艦船新型水基燃燒防御技術(shù)

劉陽娜，金良安，苑志江

(1.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018，2.中國人民解放軍91550部隊(duì)，遼寧 大連 116023)

0 引言

防御技術(shù)是現(xiàn)代艦船的一種極為重要的基本技術(shù)［1－2］。當(dāng)前國內(nèi)外艦船的常規(guī)防御武器主要有導(dǎo)彈、艦炮、魚雷以及各種干擾對抗技術(shù)等，它們在艦船防御中所發(fā)揮的重要作用已被大量事實(shí)所證明［3－7］。然而，隨著艦船面臨的威脅日益復(fù)雜，現(xiàn)有的防御技術(shù)仍不能確保艦船的絕對安全［8］。為此，研究現(xiàn)代艦船的新型防御技術(shù)，一直備受國內(nèi)外有關(guān)部門的高度重視。本文專門提出并初步研究一種以特定的水基燃燒為關(guān)鍵手段的艦船防御新技術(shù)，以期通過其獨(dú)特的技術(shù)性能，為現(xiàn)代艦船防御新技術(shù)的尋求提供一條簡單高效的實(shí)用性新技術(shù)途徑。

1 水基燃燒防御技術(shù)概述

1.1 思想內(nèi)涵

水基燃燒防御技術(shù)是本文提出的一種以特定的水基燃燒為關(guān)鍵手段的艦船新概念防御技術(shù)。它以使用海域的海水和空氣為激活條件而引發(fā)預(yù)設(shè)的燃燒，旨在直接引燃致爆敵方艦船，或者遏阻、干擾敵方艦船及其編隊(duì)的航渡。它無需額外的點(diǎn)火裝置，僅利用其自身特定的化學(xué)自持點(diǎn)火扳機(jī)反應(yīng)，即可實(shí)現(xiàn)在使用區(qū)域水－氣界面的自行引燃。利用其布撒裝置的特定設(shè)計(jì)，既可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定形狀和強(qiáng)度的燃燒作用區(qū)域，分別形成火柱、火墻或火環(huán)等不同戰(zhàn)術(shù)形式，也可滿足從水下、水面或空中進(jìn)行投擲的需要，從而適于艦船等不同作戰(zhàn)平臺。

1.2 主要特性

水基燃燒防御技術(shù)具有諸多獨(dú)特的性能特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢，主要包括:1)燃燒強(qiáng)度與作用范圍均可控，并且作用時間可調(diào)，因而可以滿足不同的戰(zhàn)術(shù)需求;2)海水燃燒過程是“自我維持”過程，無需人為干預(yù)，因而使用的便捷性好;3)技術(shù)具有很強(qiáng)的通用性，其核心部分只需稍作改造，即可符合不同作戰(zhàn)平臺的使用要求;4)使用后的殘留物對海洋環(huán)境友好，幾乎不會造成污染;5)使用的時機(jī)、方式、效果等受天氣條件的影響均較小;6)采用的化學(xué)藥品與原材料均常見、易得而且廉價(jià)，效費(fèi)比很高，便于實(shí)現(xiàn)和推廣應(yīng)用。

根據(jù)水基燃燒防御技術(shù)的上述思想，下面分別就其核心的主、副劑反應(yīng)，燃燒程度控制和防御使用等主要環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行闡述。

2 水基燃燒防御技術(shù)的設(shè)計(jì)

2.1 主、副劑反應(yīng)的設(shè)計(jì)

主劑、副劑是水基燃燒技術(shù)最為核心的兩大部分。根據(jù)主劑、副劑的設(shè)計(jì)要求和具體用料的物理化學(xué)特性，然后經(jīng)大量的專門實(shí)驗(yàn)比較，即可確定其用料配方。

1)主劑反應(yīng)設(shè)計(jì)。以特定性能的常見廉價(jià)化學(xué)原料為主劑，使其與大量的天然海水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，持續(xù)產(chǎn)生水基燃燒技術(shù)所需的大量易燃?xì)怏w，并可通過對主劑粒徑分布的設(shè)計(jì)，來控制易燃?xì)怏w的生成速率與反應(yīng)持續(xù)時間。

2)副劑反應(yīng)設(shè)計(jì)。通過在主劑中摻雜一定比例的特種材料副劑，依靠副劑與海水反應(yīng)生成點(diǎn)火氣體并提供點(diǎn)火能量，從而在水－氣兩相界面處發(fā)生“點(diǎn)火反應(yīng)”，利用其放熱燃燒產(chǎn)生明火，引燃水上的易燃?xì)怏w，起到“點(diǎn)火扳機(jī)”的作用。

2.2 水基燃燒程度的控制

1)控制的基本思想。針對艦船不同的防御使用，對水基燃燒的程度有著不同的要求，因此需要對其燃燒的程度進(jìn)行控制。顯然，這一控制無疑也是水基燃燒防御技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于燃燒的程度通常表現(xiàn)為燃燒的劇烈程度和燃燒的持續(xù)時間等主要方面，而燃燒的劇烈程度和燃燒的持續(xù)時間都是可通過對燃料燃燒反應(yīng)的程度進(jìn)行控制來加以實(shí)現(xiàn)的，因而本文特通過對主、副劑相關(guān)反應(yīng)的專門設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)其燃燒程度的控制。

2)控制的具體過程。根據(jù)燃燒的化學(xué)反應(yīng)原理，通過對主劑粒徑的控制即可形成不同強(qiáng)度的燃燒;而通過對副劑外層進(jìn)行覆膜等處理，并利用不同的覆膜厚度，便可控制點(diǎn)火時間的長短。具體而言，對于持續(xù)、緩慢燃燒的實(shí)現(xiàn)，可采用較大粒徑的主劑，以形成長時間持續(xù)、穩(wěn)定的主劑反應(yīng)，而為保證其點(diǎn)火的可靠性，則由多種覆膜厚度的副劑形成長時間連續(xù)的副劑點(diǎn)火反應(yīng);對于劇烈燃燒的實(shí)現(xiàn)，顯然其關(guān)鍵就在于要形成足夠強(qiáng)烈的主劑反應(yīng)，這可通過布撒大量較小粒徑的主劑來實(shí)現(xiàn)，與此相應(yīng)，只需由單一覆膜厚度的副劑形成可靠的副劑點(diǎn)火反應(yīng)即可。

2.3 水基燃燒軍事防御的使用設(shè)計(jì)

1)設(shè)計(jì)的基本考慮。軍事防御使用設(shè)計(jì)要充分考慮戰(zhàn)場的各種實(shí)際情況，如果能夠根據(jù)使用目的、敵我態(tài)勢等因素，對燃燒作用區(qū)域和投擲方式進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，將有助于艦船在防御時靈活使用，從而達(dá)到事倍功半的效果。為此，可對現(xiàn)有武器的彈頭部分進(jìn)行改裝，從而實(shí)現(xiàn)燃燒作用區(qū)域的預(yù)設(shè)，便于使用時形成火柱、火墻或火環(huán)，并且可采用從水下、水面或空中進(jìn)行投擲等方式。一般可采用彈射或飛機(jī)布撒等方式，根據(jù)我方想要達(dá)到的何種效果、海上沖突和我方所處優(yōu)、劣勢等具體情況，通過燃燒作用區(qū)域和投擲方式的組合，在敵方艦船的相對合適的位置，遠(yuǎn)距離、精確實(shí)施水基燃燒，從而有效地進(jìn)行積極防御。

2)一般設(shè)計(jì)過程。針對敵方單艦、編隊(duì)來襲2種主要態(tài)勢，分別就其防御使用進(jìn)行初步設(shè)計(jì):一是當(dāng)敵方單艦來襲時，可在敵方艦船航行的前置點(diǎn)形成持續(xù)的長條型火焰，以威懾、阻滯敵方艦船行進(jìn);或者形成持續(xù)的大尺度圓環(huán)型火焰，以將敵方艦船置于該環(huán)型區(qū)域內(nèi)，徹底阻滯其行動;而在局面緊迫、沖突升級的情況下，則可在合適位置形成立柱型的爆燃火焰，以直接引燃致爆敵方艦船，達(dá)到擊沉或重創(chuàng)敵艦船的目的。二是當(dāng)敵方艦船編隊(duì)來襲時，關(guān)鍵是要把編隊(duì)最重要的目標(biāo) (如指揮艦)摧毀或?qū)⑵鋸木庩?duì)中割裂出來，此時可參照上述敵方單只艦船的戰(zhàn)術(shù)使用進(jìn)行實(shí)施;而多次使用持續(xù)的長條型火焰或者圓環(huán)型火焰，則可對敵方艦船的整個編隊(duì)實(shí)施分割，將其編隊(duì)隊(duì)形完全打亂并割裂為若干部分，實(shí)施分割包圍。

3 水基燃燒的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

3.1 水基燃燒的化學(xué)反應(yīng)原理

如前所述，水基燃燒是水基燃燒防御技術(shù)的核心，而主劑與副劑則是該技術(shù)最重要的兩大組成部分。當(dāng)該技術(shù)使用時，其中存在著主劑、副劑與使用海域的水、空氣以及反應(yīng)過程產(chǎn)生的可燃?xì)庵g的一系列化學(xué)反應(yīng)，主要為以下5個方面:

3.2 水基燃燒防御技術(shù)的化學(xué)配方

根據(jù)上述分析，主劑與副劑的化學(xué)配方是水基燃燒防御技術(shù)的關(guān)鍵，顯然它們可以采用不同的化學(xué)配方組合。本文以常見的碳化鈣 (電石)和金屬鉀［9－10］，分別作為主劑與副劑，則在上述系列反應(yīng)中，即有2個方面的重要過程:一是主劑碳化鈣與水發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量的易燃?xì)怏w乙炔;二是副劑金屬鉀作為“點(diǎn)火扳機(jī)”，它在水面以下將發(fā)生上述副劑水化反應(yīng)，產(chǎn)生可燃的點(diǎn)火氣體氫氣;而它在水－氣界面處，又將與水以及空氣中的氧氣同時接觸，發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，并燃燒產(chǎn)生明火，進(jìn)而引燃由主、副劑不斷產(chǎn)生并升至水面的可燃?xì)怏w乙炔和氫氣等，使得燃燒持續(xù)不斷地進(jìn)行。

同時，為了分別達(dá)到持續(xù)緩慢燃燒和短暫強(qiáng)烈燃燒的不同技術(shù)使用要求，特對主劑碳化鈣和副劑金屬鉀分別進(jìn)行相應(yīng)的包覆處理和采取粒徑控制等措施，從而形成水基燃燒的2種典型技術(shù)方案。表1列出了這2種典型方案的一些主要技術(shù)特性，其中的有效作用時間、火焰高度等技術(shù)性能，可能與海水的組分有一定關(guān)系，表中參數(shù)對應(yīng)的海水于2012年7月份取自大連石槽海域。

按照上述這2種典型技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的水基燃燒防御技術(shù)的具體產(chǎn)品，均是干燥顆粒狀的粉末，為行文方便，特將持續(xù)緩慢燃燒方案的產(chǎn)品記為A產(chǎn)品，而將短暫強(qiáng)烈燃燒方案的產(chǎn)品記為B產(chǎn)品。在本文后面的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)研究中，分別利用了該2組產(chǎn)品。

表1 水基燃燒典型技術(shù)方案及其主要特性Tab.1 Typical technical solution of water-based combustion and its main characteristics

4 水基燃燒防御技術(shù)原理的實(shí)驗(yàn)研究

為檢驗(yàn)水基燃燒防御技術(shù)使用的可靠性和燃燒程度控制的可行性，本文利用海軍大連艦艇學(xué)院消防訓(xùn)練中心的相關(guān)設(shè)備，針對性地進(jìn)行了其水上燃燒的原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)分析。

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1)設(shè)備與藥品

實(shí)驗(yàn)中用到的設(shè)備與藥品主要有兩部分:一是該消防訓(xùn)練中心的大號滅火盆，系一直徑 (內(nèi)徑)為2.2 m的圓柱狀桶形鐵盆，盆內(nèi)凈高0.65 m;二是本文專門制備的顆粒粉末狀水基燃燒技術(shù)產(chǎn)品 (前述A產(chǎn)品和B產(chǎn)品)，分2組進(jìn)行，每組各300 g。

2)實(shí)驗(yàn)方法

為便于更清晰地考察火焰每個瞬間的狀況，實(shí)驗(yàn)選在傍晚日落后進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)步驟如下:

第1步，在盆內(nèi)放海水 (取自大連石槽海域)至高度約0.6 m，通過人工投擲方式，將產(chǎn)品擲入滅火盆中。

第2步，將A產(chǎn)品擲入盆中，考察海水表面著火的狀況，測量火焰高度，并用高速攝像機(jī)記錄實(shí)驗(yàn)過程。

第3步，重復(fù)第1步后，將B產(chǎn)品擲入盆中，考察海水表面著火的狀況，并與上述第2步的結(jié)果進(jìn)行比較。測量火焰高度，并用高速攝像機(jī)記錄實(shí)驗(yàn)過程。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在上述第2步實(shí)驗(yàn)中，A產(chǎn)品擲入盆中后立即有氣泡冒出，約0.2 s后海水表面有火星產(chǎn)生，約0.24 s微爆燃開始，約0.56 s微爆燃結(jié)束，海水表面開始正常穩(wěn)定的燃燒，并伴有黑煙，火焰高度約0.2 m，整個過程持續(xù)約160 s。燃燒結(jié)束后，盆中海水表面不再有氣泡冒出。

在上述第3步實(shí)驗(yàn)中，B產(chǎn)品擲入盆中后立即有較為激烈的氣泡冒出，約1.04 s后海水表面有火星產(chǎn)生，約1.08 s爆燃開始，約1.20 s爆燃閃光，約持續(xù)0.12 s，約1.28 s時海水表面正常燃燒，并伴有黑煙，火焰最高可達(dá)3.5 m。整個過程約持續(xù)22 s，燃燒結(jié)束后，海水表面不再有氣泡冒出。

2)分析與討論

上述實(shí)驗(yàn)一的結(jié)果表明:通過較大粒徑的主劑和多種覆膜厚度的副劑組成的配方，可形成持續(xù)、穩(wěn)定的主劑反應(yīng)與連續(xù)的副劑點(diǎn)火反應(yīng)，從而保證水基持續(xù)燃燒的實(shí)現(xiàn)。

上述實(shí)驗(yàn)二的結(jié)果表明:通過較小粒徑的主劑和單一覆膜厚度的副劑組成的配方，可形成短暫、強(qiáng)烈的主劑反應(yīng)和集中的副劑點(diǎn)火反應(yīng)，從而保證水基劇烈燃燒的實(shí)現(xiàn)。

綜合2組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，本文提出的水基燃燒技術(shù)可行，通過對其主劑和副劑的包覆處理和粒徑控制等，可達(dá)到持續(xù)燃燒和迅速爆燃的不同使用目的，因而完全可通過進(jìn)一步的深入研究實(shí)現(xiàn)多種防御使用的具體要求。

5 結(jié)語

本文提出的新型水基燃燒技術(shù)，對艦船防御具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。它通過一系列化學(xué)反應(yīng)及其配方設(shè)計(jì)，利用特定主劑和副劑的包覆處理和粒徑控制，可實(shí)現(xiàn)在氣－水界面的預(yù)定燃燒，從而滿足艦船不同防御使用的需求。后續(xù)可在本文研究的基礎(chǔ)上，深入開展海洋環(huán)境因素的影響和艦船防御的具體使用等問題的研究，為其工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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