燃油箱中空充填網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狀聚氨酯泡沫材料抑爆原理，推導出燃油箱內混合氣體燃燒反應終壓計算公式。可用于計算不同中空比率油箱最終壓力。
0 概況
網狀聚氨酯泡沫（以下稱“網泡”）材料是由普通開孔的柔性聚氨酯泡沫材料經網化處理而成，微觀結構是五邊形十二面體，面與面的交線稱為經絡，經絡間面膜經網化處理后消失，形成整體上的立體骨架結構。
目前美國等國家生產的多種類型的網泡材料，具有97％以上的空隙，精確的孔隙率，優良的機械性能，較低的密度和燃油保留量，優良的抗靜電性能和火焰萃熄等功能，作為防火抑爆材料，可用于戰斗機燃油系統防火抑爆，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-15s、F-18s戰斗機，俄羅斯在蘇-27戰斗機上都在使用。實際上，網狀泡沫材料可用于任何可能存在爆炸危險的油箱、儲罐內。
1 飛機燃油箱的火災危險性
油箱內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，這種鏈式反應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，最終將導致油箱爆炸。網狀聚氨酯泡沫用于填充戰斗機油箱，能夠防止燃油箱內混合氣體災難性爆炸的發生。
2 填充方式
有兩種經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，但增加的網泡質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部正壓載荷。兩種方法各有優劣。圖1為燃油箱中空填充網泡的結構形式。
當油箱中采用中空方式充填網泡時，油箱局部無網泡區仍然有起火的可能，但火焰并不能在油箱整個的油氣混合區傳播。在火焰熄滅后，油箱內的壓力會有所上升，油箱的中空比率和填充結構是油箱內最終壓力高低的主要影響因素。下文分析中空填充網泡的抑爆原理。
3.中空充填網狀聚氨酯泡沫抑爆原理
3.1 壓力比的推導
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，在燃油的液面之上存在燃油和空氣的爆炸性混合氣體。當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混氣體，形成一個新的燃燒波面；如此下去，空間中的預混氣全部被點燃。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變化很小或基本無變化，有下式成立：
式中下標1、2分別表示油箱內氣體的初態和末態。對于大多數的碳氫燃料和空氣的混合物，化學計量混合時的 T2/T1的比率一般為7.7~8.2，而與模型中其他的參數無關。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，但當油箱中只是有限體積的混合氣體發生燃燒，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發生燃燒反應，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系
設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a、分隔出的小室數量n的關系。n反映了油箱中網泡填充結構的不同，所以壓力變化和油箱內的泡沫填充結構有關。對不同的填充結構和填充比率的油箱，我們可以依據本文解決問題思路加以分析，將得到與(8)式類似的公式，可用于計算油箱內最終壓力與初始壓力的比值。
4.計算結果及結論
依據式（8），對某一可燃性混合氣體的燃燒反應過程，比熱比N和溫升系數K確定后，計算結果曲線顯示在圖4中。
圖中六條曲線從左至右分別顯示了模型中小室數目n從6到1變化，壓力比和中空系數a的關系。
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。分析中假設網泡材料無燒蝕，因此理論結果壓力比偏低。總體上理論計算值與國外實彈打擊油箱數據值吻合得很好，因此本理論模型對戰斗機油箱填充網泡實彈打擊試驗方案設計和油箱結構設計有參考價值。
