海洋环境对舰载导弹贮存可靠性影响分析

柳爱利，寇方勇

（海军航空工程学院a.控制工程系；b.研究生管理大队，山东烟台264001）

贮存可靠性是指产品在规定的贮存条件下和规定的贮存时间内，维持产品规定功能的能力[1]。舰载导弹是长期贮存，一次发射使用的特殊产品。由于舰艇活动范围广，续航时间长，经历海洋环境复杂，作战任务多样，因而舰上各类导弹的贮存有着不同于岸基贮存的特殊要求。美国国防部的调查数据表明：在库存状态下，环境因素造成的武器装备损坏或失效的比例占到60%[2]。因此，展开舰载导弹贮存环境分析对提高其贮存可靠性有着至关重要的作用。

目前，美国对贮存可靠性的研究处于世界领先的地位，近年来已经形成了一套关于贮存可靠性的理论体系[3]。苏联早在上世纪50年代就开始了贮存可靠性的研究，并且曾与我国合作过该方面的许多研究，比如“弹药长期保管试验研究”项目[4]等。其他国家如英国、德国等国家都投入了大量的人力物力进行了贮存可靠性的研究。我国对贮存可靠性的研究起步较晚，主要集中在对陆地上导弹贮存可靠性的研究[4-5]，但是对舰载导弹在海洋环境下的贮存可靠性缺乏研究。舰载导弹虽然主要贮存在舰艇舱室中，但是舰艇总体上处于一个高温、高湿、高盐雾的海洋环境中，所以，海洋环境对舰载导弹的贮存可靠性有较大影响。

本文主要分析海洋环境对舰载导弹贮存可靠性的影响，并对影响舰载导弹贮存可靠性的主要环境因素进行了系统的分析。

1 我国海洋环境特点

1.1 环境分类

在贮存剖面中，全部贮存环境因素可以分为自然环境因素和诱导环境因素2 大类。自然环境因素包括：温度、湿度、大气压力、降水、太阳辐射、沙尘、霉菌、盐雾和风等；诱导环境因素包括：机械因素（如振动、冲击等），大气污染（酸性气体、臭氧等），核辐射，电磁辐射或静电等。

在舰载导弹使用过程中，要经历贮存，技术准备，战斗值班，发射等任务剖面。在各个任务剖面中，导弹经历的自然环境和诱导环境均不相同。本文主要讨论舰载导弹在舰上贮存过程中的可靠性。

1.2 我国海洋气候概况

我国地处太平洋西岸，从北至南有渤海、黄海、东海、南海四大海区。四大海区跨越温带海洋气候区、亚热带海洋气候区和热带海洋气候区3 个气候区[2，6]。因此，我国近海地形复杂，气候类型多样。

黄、渤海海区受季风影响，冬季寒冷而干燥，夏季温暖潮湿。平均气温一月最低，为-2～6 ℃，8月最高，为25 ℃，年温差达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，沿岸多海雾，尤以7月最多。冬季风力强度大，平均风速6～8 m/s，春秋季次数多，夏季时有受台风影响，会出现10级以上的大风。

东海海区横跨亚热带和温带。全年暖湿多雨、酷暑，冬季南北海面气温差距，可达14 ℃，夏季全海区温度分布比较均匀，约26～29 ℃。气温年变化南小北大，分别为10 ℃和20 ℃。年降水量为1 000～2 000 mm。春、夏季为雾期，其中6月雾日最多，平均达12.5 天。冬季平均风速9～10 m/s，并伴有明显降温。夏季平均风速较弱，但是受台风影响频繁，主要集中在6～9月，此时风力较大，并伴有巨浪。

南海纬度偏低，终年高温。年温差较小，北部海区12 ℃左右，南部海区仅2 ℃左右。1月平均气温15～26 ℃，7月平均为28 ℃左右。降水充沛，年降水量一般为1 000～2 000 mm，主要集中在4～10月。海雾主要出现在北部湾和北部沿海区域，以3月为最盛。南海属于典型的季风气候区，冬季盛行东北季风，夏季盛行西南季风，春秋季节风向多变。南海受台风影响最为频繁，每年活动在南海海面上空的台风平均10个左右。

1.3 我国海洋环境特点

由于海洋环境的特殊性，其自然环境因素与我国内陆地区的自然环境因素相比，具有以下显著特点。

1）高湿。海洋环境出现高湿，主要原因有：①海区内水资源丰富，在太阳的照射下向空气中蒸发出大量的水蒸气，导致海区内湿度远远高于内陆地区；②海洋地区在降水方面也比内陆地区不仅要频繁而且量大，降水量大又导致了空气湿度大。海洋上空的空气湿度一般在60%以上，相比内陆地区，月平均湿度一般要高出20%～30%[2]。例如，某海区的月平均湿度与内陆某地区的月平均湿度分布情况见表1。

表1 相对湿度月平均分布情况 %

从表1 可知，海区内的相对湿度不但比内陆地区的相对湿度高，而且海区内具有湿度大、作用时间长、没有干燥和潮湿季节之分的特点。

2）高盐雾。盐雾是海洋大气的显著特点之一。盐雾的形成，主要是由于风引起海水掀起阵阵波浪，又有浪击浪，浪拍礁岸而腾起的浪花水沫，在气流的左右下，被粉碎为细微的液滴，向海域上空或沿海空间飘散[7]。长年累月在海风海浪的作用下，使得海区内的盐雾含量一直居高不下。例如某海区试验站测得的大气中氯化钠含量如表2所示。

表2 某海区大气中NaCl含量

3）多雨雾。由于海洋上空的空气中水蒸气含量高，水蒸气上升遇冷凝结，很易形成地方性降雨。同时，冷、暖气流在海岛地区的交锋频度高、作用时间长，导致海区内的雨季长于内陆地区。有的地区经常被浓雾笼罩，尤其春夏两季，有的地区全年有雾。

2 海洋环境对导弹可靠性的影响

2.1 自然环境影响分析

由于海洋环境的特殊性，尤其是在我国东南沿海和南海地区，常年高温、高湿、降水量大、日照时间长，以及海浪、盐雾等各种海洋环境因素的共同作用，容易引起舰载导弹失效甚至报废等，这将严重影响舰艇的作战能力。下面是对某型号弹上出现故障较多的电子产品失效统计情况，见表3。

从表3 中可已看出，电子产品的失效机理主要是产品的老化和金属的锈蚀。老化是非金属材料橡胶、塑料等制品贮存失效的主要原因，高温、高湿会加速产品的老化；锈蚀是各种军用装备的重要贮存失效机理之一。主要是由于金属材料与周围的介质（高温、空气、水分、盐雾等）由于化学或电化学作用而遭到破坏，导致电性能下降，结构材料断裂和机械强度降低等失效模式的发生。高温、高湿、高盐雾会加速金属的锈蚀，进而影响导弹的贮存可靠性[4]。

表3 电子产品失效模式及失效机理

由此可见，对舰载导弹贮存可靠性产生主要影响的因素是温度、湿度和盐雾。下面对这3 个因素进行系统的分析。

2.1.1 湿度对导弹贮存可靠性的影响

湿度大是影响各类电子设备稳定性和可靠性最严重的因素，容易引起金属件的腐蚀、电子设备的损坏、电气绝缘性的降低、非金属材料的霉变等现象。

无论是金属还是非金属材料，吸潮后均会在表面形成“水膜”，空气中的CO2等气体能溶解在“水膜”中形成电解液，使绝缘介质的绝缘性能下降、使金属产生化学或电化学腐蚀。非金属材料吸潮后，与金属材料接触时，会使金属材料的临界湿度下降，加快金属的腐蚀[8]。非金属材料受潮后还容易滋生霉菌，造成材料性能的降低或丧失以及结构的损坏。

当贮存环境的相对湿度高于导弹的临界湿度时，弹上金属部件的化学腐蚀会转变成电化学腐蚀，腐蚀速度会发生突变。相对湿度越高，腐蚀速度越快。铁在不同湿度的空气中放置55天后，其腐蚀速度与大气相对湿度关系图如图1所示[9]。

图1 腐蚀速度与大气相对湿度的关系

当温度和湿度并存时，金属腐蚀物增量V与温、湿度之间的关系为

式中：H为大气相对湿度（%）；t为大气温度（℃）。

由式（1）得出，当相对湿度大于65%时，即使在洁净的空气中，金属也会很容易发生腐蚀。海区内的大气相对湿度远远大于内陆地区的空气湿度，且大气相对湿度大于65%的时间相对较多。因此，舰载导弹贮存可靠性更容易受到影响。同时，温度的升高会加快化学反应的速度，因此，高温和高湿综合作用会使各种腐蚀更为严重。

2.1.2 温度对导弹贮存可靠性的影响

温度影响引起装备的故障占各种环境因素引起故障的40%。一般认为，非金属材料的老化反应速度K与温度（绝对温度）之间满足如下关系[10]：

式（2）中：A为与材料成分有关的常数；R为大气常数；E为非金属材料的分子活化能；T为绝对温度。式（2）表明温度越高，其老化速度越快。

以弹上火工品导火索为例，其贮存寿命与贮存环境中的温度、湿度有如下关系[11]：

式（3）中：L为导火索的贮存寿命，其单位为年；W为贮存环境中的年平均温度（℃）；S为贮存环境中的年平均相对湿度（%）。

由式（3）可知，导火索的寿命与温度和湿度都有关系，且温度越高，湿度越大，其寿命越短。

温度的变化同时受湿度的影响，两者之间相互作用。温度与相对湿度及绝对湿度之间的关系如下：

式（4）中：U为相对湿度；α为绝对湿度；E为温度t下的饱和水气压；T为绝对温度（T=t+273.15）。

2.1.3 盐雾对导弹贮存可靠性的影响

盐雾本身是一种电解液，当弹上金属元件受到盐雾的侵蚀时，很容易发生电化学反应而锈蚀。由于盐份（如NaCl）的存在，会使溶液的导电率增大，腐蚀速度会有所上升。但随着盐浓度的增大，氧的溶解度显著降低，使得腐蚀速度反而下降。

盐雾对舰载导弹的侵蚀作用主要表现在2 个方面：一是直接作用，即盐雾会腐蚀弹药的金属部件；二是间接作用，即盐雾会改变弹药周边的环境条件。盐雾的存在不仅会使舰上贮存的导弹受到电化学反应侵蚀，而且盐雾会使不同种类的金属构件发生电偶腐蚀，加速金属锈蚀速度。盐雾产生的酸性环境能破坏弹上的电子设备，产生导电层，降低绝缘材料的性能。盐雾能促使机械部件表面发生化学反应，产生的沉积物造成阻塞或卡死，使弹体上的防护漆起皮脱落，降低弹体表面光洁度，对射击精度造成影响。此外，盐雾中盐分的附着与累积，还会使周围空气更容易吸湿返潮，潮湿的空气与盐分形成的电解质，会加速弹药金属部件锈蚀，也影响到弹药装药的稳定性。

2.2 机械环境影响分析

机械环境对舰载导弹贮存可靠性产生影响的主要因素是冲击和振动。由于舰艇长期在海洋环境下活动，海浪对舰艇造成一定强度重复性的冲击。同时，舰艇也会遭受一些非重复性的强烈冲击，主要指碰撞、搁浅、非接触性爆炸、自身武器射击以及受到敌方武器攻击等情况带来的冲击。另外，舰艇自身的工作会带来振动，比如主机推进、电机发动等活动。舰载导弹随舰艇一起运动，冲击和振动将会影响舰载导弹的贮存可靠性。

冲击和振动产生的主要影响有：武器装备机械应力疲劳，导致机械结构损坏；机械磨损增加；部件连接断开；电子部件管脚、导线断裂，粘层、键合点脱开，开关瞬间断开等。

以上分析了各种环境因素对舰载导弹贮存可靠性的影响，但是舰载导弹在舰艇上贮存时，并不是单独受某一个环境因素的影响而发生失效的。舰载导弹失效的过程实际上是各种环境因素互相作用而导致的。如适当的温度和湿度会使霉菌作用加剧，高温和高湿会使腐蚀和氧化增加，风雨会造成盐雾，高温和冲击振动会互相强化对方的影响等。

3 结论

海洋环境对舰载导弹的影响较大，积极开展海洋环境对舰载导弹可靠性影响的定量分析和研究工作，明确高温、高湿、高盐雾、霉菌和冲击等环境条件对舰载导弹可靠性的影响，建立环境因素影响数据库，可有效提高舰载导弹的贮存可靠性，保证舰艇的强大战斗力。

环境因素综合作用是一个非常复杂的过程，不易进行概述性描述，这就使得很难预防或减少环境因素对舰载导弹贮存可靠性的影响。但是可从2种途径来提高舰载导弹的贮存可靠性：一是对通过舰载导弹进行失效分析，确定导致其失效的关键环境因素，通过外加装（设）备来减少（甚至是避免）该环境因素的影响，如在舱室安装空调来控制舱室的温度等；二是对舰载导弹进行加速贮存试验，以暴露其薄弱环节，对薄弱环节进行改进，提高舰载导弹承受环境影响的能力，进而提高其贮存可靠性。

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