DO-160G 與GJB 150A 沖擊試驗對比分析

龔偉建，張海英，于明明

（中國航空工業集團公司金城南京機電液壓工程研究中心，南京 211106）

引言

目前，我國某些機型的機載設備有兼顧軍機民用的需求，這些設備的環境試驗大綱要求按照GJB 150A-2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》與RTCA/DO-160G《機載設備環境條件和試驗方法》兩個標準進行試驗，然而GJB 150A 與DO-160G 對沖擊試驗有著不同的試驗標準要求?；诖爽F狀，探討GJB 150.18A 與RTCA/DO-160G 第7 章沖擊試驗的差異，深入分析沖擊試驗的兩個標準的各自特點和實施細則，對于指導軍機民用機載設備設計具有十分重要的現實意義。

1 軍機與民機的環境試驗標準介紹

環境試驗是人們進行科學研究和產品研制、生產及評價時應用的眾多試驗中的一種[1]。沖擊試驗它是指在極其短暫的時間內給被試產品施加一個高量級的外力脈沖，從而評估其在儲存、運輸、使用的壽命周期內對沖擊環境的適應性和耐受程度。對于機載產品而言，沖擊試驗是驗證其性能指標的重要手段之一，作為環境試驗中的重要一環，不同的標準對沖擊試驗的規定也各不相同。

就軍機的機載產品而言，沖擊試驗環境試驗標準主要依據GJB 150A《軍用裝備實驗室環境試驗方法》。該標準是我國軍品研制生產中最重要、應用最為廣泛的試驗標準。

對于民機的機載產品而言，環境試驗標準主要依據RTCA/DO-160G《機載設備環境條件和試驗方法》。

2 GJB 150A 與DO-160G 沖擊試驗差異性分析

軍機沖擊試驗環境試驗標準為：GJB 150.18A-2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第18 部分：沖擊試驗》，下面簡稱GJB 150.18A；民機沖擊環境試驗標準為：RTCA/DO-160G《機載設備環境條件和試驗程序 第7 章 工作沖擊和墜撞安全》，下面簡稱DO-160G 第7 章。GJB 150.18A 包含八個試驗程序，它們分別是功能性能沖擊、需包裝的裝備、易損性、運輸跌落、墜撞安全、工作臺操作、鐵路撞擊和彈射起飛和攔阻著陸。DO-160G 第7 章包含工作沖擊和墜撞安全。本篇文章僅對兩個標準的相同部分進行對比分析。即GJB 150.18A 的功能性能沖擊與DO-160G 第7 章的工作沖擊兩兩對比，GJB 150.18A 的墜撞安全沖擊與DO-160G 第7 章的墜撞沖擊兩兩對比。

2.1 標準內容分析

GJB 150.18A 中給予了兩種沖擊選擇，一是使用沖擊響應譜進行試驗，這也是推薦的沖擊方法，另外一種是使用經典沖擊脈沖進行試驗。選擇經典沖擊脈沖的要求為：其實測數據在經典沖擊脈沖的允差之內，否則不予采用[2]。而DO-160G 第7 章中同樣給予了兩種沖擊選擇，分別是沖擊響應譜和經典沖擊脈沖。兩者具體異同詳見表1、表2[2,3]。

表1 GJB 150.18A 與DO-160G 第7 章經典沖擊脈沖對比

表2 GJB 150.18A 與DO-160G 第7 章沖擊響應譜SRS 對比

DO-160G 第7 章中規定：如果要進行墜撞安全試驗，那么沖擊試驗程序和持續載荷試驗程序都應進行[3]。這是跟GJB 150.18A 又一不同之處。

此外GJB 150.18A 中沒有類似DO-160G 第7 章中持續載荷的內容。因此將DO-160G 第7 章中持續載荷的內容與GJB 150.15A 的加速度作對比，兩者的異同點可以見表3[2,3]。

表3 GJB 150.15A 墜撞安全加速度與DO-160G 第7 章持續載荷

對比試驗標準，民機的持續載荷與軍機的墜撞安全加速度類似，兩者最大的差異一是體現在加速度方向的不同，DO-160G 中規定試驗量級方向為載荷方向，是飛機的主正交軸方向，若使用離心機進行持續載荷試驗，則安裝的方向為沿徑向遠離離心機的旋轉軸心，載荷方向是與加速度方向為兩個不同的概念。GJB 150.15A 中加速度方向是沿徑向指向離心機的旋轉軸心，即載荷方向向外，加速度方向指向離心機中心。

第二點是試驗時長不同，民機標準要求至少3 s，軍機標準要求至少1min。這是兩個標準的又一顯著差異之處。

2.2 差異總結

總的來說，兩標準區別如下：

1）試驗程序選擇優先級不同

軍機標準優先使用實測數據確定試驗條件，沒有實測數據時，優先選用標準推薦的沖擊響應譜作為試驗條件。軍機標準對使用經典沖擊脈沖有著嚴格要求，即：如果不能證明外場沖擊環境近似于經典沖擊脈沖，一般不可使用經典沖擊脈沖[2]。

相對比之下，民機標準直接給出經典沖擊脈沖要求，雖然民機標準亦有可使用等效的沖擊響應譜進行試驗的描述，但他對沖擊響應譜并無詳細說明，并不像GJB 150.18A 中給出推薦的沖擊響應譜。

2）經典沖擊脈沖區別

在經典沖擊脈沖試驗中兩個標準在1、脈沖持續時間2、試驗量值3、墜撞安全沖擊次數等三個方面有很大差異。兩者最顯著的差異就是在脈沖持續時間上。在2.3節我們將會做詳細分析。

3）墜撞安全試驗區別

民機標準規定了墜撞安全試驗中沖擊試驗程序和持續載荷試驗程序必須同時進行。而軍機標準在墜撞安全試驗中只需要進行沖擊試驗程序。

2.3 軍民機沖擊試驗中經典沖擊脈沖寬度分析

對比兩者標準，民機標準對脈沖持續時間有著詳細的分類標準，即通過產品的最低共振頻率來確定，根據物體的固有頻率計算公式：

式中：

k—物體的剛度系數；

m—物體的重量，當產品的剛度系數一定時，產品重量越大，其固有頻率越低。

又根據頻率與周期之間的關系式：

得到固有頻率高的產品，適合選用脈沖寬度短的試驗條件，因此就不難理解160 G 中所規定的脈沖持續時間：按最低共振頻率確定，標準脈沖11 ms，另外一個為低頻20 ms 的脈沖，對于最低共振頻率低于100 Hz 的設備，選用持續時間為100 ms 的脈寬。

在軍機標準中，對于飛行器設備，只給了一個脈沖寬度11 ms，這是因為大多數產品一階固有頻率均在49 Hz 左右，根據環境試驗的極值原理，故取11 ms。

但隨著現階段軍機產品結構愈加復雜，一階固有頻率是否在49 Hz 左右則需要進行驗證，因此軍機標準中的11 ms 脈沖寬度可能不適用于某些特殊產品，因此帶來此脈沖寬度不能模擬機上實際情況的問題。筆者認為能否在即將頒布的GJB 150B 中提出GJB 150.18A 中經典沖擊脈沖寬度只有11 ms 的問題。

對比這兩種標準，各有優劣。民機的標準中，由于脈沖帶寬需要根據產品的最低共振頻率來確定，更具科學性。軍機的標準中，脈沖帶寬只有一種選擇，在可操作性上來講，比民機標準更有優勢。

現階段在進行民機的沖擊試驗時，有的產品最低共振頻率小于100 Hz，根據標準要求，此時就需要選擇100 ms 的脈沖寬度進行試驗，但是目前國內沒有能夠進行100 ms 的沖擊試驗設備，此時提出一種解決思路，能否使用其他脈沖的脈沖寬度，脈沖量值來替換100 ms 的沖擊呢？

3 展望

1）針對民機標準中要求：最低共振頻率小于100 Hz時需要選擇100 ms 的脈沖寬度進行沖擊試驗，提出兩種解決思路：①利用等效技術即：將大的脈沖寬度轉換成小的脈沖寬度進行試驗。由于試驗樣品的損傷及故障與它受激勵下產生的最大應力直接相關，在試驗室對試驗樣品進行沖擊試驗時，應使試驗樣品造成的損傷及故障與沖擊環境的影響相當，稱之為等效損傷模擬[4]。因此，可以以沖擊響應譜作為沖擊試驗依據，用最大相應加速度相等來實現的等效關系。該方法是否可以通過仿真分析加試驗驗證的手段去進行評價②研發新型的沖擊試驗設備，盡可能滿足試件的高量值大脈寬沖擊試驗，這是今后的又一解決辦法。

2）對于軍機民用的機載產品，就沖擊試驗而言，筆者認為需要分以下幾種情況去安排補充試驗：

①對于最低共振頻率為低頻的產品：目前試驗室對民機標準中低頻段的定義為（100~500）Hz，即對于最低共振頻率為（100~500）Hz 的產品，按20 ms 沖擊寬度進行試驗；

②對于最低共振頻率大于500 Hz 的產品：直接采信軍機試驗結果，若有墜撞安全試驗，則增加持續載荷試驗即可；

③對于最低共振頻率小于100 Hz 的產品：若有實測數據，可使用等效的沖擊響應譜進行試驗，若無實測數據，則需要利用等效技術進行試驗。

4 總結

本文總結了軍機、民機標準的沖擊試驗中的具體差異，對軍民機標準中規定的脈沖帶寬作了分析，并對機載產品軍轉民用提供了思路。對于目前越來越多的軍機民用產品，應盡快將軍機、民機標準試驗方法作差異總結，為相關從業人員提供參考和指導。