含能破片對柴油箱的引燃破壞效應*

許化珍，李向東

（南京理工大學機械工程學院，南京 210094）

0 引言

現代戰爭要求第一時間摧毀敵方目標，使其喪失戰斗力，達到高效毀傷的目的，而針對燃料箱的攻擊，正是實現飛機、車輛等高效毀傷的捷徑，因此國內外學者對此開展了大量研究工作［1－6］。綜合國內外文獻資料的研究現狀表明，目前針對燃料箱引燃機理的研究主要以實驗方式為主，且實驗多選取較易引燃的汽油、煤油為研究對象，針對柴油箱引燃的研究較少。文中以柴油為研究對象，建立破片撞擊油箱時油氣濃度計算模型，結合實驗研究了含能破片對油箱引燃破壞效應，為新型彈藥設計提供理論及實驗支持。

1 破片對油箱壁的侵徹模型

破片對油箱的引燃是一個強制點燃的過程。其點燃的過程如下:首先破片穿透油箱壁，依靠燃燒劑燃燒提供的外加熱量使油箱內的油蒸汽局部點火，使其發生燃燒反應，產生局部火焰，而后火焰加熱并點燃相鄰的油蒸汽，形成火焰傳播，繼而使油箱被點燃。根據能量守恒計算破片對油箱壁的極限穿透條件，得出極限穿透速度 vj［7］。

式中:ρd、cd分別為破片材料密度及一維桿波速;ρb、cb分別為油箱壁材料密度及一維桿波速;m為破片的質量;ms為撞擊油箱殼體沖塞塞塊的質量;b為油箱殼體厚度;τ為油箱壁材料的動剪切強度，通常取靜剪切強度的2～3倍;D為塞塊的直徑，約為破片直徑d的1.38倍。

當破片撞擊油箱壁的速度v0大于極限穿透速度vj時，則破片穿透油箱壁后仍以一定大小的速度vr向前運動，vr被稱為剩余速度。

2 破片在油箱內的運動模型

破片以速度vr進入油箱油層后，受到柴油液體的阻力，破片速度逐漸衰減。破片在油箱內所受阻力使其產生一個反向加速度，從而導致破片速度衰減，破片在油箱內所受的阻力F為:

式中:A為破片的橫截面積，CD為油液阻力系數，ρ為油液密度，v為破片在油箱油液內的速度。

則:

對式（6）積分，根據t=0時v=vr，得破片在油液內的速度為:

把v=ds/dt代入式（6）化簡得:

對式（8）積分，根據t=0時s=0，得t時刻破片在油液內的運動距離為:

3 油箱內的油氣濃度

3.1 靜止狀態下油箱內油蒸汽的質量及含能破片在油箱內釋放的熱量值

破片撞擊油箱前，油箱處在靜止狀態，一定溫度和壓強下封閉油箱內的柴油不斷汽化，在分子脫離油液表面汽化過程中，同時伴隨有分子回到液體中的凝結過程，當汽化和凝結處于動態平衡時，油箱內的油氣濃度不再變化，油氣處于飽和狀態，此時的溫度和壓強被稱為飽和溫度和飽和壓強，根據飽和溫度和飽和壓強的關系可求出此狀態下的油氣濃度。

常溫、常壓下油箱空氣層氣體可以當作理想氣體處理，則根據理想氣體狀態方程有:

式中:P0為大氣壓;R為通用氣體常數8.31451（J·mol－1·K－1）;V為油箱空氣層體積。由下式給出:

式中:Vz為油箱的總體積;Vy為油箱內柴油的體積。把式（11）代入式（10）可得靜止狀態下油箱內氣體物質的摩爾量為:

油氣的摩爾量為:

式中，PS1是溫度為T時柴油的飽和蒸汽壓，則此時油箱空氣層內柴油蒸汽的質量為:

油箱內空氣的摩爾量n2為:

則油箱中空氣的質量為:

破片內裝藥高度為h，裝藥直徑為d';由式（9）可求出破片穿越油箱油層或穿越油氣層所需要的時間t，在時間t內破片燃燒劑引燃的質量為mj，則:

式中:vx為燃燒劑燃燒的線速度;ρr為燃燒劑密度。當破片速度較低時，忽略油箱殼體材料發生瞬間剪切變形及破片應變所產生的熱量，則在時間t內燃燒劑燃燒釋放的熱能為:

式中Cr為燃燒劑的燃燒熱。

3.2 破片穿透油箱壁進入油層時油箱內的油氣濃度

破片內含能材料為含氧化劑燃燒劑，破片穿透油箱壁進入油箱油層時，燃燒劑燃燒釋放大量能量和高溫熾熱粒子，含能燃燒劑燃燒溫度最高可達幾千度，遠遠高于柴油的沸點，柴油迅速汽化形成許多小的氣泡，如圖1所示。忽略氣泡在上升過程中與柴油的熱交換，由于柴油不斷吸熱汽化，氣泡在上升過程中逐漸漲大，最后氣泡破裂油氣進入油箱油氣層。

圖1 油箱內柴油汽化圖

設破片在穿越油層時汽化柴油的質量為mq，則:

式中:Cy為柴油的比熱;Tf為柴油的沸點;hq為柴油的汽化熱。

假設破片內燃燒劑釋放的熱量全部傳遞給了柴油，由式（18）和式（19）得:

則此時油箱油氣層油蒸汽的總質量為:

則破片在穿越油層后，油箱內油蒸汽的摩爾量為

當破片穿透油箱壁，破片把大量空氣帶入油箱內，在柴油內形成一個氣穴，空氣的體積與破片的截面積、破片的運動速度及破片在油箱內的運動距離有關，破片進入油箱油層，在油箱內運動一段距離后，柴油會把破片在油箱壁上的穿孔堵塞，則空氣停止進入油箱內，實驗表明此段距離大致為破片直徑的3倍，即:

則破片帶進油箱的空氣的摩爾量為:

則當破片穿透油箱壁進入油箱油層時，油箱內油氣濃度為:

4 理論計算、實驗現象與分析

4.1 理論計算

實驗測得破片內燃燒劑燃燒的線速度為23m/s，引燃破片內燃燒劑的破片最低速度為801m/s。根據上述理論模型計算含能破片以不同速度撞擊油箱時油箱內的油氣濃度，如表1所示。

表1 破片速度變化時油箱內油氣濃度值

由表1可繪出油箱內油氣濃度隨破片速度變化的曲線圖，如圖3所示。

分析:彈丸穿透油箱壁進入油箱油層，油箱內的油氣濃度隨彈丸速度的提高而降低，原因是:當彈丸速度提高時，其穿越油箱的時間相應降低，則燃燒劑在油箱內燃燒的時間減少，釋放的能量也相應減少;且彈丸速度提高，其帶入油箱的空氣量增加，也進一步降低了油箱內的油氣濃度;當破片速度逐漸提高，必須考慮油箱殼體材料發生瞬間剪切變形及破片高速應變所產生的熱量，則柴油吸熱揮發量增加，油箱內油氣濃度提高。因為柴油被引燃的油氣濃度極限為0.5% ～4.1%［8］，由表1知，破片撞擊油箱油層，油箱內的油氣濃度遠高于柴油的引燃極限，根據理論計算可預測，破片擊中油箱油層時，不能把柴油箱引燃。

圖2 油氣濃度隨破片速度的變化曲線

4.2 實驗現象與分析

圖3 實驗裝置布置圖

實驗用14.5mm彈道槍發射圓柱形含能破片，破片質量為14g，內裝高能燃燒劑;模擬油箱為柱形箱體，箱體前后用6mm 45#鋼板夾持，用螺栓固定，模擬油箱內徑為150mm，長為200mm;根據理論模型計算模擬油箱的極限穿透速度為357.8m/s。實驗布置如圖3所示，實驗發射5枚破片。

當破片以不同速度擊中油箱的油層時，觀察的實驗現象如表2所示。

表2 破片擊中油層時的實驗現象

圖4 破片以838m/s撞擊油箱時的實驗現象

圖5 破片以速度1083m/s撞擊油箱油層的實驗現象

圖6 破片撞擊油箱油層，水錘效應對油箱殼體的破壞

分析:由實驗結果可知，破片擊中油箱油層時不能使油箱引燃，實驗現象如圖4、圖5所示，這和理論預測是一致的;破片擊中油箱油層時發生水錘效應，油箱壁被撕裂，如圖6所示。

5 結論

理論研究及實驗結果表明:1）破片速度較低時，忽略油箱殼體材料發生瞬間剪切變形及破片應變所產生的熱量，油箱內的油氣濃度隨破片速度的提高而降低;2）破片擊中油箱的油層時，油箱內的油氣濃度遠高于柴油引燃極限上限，油箱不能被引燃;3）破片擊中油箱油層時產生水錘效應，對油箱的破壞主要表現為對油箱殼體的撕裂。

［1］N A Moussa.The potential for fuel tank fireand hydrodynamic ram from uncontained aircraft engine debris DOT/FAA/AR －96/95［R］.1997.

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［4］謝長友，蔣建偉.復合反應破片對油料目標的毀傷效應研究［C］//戰斗部與毀傷效率專業委員會第11屆學術交流論文集，2009.

［5］王海福，劉宗偉.活性破片引燃引爆燃油實驗研究［C］//戰斗部與毀傷效率專業委員會第11屆學術交流論文集，2009.

［6］肖統超，陳文.不同破片殺傷元對飛機油箱的毀傷試驗研究［C］//戰斗部與毀傷效率專業委員會第11屆學術交流論文集，2009.

［7］趙國志.穿甲工程力學［M］.北京:兵器工業出版社，1992.

［8］劉聯勝.燃燒理論與技術［M］.北京:化學工業出版社，2008.