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(xiàn)代戰(zhàn)爭要求第一時間摧毀敵方目標，使其喪失戰(zhàn)斗力，達到高效毀傷的目的，而針對燃料箱的攻擊，正是實現(xiàn)飛機、車輛等高效毀傷的捷徑，因此國內(nèi)外學者對此開展了大量研究工作［1－6］。綜合國內(nèi)外文獻資料的研究現(xiàn)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(jié)合實驗研究了含能破片對油箱引燃破壞效應(yīng)，為新型彈藥設(shè)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(nèi)的油蒸汽局部點火，使其發(fā)生燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生局部火焰，而后火焰加熱并點燃相鄰的油蒸汽，形成火焰?zhèn)鞑?，繼而使油箱被點燃。根據(jù)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(zhì)量;ms為撞擊油箱殼體沖塞塞塊的質(zhì)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(nèi)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(nèi)所受阻力使其產(chǎn)生一個反向加速度，從而導致破片速度衰減，破片在油箱內(nèi)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(shù)，ρ為油液密度，v為破片在油箱油液內(nèi)的速度。

則:

對式（6）積分，根據(jù)t=0時v=vr，得破片在油液內(nèi)的速度為:

把v=ds/dt代入式（6）化簡得:

對式（8）積分，根據(jù)t=0時s=0，得t時刻破片在油液內(nèi)的運動距離為:

3 油箱內(nèi)的油氣濃度

3.1 靜止狀態(tài)下油箱內(nèi)油蒸汽的質(zhì)量及含能破片在油箱內(nèi)釋放的熱量值

破片撞擊油箱前，油箱處在靜止狀態(tài)，一定溫度和壓強下封閉油箱內(nèi)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(jié)過程，當汽化和凝結(jié)處于動態(tài)平衡時，油箱內(nèi)的油氣濃度不再變化，油氣處于飽和狀態(tài)，此時的溫度和壓強被稱為飽和溫度和飽和壓強，根據(jù)飽和溫度和飽和壓強的關(guān)系可求出此狀態(tài)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(jù)理想氣體狀態(tài)方程有:

式中:P0為大氣壓;R為通用氣體常數(shù)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(nèi)柴油的體積。把式（11）代入式（10）可得靜止狀態(tài)下油箱內(nèi)氣體物質(zhì)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(nèi)柴油蒸汽的質(zhì)量為:

油箱內(nèi)空氣的摩爾量n2為:

則油箱中空氣的質(zhì)量為:

破片內(nèi)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(nèi)破片燃燒劑引燃的質(zhì)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(fā)生瞬間剪切變形及破片應(yīng)變所產(chǎn)生的熱量，則在時間t內(nèi)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(nèi)的油氣濃度

破片內(nèi)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(nèi)柴油汽化圖

設(shè)破片在穿越油層時汽化柴油的質(zhì)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(shè)破片內(nèi)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(zhì)量為:

則破片在穿越油層后，油箱內(nèi)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(nèi)，在柴油內(nèi)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(nèi)的運動距離有關(guān)，破片進入油箱油層，在油箱內(nèi)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(nèi)，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(nèi)油氣濃度為:

4 理論計算、實驗現(xiàn)象與分析

4.1 理論計算

實驗測得破片內(nèi)燃燒劑燃燒的線速度為23m/s，引燃破片內(nèi)燃燒劑的破片最低速度為801m/s。根據(jù)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(nèi)的油氣濃度，如表1所示。

表1 破片速度變化時油箱內(nèi)油氣濃度值

由表1可繪出油箱內(nèi)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(nèi)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(yīng)降低，則燃燒劑在油箱內(nèi)燃燒的時間減少，釋放的能量也相應(yīng)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(nèi)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(fā)生瞬間剪切變形及破片高速應(yīng)變所產(chǎn)生的熱量，則柴油吸熱揮發(fā)量增加，油箱內(nèi)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(nèi)的油氣濃度遠高于柴油的引燃極限，根據(jù)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(xiàn)象與分析

圖3 實驗裝置布置圖

實驗用14.5mm彈道槍發(fā)射圓柱形含能破片，破片質(zhì)量為14g，內(nèi)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(nèi)徑為150mm，長為200mm;根據(jù)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(fā)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(xiàn)象如表2所示。

表2 破片擊中油層時的實驗現(xiàn)象

圖4 破片以838m/s撞擊油箱時的實驗現(xiàn)象

圖5 破片以速度1083m/s撞擊油箱油層的實驗現(xiàn)象

圖6 破片撞擊油箱油層，水錘效應(yīng)對油箱殼體的破壞

分析:由實驗結(jié)果可知，破片擊中油箱油層時不能使油箱引燃，實驗現(xiàn)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(fā)生水錘效應(yīng)，油箱壁被撕裂，如圖6所示。

5 結(jié)論

理論研究及實驗結(jié)果表明:1）破片速度較低時，忽略油箱殼體材料發(fā)生瞬間剪切變形及破片應(yīng)變所產(chǎn)生的熱量，油箱內(nèi)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(nèi)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(chǎn)生水錘效應(yīng)，對油箱的破壞主要表現(xiàn)為對油箱殼體的撕裂。

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

［6］肖統(tǒng)超，陳文.不同破片殺傷元對飛機油箱的毀傷試驗研究［C］//戰(zhàn)斗部與毀傷效率專業(yè)委員會第11屆學術(shù)交流論文集，2009.

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［8］劉聯(lián)勝.燃燒理論與技術(shù)［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2008.