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環境試驗設備的起源
1、麥金萊環境試驗
驅車從亞特蘭大市出發沿美國南方高速公路行程約 6個小時，便來到了被人們視為“神秘王國”的佛羅里達—— 坦帕灣*基地。倘若不是親眼看到時而掠過頭頂的一架架戰斗機，你絕不會相信這片綠茵環抱的地方竟是一座龐大的軍事基地。這里有一處不曾為世人所知的秘密實驗室。美國諸軍兵種*的許多新型武器裝備，都是從這里經過特殊的“考核”，才走向戰場發揮效能的。這個實驗室，就是神秘的“麥金萊氣候實驗室。”
2、50年風雨結碩果
第二次世界大戰中，由于德國人充分認識到環境條件可以作為一種作戰武器來使用的重要性，使得德國*在波蘭、北非戰場上使用的環境武器作戰效果十分明顯。同時加上戰場多變的氣象條件，如雨、雪、風、電（雷）等，對*作戰武器裝備帶來了較大的影響，于是美國人就對氣象條件對*武器裝備和*作戰行動的影響及人員適應環境的能力等做深入細致的研究。并于1949年在其佛羅里達的*基地建立了“麥金萊氣候實驗室”。實驗室可以通過對各種氣候、天象條件的模擬，試驗和檢驗環境武器的戰場效果及現行武器裝備的戰斗性能，訓練特種*在各種復雜氣候條件下實施全天候作戰的能力。
到目前為止，這個實驗室已經接納了美國*、*、*和**戰隊400余架各類飛機、70多個導彈系統、2600多種軍事裝備的氣候條件適應性試驗，為不斷改良和提高武器裝備性能獲取大量的科學數據。同時，實驗室還研制了十余種用于現代戰爭戰場的環境武器，有利地配合了美軍海外*的作戰行動。
3、30多種氣候、天象條件在這里*
“麥金萊氣候實驗室”，占地面積近30平方公里，目前已成功地組建了8個大型氣候工作間，這些功能各異、設備先進的工作室可以對30多種氣候環境、天象條件進行研究和模擬。如“雨實驗室”每小時可下15英寸的暴雨，并能下雪和結冰；“風實驗室”，從風平浪靜到刮起30米／秒的颶風，所用時間不到3分鐘；“氣溫實驗室”，可以使室內溫度從攝氏80度迅速降至零下40度；在“雷（電）實驗室”里，剛才還是晴空*、微風和煦，轉眼之間就已烏云密布、電閃雷鳴；“沙漠實驗室”，則裝有140盞高能太陽燈，在灼熱的燈光照耀下，室內溫度與非洲沙漠正午時的悶熱別無兩樣。而zui大的實驗室要屬“海洋實驗室”。
“海洋實驗室”僅水面面積就達 6平方公里，zui深處有15米，水溫、海上風浪可以自行調節。由于“麥金萊氣候實驗室”具備*的“自然”條件和得天獨厚的人工氣象調節功能，這些年來，美國大約有55％的武器裝備都曾經做過它的“考生”，它也成為美軍名符其實的先進作戰武器和特種作戰*邁向戰場的*位“考核官”。
4、環境武器從實驗室走向戰場
開發環境武器是“麥金萊氣候實驗室”的主要任務之一，美軍目前所使用的90％以上的環境武器都是經它研制成功并使用于現代戰爭戰場的。由于環境武器具有作戰效益高、威力大、隱蔽性好的特點，而被各國的軍事專家逐漸發展為系統開發和利用。美國環境武器開發是60年代以后的事情。
他們主要是利用云和大氣中微粒的不穩定性的特點，向云層、潮濕的空氣中播撒有關的化學物質或利用物理手段人為地改變氣候、天象條件，有針對性地制造不同狀態的戰場環境來達到預期的作戰目的。如播撒碘化銀、干冰等催化劑，形成降雨、降雪，還可以在此基礎上，增加云團的對流，使云團中的冰粒在上下對流過程中不斷增大，進而形成冰雹；通過播撒氣溶膠或燃燒紅磷的方法，制造霧或人工造云、消云；通過物理方法在云體中、兩塊云體間或云體與大地之間，制造、誘發閃電或改變閃電的強度；通過開辟“紫外線窗口”，即對大氣層中臭氧層的破壞，改變大氣中臭氧的濃度，將臭氧層“貫穿”，使太陽的紫外線直接照射到地面，形成干旱或沙漠。
此外，還可以利用大地本身的不穩定性，用物理或化學方法激發大量的能量，產生人造海嘯、雪崩、改變河道或航道、引爆火山、改變高層大氣物理結構等等。
如1071年初，美軍在越南戰場為掐斷北越的運輸供給線，利用西南季風的有利條件，在局部戰場大量地投放碘化銀戰劑，實施大規模的人工降雨，造成每小時降雨量達80毫米的特大暴雨，導致位于的補給長廊——“胡志明小道”受損極大。在未實施人工降雨時，補給線是通常每周可通行9000輛汽車，運送大約35000噸的戰備物資，而在實施人工降雨后，每周只能通過900輛，物資運送降到2000噸左右，使越南*的戰爭保障受到嚴重打擊。
由于“麥金萊氣候實驗室”的特殊環境，美軍一直把這里當做特種*訓練的主要場所。其特種*的隊員通常是在系統地學習了戰場生存的理論知識后才可以進入“氣候實驗室”訓練的，一般4天為一個周期，每次訓練大約需要2～3個周期。
實驗室為隊員們提供了類似熱帶雨林、非洲沙漠、冰雪極地、高原低氧、海上生存等各種特殊或常見的氣候條件，并配置與氣候條件相適應的各種動、植物，供隊員進行適應性訓練。訓練中，隊員往往有時不得不面對長時間的“烈日”似火暴曬而得不到一滴水喝的現實，轉眼間卻又傾盆大雨迎頭而下，一個個又成了名符其實的“落湯雞”；剛才還是風調雨順，突然間變得電閃雷鳴；隊員們置身于毒蛇猛獸經常出沒的森林中，既要時時提防它們的野性攻擊，又要想方設法以此充饑裹腹。
在“海洋實驗室”里，隊員被*四肢后投入海水中，他們要學會在海中自行解脫而不被淹死的技能，有時則要求隊員長時間浸泡在冰冷的水中直到身體凍僵為止。更令隊員們難以忍受的是：在實驗室里連續數日不睡覺、不進食，當他們“彈盡糧絕” 時，卻又陷入“敵軍”的重重包圍，而你又必須殺出重圍獲得生存。經過幾個周期“氣候實驗室”訓練下來，特種*的隊員們都如死過一次一樣，面對重新獲得的新生，連喜極而泣的力氣都沒有了。難怪隊員們都說： “這里比戰場還真實、還艱苦，絕不想第二次再來這里。”
氣候實驗室的“表現”，讓美軍嘗到了甜頭。為此，美軍決定進一步加大對實驗室的投資，使其成為美國發動戰爭機器的一個重要組成部分。雨、雪、熱和黑夜都無法擋住這些敏捷的信使去完成它們的預定任務。”
這段語錄來自第五世紀希臘的歷史學家Herodotus，并且多年來已成為美國郵政服務機構的非正式標語。但它同時也是*麥金利氣候實驗室的座右銘。除“黑夜”之外，——實驗室里的燈大部分時間都開著，這段語錄能夠概括坐落在佛羅里達走廊的綜合試驗中心所做的一切。
在二戰期間構思，于1949年建成，并且在后來50多年里被大規模革新的麥金利氣候實驗室能創造地球上存在的幾乎所有氣候條件，兩個主試驗箱的溫度可以控制在負65到165華氏度（-54℃到74℃）之間的任一溫度。
每種主要的美國武器系統及其相關設備都到Eglin*基地的麥金利氣候實驗室經受嚴酷的環境試驗。zui近F/A-22正在經受冷凍、烘烤、大雨沖洗、雪封、風吹、霧罩和濕化。在2003年9月初，“猛禽”完成了為期3個月的試驗并通過了這一系列的嚴酷考驗。
麥金利氣候實驗室的領導Kirk Velasco說：“F/A-22比在這看到的大部噴氣式飛機的問題少得多。總的來說，它的性能很好。”
5、進入試驗箱
猛禽04號機是*架帶*航空電子系統的設計定型的F/A-22，于2004年5月29日從加里佛尼亞州愛得華*基地的*飛機試驗中心飛到佛吉尼亞州的蘭利*基地停留一個晚上。由于蘭利*基地的*戰斗機聯隊預定于2005年成為*個F/A-22的作戰單位，他們想來一個先睹為快。第二天，第四架能飛的“猛禽”便飛往Eglin*基地的麥金利氣候實驗。
到達后，該飛機立即準備試驗，并且被安裝在252英尺寬、201英尺深和70英尺高的主試驗箱里。這一飛機棚外面的大型溫度計顯示試驗箱內部的溫度。盡管外面可能有90度（32℃）的高溫，但試驗箱內部的溫度卻達到了負40度（-40℃）時。
氣候試驗項目計劃的編制早在該飛機在佛羅里達降落以前就開始了。詳細計劃于2001年初就開始，但初步討論在“猛禽”到達的四年前就開始了。這一切都是在按部就班地進行著。
Velasco解釋說：“我們于7月中旬在這里召開了聯合打擊戰斗機（Joint Strike Fighter）試驗的全體會議。JSF將于2007年5月來到這里。試驗F-35將是一個挑戰，它是STOVL（短距起飛，垂直降落）的特殊變種。這是我們開始這么早的原因之一。”
F/A-22聯合試驗組組長Brent Poulson說：“制定“猛禽”的試驗計劃相對比較簡單，我們基本上是先查閱以前對其他戰斗機的試驗記錄，同時根據經驗制定這一方案。F/A-22同樣有環境規范。它預定在某些溫度和一系列的特殊條件下工作。我們研究那些要求并和需要做的試驗相匹配，從這里開始試驗計劃的編制工作。”
一個由*和承包商的骨干人員組成的隊伍一直伴隨著該飛機。在整個氣候試驗項目過程中，來自*和承包商的技術員、工程師、維修人員和飛行員一直輪班作業。在任何時候都有大約72個與F/A-22有關的人員在場。
6、做好準備
關于麥金利氣候實驗的主題，標準媒體提供的照片通常是一架飛機停在那里，并且被冰雪覆蓋著。*張照片是1947年5月24日拍攝的，照片上顯示在主試驗箱里有6架飛機，包括有一架洛克希德的P-80。照片給人的印象是，實驗室里進行的試驗是靜態的。事實上，幾乎所有的試驗都是動態的，飛行員在駕駛員座艙就位，維修師和機組人員不斷地忙碌著，飛行系統不停地運行，發動機也在運轉。
該實驗室是世界上少有的幾個噴氣發動機可在密閉的機棚里運行的實驗室之一，為了使發動機能夠運轉，必須有進氣和排氣口。空氣溫度必須和實驗室里的溫度相同，否則結果就不準確。
實驗室從飛機棚外面的空氣儲罐里獲取空氣。空氣儲罐能實時提供每分鐘80萬立方英尺（2.3萬立方米）的預調節的冷或熱空氣（根據實驗而定），以更換發電機吸入的空氣。排出和進入試驗箱同樣多的空氣。如果空氣儲罐是空的，在需要提供特別冷或熱的空氣進行氣候試驗時，大約需要24小時才能完成預調節空氣的補充。
Velasco已在該實驗室工作了18年，他補充說道：“每一個項目都是*的。以前這里有秘密飛機，所以我們處理特殊材料。每個飛行器都有的要求和管道需求。” 就F/A-22而言，需要配備一個Y形導管，以緩沖飛機后面排出的廢氣并保持管子其它地方涼爽，這樣的造型使在試驗過程中飛機的兩個發動機能夠運行。實驗室的現場工作人員建設和安裝一個獨立的導管，使飛機頂部的小門上的輔助動力單元能夠開啟。
一旦在試驗箱里安裝完畢，04號“猛禽”看起來就象科幻小說里面動物。安裝有管道，飛機多處被綁住（每處都裝有張力計，以測量試驗中機身所受的應力），棲息在樁子上，使起落架可以轉動并可測量液壓系統。幾個小型、可動的和模塊化的房子圍繞著飛機周圍，可以居住20人左右（包括一個消防隊長）來實施試驗。滑雪橇狀的雪炮、地面上的風機、或大量的熱燈泡或造雨裝置懸掛在天花板上或安裝在飛機上方的架子上。
必須有精良的儀器。的氣候條件、設計周詳的試驗，每件事都向著一個目標。Poulson評述道：“我們要使整個試驗運行與實際情況一致。我們想看猛禽能否經受得住考驗。”
7、進入環境
每項環境試驗就象F/A-22的實際飛行一樣。不管試驗箱里的環境條件如何，飛行員和機務長圍繞飛機走一圈，然后飛行員爬上梯子，進入座艙并扣上。在每種氣候條件下，飛行員啟動發動機并操作飛機上的各種系統。Poulson補充說道：“部分試驗根據檢查表格進行，我們想看座艙如何變暖和，飛機如何變暖。下雨的時候，飛行員如何被淋濕。”
飛機在一系列試驗中經受各種各樣的氣候的考驗。單獨試驗從低溫適應性（cold soaking）試驗開始，在“加溫”到負40度前，先要經受負65度的考驗；再在飛機上積累8英寸厚的雪，這大約是每平方英尺20磅的重量，猛禽上面的面積約為1,000平方英尺（93平方米），這將導致在飛機上方施加20,000磅（9072公斤）的負載；再以大約每秒44英尺（13.4米）的速度進行風吹雪試驗。這僅僅是冷試驗。
雪化以后（把雪除掉，通過試驗箱地面上的排水溝把雪水排到保留池），熱試驗便開始。試驗從舒適的80度（27℃）開始，這時發電機開著，再提升到120度（49℃）。后來，一系列的試驗是使飛機經受95度（35℃）和75%相對濕度，105度（41℃）和80%相對濕度，以觀察飛機內部哪些地方發生水的凝結。
接著就下雨了。在一項試驗中，猛禽被淹沒在每小時1.4英寸的暴雨中將近8小時，主要觀察飛機底部的排水孔的工作情況。風吹雨試驗目的是確定在武器位或其他地方可能形成水坑。接著就是一整夜的凍雨試驗。形成的冰需要1,200加侖（5455升）的消冰液對飛機進行解凍。結冰試驗后，在0度（-18℃）進行地面霧試驗和旋風結冰試驗（發電機吸入地面水）以觀察發動機進口的何處形成冰。
實驗室的技術主管Wayne Drake解釋道：“這就是大部分飛機需要進行的常規試驗，這些試驗是很*的。”
與飛機試驗同時進行的是維護、裝載和輔助設備試驗。作為*技師之一的Paul Stauffer，在整個試驗項目中與F/A-22一起經受試驗。她說道：“在寒冷中會發生很多問題，在負20度下工作的裝備在負40度下表現*不同。猛禽也不例外。”
經歷了寒冷適應性試驗之后，由于動力系統停止工作，座艙罩將不能關閉。在進行下一試驗之前，維修師幫助飛行員手動關閉座艙罩。發動機在負40度下運行的試驗開始。
一旦輔助動力系統失效，就必須在寒冷中更換。Poulson解釋說：“這實際上是一項在外面的工作。在低溫下更換輔助動力裝置是我們要檢查的維修點之一。” 參加試驗的另一個機務長，技術軍士Greg Auzenne補充道：“在這樣的條件下，即使是簡單的事情也需要更多的思考和努力。由于冰雪的阻礙，移動裝備車3英尺可能需要化20分鐘。”
在一個特別艱難的試驗中，維護人員必須在F/A-22的主武器排位上安裝4發AIM-120空中攔截導彈和在一個側面武器排位上安裝一發AIM-9空中攔截導彈。他們同時必須在后翅裝上外油箱，在主油箱裝滿油，全副武裝化學和生物戰武器，試驗箱的溫度調節到華氏0度。
Stauffer解釋道：“我們在風雨中更換電池，在風雪中進行起飛前和飛行后檢查，做飛行路線機務長的檢查維修數據庫的有效性的工作。但是，我們的工作條件并不好。”
完成試驗后，飛機恢復到飛行狀態。在9月9日進行功能檢查飛行后，猛禽離開Eglin到Edwards*基地。它在位于德克薩斯州沃思堡的洛克希德•馬丁飛機廠做中途停留。由于公司員工制造了每架F/A-22的三分之一，故招待他們欣賞完整的戰斗機。該飛機于九月十七日飛回Edwards*基地。
Poulson總結道：“總的來說，我們在實驗室里發現了幾個異常情況，必須調節它們。還好，幾乎所有的調節都是軟件微調。發動機在寒冷中啟動慢些，并且其它系統依賴發動機的動力。發動機的動作順序和動力分配是軟件固定的。但這些也是我們來Eglin學習的。
麥金利氣候實驗確實是的國家資源。它由BAE系統為*運作，具有*的能力，難怪被為國家歷史機械工程的里程碑。它的要點是實用性。
Drake在實驗室近30年，他說：“我們已經試驗了F/A-22可以想象到的每一種作戰條件。在我們這里用三個月得到的數據，在沒有這個設施的地方要花幾年的時間才能得到，并且費用要高得多。我們現在知道F/A-22能夠在那些氣候條件下工作。”
麥金利氣候實驗室正在進行大的升級，從而為飛機提供更為優良的大尺寸范圍的模擬霧凍條件。新的性能也具備模擬低速飛行中的冰凍條件的能力。本文描述了世界上zui大的環境試驗室即麥金利氣候實驗室的主室。著重對為商用和軍用全尺寸飛機進行大范圍的霧凍云模擬試驗所用的設備和技術進行了討論。對其它為飛機模擬凍云的設施進行了討論，略述了它們主要的優缺點，舉例說明了當前對另外的大的凍云模擬設施的需求。評述了麥金利氣候實驗室zui近起步的為大幅改善現有霧凍能力并將冰凍能力延伸到飛行中冰凍領域的項目。這個新的冰凍能力項目計劃制造世界上zui大的人造凍云之一，它可以模擬在14CFR的第25部分附錄C（聯邦航空局飛機冰凍認證要求）中描述的所有凍云條件。
8、設施背景
麥金利氣候實驗室從1947年起開始運轉，是世界上zui大的環境試驗室。主室寬約250英尺，長260英尺，室中心高70英尺。試驗室zui初的尺寸適合于同時測試兩架并排放置的B-29超級堡壘轟炸機。在60年代中期，該室增加到現在的尺寸，以適應美軍zui大的飛機——洛克希德C-銀河的需要。
該室本質上是一個絕緣的飛機棚，配備有加熱和冷卻能力，可以控制在華氏-65度到+165度之間的任意溫度，通常用于對全尺寸飛機進行環境試驗。
除了溫度控制外，該室還有能力支持噴氣發動機運轉并在發動機運轉時維持試驗環境。為實現這項技術，試驗室配備了兩套獨立的空氣補充系統。這些系統被設計成在噴氣發動機運轉時實時供應經調節溫濕度的空氣，以補充室內消耗了的空氣。
盡管該室zui初的意圖在于制造溫度環境，但多年以后，它已發展成擁有可以制造地球上大部分自然環境的必要能力。現在，設施通常可以制造高低溫、高低濕、太陽輻射、雨、雪、沙塵暴、幾類冰凍條件和幾種其它環境。典型的冰凍條件包括凍雨、渦流冰凍（當噴氣發動機進氣口的低氣壓區形成強渦流時發生的一種現象，類似微型的龍卷風，從滑行道表面吸起液態水后吸入發動機內）和地面霧凍。雖然麥金利氣候實驗室有六個獨立的室（小一點的室一般為很特殊的環境，如降塵和鹽霧），但地面霧凍只能在主室進行。本文的目的是描述設施制造地面霧凍條件的能力，也介紹了現正起步的大幅改善現有霧凍能力和延伸冰凍能力到飛行中冰凍的項目。
9、地面霧凍定義
地面霧條件可以在兩種條件下形成，當云處于地水平面（一般在山區）時，或者當近地面的環境溫度達到*且空氣變得飽和時，發生顯著的濃縮形成霧。當環境氣溫接近冰點時，如果任一條件發生，就會像在任何足夠寒冷的表面上發生結冰。幾乎每個冬季，這種情形都會在世界許多地區（包括北美）發生。
飛機尤其容易受到地面霧凍的影響，因為他們花大量時間時間在地面上并開動噴氣發動機。當引擎吸入地面霧滴時，能夠在進氣口部分和*壓縮機葉片及轂上形成冰。如果有大塊的冰落入運轉的發動機中，將導致重大的、代價高昂的損害。
一般來說，地面霧凍條件與飛機在飛行中的冰凍條件可以用相同的云參數來表征。然而，地面霧凍的溫度通常較高，且風速遠低于飛機飛行中的風速。地面霧凍和飛行中的霧凍條件可以形成雨凇、霧凍或二者的混合物。
凍霧條件用來測試各種設備，如地面支撐設備、結構橋、塔基、工業電力裝置。然而，其zui普遍的應用是對飛機的測試，因為聯邦航空局要求飛機制造商對所有的新的設計都要進行冰凍環境試驗，以次獲得證書。出于這個原因，該設施進行的絕大多數凍云測試都是用于飛機的。