貯存使用環(huán)境對導彈性能的影響機理

張仕念,吳勛,顏詩源,張國彬,易當祥,何敬東

(北京市海淀區(qū)西北旺鎮(zhèn)北清路109號203分隊,北京100094)

貯存使用環(huán)境對導彈性能的影響機理

張仕念,吳勛,顏詩源,張國彬,易當祥,何敬東

(北京市海淀區(qū)西北旺鎮(zhèn)北清路109號203分隊,北京100094)

目的分析影響導彈性能的主要環(huán)境因素及影響機理。方法根據導彈的貯存條件和環(huán)境因素的重要性,分析影響導彈性能的主要環(huán)境因素,分析總結其影響機理。結果影響導彈性能的主要環(huán)境因素包括溫度、濕度、振動與沖擊、重力、氣壓和靜電,其中溫度的主要影響機理是引起力學性能、電器性能、氣體和液體對容器的壓力、化學反應速度的變化,濕度的影響機理是水膜、凝露的形成和產品的吸濕,振動與沖擊的影響機理是疲勞損傷和極限破壞,重力影響固體發(fā)動機粘接界面的機理是藥柱溫度小于平衡溫度引起的扯離應力,氣壓的影響機理是空氣壓力、空氣密度和空氣含氧量的變化,靜電的影響機理是靜電放電和靜電引力。結論環(huán)境影響導彈性能的機理,對通過設計提高導彈的環(huán)境適應能力和使用環(huán)境控制都很重要。

貯存使用環(huán)境;導彈;影響機理;貯存延壽

影響導彈壽命的主要因素有設計制造、環(huán)境條件和人的因素。產品設計、材料/元器件的選用和制造工藝,很大程度上決定了導彈的貯存壽命。貯存使用過程中所經歷的溫度、濕度、振動等環(huán)境條件,影響導彈的貯存壽命,也反映了采取壽命設計措施后的導彈對環(huán)境的適應能力。同時,在導彈運輸、貯存、測試、維護、整修、狀態(tài)轉換、發(fā)射等過程中都有人的參與,人的知識和能力也對導彈產生一定的影響。美國國防部在20世紀60年代進行的專門調查表明:環(huán)境造成武器裝備的損壞占整個使用過程中損壞的50%以上,超過了作戰(zhàn)損壞,在庫存期環(huán)境損壞造成的比例占整個損壞的60%[1]。我國也有很多環(huán)境條件引起使用性能變化甚至引起故障或失效的案例,例如將導彈從高原運輸到華北,因貯箱未充氣,在高度差變化快時,由于外界大氣壓力變化導致癟彈,又如靜電引起的事故等[2]。因此貯存使用環(huán)境對導彈性能的影響以及導彈的環(huán)境適應能力受到人們極大的關注[3—5]。文中從使用角度分析了導彈在貯存使用過程中經歷的主要環(huán)境因素,及其對貯存壽命的影響機理。

1 導彈的貯存使用條件及影響因素

1.1 導彈的貯存使用條件

導彈的貯存使用環(huán)境條件是指在貯存、測試以及轉運、訓練、演習等使用過程中可能遇到的一切外界影響因素。依據GJB 2770—1996《軍用物質貯存環(huán)境條件》,軍用物資貯存環(huán)境主要為氣候環(huán)境條件、生物環(huán)境條件、化學活性物質條件、機械活性物質條件、機械環(huán)境條件、電磁環(huán)境條件等6類。貯存環(huán)境條件參數等級用一個英文字母和一個阿拉伯數字組合表示,阿拉伯數字越大嚴酷等級越高,貯存條件越嚴酷,見表1。

軍用物資貯存環(huán)境等級劃分為5級,見表2。Ⅰ級最佳,Ⅱ級良好,Ⅲ級一般,Ⅳ級較差,Ⅴ級為特殊貯存環(huán)境,根據特定環(huán)境設置參數。

表1 貯存環(huán)境條件環(huán)境參數等級Table 1 Parameter classification of storage environment conditions

表2 一般軍用物資貯存環(huán)境等級所涉及綜合環(huán)境參數等級表Table 2 Environment parameter comprehensive classifications corresponding to the storage environment classes of general military materials

GJB 806.8—1990《地地戰(zhàn)略導彈通用規(guī)范 標志包裝貯存轉載運輸》對導彈的貯存環(huán)境提出了一些通用要求,但不同型號導彈的環(huán)境條件控制要求存在差異。具體包括:包裝環(huán)境、貯存環(huán)境(中心庫/器材庫,地面設備庫)、測試環(huán)境、運輸轉載環(huán)境、簡易庫房環(huán)境。

1)包裝環(huán)境。分為運輸包裝、貯存包裝、貯運包裝,一般有彈衣、保護筒、運輸箱等3種。彈衣為貯存包裝,用于防護灰塵、雪、霧對導彈的影響,減少對導彈的擦傷、碰傷,預防靜電的危害,確保人員和裝備的安全。保護筒和運輸箱為運輸包裝或貯運包裝,具有良好的保溫性能,采取良好的防潮措施,以及支撐、減震和緩沖措施,保證溫度、濕度、減震符合技術要求。包裝間的溫濕度應符合:溫度為(20± 5)℃(或(20±3)℃);相對濕度不大于70%(或75%)。

2)貯存環(huán)境。空調正常時,溫度為5～30℃(或10～30℃);空調故障時,溫度為5～40℃。相對濕度由庫房保證或由導彈貯存包裝設備保證。由庫房保證時,空調正常情況下相對濕度不大于70% (或75%),空調故障情況下相對濕度不大于85%;由導彈貯存包裝設備保證時,視貯存包裝的性能,相對濕度在不大于60%或不大于50%中選擇。空調故障時間1次連續(xù)不大于15 d,1年不得超過2次。

3)測試環(huán)境。溫度為(20±3)℃(或(20± 5)℃);相對濕度不大于70%(或75%)。

4)運輸轉載環(huán)境。導彈所經歷的實際環(huán)境由保護筒、運輸箱保證,不同型號之間存在差異。

5)簡易庫房環(huán)境。導彈在待機陣地貯存的溫濕度條件由發(fā)射設備(或包裝設備)保證,具體參數要求不同型號之間略有差異。導彈裝備在庫房存放時,有較好的溫度、濕度控制條件,基本溫度能控制在10～30℃,相對濕度能控制在75%內,內部設施很好,參考GJB 2770的等級劃分,基本上處于Ⅰ級水平。在外執(zhí)行任務時,如野外待機、機動等任務,其貯存環(huán)境條件可能部分不受控制,但基本也可以在Ⅱ級與Ⅲ級之間。

1.2 導彈貯存使用過程中的主要因素

各種環(huán)境因素的重要性與環(huán)境的關系見表3[8]。從導彈貯存使用的實際情況看,在貯存和測試過程中,導彈在貯存或測試環(huán)境中處于靜止狀態(tài),溫度、濕度的影響較大,對導彈進行測試操作時還要防止靜電的危害。在轉運、訓練、演習等使用過程,導彈實際上處于公路或鐵路機動狀態(tài),設計時已經采取了針對太陽輻射、淋雨、固體沉降物等的防護措施,主要影響因素有溫度、濕度、振動和沖擊。另外,無論導彈處于何種狀態(tài),都受自身重力的影響,在高海拔地區(qū)還要考慮氣壓的影響。因此應參考相關標準[9—10]討論溫度、濕度、振動與沖擊、重力、氣壓和靜電對導彈性能的影響機理。

表3 各環(huán)境因素的重要性與環(huán)境的關系Table 3 Weight and significance of environment factors as in environment evaluations

2 使用環(huán)境對導彈性能的影響機理

2.1 溫度

溫度對導彈的影響長期存在,包括高溫、低溫、高低溫循環(huán)產生的影響[9]。溫度對導彈性能的影響主要包括力學性能、電器性能、氣體和液體對容器的壓力、化學反應速度等4個方面。

1)力學性能。溫度引起尺寸的變化,進而影響產品的力學性能。隨著溫度的變化,各種材料的體積也會發(fā)生變化,如式(1)所示[10]:

式中:a0為材料的線膨脹系數。

由于材料不同,其線膨脹系數可能相差很大,在溫度變化時容易造成裂縫、螺絲松動,使其功能失效或是被破壞。溫度還會使材料的物理性能發(fā)生變化,影響其機械強度,造成失效。在溫度變化達到一定程度時,甚至還可能使得材料的物態(tài)發(fā)生變化,導致裝備無法正常工作。例如,以玻璃化溫度為界,高分子聚合物在玻璃化溫度以下為塑料,在玻璃化溫度以上為橡膠。

2)電器性能。溫度影響電阻,進而影響其他電器性能。溫度越高,電子活動越劇烈,使電子產生定向流動的難度越大,電阻越大。由于電阻通常按照自然冷卻方式設計,因此溫度通常對電阻影響很大,如式(2)所示:

式中:γ為電阻溫度系數,它是由導體晶格上的原子振動造成的,表征每升高1℃時電阻的變化量。隨著溫度的升高,材料的電阻也會越來越大,從而使電路及傳感器發(fā)生溫漂。環(huán)境溫度的升高還會給電氣設備的散熱造成困難,加速絕緣體老化甚至造成熱擊穿。高溫還會影響半導體器件的電參數,使得器件的工作點不穩(wěn)定,導致器件失效。

3)容器壓力。容積不變時,溫度引起壓力的變化,進而引起產品失效或功能變化。氣體、液體的質量和容腔是一定的,根據普適常量氣體定律,見式(3):

式中:R=0.082 J/(kg·K)(普適氣體常量)。由此可見,壓力與溫度成正比,溫度過高或過低都容易由于壓力過大而造成容器破裂和損壞。

4)化學反應。溫度升高,會提高基元反應的反應速度。瑞典物理化學家阿羅尼茲(Svandte Arrhenius)1887年提出的阿羅尼茲反應速率關系式:

式中:R為反應速度;A為未知的非熱常數;EA為活化能;K為波爾茲曼常數;T為絕對溫度;C為組分濃度。

由式(4)可見,溫度越高,化學反應速度越快,產品老化越快。該方程是目前采用加速老化的方式提前預估壽命的常用公式[11]。

2.2 濕度

濕度對產品的性能會產生重要影響。在潮濕條件下,元件和材料易發(fā)生漏電、短路、擊穿及電接觸不良現象;在高濕條件下,元件金屬材料的腐蝕加速、結構強度減弱、電氣參數發(fā)生漂移等;濕熱交替變化的條件下,可使材料進行毛細管的“呼吸”作用,加速材料的吸潮和腐蝕過程等。

濕度對導彈性能的影響可歸結為水膜、凝露和吸濕。

1)水膜。空氣中的濕氣會在固體表面附著一層肉眼看不見的水膜。水膜會產生以下影響:附著在陶瓷、玻璃等絕緣體表面,使絕緣電阻下降;引起元器件焊點腐蝕,電介常數增大;使大規(guī)模集成電路反向、生成各種金屬晶須,產生各種電遷移;在熱氧化和擴散的硅接點上,會緩慢引起反向電流;水膜與酸性氣體(CO2,SO2,NO2等)作用具有稀酸性質,會使金屬零件表面銹蝕,產生凹坑,引起電化學腐蝕;復合材料與金屬的電偶腐蝕。電位不同的兩種材料連接并與電解液接觸時,會引起電位較低材料的加速腐蝕。電偶腐蝕的發(fā)生需要3個條件,即電位差、電解質和導電聯結,水膜會促進電解質溶液的積聚。

2)凝露。當環(huán)境由低濕度突然增到高濕度時,致密性材料吸濕性很小而吸濕速度很慢,濕氣易在表面凝聚成水珠,產生濕氣凝露現象。凝露會加快氧化反應,促進橡膠等材料的老化。凝露能導致表面電阻值降低100～1000倍。

3)吸濕。吸濕是一個緩慢的水分擴散過程。氣候條件下的吸濕和脫濕屬可逆性過程,吸濕的速度及平衡吸濕量取決于環(huán)境的溫度、相對濕度、材料體系和材料厚度等。對于橡膠等非金屬材料,水分子通過材料的毛細孔和分子間隙滲透,擴散到其內部,引起水解、霉變和加速老化變質,絕緣性能降低;對于疏松材料(如纖維殼體材料),因吸濕性較強而吸濕速度很快,吸濕膨脹或放濕收縮會引起元件幾何尺寸和形狀的變化,導致其力學性能發(fā)生改變。火藥炸藥等火工品會吸濕、潮解,喪失其功能,典型的如NEPE推進劑。

2.3 振動與沖擊

導彈產品在運輸和裝卸過程中會遇到不同程度的振動。運輸主要有鐵路運輸和公路運輸2種。振動主要來自于鐵路、公路運輸中路面不平度激勵而引起的強迫振動。沖擊表示載荷的一種急速變化或由于加速度的急速變化所引起的載荷改變,是振動的一種特殊情況,主要來自于鐵路和公路運輸中的啟動和急剎車、裝卸中可能遇到的跌落,叉車移動操作中的碰撞等。

導彈振動與沖擊主要發(fā)生在運輸與裝卸、發(fā)射訓練、飛行等任務事件中。對裝備的影響機理主要可歸納為疲勞損傷和極限破壞。

1)對機械結構:如導彈艙段間的定位銷子可能會因為振動沖擊,發(fā)生彎曲或剪斷;緊固件可能會松動;配合面和表面處理層可能被擦傷;構件應力集中部位或連接部位會發(fā)生振動疲勞,產生微裂紋,造成疲勞損傷。

2)對電子設備:如慣性器件或平臺會因為振動沖擊,發(fā)生超差或漂移;集成電路的焊接點可能會產生虛接,引起斷路;壓力觸點可能會發(fā)生該斷開時閉合、該閉合時斷開。

3)對材料:如金屬彈簧、減振墊等由于各個方向的加速度作用,會發(fā)生振動疲勞損傷;殼體/絕熱層/襯層/藥柱的各個粘接界面,會由于振動沖擊,產生不同程度的剝離應力損傷,會在后續(xù)貯存過程中發(fā)生脫粘。

2.4 重力

導彈在長期的貯存過程中,受到自身重力的作用,經歷整個壽命周期。由于彈上電子、機電設備通常采用螺栓與其連接結構相連接,其強度較高,重力的長期影響較小。對固體發(fā)動機這樣的粘彈性設備,自身重力的影響很大,在重力載荷作用下,發(fā)動機藥柱的變形和應力狀態(tài)會隨時間的推移出現變化[12]。發(fā)動機水平放置時,其橫截面各點位置及其受力如圖1所示。

圖1 固體發(fā)動機貯存過程中的受力情況Fig.1 Load Conditions on Solid Motor during Storage

圖1 a中A點的受力情況如圖1b所示,藥柱自重會引起向下的應力,即扯離應力;C點界面形成壓應力,在B點產生剪切應力,也是由于藥柱的重量產生的。比較而言,最危險的是扯離應力,可能會導致脫粘。A處的扯離應力與溫度有關,存在一個平衡溫度TR,當藥柱溫度TU滿足TU＞TR時,A界面沒有溫度應力;當TU＜TR時,A界面會出現扯離應力。

為此,通常要求每年翻轉90°,防止發(fā)動機在重力和環(huán)境溫度的作用下引起脫粘。由于脫粘本身不可逆,每年翻轉180°,即A點與B點的位置互換,會使脫粘的間隙減少,但并不會減少脫粘面積,再次互換時又回到原來脫粘的情況,最終導致脫粘面積集中。

2.5 氣壓

氣壓對散熱、密封、電氣性能都會產生不同程度的影響[13—14],氣壓的影響機理可以總結為空氣壓力、密度和含氧量等3個方面。

1)空氣壓力。壓力低,影響固體發(fā)動機點火建壓和點火藥盒等火工品的性能;使密閉容器等內含空氣等低密度物質的零部組件產生內外壓差、膨脹甚至破壞;水容易沸騰,影響水散熱。壓力高,增加了氣密性設備中的壓力,造成結構損壞、泄漏等。

2)空氣密度低,使空氣絕緣程度下降,設備外絕緣表面及不同電位帶電間隙容易被擊穿。空氣介電常數減小,使元件電氣參數發(fā)生變化。空氣抗電強度低,容易出現電弧、電暈放電和形成臭氧,使設備工作不穩(wěn)定甚至產生故障。氣體密度減小使散熱條件變差,導致設備內溫度升高等。

3)含氧量低,影響燃燒,使原動機功率下降,影響人員的操作能力。

2.6 靜電

靜電是一種處于靜止狀態(tài)的電荷。當電荷聚集在某個物體上或表面時就形成了靜電,而電荷分為正電荷和負電荷兩種,也就是說靜電現象也分為正靜電和負靜電。靜電產生的方式有兩種:摩擦起電和感應起電[15]。當帶靜電物體接觸零電位物體或與其有電位差的物體時都會發(fā)生電荷轉移,即放電。

靜電產生危害可歸結為靜電放電和靜電引力兩種機理。其中靜電放電的主要危害包括:引起電子設備的故障或誤動作,造成電磁干擾;擊穿集成電路和精密的電子元件,或者促使元件老化,降低生產成品率;高壓靜電放電造成電擊;在多易燃易爆品或粉塵、油霧場所引起爆炸、火災。

在導彈貯存使用過程中,當人體帶有靜電電壓較高時,觸摸到導彈殼體容易引起導彈電起爆裝置等火工品意外點火。同時,靜電電荷總是找到最低阻抗通路泄放,如果殼體沒有很好的泄放通路,就可能危及導彈組件的內部電路,損壞電路上的元器件,造成導彈部分功能喪失。

導彈在飛行過程中,空氣、塵埃、雨點、沙粒等與彈體的強烈摩擦起電等,由于導彈表面電荷的積累,當電位差高到一定的程度時,就會擊穿周圍空氣形成電暈,產生寬頻帶的電磁干擾。

靜電引力的主要危害是吸附灰塵,造成集成電路和半導體元件的污染。由于彈體內部的密封措施,靜電引力對部隊操作使用的危害很小,但在研制生產過程中的危害卻很大。

3 結語

研究導彈貯存使用過程中的各種環(huán)境因素對導彈性能的影響機理,對采取有針對性的設計措施提高導彈的環(huán)境適應能力十分重要,同時對貯存使用過程中的環(huán)境控制也有指導意義。文中分析總結了影響導彈性能的主要環(huán)境因素及單一環(huán)境因素的影響機理,2個或多個環(huán)境因素會相互作用,對導彈性能產生不同影響。例如,高溫和振動會相互強化對方的影響,濕度與振動的組合會增大電氣材料的分解速度,低溫與低氣壓的組合會加速密封環(huán)節(jié)漏氣等,其影響機理還有待深入研究。

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Influencing Mechanism of Storage/Use Environment on Missile Performance

ZHANG Shi-nian,WU Xun,YAN Shi-yuan,ZHANG Guo-bin,YI Dang-xiang,HE Jing-dong
(Division 203,109 of Beiqinglu road,Town of Xibeiwang,Haidian District,Beijing 100094,China)

Objective To analyze the major environmental factors and influencing mechanism of guided missile performance.Methods According to the storage and environmental conditions of guided missile,the major influencing environmental factors were analyzed,and the influencing mechanism was analyzed and summarized.Results The major influencing environmental factors of missile performance included temperature,humidity,vibration/shock,gravity,air pressure,and static electricity.The major influencing mechanism of temperaturewas the inducement of changes in mechanical/electrical performance,gas/liquid pressure to containers and changes of chemical reaction rates.As for humidity,the major influencing mechanism included formation of film or dew and moisture absorbency.Under vibration and shock,the influencing mechanism was the fatigue damage and failure due to load limit.As for the effect of gravity on the solid motor adhesion interfaces,the mechanism was the tearing stresses produced by motor grain when its temperature fell below the equilibrium temperature.Under air pressure,the influencing mechanism was the changes in air pressure,density and oxygen content. For effects induced by electrostatic,the mechanism was electro-static discharge and electro-static attraction.ConclusionThe influencing mechanism of environment factors on missile performance is important both for environmental adaptability improvement and operation environment controlling of guided missile.

storage/use environment;guided missile;influencing mechanism;extension of storage life

10.7643/issn.1672-9242.2014.05.004

TJ760.6

:A

1672-9242(2014)05-0017-06

2014-05-30;

2014-06-06

Received:2014-05-30;Revised:2014-06-06

張仕念(1976—),助理研究員,主要研究方向為可靠性與延壽技術。

Biography:ZHANG Shi-nian(1976—),Assistant Researcher,Research focus:reliability and life extension technology.