淺析艦載武器海洋環境適應性驗證要求

張艷輝

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淺析艦載武器海洋環境適應性驗證要求

張艷輝

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009）

基于艦載武器隨航母服役壽命期海洋環境特點，從標準選用和剪裁的角度對其環境適應性試驗驗證要求進行了分析。綜合考慮艦載武器所面臨的氣候環境和機械環境，全面提出了艦載武器海洋環境適應性驗證要求的一些建議。由于目前我國對艦載導彈海洋環境研究尚不充分，依據標準也大多是國外不同渠道引進的，尚有不一致之處，標準剪裁是否合理有待商榷。同時，還指出了需要進一步研究的關鍵技術問題，以為更合理提出海洋環境適應性驗證要求提供支撐。

艦載武器；海洋環境；環境適應性

我國海洋邊界線漫長、海域遼闊，海洋氣候環境條件復雜多變，具有高溫、高濕、高鹽霧、污損物多且繁殖快、浪高、涌急、風大、光照強及雨量充沛等顯著特征。艦載武器隨航母巡航、訓練和執行任務時必然會受到海洋環境的嚴酷影響，在這些環境的作用下可能會導致艦載導彈結構損壞、功能喪失或性能超差，進而影響其作戰效能。同時，目前海洋作戰在現代戰爭中越來越重要，提高艦載武器海洋環境適應性水平已是一項十分迫切而又艱巨的任務。

為確定艦載武器是否達到預期的環境適應性指標，必須提出合理可行的環境適應性驗證要求對其進行充分考核。環境適應性驗證應首選試驗驗證，在無法或無條件開展試驗驗證的情況下，可以使用分析方法驗證或使用過程中驗證[1]。文中通過對艦載武器隨航母服役壽命期的海洋環境進行系統分析，并綜合考慮標準的合理選用和剪裁，著重從試驗驗證的角度全面提出了艦載武器海洋環境適應性驗證要求的一些建議。

1 艦載武器海洋環境分析

美國空軍總部對其沿海基地的裝備故障情況調查顯示，有52%的失效是由環境因素引起的。其中，由溫度引起的占40%，由振動引起的占27%，由濕度引起的占19%，其余14%是鹽霧、霉菌、沖擊等引發的故障[2]。由此可見，海洋環境因素對艦載武器功能/性能的發揮有著重大的影響。海洋環境主要包括氣候環境和機械環境。其中，氣候環境主要有溫度、濕度、鹽霧、霉菌、淋雨、冰雪、太陽輻射等；機械環境主要有艦船振動、顛震、傾斜和搖擺等。

1.1 氣候環境

1.1.1 溫度和濕度

溫度是最具普遍性的環境因素，艦載武器隨航母服役的整個壽命期內都會經受高、低溫環境。艦載武器在艦面臨時存放或值班隨航母在低緯度熱/亞熱帶海域活動、夏季在海上航行、遇到海洋暖流時，會遇到嚴酷的高溫環境。相反，隨航母在高緯度海域活動，或冬季在海上航行時，會遇到嚴酷的低溫環境。

濕度大是海洋環境的顯著特點，大量海水的蒸發、降雨、海霧以及風浪引起的海水飛濺是造成海洋潮濕環境的原因。據統計，我國西沙群島海域1988—1997年10年間，年平均相對濕度在80%~84%之間，最高為100%，最低為47%，月平均相對濕度大于80%的時間一年有9個月以上[3]。可見，艦載武器隨航母服役的整個壽命期內極易受到惡劣潮濕環境的影響。

1.1.2 鹽霧和霉菌

海洋鹽霧環境非常嚴酷，實測數據表明，海洋大氣中的含鹽量是內陸地區的50~100倍，甚至更高，而且艦載武器除會受到由海水飛濺形成的鹽霧環境影響外，還會受航母動力裝置排放的燃燒廢氣以及艦載飛機起飛、降落排放的尾氣如SO2，NO2等污染物質的影響，而呈現明顯的酸性鹽霧特征。據美國某航空協會驗證，停放在航母甲板上的飛機表面聚積的濕氣中含有大量的SO42-，并具有較低的pH值（約為2.4~4.0）[4]。

海洋濕熱的大氣環境為霉菌滋生提供了有利條件。一般情況下，霉菌孢子在相對溫度為5~50 ℃和相對濕度在90%~100%的環境中能夠較快生長。艦載武器艙內不通風，極易誘發有利于霉菌生長的溫濕度環境。

1.1.3 淋雨、冰雪和太陽輻射

艦載武器在艦面臨時存放或值班時，會經受日復一日的太陽輻射環境。在我國南海，總輻射強度最高可達1.12 kW/m2，甚至超過波斯灣。海洋氣候變化無常，有時還很容易遇到降雨強度達100 mm/h并伴隨18 m/s大風的暴雨情況。當航母在寒冷海域的大浪中航行時，艦載武器表面還會很容易結冰，這對其結構強度提出了一定的要求。GJB 1060.2—91《艦船環境條件要求氣候環境》中規定，艦船露天部位設備應能承受0.96 kPa的雪載荷和0.22 kPa的冰載荷而不損壞[5]。由于試驗手段的局限性，冰雪環境適應性一般是通過設計和仿真分析進行保證。

1.2 機械環境

1.2.1 艦船振動和顛震

艦載武器隨航母在海上航行時必定要經歷航母上各部件機械運動（如發動機、發電機、螺旋槳和艦炮等）和自然環境（風、浪）誘發的艦船振動環境，且艦船振動環境一般呈現正弦疊加寬帶隨機振動特征。其中正弦振動的頻率與各種旋轉源頻率一致，在螺旋槳槳葉過頻及其諧波頻率處的振動往往較強，而寬帶隨機振動源于航母上所有活動的累積效應、主要海況以及艦船自身動態響應特性的影響。同時，海浪的拍打還會引起顛震環境，它是一種在一定時間間隔內多次出現的重復性低強度的沖擊激勵。海上大風浪環境下，航母航行時顛震加速度比其振動加速度會大很多，但作用時間短，作用周期長[6]。

1.2.2 傾斜搖擺

自然界中風、浪、流、潮等惡劣環境因素以及航母的航行、回轉、破損、操作不當以及裝載不平衡等都會不可避免地產生顯著的平移、搖擺、上下升沉運動，從而誘發長時間的傾斜環境和搖擺環境，是艦載武器隨航母航行所經受的最基本環境。傾斜和搖擺環境主要特征為頻率低，傾斜會使艦載導彈承受誘發的靜態力，搖擺將使艦載導彈承受誘發的動態力[7]。

2 艦載武器海洋環境適應性驗證要求

2.1 溫度

艦船露天部位設備高溫工作極值按1%時間風險率取值，即48 ℃，高溫承受極值按10%時間風險率，預計暴露2，5，10，25年取值，分別為51，51，51，52 ℃。由于艦載導彈艦面掛機值班狀態下直接暴露于大氣環境中，則應在極值溫度的基礎上再加上1110 W/m2太陽輻射熱產生的溫升（相當于17 ℃）[5]，因此，艦載導彈高溫工作溫度要求為65 ℃，高溫貯存溫度要求不高于69 ℃。

非極區航行的艦船露天部位設備低溫工作極值按5%時間風險率取值，即－28 ℃。極區航行的艦船露天部位設備低溫工作極值為－54 ℃。我國航母在極區航行的可能性極小，故該環境可暫不考慮。低溫承受極值按10%時間風險率，預計暴露2，5，10，25年取值，分別為－37，－38，－39，－41 ℃[5]。低溫極值條件下，黑夜很長，太陽輻射可以忽略不計，溫度在一天中基本保持不變，有充足的時間建立溫度平衡，這樣，誘發溫度和低溫極值基本相同[8]。因此，艦載導彈低溫工作溫度要求為－28 ℃，低溫貯存溫度要求不低于－41 ℃。

溫度試驗的嚴酷度除受溫度影響外，還和持續時間有關。溫度試驗的持續時間可按GJB 150.3A和GJB 150.4A確定。另外，為更好地模擬太陽輻射誘發的高溫貯存環境，高溫貯存試驗推薦使用GJB 150.3A中規定的日循環程序[9]。

2.2 濕度

自然界中潮濕環境往往是溫度和濕度綜合的濕熱環境，且濕熱環境隨地理位置和氣候條件的變化，會呈現出明顯的動態變化。當相對濕度小于材料的臨界相對濕度時，其對裝備的影響很小。因此，為了在短時間內能夠暴露由濕熱環境引起的潛在故障，濕熱試驗程序一般不模擬復雜的溫濕度自然環境或誘發環境，而是采用GJB 150.9A中規定的加嚴考核試驗程序。試驗周期一般選用10個周期，若證明10個周期不能反應裝備耐濕熱環境的能力，可以延長試驗周期。比如考核海洋濕熱環境對某種金屬的腐蝕效應時，應根據金屬結構和材料允許的腐蝕程度來延長試驗時間。

2.3 鹽霧

美國海軍航空發展中心（NADC）對海軍飛機基礎材料、組件開展了大量腐蝕試驗研究，形成了較成熟的酸性鹽霧試驗方法，即NADC81174-60。該方法主要通過材料級腐蝕試驗研究得到，對于艦載機機載設備是否適用尚無明確說明[10]。目前我國在酸性鹽霧試驗方法方面開展的研究驗證工作比較少，鹽霧環境適應性驗證仍廣泛采用中性鹽霧試驗方法。鹽霧試驗不是壽命期自然鹽霧環境的再現，而是以暴露潛在故障為目標的加速腐蝕試驗。鹽霧試驗一般采用連續噴霧和間斷噴霧兩種方式，其中間斷噴霧采用噴霧和干燥交替進行的方式，可使金屬表面形成周期性的干濕交替，可以保證試件表面液膜的更新，加快氧的擴散和吸附，促進電化學腐蝕的進行。此外，間斷噴霧方式相對于連續噴霧方式更接近海洋服役壽命期環境，而且能夠有效地反映腐蝕產物的吸濕性對腐蝕的影響[11]。因此，艦載武器鹽霧試驗考核可按GJB 150.11A規定的連續噴霧試驗程序執行，試驗持續時間應不少于96 h，但為了對艦載武器耐受海洋高鹽霧環境的能力給出更高置信度的評價，可以增加試驗的循環次數。

GJB 150.28A給出了考核在酸性大氣地區（如工業區或燃燒設備的廢氣附近）貯存或使用的裝備的試驗方法，在現階段，也可采用酸性大氣和中性鹽霧兩種試驗組合的方式來驗證艦載武器對酸性鹽霧環境的耐受能力[10]。

2.4 霉菌

霉菌試驗是人工模擬自然界微生物生存環境所進行的加速試驗。霉菌試驗的溫濕度條件有恒定溫濕度條件和交變溫濕度條件兩種形式，交變溫濕度條件更能模擬海洋地區自然界晝夜溫濕度變化，而且高濕條件下，溫度變化時，濕氣可以通過呼吸作用進入產品內部，并形成一層霉菌孢子萌芽所必需的水膜，從而創造了更有利的霉菌生長條件。另外，每一種霉菌都有一個適宜生長的溫度條件，一定的溫度變化范圍相對于恒溫更有利于多種霉菌的生長，而且溫度變化還能打破某些霉菌孢子的休眠狀態。因此，交變溫濕度條件相對于恒定溫濕度條件更有利于霉菌的生長[12]。故為在短時間內更好地暴露問題，艦載武器霉菌試驗考核仍可采用GJB 150.10，試驗菌種可根據海洋優勢菌種類型和對產品組成材料的敏感程度進行合理剪裁，試驗持續時間至少為28 d。這是因為霉菌孢子萌發、菌絲生長、霉菌分解含碳分子以及降解材料的最短時間為28 d，但考慮到長霉對試件產生的間接侵蝕和物理影響往往不可能在較短持續時間內出現，如果要求在確定長霉對試件的影響方面需要提高確定度或降低風險時，則應考慮將試驗持續時間延長至84 d。

2.5 淋雨和太陽輻射

淋雨試驗主要是用于考核艦載武器防止水滲透的能力，試驗時間一般較短。考慮到艦載武器壽命期內淋雨環境一般是沒有防降雨和吹雨措施的戶外暴露，因此淋雨試驗考核可按GJB 150.8A中的程序Ⅰ——降雨和吹雨執行。當艦載武器尺寸較大，試驗設備不能滿足需求時，也可按程序Ⅱ——強化執行，該程序不模擬自然降雨和吹雨，但可驗證艦載武器的防水性。

在太陽的照射下，艦載武器會受到太陽輻射長波的加熱效應和短波激發的光化學效應的綜合影響。考慮到艦載武器全球部署的可能性，太陽輻射的峰值條件應選擇1120 W/m2和49 ℃，因此太陽輻射試驗可按GJB 150.7A中的程序Ⅰ——循環試驗A1和程序Ⅱ——穩態試驗A1執行。程序Ⅰ著重于太陽輻射產生的熱效應，試驗持續時間應根據實測得到達到最高響應溫度的循環數確定，至少為3次循環，至多不應超過7次循環，24 h為一個循環。程序Ⅱ著重于太陽輻射產生的光化學效應，是一種加速試驗，試驗持續時間應至少為56次循環。考慮到程序Ⅱ一般用于考核涂層、橡膠、塑料、復合材料等有機材料的光化學效應，且試驗周期較長，可選擇典型樣件代替整機進行試驗驗證。

2.6 艦船振動

為更真實地模擬艦船振動環境正弦疊加寬帶隨機的振動特征，GJB 150.16A與GJB 150.16，GJB 4.7，MIL-STD-167-1A相比，增加了隨機振動部分，但該條目并未給出詳細的試驗程序，僅提出了一些需要考慮的問題。

為了能更真實地模擬預期暴露平臺環境，便于試驗實施并節約時間成本，建議艦船振動試驗采用隨機振動和正弦振動疊加進行的方法。試驗軸向為縱向、橫向和垂向，振動暴露量級可參照GJB 150.16A中附錄A第21類—船—艦船A.2.3.11.2，試驗程序按以下三個步驟開展[13—14]。

1）對于每個軸向，首先進行一半正弦振動功能試驗，即以1 oct/min的速率進行5次正弦掃頻循環試驗。同時，試驗過程中記錄產品出現故障、性能超差、失靈的頻率以及共振頻率等危險頻率。

2）以隨機振動作為背景圖譜，在隨機振動圖譜上于正弦掃頻確定的危險頻率處疊加規定量值的正弦振動，如果有多個危險頻率，可同時疊加在隨機振動背景圖譜上。如果在正弦掃頻范圍內沒有危險頻率，應在上限頻率上進行。這主要是考慮一定的試驗裕量，因為上限頻率處的振動次數最多，累積結構疲勞更大，更能暴露潛在故障。

3）再進行最后一半正弦振動功能試驗。

2.7 傾斜和搖擺

傾斜環境分為縱傾和橫傾兩種形式，搖擺環境分為縱搖、橫搖和首搖三種形式，艦載武器所經受的傾斜和搖擺環境往往是同時存在的，因此傾斜和搖擺試驗往往是采用由這幾種形式傾斜角度和搖擺角度的耦合、搖擺周期和試驗持續時間4個參數組成的傾斜和搖擺綜合試驗。GJB 150.23和GJB 150.23A都提出了傾斜和搖擺綜合試驗程序，GJB 150.23A針對傾斜和搖擺綜合試驗耦合方式沒有任何說明，而是建議根據實測數據確定。在沒有實測數據的前提下，本著有效模擬預期傾斜和搖擺環境的原則，傾斜和搖擺綜合試驗可參照GJB 150.23中規定的橫傾和縱傾、橫傾和縱搖、橫搖和縱傾以及橫搖、縱搖和首搖等4種耦合方式以及對應的角度和周期執行，試驗持續時間應不少于60 min[15]。同時，考慮到GJB 150.23A中針對水面艦船上應急設備的試驗考核需求增加了橫傾角度±22.5°一檔，建議把傾斜和搖擺綜合試驗程序中的橫傾角度提高到±22.5°進行摸底考核。

2.8 顛震

顛震試驗的嚴酷等級由加速度、重復頻率、脈沖持續時間和顛震次數等4個指標決定。顛震加速度等級由風浪大小和航母航速決定，對于航母上的設備，顛震試驗加速度一般為7。顛震的重復頻率主要取決于波浪的波長和航母航速，實測數據表明，3—4級海況下，航母主機轉速為1600 r/min時重復頻率可達30~100 次/min。由于航母噸位較大，艦載導彈顛震的重復頻率一般取30 次/min。顛震的脈沖持續時間和顛震激勵能量成正比，顛震脈沖持續時間一般大于16 ms。顛震次數是顛震時間和重復頻率折算過來的，而顛震時間根據航母使用巡航速度的時間來確定，顛震次數一般取3000 次。除此之外，除另有規定，顛震的脈沖波形一般為半正弦波，且只進行垂向顛震試驗[6,16]。

3 結語

文中著重從試驗驗證的角度闡述了艦載導彈環境適應性驗證要求的有關問題，但由于目前我國對艦載導彈海洋環境的研究尚不充分，依據標準也大多是國外不同渠道引進的，尚有不一致之處，標準剪裁是否合理有待商榷。同時，建議開展艦船平臺海洋機械環境測量與分析以及機載設備酸性鹽霧方法研究，以為更合理提出海洋環境適應性驗證要求提供支撐，確保艦載武器能夠在海洋環境下可靠地工作。

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Requirement on Suitability Verification of Shipborne Weapons in Marine Environment

ZHANG Yan-hui

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

The paper analyzed verification requirements of environmental suitability from standard selection and use based on features of shipborne weapons serving with aircraft carrier in marine environment. After comprehensive consideration on climatic and mechanical environment faced by shipborne weapons, some suguestions on verification requirements of environmental suitability of shipborne weapons were proposed overall. At present, the research on the marine environment of shipborne weapons is insufficient, and most standards are introduced from different channels from foreign counties. There are many inconformities. Whether the standard tailoring is reasonable remains to be discussed. Meanwhile, it also pointed out key technical problems in further research and provided support to propose more reasonbale verification requirements on environmental suitability.

shipborne weapon; marine environment; environmental suitability

10.7643/ issn.1672-9242.2017.05.002

TJ83；TQ317.6

A

1672-9242(2017)05-0008-04

2016-12-08；

2017-01-08

張艷輝（198—），女，工程師，主要研究方向為機載設備環境工程。