赵锡鑫，王海明，朱志敏

(湖北江山重工有限责任公司，湖北 襄阳 441057)

火箭炮储运发箱集储存、运输和发射功能于一体，具有保证火箭弹贮存可靠性、安全性和有效改善装备快速反应能力等优点。随着火箭炮储运发箱的大规模应用，如何确保产品在全寿命周期内的可靠性和安全性成为首要解决的问题。

非金属定向管作为火箭炮储运发箱重要组成部分，能有效地保证火箭弹的安全可靠贮存性。目前，非金属定向管广泛采用玻璃钢材料，为了保证产品在全寿命周期内贮存的可靠性和安全性，通过对非金属玻璃钢材料的老化性能进行分析和研究，从而明确其仓库贮存环境条件并制定出定向管用玻璃钢材料老化试验方案具有重要的实际意义。

1 储运发箱寿命剖面和仓库贮存环境

1.1 储运发箱寿命剖面

根据储运发箱自验收合格后出厂到发射飞行(或退役)为止可能经历的事件，制定其寿命剖面，如图1所示。

图1中的勤务管理期即为贮存期，它主要包括运输、搬运、装卸、存放以及规定的维护等典型环节。储运发箱在长期贮存过程中主要受库房贮存温度和湿度的影响。

1.2 储运发箱仓库贮存环境

根据GJB2770―1996《军用物资贮存环境条件》确定军用物资贮存的标准库房条件为：温度不超过30℃、相对湿度不超过70%；相对而言，弹药的贮存要求更为严格。弹药长期贮存适宜的温湿度条件为：温度5℃～20℃、相对湿度55%～65%[1]。

影响储运发箱(火箭弹)贮存可靠性的因素较多，而弹药库房的贮存环境条件最为重要。可采取措施通过对库房的贮存环境条件进行定量要求，保证库房温度和相对湿度等，为储运发箱创造一个良好的贮存“大环境”，确保贮存年限15年的指标要求。

2 研究现状及应用情况

近年来，随着科学技术的发展，玻璃钢材料在军工产品上的应用越来越广泛，国内相关科研机构对其进行了长期深入的研究。

2.1 老化性能试验情况

表1和表2是摘录于玻璃钢/复合材料防老化工作组专题研究报告《玻璃钢的耐候性》中有关非金属定向管采用的环氧树脂无碱玻璃钢、聚酯玻璃钢材料的自然老化试验数据。

表1 环氧树脂无碱玻璃钢大气暴露试验弯曲强度保留率 (%)

表2 环氧树脂无碱玻璃钢室内存放试验弯曲强度保留率 (%)

由表1和表2可以看出，环氧树脂无碱玻璃钢材料在广州的大气暴露试验3年的弯曲强度保留率为95%，在室内存放8年的弯曲强度保留率大于80%。某新型非金属定向管采用此种材料，具有很好的耐候性性能，可以满足定向管长期贮存、耐老化的性能要求[2]。

2.2 包装筒包装弹药15年贮存试验情况

为进一步研究在露天恶劣环境下，玻璃钢包装筒包装弹药长期储存的可靠性，对某玻璃钢弹药包装筒进行了15年实弹包装贮存试验。贮存环境以高温高湿的气候条件为主，环境条件设置为露天、丛林的小棚、坑道和天然山洞。

经过长期贮存试验与试验室测试表明，包装的弹药在贮存15年之后仍能正常发射和爆炸，玻璃钢筒能满足弹药长期贮存包装的要求。玻璃钢包装筒防潮性能好，不锈、不霉、不朽、不被老鼠和白蚁等蛀坏，尤其适于环境条件潮湿的边防部队弹药长期贮存使用。所以采用非金属玻璃钢定向管做包装筒能满足包装弹药长期储存的可靠性要求。

2.3 材料应用情况

近年来，随着非金属玻璃钢材料在军工产品上的广泛应用，储运发箱的定向管也采用了非金属玻璃钢材料。根据标准贮存条件下的贮存年限的指标要求，在非金属玻璃钢定向管的研制中，从原材料配比和成型工艺上采用了成熟技术，原材料采用E玻纤或S玻纤作增强材料，双酚A型环氧树脂酸酐树脂体系作基体树脂，采用螺旋缠绕和环向缠绕相结合的成型工艺。

非金属材料在军品各类发射器和包装筒上已得到了广泛应用，如70式62mm单兵反坦克火箭发射筒、PF89A式单兵多用途火箭发射筒、红箭-8反坦克武器系统发射筒及AFT-09反坦克武器系统发射筒等。

3 材料老化理论分析

非金属玻璃钢材料具有高比强度、高比刚度、质量小、抗腐蚀和隔热性能好、材料性能的可设计性好等优点，现已在军工产品诸如弹药包装筒、武器发射管和发动机壳体等方面得到了大量成功应用。但是玻璃钢属于高分子材料，在实际使用中长时间(15年)受到光、水、温度等因素的影响，其物理性能和机械性能会有所劣化。

在库存条件下，非金属玻璃钢定向管材料其性能劣化程度主要受环境温度和湿度的影响。指标要求非金属定向管在标准库房条件下贮存年限为15年，根据GJB2770-1996《军用物资贮存环境条件》确定的军用物资贮存温湿度条件要求，储运发箱在全寿命期内的贮存条件应该满足温度不超过30℃、相对湿度不超过70%[1]。

根据玻璃钢材料的性能特点，在受控环境温度和湿度的条件下，其树脂基体、增强纤维和树脂-纤维界面引起物理、机械性能的下降极其缓慢，也就是说玻璃钢材料在标准储存条件下的老化要比在大气暴晒条件下的老化缓慢得多。非金属定向管选用的环氧树脂基玻璃钢材料有良好的库存老化性能，而标准的储存条件是缓和的和受控的环境条件，非金属玻璃钢定向管能够满足耐库存老化性能的要求。

4 材料加速老化性能和寿命估算试验方案

常用的玻璃钢材料老化性能测试方法主要有自然气候老化试验和人工加速老化试验两种。其中，自然气候老化试验是最可靠的耐候性试验方法，能获得较为可靠的试验数据和结果。但这种试验方法的缺点是试验周期较长、效率比较低及试验结果重复性差。而人工加速老化试验通过人工模拟自然气候中的温度、湿度对试样产生作用而得到试验结果，并可通过强化自然气候中某一因素或几种因素的作用而缩短耐候性试验周期，从而获得加快试验进程的效果。由于试验条件可控，试验的重复性也得到了保证。通常的方法有热老化、光老化、臭氧老化、盐雾老化、湿热老化、温度交变和温度冲击等。

由于储运发箱在军用库房贮存，环境气候相对稳定，不会经常性存在温度突变、高湿环境、盐雾环境和阳光暴晒等状态，故选用相对影响较大的热老化来进行人工加速老化试验。但人工加速老化试验仅能检测材料强度的老化性能，推算材料强度在使用周期内的强度变化规律；对于结构尺寸的稳定性、密封性等只能对试验阶段的变化情况进行检测，不能对全寿命使用周期内的变化情况进行推算。

为保证非金属玻璃钢定向管的15年长储可靠性，进行了国内玻璃钢产品的材料老化性能数据收集、玻璃钢材料老化性能的理论分析工作，初步确定了玻璃钢材料人工加速老化性能和寿命估算试验方案。

4.1 试验原理及方案

4.1.1 试验原理

非金属玻璃钢材料在贮存过程中，主要受热和氧的作用而发生化学反应，引起物理机械性能变化。对老化性能和寿命周期的估算就是推算在一定的环境条件下，寿命周期与材料强度变化规律的关系。目前，评定某种材料热老化的方法有常规老化法(CA)、热重点斜法(TPS)等。但采用常规老化法存在试验周期长的特点。而热重点斜法采用统计学的方法在热重分析(TG)与常规老化法之间建立了定量的关系，故可以通过TG曲线计算出热寿命线的斜率，再结合CA中某一个温度点，即可确定出绝缘热寿命的对数与绝对温度的倒数成直线的关系式：

lnL=a+b/T=a+E/RT

式中：L为绝缘热寿命；a为系数；b为热寿命线的斜率；T为绝对温度；R为气体常数；E为活化能。

通过理论分析并与CA对比，表明TPS与CA的准确度是相近的，可以应用于工程实践。TPS具有很好的实用性与重复性。

故本试验估算方案采用热重点斜法推测非金属定向管在一定的贮存环境下的老化性能和贮存寿命。

4.1.2 试验方案

玻璃钢树脂基体受温度作用的老化作用基本遵循阿累尼乌斯公式，试验方法参照GB/T 7141―1992《塑料热空气暴露试验方法》进行，按GB/T 7142―2002《塑料长期热暴露后时间-温度极限的测定》，塑料长期老化试验推荐选用3～4个温度点，试验时间至少为外推法选择的时间极限的1/4[3-4]。若要测定贮存15年材料的性能，则要进行周期约为4年的人工加速老化试验。

经咨询，并根据以往积累的经验，可以在某一特定的温度点进行周期为3 000 h的热空气暴露老化试验，在试验过程中要进行不少于10次的对试验件的检测，完成该项试验的时间大约为半年。具体试验及分析估算过程如下所述。

本试验所用试件采用以E玻纤或S玻纤作增强材料，双酚A型环氧树脂酸酐树脂体系作基体树脂的环氧树脂材料。将试件投入老化箱，进行70℃温度的热老化试验，按性能变化，定期在100、200、400、700、1 000、1 400、1 800、2 200、2 600和3 000 h10个取样周期抽取样品进行性能检测。试验结果的评定可参照GB/T7142-2002《塑料长期热暴露后时间-温度极限的测定》，采用热重点斜法(TPS)推算材料强度在使用周期内的强度变化规律。

对于结构尺寸、密封性等选取定向管试样，进行试验、检测试样在试验周期内的变化情况，需通过不少于15年的自然气候老化试验得到。

4.2 试验过程中性能变化评价指标的选择

由于试验设备存在局限性及试验周期长短不同，选择玻璃钢材料的环向和轴向拉伸强度来考核制造非金属定向管的玻璃钢材料的机械性能，并推算该材料在15年使用周期内的抗老化性能；对于玻璃钢管的外观、尺寸稳定性、密封性能等，则选取长度约为900 mm的短管，两端的接口与非金属玻璃钢定向管相同，在试验周期内对结构尺寸进行检测，和密封盖配合对密封性能进行检测，试验结束后进行水压爆破强度试验，对该短管在试验后的水压强度变化情况与试验前的情况进行对比；对于储运发箱集成用的胶粘剂，制作试件考核其胶粘剂的剪切强度；对于密封盖的橡胶，由于对橡胶没有强度要求，只是密封性要求，同定向管的密封性能合并考核在试验周期内的密封性变化情况。

4.3 试验项目及主要试件数量

下述试验所需试件均按照70 ℃和3 000 h的试验周期进行试验。试验项目及主要试件数量见表3。

表3 试验项目、主要试件数量及试验总时间 (件)

4.4 试验结果评判标准

非金属定向管的老化性能参数是否符合要求，通过检测试件的强度(包括轴向拉伸强度、环向拉伸强度、胶粘剂剪切强度等)与原强度指标进行比较来判定。只要最终检测强度值不小于原强度指标的80%即表明该材料满足使用要求。

判定定向管试件尺寸、密封性及盖密封性能是否符合要求，要看试验检测结果是否与设计预定值相一致。若一致则说明符合要求，反之则为不符合要求。

5 结束语

在非金属玻璃钢定向管的设计过程中，原材料配比和成型工艺上采用了在贮存性方面经充分验证的成熟技术。国内相关研究机构进行的长达20多年的环氧树脂无碱玻璃钢材料自然老化性能数据表明，采用同样材料的非金属玻璃钢定向管从性能上能满足弹药长期储存、耐老化性能的要求。

在贮存弹药方面，从某部队《玻璃钢与酚醛纸筒包装弹药15年贮存试验结果》可知，非金属玻璃钢定向管包装弹药长期储存的可靠性是有保证的。

在储运发箱贮存过程中，定向管材料时刻都在经受环境中相对稳定的温度和湿度的作用，所以，温度、湿度对定向管材料性能的影响是一个缓慢长期的过程，其作用效果需要较长的时间才能表现出来。在引入加速老化性能和寿命估算试预测方法后，利用热空气加速老化试验方法和热重点斜法评估玻璃钢材料强度的贮存期，能够对某新型储运发箱非金属玻璃钢定向管的贮存性进行评估、研究。但是也存在着试验周期较长、试件品种数量较多、涉及参试人员广和试验费用高等缺点。

[1] 中国人民解放军总参军械技术研究所.GJB 2770―1996 军用物资贮存环境条件[S].北京：国防科工委军标出版发行部，1996.

Institute of Chinese People’s Liberation Army Ordnance Technology.GJB 2770-1996 Storage environmental condition of military material[S].Beijing：Armament Standard Press of Commission of Science Technology and Industry for National Defense, 1996. (in Chinese)

[2] 广东省建筑科学研究院.GB/T 2573-2008 玻璃纤维增强塑料老化性能试验方法[S].北京：中国标准出版社，2008.

Guangdong provincial academy of building reaserch.GB/T 2573-2008 Test method for aging properties of glass fiber reinforced plastics[S].Beijing：China State Bureau of Standards,2008.(in Chinese)

[3] 化学工业部合成材料老化研究所.GB/T 7141-2008 塑料热老化试验方法[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

Institute of synthetic materials aging, Ministry of chemical industry. GB/T 7141-2008 Plastics-methods of heat aging[S].Beijing：China State Bureau of Technical Supervision, 2008. (in Chinese)

[4] 广州合成材料研究院.GB/T7142-2002 塑料长期热暴露后时间 - 温度极限的测定[S]. 北京：中国标准出版社，2002.

Guangzhou Research Institute of synthetic materials. GB/T7142-2002 Determination of time-temperature limits for plastics after prolonged exposure to heat[S]. Beijing：China State Bureau of Quality and Technical Supervision, 2002. (in Chinese)