GJB 150.7A-2009《太阳辐射试验方法分析与实践》解读

摘要：介绍了太阳辐射试验的基本原理和试验技术及GJB 150.7A《军用装备实验室环境试验方法第7部分：太阳辐射试验》试验程序、试验条件和试验顺序及其剪裁过程。最后以某产品为例，通过对其应用太阳辐射试验方法过程的剪裁，为实验室应用太阳辐射试验提供了示例。

关键词：太阳辐射；辐照度；热效应；光化学效应

概述

早在五十年代，国外就开始了模拟太阳辐射试验的研究，并相继制订了试验方法和研制了相应的试验设备。时至今日，国外太阳辐射试验技术已经较为成熟。我国对太阳辐射试验的研究起步较晚，最初直接引用苏联和美国标准，如今，我国已制订了自己的标准，如GJB 150-86、GB 4797-1989和GB/T 2423-1995等标准中都有对太阳辐射试验方法的应用。

太阳辐射是太阳向地球传输能量的一种电磁波，由紫外线、可见光和红外线组成。当它照射在地球表面的物体上时，一般会产生两种效应—热效应和光化学效应。热效应主要是由太阳辐射能中红外光谱部分引起的，它使物体温度升高和局部过热，会造成温度敏感的元器件失效，器材结构破坏和绝缘材料过热损坏等现象；光化学效应主要是由太阳辐射能中紫外光谱部分引起的，当足够能量的紫外线照射到物体上时，便会把物体的分子离解成原子、较简单的分子或自由基，从而导致材料老化变质，使织物塑料变色；涂层开裂、粉化和变色等。

太阳辐射试验是一种人工模拟环境试验，用以评定户外无遮蔽使用和贮存的装备经受太阳辐射热和光化学作用的能力。在自然环境中，装备不仅受太阳辐射影响，

其往往同时还经受着温度、湿度和风的作用。所以在进行该试验时，还需要模拟经受的自然环境空气温度，同时也要考虑湿度和风速的影响并对其进行监测与控制。

太阳辐射试验光的辐照度量值和它的光谱分布决定了太阳辐射对装备的影响。GJB 150.7A-2009规定用最大量值为1 120 W/m2的辐照度来进行模拟，这是太阳天顶角为0时到达地球表面的总辐射量。即：水平面太阳直接辐射与天空辐射之和。

1 太阳辐射试验剪裁

进行太阳辐射试验的目的是确定太阳辐射的热效应和光化学效应对装备产生的影响。下面对GJB 150.7A-2009作简要介绍并分析应用太阳辐射试验时如何对试验程序、试验顺序以及试验条件进行剪裁。

1.1 试验项目剪裁

太阳辐射试验方法适用于在其寿命期内有可能暴露于阳光照射下的装备。处于太阳直接照射的封闭壳体内或遮盖物下的装备也会诱发出高温热效应，但这种热效应是不一样的。与太阳辐射引起的高温热效应相比，太阳辐射的热效应具有方向性，并产生热梯度。其梯度是由装备不同位置（如迎光面和背光面）吸收太阳光谱能量不同造成的。前面已经提到，太阳辐射除了会产生热效应外，还会产生光化学效应。根据装备寿命周期内是否会暴露于太阳辐射环境中，这两种效应对装备可能产生的影响等，便可以确定标准是否需要选择该试验方法。

1.2 试验程序剪裁

试验方法确定后，就要对GJB 150.7A-2009中给出的试验程序进行选择。该标准包含两个试验程序：程序Ⅰ-循环试验和程序Ⅱ-稳态试验。选择试验程序时一般应考虑下列一些因素[1]：

1）试验程序的目的；

2）产品的结构特点和热效应特点；

3）产品材料和表面的涂镀层颜色；

4）预期暴露于太阳辐射环境的持续时间；

5）预计试件出现问题的部位。

根据以上几点因素，我们便可以选择出适合特定装备的太阳辐射试验程序。见表1：

表1 太阳辐射试验程序的区别

1.3 试验条件剪裁

选定具体试验方法和相应的程序后，便可以根据有关技术文件的规定和为该程序提供的信息，确定该程序所对应的试验条件了。太阳辐射试验条件包括日循环、试验持续时间或循环数和光谱分布，还要适当考虑相对湿度和风速及试件的技术结构状态，最终得到确定的试验条件。GJB 150.7A-2009两个试验程序的试验条件如表2所示。

1.3.1 光谱分布和太阳辐照度

光谱分布和太阳辐射辐照度及其变化是固定的，一般不考虑剪裁。

1.3.2 温度日循环

根据装备寿命期中部署的地域（即所属气候类别）选择温度条件A1、A2和A3，具体如下[1]：

1）循环A1的峰值条件为1 120 W/m2和49 ℃，代表了世界范围内的最热条件，在最热地区最热月份中出现和超过这一条件的小时数不超过1 %，这些最严酷地区具有十分高的温度并伴随高强度太阳辐射，例如中国新疆的沙漠地区、北非炎热与干燥的沙漠地区、中东的部分地区、印度北部和美国的西南部地区。

2）循环A2的峰值条件为1 120 W/m2和44 ℃，代表了较不严酷的条件，其所在地区具有高温和中等偏低的湿度并伴随高强度太阳辐射，例如中国大部分地区、欧洲最南部地区、澳洲大陆的大部分地区、中南亚、非洲的北部和东部地区、北非的沿海地区、美国的南部和墨西哥的大部分地区。

3）循环A3的峰值条件为1 120W/m2和39 ℃，代表了更不严酷的条件，其所在地区在一年中至少部分时间经历中等偏高温和中等偏低湿度条件，特别代表了欧洲最南部以外的地区、加拿大、北美和澳洲大陆的南部地区。

1.3.3 试验持续时间或循环数

1）模拟热效应的太阳辐射试验应该根据受试产品达到最高响应温度所需的天数确定试验持续时间，一般为3～7个循环。即：不得少于3个循环，也不必大于7个循环。

2）模拟光化学效应试验见表2中的选择原则。

表2 程序Ⅰ-循环试验和程序Ⅱ-稳态试验确定试验条件对照表

1.4 试验顺序剪裁

若用一个试验样品进行多项环境试验，需考虑不同的试验项目排序对装备造成的影响。

通常太阳辐射试验的热效应或光化学效应可能影响材料的强度或结构，从而对后续考核装备强度或结构的环境试验造成影响；装备表面的粗糙度和颜色的改变，由于影响试验样品吸热和反射的效果，对太阳辐射试验效果也会产生影响。

GJB 150.1A-2009在确定试验顺序时也提出了两个通常情况下需要考虑的因素：

1）利用预期寿命期事件的顺序作为通用的试验顺序；

2）建立装备性能和耐久性的累积效应与试验顺序的相互关系，该试验顺序是装备按照其任务剖面经受相应应力的顺序。

在试验顺序剪裁时，应根据在一个试验样品上将进行的试验项目及其项目之间的相互影响进行综合分析确定。

2 实验室中太阳辐射试验方法的剪裁实例

2.1 受试产品简介

1）受试产品为一套由三组机箱组成的指挥系统，由三组控制机箱组成。在使用时，通常并排放置在一起。

2）受试产品主要部署在南京地区，并且长期伴随着户外的未铺彻的路面以及无遮挡的自然环境下贮存和使用。

3）受试产品机箱材料为铝合金材质，产品外表面涂浅绿色防锈漆。

2.2 试验项目剪裁

根据受试产品使用环境，可以确定其主要暴露于太阳辐射和飞散砂尘的环境中。据此，为了更全面更真实的模拟产品的贮存和使用环境，确定需要对装备进行太阳辐射（循环和稳态）试验、砂尘（吹尘和吹砂）试验。

图1 程序Ⅰ－循环试验

图2 程序Ⅱ－稳态试验

选定了试验方法，确定了试验程序，接下来我们要对太阳辐射试验条件进行分析，由于受试产品使用时部署的区域属于中国大部分地区环境，所以我们在确定太阳辐射试验条件时，根据表2对日循环的要求，选用A2类别的温度和太阳辐射日循环对受试产品进行太阳辐射（循环和稳态）试验，其光谱谱能分布和允差见表3。由于大多数太阳辐射试验设备的辐照度都不能满足连续改变的要求，按GJB150A 规定，在保证每次太阳辐射总能量不变的前提下，我们可以将循环试验的上升段和下降段辐照度按8个量值分段施加。如图1，阴影部分作为等效的8个量值通过计算得出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，还需要考虑湿度和风速对装备的影响。因受试产品在使用环境湿度较小，对产品不会产生显著影响。所以，不考虑湿度。然而，受试产品所处环境却经常会伴随着一定的风。在经受太阳辐射的作用下，它会带走产品本身一定的热量，使产品响应温度降低。由于没有实测响应温度，因此，在进行太阳辐射（循环试验）试验前，首先在产品内表面贴装了温度传感器测量产品表面的最高响应温度，然后根据此温度来控制装备在进行光化学效应时的风速，以使产品表面的响应温度不超过测量的最高响应温度。

表3 光谱能量分布和允差

一般在其他太阳辐射应力条件确定的情况下，进行3次循环就可以使循环试验达到最高响应温度。而且该设备是属于长期贮存于户外，但会偶然在户外使用的设备，所以，我们将循环试验的试验时间定为3个循环，稳态试验的试验时间定为10个循环。

试验条件确定后，只需为这个环境试验项目确定试验顺序了。太阳辐射试验在试验顺序中一般不作限制，但是受试产品经过砂尘试验后，表面会产生尘土层或严重的磨损，造成受试产品表面粗糙度发生变化，会对太阳辐射试验的热效应产生明显的影响。为了不使砂尘试验对太阳辐射试验造成影响，所以需将砂尘试验放在太阳辐射之后。最终确定试验顺序：循环试验、稳态试验、吹尘试验、吹砂试验。

至此，该受试产品太阳辐射试验项目剪裁完成，我们就可以选择试验设备，开始试验实施了。

2.3 试验实施

我们对受试产品太阳辐射试验选用的试验设备为ACS公司生产的SR 3000MIL 太阳辐射试验箱，该设备在改造后能够满足GJB 150.7A-2009对试验设备的要求，且试验日期在其检定有效期内。试验实施前，首先按上述确定好的试验参数以及图1和图2对试验设备进行参数设置及试运行，使其能够满足循环试验和稳态试验的试验条件。

2.3.1 试验前准备

试验前准备步骤如下：

1）首先清洁装备表面。

2) 清洁后，将受试产品安装在试验箱靠近中间的有效容积内并使它在标准大气条件（温度：15 ℃～35℃，湿度：20 %～80 %）下稳定，其放置要求基本包括以下四点：①使受试产品模拟实际使用状态放置；②表面距箱壁不小于0.3 m；③试件距离辐射灯约为760 mm；④保持三组控制机箱之间最小间隔距离约为150 mm，使试验箱内空气流动均匀。具体情况详见图3。

3）对受试产品进行外观检查，并记录结果。

4）在受试产品外壳的内表面部位安装测定试件最高响应温度所需的温度传感器，并对响应温度实时记录。其安装方式为直接使用锡箔纸胶带进行粘贴。经实践证明，用锡箔纸胶带在进行太阳辐射试验时固定表面温度传感器比GJB 150.7A-2009中提到的铜-镍管的安装方式更为方便适用，且对受试产品表面影响较小。

5）对受试产品进行功能/性能检测，记录结果。关闭箱门，堵好引线孔，准备试验运行。

2.3.2 试验程序运行

1）太阳辐射（循环试验）试验：①手动升温30 ℃，同时启动温度传感器和试验箱的实时记录。图4为模拟试验的试验控制曲线记录；②达到后，按照上面已经设置好的循环试验参数进行试验。试验期间，在第三循环试验箱达到峰值温度为44 ℃时，开始对受试产品进行功能/性能检测；③试验结束后，打开箱门，让受试产品在试验的标准大气条件下保持，直至试件的温度达到稳定。同时我们也得到了温度传感器所测得的受试产品表面的最高响应温度，经过3个循环的测量，我们得到受试产品

表面的最高响应温度为82 ℃；④恢复结束后，在试验的标准大气条件下（温度：15～35 ℃，湿度：20 %～80 %）对受试产品进行外观和功能/性能检测，最终便可以得到该受试产品所经历循环试验的结果。

图3 产品实际放置状态

图4 循环试验控制曲线

图5 稳态试验控制曲线

2）太阳辐射（稳态试验）试验：①受试产品太阳辐射（循环试验）试验后直接转入太阳辐射（稳态试验）试验。在进行稳态试验时，我们还需要对受试产品试验准备做一个补充，就是为受试产品安装一个通风冷却系统，通过通风管对准受试产品外壳通一定量的风，使产品表面冷却降温，并适时调节风量和风的温度，以确保其响应温度不超过82 ℃；②按照上面已经设置好的稳态试验参数进行试验，同时启动温度传感器和试验箱的实时记录。图5为模拟试验的试验控制曲线记录。试验期间，在每次循环峰值温度为44 ℃，无辐射期间对受试产品进行功能/性能检测；③试验结束后，打开箱门，让受试产品在试验的标准大气条件下（温度：15～35 ℃，湿度：20 %～80 %）保持，直至试件的温度达到稳定；④恢复结束后，在试验的标准大气条件下对受试产品进行外观和功能/性能检测，最终便可以得出该产品经历稳态试验的结果。

3 体会

通过对GJB 150.7A-2009太阳辐射试验方法的研究、分析以及试验实践，能更清楚地认识到太阳辐射对产品的影响。GJB 150.7A-2009较GJB 150.7-1986内容更加完善，要求更加准确，模拟试验条件更加真实。通过对GJB 150.7A-2009太阳辐射试验方法在指挥系统上的剪裁应用，加深了我们对该方法的认识和理解，为我们今后更好地运用GJB 150A-2009开展太阳辐射试验打下了一定的基础。

参考文献：

[1]GJB 150.7A-2009.军用装备实验室环境试验方法第7部分：太阳辐射试验[S].

[2]GJB 150.1A-2009.军用装备实验室环境试验方法第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