國(guó)外艦船彈藥艙安全性研究

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(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

1 艦船彈藥庫安全性要求

1.1 系統(tǒng)性和綜合性

艦船的彈藥庫設(shè)計(jì)是艦載武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分，但是彈藥庫的設(shè)計(jì)不孤立于全艦系統(tǒng)，它和全艦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)存在著廣泛的聯(lián)系，因此要用系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行系統(tǒng)性、綜合性設(shè)計(jì)。

在艦船的總體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到艦船的戰(zhàn)斗使命，即在不同位置配置各種武器，同時(shí)要考慮到各種彈藥的性質(zhì)是不同的，因此其防火防爆的措施也不盡相同。如深水炸彈需灌注滅火，其安放位置應(yīng)靠近海底門。在全艦系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)彈藥艙安全性設(shè)計(jì)的需要，考慮到相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將電、水、氣、各種傳感器、遙控執(zhí)行設(shè)備、管路、線纜等相關(guān)的因素進(jìn)行綜合和優(yōu)化，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到全艦消防水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)、浸水系統(tǒng)、轉(zhuǎn)注系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、供電及供氣系統(tǒng)等在彈藥艙安全性設(shè)計(jì)中的需要。在反艦導(dǎo)彈發(fā)射筒設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到筒內(nèi)各種傳感器的安裝及內(nèi)、外噴淋、氣體滅火、通風(fēng)空調(diào)等系統(tǒng)的管道要求，在全艦系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要給反艦導(dǎo)彈發(fā)射筒提供消防水、通風(fēng)及電源等[1-2]。

1.2 快速性和自動(dòng)性

設(shè)計(jì)彈藥艙時(shí)要滿足快速性和自動(dòng)性的原則。這就要求設(shè)計(jì)時(shí)傳感器反應(yīng)靈敏，控制過程和采取的措施及時(shí)有效，盡量采用自動(dòng)化設(shè)計(jì)，由傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果送至信號(hào)處理和判斷部分，一旦發(fā)現(xiàn)彈藥艙有危險(xiǎn)，立即通過控制信號(hào)自動(dòng)啟動(dòng)執(zhí)行設(shè)備，采取相應(yīng)的措施，這樣構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度。

1.3 設(shè)計(jì)可靠性

艦上彈藥艙的安全能否得到保障，與其設(shè)計(jì)的安全可靠性有直接關(guān)系，冗余設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)中提高可靠性的一種方法。

國(guó)外艦船在同一彈藥艙滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中考慮了采用不同的滅火方法，如水滅火、氣體滅火系統(tǒng)。傳感器可采用溫度、壓力、火焰、紅外、煙霧等多種手段進(jìn)行測(cè)量，并且一種傳感器采用多個(gè)并用，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作也采用多種方法并用。如控制消防泵的接通可采用氣動(dòng)控制和電動(dòng)控制同時(shí)作用，自動(dòng)和手動(dòng)均可動(dòng)作的設(shè)計(jì)方法，將艦上消防水總管和彈藥艙滅火系統(tǒng)用的消防水控制閥件采用電磁閥和氣動(dòng)控制閥并聯(lián)，這樣可有效保證消防水的可靠接通。

1.4 操作便捷性

全艦各種彈藥艙的類型很多，而且在艦上的分布位置從前至后，從上至下。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到操作使用的方便性，應(yīng)采用集中監(jiān)測(cè)控制的方法。在全艦設(shè)置一個(gè)武器系統(tǒng)的防火防爆監(jiān)控中心站位，將各彈藥艙的傳感器信號(hào)送到監(jiān)控站位，并進(jìn)行各種狀態(tài)和信號(hào)的顯示，且自動(dòng)進(jìn)行信號(hào)的處理與判斷，實(shí)時(shí)給出控制信號(hào)遙控執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，這樣可實(shí)現(xiàn)彈藥艙安全管理的自動(dòng)化。

2 艦船彈藥艙安全性設(shè)計(jì)

在正常維護(hù)條件下，彈藥艙應(yīng)處于良好的環(huán)境中，始終是安全的。彈藥艙安全系統(tǒng)的存在僅僅是為了在彈藥艙內(nèi)一旦出現(xiàn)不安全因素，發(fā)生異常情況時(shí)，為彈藥艙提供安全保障。為了保證艦船彈藥艙的安全，其安全性設(shè)計(jì)主要涉及安全監(jiān)控系統(tǒng)、彈藥艙噴淋系統(tǒng)、彈藥艙的防火防爆設(shè)計(jì)、彈藥艙溫度控制、彈藥艙的總體布置及通風(fēng)設(shè)計(jì)等。

2.1 安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全艦所有彈藥艙采取集中監(jiān)測(cè)和控制，設(shè)置一個(gè)全艦性的彈藥艙中心監(jiān)控站。DDG-51、DDG-1000和45型驅(qū)逐艦各彈藥艙分別安裝了多種傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌⒓t外傳感器、煙霧傳感器及相關(guān)控制設(shè)備和全艦系統(tǒng)開關(guān)狀態(tài)的機(jī)械式傳感器，將這些狀態(tài)信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)送至中心監(jiān)控站。有的狀態(tài)信號(hào)可直接送至狀態(tài)顯示板，可顯示消防總管開關(guān)是否關(guān)閉，是否有壓力，自動(dòng)滅火系統(tǒng)是否接通，彈藥艙門是否關(guān)閉等；有的傳感器信號(hào)(如彈藥艙的溫度)送至中心站位的顯示儀板；有的傳感器信號(hào)送至中心站位的信號(hào)處理的判斷部分，信號(hào)經(jīng)變換、放大、處理、比較，判斷是否符合標(biāo)準(zhǔn)。如果溫度、濕度等超過彈藥艙中彈藥存放標(biāo)準(zhǔn)，則提示值班人員采取措施；如發(fā)現(xiàn)火情、溫度超高則由處理判斷部分給出信號(hào)。一方面進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警和顯示，另一方面向控制部分提供信號(hào)，由控制部分送相應(yīng)的控制信號(hào)至彈藥艙及全艦相關(guān)系統(tǒng)，并自動(dòng)開啟這些系統(tǒng)。如開啟水滅火系統(tǒng)、水噴淋系統(tǒng)、浸水系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)，同時(shí)關(guān)閉彈藥艙的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)等。

2.2 噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DDG-51、DDG-1000和45型驅(qū)逐艦設(shè)計(jì)要求中規(guī)定彈藥艙噴水系統(tǒng)采用全方位保護(hù)方式，即要求噴水系統(tǒng)噴頭能將彈藥艙所有側(cè)壁、甲板及彈藥覆蓋。要求彈藥艙每平方米的噴水量達(dá)到30 L/min。采用全方位保護(hù)方式可以有效遏制彈藥艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生相互影響，及局部高溫引發(fā)火災(zāi)或爆炸等險(xiǎn)情的發(fā)生。此外，還針對(duì)噴頭的布置做出了相關(guān)要求：噴嘴距離地面3 m，其噴水覆蓋面積為9 m2，噴頭間的最大距離為2 m，噴頭和防水壁的最大距離為1.2 m；噴頭和彈藥之間至少應(yīng)留出300 mm的距離；如果噴頭與彈藥之間間隔縮減至250～300 mm，噴頭的總數(shù)應(yīng)增加25%，保證噴淋的覆蓋率。必須設(shè)有專門的噴頭用于對(duì)魚雷、深水炸彈和導(dǎo)彈彈頭的噴淋。

當(dāng)彈藥艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)，首先要對(duì)彈藥艙實(shí)施滅火，最直接方便的方法是對(duì)彈藥艙實(shí)施海水自動(dòng)噴淋，以保護(hù)彈藥艙和艦船，使彈藥艙和艦船處于安全狀態(tài)。

濕式自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單，使用最為廣泛的一種噴水滅火系統(tǒng)；干式系統(tǒng)撲救初期火災(zāi)在時(shí)間上有滯后，但適合于高溫或低溫環(huán)境中使用；雨淋系統(tǒng)對(duì)于火災(zāi)水平蔓延快、艙內(nèi)凈空高度較大的彈藥艙較為適合。采用干濕結(jié)合自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)和雨淋系統(tǒng)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案可以快速有效地?fù)錅鐝椝幣撝械目赡艹霈F(xiàn)的火災(zāi)[3]。

2.3 彈藥艙溫度、壓力控制設(shè)計(jì)

無論是彈藥艙內(nèi)發(fā)生火災(zāi)還是彈藥艙隔壁艙室發(fā)生火災(zāi)，都會(huì)引起彈藥艙內(nèi)溫度和壓力的異常[4-5]，因此傳感器是彈藥艙安全系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)與信息采集環(huán)節(jié)的必要選擇。彈藥艙溫度、壓力監(jiān)控系統(tǒng)在彈藥艙內(nèi)發(fā)生火災(zāi)或彈藥艙隔壁艙室著火而危及到彈藥艙的安全時(shí)，能夠準(zhǔn)確及時(shí)地檢測(cè)危險(xiǎn)情況的發(fā)生，并且根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的處理動(dòng)作。DDG-51、DDG-1000和45型驅(qū)逐艦等國(guó)外大型水面艦船的彈藥艙通過火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)對(duì)彈藥艙內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用溫度傳感器、壓力傳感器及時(shí)發(fā)現(xiàn)彈藥艙內(nèi)溫度和壓力的異常變化，判斷是否有爆炸或燃燒的產(chǎn)生；煙霧傳感器可以在燃燒初期發(fā)現(xiàn)彈藥艙內(nèi)的異常情況；火焰?zhèn)鞲衅骺梢园l(fā)現(xiàn)彈藥艙內(nèi)出現(xiàn)的明火。

2.3.1 溫度傳感器的布置

溫度傳感器主要用于監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境溫度變化以及溫度變化率。采用動(dòng)作門限為30、70 ℃定溫式傳感器和溫敏晶體管傳感器。選擇動(dòng)作門限為30 ℃溫度傳感器主要用于監(jiān)測(cè)彈藥艙的溫度情況。彈藥艙內(nèi)溫度超過30 ℃，說明彈藥艙內(nèi)出現(xiàn)了意外情況，安全系統(tǒng)能夠在火災(zāi)初期發(fā)現(xiàn)并將其撲滅，將損失降低至最低。選擇動(dòng)作門限70 ℃溫度傳感器主要用于火災(zāi)報(bào)警。如彈藥艙內(nèi)溫度達(dá)到70 ℃，說明彈藥艙內(nèi)已經(jīng)發(fā)生火災(zāi)，傳感器向彈藥艙安全系統(tǒng)控制中心發(fā)出火災(zāi)信號(hào)，控制中心立即啟動(dòng)相應(yīng)的滅火和排氣裝置。溫敏晶體管傳感器主要用于監(jiān)測(cè)彈藥艙溫度變化的速率，如果彈藥艙內(nèi)溫升速率超過1 ℃/min，溫敏晶體管就發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。

2.3.2 煙霧傳感器的布置

彈藥艙內(nèi)煙霧傳感器一般采用單極型離子煙霧傳感器，主要用于監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境的煙霧濃度，其突出特點(diǎn)是靈敏度相當(dāng)高，只要空氣中煙霧達(dá)到一定濃度，煙霧傳感器探測(cè)到后會(huì)馬上發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

彈藥艙內(nèi)出現(xiàn)大量煙霧的可能性主要有以下兩種情況：彈藥艙內(nèi)可燃物引起的火災(zāi)，如用于維護(hù)保養(yǎng)的潤(rùn)滑油在燃燒條件達(dá)到的時(shí)候起火產(chǎn)生煙霧；導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)意外點(diǎn)火，這種情況不但會(huì)使彈藥艙內(nèi)溫度急劇升高，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生火焰和大量的煙霧。由于以上兩種情況發(fā)生的位置一般都靠近艙底，煙氣流會(huì)迅速向上方擴(kuò)散，通常將煙霧傳感器布置在彈藥艙的頂部。

2.3.3 火焰?zhèn)鞲衅鞯牟贾?/p>

紅外、紫外火焰?zhèn)鞲衅髦饕糜诒O(jiān)測(cè)周圍環(huán)境是否有火焰出現(xiàn)。此類傳感器屬于光學(xué)類傳感器，其最大優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度快，而彈藥艙安全系統(tǒng)需要這種反應(yīng)速度非?？斓膫鞲衅鳌．?dāng)彈藥艙內(nèi)發(fā)生火災(zāi)或爆炸時(shí)，大量的能量會(huì)以電磁輻射的形式釋放出來，其主要輻射形式為選擇分子輻射和連續(xù)的灰體輻射。例如，氣體在火焰中燃燒時(shí)，能量是通過氣體分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以不連續(xù)波長(zhǎng)的形式釋放的，而當(dāng)粉塵、煙灰在火焰中燃燒時(shí)，能量的輻射則是通過在一定區(qū)域內(nèi)連續(xù)波長(zhǎng)的形式釋放的。

2.3.4 壓力傳感器的布置

在艦船的彈藥艙安全系統(tǒng)中，壓力傳感器主要用于監(jiān)測(cè)艙內(nèi)壓力變化情況，當(dāng)壓力超過一定值時(shí)壓力傳感器向控制中心傳輸報(bào)警信號(hào)，彈藥艙自動(dòng)打開排氣裝置卸壓。

彈藥艙長(zhǎng)期處于密封狀態(tài)，根據(jù)氣體的特性可知同一空間內(nèi)各處的氣體壓力是相等的，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)可以得出彈藥艙內(nèi)需要壓力傳感器的數(shù)量。壓力傳感器選擇壓電式傳感器，布置于彈藥艙頂部。

2.4 彈藥艙通風(fēng)設(shè)計(jì)

水面艦船彈藥艙屬于DDA危險(xiǎn)區(qū)域(易失火或爆炸)，其空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)是彈藥艙安全性設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。彈藥艙空調(diào)通風(fēng)過程計(jì)算非常復(fù)雜，主要包括兩個(gè)方面：彈藥艙的熱負(fù)荷計(jì)算；彈藥艙空氣處理過程計(jì)算。

DDG-51、DDG-1000和45型驅(qū)逐艦等大型驅(qū)逐艦的彈藥艙空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)為獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)。彈藥艙主要在夏季進(jìn)行空調(diào)通風(fēng)，在其它季節(jié)進(jìn)行通風(fēng)換氣。它的進(jìn)/排氣口、空調(diào)通風(fēng)設(shè)備以及系統(tǒng)控制均獨(dú)立于艦上其它通風(fēng)系統(tǒng)。彈藥艙內(nèi)的設(shè)計(jì)溫度不高于30 ℃，相對(duì)濕度為50%±10%。對(duì)彈藥艙進(jìn)行通風(fēng)換氣處理時(shí)，要求換氣次數(shù)不小于20次/h。彈藥艙空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)由空調(diào)器、風(fēng)機(jī)、水密蝶閥、防火風(fēng)閘等組成。彈藥艙空調(diào)器可實(shí)現(xiàn)對(duì)彈藥艙的空調(diào)、通風(fēng)工況的自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換，其工況的轉(zhuǎn)換是通過切換風(fēng)閥開關(guān)和送、排風(fēng)機(jī)啟停來實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)在通向外界大氣的管路上設(shè)置水密蝶閥，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)/手動(dòng)控制，平時(shí)處于常開狀態(tài)，三防工況時(shí)則全部關(guān)閉。

45型驅(qū)逐艦在設(shè)計(jì)建造過程中，其彈藥艙環(huán)境條件有更為詳細(xì)規(guī)定，主要包括：①空體調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)將室內(nèi)的RH保持在30%～70%之間；②保存推進(jìn)劑的彈藥艙中的溫度不超過32 ℃；③儲(chǔ)存其他爆炸物的彈藥艙的溫度不超過35 ℃；④當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障，彈藥艙的溫度可能在12 h內(nèi)上升到40 ℃，并可能保持至少12 h的情況下，可使用臨時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)；⑤當(dāng)彈藥艙內(nèi)溫度降至7 ℃以下，需要對(duì)彈藥艙進(jìn)行供暖。

3 彈藥艙總體布置要求

DDG-51、DDG-1000和45型驅(qū)逐艦等水面艦船彈藥艙總體布置一般遵循以下基本原則。

1)彈藥艙不宜與機(jī)艙、鍋爐艙、輔機(jī)艙、油漆間及易燃艙室毗鄰，如不可避免時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的安全措施。

2)彈藥艙不宜位于控制站、電子設(shè)備艙的下部，也不宜與它們鄰接。

3)彈藥艙應(yīng)盡可能布置在艦船標(biāo)準(zhǔn)排水量水線以下，如超出時(shí)，應(yīng)采取必要的安全措施。

4)應(yīng)通過通道或升降口及彈藥艙藏必備門進(jìn)入彈藥艙，該通道或升降口不得與有較大失火危險(xiǎn)的艙室相通。

5)彈藥艙的艙壁和甲板應(yīng)是鋼制水密結(jié)構(gòu)且有A0級(jí)以上的防火等級(jí)。

6)彈藥艙的門和蓋等密封面、門栓及鉸鏈應(yīng)以撞擊時(shí)不致產(chǎn)生火花的材料制成。

英國(guó)的彈藥艙相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)45型驅(qū)逐艦等水面艦船彈藥艙的位置也提出了具體要求，規(guī)定如果彈藥艙存有空中武器(如炸彈)、雷管、制導(dǎo)武器、誘餌、炸藥包或直徑超過57 mm的軍火，則其不能直接與主機(jī)艙、柴油發(fā)電機(jī)艙、廚房、液態(tài)氧艙、汽油艙和汽油泵艙、儲(chǔ)氣罐艙、電子控制室相鄰；若彈藥艙存有直徑小于57 mm的軍火，則可以與上述艙室相鄰，但相鄰艙壁的防火等級(jí)必須至少為A30。

為了對(duì)彈藥艙進(jìn)行維護(hù)，DDG-51、DDG-1000和45型驅(qū)逐艦等大型驅(qū)逐艦一般還在船體的水下舷側(cè)設(shè)有3～5道防雷壁，防雷壁主要以空艙或液艙為主，起到對(duì)彈藥艙的保護(hù)作用。彈藥艙位置的選擇與布置，對(duì)于保護(hù)艦船彈藥艙的安全至關(guān)重要。

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[3] NAVSEA S9522-AAHBK-010 Magazines and Magazine Sprinkler Systems[S].New York：Direction of Commander, Naval Sea systems Command，2002.

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[5] WILLIAMS F W，BACK G G，TOOMEY T A，et al. Post-flashover fires in shipboard compartments aboard ex-USS shadwell：Phase III venting of large shipboard fires[R]. New York：Naval Research Laboratory，1993.