滾塑無傘空投儲水罐的設計與分析

趙西友 ，李彥平，王靜偉 ，耿小凱

(1.空降兵訓練基地，廣西 桂林 541003；2.河北金后盾塑膠有限公司，河北 邢臺 054000)

0 前言

目前救援物資的主要空投方式為有傘空投，有傘空投準備工作繁雜，著陸散布面廣，空投成本高、氣候環境影響大，整體利用率低。有傘空投的高成本和低效率促進了空投物資的無傘空投包裝的研究。

無傘空投是指裝備、物資不系降落傘的空投，具有包裝簡單、受氣象影響小、著陸散布小、成本低、利用率高等特點。本文以飲用水、汽油、柴油等液體類物資無傘空投為研究對象，通過對無傘空投包裝的結構、外形、尺寸設計、材料調配、工藝改進、空投實用性能進行研究，實現液體類物資在150 m高空的成功無傘空投。

1 研制背景

滾塑無傘空投儲水罐，在150 m的高度空投后呈近似于自由落體的加速運動，其著陸時的瞬時速度在42.5 m/s左右。因而，著陸時滾塑無傘空投儲水罐將承受巨大的沖擊力。但著陸時的沖擊力不會對液體本身造成破壞，而是轉化為對罐體的破壞。從數值模擬和空投試驗的結果來看，對罐體的破壞方式有2種情況：一是在著陸瞬間液體向四周急劇擴散，由于受到罐體的限制，從而對罐體形成了巨大的張力，罐體發生突然變形，因而有可能對罐體造成破壞；二是通過實際高空空投試驗發現，由于液體的流體特性，以及罐體的不規則和著陸姿態的不確定性，可能造成液體向四周的不均勻擴散，著陸瞬間在某個部位可能形成液體的局部強烈沖擊，使罐體的局部突破其所能承受的強度和彈性極限，對罐體造成破壞。

由以上分析可知，空投的成功與否，取決于罐體是否完好，以及液體是否外泄或污染。因此，對滾塑無傘空投儲水罐設計的目的不僅僅是通過緩沖來減輕儲水罐承受的沖擊力，而是通過滾塑設計采用具有足夠強度并且利于在著陸瞬間釋放或轉化能量的高分子材料，來抵抗液體所承受的瞬間沖擊力，以確保液體著陸后的完好。

目前常用的儲水罐有鐵皮桶、橡膠儲水罐、聚氯乙烯(PVC)涂層布儲水罐。鐵皮桶沉重、易生銹、壽命短，主要應用于短途少量水的存儲。橡膠儲水罐材料常用非飲用水等工業用水的儲存，橡膠有毒，不能儲存飲用水；PVC涂層布儲水罐雖然無毒無味、可折疊、質量輕，方便攜帶，但是不能帶水空投。為了解決以上常用儲水罐存在的問題及弊端，進行了本次創新設計。

部隊在作戰、演習或在野外訓練時，飲用水及飲用水的補給相當重要。目前野戰部隊的飲用水的主要獲取方式是就地尋找淡水資源，采用凈水設備凈水，然后用現有儲水袋、儲水罐儲存凈化后的水，但很大程度受地理環境影響，尤其是在惡劣環境或在減災救援中，目前帶降落傘的空投仍然是主要的空投方式。例如在2008年的5.12汶川大地震中，大部分的物資都是通過有傘空投來完成，準備工作繁雜，著陸散布面廣，利用率低，裝備一次性使用，在經濟上造成了很大的浪費。雖然也利用直升機在距地面很低的高度實施了飲用水的直接空投，但專用的無傘空投儲水罐進行有效的緩沖防護，效果很不理想，無法解決緊急用水情況。因此，結合無傘空投技術，滾塑無傘空投儲水罐的設計制作，降低成本，提高液體空投有效性，對于野戰、救援部隊飲用水的補給有很大幫助。

2 基本組成與功能

滾塑無傘空投儲水罐主要用于空投飲用水，也可進行汽油、柴油等液體類補給物資，使用航空器范圍廣，包括各種型號的運輸機、運輸直升機等，可進行單個空投，也可捆綁成小件、中件或大件空投。

由儲水罐和攜行包組成(見圖1)。儲水罐用于盛裝液體，主要包括滾塑成型的橢球形罐體和不銹鋼材質的充、放液口，是盛裝液體的主要載體。攜行袋主要用于儲水罐在裝卸、運輸過程中的攜行，同時對袋體也有一定的保護作用。空投系統具有成本低、包裝快以及投放后散布度小的優點，是一種在救災和緊急援救行動中值得推廣的新型空投裝備。

圖1 滾塑無傘空投儲水罐組成Fig.1 Composition of rotationally molded water storage tank

3 成型工藝

3.1 工藝簡介

滾塑無傘空投儲水罐的成型工藝為滾塑工藝一體成型。滾塑工藝是目前國際最先進的塑料包裝制品生產制作工藝之一，它可以成型大型、超大型、復雜型、一箱多腔型、多色、多層壁的制品。該工藝在成型過程中分子自由結合、鏈接緊密，不受任何外力作用，產品無內應力，使產品韌性好，受強沖擊后不易變形和破裂。此工藝本身會形成制品邊角較厚，自然形成框架支撐結構，使跌落時最易著地的邊角位置強度大，因此成就了制品的強抗沖擊能力，不變形、不損壞，使用壽命長。基于以上性能，滾塑包裝箱特別適用于野外作業和野戰軍用裝備物資的包裝儲運，滾塑包裝也一直作為美國等西方發達國家軍用裝備物資的主流包裝產品，廣泛應用于近幾場局部戰爭中，戰場環境勤務適應性已經得到了多年的實戰檢驗。

3.2 滾塑產品性能特點

(1)環境適應性強，耐濕熱、耐高低溫；(2)抗沖擊性強，可實現有傘/無傘空投；(3)耐酸堿腐蝕，耐鹽霧，防霉菌；(4)水密性好，防水隔潮，可漂浮救生；(5)氣密性好，可充惰性氣體，可長效封存；(6)耐壓減震，方便堆碼，可集裝化運輸；(7)實用性強，性價比高，使用壽命長；(8)材料環保，無毒無味，可回收，循環使用；(9)模塊化設計，組合靈活，便于攜行；(10)可實現阻燃抗靜電，電磁屏蔽，紅外隱身。

3.3 本項目生產工藝

本產品采用了最新創新研發成果“三明治”生產工藝。該工藝采用多步間歇滾塑發泡成型技術，需要在模具中先加入非發泡樹脂，然后加入發泡樹脂，再加入非發泡樹脂，當模具內的非發泡樹脂粉末開始熔融，覆蓋住模具內壁后，打開投入箱或投入袋，釋放出發泡樹脂粉末，這樣就能在致密的非發泡層上形成發泡內芯，當發泡內芯成型后，然后使用第二個投入箱或投入袋，在已形成的發泡內芯層表面釋放非發泡樹脂，形成非發泡層，即所謂的“三明治”結構。

3.4 工藝關鍵控制點

(1)滾塑多層加工工藝各層材料的選擇。材料既要充分滿足產品的性能，如沖擊強度、彎曲模量等理化性能指標的要求，各層材料又要能充分結合在一起，最終達到產品整體相對減重、性能增強的目的;

(2)本項目材料涉及發泡原材料和非發泡原材料，增加了停機開模的工序，為了方便開模加料，滾塑模具需要特殊設計，加料口的大小、開口位置、如何與工藝執行性、工人操作性實際結合均是本項目的關鍵控制點，滾塑模具的設計也是本項目的關鍵技術之一;

(3)在滾塑加工工藝中，溫度對模內粉料的影響很大，溫度的控制直接影響多層滾塑成型工藝的層與層之間的結合程度與成型質量。每種材料均有其固有特性，在滾塑加工工藝的總體要求下，不僅要使其充分結合、減輕箱體總體質量，更要提高產品的抗沖擊強度，滾塑加工工藝參數如投料時間、加熱時間、轉速、風冷時間、水冷時間等工藝參數的確定，也是本項目的關鍵控制的重點。

該工藝生產的產品“空投型彈藥包裝箱”已于2017年在空軍進行了實彈空投試驗，戰技指標全部達到空投新標準，該工藝應用成熟。

4 結構設計

滾塑無傘空投儲水罐整體結構為橢球形，無任何邊角棱等應力集中結構。底面為平面，底面與水罐四壁通過圓角結構平滑過渡，避免空投時應力集中結構局部受到強沖擊而發生破裂。表面均勻分布圓條狀加強筋結構，更加增強水罐整體結構的強度，增加其抗沖擊性能。

考慮物資攜行、搬運方便，罐體自身兩側設置有滾塑一體成型的把手槽，把手為箱體內凹設計自然形成。注水口、出水口均采用內嵌結構形式，與箱體緊密結合為一體。注水口蓋、出水口蓋通過螺紋連接進行密封，且密封后整體低于產品表面，產品表面設有防護凸肋，避免空投時受到沖擊。

1—罐體 2—加強筋 3—出水口 4—防護凸肋 5—螺紋堵頭 6—注水口 7—把握槽圖2 滾塑空投水罐Fig.2 Rotationally molded water storage tank

5 材質

5.1 罐體材質

儲水罐可以盛裝飲用水及汽油、柴油，作為儲存食用物資的產品，材質的選擇必須符合食品包裝安全要求，另外還需要高強度的抗沖擊性能和彈性。綜合設計者多年的同類產品的研發經驗，無傘空投儲水罐罐體材質選用食品級聚乙烯，食品級聚乙烯，耐酸堿、抗腐蝕性能好，力學性能優良，該材質已普遍應用于食品級塑料制品、菜板、儲水罐、水箱等。

該儲水罐采用滾塑成型的橢球形結構，一體成型，無棱角、無附加緩沖結構，與地面接觸時無應力集中點，并可形成彈跳緩沖，避免直接沖擊，提高抗沖擊性。罐體采用3層結構，抗沖擊外層原料采用中密度茂金屬聚乙烯，使外層強度高、韌性、剛性好；發泡中層包括高密度聚乙烯、低密度聚乙烯及適量的發泡劑，可降低罐體質量并吸收沖擊；防滲內層原料采用高密度聚乙烯，可形成致密、光滑的內膜層，并可根據液體材質適當調整其工藝和配方，盛裝飲用水時選用食品級聚乙烯，盛裝燃油或化學液體時可對應選擇防滲、耐腐的聚乙烯；這種結構和配方不但顯著提高了儲水罐的強度、韌性、抗沖擊性能，還可對應盛裝不同液體，進而實現了帶液無傘空投。

表1 主要原材料的技術指標 106個/cm3

5.2 五金件設計

注水口、出水口各一個，分別為設置在罐體頂端正中及設置在側面偏上。這樣設置，可便于灌裝和傾倒液體。注水口、出水口選用304不銹鋼材質。該材質耐酸堿腐蝕、防霉菌、防銹，可靠性高，環境適應性強。

1—防脫基座 2—螺紋套筒 3—“L”形防脫鉤 4—圍欄 5—罐體 6—螺紋孔座 7—螺紋堵頭圖3 出水口、注水口的結構示意圖Fig.3 Diagram of outlet and injection nozzle

注水口、出水口的安裝方式：將不銹鋼螺紋孔座預埋于罐體壁內，并采用多邊形防脫基座加“L”形防脫鉤和圍欄結構，使螺紋孔座與罐體壁緊密結合。該結構密封性好，且具有較高的強度，避免高速沖擊造成的破裂或脫落。注水蓋和出水蓋和孔座采用螺紋連接，形成密封結構。“L”形防脫鉤頂端借助圍欄連接，形成增強螺紋孔座強度的輔助防脫結構。

5.3 攜行包材質

攜行包材質為帆布，袋體和手提帶固定牢靠，主要為了解決儲水罐在運輸過程中的攜行問題。

6 滾塑無傘空投水罐抗沖擊性

無傘空投水罐一體成型，結構規整性高；無棱角、與地面接觸時無應力集中點，并可形成彈跳緩沖、避免直接沖擊；無附加緩沖結構，結構簡單；并集合各層聚乙烯材質的優點，顯著提高了儲水罐的強度、韌性、抗沖擊性能，實現了減薄、減重的同時獲得較高的強度和抗沖擊能力。

罐體表面均勻環繞有凸出的緯向加強筋，截面形狀為半圓形。加強筋與罐體一體成型，圓滑過渡，可避免產生應力集中點，且一般制品的剛度和厚度的平方成正比，凸出增厚加強筋可有效提高水罐的抗沖擊性能。

圖4 加強筋結構示意圖Fig.4 Sketch of rein forcing bars

25 L容量儲水罐的罐重為4～8 kg，力學性能與各層的厚度相關，在一定范圍內，厚度越大，力學性能越好。儲水罐的彎曲剛度可達1 500～1 720 MPa、拉伸強度可達32.3～33.4 MPa、沖擊強度可達100～120 kJ/m2。

滾塑工程中，通過合理控制溫度和加熱時間來控制熔融程度，通過準確控制轉速來獲得均勻的覆蓋厚度和適當的粉末軌跡；滾塑生產后，由于冷卻速度的不同，聚乙烯滾塑制品的密度發生一定變化，并對產品的收縮有一定影響。在冷卻過程中，聚乙烯分子從無序的狀態轉變為較為有序的結晶態，當結晶度不同時，聚乙烯制品的密度就不同，物理性能也將有所差別。急速冷卻的聚乙烯滾塑制品具有較低的密度，而緩慢冷卻的制品則具有較高的密度。通過合理控制冷卻時間以控制結晶度，從而獲得很好的強度和抗沖擊性能。

滾塑過程為3次加料，保持主副軸雙向旋轉，主/副軸轉速為(5～10)/(10～25) Hz;

(1)注入抗沖擊外層原料，爐溫280～300 ℃，加熱時間15～20 min；(2)注入發泡中層原料，爐溫200～220 ℃，加熱時間20～25 min；(3)注入防滲內層原料，爐溫250～270 ℃，加熱時間15～20 min；

打開烘箱艙門冷卻30～50 min，待模具表面溫度降至75～80 ℃時進行卸模。

按照GJB 6854—2009《空降兵裝備空投要求》，將儲水罐內裝相應液體后進行抗沖擊試驗，在水泥地和草地上進行無傘空投的高度均可達150 mm以上。從圖5、圖6可以看出，空投現場為沙礫的，儲水罐150 m 跌落后僅表面劃傷，產品無變形、無損壞，可正常使用。

圖5 著地瞬間狀態Fig.5 Instantaneous state of landing

圖6 跌落后狀態Fig.6 State of falling behind