重型越野车燃油箱抑爆性能试验研究

樊紫馨，席文进，葛纪桃，蔡小波

重型越野车燃油箱抑爆性能试验研究

樊紫馨1，席文进1，葛纪桃2，蔡小波1

（1.陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200；2.中国人民解放军63969部队，江苏 南京 210002）

重型越野车辆普遍装载燃油来提供动力源，燃油箱担任储存燃油的任务，由于燃油具有特殊的物理性质，容易受到恶劣环境的影响，遇到明火后极易发生爆炸，对车辆防护安全提出了更高的要求。文章通过对合理加装抑爆材料的燃油箱进行理论分析，依据国家行业标准，制定出验证其防爆性能的试验方案，通过代表性的试验，论证了该重型越野车辆燃油箱的抑爆性能的优异，能够有效减少二次杀伤力，提高了装备和人员生存能力。

爆炸影响因素；抑爆材料选择；抑爆燃油箱性能试验

前言

具有杀伤能力的武器装备不断涌现，投射的炮弹引发的周围物件的燃烧随处可见，必须保证使用的车辆，在设计上能够满足降低简易爆炸装置爆炸及其附带毁伤对车辆造成的影响，这就给车辆燃油箱的防护安全增加了难度。

1 燃油箱爆炸的基本要素

燃油箱及其周围环境极易满足燃烧爆炸的3个基本要素：燃油（燃料）、氧气（助燃剂）、点火源[1]。

（1）第一个基本要素是燃油。燃油箱中液体燃料是必不可少的，一般常用的是汽油和柴油，重型越野车辆由于其需要承载较大质量的装备，采用柴油较为普遍。为了避免燃油的燃烧，冷却燃油使其达不到所需燃点进而阻止它的燃烧，但是这种构想难以实施。

（2）第二个基本要素是氧气，作为一种助燃剂而存在，完全隔绝氧气也难以实施。燃油蒸气在燃油箱空余空间中的浓度与蒸气压有关，而蒸气压P是温度的函数，如式（1）：

P=1(−2/) （1）

式中：1，2为系数，与燃油类型有关[2-3]。

上述公式给出了可燃蒸气浓度与蒸汽压及温度之间的关系，可知，随着升高，P相应增大，可燃蒸气的浓度也会随之增加[4]。

（3）第三个基本要素是点火源，中断、隔绝点火源可以避免燃烧。针对燃油箱，现代重型车辆大部分给燃油箱四周设计一圈钢板或者不容易燃烧的材料，阻挡燃油箱与火源的联系，这种方案带来的问题是整车的质量很大，轻便性很差，机动性等都受到影响，燃料的加注不方便，不便于燃油箱的后期维修。

经过比较分析，针对重型车辆燃油箱使用特点，抑制燃油箱内点火源相对比较容易，最便捷有效的途径是填充抑爆材料，当车辆的燃油箱遇到枪击或弹片袭击，发生破损漏油且遇到明火时，此燃油箱具有防止爆炸的作用，以提高人员的生存性。抑爆材料的填充一方面可以有效减小燃油箱的空余空间，一方面可以有效减小燃油箱内的点火源。

2 抑爆材料选择

已经应用到国内燃油箱内的抑爆材料总共有三种，具体作如下介绍。

2.1 镁铝合金（蜂窝铝）抑爆材料

图1所示为镁铝合金抑爆材料，简称蜂窝铝，该材料通常是卷曲状或层状的蜂窝形结构，填充工艺通常采用两种方式，一种将铝合金抑爆材料卷制成小球状，由油箱加油口直接加入；另一种是将铝合金抑爆材料拉丝后卷成圆筒状，外层再套上不锈钢防护网。在油箱加工阶段将圆筒状的抑爆材料逐一堆砌安装到油箱内，异形结构无法装填。

图1 镁铝合金（蜂窝铝）抑爆材料

2.2 非金属球型阻隔防爆材料

图2所示为非金属球型阻隔防爆材料，该防爆材料为30 mm的小球，小球通过很多片状物质搭建而成，机械强度优良，不容易变形，材料具有良好的填充性能，可以实现油箱和油罐的自动化填装和卸出，具有非常良好的工程安装体验。对于内部无结构的油箱，塑料小球直接装填方便，效率高，但对于需要绕开内部管线及传感器的油箱，需要改变油箱内部结构，加装分隔支撑构件。

图2 非金属球型阻隔防爆材料

2.3 非金属阻隔防爆材料

非金属阻隔防爆材料又叫发泡型阻隔防爆材料，按制造材质的不同分成聚醚型聚氨酯和聚酯型聚氨酯两大类，聚酯型聚氨酯网状泡沫力学强度高，耐油性好，电性能略低，聚醚型聚氨酯网状泡沫还具有弹性好、回弹高等优良力学性能。重量比较轻，能够减少因为燃油晃动而产生的摩擦静电，可以在高温、潮湿的环境下使用，使用寿命可以长达15年，可以制作成各种形状进行油箱填充，比较常见的是球状和块状，如图3。

图3 块状聚氨酯

2.4 抑爆材料的选择和装填

本重型越野车燃油箱容积为400 L，纵截面四个边为半径R2 000的圆弧，结构相对规整，由于镁铝合金材料的球形抑爆材料或者卷曲成圆筒状均不容易固定，非金属球型阻隔防爆材料数量难精确。本燃油箱结构类似长方形便于安装固定，最终采用块状聚氨酯泡沫抑爆材料。

3 燃油箱抑爆性能试验

3.1 抑爆燃油箱性能试验项目选择

2015年发布的GJB8455—2015《军用油箱油罐填充用阻隔防爆材料通用规范》，国内交通运输部门于2016年4月发布了相关安全技术规范JT/T 1046—2016《道路运输车辆油箱及液体燃料运输罐体阻隔防爆安全技术要求》，以上两个规范均是针对阻隔防爆材料给出了试验方法和结果验证方法。

其中GJB8455—2015《军用油箱油罐填充用阻隔防爆材料通用规范》针对抑爆材料推荐的检验方法包括：有效容积降低率，燃烧性能，体积电阻率，振动耐久性试验，相容性试验；试验项目包括：静爆试验，杀爆燃弹动爆试验，破甲战斗部穿深试验[5]。JT/T 1046—2016《道路运输车辆油箱及液体燃料运输罐体阻隔防爆安全技术要求》针对抑爆材料推荐的检验方法包括：容积降低率测试方法，相容性试验方法，振动试验方法，燃爆增压试验方法；试验项目包括：静爆试验方法，烤燃试验方法，破甲战斗部穿透试验方法[6]。

比较两个标准法规得知，针对抑爆材料的性能，共同的试验项目有：静爆试验和破甲战斗部穿透试验。然而针对抑爆燃油箱整体性能的验证方法暂时还没有相关标准，由于本文研究对象是填装了抑爆材料的400 L燃油箱，故应对燃油箱整体进行防爆性能的测试。结合本抑爆燃油箱使用的环境条件，借鉴了上述两个规范中试验项目的设计思路，最终选择了三个有代表性的试验：第一个是两个标准共有的破甲战斗部穿透试验，第二个是JT/T 1046—2016要求的烤燃试验，第三个试验是根据业内经验，针对燃油箱整体，增加了穿甲燃烧弹射击试验。

上述三个试验的编写中，借鉴了其中的准备工作、试验步骤以及试验结果分析方法，最终燃油箱试验项目如表1。

表1 抑爆燃油箱试验项目

序号试验项目试验内容合格依据 1烤燃试验在抑爆燃油箱外部施加明火，对油箱进行烘烤试验容器内液体燃料不发生二次爆炸则视为合格 2破甲战斗部穿透试验用40 mm火箭弹破甲战斗部引爆后形成的金属射流穿透抑爆油箱，观察其二次爆炸情况试验容器中的油气爆炸高温区持续时间降低率不低于80%则视为合格 3穿甲燃烧弹射击试验用12.7 mm穿甲燃烧弹打击抑爆燃油箱，模拟枪击试验抑爆燃油箱不发生爆炸则视为合格

由于烤燃试验和破甲战斗部穿透试验标准可查，试验方法不作详细介绍，针对穿甲燃烧弹射击试验进行详细描述。

3.2 烤燃试验数据及结论

在填装有抑爆材料的油箱外部施加明火，考核抑爆燃油箱的耐受能力和对油气爆炸的控制能力。图4为三次平行试验中抑爆燃油箱a得到的温度随时间变化趋势曲线，抑爆燃油箱在整个烤燃过程中发生熔化现象。

图4 烤燃过程中温度随时间变化趋势曲线

从图中可以看到，三次平行试验，开始温度急剧上升，持续一段时间后呈阶梯状下降，抑爆燃油箱内部的柴油泄漏燃烧，整个过程，肉眼看到抑爆燃油箱未发生瞬间解体，红外热成像仪记录的温度场曲线未见明显突跃，验证板也保持完好状态，压力传感器未触发（触发压力设置为0.05 MPa）。由于抑爆燃油箱内柴油未发生二次爆炸，表明该抑爆燃油箱合格。

3.3 破甲战斗部穿透试验数据及结论

图5 抑爆燃油箱d和非抑爆燃油箱h温度随时间变化趋势曲线

在填装有抑爆材料的油箱外部引爆40 mm火箭弹破甲战斗部，实现静态破甲穿透，考核抑爆燃油箱对油气二次爆炸的控制能力。装填抑爆材料的d，e，f油箱在破甲战斗部爆炸后火焰迅速变小，在300 ms时油箱周围的火焰基本熄灭。而未装填抑爆材料的h，i，j油箱蒸气在被破甲战斗部引燃后，火球迅速增大，且持续时间长。

对红外温度场数据进行处理和分析，得到每发试验的温度随时间变化过程以及每发试验的高温持续时间（大于1 000 ℃），如图5看出，未装填抑爆材料的燃油箱火球和高温持续时间明显大于装填抑爆材料的燃油箱，这一结果与高速观测到的现象一致。装填抑爆材料的燃油箱试验后外观状态良好，而未装填抑爆材料的燃油箱已经出现变形，过大的热量对燃油箱造成了一定的损害。

综合高速摄像、红外热成像和对试验后油箱样品的测试结果可以判断，填装抑爆材料的油箱未发生油气二次爆炸。填装抑爆材料的油箱对比空白油箱可显著降低爆炸冲击压力和燃油箱的变形损坏，试验结果合格。

3.4 穿甲燃烧弹射击试验

用12.7 mm穿甲燃烧弹打击抑爆燃油箱模拟战时油箱被攻击情况。考核抑爆燃油箱受到小口径武器动态攻击后，抑爆燃油箱对油气爆炸的控制能力。

3.4.1 试验设备、试验材料

（1）高速摄像机：采集速度不低于1 000帧/秒；（2）红外摄像机：采集速度不低于1 000帧/秒；（3）射击用枪：采用重机枪发射12.7 mm穿甲燃烧弹；（4）受弹钢板：宽度1 020 mm，高度1 800 mm，厚度20 mm。

3.4.2 试验方法

本试验准备了一个抑爆燃油箱g加注200 L 0号柴油静置24小时；其中受弹钢板放在抑爆燃油箱后侧500 mm处，高速摄像机布置在距离爆炸中心25 m位置；在抑爆燃油箱正前方100 m处对抑爆燃油箱中部进行射击，开启高速摄像机和红外摄像机。

3.4.3 试验数据及结论

图6是红外成像得到的温度趋势曲线，抑爆燃油箱受到穿甲弹打击后油箱中心温度较低，最高温度达776 ℃，击穿孔径为4 cm，高温持续时间很短，表明穿甲燃烧弹打击没有引爆燃油箱。

试验结果表明，填装有抑爆材料的受试油箱受到12.7 mm穿甲燃烧弹动态攻击后，油箱未发生爆炸现象，试验结果合格。

图6 穿甲燃烧弹打击试验红外成像趋势图

4 抑爆燃油箱抑爆能力结论

（1）本重型越野车装载的400 L铝合金抑爆燃油箱采用铝合金材料，不仅质量轻，而且强度优异，承受高强度的外部打击，变形量不大。

（2）通过上述三个具有代表性的试验，验证了填充聚氨酯抑爆材料后，燃油箱的二次爆炸受到了明显的抑制作用，燃油箱中的网状聚氨酯抑爆材料可以阻止点火源的快速蔓延，很大程度上降低了油气混合造成的爆炸，证明了该重型越野汽车装载的400 L抑爆燃油箱抑爆性能优异。

（3）本试验只选取了一种容积的燃油箱，具有一定的局限性，后期需要对各种变量进行后续研究。

[1] 张欲晓,樊尚春.民用飞机燃油油箱的防爆方法[C]//大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会2007年年会论文集,2007.

[2] Woodrow J E.The laboratory characterization of ARCO jet fu—el vapor and liquid[J].Energy Fuels,2003,17(1):216-224.

[3] SAE.Handbook of Aviation Fuel Properties[M].USA:Society of Au- tomotive Engineers,1983.

[4] 李杰,吴晓莉,赵闯,等.降低飞机燃油箱可燃蒸气浓度的设计方法研究[J].机械设计,2015,32(1):144-146.

[5] 中国人民解放军总装备部.油箱油罐填充用阻隔防爆材料通用规范:GJB 8455—2015[S].北京:中国标准出版社,2015.

[6] 交通运输部公路科学研究院.路运输车辆油箱及液体燃料运输罐体阻隔防爆安全技术要求:JT/T 1046—2016[S].北京:中国标准出版社,2016.

Experimental Study on Explosion-proof Fuel Tank of a Heavy Off-road Vehicle

FAN Zixin1, XI Wenjin1, GE Jitao2, CAI Xiaobo1

( 1.Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200; 2.Chinese People's Liberation Army 63969 Troops, Jiangsu Nanjing 210002 )

Heavy off-road vehicles are commonly loaded with liquid fuel,the fuel tank is responsible for storing fuel,due to special physical properties of liquid fuel,susceptible to the harsh environment,easy to explode when face to open flame,put forward higher requirements for vehicle safety.The paper by doing theoretical analysis to fuel tank which reasonable filling of explosion-proof,according to national industry standards,develops a test plan to verify its explosion-proof performance.Demonstrating the excellent explosion performance of the fuel tank of the heavy off-road vehicle through representative test,which could effectively reduce secondary lethality,improves on-site survivability of equipment and personnel.

Explosion factor; Explosion-proof material selection; Explosion-proof fuel tank test

U464.136+.5

A

1671-7988(2021)20-129-04

U464.136+.5

A

1671-7988(2021)20-129-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.032

樊紫馨，就职于陕西重型汽车有限公司。