含能破片对柴油箱的引燃破坏效应*

许化珍，李向东

（南京理工大学机械工程学院，南京 210094）

0 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［1－6］。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。文中以柴油为研究对象，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 vj［7］。

式中:ρd、cd分别为破片材料密度及一维杆波速;ρb、cb分别为油箱壁材料密度及一维杆波速;m为破片的质量;ms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v0大于极限穿透速度vj时，则破片穿透油箱壁后仍以一定大小的速度vr向前运动，vr被称为剩余速度。

2 破片在油箱内的运动模型

破片以速度vr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:

式中:A为破片的横截面积，CD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:

对式（6）积分，根据t=0时v=vr，得破片在油液内的速度为:

把v=ds/dt代入式（6）化简得:

对式（8）积分，根据t=0时s=0，得t时刻破片在油液内的运动距离为:

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再变化，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:

式中:P0为大气压;R为通用气体常数8.31451（J·mol－1·K－1）;V为油箱空气层体积。由下式给出:

式中:Vz为油箱的总体积;Vy为油箱内柴油的体积。把式（11）代入式（10）可得静止状态下油箱内气体物质的摩尔量为:

油气的摩尔量为:

式中，PS1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:

油箱内空气的摩尔量n2为:

则油箱中空气的质量为:

破片内装药高度为h，装药直径为d';由式（9）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mj，则:

式中:vx为燃烧剂燃烧的线速度;ρr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:

式中Cr为燃烧剂的燃烧热。

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mq，则:

式中:Cy为柴油的比热;Tf为柴油的沸点;hq为柴油的汽化热。

假设破片内燃烧剂释放的热量全部传递给了柴油，由式（18）和式（19）得:

则此时油箱油气层油蒸汽的总质量为:

则破片在穿越油层后，油箱内油蒸汽的摩尔量为

当破片穿透油箱壁，破片把大量空气带入油箱内，在柴油内形成一个气穴，空气的体积与破片的截面积、破片的运动速度及破片在油箱内的运动距离有关，破片进入油箱油层，在油箱内运动一段距离后，柴油会把破片在油箱壁上的穿孔堵塞，则空气停止进入油箱内，实验表明此段距离大致为破片直径的3倍，即:

则破片带进油箱的空气的摩尔量为:

则当破片穿透油箱壁进入油箱油层时，油箱内油气浓度为:

4 理论计算、实验现象与分析

4.1 理论计算

实验测得破片内燃烧剂燃烧的线速度为23m/s，引燃破片内燃烧剂的破片最低速度为801m/s。根据上述理论模型计算含能破片以不同速度撞击油箱时油箱内的油气浓度，如表1所示。

表1 破片速度变化时油箱内油气浓度值

由表1可绘出油箱内油气浓度随破片速度变化的曲线图，如图3所示。

分析:弹丸穿透油箱壁进入油箱油层，油箱内的油气浓度随弹丸速度的提高而降低，原因是:当弹丸速度提高时，其穿越油箱的时间相应降低，则燃烧剂在油箱内燃烧的时间减少，释放的能量也相应减少;且弹丸速度提高，其带入油箱的空气量增加，也进一步降低了油箱内的油气浓度;当破片速度逐渐提高，必须考虑油箱壳体材料发生瞬间剪切变形及破片高速应变所产生的热量，则柴油吸热挥发量增加，油箱内油气浓度提高。因为柴油被引燃的油气浓度极限为0.5% ～4.1%［8］，由表1知，破片撞击油箱油层，油箱内的油气浓度远高于柴油的引燃极限，根据理论计算可预测，破片击中油箱油层时，不能把柴油箱引燃。

图2 油气浓度随破片速度的变化曲线

4.2 实验现象与分析

图3 实验装置布置图

实验用14.5mm弹道枪发射圆柱形含能破片，破片质量为14g，内装高能燃烧剂;模拟油箱为柱形箱体，箱体前后用6mm 45#钢板夹持，用螺栓固定，模拟油箱内径为150mm，长为200mm;根据理论模型计算模拟油箱的极限穿透速度为357.8m/s。实验布置如图3所示，实验发射5枚破片。

当破片以不同速度击中油箱的油层时，观察的实验现象如表2所示。

表2 破片击中油层时的实验现象

图4 破片以838m/s撞击油箱时的实验现象

图5 破片以速度1083m/s撞击油箱油层的实验现象

图6 破片撞击油箱油层，水锤效应对油箱壳体的破坏

分析:由实验结果可知，破片击中油箱油层时不能使油箱引燃，实验现象如图4、图5所示，这和理论预测是一致的;破片击中油箱油层时发生水锤效应，油箱壁被撕裂，如图6所示。

5 结论

理论研究及实验结果表明:1）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，油箱内的油气浓度随破片速度的提高而降低;2）破片击中油箱的油层时，油箱内的油气浓度远高于柴油引燃极限上限，油箱不能被引燃;3）破片击中油箱油层时产生水锤效应，对油箱的破坏主要表现为对油箱壳体的撕裂。

［1］N A Moussa.The potential for fuel tank fireand hydrodynamic ram from uncontained aircraft engine debris DOT/FAA/AR －96/95［R］.1997.

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［4］谢长友，蒋建伟.复合反应破片对油料目标的毁伤效应研究［C］//战斗部与毁伤效率专业委员会第11届学术交流论文集，2009.

［5］王海福，刘宗伟.活性破片引燃引爆燃油实验研究［C］//战斗部与毁伤效率专业委员会第11届学术交流论文集，2009.

［6］肖统超，陈文.不同破片杀伤元对飞机油箱的毁伤试验研究［C］//战斗部与毁伤效率专业委员会第11届学术交流论文集，2009.

［7］赵国志.穿甲工程力学［M］.北京:兵器工业出版社，1992.

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