国外舰船弹药舱安全性研究

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(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

1 舰船弹药库安全性要求

1.1 系统性和综合性

舰船的弹药库设计是舰载武器系统设计中的一个重要组成部分，但是弹药库的设计不孤立于全舰系统，它和全舰系统的设计存在着广泛的联系，因此要用系统工程的设计方法，进行系统性、综合性设计。

在舰船的总体设计时，应充分考虑到舰船的战斗使命，即在不同位置配置各种武器，同时要考虑到各种弹药的性质是不同的，因此其防火防爆的措施也不尽相同。如深水炸弹需灌注灭火，其安放位置应靠近海底门。在全舰系统设计时，应根据弹药舱安全性设计的需要，考虑到相关系统的设计，将电、水、气、各种传感器、遥控执行设备、管路、线缆等相关的因素进行综合和优化，在设计时要考虑到全舰消防水系统、排水系统、疏水系统、通风空调系统、气体灭火系统、浸水系统、转注系统、喷淋系统、供电及供气系统等在弹药舱安全性设计中的需要。在反舰导弹发射筒设计时，要考虑到筒内各种传感器的安装及内、外喷淋、气体灭火、通风空调等系统的管道要求，在全舰系统设计时要给反舰导弹发射筒提供消防水、通风及电源等[1-2]。

1.2 快速性和自动性

设计弹药舱时要满足快速性和自动性的原则。这就要求设计时传感器反应灵敏，控制过程和采取的措施及时有效，尽量采用自动化设计，由传感器进行现场测量，将测量结果送至信号处理和判断部分，一旦发现弹药舱有危险，立即通过控制信号自动启动执行设备，采取相应的措施，这样构成一个闭环系统，提高系统的反应速度。

1.3 设计可靠性

舰上弹药舱的安全能否得到保障，与其设计的安全可靠性有直接关系，冗余设计是工程设计中提高可靠性的一种方法。

国外舰船在同一弹药舱灭火系统的设计中考虑了采用不同的灭火方法，如水灭火、气体灭火系统。传感器可采用温度、压力、火焰、红外、烟雾等多种手段进行测量，并且一种传感器采用多个并用，控制执行机构的动作也采用多种方法并用。如控制消防泵的接通可采用气动控制和电动控制同时作用，自动和手动均可动作的设计方法，将舰上消防水总管和弹药舱灭火系统用的消防水控制阀件采用电磁阀和气动控制阀并联，这样可有效保证消防水的可靠接通。

1.4 操作便捷性

全舰各种弹药舱的类型很多，而且在舰上的分布位置从前至后，从上至下。在设计时应考虑到操作使用的方便性，应采用集中监测控制的方法。在全舰设置一个武器系统的防火防爆监控中心站位，将各弹药舱的传感器信号送到监控站位，并进行各种状态和信号的显示，且自动进行信号的处理与判断，实时给出控制信号遥控执行机构的动作，这样可实现弹药舱安全管理的自动化。

2 舰船弹药舱安全性设计

在正常维护条件下，弹药舱应处于良好的环境中，始终是安全的。弹药舱安全系统的存在仅仅是为了在弹药舱内一旦出现不安全因素，发生异常情况时，为弹药舱提供安全保障。为了保证舰船弹药舱的安全，其安全性设计主要涉及安全监控系统、弹药舱喷淋系统、弹药舱的防火防爆设计、弹药舱温度控制、弹药舱的总体布置及通风设计等。

2.1 安全监控系统设计

全舰所有弹药舱采取集中监测和控制，设置一个全舰性的弹药舱中心监控站。DDG-51、DDG-1000和45型驱逐舰各弹药舱分别安装了多种传感器，如温度传感器、湿度传感器、压力传感器、火焰传感器、红外传感器、烟雾传感器及相关控制设备和全舰系统开关状态的机械式传感器，将这些状态信号和数据信号送至中心监控站。有的状态信号可直接送至状态显示板，可显示消防总管开关是否关闭，是否有压力，自动灭火系统是否接通，弹药舱门是否关闭等；有的传感器信号(如弹药舱的温度)送至中心站位的显示仪板；有的传感器信号送至中心站位的信号处理的判断部分，信号经变换、放大、处理、比较，判断是否符合标准。如果温度、湿度等超过弹药舱中弹药存放标准，则提示值班人员采取措施；如发现火情、温度超高则由处理判断部分给出信号。一方面进行自动报警和显示，另一方面向控制部分提供信号，由控制部分送相应的控制信号至弹药舱及全舰相关系统，并自动开启这些系统。如开启水灭火系统、水喷淋系统、浸水系统、气体灭火系统，同时关闭弹药舱的空调通风系统等。

2.2 喷淋系统设计

DDG-51、DDG-1000和45型驱逐舰设计要求中规定弹药舱喷水系统采用全方位保护方式，即要求喷水系统喷头能将弹药舱所有侧壁、甲板及弹药覆盖。要求弹药舱每平方米的喷水量达到30 L/min。采用全方位保护方式可以有效遏制弹药舱发生火灾时产生相互影响，及局部高温引发火灾或爆炸等险情的发生。此外，还针对喷头的布置做出了相关要求：喷嘴距离地面3 m，其喷水覆盖面积为9 m2，喷头间的最大距离为2 m，喷头和防水壁的最大距离为1.2 m；喷头和弹药之间至少应留出300 mm的距离；如果喷头与弹药之间间隔缩减至250～300 mm，喷头的总数应增加25%，保证喷淋的覆盖率。必须设有专门的喷头用于对鱼雷、深水炸弹和导弹弹头的喷淋。

当弹药舱发生火灾时，首先要对弹药舱实施灭火，最直接方便的方法是对弹药舱实施海水自动喷淋，以保护弹药舱和舰船，使弹药舱和舰船处于安全状态。

湿式自动喷水灭火系统是最简单，使用最为广泛的一种喷水灭火系统；干式系统扑救初期火灾在时间上有滞后，但适合于高温或低温环境中使用；雨淋系统对于火灾水平蔓延快、舱内净空高度较大的弹药舱较为适合。采用干湿结合自动喷淋灭火系统和雨淋系统相结合的设计方案可以快速有效地扑灭弹药舱中的可能出现的火灾[3]。

2.3 弹药舱温度、压力控制设计

无论是弹药舱内发生火灾还是弹药舱隔壁舱室发生火灾，都会引起弹药舱内温度和压力的异常[4-5]，因此传感器是弹药舱安全系统环境监测与信息采集环节的必要选择。弹药舱温度、压力监控系统在弹药舱内发生火灾或弹药舱隔壁舱室着火而危及到弹药舱的安全时，能够准确及时地检测危险情况的发生，并且根据检测到的数据做出相应的处理动作。DDG-51、DDG-1000和45型驱逐舰等国外大型水面舰船的弹药舱通过火灾探测系统对弹药舱内的环境进行实时监测，利用温度传感器、压力传感器及时发现弹药舱内温度和压力的异常变化，判断是否有爆炸或燃烧的产生；烟雾传感器可以在燃烧初期发现弹药舱内的异常情况；火焰传感器可以发现弹药舱内出现的明火。

2.3.1 温度传感器的布置

温度传感器主要用于监测周围环境温度变化以及温度变化率。采用动作门限为30、70 ℃定温式传感器和温敏晶体管传感器。选择动作门限为30 ℃温度传感器主要用于监测弹药舱的温度情况。弹药舱内温度超过30 ℃，说明弹药舱内出现了意外情况，安全系统能够在火灾初期发现并将其扑灭，将损失降低至最低。选择动作门限70 ℃温度传感器主要用于火灾报警。如弹药舱内温度达到70 ℃，说明弹药舱内已经发生火灾，传感器向弹药舱安全系统控制中心发出火灾信号，控制中心立即启动相应的灭火和排气装置。温敏晶体管传感器主要用于监测弹药舱温度变化的速率，如果弹药舱内温升速率超过1 ℃/min，温敏晶体管就发出火灾报警信号。

2.3.2 烟雾传感器的布置

弹药舱内烟雾传感器一般采用单极型离子烟雾传感器，主要用于监测周围环境的烟雾浓度，其突出特点是灵敏度相当高，只要空气中烟雾达到一定浓度，烟雾传感器探测到后会马上发出报警信号。

弹药舱内出现大量烟雾的可能性主要有以下两种情况：弹药舱内可燃物引起的火灾，如用于维护保养的润滑油在燃烧条件达到的时候起火产生烟雾；导弹发动机意外点火，这种情况不但会使弹药舱内温度急剧升高，同时也会产生火焰和大量的烟雾。由于以上两种情况发生的位置一般都靠近舱底，烟气流会迅速向上方扩散，通常将烟雾传感器布置在弹药舱的顶部。

2.3.3 火焰传感器的布置

红外、紫外火焰传感器主要用于监测周围环境是否有火焰出现。此类传感器属于光学类传感器，其最大优点是反应速度快，而弹药舱安全系统需要这种反应速度非常快的传感器。当弹药舱内发生火灾或爆炸时，大量的能量会以电磁辐射的形式释放出来，其主要辐射形式为选择分子辐射和连续的灰体辐射。例如，气体在火焰中燃烧时，能量是通过气体分子的内部结构以不连续波长的形式释放的，而当粉尘、烟灰在火焰中燃烧时，能量的辐射则是通过在一定区域内连续波长的形式释放的。

2.3.4 压力传感器的布置

在舰船的弹药舱安全系统中，压力传感器主要用于监测舱内压力变化情况，当压力超过一定值时压力传感器向控制中心传输报警信号，弹药舱自动打开排气装置卸压。

弹药舱长期处于密封状态，根据气体的特性可知同一空间内各处的气体压力是相等的，根据这个特点可以得出弹药舱内需要压力传感器的数量。压力传感器选择压电式传感器，布置于弹药舱顶部。

2.4 弹药舱通风设计

水面舰船弹药舱属于DDA危险区域(易失火或爆炸)，其空调通风设计是弹药舱安全性设计的一项重要内容。弹药舱空调通风过程计算非常复杂，主要包括两个方面：弹药舱的热负荷计算；弹药舱空气处理过程计算。

DDG-51、DDG-1000和45型驱逐舰等大型驱逐舰的弹药舱空调通风系统为独立通风系统。弹药舱主要在夏季进行空调通风，在其它季节进行通风换气。它的进/排气口、空调通风设备以及系统控制均独立于舰上其它通风系统。弹药舱内的设计温度不高于30 ℃，相对湿度为50%±10%。对弹药舱进行通风换气处理时，要求换气次数不小于20次/h。弹药舱空调通风系统由空调器、风机、水密蝶阀、防火风闸等组成。弹药舱空调器可实现对弹药舱的空调、通风工况的自动/手动转换，其工况的转换是通过切换风阀开关和送、排风机启停来实现的。系统在通向外界大气的管路上设置水密蝶阀，可实现自动/手动控制，平时处于常开状态，三防工况时则全部关闭。

45型驱逐舰在设计建造过程中，其弹药舱环境条件有更为详细规定，主要包括：①空体调节系统的设计目标将室内的RH保持在30%～70%之间；②保存推进剂的弹药舱中的温度不超过32 ℃；③储存其他爆炸物的弹药舱的温度不超过35 ℃；④当系统发生故障，弹药舱的温度可能在12 h内上升到40 ℃，并可能保持至少12 h的情况下，可使用临时通风系统；⑤当弹药舱内温度降至7 ℃以下，需要对弹药舱进行供暖。

3 弹药舱总体布置要求

DDG-51、DDG-1000和45型驱逐舰等水面舰船弹药舱总体布置一般遵循以下基本原则。

1)弹药舱不宜与机舱、锅炉舱、辅机舱、油漆间及易燃舱室毗邻，如不可避免时，应采取相应的安全措施。

2)弹药舱不宜位于控制站、电子设备舱的下部，也不宜与它们邻接。

3)弹药舱应尽可能布置在舰船标准排水量水线以下，如超出时，应采取必要的安全措施。

4)应通过通道或升降口及弹药舱藏必备门进入弹药舱，该通道或升降口不得与有较大失火危险的舱室相通。

5)弹药舱的舱壁和甲板应是钢制水密结构且有A0级以上的防火等级。

6)弹药舱的门和盖等密封面、门栓及铰链应以撞击时不致产生火花的材料制成。

英国的弹药舱相关标准对45型驱逐舰等水面舰船弹药舱的位置也提出了具体要求，规定如果弹药舱存有空中武器(如炸弹)、雷管、制导武器、诱饵、炸药包或直径超过57 mm的军火，则其不能直接与主机舱、柴油发电机舱、厨房、液态氧舱、汽油舱和汽油泵舱、储气罐舱、电子控制室相邻；若弹药舱存有直径小于57 mm的军火，则可以与上述舱室相邻，但相邻舱壁的防火等级必须至少为A30。

为了对弹药舱进行维护，DDG-51、DDG-1000和45型驱逐舰等大型驱逐舰一般还在船体的水下舷侧设有3～5道防雷壁，防雷壁主要以空舱或液舱为主，起到对弹药舱的保护作用。弹药舱位置的选择与布置，对于保护舰船弹药舱的安全至关重要。

[1] Ministry of Defense Standard 00-101 NESl83. Design standards for explosives safety in MOD surface ships[S]. London：Defence Procurement Agency，2005.

[2] NAVAL SHIPS TECHNICAL MANUAL Surface ship firefighting[S]. New York：Direction of Commander, Naval Sea systems Command，2004.

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

[4] MANSFIELD J A. Preliminary analysis of the Heating of ordnance in ship magazines due to a fire in an adjacent compartment[R]. New York：Naval Air Warfare Center Weapons Division China Lake，1996.

[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.