某自行火炮閉艙發(fā)射時艙室內有害氣體的測試分析

閆金海，韓衛(wèi)敏，李廣歧，翟少波，考希賓，萬紅

(1.兵器工業(yè)衛(wèi)生研究所 中國兵器工業(yè)集團人-機-環(huán)境重點實驗室，陜西 西安 710065；2.西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

現代軍事戰(zhàn)爭中，隨著火炮武器系統(tǒng)和彈藥技術的發(fā)展[1]，火炮作為常規(guī)武器被廣泛應用于各軍兵種，其相對導彈而言具有費用相對較低、反應快、火力覆蓋面大等優(yōu)點[2]。自行火炮是火炮家族中重要的一員，其憑借著生存力強、機動、威力大而被世界各國軍事注重并發(fā)展[3]。隨著現代戰(zhàn)爭戰(zhàn)場實際的需要，自行火炮也在不斷地更新自身技術，已廣泛采用計算機控制的火控系統(tǒng)，可實施半自動或全自動操瞄與射擊來適應現代化的作戰(zhàn)環(huán)境[4]。自行火炮是地面炮兵部隊使用的常規(guī)兵器，由于其艙室操作空間狹窄、密閉，炮尾直通艙內，射擊瞬間會產生大量的無機物污染[5]?；鹋谠谏鋼暨^程中，是利用發(fā)射部火藥的爆炸能量將彈頭推出炮管，火藥燃燒爆炸的產物首先取決于火藥的配方[6]。一般情況下，火藥的燃燒爆炸產物主要是H2O、H2、CO、CO2、N氧化物、硫化物等，而CO、NO2等是有毒有害氣體，會對人體造成傷害[7]。本次試驗借助某自行火炮1組15連發(fā)和3組7連發(fā)閉艙射擊實驗，以該火炮為測試模型，對其在閉艙射擊過程中艙室內產生的有害氣體進行測試分析。

1 測試試驗

1.1 試驗對象及測試設備和方法

某自行火炮，處于靜止的閉艙射擊作業(yè)狀態(tài)，通風裝置正常工作，發(fā)射裝藥為零號裝藥(裝藥量達到炮彈初速的藥量)，采用自動裝填裝置，射擊頻率為15～20 發(fā)/min。測試設備的傳感器分別固定于車輛艙室內的檢測位置1、檢測位置2和檢測位置3，如圖1所示。其中，檢測位置1設備傳感器位置距艙室左側壁560 mm，距艙室頂壁180 mm，距艙室后壁650 mm；檢測位置2設備傳感器位置距艙室左側壁1 150 mm，距艙室頂壁180 mm，距艙室前壁1 060 mm；檢測位置3設備傳感器位置距艙室右側壁660 mm，距艙室頂壁180 mm，距艙室后壁590 mm。

測試設備采用美國RAE PGM6208復合氣體檢測儀，經陜西省計量院檢定并且檢定合格。傳感器精度為±5%，數據采用連續(xù)自動記錄，采樣率設為1個樣/s。參照GJB 59.89—2011裝甲車輛試驗規(guī)程第89部分：車內有害氣體測定中規(guī)定要求[8]進行試驗測試。

1.2 數據處理

在試驗測試結束后，參照GJB 5834—2006規(guī)定的有害氣體濃度限值的計算方法計算短時間接觸容許濃度(以下簡稱STEL)及最高容許濃度(以下簡稱MAC)，并與相關標準要求進行對比[9]。此實驗結果作為相應時刻、相應測試對象、相應測試位置處艙室內的有害氣體濃度值[10]。

2 數據與結果分析

2.1 數據分析

分別對某自行火炮1組15連發(fā)和3組7連發(fā)閉艙射擊試驗時艙室內3個位置，產生的6種常見有害氣體(CO、CO2、NO2、NH3、H2S、SO2)進行測試分析，得到的結果數值如表1～4所示。試驗過程中有害氣體濃度具有顯著變化趨勢的曲線圖如圖2～7所示。

表1 15連發(fā)艙室內有害氣體測試結果匯總表 mg·m-3

表2 第1組7連發(fā)艙室內有害氣體測試結果匯總表 mg·m-3

表3 第2組7連發(fā)艙室內有害氣體測試結果匯總表 mg·m-3

表4 第3組7連發(fā)艙室內有害氣體測試結果匯總表 mg·m-3

2.2 結果分析

火炮射擊時，由于發(fā)射部需要在極短時間內引爆燃燒提供動能，因此尾氣中勢必會產生大量的有毒有害氣體[11]，根據筆者以往的測試經驗總結，尾氣中產生的常見有害氣體主要包括CO、CO2、NO2、NH3、H2S、SO2。CO具有毒性，主要危害人體的心、肺、腦以及其他人體組織[12]。CO2根據空氣中不同的濃度，人體會感覺到空氣渾濁、注意力無法集中、心跳加速、輕度惡心、頭痛、呆滯、嗜睡等，嚴重的甚至死亡。NO2主要損害人體的呼吸道。NH3主要對人體的上呼吸道有腐蝕和刺激作用。H2S主要對人體的呼吸系統(tǒng)、眼以及中樞神經有影響。SO2主要會對人體的眼及呼吸道粘膜產生強烈的刺激危害作用。作業(yè)人員在作業(yè)過程中，接觸不同濃度的有害氣體會對作業(yè)人員的機體和作業(yè)工效產生一定的不利影響。因此，在火炮射擊作業(yè)過程中，對產生的有害氣體進行一定的防護是需要引起足夠的重視。

從圖2～7中可以看出，某自行火炮在15連發(fā)和7連發(fā)閉艙射擊過程中，艙室內有害氣體的產生生成了相應的波段。15連發(fā)的波峰要比7連發(fā)的波峰高，說明彈藥發(fā)射的累積量對有害氣體的濃度會有影響。連發(fā)過程中，射擊頻率高，射速快，所以連發(fā)射擊過程中有害氣體產生的速度也相應快，但因艙室內配備的通風裝置在射擊過程中持續(xù)工作，所以有害氣體濃度降低的速度也很快。由于本次自行火炮射擊試驗采用的是自動裝填裝置，射擊速率達15～20 發(fā)/min，射擊速率高，時間短，因此從圖中可以看出有害氣體的累積時間短，上升迅速，下降也很快，對作業(yè)人員的累積危害相應地有所降低。

參照GJB 967—1990坦克艙室一氧化碳短時間接觸限值和GJB 5834—2006裝甲車輛艙室內有害氣體濃度限值要求，對某自行火炮1組15連發(fā)和3組7連發(fā)閉艙發(fā)射時艙室內有害氣體(CO、CO2、NO2、NH3、H2S、SO2)測試結果分析如表5所示。

表5 有害氣體測試結果分析表

通過本次試驗測試結果的分析對比，每組連發(fā)的有害氣體濃度均不同程度存在不符合GJB 5834—2006和GJB 967—1990中規(guī)定的要求。檢測位置1由于距離通風裝置艙室內風口的距離相對較遠，所以有害氣體濃度蓄積相對較高；檢測位置2位于炮口上方，因為有炮管與外界相通，所以有害氣體濃度蓄積的沒有檢測位置1高；檢測位置3因為距離通風裝置艙室內風口的距離最近，所以有害氣體的蓄積濃度相對最低，降低的也最快。本次試驗測試結果中CO和H2S濃度產生的高，筆者分析原因是與本次炮擊試驗使用的發(fā)射裝藥中C和S的含量大有關。

本次試驗火炮發(fā)射部的裝藥量大，采用自動裝填發(fā)射裝置，連續(xù)擊發(fā)所用的時間很短，受試對象艙室內有害氣體的濃度在短時間內急劇蓄積增大。本次炮擊試驗過程中艙室內的通風裝置一直在正常工作，因此在炮擊的過程中產生的有害氣體大部分會通過抽風裝置迅速被抽到艙外，從而能夠在最短時間內最大限度地降低炮擊過程中有害氣體對艙室內作業(yè)人員作業(yè)工效和機體機能的影響。艙室內的通風裝置是快速降低有害氣體對艙內操作人員不利影響的有效手段之一。

火炮在射擊擊發(fā)的過程中，由于發(fā)射所用時間極為短暫，有害氣體的濃度蓄積快，濃度上升的幅度大，其峰值的濃度超出了測試設備所能探測的范圍，因此，有些位點的個別氣體變化曲線圖出現了削峰的現象，如圖2所示。這部分數值只能作為定性分析的參考。

通過本次閉艙炮擊試驗過程中艙室內產生的有害氣體濃度的測試分析，影響有害氣體濃度高低的因素主要有藥量的多少、發(fā)射時間的長短、連擊數量、測點的布放位置、試驗過程中艙室的密封性、外界氣象環(huán)境的氣壓和風速以及采集位點與通風裝置的距離等，特別是與通風裝置的距離影響較大。通風裝置可以把艙室內產生的有害氣體排出艙外，但由于氣體產生的時間要比排氣過程短，因此不能將瞬間產生的高濃度有害氣體完全排出到艙外，且距離通風裝置越近的地方有害氣體的濃度降低的越快。

以本次測試的結果分析，按測得的最大濃度的15連發(fā)檢測位置1的結果計算，通風裝置的抽氣速率至少要達到(2 280-1 500)/2 280=34%，有害氣體的濃度才能符合相關國軍標的要求。

3 結束語

由于設計和實際使用的需要，炮尾和作業(yè)艙室直接連通，因此自行火炮在射擊作業(yè)過程中，炮管內產生的有害氣體會通過炮尾直接進入到作業(yè)人員工作的艙室內，這是目前在作業(yè)過程中很難避免的狀態(tài)。筆者以某自行火炮炮擊為研究對象，通過復合氣體連續(xù)自動測試記錄，分析該火炮在閉艙炮擊試驗過程中艙室內產生的有害氣體濃度，結果表明，在炮擊過程中，連發(fā)的數量越多，累計的時間就相對長，累積的濃度也會相應的高。另外，艙室內的測點位置距離通風裝置的通風口和炮管的距離越近，有害氣體的濃度降低的速度越快。炮擊過程中產生的有害氣體會對艙室內作業(yè)人員的機體和作業(yè)工效產生一定的不利影響，因此，該火炮在閉艙射擊時需對產生的有害氣體采取進一步的防護。