环境试验设备的起源

1、麦金莱环境试验
    驱车从亚特兰大市出发沿美国南方高速公路行程约 6个小时，便来到了被人们视为“神秘王国”的佛罗里达—— 坦帕湾*基地。倘若不是亲眼看到时而掠过头顶的一架架战斗机，你绝不会相信这片绿茵环抱的地方竟是一座庞大的军事基地。这里有一处不曾为世人所知的秘密实验室。美国诸军兵种*的许多新型武器装备，都是从这里经过特殊的“考核”，才走向战场发挥效能的。这个实验室，就是神秘的“麦金莱气候实验室。”
2、50年风雨结硕果
　　第二次世界大战中，由于德国人充分认识到环境条件可以作为一种作战武器来使用的重要性，使得德国*在波兰、北非战场上使用的环境武器作战效果十分明显。同时加上战场多变的气象条件，如雨、雪、风、电（雷）等，对*作战武器装备带来了较大的影响，于是美国人就对气象条件对*武器装备和*作战行动的影响及人员适应环境的能力等做深入细致的研究。并于1949年在其佛罗里达的*基地建立了“麦金莱气候实验室”。实验室可以通过对各种气候、天象条件的模拟，试验和检验环境武器的战场效果及现行武器装备的战斗性能，训练特种*在各种复杂气候条件下实施全天候作战的能力。
　　到目前为止，这个实验室已经接纳了美国*、*、*和**战队400余架各类飞机、70多个导弹系统、2600多种军事装备的气候条件适应性试验，为不断改良和提高武器装备性能获取大量的科学数据。同时，实验室还研制了十余种用于现代战争战场的环境武器，有利地配合了美军海外*的作战行动。
3、30多种气候、天象条件在这里*
　“麦金莱气候实验室”，占地面积近30平方公里，目前已成功地组建了8个大型气候工作间，这些功能各异、设备先进的工作室可以对30多种气候环境、天象条件进行研究和模拟。如“雨实验室”每小时可下15英寸的暴雨，并能下雪和结冰；“风实验室”，从风平浪静到刮起30米／秒的飓风，所用时间不到3分钟；“气温实验室”，可以使室内温度从摄氏80度迅速降至零下40度；在“雷（电）实验室”里，刚才还是晴空*、微风和煦，转眼之间就已乌云密布、电闪雷鸣；“沙漠实验室”，则装有140盏高能太阳灯，在灼热的灯光照耀下，室内温度与非洲沙漠正午时的闷热别无两样。而zui大的实验室要属“海洋实验室”。
　“海洋实验室”仅水面面积就达 6平方公里，zui深处有15米，水温、海上风浪可以自行调节。由于“麦金莱气候实验室”具备*的“自然”条件和得天独厚的人工气象调节功能，这些年来，美国大约有55％的武器装备都曾经做过它的“考生”，它也成为美军名符其实的先进作战武器和特种作战*迈向战场的*位“考核官”。
4、环境武器从实验室走向战场
　开发环境武器是“麦金莱气候实验室”的主要任务之一，美军目前所使用的90％以上的环境武器都是经它研制成功并使用于现代战争战场的。由于环境武器具有作战效益高、威力大、隐蔽性好的特点，而被各国的军事专家逐渐发展为系统开发和利用。美国环境武器开发是60年代以后的事情。
　他们主要是利用云和大气中微粒的不稳定性的特点，向云层、潮湿的空气中播撒有关的化学物质或利用物理手段人为地改变气候、天象条件，有针对性地制造不同状态的战场环境来达到预期的作战目的。如播撒碘化银、干冰等催化剂，形成降雨、降雪，还可以在此基础上，增加云团的对流，使云团中的冰粒在上下对流过程中不断增大，进而形成冰雹；通过播撒气溶胶或燃烧红磷的方法，制造雾或人工造云、消云；通过物理方法在云体中、两块云体间或云体与大地之间，制造、诱发闪电或改变闪电的强度；通过开辟“紫外线窗口”，即对大气层中臭氧层的破坏，改变大气中臭氧的浓度，将臭氧层“贯穿”，使太阳的紫外线直接照射到地面，形成干旱或沙漠。
　此外，还可以利用大地本身的不稳定性，用物理或化学方法激发大量的能量，产生人造海啸、雪崩、改变河道或航道、引爆火山、改变高层大气物理结构等等。
　如1071年初，美军在越南战场为掐断北越的运输供给线，利用西南季风的有利条件，在局部战场大量地投放碘化银战剂，实施大规模的人工降雨，造成每小时降雨量达80毫米的特大暴雨，导致位于的补给长廊——“胡志明小道”受损极大。在未实施人工降雨时，补给线是通常每周可通行9000辆汽车，运送大约35000吨的战备物资，而在实施人工降雨后，每周只能通过900辆，物资运送降到2000吨左右，使越南*的战争保障受到严重打击。
　由于“麦金莱气候实验室”的特殊环境，美军一直把这里当做特种*训练的主要场所。其特种*的队员通常是在系统地学习了战场生存的理论知识后才可以进入“气候实验室”训练的，一般4天为一个周期，每次训练大约需要2～3个周期。
　实验室为队员们提供了类似热带雨林、非洲沙漠、冰雪极地、高原低氧、海上生存等各种特殊或常见的气候条件，并配置与气候条件相适应的各种动、植物，供队员进行适应性训练。训练中，队员往往有时不得不面对长时间的“烈日”似火暴晒而得不到一滴水喝的现实，转眼间却又倾盆大雨迎头而下，一个个又成了名符其实的“落汤鸡”；刚才还是风调雨顺，突然间变得电闪雷鸣；队员们置身于毒蛇猛兽经常出没的森林中，既要时时提防它们的野性攻击，又要想方设法以此充饥裹腹。
　在“海洋实验室”里，队员被*四肢后投入海水中，他们要学会在海中自行解脱而不被淹死的技能，有时则要求队员长时间浸泡在冰冷的水中直到身体冻僵为止。更令队员们难以忍受的是：在实验室里连续数日不睡觉、不进食，当他们“弹尽粮绝” 时，却又陷入“敌军”的重重包围，而你又必须杀出重围获得生存。经过几个周期“气候实验室”训练下来，特种*的队员们都如死过一次一样，面对重新获得的新生，连喜极而泣的力气都没有了。难怪队员们都说： “这里比战场还真实、还艰苦，绝不想第二次再来这里。”
　气候实验室的“表现”，让美军尝到了甜头。为此，美军决定进一步加大对实验室的投资，使其成为美国发动战争机器的一个重要组成部分。雨、雪、热和黑夜都无法挡住这些敏捷的信使去完成它们的预定任务。”
  这段语录来自第五世纪希腊的历史学家Herodotus，并且多年来已成为美国邮政服务机构的非正式标语。但它同时也是*麦金利气候实验室的座右铭。除“黑夜”之外，——实验室里的灯大部分时间都开着，这段语录能够概括坐落在佛罗里达走廊的综合试验中心所做的一切。
  在二战期间构思，于1949年建成，并且在后来50多年里被大规模革新的麦金利气候实验室能创造地球上存在的几乎所有气候条件，两个主试验箱的温度可以控制在负65到165华氏度（-54℃到74℃）之间的任一温度。
  每种主要的美国武器系统及其相关设备都到Eglin*基地的麦金利气候实验室经受严酷的环境试验。zui近F/A-22正在经受冷冻、烘烤、大雨冲洗、雪封、风吹、雾罩和湿化。在2003年9月初，“猛禽”完成了为期3个月的试验并通过了这一系列的严酷考验。
  麦金利气候实验室的领导Kirk Velasco说：“F/A-22比在这看到的大部喷气式飞机的问题少得多。总的来说，它的性能很好。”
5、进入试验箱
  猛禽04号机是*架带*航空电子系统的设计定型的F/A-22，于2004年5月29日从加里佛尼亚州爱得华*基地的*飞机试验中心飞到佛吉尼亚州的兰利*基地停留一个晚上。由于兰利*基地的*战斗机联队预定于2005年成为*个F/A-22的作战单位，他们想来一个先睹为快。第二天，第四架能飞的“猛禽”便飞往Eglin*基地的麦金利气候实验。
  到达后，该飞机立即准备试验，并且被安装在252英尺宽、201英尺深和70英尺高的主试验箱里。这一飞机棚外面的大型温度计显示试验箱内部的温度。尽管外面可能有90度（32℃）的高温，但试验箱内部的温度却达到了负40度（-40℃）时。
  气候试验项目计划的编制早在该飞机在佛罗里达降落以前就开始了。详细计划于2001年初就开始，但初步讨论在“猛禽”到达的四年前就开始了。这一切都是在按部就班地进行着。
  Velasco解释说：“我们于7月中旬在这里召开了联合打击战斗机（Joint Strike Fighter）试验的全体会议。JSF将于2007年5月来到这里。试验F-35将是一个挑战，它是STOVL（短距起飞，垂直降落）的特殊变种。这是我们开始这么早的原因之一。”
  F/A-22联合试验组组长Brent Poulson说：“制定“猛禽”的试验计划相对比较简单，我们基本上是先查阅以前对其他战斗机的试验记录，同时根据经验制定这一方案。F/A-22同样有环境规范。它预定在某些温度和一系列的特殊条件下工作。我们研究那些要求并和需要做的试验相匹配，从这里开始试验计划的编制工作。”
  一个由*和承包商的骨干人员组成的队伍一直伴随着该飞机。在整个气候试验项目过程中，来自*和承包商的技术员、工程师、维修人员和飞行员一直轮班作业。在任何时候都有大约72个与F/A-22有关的人员在场。
6、做好准备
  关于麦金利气候实验的主题，标准媒体提供的照片通常是一架飞机停在那里，并且被冰雪覆盖着。*张照片是1947年5月24日拍摄的，照片上显示在主试验箱里有6架飞机，包括有一架洛克希德的P-80。照片给人的印象是，实验室里进行的试验是静态的。事实上，几乎所有的试验都是动态的，飞行员在驾驶员座舱就位，维修师和机组人员不断地忙碌着，飞行系统不停地运行，发动机也在运转。
  该实验室是世界上少有的几个喷气发动机可在密闭的机棚里运行的实验室之一，为了使发动机能够运转，必须有进气和排气口。空气温度必须和实验室里的温度相同，否则结果就不准确。
  实验室从飞机棚外面的空气储罐里获取空气。空气储罐能实时提供每分钟80万立方英尺（2.3万立方米）的预调节的冷或热空气（根据实验而定），以更换发电机吸入的空气。排出和进入试验箱同样多的空气。如果空气储罐是空的，在需要提供特别冷或热的空气进行气候试验时，大约需要24小时才能完成预调节空气的补充。
  Velasco已在该实验室工作了18年，他补充说道：“每一个项目都是*的。以前这里有秘密飞机，所以我们处理特殊材料。每个飞行器都有的要求和管道需求。” 就F/A-22而言，需要配备一个Y形导管，以缓冲飞机后面排出的废气并保持管子其它地方凉爽，这样的造型使在试验过程中飞机的两个发动机能够运行。实验室的现场工作人员建设和安装一个独立的导管，使飞机顶部的小门上的辅助动力单元能够开启。
  一旦在试验箱里安装完毕，04号“猛禽”看起来就象科幻小说里面动物。安装有管道，飞机多处被绑住（每处都装有张力计，以测量试验中机身所受的应力），栖息在桩子上，使起落架可以转动并可测量液压系统。几个小型、可动的和模块化的房子围绕着飞机周围，可以居住20人左右（包括一个消防队长）来实施试验。滑雪橇状的雪炮、地面上的风机、或大量的热灯泡或造雨装置悬挂在天花板上或安装在飞机上方的架子上。
  必须有精良的仪器。的气候条件、设计周详的试验，每件事都向着一个目标。Poulson评述道：“我们要使整个试验运行与实际情况一致。我们想看猛禽能否经受得住考验。”
7、进入环境
  每项环境试验就象F/A-22的实际飞行一样。不管试验箱里的环境条件如何，飞行员和机务长围绕飞机走一圈，然后飞行员爬上梯子，进入座舱并扣上。在每种气候条件下，飞行员启动发动机并操作飞机上的各种系统。Poulson补充说道：“部分试验根据检查表格进行，我们想看座舱如何变暖和，飞机如何变暖。下雨的时候，飞行员如何被淋湿。”
  飞机在一系列试验中经受各种各样的气候的考验。单独试验从低温适应性（cold soaking）试验开始，在“加温”到负40度前，先要经受负65度的考验；再在飞机上积累8英寸厚的雪，这大约是每平方英尺20磅的重量，猛禽上面的面积约为1,000平方英尺（93平方米），这将导致在飞机上方施加20,000磅（9072公斤）的负载；再以大约每秒44英尺（13.4米）的速度进行风吹雪试验。这仅仅是冷试验。
  雪化以后（把雪除掉，通过试验箱地面上的排水沟把雪水排到保留池），热试验便开始。试验从舒适的80度（27℃）开始，这时发电机开着，再提升到120度（49℃）。后来，一系列的试验是使飞机经受95度（35℃）和75%相对湿度，105度（41℃）和80%相对湿度，以观察飞机内部哪些地方发生水的凝结。
  接着就下雨了。在一项试验中，猛禽被淹没在每小时1.4英寸的暴雨中将近8小时，主要观察飞机底部的排水孔的工作情况。风吹雨试验目的是确定在武器位或其他地方可能形成水坑。接着就是一整夜的冻雨试验。形成的冰需要1,200加仑（5455升）的消冰液对飞机进行解冻。结冰试验后，在0度（-18℃）进行地面雾试验和旋风结冰试验（发电机吸入地面水）以观察发动机进口的何处形成冰。
  实验室的技术主管Wayne Drake解释道：“这就是大部分飞机需要进行的常规试验，这些试验是很*的。”
  与飞机试验同时进行的是维护、装载和辅助设备试验。作为*技师之一的Paul Stauffer，在整个试验项目中与F/A-22一起经受试验。她说道：“在寒冷中会发生很多问题，在负20度下工作的装备在负40度下表现*不同。猛禽也不例外。”
  经历了寒冷适应性试验之后，由于动力系统停止工作，座舱罩将不能关闭。在进行下一试验之前，维修师帮助飞行员手动关闭座舱罩。发动机在负40度下运行的试验开始。
  一旦辅助动力系统失效，就必须在寒冷中更换。Poulson解释说：“这实际上是一项在外面的工作。在低温下更换辅助动力装置是我们要检查的维修点之一。” 参加试验的另一个机务长，技术军士Greg Auzenne补充道：“在这样的条件下，即使是简单的事情也需要更多的思考和努力。由于冰雪的阻碍，移动装备车3英尺可能需要化20分钟。”
  在一个特别艰难的试验中，维护人员必须在F/A-22的主武器排位上安装4发AIM-120空中拦截导弹和在一个侧面武器排位上安装一发AIM-9空中拦截导弹。他们同时必须在后翅装上外油箱，在主油箱装满油，全副武装化学和生物战武器，试验箱的温度调节到华氏0度。
  Stauffer解释道：“我们在风雨中更换电池，在风雪中进行起飞前和飞行后检查，做飞行路线机务长的检查维修数据库的有效性的工作。但是，我们的工作条件并不好。”
  完成试验后，飞机恢复到飞行状态。在9月9日进行功能检查飞行后，猛禽离开Eglin到Edwards*基地。它在位于德克萨斯州沃思堡的洛克希德•马丁飞机厂做中途停留。由于公司员工制造了每架F/A-22的三分之一，故招待他们欣赏完整的战斗机。该飞机于九月十七日飞回Edwards*基地。
  Poulson总结道：“总的来说，我们在实验室里发现了几个异常情况，必须调节它们。还好，几乎所有的调节都是软件微调。发动机在寒冷中启动慢些，并且其它系统依赖发动机的动力。发动机的动作顺序和动力分配是软件固定的。但这些也是我们来Eglin学习的。
  麦金利气候实验确实是的国家资源。它由BAE系统为*运作，具有*的能力，难怪被为国家历史机械工程的里程碑。它的要点是实用性。
  Drake在实验室近30年，他说：“我们已经试验了F/A-22可以想象到的每一种作战条件。在我们这里用三个月得到的数据，在没有这个设施的地方要花几年的时间才能得到，并且费用要高得多。我们现在知道F/A-22能够在那些气候条件下工作。”
麦金利气候实验室正在进行大的升级，从而为飞机提供更为优良的大尺寸范围的模拟雾冻条件。新的性能也具备模拟低速飞行中的冰冻条件的能力。本文描述了世界上zui大的环境试验室即麦金利气候实验室的主室。着重对为商用和军用全尺寸飞机进行大范围的雾冻云模拟试验所用的设备和技术进行了讨论。对其它为飞机模拟冻云的设施进行了讨论，略述了它们主要的优缺点，举例说明了当前对另外的大的冻云模拟设施的需求。评述了麦金利气候实验室zui近起步的为大幅改善现有雾冻能力并将冰冻能力延伸到飞行中冰冻领域的项目。这个新的冰冻能力项目计划制造世界上zui大的人造冻云之一，它可以模拟在14CFR的第25部分附录C（联邦航空局飞机冰冻认证要求）中描述的所有冻云条件。
8、设施背景
  麦金利气候实验室从1947年起开始运转，是世界上zui大的环境试验室。主室宽约250英尺，长260英尺，室中心高70英尺。试验室zui初的尺寸适合于同时测试两架并排放置的B-29超级堡垒轰炸机。在60年代中期，该室增加到现在的尺寸，以适应美军zui大的飞机——洛克希德C-银河的需要。
  该室本质上是一个绝缘的飞机棚，配备有加热和冷却能力，可以控制在华氏-65度到+165度之间的任意温度，通常用于对全尺寸飞机进行环境试验。
  除了温度控制外，该室还有能力支持喷气发动机运转并在发动机运转时维持试验环境。为实现这项技术，试验室配备了两套独立的空气补充系统。这些系统被设计成在喷气发动机运转时实时供应经调节温湿度的空气，以补充室内消耗了的空气。
  尽管该室zui初的意图在于制造温度环境，但多年以后，它已发展成拥有可以制造地球上大部分自然环境的必要能力。现在，设施通常可以制造高低温、高低湿、太阳辐射、雨、雪、沙尘暴、几类冰冻条件和几种其它环境。典型的冰冻条件包括冻雨、涡流冰冻（当喷气发动机进气口的低气压区形成强涡流时发生的一种现象，类似微型的龙卷风，从滑行道表面吸起液态水后吸入发动机内）和地面雾冻。虽然麦金利气候实验室有六个独立的室（小一点的室一般为很特殊的环境，如降尘和盐雾），但地面雾冻只能在主室进行。本文的目的是描述设施制造地面雾冻条件的能力，也介绍了现正起步的大幅改善现有雾冻能力和延伸冰冻能力到飞行中冰冻的项目。
9、地面雾冻定义
  地面雾条件可以在两种条件下形成，当云处于地水平面（一般在山区）时，或者当近地面的环境温度达到*且空气变得饱和时，发生显著的浓缩形成雾。当环境气温接近冰点时，如果任一条件发生，就会像在任何足够寒冷的表面上发生结冰。几乎每个冬季，这种情形都会在世界许多地区（包括北美）发生。
  飞机尤其容易受到地面雾冻的影响，因为他们花大量时间时间在地面上并开动喷气发动机。当引擎吸入地面雾滴时，能够在进气口部分和*压缩机叶片及毂上形成冰。如果有大块的冰落入运转的发动机中，将导致重大的、代价高昂的损害。
  一般来说，地面雾冻条件与飞机在飞行中的冰冻条件可以用相同的云参数来表征。然而，地面雾冻的温度通常较高，且风速远低于飞机飞行中的风速。地面雾冻和飞行中的雾冻条件可以形成雨凇、雾冻或二者的混合物。
  冻雾条件用来测试各种设备，如地面支撑设备、结构桥、塔基、工业电力装置。然而，其zui普遍的应用是对飞机的测试，因为联邦航空局要求飞机制造商对所有的新的设计都要进行冰冻环境试验，以次获得证书。出于这个原因，该设施进行的绝大多数冻云测试都是用于飞机的。