周永存，張 宏

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

艦載彈庫(kù)泄壓排導(dǎo)技術(shù)研究

周永存，張 宏

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

通過(guò)對(duì)彈藥發(fā)生爆炸時(shí)的內(nèi)部壓力流場(chǎng)進(jìn)行分析，并分別針對(duì)彈藥爆炸及導(dǎo)彈意外點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生的爆壓進(jìn)行探討，提出安全有效的泄壓排導(dǎo)措施；對(duì)泄壓排導(dǎo)裝置工作時(shí)的殼體強(qiáng)度、壓盤受力情況進(jìn)行研究，并給出具體的計(jì)算與校核方法，為彈庫(kù)泄壓排導(dǎo)設(shè)計(jì)提供重要理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

泄壓排導(dǎo)；艦載彈庫(kù)；爆炸流場(chǎng)；彈庫(kù)安全

0 引 言

艦載彈庫(kù)屬于高危場(chǎng)所，當(dāng)貯存的彈藥由于意外情況發(fā)生爆炸時(shí)，會(huì)使庫(kù)內(nèi)的壓力、溫度等迅速升高；導(dǎo)彈艙室中存放有大量不同種類導(dǎo)彈，當(dāng)遭遇意外情況時(shí)，導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)點(diǎn)火工作，導(dǎo)彈意外點(diǎn)火時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量高溫、高壓氣體，引起導(dǎo)彈艙室內(nèi)的溫度和壓力迅速升高。彈庫(kù)內(nèi)的過(guò)壓若不及時(shí)泄放出去，會(huì)對(duì)存放的彈藥、導(dǎo)彈及彈庫(kù)自身造成極大危害。因此，當(dāng)彈庫(kù)內(nèi)壓力升高到某一臨界壓力值時(shí)，必須采取有效措施將高溫高壓氣體泄放到大氣中，從而保護(hù)彈庫(kù)及艦艇的安全。

1 爆炸流場(chǎng)分析

彈藥爆炸后大多產(chǎn)物是氣體，由于其推進(jìn)劑主要是由C，H，N，O等元素組成，爆炸產(chǎn)物中含有大量H2，CO等氣體成分，該混合氣體與一般空氣有一定區(qū)別，并處于高溫、高壓、高密度狀態(tài)，單純從理論上建立氣體狀態(tài)方程頗為困難，因此要采用近似模型建立經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)方程。

爆炸后的氣體成分比較稠密，必須考慮分子間的作用力，應(yīng)采用Viral形式的真實(shí)氣體狀態(tài)方程：

式中B（T），C（T），D（T）分別為第2、第3、第4 Viral系數(shù)，均為溫度函數(shù)。

按照鋼球模型計(jì)算系數(shù)后，簡(jiǎn)化的真實(shí)氣體狀態(tài)方程為：

式中：Vm為氣體摩爾體積；b為鋼球分子體積的4倍乘以阿伏加德羅常數(shù)。

在高溫下，分子間引力為次要因素，因此上式是一種較好的爆炸氣體狀態(tài)方程。

彈藥在空氣中爆炸時(shí)，處于高溫高壓下的爆轟產(chǎn)物在空氣介質(zhì)中迅速膨脹，其結(jié)果是在爆炸產(chǎn)物內(nèi)產(chǎn)生反射波，而在空氣內(nèi)形成沖擊波，壓縮周圍空氣使彈庫(kù)內(nèi)的壓力急劇升高。一般認(rèn)為，當(dāng)爆炸產(chǎn)物停止膨脹往回運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣沖擊波就與爆炸產(chǎn)物脫離，并獨(dú)自向前傳播，即爆炸沖擊波，并由正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)兩部分組成，如圖1所示，正壓區(qū)是本文關(guān)注的重點(diǎn)。

2 爆壓分析

2.1 彈藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的爆壓

對(duì)于C，H，N，O類型彈藥，其爆壓與裝藥密度、彈藥組分和化學(xué)反應(yīng)熱密切相關(guān)，其爆壓的工程計(jì)算公式為：

式中：PH為爆壓，GPa；ρ0為彈藥裝藥密度，g/cm3；φ為彈藥特性值，按下式計(jì)算：

式中：N為每克炸藥爆炸所形成氣體物質(zhì)的量，mol/g；M為爆炸產(chǎn)物氣體組分的平均摩爾質(zhì)量mol/g；Q為單位炸藥的化學(xué)反應(yīng)熱，J/g。

但是，氮當(dāng)量法認(rèn)為，彈藥爆壓除與裝藥密度有關(guān)外，還與爆轟產(chǎn)物的組成有關(guān)，并且不同組分的爆轟產(chǎn)物其作用也不同。按此方法，爆壓的計(jì)算公式為：

式中：PH為爆壓，GPa；ρ0為彈藥裝藥密度，g/cm3；ΣN為炸藥氮當(dāng)量。定義為100 g炸藥爆轟時(shí)各產(chǎn)物組分物質(zhì)的量與其氮當(dāng)量系數(shù)乘積之和，即

式中：ni為爆轟產(chǎn)物第i組分物質(zhì)的量，mol；Ni為爆轟產(chǎn)物第i組分當(dāng)量系數(shù)（見(jiàn)表1）。

表 1 爆轟產(chǎn)物的氮當(dāng)量系數(shù)（N2為1.0）Tab. 1 The N2equivalence quotiety of blast offspring

另外，在氮當(dāng)量法計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，并考慮彈藥化學(xué)鍵和基團(tuán)等因素的影響，數(shù)據(jù)可進(jìn)一步修正。

2.2 導(dǎo)彈意外點(diǎn)火時(shí)的爆壓

導(dǎo)彈意外點(diǎn)火時(shí)，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的氣體，這些氣體聚集在艙室內(nèi)，產(chǎn)生比較大的壓力，本文重點(diǎn)分析泄壓排導(dǎo)裝置開啟之前的壓力。為便于計(jì)算，做如下假設(shè)以簡(jiǎn)化計(jì)算模型：

1）從導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴噴出來(lái)的氣流和艙室中的空氣均勻地混合。

2）由于導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間很短，氣體與艙壁和艙室中設(shè)備的熱交換小到忽略不計(jì)。

3）氣體從艙室中排出時(shí)不與外部介質(zhì)做熱交換，即絕熱。

導(dǎo)彈意外點(diǎn)火時(shí)，氣體以近似聲速噴出，庫(kù)內(nèi)壓力急劇升高，瞬間壓力可按下式計(jì)算：式中：P為瞬間壓力，MPa；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，MPa；k為比熱比，由導(dǎo)彈自身特性決定。

3 泄壓排導(dǎo)裝置

通過(guò)上述分析不難看出，發(fā)生意外時(shí)彈庫(kù)內(nèi)的產(chǎn)生的壓力十分危險(xiǎn)，必須采取有效措施釋放過(guò)壓。泄壓排導(dǎo)裝置即為釋放彈庫(kù)過(guò)壓的專用設(shè)備，主要由殼體、壓盤及蓋子等組成，通常安裝于彈庫(kù)頂部，如圖3所示。泄壓排導(dǎo)裝置采用機(jī)械斷裂自動(dòng)打開工作方式，彈庫(kù)內(nèi)外壓差達(dá)到其設(shè)計(jì)開啟閾值時(shí)即自動(dòng)開啟泄壓。

對(duì)于泄壓排導(dǎo)裝置而言，在規(guī)定范圍閾值內(nèi)應(yīng)能安全、可靠地打開泄壓，下面分別對(duì)泄壓排導(dǎo)裝置殼體強(qiáng)度及壓盤受力情況進(jìn)行分析。

3.1 殼體強(qiáng)度校核

在彈庫(kù)內(nèi)壓力升高時(shí)，其殼體可看作為均勻受力的圓筒。（見(jiàn)圖4）

1）殼體所能承受的臨界力：

式中：n為殼體加強(qiáng)筋的數(shù)量；E為壓盤彈性膜量，GPa；t為殼體壁厚，m；μ為泊松比；R為殼體半徑，m。

極限容許臨界力：

2）殼體實(shí)際受力：

式中：k為動(dòng)載荷系數(shù)，常數(shù)；P為泄壓排導(dǎo)裝置開啟時(shí)彈庫(kù)內(nèi)壓力；S為殼體的表面積，按下式計(jì)算：

式中：R為殼體半徑，m；h為殼體受力部分高度，m。

3）強(qiáng)度分析

比較上述計(jì)算結(jié)果，F(xiàn)j>F0時(shí)泄壓排導(dǎo)裝置的殼體強(qiáng)度滿足使用要求。

3.2 壓盤受力分析

在彈庫(kù)內(nèi)壓力升高至泄壓排導(dǎo)裝置打開前，其壓盤承受來(lái)自彈庫(kù)內(nèi)的作用力，其受力情況介于自由支承和剛性固定之間且載荷沿所有面均勻分布的狀態(tài)，所以必須進(jìn)行自由支承以及剛性固定2種方式的計(jì)算。

1）壓盤作為自由支撐的計(jì)算

載荷沿壓盤均勻分布，如圖5所示。

壓盤中心撓度:

式中：p為作用在壓盤上的均布載荷，MPa；R為壓盤半徑，m；E為壓盤彈性膜量，kPa；h為壓盤厚度，m。

作用在壓盤上的最大應(yīng)力（中心）：

式中：p為作用在壓盤上的均布載荷，MPa；R為壓盤半徑，m；h為壓盤厚度，m。

2）壓盤作為剛性固定的計(jì)算

載荷沿壓盤均勻分布，如圖6所示。

壓盤中心撓度：

式中r為壓盤半徑（不含其嵌入部分），m。

作用在壓盤上的最大應(yīng)力（周邊）：

4 結(jié) 語(yǔ)

泄壓排導(dǎo)技術(shù)是保證彈庫(kù)安全的重要技術(shù)之一，它不僅可以應(yīng)用于普通彈藥庫(kù)，還可以用于導(dǎo)彈彈庫(kù)；既能夠裝備于中小型艦艇，還可以裝備大型艦艇如航母等。本文首先對(duì)彈藥發(fā)生爆炸時(shí)的內(nèi)部壓力流場(chǎng)進(jìn)行分析，分別針對(duì)彈藥爆炸及導(dǎo)彈意外點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生的爆壓進(jìn)行研究，并針對(duì)彈庫(kù)過(guò)壓提出了泄壓排導(dǎo)專用設(shè)備——泄壓排導(dǎo)裝置；最后對(duì)泄壓排導(dǎo)裝置工作時(shí)的殼體進(jìn)行了強(qiáng)度校核，對(duì)其壓盤受力情況進(jìn)行了計(jì)算分析，給出了泄壓排導(dǎo)裝置打開泄壓需要滿足的具體條件。通過(guò)本文介紹的計(jì)算方法，可以針對(duì)保護(hù)對(duì)象的彈藥特性進(jìn)行具體的分析與計(jì)算，確定彈庫(kù)泄壓排導(dǎo)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，為解決彈庫(kù)安全設(shè)計(jì)中的泄壓排導(dǎo)課題提供了重要依據(jù)。

[1]李士軍, 賈空軍, 周永存, 等. 艦載導(dǎo)彈庫(kù)泄壓排氣理論[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2015, 37(1): 89–91. LI Shi-jun, JIA Kong-jun, ZHOU Yong-cun, et al. Theoretical study on deflation process of ammunition depot of warship[J]. Ship Science and Technology, 2015, 37(1): 89–91.

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[4]陸永紅, 鐘生新. 設(shè)計(jì)艦載導(dǎo)彈彈庫(kù)時(shí)應(yīng)考慮的安全問(wèn)題[J].艦船科學(xué)技術(shù), 2004, 26(2): 34–36. LU Yong-hong, ZHONG Sheng-xin. Safety questions tobe considered while designing shipborne missiles depot[J]. Ship Science and Technology, 2004, 26(2): 34–36.

Research on the exhaust system of warship magazine

ZHOU Yong-cun, ZHANG Hong
(The 713 Research Institute of CSIC, Zhengzhou 450015, China)

Based on the analyzing of the flow field inside magazine due to an accident, the blast pressure of multiform ammunition and the missile engine blasting suddenly are discussed. According to above conditions, the credible exhaust system is presented. When the exhaust system device works, calculating methods for the body intensity and platen are detailedly studied on.This provides very important theoretical basis for the exhaust system of warship magazine.

exhaust system；warship magazine；blast flow field；safety of magazine

TJ83

A

1672 – 7649(2017)07 – 0137 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.07.029

2017 – 04 – 27

周永存(1974 – )，男，高級(jí)工程師，從事彈庫(kù)安全技術(shù)研究工作。