艦載彈庫泄壓排導技術研究

周永存，張 宏

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

艦載彈庫泄壓排導技術研究

周永存，張 宏

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

通過對彈藥發(fā)生爆炸時的內部壓力流場進行分析，并分別針對彈藥爆炸及導彈意外點火時產生的爆壓進行探討，提出安全有效的泄壓排導措施；對泄壓排導裝置工作時的殼體強度、壓盤受力情況進行研究，并給出具體的計算與校核方法，為彈庫泄壓排導設計提供重要理論依據與技術支撐。

泄壓排導；艦載彈庫；爆炸流場；彈庫安全

0 引 言

艦載彈庫屬于高危場所，當貯存的彈藥由于意外情況發(fā)生爆炸時，會使庫內的壓力、溫度等迅速升高；導彈艙室中存放有大量不同種類導彈，當遭遇意外情況時，導彈發(fā)動機可能會點火工作，導彈意外點火時會產生大量高溫、高壓氣體，引起導彈艙室內的溫度和壓力迅速升高。彈庫內的過壓若不及時泄放出去，會對存放的彈藥、導彈及彈庫自身造成極大危害。因此，當彈庫內壓力升高到某一臨界壓力值時，必須采取有效措施將高溫高壓氣體泄放到大氣中，從而保護彈庫及艦艇的安全。

1 爆炸流場分析

彈藥爆炸后大多產物是氣體，由于其推進劑主要是由C，H，N，O等元素組成，爆炸產物中含有大量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驗或半經驗的狀態(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，應采用Viral形式的真實氣體狀態(tài)方程：

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

按照鋼球模型計算系數后，簡化的真實氣體狀態(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。

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，處于高溫高壓下的爆轟產物在空氣介質中迅速膨脹，其結果是在爆炸產物內產生反射波，而在空氣內形成沖擊波，壓縮周圍空氣使彈庫內的壓力急劇升高。一般認為，當爆炸產物停止膨脹往回運動時，空氣沖擊波就與爆炸產物脫離，并獨自向前傳播，即爆炸沖擊波，并由正壓區(qū)和負壓區(qū)兩部分組成，如圖1所示，正壓區(qū)是本文關注的重點。

2 爆壓分析

2.1 彈藥爆炸時產生的爆壓

對于C，H，N，O類型彈藥，其爆壓與裝藥密度、彈藥組分和化學反應熱密切相關，其爆壓的工程計算公式為：

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

式中：N為每克炸藥爆炸所形成氣體物質的量，mol/g；M為爆炸產物氣體組分的平均摩爾質量mol/g；Q為單位炸藥的化學反應熱，J/g。

但是，氮當量法認為，彈藥爆壓除與裝藥密度有關外，還與爆轟產物的組成有關，并且不同組分的爆轟產物其作用也不同。按此方法，爆壓的計算公式為：

式中：PH為爆壓，GPa；ρ0為彈藥裝藥密度，g/cm3；ΣN為炸藥氮當量。定義為100 g炸藥爆轟時各產物組分物質的量與其氮當量系數乘積之和，即

式中：ni為爆轟產物第i組分物質的量，mol；Ni為爆轟產物第i組分當量系數（見表1）。

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

另外，在氮當量法計算的基礎上，通過大量實測數據的處理，并考慮彈藥化學鍵和基團等因素的影響，數據可進一步修正。

2.2 導彈意外點火時的爆壓

導彈意外點火時，會在短時間內產生大量的氣體，這些氣體聚集在艙室內，產生比較大的壓力，本文重點分析泄壓排導裝置開啟之前的壓力。為便于計算，做如下假設以簡化計算模型：

1）從導彈發(fā)動機噴嘴噴出來的氣流和艙室中的空氣均勻地混合。

2）由于導彈發(fā)動機工作時間很短，氣體與艙壁和艙室中設備的熱交換小到忽略不計。

3）氣體從艙室中排出時不與外部介質做熱交換，即絕熱。

導彈意外點火時，氣體以近似聲速噴出，庫內壓力急劇升高，瞬間壓力可按下式計算：式中：P為瞬間壓力，MPa；P0為標準大氣壓，MPa；k為比熱比，由導彈自身特性決定。

3 泄壓排導裝置

通過上述分析不難看出，發(fā)生意外時彈庫內的產生的壓力十分危險，必須采取有效措施釋放過壓。泄壓排導裝置即為釋放彈庫過壓的專用設備，主要由殼體、壓盤及蓋子等組成，通常安裝于彈庫頂部，如圖3所示。泄壓排導裝置采用機械斷裂自動打開工作方式，彈庫內外壓差達到其設計開啟閾值時即自動開啟泄壓。

對于泄壓排導裝置而言，在規(guī)定范圍閾值內應能安全、可靠地打開泄壓，下面分別對泄壓排導裝置殼體強度及壓盤受力情況進行分析。

3.1 殼體強度校核

在彈庫內壓力升高時，其殼體可看作為均勻受力的圓筒。（見圖4）

1）殼體所能承受的臨界力：

式中：n為殼體加強筋的數量；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）殼體實際受力：

式中：k為動載荷系數，常數；P為泄壓排導裝置開啟時彈庫內壓力；S為殼體的表面積，按下式計算：

式中：R為殼體半徑，m；h為殼體受力部分高度，m。

3）強度分析

比較上述計算結果，Fj>F0時泄壓排導裝置的殼體強度滿足使用要求。

3.2 壓盤受力分析

在彈庫內壓力升高至泄壓排導裝置打開前，其壓盤承受來自彈庫內的作用力，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)，所以必須進行自由支承以及剛性固定2種方式的計算。

1）壓盤作為自由支撐的計算

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力（周邊）：

4 結 語

泄壓排導技術是保證彈庫安全的重要技術之一，它不僅可以應用于普通彈藥庫，還可以用于導彈彈庫；既能夠裝備于中小型艦艇，還可以裝備大型艦艇如航母等。本文首先對彈藥發(fā)生爆炸時的內部壓力流場進行分析，分別針對彈藥爆炸及導彈意外點火時產生的爆壓進行研究，并針對彈庫過壓提出了泄壓排導專用設備——泄壓排導裝置；最后對泄壓排導裝置工作時的殼體進行了強度校核，對其壓盤受力情況進行了計算分析，給出了泄壓排導裝置打開泄壓需要滿足的具體條件。通過本文介紹的計算方法，可以針對保護對象的彈藥特性進行具體的分析與計算，確定彈庫泄壓排導的相關技術參數，為解決彈庫安全設計中的泄壓排導課題提供了重要依據。

[1]李士軍, 賈空軍, 周永存, 等. 艦載導彈庫泄壓排氣理論[J]. 艦船科學技術, 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.

[2]張國偉, 韓勇, 茍瑞軍. 爆炸作用原理[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社. 2006.

[3]王惠民. 流體力學基礎[M]. 北京: 清華大學出版社. 2005.

[4]陸永紅, 鐘生新. 設計艦載導彈彈庫時應考慮的安全問題[J].艦船科學技術, 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，高級工程師，從事彈庫安全技術研究工作。