技术领域
[0001] 本发明属于飞机环境适应性验证技术领域，尤其涉及一种临近空间飞行器密封结构环境试验设计方法。
相关背景技术
[0002] 临近空间飞行器长期在(20～100)Km范围内使用，主要受到低温(最低可达到‑100℃作用)、强紫外照射环境作用，飞行器密封胶、密封垫等密封结构材料很容易老化、失效，导致密封性能下降，影响到飞行器的寿命和安全，需要通过试验对密封结构环境适应性进行考核和验证。目前环境适应性考核和验证一般有两种方法，即自然环境试验和试验室加速环境试验。由于临近空间飞行器长期在极端环境条件下工作，尤其是低温环境条件，与地面自然环境条件相差较大，而且试验周期也过长；如果采用实验室模拟环境试验，目前实验室标准低温环境试验箱低温范围均不低于‑70℃，当温度低于‑70℃时需采用液氮试验箱进3
行，但液氮试验存在以下问题，一方面液氮试验箱有效容积较小，一般不大于1m，无法用于较大的结构件或数量较多试验件进行试验，另一方面，每次试验均需采购液氮，成本较高、操作不安全，且不易精确控温。
具体实施方式
[0021] 本发明是通过如下技术方案予以实现的。
[0022] 一种临近空间飞行器密封结构环境试验设计方法，以现有飞行器加速环境试验方法为基础，针对临近空间低温、辐射时间长等特点，给出了橡胶类密封结构加速环境试验模块参数的确定方法，以及加速环境试验与实际环境的关系。
[0023] 加速试验环境模块的确定
[0024] 针对临近空间的环境特点，考虑到飞行器密封结构主要受到太阳辐射和低温的作用，其中对密封材料老化影响比较大的，主要是太阳光谱中的紫外线照射，因此加速环境试验由2个模块构成，即紫外老化试验和低温试验。
[0025] 试验参数的确定
[0026] 1)紫外老化试验
[0027] a)温度条件
[0028] 取一般飞机加速腐蚀试验中的温度值为基准，即T＝55℃。考虑到相同时间内，临近空间太阳辐射量约是地面辐射量的2倍，如果临近空间飞行器长期在高空飞行，受到太阳辐射强度较一般飞机高数倍，加速试验时间过长，工程上难以接受。根据范霍夫(Van’t Hoff)规则和实际经验数据，通常温度每升高10℃，光老化反应速率约增加1倍。当飞行器单次在临近空间飞行时间较长时，可通过增加试验温度，减少试验时间。
[0029] b)紫外辐照强度
[0030] 与一般飞机紫外辐射试验参数相同，取紫外老化试验箱照射强度W＝(60±10)W/2
m。
[0031] c)紫外线照射时间的计算
[0032] 紫外线辐照时间t根据如下公式计算：
[0033]
[0034] 式中：
[0035] QZ——试验件1年接受到的紫外线辐照量。
[0036] W——紫外线辐射试验箱的辐射强度。
[0037] 2)低温试验
[0038] 低温主要是会对密封胶等橡胶类材料产生永久变形，根据试验测试，在低温环境20h范围内，材料永久变形率会随着时间呈线性增加，温度越低，材料变形率增加越快，每降低10℃，变形率会增加一倍，但低温环境20h后材料永久变形率会趋于恒定。因此虽然临近空间最低温度可达到约‑100℃，但如果在极端低温区(‑70℃～‑120℃)时间较短(10小时以内)，可以通过提高温度(如设为‑70℃)并延长低温试验时间的方式，实现实际低温条件对材料的影响。
[0039] 经测试，当温度在‑20℃～120℃区间，且温度作用时间为20h以内时，橡胶密封材料永久变形率与时间成正比，且在相同时间内，温度每降低10℃橡胶密封材料永久变形率会增加一倍，因此当橡胶密封材料环境温度低于‑70℃，且单次低温作用时间较短时，可将实验室试验温度值控制在‑70℃～‑50℃，相应试验时间需要延长，但前提时最终单次试验时间应在20h以内。
[0040] 当环境温度高于‑70℃，可按实际环境温度进行试验。
[0041] 由于橡胶类材料在低温下超过20h，材料永久变形率趋于恒定，因此低温试验时间可以设置为不超过20h。
[0042] 通过循环试验模拟飞行器实际服役历程：
[0043] 为模拟橡胶密封材料在紫外老化、低温环境耦合作用对材料性能衰减过程，通过加速循环试验的方式进行试验，一个循环相当于飞行器在临近空间工作1年。
[0044] 实施例
[0045] 以某型临近空间飞行器上表面密封结构加速环境试验方法的制定为例。
[0046] 某型临近空间飞行器每天一个周期，在20Km～30Km高度之间飞行，其中在高度20Km时达到极值低温‑80℃并持续2h，高度为30Km时温度为‑36℃并持续22h，加速环境试验方法具体制定方案如下：
[0047] 1)紫外老化试验
[0048] a)紫外辐照强度
[0049] 取紫外老化试验箱照射强度W＝(60±10)W/m2。
[0050] b)紫外线照射时间及试验温度
[0051] 飞行器活动区域年太阳辐射量为Q＝12000MJ/m2，每年飞行1次，持续时间为3个2
月，即Q'＝12000/4＝3000MJ/m ，保守取紫外辐射量占太阳总辐射量的比例为δ＝6.53％，则：
[0052] QZ‑Q×δ‑19.05MJ/m2
[0053] 则飞行器上表面部位紫外照射时间为：
[0054]
[0055] 取一般飞机加速腐蚀试验中的温度值为基准，即T＝55℃，为缩短紫外照射试验时间，试验温度增加10℃，光老化反应速率可增加1倍，则试验温度设为65℃，试验时间保守取19天，相当于临近空间飞行器密封结构实际服役1年。
[0056] 2)低温试验
[0057] a)试验温度
[0058] 根据实验室一般标准低温环境箱温度范围的最低值，取试验温度为‑70℃。
[0059] b)试验时间
[0060] 飞行器每天在‑80℃状态下要持续2h，根据橡胶密封材料温度与材料永久变形率的关系，即温度每降低10℃橡胶密封材料永久变形率会增加一倍，当试验温度设定到‑70℃时，低温试验时间设为4h，可表征‑80℃低温对橡胶密封材料的影响。
[0061] 飞行器每天在‑36℃并持续22h，考虑到‑36℃状态下单次飞行持续时间超过20h后材料永久变形率即趋于恒定，因此可设定为‑36℃，保守取试验时间为22h。
[0062] c)临近空间飞行器密封结构循环试验方法
[0063] 通过加速循环试验的方式进行试验，一个循环相当于飞行器在临近空间工作1年。
[0064] 本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包括这些改动和变形在内。
