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艦船攜行彈藥引信安全風(fēng)險(xiǎn)分析

2019-05-28 06:33張浩宇呂曉峰
制導(dǎo)與引信 2019年3期
關(guān)鍵詞:彈藥艦船電磁

張 旭, 張浩宇, 呂曉峰, 馬 羚

(1.海軍航空大學(xué),山東 煙臺(tái)264001;2.山東旅游職業(yè)學(xué)院,山東 濟(jì)南250200)

0 引言

大型艦船通常攜載大量的彈藥,如導(dǎo)彈、魚(yú)雷、火箭彈等,艦船作為移動(dòng)的作戰(zhàn)平臺(tái),其自然環(huán)境、力學(xué)環(huán)境和電磁環(huán)境與地面平臺(tái)有著顯著有區(qū)別,如高溫、高濕貯存環(huán)境,振動(dòng)、沖擊和過(guò)載等作業(yè)環(huán)境,艦載雷達(dá)、通信及各種微波源構(gòu)成的復(fù)雜電磁環(huán)境等,對(duì)攜行彈藥引信安全都會(huì)構(gòu)成潛在的威脅,帶來(lái)安全性風(fēng)險(xiǎn)。

本文以大型艦船貯存及作業(yè)環(huán)境為背景,針對(duì)力學(xué)環(huán)境、電磁環(huán)境、熱環(huán)境中典型的安全影響因素進(jìn)行分析。構(gòu)建簡(jiǎn)化的艦船電磁模型,具體闡述其對(duì)艦船攜行彈藥引信安全危害機(jī)理,并提出改進(jìn)性建議。

1 典型安全影響因素

1.1 艦船力學(xué)環(huán)境

航行中的艦船一直是處于晃動(dòng)狀態(tài),尤其在艦船高速航行、遭遇大風(fēng)浪、水中彈藥爆炸等情況下,艦船搖晃、振動(dòng)更加明顯。此外,彈藥因搬運(yùn)或制動(dòng)沖脫導(dǎo)致的跌落沖擊,對(duì)引信安全也會(huì)造成較大影響。

(1)振動(dòng)影響及效應(yīng)

振動(dòng)是危害彈藥引信安全重要的力學(xué)環(huán)境因素。作用在彈藥引信上的力,通常不是單因素作用的,而是幾個(gè)因素共同作用所形成的綜合振動(dòng)效應(yīng),如機(jī)械沖擊、隨機(jī)振動(dòng)、穩(wěn)態(tài)加速、靜載負(fù)荷、正弦振動(dòng)等多個(gè)誘因共同作用。

在海上航行條件下,艦船發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)發(fā)電機(jī)、螺旋槳、轉(zhuǎn)軸等設(shè)備和部件會(huì)引起周期性振動(dòng),振動(dòng)頻率通常為(30~40)Hz,有時(shí)還可達(dá)到60 Hz,振動(dòng)幅度0.15 mm,高時(shí)可達(dá)到0.6 mm左右,沖擊加速度可達(dá)2g[1]。上限頻率視推進(jìn)轉(zhuǎn)速和螺旋槳葉片數(shù)而定。

艦船在航行時(shí),船體與水流的相對(duì)運(yùn)動(dòng),水體本身的運(yùn)動(dòng),以及船體搖擺扭曲等,則會(huì)引起艦船的隨機(jī)振動(dòng)。

振動(dòng)對(duì)引信的作用主要體現(xiàn)在機(jī)械和電氣影響兩個(gè)方面。在機(jī)械影響方面,會(huì)造成彈藥引信裝藥的松動(dòng)或損壞,其最直接、最顯著的影響作用是使機(jī)械部件產(chǎn)生應(yīng)力和疲勞。在共振條件下,當(dāng)激勵(lì)產(chǎn)生的加速度超過(guò)彈藥實(shí)際安全負(fù)荷時(shí),會(huì)致使保險(xiǎn)解脫;長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)則導(dǎo)致彈簧的疲勞老化,彈性降低,使引信易于解脫保險(xiǎn)而發(fā)生危險(xiǎn)。在電氣影響方面,會(huì)使晶體管外引線、固體電路管腳、導(dǎo)線折斷;繼電器、開(kāi)關(guān)失效;電子插件性能下降;引信裝置電氣性能下降;粘層、鍵合點(diǎn)脫開(kāi),電路短路或斷路。

(2)沖擊影響及效應(yīng)

大型艦船攜行彈藥引信在轉(zhuǎn)運(yùn)、值班過(guò)程中可能經(jīng)歷的沖擊環(huán)境主要有:

a)轉(zhuǎn)載、搬運(yùn)時(shí)因人為失誤或機(jī)械故障造成墜落、撞擊而產(chǎn)生的沖擊;

b)轉(zhuǎn)運(yùn)中,載體遇突然情況發(fā)生跌落或碰撞而產(chǎn)生的沖擊;

c)掛接載體之間相互碰撞而產(chǎn)生的沖擊;

d)空中載體在起飛、著陸特別是彈射起飛、攔阻降落而產(chǎn)生的沖擊。

跌落高度和沖擊取決于作業(yè)狀態(tài)。人在搬運(yùn)過(guò)程的最大舉高約3 m,貨物質(zhì)量一般小于50 kg;機(jī)械鏟車最大舉高4 m;吊裝時(shí)最大舉高約6 m;存放時(shí)堆碼高度最高3.5 m。

不同介質(zhì)(水泥、瀝青、土壤、鋼板)、不同的傾角、不同的跌落高度,產(chǎn)生的沖擊加速度值存在較大差異。以鋼質(zhì)表面為例:0.5 m 跌落高跌落時(shí),加速度峰值為9 500 g,沖擊持續(xù)時(shí)間為1.4 ms;1 m跌落高跌落時(shí),加速度峰值為11 000 g,沖擊持續(xù)時(shí)間為1.75 ms[2]。

劇烈的沖擊對(duì)彈藥引信的危害是顯而易見(jiàn)的,不僅會(huì)對(duì)產(chǎn)品外形造成破壞,還會(huì)影響引信的安全性。沖擊所產(chǎn)生的主要作用是使機(jī)械部件產(chǎn)生應(yīng)力,也會(huì)引起機(jī)電產(chǎn)品(如機(jī)電引信)電氣性能變化。機(jī)械影響方面,使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)因快速增長(zhǎng)的應(yīng)力而失效,如永久性變形、折斷或斷裂等;產(chǎn)品結(jié)構(gòu)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)增大,摩擦或干擾效能增加,加速材料的低周期疲勞,進(jìn)而造成引信機(jī)構(gòu)失效。電氣影響方面,則會(huì)改變引信絕緣強(qiáng)度,降低絕緣電阻;使磁場(chǎng)和靜電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化;導(dǎo)線斷裂或電路短路。

1.2 艦船電磁環(huán)境

大型艦船通常攜載有大量的電磁能輻射裝置,如搜索雷達(dá)、警戒雷達(dá)、導(dǎo)航雷達(dá)、超高頻通訊發(fā)射機(jī)、識(shí)別應(yīng)答器等。本文以僅以短波單鞭天線和艦載相控陣?yán)走_(dá)為例,分析其電磁場(chǎng)特性,及對(duì)引信安全性影響。

(1)短波單鞭天線電磁場(chǎng)

常用的短波天線有單根或多根導(dǎo)線組成的斜天線、鞭狀天線、寬頻帶天線和定向天線等。海上短波無(wú)線電通信使用頻率范圍為(1.65~25.6)MHz[3],天線長(zhǎng)度為(10~12)m[4]。本文選取天線發(fā)射功率為10 k W(每根天線平均1 k W),并選擇天線水平方向輻射強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)的頻率值7.5 MHz為工作頻率。

設(shè)艦船配置有10副短波單鞭天線,其中前甲板左側(cè)3 副,右側(cè)5 副,后甲板左側(cè)2 副。選取10 m 單鞭天線進(jìn)行仿真計(jì)算。在FEKO 的POSTFEKO 環(huán)境中建立簡(jiǎn)化艦船模型[5],天線在艦船上布置如圖1所示。

圖1 天線在艦船上的布置圖

為確定單鞭天線方向圖特性,在FEKO POSTFEKO 環(huán)境中建立一只單鞭天線模型,采用Wire port 導(dǎo)線端口電壓源作為天線激勵(lì)源[6]。模型參數(shù)設(shè)置如下:

Voltage Magnitude(V/m):100

Phase(degrees)Port:0

Impedance(ohm):50Ω

取網(wǎng)格邊長(zhǎng)為λ/25,線單元長(zhǎng)λ/35。通過(guò)計(jì)算仿真,得到10根單鞭天線工作在7.5 MHz頻率時(shí)在艦面產(chǎn)生輻射場(chǎng)分布特性。電磁場(chǎng)3D 分布如圖2所示。

圖2 短波天線電磁場(chǎng)3D 分布圖

短波單鞭天線工作時(shí)艦面近場(chǎng)電場(chǎng)分布如圖3所示。

圖3 短波天線艦面近場(chǎng)電場(chǎng)分布

GJB786-89《預(yù)防電磁場(chǎng)對(duì)軍械危害的一般要求》中規(guī)定的軍械系統(tǒng)允許工作的電磁環(huán)境要求如表1所示[7]。

表1 軍械系統(tǒng)允許工作的電磁環(huán)境

對(duì)比分析可知,距艦面單鞭天線核心點(diǎn)半徑3 m 以內(nèi)的甲板區(qū)域內(nèi),電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)高于國(guó)軍標(biāo)規(guī)定的界限值,對(duì)處于該區(qū)域引信構(gòu)成安全威脅。而半徑3 m 以外區(qū)域,除個(gè)別點(diǎn)外,大部分場(chǎng)強(qiáng)值在200 V/m 以下,場(chǎng)強(qiáng)值符合安全要求。

(2)相控陣?yán)走_(dá)電磁環(huán)境

為確定艦載相控陣?yán)走_(dá)電磁場(chǎng)分布特性,參照“宙斯盾”作戰(zhàn)系統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)參數(shù)[8],設(shè)置頻率為S 波段中間值3 GHz,峰值發(fā)射功率為30 k W(假定每個(gè)天線平均10 k W),各個(gè)天線俯仰角及方位角均為0°。利用FEKO CADFEKO仿真環(huán)境,在艦船模型前、后、左、右分別放置一個(gè)平面波作為天線激勵(lì)源,參數(shù)設(shè)置如下:

Voltage Magnitude(V/m):1 000

Phase(degrees):0

Polarisation Angel(degrees):0

相控陣?yán)走_(dá)電磁場(chǎng)3D 分布如圖4所示。

圖4 相控陣?yán)走_(dá)電磁場(chǎng)3D 分布圖

相控陣?yán)走_(dá)工作時(shí)艦面近場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布如圖5所示。

圖5 相控陣?yán)走_(dá)艦面近場(chǎng)電場(chǎng)分布

由以上仿真結(jié)果可以看出,艦上相控陣?yán)走_(dá)同時(shí)工作時(shí),艦船甲板部區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)值較高,部分區(qū)域強(qiáng)值可達(dá)到3 k V/m 以上。

GJB1 389 A-2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》中規(guī)定的“電磁輻射對(duì)軍械危害的外部電磁環(huán)境”要求如表2所示[9]。對(duì)比可知,在整個(gè)甲板區(qū)域存在較高的場(chǎng)強(qiáng),大部分區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于表2所規(guī)定的露天區(qū)域臨界電平值水平。

表2 艦船甲板上工作的外部電磁環(huán)境

1.3 艦船熱環(huán)境

熱環(huán)境是彈藥引信安全重要的影響因素。溫度變化特別極端熱環(huán)境如火災(zāi),將會(huì)對(duì)彈藥引信安全帶來(lái)嚴(yán)重的危害。

(1)溫度影響及效應(yīng)

彈藥引信環(huán)境溫度越高,炸藥會(huì)加速熱分解,炸藥變質(zhì)就越快。變質(zhì)后的炸藥燃速、威力及感度都將發(fā)生變化,直接影響引信傳火、傳爆性能。炸藥的熱分解是放熱反應(yīng),加上炸藥分解時(shí)產(chǎn)生的氧化氮的催化作用,促使熱解加速進(jìn)行,如遇散熱不良等條件,熱分解和自動(dòng)催化惡性循環(huán),甚至?xí)劤勺员鹿?。?為部分炸藥的熱性質(zhì)[10]。

表3 常見(jiàn)炸藥熱性質(zhì)

(2)火災(zāi)影響及效應(yīng)

由于大型艦船彈藥貯存密集度高,維護(hù)保障使用頻繁,貯存保障空間狹小,各種作業(yè)流程交叉度高,使得在發(fā)生火災(zāi)時(shí)極易波及到艦船上的各種彈藥,一旦引起彈藥爆炸,勢(shì)必造災(zāi)難性后果。

火災(zāi)或遭受襲擊等特殊情況下,引信同時(shí)解除多級(jí)保險(xiǎn)的條件是不具備的,因此,引信解除保險(xiǎn)的可能性極小,但在火焰高溫作用下,引信傳爆序列可能會(huì)逐級(jí)或同時(shí)起爆,進(jìn)而引爆戰(zhàn)斗部。

為此,國(guó)外建立起彈藥的快速烤燃、慢速烤燃安全性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。如STANAG 4240《彈藥試驗(yàn)方法:液體燃料/外部火焰試驗(yàn)》要求火焰溫度要在30 s內(nèi)達(dá)到550 ℃,而試驗(yàn)件附近火焰平均溫度至少達(dá)到800 ℃(從火焰溫度達(dá)到550 ℃開(kāi)始直到彈藥反應(yīng)完成),試驗(yàn)才有效。STANAG 4439《鈍感彈藥引進(jìn)和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》,則要求通過(guò)準(zhǔn)則是彈藥反應(yīng)等級(jí)為燃燒(V 級(jí)反應(yīng))。

2 引信存在的主要安全性問(wèn)題

目前彈藥引信以機(jī)械引信或機(jī)電引信為主,引信的安全性設(shè)計(jì)要求和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)多以陸基貯存使用為依據(jù),缺少針對(duì)大型艦船攜行條件下的安全性設(shè)計(jì)要求和試驗(yàn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),因此,在火災(zāi)環(huán)境等特殊情況下,引信存在一定安全性問(wèn)題。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)安全標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題

現(xiàn)行彈藥引信設(shè)計(jì)所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)如:GJB373 A-97《引信安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》、GJB 573 A-98《引信環(huán)境與性能試驗(yàn)方法》、GJB 7073-2010《引信電子安全與解除保險(xiǎn)裝置電磁環(huán)境與性能試驗(yàn)方法》等,主要以陸基使用彈藥為主,針對(duì)艦船環(huán)境的安全設(shè)計(jì)及試驗(yàn)考核內(nèi)容不充分,使艦船攜行彈藥引信的安全存在一定風(fēng)險(xiǎn)。比較而言,國(guó)外則大力發(fā)展以不敏感含能材料技術(shù)為核心安全引信,并制定了MIL-STD-2105D 標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定了快烤、慢烤、殉爆等六種刺激安全試驗(yàn)條件和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),以降低彈藥在意外刺激下發(fā)生爆炸的概率,使危害程度降至最低。

(2)復(fù)雜電磁環(huán)境安全性

大型艦船上各類高功率雷達(dá)、通信信號(hào)混疊,加之伴有敵強(qiáng)電磁脈沖作用,使艦船電磁環(huán)境異常復(fù)雜。對(duì)一些殼體屏蔽不佳的彈藥引信而言,短路回路感應(yīng)電流可能引發(fā)引信起爆;部分彈藥引信解保采用的電火工品未設(shè)置保護(hù)措施,存在提前動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn);在強(qiáng)電磁脈部作用時(shí),當(dāng)功率密度達(dá)到(1~100)K W/m2時(shí),能夠在瞬間摧毀無(wú)電磁防護(hù)的目標(biāo),引爆彈藥引信和電火工品。

(3)火災(zāi)條件下的安全性

在火災(zāi)等極端環(huán)境下,存在彈藥發(fā)生起爆、殉爆風(fēng)險(xiǎn)。彈藥引信普遍采用電橋絲雷管、火焰雷管、電點(diǎn)火管等火工品,其對(duì)高溫較為敏感,在極端條件下存在提前發(fā)火可能性。機(jī)電引信雖然設(shè)計(jì)有隔爆裝置,但在火災(zāi)等極端條件下,高溫可能導(dǎo)致隔爆件結(jié)構(gòu)變形,強(qiáng)度及剛度變化,使得隔爆裝置喪失應(yīng)有的隔爆功能,從而導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

3 結(jié)論

綜上所述,大型艦船作為作戰(zhàn)平臺(tái),其電磁環(huán)境和作戰(zhàn)使用環(huán)境更為復(fù)雜,艦船攜行彈藥引信的安全性受到自然環(huán)境、力學(xué)環(huán)境、電磁環(huán)境等綜合因素的影響。與陸基彈藥使用相比,各因素的影響過(guò)程和程度存在較大差異,其危險(xiǎn)性和次生災(zāi)難將嚴(yán)重,損失也更難以估量。因此,對(duì)彈藥引信的安全性及環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求。

為有效降低艦船攜行彈藥引信的安全性,化解安全風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)建立和完善安全引信的試驗(yàn)、評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)體系,加強(qiáng)包括引信不敏感裝藥、直列式引信技術(shù)在內(nèi)的固有安全性技術(shù)研究及應(yīng)用,并加強(qiáng)彈藥引信使用安全環(huán)境和人員約束機(jī)制建設(shè),使艦船攜行彈藥的安全性風(fēng)險(xiǎn)降低至可接受的最低水平。

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