熱帶海洋環境下艦艇攜行彈藥的環境效應分析

倪震明，趙方超，肖勇，羅天元，蔣黎，王艷艷

（1.海軍裝備部，成都 610100；2.西南技術工程研究所，重慶 400039；3.陸軍重慶軍代局，重慶 400060）

環境適應性是指裝備（產品）在其壽命期內預計可能遇到的各種環境的作用下能實現其所有預定功能和性能（或）不被破壞的能力，是裝備（產品）的重要質量特性之一[1]。2008年以來，我國海軍戰略正由近海防御向近海防御與遠海護衛相結合轉型[2]，南海實戰化訓練、亞丁灣護航、赴遠海遠洋參與聯合軍事演習等軍事活動的增加，對我海軍裝備的環境適應性要求也越來越高。

艦艇攜行彈藥是艦艇實現作戰毀傷的重要物資。水面艦艇一般攜帶反艦導彈、防空導彈、炮彈、深水炸彈、魚雷、干擾彈、輕武器彈藥等，隨艦航行時長期經受海洋高溫、高濕、高鹽霧、強太陽輻射、霉菌、沖擊等因素構成的惡劣環境影響[3-5]，面臨的存放/使用環境遠比陸地庫房貯存或戶外使用環境復雜惡劣，容易引發密封彈藥包裝密封破壞、防護層腐蝕、電子部件可靠性降低、裝藥失效等環境適應性問題。因此對艦艇攜行彈藥服役海域環境和存放/使用平臺環境進行分析，梳理得出主要環境影響因素，進而開展環境效應分析研究十分必要。

文中以我海軍活動頻繁的我國東海、南海和印度洋亞丁灣海域等熱帶/亞熱帶海洋氣候環境為背景，分析了服役海域環境特征，結合艦艇平臺環境，分析得出了影響攜行彈藥性能的主要環境因素，進而以分系統為對象分別開展了環境效應分析。

1 服役環境分析

1.1 海域環境特征分析

文中涉及的三大海域較為靠近赤道，緯度低，終年盛行熱帶海洋氣團，具有高溫、高濕、高鹽霧、強太陽輻射“三高一強”的顯著特征。

1.1.1 高溫

我國東南沿海和亞丁灣海域冬夏季風交替明顯，其中東海及南海小部分區域為亞熱帶海洋區，南海大部和亞丁灣海域屬熱帶海洋區[5-6]，常年高溫是它們的共同特征。資料顯示，我國東海、南海年平均溫度為16.3，24 ℃，氣溫高于30 ℃的天數分別超過53，160 d[4]，西沙永興島實測年平均溫度達到27.3 ℃。亞丁灣海域月平均海表溫度都在 26 ℃以上[7]，在夏季（5月份—8月份），大氣、海水溫度最高時可達35 ℃以上，平均比南海高5～7 ℃。

1.1.2 高濕

三大海域的年平均濕度和降雨量對比見表1。高相對濕度形成的原因主要有：較高的空氣溫度和強太陽輻射為海水向空氣中蒸發創造了有利條件；對于東海、南海地區而言，降水量大和降水頻次高也是造成海域濕度常年較高的另一重要原因。

表1 三大海域年平均濕度和降水量情況

1.1.3 高鹽霧

海洋大氣中鹽霧的主要來源是海沫產生的海鹽顆粒，即在海浪的沖擊下，海面上形成很多空氣泡，并很快破裂，進而生成大小不一的眾多鹽水滴隨風擴散，保持微小粒度的水滴長時間漂浮于大氣中形成鹽霧。溫度越高，霧滴所對應的臨界平衡粒徑越小，溫度的升高有利于促進霧滴的形成[8]。文獻[4]中報道了我國東海、南海年均鹽霧濃度分別為 0.1180，0.1275 mg/m3。亞丁灣海域緯度低，氣溫高，日照時數長，海水蒸發量大，因而推測鹽霧濃度或高于我國東南沿海。

1.1.4 強太陽輻射

海上太陽輻射分為直達照射和天空輻射，輻射量與太陽高度及大氣穿透率有關，也與緯度、季節和時刻有關。我國東海、南海年太陽輻射總量統計值為4353，4664 MJ/m2左右[4]，亞丁灣海域太陽輻射高達8094 MJ/m2左右。這是因為該海域常年云量/降水總體較少、太陽日照時數長，強太陽輻射可促使艦艇甲板、艙室等部位溫度升高。

1.2 攜行彈藥存放/使用平臺環境分析

彈藥在水面艦艇上的存放/使用平臺環境是由海洋大氣環境和其在艦艇平臺存放/使用位置共同決定的，存放/使用位置和包裝方式不同，所受環境影響因素不同，環境惡劣程度差異較大。影響艦艇攜行彈藥性能的環境因素主要有溫度、濕度、鹽霧、太陽輻射、霉菌、油霧、沖擊、振動、搖擺、傾斜，按類型可劃分為氣候環境、機械環境兩大類。

1.2.1 氣候環境

1）溫度、濕度、鹽霧。彈藥在水面艦艇上的存放/使用位置一般可分為：甲板上彈鏈、甲板上初發柜、甲板上貯運發箱/筒、甲板下彈鏈、甲板下貯運發箱/筒、甲板下彈藥艙，包裝方式有包裝箱、貯運發箱/筒、發射管、裸態等。初發柜為無揚彈機艦炮設置在其附近甲板上的艦炮炮彈存放裝置，容積小、結構簡單，易受太陽輻射、浪花、海霧的影響，且由于溫差作用柜內常出現凝露現象。

貯運發箱/筒是艦載導彈的主要存放/使用位置，集貯運、防護、發射于一體，可分為彈庫型（甲板下）和艦面型（甲板上），采取密封、隔熱、充干燥氣體或惰性氣體等措施，內部環境控制相對較好。對于彈庫型導彈，包裝密封完好時，氣候環境為艙室內溫度傳導、包裝內微環境濕度的組合，密封結構破壞后則為艙室內溫度、濕度、鹽霧的組合；對于艦面型導彈，密封完好時的氣候環境為太陽輻射溫度傳導、包裝內微環境濕度，密封結構破壞后則為所在海域的溫度、濕度、鹽霧環境的組合。

彈藥艙位于甲板下方，貯存的彈藥有：發射架上的魚雷艙、發射管中的魚雷、處于非值班狀態的炮彈和輕武器彈藥等。大中型艦艇彈藥艙一般布置在其標準排水線以下，受海水溫度影響，一般溫度較低且溫差較小；小型艦艇彈藥艙一般直接布設在甲板下，由于甲板直接受日光的曝曬和空氣環境溫度的影響，彈藥艙的溫度較高，且變化較大。根據文獻[9]描述，彈藥艙通常應設計有獨立冷卻通風系統，艙壁和甲板為鋼質水密結構。GJB 4000—2000[10]中引述的英海軍工程標準NES 183對彈藥艙環境條件作出了如下規定：相對濕度應控制在 30%～70%，保存推進劑的彈藥庫中溫度不超過32 ℃，保存其他爆炸物的彈藥庫不超35 ℃。當系統發生故障時，彈藥庫溫度可能在12 h內上升到40 ℃，可使用臨時通風/冷卻裝置。據此可以推測，在無設備故障的情況下，彈藥艙環境較好。

戰備值班的艦炮炮彈位于甲板下方彈鏈位置，戰備值班的重機槍彈藥位于甲板上方彈鏈位置，均為無包裝防護狀態，但甲板上方重機槍彈藥的環境遠比甲板下方艦炮炮彈惡劣得多。甲板下方裸露狀態彈藥的氣候環境主要由海洋大氣溫度傳導和海水溫度傳導形成的溫度、艙室內濕度和鹽霧構成；甲板上方裸露彈藥的氣候環境主要為所在海域的溫度、濕度、鹽霧環境。

2）霉菌、油霧。艦艇艙室的高溫、高濕環境為霉菌的迅速生長提供了條件，霉菌可附著于彈藥包裝箱、塑料包裝筒、橡膠密封件等部位。據田金豹對熱帶地區某艦艇部隊調研，642名艇員中533是淺部霉菌病患者[11]，可見艦艇上霉菌環境無處不在，攜行彈藥亦不可避免地會受到霉菌影響。艦艇上使用的油品達十余種之多，如燃油、潤滑油、液壓油、機油、特種儀器用油等，這些油品在高溫條件下會霧化和蒸發，在艦艇艙室空氣中形成油霧，主要成分為碳氫化合物、有機化合物和酸堿類等物質，同鹽霧一樣也會對艦載武器裝備產生腐蝕，降低攜行彈藥的使用壽命和性能[12-13]。

1.2.2 機械環境

艦艇攜行彈藥的機械環境主要來自于艦艇平臺本身受到的沖擊、振動和產生的搖擺、傾斜等。

1）沖擊和振動。風浪、潮汐、浪涌會對艦艇造成一定強度的重復性沖擊，該沖擊形式強度一般較低，是最常見的機械環境。同時艦艇可能還會遭受碰撞、擱淺、自身武器射擊、敵方武器攻擊等非重復性的強烈沖擊，這種沖擊屬極端情況。艦艇運行時的振動激勵源主要為主機不平衡矩和螺旋槳力[14]，一般頻率較高，但經一系列傳遞后最終影響到攜行彈藥時頻率會降低到較低程度。

2）搖擺和傾斜。艦艇搖擺是指艦艇平臺的搖擺和平移運動，其中橫搖、縱搖和艏搖影響最大[15]。傾斜一般指艦艇在回轉卡舵或浸水情況下發生的縱向（或橫向）最大傾角運動。艦艇攜行彈藥必須滿足在搖擺和傾斜界限狀態下能夠正常工作的要求。

根據以上分析，艦艇攜行彈藥因其存放/使用位置不同導致所處的局部環境存在差異，各環境因素對艦艇攜行彈藥的影響程度也輕重不一，機械環境對不同位置彈藥的影響程度差別不大，相對于氣候環境而言對彈藥的影響是次要的。表2給出了各環境因素對艦艇攜行彈藥的影響程度。

表2 環境因素對艦艇攜行彈藥的影響程度

2 環境效應分析

2.1 防護包裝[4,16]

艦船上彈藥包裝主要有貯運發箱（筒）、發射管、金屬包裝箱，高溫、高濕、高鹽霧會破壞包裝防護層，對基體產生腐蝕，影響包裝箱密封件老化失效，引起密封結構破壞。隔熱材料容易受潮和老化，引起性能降低，導致箱內溫度升幅和升速增加。尤其是對于艦面型導彈而言，其貯運發箱（筒）處于惡劣的海洋大氣環境中，白天箱（筒）體表面因太陽輻射吸收大量熱量，通過熱傳導使箱內溫度、壓力逐漸升高。當箱內壓力達到臨界值后，箱（筒）蓋及窗口密封件發生膨脹變形、受損。夜間環境溫度下降，密封件收縮，長此以往可能造成毛細孔隙，導致“慢撒氣”泄露現象，進而使得外部環境中含有鹽霧、霉菌等腐蝕性組分的潮濕空氣進入發射箱內。加之艦艇受到沖擊和振動等環境因素的影響，最終會導致發射箱失效。

2.2 彈體

彈體由金屬基體和涂鍍層構成，在艦艇高溫、高濕、高鹽霧環境下的主要損傷效應為腐蝕。艦艇攜行彈藥彈體腐蝕主要有：漆膜損傷破壞處的全面腐蝕、漆膜下的絲狀腐蝕、金屬鍍層的全面腐蝕、彈帶的黑色腐蝕等，典型腐蝕形態如圖1所示。這是因為在高濕和溫度交變條件下，濕氣可在涂鍍層表面形成液膜，鹽霧中的鹽分溶解在彈體表面的液膜中，一起形成強電解質溶液，通過化學氧化和電化學雙重作用破壞涂鍍層，進而造成金屬基體腐蝕。高溫還會加速腐蝕反應速度，若有油霧存在的情況下，其攜帶的腐蝕性氣體將進一步加快彈體腐蝕速度。

2.3 裝藥

彈藥裝藥主要包括發射裝藥（火藥）、戰斗部裝藥（炸藥）、火箭發動機裝藥（推進劑）。

艦艇攜行彈藥的發射裝藥和戰斗部裝藥主要受溫度、濕度的影響，主要損傷效應表現為熱分解加速、吸濕膨脹、化學成分變化導致尺寸和質量變化、點火困難、燃速變化、爆炸威力降低等。有研究表明[17-18]：儲存環境每升高10 ℃，火炸藥的分解速率就增大 1倍。過高的濕度會造成火炸藥裝藥吸濕受潮，促進裝藥加速分解變質。黑火藥吸濕大于 2%時，就會出現點火困難、燃速下降，吸濕達15%時，則喪失燃燒性能。當銨梯炸藥含水大于3%時，用8號雷管不能起爆。同時，機械環境可能對戰斗部裝藥尺寸、應力等產生影響。

發動機裝藥在貯存期間，溫度升高會使分子的熱運動速度加快，促進推進劑降解和交聯，以及組分遷移，使藥柱軟化、斷裂。濕度對發動機裝藥的影響有：破壞界面粘附，促使粘結劑水解斷鍵，使氧化劑溶解、遷移和沉淀等。損傷結果主要表現為推進劑力學性能降低、燃燒性能劣化。圖2表明，在25 ℃、RH為95%的環境下貯存32 d，力學性能即下降36.4%。鹽霧、霉菌也會對發動機裝藥力學性能有不同程度的影響，與濕度緊密相關，除能使裝藥發生明顯變形以及強度下降外，還可能使藥柱表面附著細小白色粉末，出現汗珠滲出狀液滴、發黏、粗糙等[19]。嚴重的振動和沖擊會對發動機裝藥粘結界面產生影響，可能導致脫粘，發射失敗。

2.4 引信

引信由電路、保險機構、發火機構、隔爆機構、傳爆序列等組成，典型產品既有機械構件，又有電子產品，還有化學藥劑。艦艇上高溫、高濕、高鹽霧、油霧環境可引起引信內部金屬零件的銹蝕，導致保險機構、觸發機構、傳爆機構的失效；可引起電子元件擊穿、斷路、短路、參數漂移等失效。如某小口徑彈貯存 4年半后即出現引信失效，導致彈藥瞎火現象[17]。對引信體分解檢查發現，該彈所用機械觸發式引信發生傳爆管氧化、保險帶變色、安全圈變色、盤簧變色等現象。經分析，原因是由于引信內部和外界某相通處為活動部件，存在一定公差間隙，在長貯過程中造成了一定的濕氣滲透。

2.5 火工品

溫度可造成火工品藥劑貯存老化分解。GJB 736.8—90[20]指出，當火工品貯存過程中采取了防止水分侵蝕措施后，溫度間隔10 ℃時，高溫相對于低溫下的反應溫度系數大約為 2.7左右。文獻[21]以現役某型反艦導彈2型火工品為研究對象，開展了壽命影響因素分析，結果表明，它們采取密封措施裝彈后置于貯運發射箱中，溫度變化是最主要的影響因素。

溫度還會增大潮濕空氣的浸透率，濕度可導致非密封型火工品藥劑受潮，引起感度降低，同時可引起電火工品橋絲腐蝕、斷橋、電阻變化等，最終導致火工品不能可靠點火或輸出能量不足，影響是致命的[22]。西南技術工程研究所曾開展過 30發某基本藥管在60，70，75，80，85 ℃下分別老化28 d的試驗，檢測得到累計失效數分布情況如圖3所示。可以看出，濕度一定時，溫度越高，時間越長，失效越多，溫濕度對火工品的影響具有協同作用。

2.6 電子部件系統

普通彈藥的引信、導彈制導系統等產品中應用了大量的電子部件，當艦艇高溫、高濕環境作用于電子部件時，可以構成水氣吸附、吸收和擴散作用。許多材料在吸濕后膨脹、性能變壞、引起機械強度下降。同時吸附了水氣的絕緣材料會引起電性能下降，鹽霧和油霧中腐蝕介質豐富，可加速腐蝕殼體、電路板、焊腳等[23-24]。某型導彈電子產品在艦艇攜行環境下出現故障較多電子產品的典型失效模式及機理[25]見表 3。

表3 電子產品失效模式及失效機理

3 結語

熱帶海洋環境下艦艇攜行彈藥服役環境惡劣，高溫、高濕、高鹽霧、強太陽輻射、霉菌是其主要影響因素。彈藥又因其在艦艇平臺上存放/使用位置不同、包裝狀態不同，面臨的主要環境因素存在較大差異。建議深入開展不同海域環境下艦艇上不同存放/使用位置彈藥的局部環境監測研究，為攜行彈藥環境適應性的設計和驗證、制定環境控制措施提供數據基礎，有效提高其海洋大氣環境適應性水平，支撐我國海軍不斷走向深藍。

熱帶海洋環境對艦艇攜行彈藥各分系統均會造成較大影響，環境效應體現在各分系統上是綜合性的。不同分系統之間的環境效應有共同點，如金屬材料腐蝕、非金屬力學性能下降、電子部件阻值變化等，又因組成材料、功能不同存在區別，如含能材料的損傷效應。建議以分系統乃至全彈為對象，長期開展數據積累研究，加強艦艇攜行彈藥海洋環境損傷效應與機理研究，分類建立數據庫，有效利用好這些環境效應數據，反向支撐艦艇攜行彈藥環境適應性設計、彈藥維保措施制定等實踐，從根本上提升我國海軍艦艇攜行彈藥的海洋環境適應性總體水平。

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