浅析舰载武器海洋环境适应性验证要求

张艳辉



浅析舰载武器海洋环境适应性验证要求

张艳辉

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009）

基于舰载武器随航母服役寿命期海洋环境特点，从标准选用和剪裁的角度对其环境适应性试验验证要求进行了分析。综合考虑舰载武器所面临的气候环境和机械环境，全面提出了舰载武器海洋环境适应性验证要求的一些建议。由于目前我国对舰载导弹海洋环境研究尚不充分，依据标准也大多是国外不同渠道引进的，尚有不一致之处，标准剪裁是否合理有待商榷。同时，还指出了需要进一步研究的关键技术问题，以为更合理提出海洋环境适应性验证要求提供支撑。

舰载武器；海洋环境；环境适应性

我国海洋边界线漫长、海域辽阔，海洋气候环境条件复杂多变，具有高温、高湿、高盐雾、污损物多且繁殖快、浪高、涌急、风大、光照强及雨量充沛等显著特征。舰载武器随航母巡航、训练和执行任务时必然会受到海洋环境的严酷影响，在这些环境的作用下可能会导致舰载导弹结构损坏、功能丧失或性能超差，进而影响其作战效能。同时，目前海洋作战在现代战争中越来越重要，提高舰载武器海洋环境适应性水平已是一项十分迫切而又艰巨的任务。

为确定舰载武器是否达到预期的环境适应性指标，必须提出合理可行的环境适应性验证要求对其进行充分考核。环境适应性验证应首选试验验证，在无法或无条件开展试验验证的情况下，可以使用分析方法验证或使用过程中验证[1]。文中通过对舰载武器随航母服役寿命期的海洋环境进行系统分析，并综合考虑标准的合理选用和剪裁，着重从试验验证的角度全面提出了舰载武器海洋环境适应性验证要求的一些建议。

1 舰载武器海洋环境分析

美国空军总部对其沿海基地的装备故障情况调查显示，有52%的失效是由环境因素引起的。其中，由温度引起的占40%，由振动引起的占27%，由湿度引起的占19%，其余14%是盐雾、霉菌、冲击等引发的故障[2]。由此可见，海洋环境因素对舰载武器功能/性能的发挥有着重大的影响。海洋环境主要包括气候环境和机械环境。其中，气候环境主要有温度、湿度、盐雾、霉菌、淋雨、冰雪、太阳辐射等；机械环境主要有舰船振动、颠震、倾斜和摇摆等。

1.1 气候环境

1.1.1 温度和湿度

温度是最具普遍性的环境因素，舰载武器随航母服役的整个寿命期内都会经受高、低温环境。舰载武器在舰面临时存放或值班随航母在低纬度热/亚热带海域活动、夏季在海上航行、遇到海洋暖流时，会遇到严酷的高温环境。相反，随航母在高纬度海域活动，或冬季在海上航行时，会遇到严酷的低温环境。

湿度大是海洋环境的显著特点，大量海水的蒸发、降雨、海雾以及风浪引起的海水飞溅是造成海洋潮湿环境的原因。据统计，我国西沙群岛海域1988—1997年10年间，年平均相对湿度在80%~84%之间，最高为100%，最低为47%，月平均相对湿度大于80%的时间一年有9个月以上[3]。可见，舰载武器随航母服役的整个寿命期内极易受到恶劣潮湿环境的影响。

1.1.2 盐雾和霉菌

海洋盐雾环境非常严酷，实测数据表明，海洋大气中的含盐量是内陆地区的50~100倍，甚至更高，而且舰载武器除会受到由海水飞溅形成的盐雾环境影响外，还会受航母动力装置排放的燃烧废气以及舰载飞机起飞、降落排放的尾气如SO2，NO2等污染物质的影响，而呈现明显的酸性盐雾特征。据美国某航空协会验证，停放在航母甲板上的飞机表面聚积的湿气中含有大量的SO42-，并具有较低的pH值（约为2.4~4.0）[4]。

海洋湿热的大气环境为霉菌滋生提供了有利条件。一般情况下，霉菌孢子在相对温度为5~50 ℃和相对湿度在90%~100%的环境中能够较快生长。舰载武器舱内不通风，极易诱发有利于霉菌生长的温湿度环境。

1.1.3 淋雨、冰雪和太阳辐射

舰载武器在舰面临时存放或值班时，会经受日复一日的太阳辐射环境。在我国南海，总辐射强度最高可达1.12 kW/m2，甚至超过波斯湾。海洋气候变化无常，有时还很容易遇到降雨强度达100 mm/h并伴随18 m/s大风的暴雨情况。当航母在寒冷海域的大浪中航行时，舰载武器表面还会很容易结冰，这对其结构强度提出了一定的要求。GJB 1060.2—91《舰船环境条件要求气候环境》中规定，舰船露天部位设备应能承受0.96 kPa的雪载荷和0.22 kPa的冰载荷而不损坏[5]。由于试验手段的局限性，冰雪环境适应性一般是通过设计和仿真分析进行保证。

1.2 机械环境

1.2.1 舰船振动和颠震

舰载武器随航母在海上航行时必定要经历航母上各部件机械运动（如发动机、发电机、螺旋桨和舰炮等）和自然环境（风、浪）诱发的舰船振动环境，且舰船振动环境一般呈现正弦叠加宽带随机振动特征。其中正弦振动的频率与各种旋转源频率一致，在螺旋桨桨叶过频及其谐波频率处的振动往往较强，而宽带随机振动源于航母上所有活动的累积效应、主要海况以及舰船自身动态响应特性的影响。同时，海浪的拍打还会引起颠震环境，它是一种在一定时间间隔内多次出现的重复性低强度的冲击激励。海上大风浪环境下，航母航行时颠震加速度比其振动加速度会大很多，但作用时间短，作用周期长[6]。

1.2.2 倾斜摇摆

自然界中风、浪、流、潮等恶劣环境因素以及航母的航行、回转、破损、操作不当以及装载不平衡等都会不可避免地产生显著的平移、摇摆、上下升沉运动，从而诱发长时间的倾斜环境和摇摆环境，是舰载武器随航母航行所经受的最基本环境。倾斜和摇摆环境主要特征为频率低，倾斜会使舰载导弹承受诱发的静态力，摇摆将使舰载导弹承受诱发的动态力[7]。

2 舰载武器海洋环境适应性验证要求

2.1 温度

舰船露天部位设备高温工作极值按1%时间风险率取值，即48 ℃，高温承受极值按10%时间风险率，预计暴露2，5，10，25年取值，分别为51，51，51，52 ℃。由于舰载导弹舰面挂机值班状态下直接暴露于大气环境中，则应在极值温度的基础上再加上1110 W/m2太阳辐射热产生的温升（相当于17 ℃）[5]，因此，舰载导弹高温工作温度要求为65 ℃，高温贮存温度要求不高于69 ℃。

非极区航行的舰船露天部位设备低温工作极值按5%时间风险率取值，即－28 ℃。极区航行的舰船露天部位设备低温工作极值为－54 ℃。我国航母在极区航行的可能性极小，故该环境可暂不考虑。低温承受极值按10%时间风险率，预计暴露2，5，10，25年取值，分别为－37，－38，－39，－41 ℃[5]。低温极值条件下，黑夜很长，太阳辐射可以忽略不计，温度在一天中基本保持不变，有充足的时间建立温度平衡，这样，诱发温度和低温极值基本相同[8]。因此，舰载导弹低温工作温度要求为－28 ℃，低温贮存温度要求不低于－41 ℃。

温度试验的严酷度除受温度影响外，还和持续时间有关。温度试验的持续时间可按GJB 150.3A和GJB 150.4A确定。另外，为更好地模拟太阳辐射诱发的高温贮存环境，高温贮存试验推荐使用GJB 150.3A中规定的日循环程序[9]。

2.2 湿度

自然界中潮湿环境往往是温度和湿度综合的湿热环境，且湿热环境随地理位置和气候条件的变化，会呈现出明显的动态变化。当相对湿度小于材料的临界相对湿度时，其对装备的影响很小。因此，为了在短时间内能够暴露由湿热环境引起的潜在故障，湿热试验程序一般不模拟复杂的温湿度自然环境或诱发环境，而是采用GJB 150.9A中规定的加严考核试验程序。试验周期一般选用10个周期，若证明10个周期不能反应装备耐湿热环境的能力，可以延长试验周期。比如考核海洋湿热环境对某种金属的腐蚀效应时，应根据金属结构和材料允许的腐蚀程度来延长试验时间。

2.3 盐雾

美国海军航空发展中心（NADC）对海军飞机基础材料、组件开展了大量腐蚀试验研究，形成了较成熟的酸性盐雾试验方法，即NADC81174-60。该方法主要通过材料级腐蚀试验研究得到，对于舰载机机载设备是否适用尚无明确说明[10]。目前我国在酸性盐雾试验方法方面开展的研究验证工作比较少，盐雾环境适应性验证仍广泛采用中性盐雾试验方法。盐雾试验不是寿命期自然盐雾环境的再现，而是以暴露潜在故障为目标的加速腐蚀试验。盐雾试验一般采用连续喷雾和间断喷雾两种方式，其中间断喷雾采用喷雾和干燥交替进行的方式，可使金属表面形成周期性的干湿交替，可以保证试件表面液膜的更新，加快氧的扩散和吸附，促进电化学腐蚀的进行。此外，间断喷雾方式相对于连续喷雾方式更接近海洋服役寿命期环境，而且能够有效地反映腐蚀产物的吸湿性对腐蚀的影响[11]。因此，舰载武器盐雾试验考核可按GJB 150.11A规定的连续喷雾试验程序执行，试验持续时间应不少于96 h，但为了对舰载武器耐受海洋高盐雾环境的能力给出更高置信度的评价，可以增加试验的循环次数。

GJB 150.28A给出了考核在酸性大气地区（如工业区或燃烧设备的废气附近）贮存或使用的装备的试验方法，在现阶段，也可采用酸性大气和中性盐雾两种试验组合的方式来验证舰载武器对酸性盐雾环境的耐受能力[10]。

2.4 霉菌

霉菌试验是人工模拟自然界微生物生存环境所进行的加速试验。霉菌试验的温湿度条件有恒定温湿度条件和交变温湿度条件两种形式，交变温湿度条件更能模拟海洋地区自然界昼夜温湿度变化，而且高湿条件下，温度变化时，湿气可以通过呼吸作用进入产品内部，并形成一层霉菌孢子萌芽所必需的水膜，从而创造了更有利的霉菌生长条件。另外，每一种霉菌都有一个适宜生长的温度条件，一定的温度变化范围相对于恒温更有利于多种霉菌的生长，而且温度变化还能打破某些霉菌孢子的休眠状态。因此，交变温湿度条件相对于恒定温湿度条件更有利于霉菌的生长[12]。故为在短时间内更好地暴露问题，舰载武器霉菌试验考核仍可采用GJB 150.10，试验菌种可根据海洋优势菌种类型和对产品组成材料的敏感程度进行合理剪裁，试验持续时间至少为28 d。这是因为霉菌孢子萌发、菌丝生长、霉菌分解含碳分子以及降解材料的最短时间为28 d，但考虑到长霉对试件产生的间接侵蚀和物理影响往往不可能在较短持续时间内出现，如果要求在确定长霉对试件的影响方面需要提高确定度或降低风险时，则应考虑将试验持续时间延长至84 d。

2.5 淋雨和太阳辐射

淋雨试验主要是用于考核舰载武器防止水渗透的能力，试验时间一般较短。考虑到舰载武器寿命期内淋雨环境一般是没有防降雨和吹雨措施的户外暴露，因此淋雨试验考核可按GJB 150.8A中的程序Ⅰ——降雨和吹雨执行。当舰载武器尺寸较大，试验设备不能满足需求时，也可按程序Ⅱ——强化执行，该程序不模拟自然降雨和吹雨，但可验证舰载武器的防水性。

在太阳的照射下，舰载武器会受到太阳辐射长波的加热效应和短波激发的光化学效应的综合影响。考虑到舰载武器全球部署的可能性，太阳辐射的峰值条件应选择1120 W/m2和49 ℃，因此太阳辐射试验可按GJB 150.7A中的程序Ⅰ——循环试验A1和程序Ⅱ——稳态试验A1执行。程序Ⅰ着重于太阳辐射产生的热效应，试验持续时间应根据实测得到达到最高响应温度的循环数确定，至少为3次循环，至多不应超过7次循环，24 h为一个循环。程序Ⅱ着重于太阳辐射产生的光化学效应，是一种加速试验，试验持续时间应至少为56次循环。考虑到程序Ⅱ一般用于考核涂层、橡胶、塑料、复合材料等有机材料的光化学效应，且试验周期较长，可选择典型样件代替整机进行试验验证。

2.6 舰船振动

为更真实地模拟舰船振动环境正弦叠加宽带随机的振动特征，GJB 150.16A与GJB 150.16，GJB 4.7，MIL-STD-167-1A相比，增加了随机振动部分，但该条目并未给出详细的试验程序，仅提出了一些需要考虑的问题。

为了能更真实地模拟预期暴露平台环境，便于试验实施并节约时间成本，建议舰船振动试验采用随机振动和正弦振动叠加进行的方法。试验轴向为纵向、横向和垂向，振动暴露量级可参照GJB 150.16A中附录A第21类—船—舰船A.2.3.11.2，试验程序按以下三个步骤开展[13—14]。

1）对于每个轴向，首先进行一半正弦振动功能试验，即以1 oct/min的速率进行5次正弦扫频循环试验。同时，试验过程中记录产品出现故障、性能超差、失灵的频率以及共振频率等危险频率。

2）以随机振动作为背景图谱，在随机振动图谱上于正弦扫频确定的危险频率处叠加规定量值的正弦振动，如果有多个危险频率，可同时叠加在随机振动背景图谱上。如果在正弦扫频范围内没有危险频率，应在上限频率上进行。这主要是考虑一定的试验裕量，因为上限频率处的振动次数最多，累积结构疲劳更大，更能暴露潜在故障。

3）再进行最后一半正弦振动功能试验。

2.7 倾斜和摇摆

倾斜环境分为纵倾和横倾两种形式，摇摆环境分为纵摇、横摇和首摇三种形式，舰载武器所经受的倾斜和摇摆环境往往是同时存在的，因此倾斜和摇摆试验往往是采用由这几种形式倾斜角度和摇摆角度的耦合、摇摆周期和试验持续时间4个参数组成的倾斜和摇摆综合试验。GJB 150.23和GJB 150.23A都提出了倾斜和摇摆综合试验程序，GJB 150.23A针对倾斜和摇摆综合试验耦合方式没有任何说明，而是建议根据实测数据确定。在没有实测数据的前提下，本着有效模拟预期倾斜和摇摆环境的原则，倾斜和摇摆综合试验可参照GJB 150.23中规定的横倾和纵倾、横倾和纵摇、横摇和纵倾以及横摇、纵摇和首摇等4种耦合方式以及对应的角度和周期执行，试验持续时间应不少于60 min[15]。同时，考虑到GJB 150.23A中针对水面舰船上应急设备的试验考核需求增加了横倾角度±22.5°一档，建议把倾斜和摇摆综合试验程序中的横倾角度提高到±22.5°进行摸底考核。

2.8 颠震

颠震试验的严酷等级由加速度、重复频率、脉冲持续时间和颠震次数等4个指标决定。颠震加速度等级由风浪大小和航母航速决定，对于航母上的设备，颠震试验加速度一般为7。颠震的重复频率主要取决于波浪的波长和航母航速，实测数据表明，3—4级海况下，航母主机转速为1600 r/min时重复频率可达30~100 次/min。由于航母吨位较大，舰载导弹颠震的重复频率一般取30 次/min。颠震的脉冲持续时间和颠震激励能量成正比，颠震脉冲持续时间一般大于16 ms。颠震次数是颠震时间和重复频率折算过来的，而颠震时间根据航母使用巡航速度的时间来确定，颠震次数一般取3000 次。除此之外，除另有规定，颠震的脉冲波形一般为半正弦波，且只进行垂向颠震试验[6,16]。

3 结语

文中着重从试验验证的角度阐述了舰载导弹环境适应性验证要求的有关问题，但由于目前我国对舰载导弹海洋环境的研究尚不充分，依据标准也大多是国外不同渠道引进的，尚有不一致之处，标准剪裁是否合理有待商榷。同时，建议开展舰船平台海洋机械环境测量与分析以及机载设备酸性盐雾方法研究，以为更合理提出海洋环境适应性验证要求提供支撑，确保舰载武器能够在海洋环境下可靠地工作。

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Requirement on Suitability Verification of Shipborne Weapons in Marine Environment

ZHANG Yan-hui

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

The paper analyzed verification requirements of environmental suitability from standard selection and use based on features of shipborne weapons serving with aircraft carrier in marine environment. After comprehensive consideration on climatic and mechanical environment faced by shipborne weapons, some suguestions on verification requirements of environmental suitability of shipborne weapons were proposed overall. At present, the research on the marine environment of shipborne weapons is insufficient, and most standards are introduced from different channels from foreign counties. There are many inconformities. Whether the standard tailoring is reasonable remains to be discussed. Meanwhile, it also pointed out key technical problems in further research and provided support to propose more reasonbale verification requirements on environmental suitability.

shipborne weapon; marine environment; environmental suitability

10.7643/ issn.1672-9242.2017.05.002

TJ83；TQ317.6

A

1672-9242(2017)05-0008-04

2016-12-08；

2017-01-08

张艳辉（198—），女，工程师，主要研究方向为机载设备环境工程。