ｎｖｉｒｏｎｍｅｎ ｔａｌＡｄａＰｔａｂｉｌｉ哆ｌ环境适应性和可靠性—■ 高原气候环境对装备影响及适应性措施 王坚，王保贵，张晨，方洪俊 （北京跟踪与通信技术研究所，北京 １０００９４） 摘要：高原地区因地势高而使其自然气候极为特殊复杂，骤变的气候环境易使装备出现“水土不服”的现象，因此高 原环境对装备环境适应性提出了更高要求。本文根据高原气候特点以及装备结构组成，从机械系统、动力系统、光学 系统、液压系统、电子系统、调温系统、供水系统和装备材料等方面，对高原气候对装备的影响情况进行了分析，有 针对性地提出了装备高原环境适应性解决措施，此基础上对加强装备环境适应性提出了建议。 关键词：高原环境；装备；影响；环境适应性 中图分类号：Ｅ９１７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—７２０４（２０１３）０６—００２５—０４ Ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｎ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｐｌａｔｅａｕ Ｃｌｉｍａｔｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｎ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ肋ｒｔｈｉｎｅｓｓ ＷＡＮＧ Ｊｉａｎ，ＷＡＮＧ Ｂａｏ—ｇｕｉ，ＺＨＡＮＧ Ｃｈｅｎ，ＦＡＮＧ Ｈｏｎｇ—ｊｕｎ （ＢｅｉＪｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００９４） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｌｉｍａｔｉｃ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｐｌａｔｅａｕ ｉｓ ｖｅｒｙ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｐｌａｉｎ．Ｉｔｓ ｓｐｅｃｉａｌ ｃｌｉｍａｔｉｃ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ＳＯ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄｓ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ ｂｅｃｏｍｅ ｈｉｇｈｅｒ． Ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｐｌａｔｅａｕ ｃｌｉｍａｔｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎｄ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ｔｈｉＳ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｐｌａｔｅａｕ ｅｌｉｍａｔｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｓｙｓｔｅｍ，ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ，ｏｐｔｉｃｓ ｓｙｓｔｅｍ，ｈｙｄｒａｕｌｉｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍ，ｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａ１．Ｉｔ ｐｕｔＳ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ，ａｔ ｌａｓｔ ｓｕｇｇｅｓｔ ｉｏｎｓ ｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｅｎｖｉｒＯｎｍｅｎｔａｌ ｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｌａｔｅａｕ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ；ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ 引言 环境适应性是装备的重要质量特性，直接关系到装 备在作战环境条件下的生存能力，装备的环境适应性是 制约装备性能发挥的重要因素之一 。 主要涉及中国和南美的玻利维亚、智利等国家，因此开 展高原环境对装备影响研究的国家较少。从当前公开发 表的文献分析，国外开展高原气候环境对装备运行特性 研究主要集中在车辆方面，通过模拟和高原实际考核， 获得车辆性能随海拔高度的变化规律。 由于我国高原海拔高且广的特殊地理特点，我国成 立专门的机构从事高原环境适应性研究，如兵器装备集 我国是世界上高原海拔最高，分布最广的国家。高 原地区因地势高而使其自然气候极为特殊复杂，骤变的 气候环境易使装备出现“水土不服”的现象，因此高原 环境对装备环境适应性提出了更高要求。开展装备高原 环境适应性研究，对于有效实施高原环境下装备质量考 核具有重要意义。 团５９所和电子科技集团５所等，５９所还在高原建立了 研究中心，开展高原对装备影响方面的研究，但是上述 单位主要开展高原大气环境对器件腐蚀规律以及材料的 老化机理研究。 世界上大量国土处于海拔３０００ｍ以上的国家很少， Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ·Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０１ ３ ２５ 一 ｎｖｉｒｏｎｍｅｎ．ｔａｌＡｄａｐｔａｂｉｌｉ ｌ环境适应性和可靠性 本文在详细分析国内外高原环境对车辆、元器件和 材料等相关研究成果的基础上，根据高原气候特点以及 装备结构组成，从机械系统、动力系统、光学系统、液 压系统、电子系统、调温系统、供水系统和装备材料等 方面，对高原气候对装备的影响情况进行了分析，有针 对性地提出了装备高原环境适应性的解决措施，此基础 上对加强装备环境适应性提出了建议。 １我国高原分布及其气候特点 １ １我国高原基本分布 我国地势为西高东低分布，按照从高到低顺序可以 分成三级阶梯：最高一级阶梯为著名的世界屋脊青藏高 原，平均海拔在３０００ｍ以上；第二级阶梯为西北高原 和云贵川等高原，高度在ｌＯ００ｍ至３０００ｍ；第三阶梯 为ｌＯ００ｍ以下的丘陵和平原地带。根据上述地势，我国 高原可分为四种类型：一是内蒙古高原，海拔为ｌＯ００ｍ 左右，主要分布在内蒙古地区；二是黄土高原，海拔为 １５００ｍ左右，主要分布在陕北、宁夏和甘肃；三是云贵 高原，海拔多为１５００ｍ～２０００ｍ，主要分布在云南、贵州； 四是世界上海拔最高的青藏高原，海拔多为４０００ｍ以上， 位于我国西南部和西部，包括、青海以及四川、甘 肃和等省边沿的－－ｉＩ，部分。由于以为主体的青 藏高原是我国乃至世界上最具代表性的高原，独特的气 候环境对装备的高原适应性影响最具代表性和概括性， 我们在这里分析的高原环境主要指指海拔多为４０００ｍ以 上的青藏高原。 １．２高原气候特点 高原因地势高而使其自然气候极为特殊复杂，其气 候特点可总结为：大气压力下降、空气密度减少、含氧 量降低；平均气温低、昼夜温差大、年低温期长；气候 干燥、降水量低、蒸发量高、日照辐射强、风沙大等。 高原典型大气参数变化规律可概括为：海拔每升高 ｌＯ００ｍ，大气压力则下降９％，空气密度下降为６％～ １０％，含氧量下降１０％，大气温度下降６．５℃，太阳直 接辐射强度增加约５４ｗ／ｍ ，风压下降９％，沙尘量大； ２６ ２０１ ３年１ ２月·环境技术 海拔越高，年低温期也越长，海拔４０００ｍ以上的地区为 常年固定冷区，年平均气温在一４℃以下，冷期大于５ 个月；昼夜温差越大，日温差可高达３０℃，极端最低气 温低达一２７℃～一４５℃。 ２高原环境对装备影响及针对性措施 按照装备组成和结构功能划分，装备可分解为动力 系统、液压系统、电气系统、无线电系统、光学系统、 机械系统、调温系统和供水系统。逐一分析了高原环境 对各系统和装备材料的影响，提出了提高装备高原环境 适应性的措施。 ２．１高原环境对动力系统影响及针对性措施 随着海拔高度增加，车辆发动机性能急剧恶化，主 要原因是海拔升高后，大气压力下降，空气密度降低， 发动机充气量减少，在柴油喷入气缸时，气缸内的温度、 压力较低，柴油燃烧所需时间延长，从而导致柴油机工 作粗暴，发动机功率下降，燃料消耗量增加；发动机气 缸内缺氧，混和气过浓，燃油消耗量进一步增加，排放 恶化；低温使机油和柴油黏度增加，蓄电池输出功率下 降，发动机启动困难；高原环境干燥多风，空气中含沙 尘量大，沙尘颗粒透过滤清器在柴油机运动机件的摩擦 表面之间形成磨料，加剧零件磨损，降低发动机使用寿 命【２】ｃ 针对上述高原环境对动力系统的影响，针对性解决 措施为：采用功率恢复型增压技术，在一定海拔高度条 件下，使发动机功率、经济指标和热负荷指标恢复到原 机低海拔标定水平；采用先进的热平衡技术，对冷却系 统进行优化配置；采用低温辅助启动措施提高发动机低 温环境条件下的启动性能；采用特殊防护措施提高空气 滤清器效率；合理选用密封件以及橡胶件，提高密封性 能 ｌ【５ｌ Ｉ】『７＿。 ２．２高原环境对液压系统影响及针对性措施 在高原环境下，液压系统与发动机匹配性变差，液 压缸、液压马达的动作随海拔高度增加而变得趋于迟缓； 高原气压低，液压油箱内压力不足，加上起动时液压油 ｎｖｉｒｏｎｍｅｎ ｔａｌＡｄａｐｔａｂｉｌｉｔ），Ｉ 环境适应性和可靠性—● 粘度大，液压油泵吸油性能下降。高原环境沙尘大，沙 尘进入液压系统加速各元件的磨损，导致液压系统漏油， 特别严重的是它们进入到节流缝隙和小孔，很可能会引 起堵塞，从而导致液压系统出现功能障碍，严重影响装 备的正常使用。 针对上述高原环境对液压系统的影响，针对性解决 措施为：需要综合考虑热平衡、液压油、液压油箱、密 封件及液压等方面。当液压系统功率大、效率低， 液压系统要考虑安装散热器；液压油选用黏温性好的抗 磨液压油；液压油箱除考虑散热、防尘等因素，还要考 虑吸油能力；选用耐低温、抗老化的密封件，保证液压 系统具有良好的密封性。 ２．３高原环境对电气系统影响及针对性措施 在正常大气条件下，空气是较好的绝缘介质，但在 高海拔地区使用时，由于大气压降低，空气密度降低和 离子迁移能力变化，空气介电强度显著降低，在电场较 强的电机附近易出现电弧、表面放电或电晕放电等现象， 从而影响器件的功能和特性，严重时会发生空气间隙击 穿，导致设备故障或损伤；高原昼夜温差大，受到热胀 冷缩影响，产品密封不易保持，密封材料老化快，容易 漏液；昼夜温差大和低温，使得仪表线性原件特性发生 线性变化，仪表零点漂移严重，精度下降；高原太阳辐 射强，对高分子材料破坏大，能够切断高分子材料的化 学键，加速有机材料老化高原空气干燥，容易产生静电， 导致电子产品不能正常工作，甚至烧毁 。 针对上述高原环境对电气系统的影响，针对性解决 措施为：设备要有可靠的防击穿和灭弧措施；对电子器 件进行筛选，严格选用满足高原环境要求的开关、接插 件和电线保护套；采用灌封措施、密封设计和软胶电线、 防尘接插件；选用耐低温、防紫外线材料。 ２．４高原环境对无线电系统影响及针对性措施 低气压环境导致电晕电压降低，外绝缘电气强度也 随之降低；低温引起物理性收缩，导致密封圈和衬垫失 效，使发射机水冷系统的连接漏水，波导漏气打火，天 线转台润滑剂粘度增大，运动部件机械强度降低，导致 运动部件磨损加剧 。 针对上述高原环境对无线电系统的影响，针对性解 决措施为：对于使用行波管的发射机，将大功率高压组 件密封在油箱内，采用硅油绝缘、辅助散热和耐低气压 的高压连接器，小功率高压组件密封在充气箱体内，提 高其工作环境气压，采取整体灌胶密封方式绝缘，其它 低压组件采用局部涂胶的绝缘方法。对于采用固态有源 功放的发射机，需对相关低压组件的绝缘措施进行进一 步处理，如采取灌胶密封措施，增加其绝缘距离，同时 选用满足高原环境温度条件的功放组件。伺服装置需对 汇流环的绝缘材料进行重新调整，并采用航空级的润滑 油满足恶劣的温度环境。 ２．５高原环境对光学系统影响及针对性措施 高原气压低、昼夜温差变化大，易引起激光器谐振 腔发生变形，造成激光器出光不稳；低温和低气压的综 合使光学镜头曲率变化，气密性降低，进而影响其成像 质量；强辐射和强风沙使设备使用寿命下降。 针对上述高原环境对光学系统的影响，针对性解决 措施为：针对激光器出光不稳问题，一是选用大稳区的 ＶＲＭ腔型设计，并选用角锥镜代替平面全反射镜；二 是选用强度好、变形较小的机械件材质，减小应力变化 影响；三是采用抽真空、充氮气密封，防止光学系统冷 凝结水；四是在激光器装调前测试、弥补校正系统误差。 针对温差快速变化对成像质量影响，采用自适应热设计 方法：一是选用合适的光学材质；二是改进光学设计， 增加非球面光学镜片数目，减小高低温带来的离焦效应； 三是采用机械校正方法进行离焦量补偿。为了减少强辐 射、强风沙对设备使用寿命的影响，对光学镜头镀金刚 膜等膜层，既可防止紫外透过，又可保护光学系统不被 风沙损坏。 ２．６高原环境对机械系统影响及针对性措施 针对低温对机械设备的影响主要是转动环节和与转 动相关的狭缝，因结冰引起无法动作。 可采用以下措施予以解决：一是对轴承、电机等机 械部件贴加热膜等耐低温控制；二是对机械表面进行温 Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ·Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０１ ３ ２７ 一 ｎｖｉｒｏｎｍｅｎ，ｔａｌＡｄ叩ｔａｂｉｌｉ哆Ｉ环境适应性和可靠性 控，减少温度、湿度变化引起的水汽凝结；三是对转动 狭缝涂覆“ 。 ２．７高原环境对装备调温系统影响及针对·Ｉ生措施 调温系统的主要功能是调节装备正常工作温度，使 驾驶人员工作的舒适性及必要的热能利用等提高。当前 装备的调温系统以空气为介质进行热量输送，由于高原 空气稀薄，热传导性下降，使得凋温系统的制冷、制热 效率下降。针对性解决措施为：在不同海拔环境条件下， 使得调温系统的制冷量和制热量满足国家标准规定，其 工作能力不低于产品相应标准的规定。 ２．８高原环境对装备供水系统影响及针对性措施 在高原环境条件下，确定水泵安装高度为供水系统 管道离心泵的安装关键技术。这个高度主要是指水面到 叶轮中心线的垂直距离，它与允许吸上真空高度不能不 是同一个概念，水泵产品说明书标示的允许吸上真空高 度是指水泵进水口断面上的真空值，而且在１个标准大 气压、水温２０℃情况下进行测定的。它并没有考虑吸 水管道配套以后的水流状况和不同海拔高度大气状况的 影响。在高海拔条件下，要根据装备所处的海拔高度值， 对水泵的吸程进行数据修正。 ２．ｇ高原环境对装备材料影响及针对性措施 与平原相比，高原１３照充足、紫外线辐射强烈，昼 夜温差大，会使材料产生老化反应和物理化学反应，使 外露橡胶件更易于老化、失效速度加快、绝缘损坏等； 油漆易起包、脱落。低温易使暴露在空气中无热源的金 属和非金属零部件产生冷脆现象，装备在储存、运输和 使用过程中，其结构件易因材料的低温脆性而损坏，影 响工作的可靠性。 针对上述高原环境对材料的影响，针对性解决措施 为：选用材料应具有较强的抗热辐射、抗紫外线能力， 符合高原使用条件的可靠性和寿命要求；选用抗寒能力 强、结构性能稳定的材料或采取必要的防护措施，以满 足高原环境极端低温条件下正常工作的要求。 ２８ ２０１３年１ ２月·环境技术 ３结束语 通过高原气候环境对装备影响的分析结果可以看出， 高原气候环境对装备性能影响显著，需要特别强调指出， 对装备的影响有单一环境因素，但更主要表现为综合效 应的叠加，实际出现的问题可能更加复杂，随着各类装 备在高原的普遍应用，在装备设计、研制过程中必须充 分考虑高原环境适应性问题。加强装备高原环境适应性 的途径，主要为以下三个方面： １）加强装备环境适应性研究方法、测试技术、评价 技术等基础理论研究和技术攻关，进一步推动高原环境 适应性技术的进步和发展。 ２）制定和完善相关装备高原环境标准体系，明确各 系统在高原环境条件下的技术要求，为装备的研制、试验、 定型、生产和使用提供依据。 ３）加强装备高原适应性试验考核，将环境适应性试 验贯穿于装备设计、研制、生产的全过程，通过环境试验， 充分暴露装备存在的环境适应性问题并及时加以解决。 参考文献 …１于衍华．武器装备环境适应性论证【Ｍ】．北京：国防工业出版社， ２００７：１４９—１７３ ［２Ｊ许翔，周广猛，郑智等．高原环境对保障装备的影响及适应性研 究．装备环境工程【Ｊ】，２０１０，７（５）：１００．－１０３． 【３］张志强，灵，韩志强等高原环境对军用柴油机的影响分析 及对策［Ｊ】．装备环境工程，２００９，６（２）：２７－３１． 【４】冯辉生，程晓青，李青．高原环境对柴油发电机组性能的影响及 其对策措施【Ｊ］．环境技术，１９９９，６：７－１２． 【５】张家玺．高原环境对车用柴油机使用性能影响分析［Ｊ］．车用发动 机，２００３，４：５Ｉ一５２． ［６孙崎，张云飞６】工程机械用柴油机高原运行性能的研究【Ｊ】内燃 机工程，２００１，２２（２）：３４—４０． ［７］张云飞发动机高原性能研究现状与展望【Ｊ】．内燃机与配件， ２０１２（０７）：３１—３５ 【８１张家玺．高原环境对风电变流器的影响［Ｊ］．电气制造，２０１２（６）： ３８—３９． 【９］高秉亚．雷达的高原适应性问题［Ｊ］．现代电子，２００２（Ｉ）：５８— ６２． 【１０】张成斌．青藏高原环境对工程机械性能的影响及对策【Ｊ】．科技情 报开发与经济，２ｏ０３，１３（８）：Ｉ４８—１４９． 作者简介 王坚（Ｉ９７５－），男．硕士．工程师，主要研究为常规兵器测试。
