舰船携行弹药引信安全风险分析

张 旭， 张浩宇， 吕晓峰， 马 羚

(1.海军航空大学，山东 烟台264001;2.山东旅游职业学院，山东 济南250200)

0 引言

大型舰船通常携载大量的弹药，如导弹、鱼雷、火箭弹等，舰船作为移动的作战平台，其自然环境、力学环境和电磁环境与地面平台有着显著有区别，如高温、高湿贮存环境，振动、冲击和过载等作业环境，舰载雷达、通信及各种微波源构成的复杂电磁环境等，对携行弹药引信安全都会构成潜在的威胁，带来安全性风险。

本文以大型舰船贮存及作业环境为背景，针对力学环境、电磁环境、热环境中典型的安全影响因素进行分析。构建简化的舰船电磁模型，具体阐述其对舰船携行弹药引信安全危害机理，并提出改进性建议。

1 典型安全影响因素

1.1 舰船力学环境

航行中的舰船一直是处于晃动状态，尤其在舰船高速航行、遭遇大风浪、水中弹药爆炸等情况下，舰船摇晃、振动更加明显。此外，弹药因搬运或制动冲脱导致的跌落冲击，对引信安全也会造成较大影响。

(1)振动影响及效应

振动是危害弹药引信安全重要的力学环境因素。作用在弹药引信上的力，通常不是单因素作用的，而是几个因素共同作用所形成的综合振动效应，如机械冲击、随机振动、稳态加速、静载负荷、正弦振动等多个诱因共同作用。

在海上航行条件下，舰船发动机、柴油机发电机、螺旋桨、转轴等设备和部件会引起周期性振动，振动频率通常为(30～40)Hz，有时还可达到60 Hz，振动幅度0.15 mm，高时可达到0.6 mm左右，冲击加速度可达2g[1]。上限频率视推进转速和螺旋桨叶片数而定。

舰船在航行时，船体与水流的相对运动，水体本身的运动，以及船体摇摆扭曲等，则会引起舰船的随机振动。

振动对引信的作用主要体现在机械和电气影响两个方面。在机械影响方面，会造成弹药引信装药的松动或损坏，其最直接、最显著的影响作用是使机械部件产生应力和疲劳。在共振条件下，当激励产生的加速度超过弹药实际安全负荷时，会致使保险解脱;长时间振动则导致弹簧的疲劳老化，弹性降低，使引信易于解脱保险而发生危险。在电气影响方面，会使晶体管外引线、固体电路管脚、导线折断;继电器、开关失效;电子插件性能下降;引信装置电气性能下降;粘层、键合点脱开，电路短路或断路。

(2)冲击影响及效应

大型舰船携行弹药引信在转运、值班过程中可能经历的冲击环境主要有：

a)转载、搬运时因人为失误或机械故障造成坠落、撞击而产生的冲击;

b)转运中，载体遇突然情况发生跌落或碰撞而产生的冲击;

c)挂接载体之间相互碰撞而产生的冲击;

d)空中载体在起飞、着陆特别是弹射起飞、拦阻降落而产生的冲击。

跌落高度和冲击取决于作业状态。人在搬运过程的最大举高约3 m，货物质量一般小于50 kg;机械铲车最大举高4 m;吊装时最大举高约6 m;存放时堆码高度最高3.5 m。

不同介质(水泥、沥青、土壤、钢板)、不同的倾角、不同的跌落高度，产生的冲击加速度值存在较大差异。以钢质表面为例：0.5 m 跌落高跌落时，加速度峰值为9 500 g，冲击持续时间为1.4 ms;1 m跌落高跌落时，加速度峰值为11 000 g，冲击持续时间为1.75 ms[2]。

剧烈的冲击对弹药引信的危害是显而易见的，不仅会对产品外形造成破坏，还会影响引信的安全性。冲击所产生的主要作用是使机械部件产生应力，也会引起机电产品(如机电引信)电气性能变化。机械影响方面，使产品结构因快速增长的应力而失效，如永久性变形、折断或断裂等;产品结构间的相对运动增大，摩擦或干扰效能增加，加速材料的低周期疲劳，进而造成引信机构失效。电气影响方面，则会改变引信绝缘强度，降低绝缘电阻;使磁场和静电场强度发生变化;导线断裂或电路短路。

1.2 舰船电磁环境

大型舰船通常携载有大量的电磁能辐射装置，如搜索雷达、警戒雷达、导航雷达、超高频通讯发射机、识别应答器等。本文以仅以短波单鞭天线和舰载相控阵雷达为例，分析其电磁场特性，及对引信安全性影响。

(1)短波单鞭天线电磁场

常用的短波天线有单根或多根导线组成的斜天线、鞭状天线、宽频带天线和定向天线等。海上短波无线电通信使用频率范围为(1.65～25.6)MHz[3]，天线长度为(10～12)m[4]。本文选取天线发射功率为10 k W(每根天线平均1 k W)，并选择天线水平方向辐射强度最强时的频率值7.5 MHz为工作频率。

设舰船配置有10副短波单鞭天线，其中前甲板左侧3 副，右侧5 副，后甲板左侧2 副。选取10 m 单鞭天线进行仿真计算。在FEKO 的POSTFEKO 环境中建立简化舰船模型[5]，天线在舰船上布置如图1所示。

图1 天线在舰船上的布置图

为确定单鞭天线方向图特性，在FEKO POSTFEKO 环境中建立一只单鞭天线模型，采用Wire port 导线端口电压源作为天线激励源[6]。模型参数设置如下：

Voltage Magnitude(V/m)：100

Phase(degrees)Port：0

Impedance(ohm)：50Ω

取网格边长为λ/25，线单元长λ/35。通过计算仿真，得到10根单鞭天线工作在7.5 MHz频率时在舰面产生辐射场分布特性。电磁场3D 分布如图2所示。

图2 短波天线电磁场3D 分布图

短波单鞭天线工作时舰面近场电场分布如图3所示。

图3 短波天线舰面近场电场分布

GJB786-89《预防电磁场对军械危害的一般要求》中规定的军械系统允许工作的电磁环境要求如表1所示[7]。

表1 军械系统允许工作的电磁环境

对比分析可知，距舰面单鞭天线核心点半径3 m 以内的甲板区域内，电场强度会高于国军标规定的界限值，对处于该区域引信构成安全威胁。而半径3 m 以外区域，除个别点外，大部分场强值在200 V/m 以下，场强值符合安全要求。

(2)相控阵雷达电磁环境

为确定舰载相控阵雷达电磁场分布特性，参照“宙斯盾”作战系统相控阵雷达参数[8]，设置频率为S 波段中间值3 GHz，峰值发射功率为30 k W(假定每个天线平均10 k W)，各个天线俯仰角及方位角均为0°。利用FEKO CADFEKO仿真环境，在舰船模型前、后、左、右分别放置一个平面波作为天线激励源，参数设置如下：

Voltage Magnitude(V/m)：1 000

Phase(degrees)：0

Polarisation Angel(degrees)：0

相控阵雷达电磁场3D 分布如图4所示。

图4 相控阵雷达电磁场3D 分布图

相控阵雷达工作时舰面近场场强分布如图5所示。

图5 相控阵雷达舰面近场电场分布

由以上仿真结果可以看出，舰上相控阵雷达同时工作时，舰船甲板部区域场强值较高，部分区域强值可达到3 k V/m 以上。

GJB1 389 A-2005《系统电磁兼容性要求》中规定的“电磁辐射对军械危害的外部电磁环境”要求如表2所示[9]。对比可知，在整个甲板区域存在较高的场强，大部分区域电场强度远大于表2所规定的露天区域临界电平值水平。

表2 舰船甲板上工作的外部电磁环境

1.3 舰船热环境

热环境是弹药引信安全重要的影响因素。温度变化特别极端热环境如火灾，将会对弹药引信安全带来严重的危害。

(1)温度影响及效应

弹药引信环境温度越高，炸药会加速热分解，炸药变质就越快。变质后的炸药燃速、威力及感度都将发生变化，直接影响引信传火、传爆性能。炸药的热分解是放热反应，加上炸药分解时产生的氧化氮的催化作用，促使热解加速进行，如遇散热不良等条件，热分解和自动催化恶性循环，甚至会酿成自爆事故。表3为部分炸药的热性质[10]。

表3 常见炸药热性质

(2)火灾影响及效应

由于大型舰船弹药贮存密集度高，维护保障使用频繁，贮存保障空间狭小，各种作业流程交叉度高，使得在发生火灾时极易波及到舰船上的各种弹药，一旦引起弹药爆炸，势必造灾难性后果。

火灾或遭受袭击等特殊情况下，引信同时解除多级保险的条件是不具备的，因此，引信解除保险的可能性极小，但在火焰高温作用下，引信传爆序列可能会逐级或同时起爆，进而引爆战斗部。

为此，国外建立起弹药的快速烤燃、慢速烤燃安全性检验标准。如STANAG 4240《弹药试验方法：液体燃料/外部火焰试验》要求火焰温度要在30 s内达到550 ℃，而试验件附近火焰平均温度至少达到800 ℃(从火焰温度达到550 ℃开始直到弹药反应完成)，试验才有效。STANAG 4439《钝感弹药引进和评价准则》，则要求通过准则是弹药反应等级为燃烧(V 级反应)。

2 引信存在的主要安全性问题

目前弹药引信以机械引信或机电引信为主，引信的安全性设计要求和试验标准多以陆基贮存使用为依据，缺少针对大型舰船携行条件下的安全性设计要求和试验评估标准，因此，在火灾环境等特殊情况下，引信存在一定安全性问题。主要体现在以下几个方面。

(1)安全标准问题

现行弹药引信设计所执行的标准如：GJB373 A-97《引信安全性设计准则》、GJB 573 A-98《引信环境与性能试验方法》、GJB 7073-2010《引信电子安全与解除保险装置电磁环境与性能试验方法》等，主要以陆基使用弹药为主，针对舰船环境的安全设计及试验考核内容不充分，使舰船携行弹药引信的安全存在一定风险。比较而言，国外则大力发展以不敏感含能材料技术为核心安全引信，并制定了MIL-STD-2105D 标准，规定了快烤、慢烤、殉爆等六种刺激安全试验条件和检验标准，以降低弹药在意外刺激下发生爆炸的概率，使危害程度降至最低。

(2)复杂电磁环境安全性

大型舰船上各类高功率雷达、通信信号混叠，加之伴有敌强电磁脉冲作用，使舰船电磁环境异常复杂。对一些壳体屏蔽不佳的弹药引信而言，短路回路感应电流可能引发引信起爆;部分弹药引信解保采用的电火工品未设置保护措施，存在提前动作的风险;在强电磁脉部作用时，当功率密度达到(1～100)K W/m2时，能够在瞬间摧毁无电磁防护的目标，引爆弹药引信和电火工品。

(3)火灾条件下的安全性

在火灾等极端环境下，存在弹药发生起爆、殉爆风险。弹药引信普遍采用电桥丝雷管、火焰雷管、电点火管等火工品，其对高温较为敏感，在极端条件下存在提前发火可能性。机电引信虽然设计有隔爆装置，但在火灾等极端条件下，高温可能导致隔爆件结构变形，强度及刚度变化，使得隔爆装置丧失应有的隔爆功能，从而导致严重后果。

3 结论

综上所述，大型舰船作为作战平台，其电磁环境和作战使用环境更为复杂，舰船携行弹药引信的安全性受到自然环境、力学环境、电磁环境等综合因素的影响。与陆基弹药使用相比，各因素的影响过程和程度存在较大差异，其危险性和次生灾难将严重，损失也更难以估量。因此，对弹药引信的安全性及环境适应性提出了更高的要求。

为有效降低舰船携行弹药引信的安全性，化解安全风险，应建立和完善安全引信的试验、评估标准体系，加强包括引信不敏感装药、直列式引信技术在内的固有安全性技术研究及应用，并加强弹药引信使用安全环境和人员约束机制建设，使舰船携行弹药的安全性风险降低至可接受的最低水平。