燃油箱中空充填網(wǎng)狀聚氨酯泡沫抑爆原理
時間:2005-07-02
摘要：
本文建立模型分析中空填充網(wǎng)狀聚氨酯泡沫材料抑爆原理，推導(dǎo)出燃油箱內(nèi)混合氣體燃燒反應(yīng)終壓計算公式。可用于計算不同中空比率油箱最終壓力。
0 概況
網(wǎng)狀聚氨酯泡沫（以下稱“網(wǎng)泡”）材料是由普通開孔的柔性聚氨酯泡沫材料經(jīng)網(wǎng)化處理而成，微觀結(jié)構(gòu)是五邊形十二面體，面與面的交線稱為經(jīng)絡(luò)，經(jīng)絡(luò)間面膜經(jīng)網(wǎng)化處理后消失，形成整體上的立體骨架結(jié)構(gòu)。
目前美國等國家生產(chǎn)的多種類型的網(wǎng)泡材料，具有97％以上的空隙，精確的孔隙率，優(yōu)良的機械性能，較低的密度和燃油保留量，優(yōu)良的抗靜電性能和火焰萃熄等功能，作為防火抑爆材料，可用于戰(zhàn)斗機燃油系統(tǒng)防火抑爆，也可用在各類易燃油品運輸車輛、船舶或地面儲油罐中。目前，美國在 C-130運輸機，F(xiàn)-15s、F-18s戰(zhàn)斗機，俄羅斯在蘇-27戰(zhàn)斗機上都在使用。實際上，網(wǎng)狀泡沫材料可用于任何可能存在爆炸危險的油箱、儲罐內(nèi)。
1 飛機燃油箱的火災(zāi)危險性
油箱內(nèi)燃油液面上部空間充滿了燃油蒸氣和空氣組成的可燃性混合氣體。在射彈打擊、雷擊或靜電等點火源作用下燃油混合氣體會被引燃，火焰波層層向外傳播，這種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)使得火焰前鋒在混合氣體傳播過程中變得越來越大，速度也越來越快。火焰鋒前遞增的壓力波不斷壓縮未燃氣體，隨著壓力的增加，最終將導(dǎo)致油箱爆炸。網(wǎng)狀聚氨酯泡沫用于填充戰(zhàn)斗機油箱，能夠防止燃油箱內(nèi)混合氣體災(zāi)難性爆炸的發(fā)生。
2 填充方式
有兩種經(jīng)過實踐驗證的燃油箱泡沫材料填充方法：完全填充和部分填充（“中空”填充）。前者具有最大的防護作用，但增加的網(wǎng)泡質(zhì)量和吸附的燃油量也較大；后者減少了材料的使用量和燃油的吸附量，但要求油箱本身能夠承受一定的內(nèi)部正壓載荷。兩種方法各有優(yōu)劣。圖1為燃油箱中空填充網(wǎng)泡的結(jié)構(gòu)形式。
當(dāng)油箱中采用中空方式充填網(wǎng)泡時，油箱局部無網(wǎng)泡區(qū)仍然有起火的可能，但火焰并不能在油箱整個的油氣混合區(qū)傳播。在火焰熄滅后，油箱內(nèi)的壓力會有所上升，油箱的中空比率和填充結(jié)構(gòu)是油箱內(nèi)最終壓力高低的主要影響因素。下文分析中空填充網(wǎng)泡的抑爆原理。
3.中空充填網(wǎng)狀聚氨酯泡沫抑爆原理
3.1 壓力比的推導(dǎo)
圖2為抑爆模型。
其中，Vc為燃燒體積；Vf為淬熄體積，減壓體積Vr是淬熄材料所占體積的一部分，如果淬熄材料的厚度足以隔離火焰的傳播，那么淬熄材料后面空間的體積是減壓體積，如B圖，此時減壓體積就是Vr與Vf之和。
由于燃油的蒸發(fā)，在燃油的液面之上存在燃油和空氣的爆炸性混合氣體。當(dāng)爆炸性混合氣體被點燃，立即形成一個小火球，并以燃燒波的形式向周圍傳播；燃燒波面上的火焰離開中心火焰并點燃波面外部的預(yù)混氣體，形成一個新的燃燒波面；如此下去，空間中的預(yù)混氣全部被點燃。由于油箱是一個密閉的空間，氣體燃燒會使壓力急劇增加，最終超過油箱的強度而導(dǎo)致油箱的爆炸解體，整個過程僅需幾毫秒。由于烴類混合物在燃燒過程中，燃氣平均分子量或分子總摩爾數(shù)變化很小或基本無變化，有下式成立：
式中下標(biāo)1、2分別表示油箱內(nèi)氣體的初態(tài)和末態(tài)。對于大多數(shù)的碳氫燃料和空氣的混合物，化學(xué)計量混合時的 T2/T1的比率一般為7.7~8.2，而與模型中其他的參數(shù)無關(guān)。由于是等容過程，熱力方程就可以寫為：
以上方程對等容過程是成立的，但當(dāng)油箱中只是有限體積的混合氣體發(fā)生燃燒，同時允許氣體絕熱膨脹時，上述模型就不適用了，此時可以假設(shè)僅有一部分Vx體積混合氣體燃燒膨脹，將Vc中原有的一部分混合氣體通過泡沫壓入Vr中。在模型中引入Vx，如圖3所示。等體積均勻分布的網(wǎng)泡材料將模型分隔成n個小室。某一小室中的一部分混合氣體Vx發(fā)生燃燒反應(yīng)，絕熱膨脹為Vc體積，用以下方程描述：
3.2壓力比與中空比率的關(guān)系
設(shè)模型中空體積所占的比率為，則：
( 8)式反映了壓力變化與模型中空系數(shù)a、分隔出的小室數(shù)量n的關(guān)系。n反映了油箱中網(wǎng)泡填充結(jié)構(gòu)的不同，所以壓力變化和油箱內(nèi)的泡沫填充結(jié)構(gòu)有關(guān)。對不同的填充結(jié)構(gòu)和填充比率的油箱，我們可以依據(jù)本文解決問題思路加以分析，將得到與(8)式類似的公式，可用于計算油箱內(nèi)最終壓力與初始壓力的比值。
4.計算結(jié)果及結(jié)論
依據(jù)式（8），對某一可燃性混合氣體的燃燒反應(yīng)過程，比熱比N和溫升系數(shù)K確定后，計算結(jié)果曲線顯示在圖4中。
圖中六條曲線從左至右分別顯示了模型中小室數(shù)目n從6到1變化，壓力比和中空系數(shù)a的關(guān)系。
以上的理論分析模型適用于理想氣體絕熱過程，未考慮流動阻力。分析中假設(shè)網(wǎng)泡材料無燒蝕，因此理論結(jié)果壓力比偏低。總體上理論計算值與國外實彈打擊油箱數(shù)據(jù)值吻合得很好，因此本理論模型對戰(zhàn)斗機油箱填充網(wǎng)泡實彈打擊試驗方案設(shè)計和油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計有參考價值。
