滾塑無傘空投儲水罐的設(shè)計與分析

趙西友 ，李彥平，王靜偉 ，耿小凱

(1.空降兵訓(xùn)練基地，廣西 桂林 541003；2.河北金后盾塑膠有限公司，河北 邢臺 054000)

0 前言

目前救援物資的主要空投方式為有傘空投，有傘空投準(zhǔn)備工作繁雜，著陸散布面廣，空投成本高、氣候環(huán)境影響大，整體利用率低。有傘空投的高成本和低效率促進(jìn)了空投物資的無傘空投包裝的研究。

無傘空投是指裝備、物資不系降落傘的空投，具有包裝簡單、受氣象影響小、著陸散布小、成本低、利用率高等特點。本文以飲用水、汽油、柴油等液體類物資無傘空投為研究對象，通過對無傘空投包裝的結(jié)構(gòu)、外形、尺寸設(shè)計、材料調(diào)配、工藝改進(jìn)、空投實用性能進(jìn)行研究，實現(xiàn)液體類物資在150 m高空的成功無傘空投。

1 研制背景

滾塑無傘空投儲水罐，在150 m的高度空投后呈近似于自由落體的加速運(yùn)動，其著陸時的瞬時速度在42.5 m/s左右。因而，著陸時滾塑無傘空投儲水罐將承受巨大的沖擊力。但著陸時的沖擊力不會對液體本身造成破壞，而是轉(zhuǎn)化為對罐體的破壞。從數(shù)值模擬和空投試驗的結(jié)果來看，對罐體的破壞方式有2種情況：一是在著陸瞬間液體向四周急劇擴(kuò)散，由于受到罐體的限制，從而對罐體形成了巨大的張力，罐體發(fā)生突然變形，因而有可能對罐體造成破壞；二是通過實際高空空投試驗發(fā)現(xiàn)，由于液體的流體特性，以及罐體的不規(guī)則和著陸姿態(tài)的不確定性，可能造成液體向四周的不均勻擴(kuò)散，著陸瞬間在某個部位可能形成液體的局部強(qiáng)烈沖擊，使罐體的局部突破其所能承受的強(qiáng)度和彈性極限，對罐體造成破壞。

由以上分析可知，空投的成功與否，取決于罐體是否完好，以及液體是否外泄或污染。因此，對滾塑無傘空投儲水罐設(shè)計的目的不僅僅是通過緩沖來減輕儲水罐承受的沖擊力，而是通過滾塑設(shè)計采用具有足夠強(qiáng)度并且利于在著陸瞬間釋放或轉(zhuǎn)化能量的高分子材料，來抵抗液體所承受的瞬間沖擊力，以確保液體著陸后的完好。

目前常用的儲水罐有鐵皮桶、橡膠儲水罐、聚氯乙烯(PVC)涂層布儲水罐。鐵皮桶沉重、易生銹、壽命短，主要應(yīng)用于短途少量水的存儲。橡膠儲水罐材料常用非飲用水等工業(yè)用水的儲存，橡膠有毒，不能儲存飲用水；PVC涂層布儲水罐雖然無毒無味、可折疊、質(zhì)量輕，方便攜帶，但是不能帶水空投。為了解決以上常用儲水罐存在的問題及弊端，進(jìn)行了本次創(chuàng)新設(shè)計。

部隊在作戰(zhàn)、演習(xí)或在野外訓(xùn)練時，飲用水及飲用水的補(bǔ)給相當(dāng)重要。目前野戰(zhàn)部隊的飲用水的主要獲取方式是就地尋找淡水資源，采用凈水設(shè)備凈水，然后用現(xiàn)有儲水袋、儲水罐儲存凈化后的水，但很大程度受地理環(huán)境影響，尤其是在惡劣環(huán)境或在減災(zāi)救援中，目前帶降落傘的空投仍然是主要的空投方式。例如在2008年的5.12汶川大地震中，大部分的物資都是通過有傘空投來完成，準(zhǔn)備工作繁雜，著陸散布面廣，利用率低，裝備一次性使用，在經(jīng)濟(jì)上造成了很大的浪費。雖然也利用直升機(jī)在距地面很低的高度實施了飲用水的直接空投，但專用的無傘空投儲水罐進(jìn)行有效的緩沖防護(hù)，效果很不理想，無法解決緊急用水情況。因此，結(jié)合無傘空投技術(shù)，滾塑無傘空投儲水罐的設(shè)計制作，降低成本，提高液體空投有效性，對于野戰(zhàn)、救援部隊飲用水的補(bǔ)給有很大幫助。

2 基本組成與功能

滾塑無傘空投儲水罐主要用于空投飲用水，也可進(jìn)行汽油、柴油等液體類補(bǔ)給物資，使用航空器范圍廣，包括各種型號的運(yùn)輸機(jī)、運(yùn)輸直升機(jī)等，可進(jìn)行單個空投，也可捆綁成小件、中件或大件空投。

由儲水罐和攜行包組成(見圖1)。儲水罐用于盛裝液體，主要包括滾塑成型的橢球形罐體和不銹鋼材質(zhì)的充、放液口，是盛裝液體的主要載體。攜行袋主要用于儲水罐在裝卸、運(yùn)輸過程中的攜行，同時對袋體也有一定的保護(hù)作用?？胀断到y(tǒng)具有成本低、包裝快以及投放后散布度小的優(yōu)點，是一種在救災(zāi)和緊急援救行動中值得推廣的新型空投裝備。

圖1 滾塑無傘空投儲水罐組成Fig.1 Composition of rotationally molded water storage tank

3 成型工藝

3.1 工藝簡介

滾塑無傘空投儲水罐的成型工藝為滾塑工藝一體成型。滾塑工藝是目前國際最先進(jìn)的塑料包裝制品生產(chǎn)制作工藝之一，它可以成型大型、超大型、復(fù)雜型、一箱多腔型、多色、多層壁的制品。該工藝在成型過程中分子自由結(jié)合、鏈接緊密，不受任何外力作用，產(chǎn)品無內(nèi)應(yīng)力，使產(chǎn)品韌性好，受強(qiáng)沖擊后不易變形和破裂。此工藝本身會形成制品邊角較厚，自然形成框架支撐結(jié)構(gòu)，使跌落時最易著地的邊角位置強(qiáng)度大，因此成就了制品的強(qiáng)抗沖擊能力，不變形、不損壞，使用壽命長?；谝陨闲阅?，滾塑包裝箱特別適用于野外作業(yè)和野戰(zhàn)軍用裝備物資的包裝儲運(yùn)，滾塑包裝也一直作為美國等西方發(fā)達(dá)國家軍用裝備物資的主流包裝產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于近幾場局部戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場環(huán)境勤務(wù)適應(yīng)性已經(jīng)得到了多年的實戰(zhàn)檢驗。

3.2 滾塑產(chǎn)品性能特點

(1)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，耐濕熱、耐高低溫；(2)抗沖擊性強(qiáng)，可實現(xiàn)有傘/無傘空投；(3)耐酸堿腐蝕，耐鹽霧，防霉菌；(4)水密性好，防水隔潮，可漂浮救生；(5)氣密性好，可充惰性氣體，可長效封存；(6)耐壓減震，方便堆碼，可集裝化運(yùn)輸；(7)實用性強(qiáng)，性價比高，使用壽命長；(8)材料環(huán)保，無毒無味，可回收，循環(huán)使用；(9)模塊化設(shè)計，組合靈活，便于攜行；(10)可實現(xiàn)阻燃抗靜電，電磁屏蔽，紅外隱身。

3.3 本項目生產(chǎn)工藝

本產(chǎn)品采用了最新創(chuàng)新研發(fā)成果“三明治”生產(chǎn)工藝。該工藝采用多步間歇滾塑發(fā)泡成型技術(shù)，需要在模具中先加入非發(fā)泡樹脂，然后加入發(fā)泡樹脂，再加入非發(fā)泡樹脂，當(dāng)模具內(nèi)的非發(fā)泡樹脂粉末開始熔融，覆蓋住模具內(nèi)壁后，打開投入箱或投入袋，釋放出發(fā)泡樹脂粉末，這樣就能在致密的非發(fā)泡層上形成發(fā)泡內(nèi)芯，當(dāng)發(fā)泡內(nèi)芯成型后，然后使用第二個投入箱或投入袋，在已形成的發(fā)泡內(nèi)芯層表面釋放非發(fā)泡樹脂，形成非發(fā)泡層，即所謂的“三明治”結(jié)構(gòu)。

3.4 工藝關(guān)鍵控制點

(1)滾塑多層加工工藝各層材料的選擇。材料既要充分滿足產(chǎn)品的性能，如沖擊強(qiáng)度、彎曲模量等理化性能指標(biāo)的要求，各層材料又要能充分結(jié)合在一起，最終達(dá)到產(chǎn)品整體相對減重、性能增強(qiáng)的目的;

(2)本項目材料涉及發(fā)泡原材料和非發(fā)泡原材料，增加了停機(jī)開模的工序，為了方便開模加料，滾塑模具需要特殊設(shè)計，加料口的大小、開口位置、如何與工藝執(zhí)行性、工人操作性實際結(jié)合均是本項目的關(guān)鍵控制點，滾塑模具的設(shè)計也是本項目的關(guān)鍵技術(shù)之一;

(3)在滾塑加工工藝中，溫度對模內(nèi)粉料的影響很大，溫度的控制直接影響多層滾塑成型工藝的層與層之間的結(jié)合程度與成型質(zhì)量。每種材料均有其固有特性，在滾塑加工工藝的總體要求下，不僅要使其充分結(jié)合、減輕箱體總體質(zhì)量，更要提高產(chǎn)品的抗沖擊強(qiáng)度，滾塑加工工藝參數(shù)如投料時間、加熱時間、轉(zhuǎn)速、風(fēng)冷時間、水冷時間等工藝參數(shù)的確定，也是本項目的關(guān)鍵控制的重點。

該工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品“空投型彈藥包裝箱”已于2017年在空軍進(jìn)行了實彈空投試驗，戰(zhàn)技指標(biāo)全部達(dá)到空投新標(biāo)準(zhǔn)，該工藝應(yīng)用成熟。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

滾塑無傘空投儲水罐整體結(jié)構(gòu)為橢球形，無任何邊角棱等應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)。底面為平面，底面與水罐四壁通過圓角結(jié)構(gòu)平滑過渡，避免空投時應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)局部受到強(qiáng)沖擊而發(fā)生破裂。表面均勻分布圓條狀加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，更加增強(qiáng)水罐整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，增加其抗沖擊性能。

考慮物資攜行、搬運(yùn)方便，罐體自身兩側(cè)設(shè)置有滾塑一體成型的把手槽，把手為箱體內(nèi)凹設(shè)計自然形成。注水口、出水口均采用內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)形式，與箱體緊密結(jié)合為一體。注水口蓋、出水口蓋通過螺紋連接進(jìn)行密封，且密封后整體低于產(chǎn)品表面，產(chǎn)品表面設(shè)有防護(hù)凸肋，避免空投時受到?jīng)_擊。

1—罐體 2—加強(qiáng)筋 3—出水口 4—防護(hù)凸肋 5—螺紋堵頭 6—注水口 7—把握槽圖2 滾塑空投水罐Fig.2 Rotationally molded water storage tank

5 材質(zhì)

5.1 罐體材質(zhì)

儲水罐可以盛裝飲用水及汽油、柴油，作為儲存食用物資的產(chǎn)品，材質(zhì)的選擇必須符合食品包裝安全要求，另外還需要高強(qiáng)度的抗沖擊性能和彈性。綜合設(shè)計者多年的同類產(chǎn)品的研發(fā)經(jīng)驗，無傘空投儲水罐罐體材質(zhì)選用食品級聚乙烯，食品級聚乙烯，耐酸堿、抗腐蝕性能好，力學(xué)性能優(yōu)良，該材質(zhì)已普遍應(yīng)用于食品級塑料制品、菜板、儲水罐、水箱等。

該儲水罐采用滾塑成型的橢球形結(jié)構(gòu)，一體成型，無棱角、無附加緩沖結(jié)構(gòu)，與地面接觸時無應(yīng)力集中點，并可形成彈跳緩沖，避免直接沖擊，提高抗沖擊性。罐體采用3層結(jié)構(gòu)，抗沖擊外層原料采用中密度茂金屬聚乙烯，使外層強(qiáng)度高、韌性、剛性好；發(fā)泡中層包括高密度聚乙烯、低密度聚乙烯及適量的發(fā)泡劑，可降低罐體質(zhì)量并吸收沖擊；防滲內(nèi)層原料采用高密度聚乙烯，可形成致密、光滑的內(nèi)膜層，并可根據(jù)液體材質(zhì)適當(dāng)調(diào)整其工藝和配方，盛裝飲用水時選用食品級聚乙烯，盛裝燃油或化學(xué)液體時可對應(yīng)選擇防滲、耐腐的聚乙烯；這種結(jié)構(gòu)和配方不但顯著提高了儲水罐的強(qiáng)度、韌性、抗沖擊性能，還可對應(yīng)盛裝不同液體，進(jìn)而實現(xiàn)了帶液無傘空投。

表1 主要原材料的技術(shù)指標(biāo) 106個/cm3

5.2 五金件設(shè)計

注水口、出水口各一個，分別為設(shè)置在罐體頂端正中及設(shè)置在側(cè)面偏上。這樣設(shè)置，可便于灌裝和傾倒液體。注水口、出水口選用304不銹鋼材質(zhì)。該材質(zhì)耐酸堿腐蝕、防霉菌、防銹，可靠性高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

1—防脫基座 2—螺紋套筒 3—“L”形防脫鉤 4—圍欄 5—罐體 6—螺紋孔座 7—螺紋堵頭圖3 出水口、注水口的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Diagram of outlet and injection nozzle

注水口、出水口的安裝方式：將不銹鋼螺紋孔座預(yù)埋于罐體壁內(nèi)，并采用多邊形防脫基座加“L”形防脫鉤和圍欄結(jié)構(gòu)，使螺紋孔座與罐體壁緊密結(jié)合。該結(jié)構(gòu)密封性好，且具有較高的強(qiáng)度，避免高速沖擊造成的破裂或脫落。注水蓋和出水蓋和孔座采用螺紋連接，形成密封結(jié)構(gòu)?！癓”形防脫鉤頂端借助圍欄連接，形成增強(qiáng)螺紋孔座強(qiáng)度的輔助防脫結(jié)構(gòu)。

5.3 攜行包材質(zhì)

攜行包材質(zhì)為帆布，袋體和手提帶固定牢靠，主要為了解決儲水罐在運(yùn)輸過程中的攜行問題。

6 滾塑無傘空投水罐抗沖擊性

無傘空投水罐一體成型，結(jié)構(gòu)規(guī)整性高；無棱角、與地面接觸時無應(yīng)力集中點，并可形成彈跳緩沖、避免直接沖擊；無附加緩沖結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單；并集合各層聚乙烯材質(zhì)的優(yōu)點，顯著提高了儲水罐的強(qiáng)度、韌性、抗沖擊性能，實現(xiàn)了減薄、減重的同時獲得較高的強(qiáng)度和抗沖擊能力。

罐體表面均勻環(huán)繞有凸出的緯向加強(qiáng)筋，截面形狀為半圓形。加強(qiáng)筋與罐體一體成型，圓滑過渡，可避免產(chǎn)生應(yīng)力集中點，且一般制品的剛度和厚度的平方成正比，凸出增厚加強(qiáng)筋可有效提高水罐的抗沖擊性能。

圖4 加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch of rein forcing bars

25 L容量儲水罐的罐重為4～8 kg，力學(xué)性能與各層的厚度相關(guān)，在一定范圍內(nèi)，厚度越大，力學(xué)性能越好。儲水罐的彎曲剛度可達(dá)1 500～1 720 MPa、拉伸強(qiáng)度可達(dá)32.3～33.4 MPa、沖擊強(qiáng)度可達(dá)100～120 kJ/m2。

滾塑工程中，通過合理控制溫度和加熱時間來控制熔融程度，通過準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)速來獲得均勻的覆蓋厚度和適當(dāng)?shù)姆勰┸壽E；滾塑生產(chǎn)后，由于冷卻速度的不同，聚乙烯滾塑制品的密度發(fā)生一定變化，并對產(chǎn)品的收縮有一定影響。在冷卻過程中，聚乙烯分子從無序的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為有序的結(jié)晶態(tài)，當(dāng)結(jié)晶度不同時，聚乙烯制品的密度就不同，物理性能也將有所差別。急速冷卻的聚乙烯滾塑制品具有較低的密度，而緩慢冷卻的制品則具有較高的密度。通過合理控制冷卻時間以控制結(jié)晶度，從而獲得很好的強(qiáng)度和抗沖擊性能。

滾塑過程為3次加料，保持主副軸雙向旋轉(zhuǎn)，主/副軸轉(zhuǎn)速為(5～10)/(10～25) Hz;

(1)注入抗沖擊外層原料，爐溫280～300 ℃，加熱時間15～20 min；(2)注入發(fā)泡中層原料，爐溫200～220 ℃，加熱時間20～25 min；(3)注入防滲內(nèi)層原料，爐溫250～270 ℃，加熱時間15～20 min；

打開烘箱艙門冷卻30～50 min，待模具表面溫度降至75～80 ℃時進(jìn)行卸模。

按照GJB 6854—2009《空降兵裝備空投要求》，將儲水罐內(nèi)裝相應(yīng)液體后進(jìn)行抗沖擊試驗，在水泥地和草地上進(jìn)行無傘空投的高度均可達(dá)150 mm以上。從圖5、圖6可以看出，空投現(xiàn)場為沙礫的，儲水罐150 m 跌落后僅表面劃傷，產(chǎn)品無變形、無損壞，可正常使用。

圖5 著地瞬間狀態(tài)Fig.5 Instantaneous state of landing

圖6 跌落后狀態(tài)Fig.6 State of falling behind