舰载弹库泄压排导技术研究

周永存，张 宏

(中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015)

舰载弹库泄压排导技术研究

周永存，张 宏

(中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015)

通过对弹药发生爆炸时的内部压力流场进行分析，并分别针对弹药爆炸及导弹意外点火时产生的爆压进行探讨，提出安全有效的泄压排导措施；对泄压排导装置工作时的壳体强度、压盘受力情况进行研究，并给出具体的计算与校核方法，为弹库泄压排导设计提供重要理论依据与技术支撑。

泄压排导；舰载弹库；爆炸流场；弹库安全

0 引 言

舰载弹库属于高危场所，当贮存的弹药由于意外情况发生爆炸时，会使库内的压力、温度等迅速升高；导弹舱室中存放有大量不同种类导弹，当遭遇意外情况时，导弹发动机可能会点火工作，导弹意外点火时会产生大量高温、高压气体，引起导弹舱室内的温度和压力迅速升高。弹库内的过压若不及时泄放出去，会对存放的弹药、导弹及弹库自身造成极大危害。因此，当弹库内压力升高到某一临界压力值时，必须采取有效措施将高温高压气体泄放到大气中，从而保护弹库及舰艇的安全。

1 爆炸流场分析

弹药爆炸后大多产物是气体，由于其推进剂主要是由C，H，N，O等元素组成，爆炸产物中含有大量H2，CO等气体成分，该混合气体与一般空气有一定区别，并处于高温、高压、高密度状态，单纯从理论上建立气体状态方程颇为困难，因此要采用近似模型建立经验或半经验的状态方程。

爆炸后的气体成分比较稠密，必须考虑分子间的作用力，应采用Viral形式的真实气体状态方程：

式中B（T），C（T），D（T）分别为第2、第3、第4 Viral系数，均为温度函数。

按照钢球模型计算系数后，简化的真实气体状态方程为：

式中：Vm为气体摩尔体积；b为钢球分子体积的4倍乘以阿伏加德罗常数。

在高温下，分子间引力为次要因素，因此上式是一种较好的爆炸气体状态方程。

弹药在空气中爆炸时，处于高温高压下的爆轰产物在空气介质中迅速膨胀，其结果是在爆炸产物内产生反射波，而在空气内形成冲击波，压缩周围空气使弹库内的压力急剧升高。一般认为，当爆炸产物停止膨胀往回运动时，空气冲击波就与爆炸产物脱离，并独自向前传播，即爆炸冲击波，并由正压区和负压区两部分组成，如图1所示，正压区是本文关注的重点。

2 爆压分析

2.1 弹药爆炸时产生的爆压

对于C，H，N，O类型弹药，其爆压与装药密度、弹药组分和化学反应热密切相关，其爆压的工程计算公式为：

式中：PH为爆压，GPa；ρ0为弹药装药密度，g/cm3；φ为弹药特性值，按下式计算：

式中：N为每克炸药爆炸所形成气体物质的量，mol/g；M为爆炸产物气体组分的平均摩尔质量mol/g；Q为单位炸药的化学反应热，J/g。

但是，氮当量法认为，弹药爆压除与装药密度有关外，还与爆轰产物的组成有关，并且不同组分的爆轰产物其作用也不同。按此方法，爆压的计算公式为：

式中：PH为爆压，GPa；ρ0为弹药装药密度，g/cm3；ΣN为炸药氮当量。定义为100 g炸药爆轰时各产物组分物质的量与其氮当量系数乘积之和，即

式中：ni为爆轰产物第i组分物质的量，mol；Ni为爆轰产物第i组分当量系数（见表1）。

表 1 爆轰产物的氮当量系数（N2为1.0）Tab. 1 The N2equivalence quotiety of blast offspring

另外，在氮当量法计算的基础上，通过大量实测数据的处理，并考虑弹药化学键和基团等因素的影响，数据可进一步修正。

2.2 导弹意外点火时的爆压

导弹意外点火时，会在短时间内产生大量的气体，这些气体聚集在舱室内，产生比较大的压力，本文重点分析泄压排导装置开启之前的压力。为便于计算，做如下假设以简化计算模型：

1）从导弹发动机喷嘴喷出来的气流和舱室中的空气均匀地混合。

2）由于导弹发动机工作时间很短，气体与舱壁和舱室中设备的热交换小到忽略不计。

3）气体从舱室中排出时不与外部介质做热交换，即绝热。

导弹意外点火时，气体以近似声速喷出，库内压力急剧升高，瞬间压力可按下式计算：式中：P为瞬间压力，MPa；P0为标准大气压，MPa；k为比热比，由导弹自身特性决定。

3 泄压排导装置

通过上述分析不难看出，发生意外时弹库内的产生的压力十分危险，必须采取有效措施释放过压。泄压排导装置即为释放弹库过压的专用设备，主要由壳体、压盘及盖子等组成，通常安装于弹库顶部，如图3所示。泄压排导装置采用机械断裂自动打开工作方式，弹库内外压差达到其设计开启阈值时即自动开启泄压。

对于泄压排导装置而言，在规定范围阈值内应能安全、可靠地打开泄压，下面分别对泄压排导装置壳体强度及压盘受力情况进行分析。

3.1 壳体强度校核

在弹库内压力升高时，其壳体可看作为均匀受力的圆筒。（见图4）

1）壳体所能承受的临界力：

式中：n为壳体加强筋的数量；E为压盘弹性膜量，GPa；t为壳体壁厚，m；μ为泊松比；R为壳体半径，m。

极限容许临界力：

2）壳体实际受力：

式中：k为动载荷系数，常数；P为泄压排导装置开启时弹库内压力；S为壳体的表面积，按下式计算：

式中：R为壳体半径，m；h为壳体受力部分高度，m。

3）强度分析

比较上述计算结果，Fj>F0时泄压排导装置的壳体强度满足使用要求。

3.2 压盘受力分析

在弹库内压力升高至泄压排导装置打开前，其压盘承受来自弹库内的作用力，其受力情况介于自由支承和刚性固定之间且载荷沿所有面均匀分布的状态，所以必须进行自由支承以及刚性固定2种方式的计算。

1）压盘作为自由支撑的计算

载荷沿压盘均匀分布，如图5所示。

压盘中心挠度:

式中：p为作用在压盘上的均布载荷，MPa；R为压盘半径，m；E为压盘弹性膜量，kPa；h为压盘厚度，m。

作用在压盘上的最大应力（中心）：

式中：p为作用在压盘上的均布载荷，MPa；R为压盘半径，m；h为压盘厚度，m。

2）压盘作为刚性固定的计算

载荷沿压盘均匀分布，如图6所示。

压盘中心挠度：

式中r为压盘半径（不含其嵌入部分），m。

作用在压盘上的最大应力（周边）：

4 结 语

泄压排导技术是保证弹库安全的重要技术之一，它不仅可以应用于普通弹药库，还可以用于导弹弹库；既能够装备于中小型舰艇，还可以装备大型舰艇如航母等。本文首先对弹药发生爆炸时的内部压力流场进行分析，分别针对弹药爆炸及导弹意外点火时产生的爆压进行研究，并针对弹库过压提出了泄压排导专用设备——泄压排导装置；最后对泄压排导装置工作时的壳体进行了强度校核，对其压盘受力情况进行了计算分析，给出了泄压排导装置打开泄压需要满足的具体条件。通过本文介绍的计算方法，可以针对保护对象的弹药特性进行具体的分析与计算，确定弹库泄压排导的相关技术参数，为解决弹库安全设计中的泄压排导课题提供了重要依据。

[1]李士军, 贾空军, 周永存, 等. 舰载导弹库泄压排气理论[J]. 舰船科学技术, 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]张国伟, 韩勇, 苟瑞军. 爆炸作用原理[M]. 北京: 国防工业出版社. 2006.

[3]王惠民. 流体力学基础[M]. 北京: 清华大学出版社. 2005.

[4]陆永红, 钟生新. 设计舰载导弹弹库时应考虑的安全问题[J].舰船科学技术, 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，高级工程师，从事弹库安全技术研究工作。