艦船攜行彈藥引信安全風險分析

張 旭， 張浩宇， 呂曉峰， 馬 羚

(1.海軍航空大學，山東 煙臺264001;2.山東旅游職業(yè)學院，山東 濟南250200)

0 引言

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

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

1 典型安全影響因素

1.1 艦船力學環(huán)境

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

(1)振動影響及效應(yīng)

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

在海上航行條件下，艦船發(fā)動機、柴油機發(fā)電機、螺旋槳、轉(zhuǎn)軸等設(shè)備和部件會引起周期性振動，振動頻率通常為(30～40)Hz，有時還可達到60 Hz，振動幅度0.15 mm，高時可達到0.6 mm左右，沖擊加速度可達2g[1]。上限頻率視推進轉(zhuǎn)速和螺旋槳葉片數(shù)而定。

艦船在航行時，船體與水流的相對運動，水體本身的運動，以及船體搖擺扭曲等，則會引起艦船的隨機振動。

振動對引信的作用主要體現(xiàn)在機械和電氣影響兩個方面。在機械影響方面，會造成彈藥引信裝藥的松動或損壞，其最直接、最顯著的影響作用是使機械部件產(chǎn)生應(yīng)力和疲勞。在共振條件下，當激勵產(chǎn)生的加速度超過彈藥實際安全負荷時，會致使保險解脫;長時間振動則導(dǎo)致彈簧的疲勞老化，彈性降低，使引信易于解脫保險而發(fā)生危險。在電氣影響方面，會使晶體管外引線、固體電路管腳、導(dǎo)線折斷;繼電器、開關(guān)失效;電子插件性能下降;引信裝置電氣性能下降;粘層、鍵合點脫開，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、值班過程中可能經(jīng)歷的沖擊環(huán)境主要有：

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

b)轉(zhuǎn)運中，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)。人在搬運過程的最大舉高約3 m，貨物質(zhì)量一般小于50 kg;機械鏟車最大舉高4 m;吊裝時最大舉高約6 m;存放時堆碼高度最高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，加速度峰值為9 500 g，沖擊持續(xù)時間為1.4 ms;1 m跌落高跌落時，加速度峰值為11 000 g，沖擊持續(xù)時間為1.75 ms[2]。

劇烈的沖擊對彈藥引信的危害是顯而易見的，不僅會對產(chǎn)品外形造成破壞，還會影響引信的安全性。沖擊所產(chǎn)生的主要作用是使機械部件產(chǎn)生應(yīng)力，也會引起機電產(chǎn)品(如機電引信)電氣性能變化。機械影響方面，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)因快速增長的應(yīng)力而失效，如永久性變形、折斷或斷裂等;產(chǎn)品結(jié)構(gòu)間的相對運動增大，摩擦或干擾效能增加，加速材料的低周期疲勞，進而造成引信機構(gòu)失效。電氣影響方面，則會改變引信絕緣強度，降低絕緣電阻;使磁場和靜電場強度發(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、警戒雷達、導(dǎo)航雷達、超高頻通訊發(fā)射機、識別應(yīng)答器等。本文以僅以短波單鞭天線和艦載相控陣雷達為例，分析其電磁場特性，及對引信安全性影響。

(1)短波單鞭天線電磁場

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。海上短波無線電通信使用頻率范圍為(1.65～25.6)MHz[3]，天線長度為(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度最強時的頻率值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 單鞭天線進行仿真計算。在FEKO 的POSTFEKO 環(huán)境中建立簡化艦船模型[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)格邊長為λ/25，線單元長λ/35。通過計算仿真，得到10根單鞭天線工作在7.5 MHz頻率時在艦面產(chǎn)生輻射場分布特性。電磁場3D 分布如圖2所示。

圖2 短波天線電磁場3D 分布圖

短波單鞭天線工作時艦面近場電場分布如圖3所示。

圖3 短波天線艦面近場電場分布

GJB786-89《預(yù)防電磁場對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

對比分析可知，距艦面單鞭天線核心點半徑3 m 以內(nèi)的甲板區(qū)域內(nèi)，電場強度會高于國軍標規(guī)定的界限值，對處于該區(qū)域引信構(gòu)成安全威脅。而半徑3 m 以外區(qū)域，除個別點外，大部分場強值在200 V/m 以下，場強值符合安全要求。

(2)相控陣雷達電磁環(huán)境

為確定艦載相控陣雷達電磁場分布特性，參照“宙斯盾”作戰(zhàn)系統(tǒng)相控陣雷達參數(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(假定每個天線平均10 k W)，各個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、右分別放置一個平面波作為天線激勵源，參數(shù)設(shè)置如下：

Voltage Magnitude(V/m)：1 000

Phase(degrees)：0

Polarisation Angel(degrees)：0

相控陣雷達電磁場3D 分布如圖4所示。

圖4 相控陣雷達電磁場3D 分布圖

相控陣雷達工作時艦面近場場強分布如圖5所示。

圖5 相控陣雷達艦面近場電場分布

由以上仿真結(jié)果可以看出，艦上相控陣雷達同時工作時，艦船甲板部區(qū)域場強值較高，部分區(qū)域強值可達到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“電磁輻射對軍械危害的外部電磁環(huán)境”要求如表2所示[9]。對比可知，在整個甲板區(qū)域存在較高的場強，大部分區(qū)域電場強度遠大于表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)，將會對彈藥引信安全帶來嚴重的危害。

(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)，加上炸藥分解時產(chǎn)生的氧化氮的催化作用，促使熱解加速進行，如遇散熱不良等條件，熱分解和自動催化惡性循環(huán)，甚至會釀成自爆事故。表3為部分炸藥的熱性質(zhì)[10]。

表3 常見炸藥熱性質(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)時極易波及到艦船上的各種彈藥，一旦引起彈藥爆炸，勢必造災(zāi)難性后果。

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

為此，國外建立起彈藥的快速烤燃、慢速烤燃安全性檢驗標準。如STANAG 4240《彈藥試驗方法：液體燃料/外部火焰試驗》要求火焰溫度要在30 s內(nèi)達到550 ℃，而試驗件附近火焰平均溫度至少達到800 ℃(從火焰溫度達到550 ℃開始直到彈藥反應(yīng)完成)，試驗才有效。STANAG 4439《鈍感彈藥引進和評價準則》，則要求通過準則是彈藥反應(yīng)等級為燃燒(V 級反應(yīng))。

2 引信存在的主要安全性問題

目前彈藥引信以機械引信或機電引信為主，引信的安全性設(shè)計要求和試驗標準多以陸基貯存使用為依據(jù)，缺少針對大型艦船攜行條件下的安全性設(shè)計要求和試驗評估標準，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題。主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)安全標準問題

現(xiàn)行彈藥引信設(shè)計所執(zhí)行的標準如：GJB373 A-97《引信安全性設(shè)計準則》、GJB 573 A-98《引信環(huán)境與性能試驗方法》、GJB 7073-2010《引信電子安全與解除保險裝置電磁環(huán)境與性能試驗方法》等，主要以陸基使用彈藥為主，針對艦船環(huán)境的安全設(shè)計及試驗考核內(nèi)容不充分，使艦船攜行彈藥引信的安全存在一定風險。比較而言，國外則大力發(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 標準，規(guī)定了快烤、慢烤、殉爆等六種刺激安全試驗條件和檢驗標準，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、通信信號混疊，加之伴有敵強電磁脈沖作用，使艦船電磁環(huán)境異常復(fù)雜。對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)置保護措施，存在提前動作的風險;在強電磁脈部作用時，當功率密度達到(1～100)K W/m2時，能夠在瞬間摧毀無電磁防護的目標，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、殉爆風險。彈藥引信普遍采用電橋絲雷管、火焰雷管、電點火管等火工品，其對高溫較為敏感，在極端條件下存在提前發(fā)火可能性。機電引信雖然設(shè)計有隔爆裝置，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)致嚴重后果。

3 結(jié)論

綜上所述，大型艦船作為作戰(zhàn)平臺，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，各因素的影響過程和程度存在較大差異，其危險性和次生災(zāi)難將嚴重，損失也更難以估量。因此，對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，化解安全風險，應(yīng)建立和完善安全引信的試驗、評估標準體系，加強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，并加強彈藥引信使用安全環(huán)境和人員約束機制建設(shè)，使艦船攜行彈藥的安全性風險降低至可接受的最低水平。