，除使用过程中的平台环境条件外，还要经受到运输和贮存环境条件；另外还涉及到经受各种环境因素的概率，所谓环境剖面就是产品全寿命期所遇到的各种环境因素及其出现概率。可见作为环境适应性设计的第一步，应知道产品全寿命期的环境剖面，并以此作为设计依据。
所以与使用方(甲方) 谈判合同、任务书、研制总要求时一定要认真对待, 因为它直接关系到技术方案和研制成本.
（2）明确产品的平台环境条件
当前产品的环境适应性设计基本上以标准中的考核条件为设计依据的，其目的是交付，结果是使用中仍然故障不断，究其原因，其中最重要的是：产品实际所经受到的环境条件并不是标准中给出的环境条件（即标准中的试验条件或试验严酷等级）。所以当前国外的最新标准，对整机已不规定具体的试验条件（即试验严酷等级），只给出自然或诱发环境条件的参考量值，例如2000版的MIL-STD-810F 、即将发布实施的GJB150-200X 军用装备实验室试验方法。特别是后者，即新的GJB150更是如此，在原GJB150中均有试验条件一章（例如高温为70℃、低温为-55℃、湿热：高温高湿60℃ 95% 低温高湿30℃ 95%、），新的GJB150就没有这一章，取而代替的是“确定试验条件”，所谓确定试验条件，实质就是根据产品的安装平台环境条件来确定，标准给出的仅是供参考的区域（气候分区）环境条件或常用运载工具的环境条件。可见，作为环境适应性的设计的第一步首先要弄清产品的平台环境条件，特别是大型系统工程，各分系统、子系统、设备、分机所经受到的环境条件又不同于整个系统所经受到的环境条件。
（3）制订环境适应性设计准则
一个产品通常有许多分机组成，特别是大型系统工程，会更有许多分系统、子系统、设备单元组成，因此要搞好环境适应性设计，必须制定能保证产品环境适应性的统一设计准则，让每一设计师进行环境适应性设计时有统一的依据。环境适应性设计准则应采用先进的、成熟的材料、工艺、结构等，并且有好的费效比。
（4）环境适应性设计输入验证
一个产品完成了环境适应性设计输入后，如果这种设计没有以前试验结果报告证实是可行的，则应进行设计验证试验来证明可行的。
（5）环境适应性设计评审
环境适应性设计评审是对环境适应性设计输入进行的全面、系统审查，从中发现环境适应性设计中的薄弱环节、提出改进意见、完善设计降低设计风险。
2 环境适应性的设计原则
进行环境适应性设计时，可按下列原则进行：
（1）减缓影响产品的环境应力、增强产品自身耐环境应力的能力
环境适应性设计首先应综合考虑所设计产品可能经受到的各种环境因素及其应力，采用减缓环境应力的措施、增强自身耐环境应力的能力，即用有效的防护设计、材料、工艺等来达到所设计产品的环境适应性要求。
（2） 逐级明确防护对象和防护等级。
按从大到小的顺序，即从系统、整机、单元、零部件、模块、元器件到材料逐级明确防护对象和防护等级。
（3） 建立有效、合理的防护体系。
环境适应性设计应从多方面入手：采用合理的结构设计，正确选择材料，严格进行计算并确定使用应力，选用稳定的加工装联工艺，建立有效、合理的防护体系。
（4）综合考虑环境因素的不良影响
一种环境因素可能产生多种不良影响；一种不良影响往往是多种环境因素协同作用的结果，设计时应予以综合考虑。
3
耐高低温设计
温度对产品的影响是众所周知的:
低温几乎对所有的材料都会产生不同程度的有害影响, 凡是在低温下贮存和使用的产品, 由于低温的影响, 构成产品的各种材料的物理性能、电性能都将发生变化, 导致暂时性或永久性的性能下降, 甚至引起失效. 具体而言:普通材料如橡胶、帆布、皮革等柔性材料的弹性降低, 随之破裂; 金属和塑料的脆性增大, 导致破裂或产生裂缝, 在温度瞬变过
程中, 由于材料的收缩系数不同, 会引起活动部件卡死或转动不灵, 由于润滑剂粘性增大或凝固活动部件之间的摩擦力增大, 引起动作滞缓, 甚至停止工作; 电子元器件电参数变化, 直接影响到产品的性能; 其次, 还会引结冰或结霜引起受潮或结构破坏.
高温能使各种材料的结构、物理性能、电性能发生很大的变化甚至导致永久性的损伤和不可逆的变化. 高温对产品的主要影响有:由于各种材料的膨胀系统不同因而导致材料之间的粘结和迁移; 润滑剂流失或润滑性能降低, 增加活动部件之间的摩损; 密封填料、垫圈、封口、轴承和旋转轴等的变形; 由于粘结引起机械失灵或完全失效; 固定电阻器的阻值发生变化; 变压器、机电组件过热; 易燃或易爆材料引起燃烧或爆炸; 密封产品内部压力增高引起破裂; 有机材料老化、变色、起泡或产生裂纹; 绝缘材料的绝缘性能降低(如橡胶在高温下, 由于蒸发和浸析作用引起的脱模或增塑性), 高温还会使电工电子产品的寿命明显缩短.
为提高预警机任务电子系统设备耐高低温的性能，其耐高低温设计应列入任务电子系统总体方案设计范畴, 并与电路设计、结构设计、可靠性设计、电磁兼容设计等同步进行, 相互协调。
3.1 设计输入
3.1.1 预警机的温度设计输入
进行预警机任务电子系统设备耐高低温设计, 首先要明确(知道) 耐高低温的设计输入. 该设计输入来自合同、任务书、研制总要求等文件或资料. 例如: 空警2000、空警200 、ZDK03型三种预警机任务电子系统设备的耐高低温设计输入如见下表3-1：
3.1.2 确定原则
表3-1中的温度是如何确定的, 它是根据地面大气温度、空中大气温度、任务电子系统安装平台的环境温度等确定的。而不是通常那样根据军标（例如：GJB150 军用设备环境试验方法）来确定。不按军标确定设计输入的原因是军标要求太严，预警机任务电子系统设备如果完全按GJB150要求, 研制难度大, 成本高, 而且也没有必要. 当然这样做
也是完全符合上面所说的新GJB150确定设计输入与考核要求的原则。
3.1.2.1地面大气温度
全球及我国的地面低温和高温大气温度和诱发温度:
a) 低温
环境试验中的低温条件来自产品所经受到的大气（平台环境）条件，现许多产品，特别是军品，基本上来自各种标准中的量值，例如GJB150等。
GJB150基本上等同MIL-STD-810E ，MIL-STD-810E 出发点是：其一是全球使用；其二是不仅要考虑最低温度的绝对值，还要考虑最低温度的出现概率，如果不考虑最低温度的出现概率（风险率），必然会导致过试验。对此MIL-STD-810E 中是这样考虑的：全球最低温度的记录极值（不包括南极洲）-68℃，就出现概率（风险率）而言： 低温 出现概率（风险率）
-51℃（-60℉） 20%
-54℃（-65℉） 10%
-57℃（-71℉） 5%
-61℃（-78℉） 1%
考虑正常研制/生产成本，大多数产品所用的出现概率（风险率）为20%，即-51℃。对满足特殊的使用，例如机载电子设备为10%的出现概率（风险率）即-54℃（-65℉），我们的GJB150将其取整数为-55℃。
2000版的MIL-STD-810F 强调根据产品的实际平台环境条件来定产品的设计输入与考核（试验）条件，标准不统一规定一个考核（试验）条件，GJB150的修订版将贯彻这一思路。从这一观点出发，我国低气温记录极值为的情况为黑龙江的漠河-52.3℃。在全国671观测站中，低于观测到-48℃的还有：黑龙江的图里河-50.2℃、黑龙江的呼玛-48.2℃、黑龙江的孙吴-48.1℃、内蒙的根河-49.7℃、新疆的富蕴-51.5℃、新疆的青河-49.7℃、青海的玛多-48.1℃。就全国的出现概率（风险率）而言：
低温 出现概率（风险率）
-41.3℃（-60℉） 20%
-44.1℃（-65℉） 10%
-46.1℃（-71℉） 5%
-48.8℃（-78℉） 1%
从上述数据可见：在全国范围内使用取10%的出现概率（风险率），-44.1℃（-65℉）就可以了，-44.1℃取整数为-45℃。我国军用车辆标准就是以此-45℃为标准的，998工程地面的贮存要求也是以此-45℃为标准的，即没有按-55℃来要求。空警200、ZDK03 气密舱内设备和天线罩/平衡木内设备的非工作（贮存-地面停放）温度也是以此取的-45℃。
环境适应性设计
（王树荣）
一个产品要成为被广大消费者所接受的商品，一个产品要成为一种招之既来、来之能战、战之能胜的武器，除了它的功能和性能外，就是它对环境的适应性和使用的可靠性。
任何产品都处于一定的环境之中，在一定的环境条件下使用、运输和贮存。因此都逃脱不了这些环境的影响。特别恶劣的条件下工作的产品更是如此。产品环境适应性水平高低的源头是环境适应性设计，因此要研制出一个环境适应性好的产品，首先抓的是环境适应性设计，设计奠定了产品的固有环境适应性。
1 环境适应性的设计步骤
（1）确定产品寿命期的环境剖面
一个产品从出厂到报废，除使用过程中的平台环境条件外，还要经受到运输和贮存环境条件；另外还涉及到经受各种环境因素的概率，所谓环境剖面就是产品全寿命期所遇到的各种环境因素及其出现概率。可见作为环境适应性设计的第一步，应知道产品全寿命期的环境剖面，并以此作为设计依据。
所以与使用方(甲方) 谈判合同、任务书、研制总要求时一定要认真对待, 因为它直接关系到技术方案和研制成本.
（2）明确产品的平台环境条件
当前产品的环境适应性设计基本上以标准中的考核条件为设计依据的，其目的是交付，结果是使用中仍然故障不断，究其原因，其中最重要的是：产品实际所经受到的环境条件并不是标准中给出的环境条件（即标准中的试验条件或试验严酷等级）。所以当前国外的最新标准，对整机已不规定具体的试验条件（即试验严酷等级），只给出自然或诱发环境条件的参考量值，例如2000版的MIL-STD-810F 、即将发布实施的GJB150-200X 军用装备实验室试验方法。特别是后者，即新的GJB150更是如此，在原GJB150中均有试验条件一章（例如高温为70℃、低温为-55℃、湿热：高温高湿60℃ 95% 低温高湿30℃ 95%、），新的GJB150就没有这一章，取而代替的是“确定试验条件”，所谓确定试验条件，实质就是根据产品的安装平台环境条件来确定，标准给出的仅是供参考的区域（气候分区）环境条件或常用运载工具的环境条件。可见，作为环境适应性的设计的第一步首先要弄清产品的平台环境条件，特别是大型系统工程，各分系统、子系统、设备、分机所经受到的环境条件又不同于整个系统所经受到的环境条件。
（3）制订环境适应性设计准则
一个产品通常有许多分机组成，特别是大型系统工程，会更有许多分系统、子系统、设备单元组成，因此要搞好环境适应性设计，必须制定能保证产品环境适应性的统一设计准则，让每一设计师进行环境适应性设计时有统一的依据。环境适应性设计准则应采用先进的、成熟的材料、工艺、结构等，并且有好的费效比。
（4）环境适应性设计输入验证
一个产品完成了环境适应性设计输入后，如果这种设计没有以前试验结果报告证实是可行的，则应进行设计验证试验来证明可行的。
（5）环境适应性设计评审
环境适应性设计评审是对环境适应性设计输入进行的全面、系统审查，从中发现环境适应性设计中的薄弱环节、提出改进意见、完善设计降低设计风险。
2 环境适应性的设计原则
进行环境适应性设计时，可按下列原则进行：
（1）减缓影响产品的环境应力、增强产品自身耐环境应力的能力
环境适应性设计首先应综合考虑所设计产品可能经受到的各种环境因素及其应力，采用减缓环境应力的措施、增强自身耐环境应力的能力，即用有效的防护设计、材料、工艺等来达到所设计产品的环境适应性要求。
（2） 逐级明确防护对象和防护等级。
按从大到小的顺序，即从系统、整机、单元、零部件、模块、元器件到材料逐级明确防护对象和防护等级。
（3） 建立有效、合理的防护体系。
环境适应性设计应从多方面入手：采用合理的结构设计，正确选择材料，严格进行计算并确定使用应力，选用稳定的加工装联工艺，建立有效、合理的防护体系。
（4）综合考虑环境因素的不良影响
一种环境因素可能产生多种不良影响；一种不良影响往往是多种环境因素协同作用的结果，设计时应予以综合考虑。
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耐高低温设计
温度对产品的影响是众所周知的:
低温几乎对所有的材料都会产生不同程度的有害影响, 凡是在低温下贮存和使用的产品, 由于低温的影响, 构成产品的各种材料的物理性能、电性能都将发生变化, 导致暂时性或永久性的性能下降, 甚至引起失效. 具体而言:普通材料如橡胶、帆布、皮革等柔性材料的弹性降低, 随之破裂; 金属和塑料的脆性增大, 导致破裂或产生裂缝, 在温度瞬变过
程中, 由于材料的收缩系数不同, 会引起活动部件卡死或转动不灵, 由于润滑剂粘性增大或凝固活动部件之间的摩擦力增大, 引起动作滞缓, 甚至停止工作; 电子元器件电参数变化, 直接影响到产品的性能; 其次, 还会引结冰或结霜引起受潮或结构破坏.
高温能使各种材料的结构、物理性能、电性能发生很大的变化甚至导致永久性的损伤和不可逆的变化. 高温对产品的主要影响有:由于各种材料的膨胀系统不同因而导致材料之间的粘结和迁移; 润滑剂流失或润滑性能降低, 增加活动部件之间的摩损; 密封填料、垫圈、封口、轴承和旋转轴等的变形; 由于粘结引起机械失灵或完全失效; 固定电阻器的阻值发生变化; 变压器、机电组件过热; 易燃或易爆材料引起燃烧或爆炸; 密封产品内部压力增高引起破裂; 有机材料老化、变色、起泡或产生裂纹; 绝缘材料的绝缘性能降低(如橡胶在高温下, 由于蒸发和浸析作用引起的脱模或增塑性), 高温还会使电工电子产品的寿命明显缩短.
为提高预警机任务电子系统设备耐高低温的性能，其耐高低温设计应列入任务电子系统总体方案设计范畴, 并与电路设计、结构设计、可靠性设计、电磁兼容设计等同步进行, 相互协调。
3.1 设计输入
3.1.1 预警机的温度设计输入
进行预警机任务电子系统设备耐高低温设计, 首先要明确(知道) 耐高低温的设计输入. 该设计输入来自合同、任务书、研制总要求等文件或资料. 例如: 空警2000、空警200 、ZDK03型三种预警机任务电子系统设备的耐高低温设计输入如见下表3-1：
3.1.2 确定原则
表3-1中的温度是如何确定的, 它是根据地面大气温度、空中大气温度、任务电子系统安装平台的环境温度等确定的。而不是通常那样根据军标（例如：GJB150 军用设备环境试验方法）来确定。不按军标确定设计输入的原因是军标要求太严，预警机任务电子系统设备如果完全按GJB150要求, 研制难度大, 成本高, 而且也没有必要. 当然这样做
也是完全符合上面所说的新GJB150确定设计输入与考核要求的原则。
3.1.2.1地面大气温度
全球及我国的地面低温和高温大气温度和诱发温度:
a) 低温
环境试验中的低温条件来自产品所经受到的大气（平台环境）条件，现许多产品，特别是军品，基本上来自各种标准中的量值，例如GJB150等。
GJB150基本上等同MIL-STD-810E ，MIL-STD-810E 出发点是：其一是全球使用；其二是不仅要考虑最低温度的绝对值，还要考虑最低温度的出现概率，如果不考虑最低温度的出现概率（风险率），必然会导致过试验。对此MIL-STD-810E 中是这样考虑的：全球最低温度的记录极值（不包括南极洲）-68℃，就出现概率（风险率）而言： 低温 出现概率（风险率）
-51℃（-60℉） 20%
-54℃（-65℉） 10%
-57℃（-71℉） 5%
-61℃（-78℉） 1%
考虑正常研制/生产成本，大多数产品所用的出现概率（风险率）为20%，即-51℃。对满足特殊的使用，例如机载电子设备为10%的出现概率（风险率）即-54℃（-65℉），我们的GJB150将其取整数为-55℃。
2000版的MIL-STD-810F 强调根据产品的实际平台环境条件来定产品的设计输入与考核（试验）条件，标准不统一规定一个考核（试验）条件，GJB150的修订版将贯彻这一思路。从这一观点出发，我国低气温记录极值为的情况为黑龙江的漠河-52.3℃。在全国671观测站中，低于观测到-48℃的还有：黑龙江的图里河-50.2℃、黑龙江的呼玛-48.2℃、黑龙江的孙吴-48.1℃、内蒙的根河-49.7℃、新疆的富蕴-51.5℃、新疆的青河-49.7℃、青海的玛多-48.1℃。就全国的出现概率（风险率）而言：
低温 出现概率（风险率）
-41.3℃（-60℉） 20%
-44.1℃（-65℉） 10%
-46.1℃（-71℉） 5%
-48.8℃（-78℉） 1%
从上述数据可见：在全国范围内使用取10%的出现概率（风险率），-44.1℃（-65℉）就可以了，-44.1℃取整数为-45℃。我国军用车辆标准就是以此-45℃为标准的，998工程地面的贮存要求也是以此-45℃为标准的，即没有按-55℃来要求。空警200、ZDK03 气密舱内设备和天线罩/平衡木内设备的非工作（贮存-地面停放）温度也是以此取的-45℃。