6390含能破片对柴油箱的引燃破坏效应4

含能破片对柴油箱的引燃破坏效应

许化珍，李向东

（南京理工大学⋅机械学院，南京⋅210094）

摘要：针对普通破片对柴油箱的引燃破坏效果较差，为了开发针对油箱类目标的新型弹药，本文建立了含能破片击中油箱油层时，油箱内的油气浓度计算模型，分析破片对柴油箱的引燃效果，并用实验加以验证，研究表明：油箱内的油气浓度随破片速度的提高而降低；破片击中油层时，油箱内的油气浓度高于柴油的引燃极限浓度，油箱不能被引燃，破片对油箱的破坏方式，主要表现为水锤效应对油箱壳体的撕裂。 关键词：含能破片；冲击引燃；水锤效应；柴油箱 中图分类号：TJ411.7 文献标识码：A

The Investigation on Ignite Oil Box By Energetic fragments

XU Hua-zhen, LI Xiang-dong

(College of Mechanical Engineering, NUST, Nanjing 210094, China )

Abstract :Considering the common fragment is not very good to ignite diesel oil box,in order to develop new efficient ammunition, this paper set up a maths model,to calculate the concentration of diesel steam, analysis the ability of fragments to ignite oil box,and a experiment was did to check it. The results indicate that: with the velocity become faster, the concentration of diesel become lower; when the fragments impact on the liquid part of the oil box, the concentration of diesel steam higher than the flammability limits, the oil boxes were unignited; HYDRAULIC RAM was happened in the oil box, and the shell of oil box was destroyed. Keywords : Energenic fragments; impact ignites; HYDRAULIC RAM; oil box

引言

现代战争要求第一时间摧毁敌方目标，使其丧失战斗力，达到高效毁伤的目的，而针对燃料箱的攻击，正是实现飞机、车辆等高效毁伤的捷径，因此国内外学者

对此开展了大量研究工作[1][2][3][4][5][6]

。综合国内外文献资料的研究现状表明，目前针对燃料箱引燃机理的研究主要以实验方式为主，且实验多选取较易引燃的汽油、煤油为研究对象，针对柴油箱引燃的研究较少。本文以柴油为研究对象，建立破片撞击油箱时油气浓度计算模型，结合实验研究了含能破片对油箱引燃破坏效应，为新型弹药设计提供理论及实验支持。

1.破片对油箱壁的侵彻模型

破片对油箱的引燃是一个强制点燃的过程。其点燃的过程如下：首先破片穿透油箱壁，依靠燃烧剂燃烧提供的外加热量使油箱内的油蒸汽局部点火，使其发生燃烧反应，产生局部火焰，而后火焰加热并点燃相邻的油蒸汽，形成火焰传播，继而使油箱被点燃。

根据能量守恒计算破片对油箱壁的极限穿透条件，

得出极限穿透速度j v 【7】

。

3

1/22

j 41[()(1)]16s s s m b m m D v mD m m τφπτφ+=++⎧⎫⎨⎬⎩⎭

(1.1) d d

b b

d d b b

c c c c ρρφρρ+= (1.2)

21

4

s b m D b ρπ=

(1.3)

式中，,d d c ρ分别为破片材料密度及一维杆波速；

,b b c ρ分别为油箱壁材料密度及一维杆波速；m 为

破片的质量；s m 为撞击油箱壳体冲塞塞块的质量；

b 为油箱壳体厚度；τ为油箱壁材料的动剪切强度，通常取静剪切强度的2～3倍；D 为塞块的直径，约为破片直径d 的1.38倍。

当破片撞击油箱壁的速度0v 大于极限穿透速

度j v 时，则破片穿透油箱壁后仍以一定大小的速度

r v 向前运动，r v 被称为剩余速度。

221/2

0()

r j s

m v v v m m =-+ (1.4)

2.破片在油箱内的运动模型

破片以速度r v 进入油箱油层后，受到柴油液体的阻力，破片速度逐渐衰减。破片在油箱内所受阻力使其产生一个反向加速度，从而导致破片速度衰减，破片在油箱内所受的阻力F 为：

21

2

D F AC v ρ=

（2.1）

式中，A 为破片的横截面积，D C 为油液阻力系数，

ρ为油液密度，v 为破片在油箱油液内的速度。

则

21

2

D dv m

F AC v dt ρ=-=- （2.2）

对式（2.2）积分，根据0t =时r v v =，得破片在油液内的速度为：

22/D r

m

v AC t m v ρ=

+

（2.3）

把/v ds dt =代入式(2.2)化简得：

1

2

D dv m

AC ds v ρ=- （2.4）

对式（2.4）积分，根据0t =时0s =，得t 时刻破片在油液内的运动距离为：

2ln ln

2//2

r D r D m

m v m AC t m v s AC ρρ-+=

（2.5）

3.油箱内的油气浓度

3.1静止状态下油箱内油蒸汽的质量及含能破片在油箱内释放的热量值

破片撞击油箱前，油箱处在静止状态，一定温度和压强下封闭油箱内的柴油不断汽化，在分子脱离油液表面汽化过程中，同时伴随有分子回到液体中的凝结过程，当汽化和凝结处于动态平衡时，油箱内的油气浓度不在变化，油气处于饱和状态，此时的温度和压强被称为饱和温度和饱和压强，根据饱和温度和饱和压强的关系可求出此状态下的油气浓度。

常温、常压下油箱空气层气体可以当作理想气体处理，则根据理想气体状态方程有:

PV nRT = （3.1） 式中，0P 为大气压，

R 为通用气体常数8.31451 11()J mol K --⋅⋅，V 为油箱空气层体积，由下式给出

z y V V V =-

（3.2） 式中，z V 为油箱的总体积，y V 为油箱内柴油的体积。把式（3.2）代入（3.1）可得静止状态下油箱内气体物

质的摩尔量为

0()z y P V V n RT

-=

（3.3）

油气的摩尔量为：

11()

S z y P V V n RT

-=

（3.4）

式中，1S P 是温度为T 时柴油的饱和蒸汽压，则此时油箱空气层内柴油蒸汽的质量为：

11()S z y y y y P V V m n M M RT

-==))

（3.5）

式中，y M )

为柴油蒸汽的摩尔质量。 油箱内空气的摩尔量2n 为

010121()()()()

z y S z y S z y P V V P V V P P V V n n n RT RT RT

----=-=

-= （3.6） 则油箱中空气的质量为：

012()()S z y k k k P P V V m n M M RT

--==))

（3.7）

式中，k M )

为空气的摩尔质量。

破片内装药高度为h ，装药直径为d '；由式(2.5)可求出破片穿越油箱油层或穿越油气层所需要的时间t ，在时间t 内破片燃烧剂引燃的质量为j m ，则

22

/4/4r x x j r x v td v t h

m d h v t h

ρπρπ'⎧<=⎨'≥⎩ （3.8）

式中，x v 为燃烧剂燃烧的线速度，r ρ为燃烧剂密度。当破片速度较低时，忽略油箱壳体材料发生瞬

间剪切变形及破片应变所产生的热量，则在时间t 内燃烧剂燃烧释放的热能为：

r j Q C m = （3.9） 式中，r C 燃烧剂的燃烧热。

3.2破片穿透油箱壁进入油层时油

箱内的油气浓度

破片内含能材料为含氧化剂燃烧剂，破片穿透油箱壁进入油箱油层时，燃烧剂燃烧释放大量能量和高温炽热粒子，含能燃烧剂燃烧温度最高可达几千度，远远高于柴油的沸点，柴油迅速汽化形成许多小的气泡，如图1所示。忽略气泡在上升过程中与柴油的热交换，由于柴油不断吸热汽化，气泡在上升过程中逐渐涨大，最后气泡破裂油气进入油箱油气层。

图1油箱内柴油汽化图

设破片在穿越油层时汽化柴油的质量为q m ，则

()q y f q q Q m C T T m h =-+

(3.10)

柴油

油蒸汽泡 破片