艦船彈庫泄壓排氣裝置配置方案研究

楊 巍，潘樹國

(中國船舶集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

艦船彈庫中貯存的導彈是艦船對敵作戰和自身防御能力的重要保障。導彈是一種依靠火箭發動機燃燒推進劑作為推進動力的制導武器。推進劑是一種含有高能量的物質，一般可分為單基推進劑、雙基推進劑和復合推進劑，在環境溫度相對較低的條件下處于穩定狀態，當溫度較高時會分解放熱。當推進劑自身分解熱量累積到一定程度會造成導彈意外點火，一般推進劑溫度超過120 ℃，經過幾個小時就會自燃，此外電磁輻射、摩擦、撞擊、沖擊波等外部刺激因素超過一定量，均會使導彈發動機點火[1]。

艦船彈庫是一個密閉空間，導彈在彈庫內意外點火，短時間內就會釋放出大量高溫、高壓、高速氣體，這些氣體會使彈庫溫度升高至幾百度甚至上千度，造成庫內其它導彈點火、戰斗部爆炸；此外這些氣體會使得彈庫內部壓力升高，超過大氣壓力2～6 倍以上，超過彈庫自身結構強度極限，最終導致彈庫發生物理爆炸[2-5]。

為了避免彈庫因為導彈意外點火發生彈庫爆炸，防止造成嚴重的次生危害，一般應在艦船彈庫中安裝有泄壓排氣裝置，特別是裝有裸彈的彈庫，安裝泄壓排氣裝置的必要性更高。泄壓排氣裝置是一種能夠根據彈庫內部壓力自動打開的裝置，當彈庫內部壓力超過外界大氣壓一定值時，泄壓排氣裝置自動打開，將彈庫內部的高溫高壓氣體排放到大氣中，從而達到降低彈庫內壓力，保護彈庫整體結構安全。

某型艦船彈庫中裝有大量導彈，導彈以裸彈形式貯存在彈庫內，為了合理設計泄壓排氣裝置，本文以質量守恒、能量守恒為基礎，通過推導導彈意外點火過程中艙室內壓力、溫度的計算公式，對某型艦船彈庫泄壓排氣過程進行了數值計算，為確定泄壓排氣裝置安裝數量提供理論依據。

圖1 艦船彈庫中導彈-泄壓排氣裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of missile pressure relief and exhaust device in ship magazine

導彈在彈庫內意外點火后，導彈排出的燃氣與彈庫內氣體混合，使得彈庫內混合氣體的溫度、壓力及密度迅速升高。當庫內壓力達到一定值時，泄壓排氣裝置打開，彈庫內氣體通過泄壓裝置排氣口進入大氣中。

1 假設條件

為了研究問題，需要對彈庫、導彈發動機和燃氣混合過程進行簡化：

1）彈庫內高溫氣體流出彈庫過程是等墑過程；

2）裸裝導彈發動機排出的高溫氣體，迅速與艙室內部氣體充分混合均勻；

3）假設裸裝彈庫艙壁為絕熱，彈庫與外進沒有熱量交換；

4）泄壓裝置排出氣體進入大氣中的最大速度為聲速；

5）達到排氣裝置開啟壓力時，多個排氣裝置同時開啟。

2 導彈點火后至排氣裝置打開前彈庫內部氣體參數

裸裝導彈意外點火后，彈庫排氣蓋打開之前，彈庫內原有空氣與導彈發動機排出燃氣充分混合，燃氣把熱量傳遞給彈庫內原有氣體，使得彈庫內氣體的參數迅速變化，當彈庫壓力達到排氣裝置開啟動作壓力時，排氣裝置打開。

排氣裝置開啟前彈庫內氣體質量為：

式中：m0為 彈庫內原有氣體總質量；(t)為裸裝導彈發動機噴出的氣體質量流率。

排氣裝置開啟前彈庫內的氣體總能量為：

式中：CA,P為彈庫原有氣體的定壓比熱容；Ti為艙室開始時刻的溫度；CM,P為裸裝導彈發動機燃的氣定壓比熱容；T0為導彈燃氣的總溫。

由式（1）可計算得到彈庫內氣體平均密度為：

式中：Vol為彈庫的純體積。

彈庫內氣體溫度為：

根據氣體方程P=ρRT，可計算彈庫內氣體平均壓力為：

將式（3）～式（5）分別對時間求導數，可得彈庫平均密度變化率、平均溫度變化率和平均壓力變化率：

排氣裝置開啟時刻t1的平均壓力為P1=Pb+?P，Pb為 大氣壓力， ?P為排氣裝置打開動作開啟壓差。通過式（3）～式（5），可計算當P(t1)=P1時的時間，便可得到排氣裝置打開動作時間t1。

3 排氣裝置打開后的彈庫內部參數（ t>t1）

排氣裝置打開后，通過排氣通道流出的氣體速度為VO(t) 、質量為mO(t) 、溫度為TO(t)。

根據氣體等熵公式[6]，可計算泄壓裝置排氣口附近的氣體馬赫數為：

式（9）只適用于Ma<1，根據假設條件（d），若Ma≥1，則令Ma=1。

排氣通道外部當地聲速為：

根據氣體等熵公式[6]，可得通過排氣裝置排出的氣體密度為：

通過對排氣通道流出的氣體質量計算時間的導數，并考慮式（12）和式（13），可得通過排氣裝置的氣體流量為：

式中，A為排氣裝置的排氣通道總面積。

彈庫內氣體既有導彈發動機排進的氣體，又有通過泄壓裝置排到大氣的氣體，根據式（6）和式（14）可得彈庫內密度的平均變化率為：

彈庫內氣體總能量為：

式中，EO(t)為通過排氣裝置排出的氣體總能量，其計算式為：

根據式（15）可得，可得彈庫內平均溫度為：

上式對時間求導，可得溫度平均變化率為：

對理想氣體狀態方程兩邊求導數，可得壓力平均變化率為：

第1 階段終了時刻的計算結果作為第2 階段5 個微分方程的初值，采用四階Runge-Kutta 法求解方程（14）、方程（15）、方程（17）、方程（19）、方程（20），即可得到彈庫內平均溫度、平均壓力、平均密度、平均溫度變化率、平均壓力變化率、平均密度變化率、排出的平均氣體速度等參數。

4 泄壓排氣裝置配置方案分析

某型艦導彈庫尺寸（長×寬×高）為5.5 m×6 m×3.5 m，凈體積為52 m3。彈庫內貯存的導彈發動機氣體流量如圖2 所示，導彈發動機工作時間為3 s，導彈發動機燃氣常數為305 J/（kg·K），總溫為3300 K，絕熱指數為1.206。導彈發動機開始工作前，彈庫內為空氣，空氣常數為289 J/（kg·K），溫度為20 ℃，密度為1.226 kg/m3，壓力為101335 Pa，絕熱指數為1.42。排氣裝置開啟壓差為9 kPa。泄壓排氣裝置為定型產品，單個排氣裝置排氣口面積為0.1257 m2。

根據此彈庫尺寸和裝載的導彈發動機特性，提出了4 種泄壓排氣裝置布置方案，如表1 所示。根據式（14）、式（15）、式（17）、式（19）、式（20），對4 種方案的排氣過程進行了計算，計算結果如圖3～圖5 所示。

圖2 導彈發動機燃氣流量曲線Fig. 2 Gas flow curve of missile engine

表1 泄壓排氣裝置方案Tab. 1 Scheme of pressure relief and exhaust device

圖3 壓力隨時間變化曲線Fig. 3 Pressure versus time curve

圖4 溫度隨時間變化曲線Fig. 4 Temperature versus time curve

圖3為艙室內壓力變化曲線，可以看出配置1 個排氣裝置時，艙室內壓力最大能夠達到0.25 MPa，2 個排氣裝置時，艙室內最大壓力能夠達到0.145 MPa；排氣裝置打開后艙室內壓力并不是迅速下降，而是先上升后下降的過程，布置的排氣裝置數量越多或者說排氣口面積越大，艙室內最大氣體壓力越小，氣體壓力對艙室造成的危險性越小。圖4 為艙室內氣體的平均溫度，排氣裝置數量越多，排氣裝置打開后，艙室內溫度越高，主要原因是排氣裝置打開后，排氣面積越大，排出的氣體越多，艙室內氣體質量越少，火箭發動機噴出的氣體熱量被艙室內氣體吸收后，便表現出溫度越高。圖5 為排氣口速度，安裝 1 個排氣裝置時，排氣速度最大能夠達到800 m/s 以上，安裝2 個排氣裝置時，最大排氣速度為430 m/s；通過圖5 可知，排氣裝置數量越少，排氣速度越大。

圖5 排氣口速度隨時間變化曲線Fig. 5 Exhaust velocity versus time curve

5 結 語

通過以上的計算分析表明，彈庫配置1 個排氣裝置會造成艙室內壓力過高，達到0.25 MPa；配置2 個排氣裝置時，能夠將艙室內的氣體壓力降低到0.145 MPa。雖然排氣裝置數量越多，艙室內最大壓力越低，但配置過多的排氣裝置會造成成本升高、外部防護困難、彈庫結構強度及剛度減弱，因此布置2 個排氣裝置最為合理。但是，應當引起重視的是配置兩個排氣裝置會使艙室內溫度升高，必須配置噴淋降溫設施，通過向庫內噴水降低庫內過高溫度；此外還應當注意在艦船彈庫泄壓排氣裝置附近豎立警告標識，防止庫內導彈意外點火后，通過排氣裝置排出的氣體傷到周圍人員。