舰载航空弹药贮存环境分析

杨清熙，宣兆龙，李天鹏，姚 恺，谭 波

(1.陆军工程大学石家庄校区，石家庄 050003；2.海军工程大学，武汉 430030)

1 引言

随着远洋作战需要的不断提高，海洋环境下舰载航空弹药贮存可靠性问题日益突出。为了研究舰载航空弹药贮存可靠性问题,需要首先分析其贮存环境,明确贮存剖面。相较于内陆仓库贮存环境，舰载贮存环境更为恶劣，直接影响舰载航空弹药的贮存寿命[1-2]。

本文通过分析舰载航空弹药全寿命过程，建立其寿命剖面和贮存剖面，进而分析主要环境因素，明确量值范围，并分析其典型因素对弹药薄弱件贮存可靠性的影响。

2 环境剖面分析

为了得到舰载航空弹药贮存剖面，需要先分析舰载航空弹药的全寿命过程。舰载航空弹药的全寿命过程包括设计研制过程、生产加工过程、勤务处理过程、贮存过程和作战使用过程五个方面。其中设计研制过程和生产加工过程包括方案论证、工程研制、设计定型、生产定型和生产加工，这部分工作主要由研制和生产部门负责。舰载航空弹药从交付部队到寿命终结这段时间内经历的全部事件和环境的时序描述是其寿命剖面。舰载航空弹药的寿命剖面包括：运输装卸、舱室贮存、取出、装配、转运、测试、维修、挂载、战备值班、飞行发射、完成作战任务或退役报废等。而其贮存剖面主要包括：舱室贮存、取出、装配、转运、测试、维修、挂载、战备值班等，如图1所示。

图1 寿命剖面框图

在舰载航空弹药的贮存剖面中，其将经历一系列的环境事件，把贮存剖面对应的环境种类、量值和持续时间按其时序进行描述，就得到了贮存环境参数剖面，如表1所示。

表1 贮存环境参数剖面

由表1看出，舰载航空弹药绝大多数时间处于舱室贮存和战备值班中，其贮存剖面主要包括舱室贮存和战备值班2个事件。同样，其贮存环境剖面主要包括战备值班环境和舱室贮存环境两个事件。下面分别分析2个环境事件环境因素的量值范围。

3 战备值班环境

舰载航空弹药在战备值班时，受到的环境力较为复杂。海洋腐蚀环境，根据高度和海水深度分为5个区域，即海洋大气区、海洋飞溅区、海水潮差区、海水全浸区和海底泥土区[3]。舰载航空弹药战备值班时主要在海洋大气区，海洋大气区影响腐蚀的主要因素是风速、风向、降露周期、雨量、温度、盐度、太阳照射、尘埃、季节和污染等。舰艇在海洋上运动过程中，由于海浪冲击，弹药也会受到冲击振动影响[4-6]。现代舰艇雷达、通讯、广播、电子对抗等射频源较多，电磁环境也较严重。

可见影响舰艇弹药战备值班的环境因素主要有温度、湿度、盐雾、太阳辐射、冲击、振动、摇摆、倾斜、电磁等，按类型可划分为气候环境、机械环境、电磁环境三大类。

下面重点从高低温、高湿、高盐雾、振动、摇摆和倾斜、电磁等方面分析弹药战备值班环境。对弹药舰载贮存相关战备值班环境剖面进行总结、分析。

1)高低温

舰载航空弹药在贮存过程中会受到高温、低温环境影响。昼间舰船环境温度相对较高，夜间、阴雨天温度则较低。由于近岸海域受陆地的影响，渤海、黄海、东海等温线大致呈东北—西南走向，气温年较差由北往南逐渐递减，渤海的年较差最大，为27～28 ℃；黄海北部为26 ℃左右；黄海南部为21～24 ℃；东海北部为18～28 ℃，东海中、南部为11～17 ℃；台湾以东海域为8～11 ℃；南海北部为7～13 ℃；南海中部为3～5 ℃；南海南部为2～3 ℃[7]。而GJB 1060.2—1991《舰船环境条件要求——气候环境》指出海面环境高温极值51 ℃，舰船设备露天部位应再加上1 110 W/m2太阳辐射热产生温升(相当于17 ℃)，海面环境低温极值-38 ℃。

2)高湿

因为海洋有充沛的水资源，在日光的照射下，海水蒸发，因此海区内的空气湿度远远大于内陆地区。具有湿度大、持续时间长、无干燥和潮湿季节之分的特点。如西沙群岛，年平均相对湿度约为81%，最高为100%[8]。GJB 1060.2—1991指出海面环境高温高相对湿度最高纪录为36 ℃，相对湿度100%；海面环境低温高相对湿度最高纪录为-38 ℃，相对湿度100%。

3)高盐雾

我国南海、东海和北海海面上空气中盐雾含量在0.33～23.6 mg/m3范围[9]，盐雾沉降量与大气中的盐雾含量有着密切的关系。

文献资料[8]总结了我国各大海域气候环境的具体参数，其中南海海域的气候环境比较典型，南海作为热带海洋，其年均盐雾浓度0.127 5 mg/m3。GJB 1060.2—1991指出露天设备应能在5 mg/m3的盐雾环境正常工作。

4)振动

为了打仗备战的需要，舰载弹药已经由过去经常近海待命和内陆库房贮存转变成长期随舰船在海上航行的状态。舰船航行过程中，舰船上发动机、发电机、螺旋桨等部件时刻处于机械运动状态，加之风、浪等自然环境影响，航空弹药在舰载贮存状态中长期受机械振动环境影响。

文献[10]中指出船向振动加速度主峰大约是50 Hz左右，加速度峰值约为0.412 7 m/s2；横向振动的加速度主峰在562.5 Hz，加速度峰值约为0.812 m/s2；垂直振动的加速度主峰在562.5 Hz，其加速度峰值约为1.560 2 m/s2。GJB 1060.1—1991《舰船环境条件要求——机械环境》指出振动频率范围1～16 Hz，位移幅值1 mm；振动频率范围16～60 Hz，加速度峰值10 m/s2。

5)摇摆和倾斜

舰船在海上航行中，由于风浪、暗流、潮汐等环境因素影响，会不可避免地产生显著的摇摆和倾斜，这也是弹药舰载贮存所经受的最基本环境。

文献[11]指出，对于水面舰艇，首倾或尾倾在5°以内，横倾在15°以内；纵摇在±10°以内，横摇±45°以内。

6)电磁环境

随着微电子、计算机技术及电爆装置在弹药上的广泛应用，使得弹药电磁敏感性越来越严重，因此，电磁环境是影响航空弹药舰载贮存的一个主要因素。现代舰船上雷达、通讯、干扰等电子设备广泛应用，且各设备的发射功率愈来愈大,频谱覆盖范围不断拓宽,使得舰船电磁环境变得十分复杂。文献[12]指出海军舰艇开发利用了从0～40 GHz 几乎整个无线电频谱,发射机平均功率高达几千瓦。GJB 1446.40—1992《舰船系统界面要求——电磁环境——电磁辐射》指出甲板可能遇到的电磁频谱范围10 kHz～300 GHz,低频可扩展到20 Hz，辐射功率峰值MW级。

4 舱室贮存环境

舰载航空弹药在舱室长期贮存过程中，处于密封包装之中，主要受到温度、振动的影响。通过查找相关国军标及文献资料，一般舱室高温极值40 ℃；一般舱室低温极值-10 ℃；空调舱室，温湿度应满足长期贮存的环境条件要求。而振动、摇摆和倾斜环境与战备值班环境一致。

根据上面分析结果，可总结影响航空弹药舰载贮存的环境因素如表2所示。

表2 舰载航空弹药贮存环境因素量值范围

5 舰载环境对航空弹药贮存的影响因素

航空弹药是由多种零部件、多种材料组成的复杂系统，因此其往往包括许多失效模式，每一种失效模式背后都有不同的内因与外因[13-16]。在复杂多变的舰载环境下易受到多种环境应力的综合作用。

舰载环境下，目前针对系统级装备进行的综合环境应力影响分析相对较少，相关项目主要集中在零件或材料层次上，且缺乏综合环境因素的研究。郑林等以南海海域条件为环境基础，对铝合金进行了腐蚀环境下的恒载荷加载试验，实际海域条件下应力加载至试样断裂所需要的时间是256 d，并进一步总结了腐蚀条件下受到恒载荷的应力开裂特点[17]。杨美华等进行了模拟海洋大气环境的加速老化试验，采用浸泡、湿热和盐雾等试验方法来评价碳纤维环氧复合材料的耐久性和老化规律，对提高装备的环境适应能力有一定的指导价值[18]。宁丽君通过中性盐雾试验模拟镀锌钝化层和复合涂层在海洋大气环境中对45钢紧固件的腐蚀防护作用，发现镀锌钝化层对45钢的防护作用明显弱于复合涂层，在2种涂层作用下出现锈蚀的平均时间为420 h和1 780 h[19]。苏艳等在文献[20]中通过开展7B04铝合金暴露在海洋户外大气和棚下大气2种环境的对比试验，研究得到暴露在海洋大气环境下，铝合金的腐蚀行为遵循点到面的侵蚀演变过程。试验暴露时间达到3年后，试样性能已不能满足使用要求。齐浩淳等以舰艇的舱室贮存环境为基础，通过加速贮存试验和现场贮存试验相结合的方法，对中小功率晶体管的贮存可靠性进行了评估[21]。赵利等统计了某海军仓库贮存了30～40年的双极型晶体管的失效情况，选取常温测试环节失效的晶体管进行分析，并通过开展现场贮存试验、温度循环试验、综合应力试验，加速了双极型晶体管的性能退化，探究了双极型晶体管的失效参数是ICBO[22]。进一步总结分析舰载各环境因子对航空弹药贮存影响如下：

1)温度的影响分析

在舰载贮存环境中，温湿度变化是相互影响的，温度的变化必然会导致环境湿度改变。航空弹药在舰载环境下贮存时，密封包装是对恶劣环境条件的一种有效防护方法。李奇志等在文献[23]中通过分折和试验，总结得到密封盒内相对湿度随外部温度变化的规律，对航空弹药的包装、运输和贮存过程有一定的指导作用。孙贵之等在文献[24]中对弹药贮存环境中温湿度变化规律进行探究，提出控制生产温湿度、包装材料及新的密封技术等方法来提高贮存寿命。邢永慧等在文献[25]中提出高温贮存条件加快了热电池中铁粉的氧化和锂电极的反应速度，导致电池的激活时间延长，造成电池的实际作用时间缩短。刘鸿雁等运用ANSYS仿真软件，分析了舰载环境作用下固体发动机内部传热情况，为评估舰载情况下固体发动机的可靠性和贮存寿命提供了技术指导[26]。

温度过高会加速航空弹药金属结构的锈蚀和非金属材料的性能下降甚至变质，从而使弹药的密封性能降低，装药变质、性能变坏[27]。温度过低会使弹药中的橡胶等非金属件受冷发脆从而影响结构强度，引起弹药整体强度不足，还会造成胶质火药脆性增加易破碎，导致燃烧速度过快，甚至有炸膛的危险。

温度的剧烈变化也会对航空弹药质量有一定的影响，当温度变化过大时，会加速金属的锈蚀速度，使弹药内部非金属材料如木制品、纸制品、棉制品等霉变腐烂。

2)湿度的影响分析

湿度过大不仅会使航空弹药的外部结构和材料的物理性能发生改变，而且会带来电解、腐蚀、材料性能下降和其他化学变化等。当贮存环境的相对湿度高于航空弹药的临界相对湿度时，弹药金属元件的化学腐蚀就转变成电化学腐蚀，腐蚀速度就会产生突变。可见湿度对金属的腐蚀速度是有很大影响的。

湿度偏高是影响航空弹药贮存可靠性和性能稳定性的重要因素，会直接导致贮存航空弹药的电子元件的性能降低，寿命缩短和绝缘性能大幅降低，从而加速电子设备的损坏，还会加速设备表面的电化学反应。例如航空弹药中橡胶垫圈的塑性和强度下降，装药变质、炸药受潮结块难以起爆，胶质火药水解加快，使燃烧速度下降或者不燃，严重时瞎火。

3)盐雾的影响分析

舰载贮存环境中，盐雾对于航空弹药贮存的影响效果是巨大的，一般效应包括腐蚀效应(电化学腐蚀和盐溶液腐蚀)、电效应(离子溶液导电效应导致电子设备短路)、物理效应(盐分沉积导致机械部件阻塞或卡死)[28]。盐雾能够加速航空弹药中金属材料的电化学反应，这也是盐雾对航空弹药贮存的主要影响，金属材料的电化学反应会极大地加速材料的腐蚀速度，并且会导致电子元器件的性能下降、绝缘材料的失效等。

4)电磁环境的影响分析

电磁环境对航空弹药贮存性能的影响主要通过热效应、磁效应、强电场效应、射频干扰等发生作用[29]。高功率电磁脉冲在航空弹药电路中产生的热效应可使系统中的微电子器件或电磁敏感电路过热，造成局部器件损坏。电磁辐射引起的射频干扰，对通讯、导航等设备造成电噪声或电磁干扰，使其产生误判或功能失效。电磁脉冲可以使电磁能量直接作用到电子系统内部，干扰电子设备的正常工作。这些电磁干扰可能引起电子装置信号误判或产生严重失效。

5)机械环境的影响分析

舰载贮存环境中机械因素主要有冲击和振动2种[30]。振动在机械影响方面主要表现为材料的机械强度降低，结构件磨损加剧，或者是紧固件、连接件松动，结构变形破坏。在电气影响方面主要表现为电子元件的引脚或导线折断；连接器、继电器、开关等失效；仪表精度降低；粘层、键合点脱开，导致的电路短路、断路。

冲击的主要影响包括使机械部件冲击断裂或者引起电气产品的损坏。冲击在机械影响方面主要是使航空弹药结构产生永久变形、折断或断裂；结构件的相对运动过大而造成设备失效；材料机械强度降低，结构变形。在电气影响方面主要作用是改变电子元件绝缘强度，使磁场和静电场强度发生变化；电子器件破坏产生假信号或错误信号，破坏正常工作性能。

陈广南在文献[31]中对机械撞击作用下固体火箭发动机的安全性进行了研究，分析讨论了发动机结构撞击变形分析的相关理论和方法。张秋芳等在文献[32]中通过对安全发火机构的随机振动响应分析得出，振动条件下产品出现工况转换失效等故障与机构高频共振相关度高，并对产品进行了内部结构优化设计。

6)多种综合因素影响分析

刘志扬在文献[33]中以引信产品为例，在长期贮存可靠性试验基础上，运用失效模式、影响及危害分析和失效树分析的方法，对产品在可靠性试验中所发生的失效进行研究，分析其原因、影响及严重程度。严楠等在文献[34]中在总结火工品的工作原理和各种产品失效案例基础上，完整地提出了火工品失效的概念、模式和分析技术的理论框架。张海联在文献[35]中讨论了多种随机因素对药柱可靠性的影响，并对固体推进剂的药柱结构进行了可靠性分析。王连振在文献[36]中研究了温湿度、盐雾、生物因素等海洋环境因素，振动、冲击等海洋机械环境因素，电磁辐射、核辐射等战场环境因素对检测系统性能的影响，并重点分析了舰载机械环境的影响。

各种环境因素对舰载航空弹药的影响往往并不是单独作用的，而是多种因素的复合作用，这种复合效应又常常高于单一因素的作用水平。高温和高湿会促进霉化或微生物的繁殖，也会加速腐蚀和氧化；高温能够强化冲击或振动的影响。所以，舰载机随舰船出海期间面临的各种环境对其造成的实际影响是综合的和相互的。

6 结论

舰载航空弹药贮存环境主要由战备值班环境和舱室贮存两个关键环境事件组成，其中战备值班环境主要受到高低温、湿度、盐雾、振动、摇摆和倾斜、电磁等环境因素的影响；舱室贮存主要受到高低温、振动、摇摆和倾斜等环境因素的影响。温度、湿度、盐雾等自然环境因素会使材料的腐蚀加快、性能退化严重，甚至会引起航空弹药的整体失效；摇摆、振动等机械环境因素会使元器件出现突变型失效，往往会让航空弹药的功效短时间内迅速丧失。因此利用理论分析和实验探究等多种方式充分探究舰载贮存航空弹药的失效模式和预估寿命，对保障部队装备的可靠性，提升军队的战场适应能力、减少武器装备的过早报废都有着重要现实意义。