海洋環(huán)境對(duì)艦載導(dǎo)彈貯存可靠性影響分析

柳愛利，寇方勇

（海軍航空工程學(xué)院a.控制工程系；b.研究生管理大隊(duì)，山東煙臺(tái)264001）

貯存可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的貯存條件下和規(guī)定的貯存時(shí)間內(nèi)，維持產(chǎn)品規(guī)定功能的能力[1]。艦載導(dǎo)彈是長(zhǎng)期貯存，一次發(fā)射使用的特殊產(chǎn)品。由于艦艇活動(dòng)范圍廣，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)歷海洋環(huán)境復(fù)雜，作戰(zhàn)任務(wù)多樣，因而艦上各類導(dǎo)彈的貯存有著不同于岸基貯存的特殊要求。美國(guó)國(guó)防部的調(diào)查數(shù)據(jù)表明：在庫存狀態(tài)下，環(huán)境因素造成的武器裝備損壞或失效的比例占到60%[2]。因此，展開艦載導(dǎo)彈貯存環(huán)境分析對(duì)提高其貯存可靠性有著至關(guān)重要的作用。

目前，美國(guó)對(duì)貯存可靠性的研究處于世界領(lǐng)先的地位，近年來已經(jīng)形成了一套關(guān)于貯存可靠性的理論體系[3]。蘇聯(lián)早在上世紀(jì)50年代就開始了貯存可靠性的研究，并且曾與我國(guó)合作過該方面的許多研究，比如“彈藥長(zhǎng)期保管試驗(yàn)研究”項(xiàng)目[4]等。其他國(guó)家如英國(guó)、德國(guó)等國(guó)家都投入了大量的人力物力進(jìn)行了貯存可靠性的研究。我國(guó)對(duì)貯存可靠性的研究起步較晚，主要集中在對(duì)陸地上導(dǎo)彈貯存可靠性的研究[4-5]，但是對(duì)艦載導(dǎo)彈在海洋環(huán)境下的貯存可靠性缺乏研究。艦載導(dǎo)彈雖然主要貯存在艦艇艙室中，但是艦艇總體上處于一個(gè)高溫、高濕、高鹽霧的海洋環(huán)境中，所以，海洋環(huán)境對(duì)艦載導(dǎo)彈的貯存可靠性有較大影響。

本文主要分析海洋環(huán)境對(duì)艦載導(dǎo)彈貯存可靠性的影響，并對(duì)影響艦載導(dǎo)彈貯存可靠性的主要環(huán)境因素進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。

1 我國(guó)海洋環(huán)境特點(diǎn)

1.1 環(huán)境分類

在貯存剖面中，全部貯存環(huán)境因素可以分為自然環(huán)境因素和誘導(dǎo)環(huán)境因素2 大類。自然環(huán)境因素包括：溫度、濕度、大氣壓力、降水、太陽輻射、沙塵、霉菌、鹽霧和風(fēng)等；誘導(dǎo)環(huán)境因素包括：機(jī)械因素（如振動(dòng)、沖擊等），大氣污染（酸性氣體、臭氧等），核輻射，電磁輻射或靜電等。

在艦載導(dǎo)彈使用過程中，要經(jīng)歷貯存，技術(shù)準(zhǔn)備，戰(zhàn)斗值班，發(fā)射等任務(wù)剖面。在各個(gè)任務(wù)剖面中，導(dǎo)彈經(jīng)歷的自然環(huán)境和誘導(dǎo)環(huán)境均不相同。本文主要討論艦載導(dǎo)彈在艦上貯存過程中的可靠性。

1.2 我國(guó)海洋氣候概況

我國(guó)地處太平洋西岸，從北至南有渤海、黃海、東海、南海四大海區(qū)。四大海區(qū)跨越溫帶海洋氣候區(qū)、亞熱帶海洋氣候區(qū)和熱帶海洋氣候區(qū)3 個(gè)氣候區(qū)[2，6]。因此，我國(guó)近海地形復(fù)雜，氣候類型多樣。

黃、渤海海區(qū)受季風(fēng)影響，冬季寒冷而干燥，夏季溫暖潮濕。平均氣溫一月最低，為-2～6 ℃，8月最高，為25 ℃，年溫差達(dá)27 ℃。平均降水量500 mm左右，主要集中在6～8月，其降水量可占全年的一半。冬、春季和夏初，沿岸多海霧，尤以7月最多。冬季風(fēng)力強(qiáng)度大，平均風(fēng)速6～8 m/s，春秋季次數(shù)多，夏季時(shí)有受臺(tái)風(fēng)影響，會(huì)出現(xiàn)10級(jí)以上的大風(fēng)。

東海海區(qū)橫跨亞熱帶和溫帶。全年暖濕多雨、酷暑，冬季南北海面氣溫差距，可達(dá)14 ℃，夏季全海區(qū)溫度分布比較均勻，約26～29 ℃。氣溫年變化南小北大，分別為10 ℃和20 ℃。年降水量為1 000～2 000 mm。春、夏季為霧期，其中6月霧日最多，平均達(dá)12.5 天。冬季平均風(fēng)速9～10 m/s，并伴有明顯降溫。夏季平均風(fēng)速較弱，但是受臺(tái)風(fēng)影響頻繁，主要集中在6～9月，此時(shí)風(fēng)力較大，并伴有巨浪。

南海緯度偏低，終年高溫。年溫差較小，北部海區(qū)12 ℃左右，南部海區(qū)僅2 ℃左右。1月平均氣溫15～26 ℃，7月平均為28 ℃左右。降水充沛，年降水量一般為1 000～2 000 mm，主要集中在4～10月。海霧主要出現(xiàn)在北部灣和北部沿海區(qū)域，以3月為最盛。南海屬于典型的季風(fēng)氣候區(qū)，冬季盛行東北季風(fēng)，夏季盛行西南季風(fēng)，春秋季節(jié)風(fēng)向多變。南海受臺(tái)風(fēng)影響最為頻繁，每年活動(dòng)在南海海面上空的臺(tái)風(fēng)平均10個(gè)左右。

1.3 我國(guó)海洋環(huán)境特點(diǎn)

由于海洋環(huán)境的特殊性，其自然環(huán)境因素與我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)的自然環(huán)境因素相比，具有以下顯著特點(diǎn)。

1）高濕。海洋環(huán)境出現(xiàn)高濕，主要原因有：①海區(qū)內(nèi)水資源豐富，在太陽的照射下向空氣中蒸發(fā)出大量的水蒸氣，導(dǎo)致海區(qū)內(nèi)濕度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)陸地區(qū)；②海洋地區(qū)在降水方面也比內(nèi)陸地區(qū)不僅要頻繁而且量大，降水量大又導(dǎo)致了空氣濕度大。海洋上空的空氣濕度一般在60%以上，相比內(nèi)陸地區(qū)，月平均濕度一般要高出20%～30%[2]。例如，某海區(qū)的月平均濕度與內(nèi)陸某地區(qū)的月平均濕度分布情況見表1。

表1 相對(duì)濕度月平均分布情況 %

從表1 可知，海區(qū)內(nèi)的相對(duì)濕度不但比內(nèi)陸地區(qū)的相對(duì)濕度高，而且海區(qū)內(nèi)具有濕度大、作用時(shí)間長(zhǎng)、沒有干燥和潮濕季節(jié)之分的特點(diǎn)。

2）高鹽霧。鹽霧是海洋大氣的顯著特點(diǎn)之一。鹽霧的形成，主要是由于風(fēng)引起海水掀起陣陣波浪，又有浪擊浪，浪拍礁岸而騰起的浪花水沫，在氣流的左右下，被粉碎為細(xì)微的液滴，向海域上空或沿?？臻g飄散[7]。長(zhǎng)年累月在海風(fēng)海浪的作用下，使得海區(qū)內(nèi)的鹽霧含量一直居高不下。例如某海區(qū)試驗(yàn)站測(cè)得的大氣中氯化鈉含量如表2所示。

表2 某海區(qū)大氣中NaCl含量

3）多雨霧。由于海洋上空的空氣中水蒸氣含量高，水蒸氣上升遇冷凝結(jié)，很易形成地方性降雨。同時(shí)，冷、暖氣流在海島地區(qū)的交鋒頻度高、作用時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致海區(qū)內(nèi)的雨季長(zhǎng)于內(nèi)陸地區(qū)。有的地區(qū)經(jīng)常被濃霧籠罩，尤其春夏兩季，有的地區(qū)全年有霧。

2 海洋環(huán)境對(duì)導(dǎo)彈可靠性的影響

2.1 自然環(huán)境影響分析

由于海洋環(huán)境的特殊性，尤其是在我國(guó)東南沿海和南海地區(qū)，常年高溫、高濕、降水量大、日照時(shí)間長(zhǎng)，以及海浪、鹽霧等各種海洋環(huán)境因素的共同作用，容易引起艦載導(dǎo)彈失效甚至報(bào)廢等，這將嚴(yán)重影響艦艇的作戰(zhàn)能力。下面是對(duì)某型號(hào)彈上出現(xiàn)故障較多的電子產(chǎn)品失效統(tǒng)計(jì)情況，見表3。

從表3 中可已看出，電子產(chǎn)品的失效機(jī)理主要是產(chǎn)品的老化和金屬的銹蝕。老化是非金屬材料橡膠、塑料等制品貯存失效的主要原因，高溫、高濕會(huì)加速產(chǎn)品的老化；銹蝕是各種軍用裝備的重要貯存失效機(jī)理之一。主要是由于金屬材料與周圍的介質(zhì)（高溫、空氣、水分、鹽霧等）由于化學(xué)或電化學(xué)作用而遭到破壞，導(dǎo)致電性能下降，結(jié)構(gòu)材料斷裂和機(jī)械強(qiáng)度降低等失效模式的發(fā)生。高溫、高濕、高鹽霧會(huì)加速金屬的銹蝕，進(jìn)而影響導(dǎo)彈的貯存可靠性[4]。

表3 電子產(chǎn)品失效模式及失效機(jī)理

由此可見，對(duì)艦載導(dǎo)彈貯存可靠性產(chǎn)生主要影響的因素是溫度、濕度和鹽霧。下面對(duì)這3 個(gè)因素進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

2.1.1 濕度對(duì)導(dǎo)彈貯存可靠性的影響

濕度大是影響各類電子設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性最嚴(yán)重的因素，容易引起金屬件的腐蝕、電子設(shè)備的損壞、電氣絕緣性的降低、非金屬材料的霉變等現(xiàn)象。

無論是金屬還是非金屬材料，吸潮后均會(huì)在表面形成“水膜”，空氣中的CO2等氣體能溶解在“水膜”中形成電解液，使絕緣介質(zhì)的絕緣性能下降、使金屬產(chǎn)生化學(xué)或電化學(xué)腐蝕。非金屬材料吸潮后，與金屬材料接觸時(shí)，會(huì)使金屬材料的臨界濕度下降，加快金屬的腐蝕[8]。非金屬材料受潮后還容易滋生霉菌，造成材料性能的降低或喪失以及結(jié)構(gòu)的損壞。

當(dāng)貯存環(huán)境的相對(duì)濕度高于導(dǎo)彈的臨界濕度時(shí)，彈上金屬部件的化學(xué)腐蝕會(huì)轉(zhuǎn)變成電化學(xué)腐蝕，腐蝕速度會(huì)發(fā)生突變。相對(duì)濕度越高，腐蝕速度越快。鐵在不同濕度的空氣中放置55天后，其腐蝕速度與大氣相對(duì)濕度關(guān)系圖如圖1所示[9]。

圖1 腐蝕速度與大氣相對(duì)濕度的關(guān)系

當(dāng)溫度和濕度并存時(shí)，金屬腐蝕物增量V與溫、濕度之間的關(guān)系為

式中：H為大氣相對(duì)濕度（%）；t為大氣溫度（℃）。

由式（1）得出，當(dāng)相對(duì)濕度大于65%時(shí)，即使在潔凈的空氣中，金屬也會(huì)很容易發(fā)生腐蝕。海區(qū)內(nèi)的大氣相對(duì)濕度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)陸地區(qū)的空氣濕度，且大氣相對(duì)濕度大于65%的時(shí)間相對(duì)較多。因此，艦載導(dǎo)彈貯存可靠性更容易受到影響。同時(shí)，溫度的升高會(huì)加快化學(xué)反應(yīng)的速度，因此，高溫和高濕綜合作用會(huì)使各種腐蝕更為嚴(yán)重。

2.1.2 溫度對(duì)導(dǎo)彈貯存可靠性的影響

溫度影響引起裝備的故障占各種環(huán)境因素引起故障的40%。一般認(rèn)為，非金屬材料的老化反應(yīng)速度K與溫度（絕對(duì)溫度）之間滿足如下關(guān)系[10]：

式（2）中：A為與材料成分有關(guān)的常數(shù)；R為大氣常數(shù)；E為非金屬材料的分子活化能；T為絕對(duì)溫度。式（2）表明溫度越高，其老化速度越快。

以彈上火工品導(dǎo)火索為例，其貯存壽命與貯存環(huán)境中的溫度、濕度有如下關(guān)系[11]：

式（3）中：L為導(dǎo)火索的貯存壽命，其單位為年；W為貯存環(huán)境中的年平均溫度（℃）；S為貯存環(huán)境中的年平均相對(duì)濕度（%）。

由式（3）可知，導(dǎo)火索的壽命與溫度和濕度都有關(guān)系，且溫度越高，濕度越大，其壽命越短。

溫度的變化同時(shí)受濕度的影響，兩者之間相互作用。溫度與相對(duì)濕度及絕對(duì)濕度之間的關(guān)系如下：

式（4）中：U為相對(duì)濕度；α為絕對(duì)濕度；E為溫度t下的飽和水氣壓；T為絕對(duì)溫度（T=t+273.15）。

2.1.3 鹽霧對(duì)導(dǎo)彈貯存可靠性的影響

鹽霧本身是一種電解液，當(dāng)彈上金屬元件受到鹽霧的侵蝕時(shí)，很容易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而銹蝕。由于鹽份（如NaCl）的存在，會(huì)使溶液的導(dǎo)電率增大，腐蝕速度會(huì)有所上升。但隨著鹽濃度的增大，氧的溶解度顯著降低，使得腐蝕速度反而下降。

鹽霧對(duì)艦載導(dǎo)彈的侵蝕作用主要表現(xiàn)在2 個(gè)方面：一是直接作用，即鹽霧會(huì)腐蝕彈藥的金屬部件；二是間接作用，即鹽霧會(huì)改變彈藥周邊的環(huán)境條件。鹽霧的存在不僅會(huì)使艦上貯存的導(dǎo)彈受到電化學(xué)反應(yīng)侵蝕，而且鹽霧會(huì)使不同種類的金屬構(gòu)件發(fā)生電偶腐蝕，加速金屬銹蝕速度。鹽霧產(chǎn)生的酸性環(huán)境能破壞彈上的電子設(shè)備，產(chǎn)生導(dǎo)電層，降低絕緣材料的性能。鹽霧能促使機(jī)械部件表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的沉積物造成阻塞或卡死，使彈體上的防護(hù)漆起皮脫落，降低彈體表面光潔度，對(duì)射擊精度造成影響。此外，鹽霧中鹽分的附著與累積，還會(huì)使周圍空氣更容易吸濕返潮，潮濕的空氣與鹽分形成的電解質(zhì)，會(huì)加速?gòu)椝幗饘俨考P蝕，也影響到彈藥裝藥的穩(wěn)定性。

2.2 機(jī)械環(huán)境影響分析

機(jī)械環(huán)境對(duì)艦載導(dǎo)彈貯存可靠性產(chǎn)生影響的主要因素是沖擊和振動(dòng)。由于艦艇長(zhǎng)期在海洋環(huán)境下活動(dòng)，海浪對(duì)艦艇造成一定強(qiáng)度重復(fù)性的沖擊。同時(shí)，艦艇也會(huì)遭受一些非重復(fù)性的強(qiáng)烈沖擊，主要指碰撞、擱淺、非接觸性爆炸、自身武器射擊以及受到敵方武器攻擊等情況帶來的沖擊。另外，艦艇自身的工作會(huì)帶來振動(dòng)，比如主機(jī)推進(jìn)、電機(jī)發(fā)動(dòng)等活動(dòng)。艦載導(dǎo)彈隨艦艇一起運(yùn)動(dòng)，沖擊和振動(dòng)將會(huì)影響艦載導(dǎo)彈的貯存可靠性。

沖擊和振動(dòng)產(chǎn)生的主要影響有：武器裝備機(jī)械應(yīng)力疲勞，導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞；機(jī)械磨損增加；部件連接斷開；電子部件管腳、導(dǎo)線斷裂，粘層、鍵合點(diǎn)脫開，開關(guān)瞬間斷開等。

以上分析了各種環(huán)境因素對(duì)艦載導(dǎo)彈貯存可靠性的影響，但是艦載導(dǎo)彈在艦艇上貯存時(shí)，并不是單獨(dú)受某一個(gè)環(huán)境因素的影響而發(fā)生失效的。艦載導(dǎo)彈失效的過程實(shí)際上是各種環(huán)境因素互相作用而導(dǎo)致的。如適當(dāng)?shù)臏囟群蜐穸葧?huì)使霉菌作用加劇，高溫和高濕會(huì)使腐蝕和氧化增加，風(fēng)雨會(huì)造成鹽霧，高溫和沖擊振動(dòng)會(huì)互相強(qiáng)化對(duì)方的影響等。

3 結(jié)論

海洋環(huán)境對(duì)艦載導(dǎo)彈的影響較大，積極開展海洋環(huán)境對(duì)艦載導(dǎo)彈可靠性影響的定量分析和研究工作，明確高溫、高濕、高鹽霧、霉菌和沖擊等環(huán)境條件對(duì)艦載導(dǎo)彈可靠性的影響，建立環(huán)境因素影響數(shù)據(jù)庫，可有效提高艦載導(dǎo)彈的貯存可靠性，保證艦艇的強(qiáng)大戰(zhàn)斗力。

環(huán)境因素綜合作用是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，不易進(jìn)行概述性描述，這就使得很難預(yù)防或減少環(huán)境因素對(duì)艦載導(dǎo)彈貯存可靠性的影響。但是可從2種途徑來提高艦載導(dǎo)彈的貯存可靠性：一是對(duì)通過艦載導(dǎo)彈進(jìn)行失效分析，確定導(dǎo)致其失效的關(guān)鍵環(huán)境因素，通過外加裝（設(shè)）備來減少（甚至是避免）該環(huán)境因素的影響，如在艙室安裝空調(diào)來控制艙室的溫度等；二是對(duì)艦載導(dǎo)彈進(jìn)行加速貯存試驗(yàn)，以暴露其薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，提高艦載導(dǎo)彈承受環(huán)境影響的能力，進(jìn)而提高其貯存可靠性。

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