燃油箱中空充填网状聚氨酯泡沫抑爆原理
时间:2005-07-02
摘要：
本文建立模型分析中空填充网状聚氨酯泡沫材料抑爆原理，推导出燃油箱内混合气体燃烧反应终压计算公式。可用于计算不同中空比率油箱最终压力。
0 概况
网状聚氨酯泡沫（以下称“网泡”）材料是由普通开孔的柔性聚氨酯泡沫材料经网化处理而成，微观结构是五边形十二面体，面与面的交线称为经络，经络间面膜经网化处理后消失，形成整体上的立体骨架结构。
目前美国等国家生产的多种类型的网泡材料，具有97％以上的空隙，精确的孔隙率，优良的机械性能，较低的密度和燃油保留量，优良的抗静电性能和火焰萃熄等功能，作为防火抑爆材料，可用于战斗机燃油系统防火抑爆，也可用在各类易燃油品运输车辆、船舶或地面储油罐中。目前，美国在 C-130运输机，F-15s、F-18s战斗机，俄罗斯在苏-27战斗机上都在使用。实际上，网状泡沫材料可用于任何可能存在爆炸危险的油箱、储罐内。
1 飞机燃油箱的火灾危险性
油箱内燃油液面上部空间充满了燃油蒸气和空气组成的可燃性混合气体。在射弹打击、雷击或静电等点火源作用下燃油混合气体会被引燃，火焰波层层向外传播，这种链式反应使得火焰前锋在混合气体传播过程中变得越来越大，速度也越来越快。火焰锋前递增的压力波不断压缩未燃气体，随着压力的增加，最终将导致油箱爆炸。网状聚氨酯泡沫用于填充战斗机油箱，能够防止燃油箱内混合气体灾难性爆炸的发生。
2 填充方式
有两种经过实践验证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）。前者具有最大的防护作用，但增加的网泡质量和吸附的燃油量也较大；后者减少了材料的使用量和燃油的吸附量，但要求油箱本身能够承受一定的内部正压载荷。两种方法各有优劣。图1为燃油箱中空填充网泡的结构形式。
当油箱中采用中空方式充填网泡时，油箱局部无网泡区仍然有起火的可能，但火焰并不能在油箱整个的油气混合区传播。在火焰熄灭后，油箱内的压力会有所上升，油箱的中空比率和填充结构是油箱内最终压力高低的主要影响因素。下文分析中空填充网泡的抑爆原理。
3.中空充填网状聚氨酯泡沫抑爆原理
3.1 压力比的推导
图2为抑爆模型。
其中，Vc为燃烧体积；Vf为淬熄体积，减压体积Vr是淬熄材料所占体积的一部分，如果淬熄材料的厚度足以隔离火焰的传播，那么淬熄材料后面空间的体积是减压体积，如B图，此时减压体积就是Vr与Vf之和。
由于燃油的蒸发，在燃油的液面之上存在燃油和空气的爆炸性混合气体。当爆炸性混合气体被点燃，立即形成一个小火球，并以燃烧波的形式向周围传播；燃烧波面上的火焰离开中心火焰并点燃波面外部的预混气体，形成一个新的燃烧波面；如此下去，空间中的预混气全部被点燃。由于油箱是一个密闭的空间，气体燃烧会使压力急剧增加，最终超过油箱的强度而导致油箱的爆炸解体，整个过程仅需几毫秒。由于烃类混合物在燃烧过程中，燃气平均分子量或分子总摩尔数变化很小或基本无变化，有下式成立：
式中下标1、2分别表示油箱内气体的初态和末态。对于大多数的碳氢燃料和空气的混合物，化学计量混合时的 T2/T1的比率一般为7.7~8.2，而与模型中其他的参数无关。由于是等容过程，热力方程就可以写为：
以上方程对等容过程是成立的，但当油箱中只是有限体积的混合气体发生燃烧，同时允许气体绝热膨胀时，上述模型就不适用了，此时可以假设仅有一部分Vx体积混合气体燃烧膨胀，将Vc中原有的一部分混合气体通过泡沫压入Vr中。在模型中引入Vx，如图3所示。等体积均匀分布的网泡材料将模型分隔成n个小室。某一小室中的一部分混合气体Vx发生燃烧反应，绝热膨胀为Vc体积，用以下方程描述：
3.2压力比与中空比率的关系
设模型中空体积所占的比率为，则：
( 8)式反映了压力变化与模型中空系数a、分隔出的小室数量n的关系。n反映了油箱中网泡填充结构的不同，所以压力变化和油箱内的泡沫填充结构有关。对不同的填充结构和填充比率的油箱，我们可以依据本文解决问题思路加以分析，将得到与(8)式类似的公式，可用于计算油箱内最终压力与初始压力的比值。
4.计算结果及结论
依据式（8），对某一可燃性混合气体的燃烧反应过程，比热比N和温升系数K确定后，计算结果曲线显示在图4中。
图中六条曲线从左至右分别显示了模型中小室数目n从6到1变化，压力比和中空系数a的关系。
以上的理论分析模型适用于理想气体绝热过程，未考虑流动阻力。分析中假设网泡材料无烧蚀，因此理论结果压力比偏低。总体上理论计算值与国外实弹打击油箱数据值吻合得很好，因此本理论模型对战斗机油箱填充网泡实弹打击试验方案设计和油箱结构设计有参考价值。
