火灾环境下舰载弹药的安全性仿真分析∗

阿 贝 王德石 严 平 任俊鹏 隋晓阳

（1.海军工程大学 武汉 430033）（2.92038部队 青岛 266000）

1 引言

由于弹药内部装药的危险性，在受到外界典型激励下对弹药的安全性威胁均来自其本质安全性的反应。当弹药处于火灾等高温激励下，弹药受到高温环境的炙烤，不仅会加速弹药内部装药的分解，当温度过高或作用时间较长，甚至会引起内部装药的燃烧和爆炸［1］。本文以Mk-82舰载航空炸弹为研究对象，首先对航空炸弹的本质安全性进行分析，针对某型舰艇弹药舱室构建模型，利用FDS（Fire Detection System）软件对弹药舱室发生火灾的整个过程进行仿真模拟；根据FDS仿真结果利用ANSYS软件对Mk-82舰载航空炸弹进行建模，对高温激励下的航弹进行温度场分析，进一步对航空炸弹在火灾环境下的安全性进行分析。

2 航空炸弹的本质安全性

2.1 航空炸弹的结构

本文以Mk-82舰载航空炸弹为研究对象进行安全性分析和建模仿真。Mk-82舰载航空炸弹主装药为218.7kg的TNT炸药。其构造示意图如图1所示。

图1 Mk-82舰载航空炸弹结构示意图

2.2 装药的安全性

炸药的基本反应形式有热分解、燃烧、爆炸和爆轰四种。在一定的刺激环境下，四种反应形式可以相互转换。由于舰上环境恶劣，在遇到强刺激情况下，容易达到炸药的临界点，使其发生化学反应进而可能发生爆炸等现象［2～5］。

设炸药发生反应在单位时间内放出的热量为Q1，主要取决于反应速度W和炸药单位质量反应后所放出的热量q，即

其中z为频率因子，E为炸药的活化能，m为炸药质量，R为气体常数。即有

单位时间内由热传导而散失的热量设为Q2，有

因此由炸药的环境温度T0得出炸药的爆炸温度T。

TNT在加热温度130℃，加热时间100h后，不发生分解；加热温度达到160℃，开始分解，产生气体分解物；加热温度达到240℃，加热时间0.5h后便发生燃烧［6～9］。其爆发点温度如表1所示。

表1 TNT爆发点温度表

将一定量的炸药放在特定的试验条件下，把炸药按规定时间进行加热，当炸药发火时的温度叫做炸药的发火点。在评价炸药的热感度时，一般采用发火温度来判定炸药的敏感度。表2和表3为部分炸药的发火点温度参数。

表2 部分炸药的5min发火点

表3 部分炸药的5s发火点

3 弹药舱室火灾仿真

火灾环境中的刺激因素主要是温度的升高，图2为国标中规定的标准火灾温度-时间曲线，

图2 标准火灾温度曲线

选取Mk-82舰载航空炸弹的贮存舱室为研究对象，根据火灾理论分析以及FDS软件对火灾仿真的要求，在不影响计算分析模拟效果的前提下，运用pyrosim建立舱室模型，在模拟计算时有如下输入条件：舱室面积：7m*4m*2.4m；障碍物设定：四组弹药贮存架，舱室电缆，违规堆放物品；温度条件：舱内外温度均为20℃；消防条件：水幕喷淋系统，开启温度为75℃；模拟时间：600s。

3.1 建立舱室模型

根据舱室的结构和尺寸以及弹药贮存方式同时忽略舱室中对火灾影响较小的结构（如开关、电灯、地板配置的矩阵型系留孔等）进行建模，如图3所示。

图3 某典型弹药舱室的仿真模型

其中，外围蓝色结构为舱壁，材料为钢；灰色结构为弹药托盘，材料为钢；黑色结构为电缆，材料为pvc；绿色、紫色结构为违规堆放物品，分别模拟木、棉等固体可燃物和燃油等液体可燃物；红色标识部分为火源；黄色标识部分（THCP）为温度测量装置；舱室正上方蓝色标识部分（SPRK）为喷淋设备。

3.2 舱室火灾热释放速率的设定

火灾的热释放速率与实践的关系可用式（8）表示：

式中，Q为热释放速率（kW）；α为火灾增长系数（kW/s2）；t为点火后的时间（s）；t0为开始有效燃烧所需的时间（s）［10～11］。由于火灾初起的引燃过程对火势影响很小，因此在实际应用中，一般只研究火灾有效燃烧后的火势状态，而不考虑火灾有效进行燃烧前的阶段，取t0＝0。简化为式（9）：

如前所述，根据t2火灾发展特征曲线，考虑到假定可燃物的种类，结合表4，得到假定火灾场景为介于快速火与超快速火之间，因此取火灾增长系数为0.11kW/s2。

表4 火灾增长系数

以火灾热释放量达到1MW标准，火灾发展时间为100s，通过式（9）计算得到输入热释放速率可分别设为1100kW/m2。

3.3 仿真计算结果与分析

在本文的舱室火灾仿真模型中，在距离火源最近和最远的弹药架上分别设置一个热电偶用于记录火灾过程中的该两点的温度变化；在火源纵切平面以及弹药横切平面设置两个温度切片记录面数据，时间设为300s。

设置喷淋设备关闭仿真结果如下。

图5 近火源温度记录点

图5 和图6也可以看出在靠近火源的记录点和远离火源的记录点温度差别不大，因此舱室火灾的危害是全局性的。同时通过无喷淋设施的仿真结果可以看出，在假定的少量木、棉等固体可燃物和燃油类液体可燃物导致的火灾中，舱室温度就可以达到770℃，且会对整个舱室造成危害。而实际火灾中，可燃物种类往往更加复杂且数量巨大，因此而形成的火灾将更具威胁性。

图6 远火源温度记录点

图7 发生30s弹药平面温度分布图

图8 发生150s弹药平面温度分布图

图9 发生5min弹药平面温度分布图

4 航空炸弹温度场仿真

4.1 建模

本文以Mk-82舰载航空炸弹为例，进行建模分析和仿真。对该种航弹结构进行简化分析，可以近似认为其为长圆柱体。因此选择轴对称单元，对航弹进行进行二维热传导分析。弹体材料为钢，内部主装药为TNT，传爆管材料为聚乙烯塑料，传爆药为钝化太安。其材料属性参数如表5所示。

表5 材料参数

4.2 初始条件及边界条件

假设弹药舱室内和航弹的初始温度均为25℃，弹药舱室内发生火灾或弹药爆炸等事故，产生高温能量对航弹进行烤燃。设定发生事故的弹药舱的温度为1200℃，由表5中可知弹体的导热系数为70 W/m·K，弹内装药TNT的导热系数为0.24 W/m·K，传爆管的导热系数为0.19 W/m·K，传爆药太安的导热系数为0.1165 W/m·K，设定烤燃时间为5min。

4.3 温度场求解分析

在仿真模型中，对航弹的温度分析采用瞬态分析。首先设置弹体、主装药和传爆管的节点的初始温度，对模型进行一个时间和步长均为0.01s的分析，得到航弹的初始温度。然后对舱室内的温度场刺激设定，设温度为1200℃，时间为300s，步长0.01s，检测时间为5s，经过仿真计算，得出航弹的温度场云图、热密度云图，同时取航弹的壳体、装药表面、装药中层、装药中心、传爆管表面和传爆药表面的节点在300s内的温度变化。

图10 航弹在快速烤燃后温度场云图

图11 传爆药的温度变化

图12 传爆管的温度变化

图13 靠近弹体的节点温度变化

图14 主装药中心节点的温度变化

图15 装药表面温度变化

图16 装药中层温度变化

4.4 仿真结果分析

通过对快速烤燃激励下航空炸弹的温度场计算分析，可以得到航空炸弹的任意节点的温度变化值。假定在火灾环境激励过程中，航弹内部装药在不发生反应的前提下，由图13可知，在快速烤燃的300s内，航弹壳体的温度迅速上升，达到了818.5℃。同样对装药内部温度变化进行跟踪，得到图14和图15所示温度变化趋势，经分析可得，由于外部温度刺激较强，内部装药在靠近弹体位置节点的温度上升也较为明显，60s后，装药温度开始不断上升，在300s后达到36.018℃，而对内部传爆管来说，其温度变化不如慢速烤燃明显。在经过300s后，传爆管的温度最高值为25.007℃，几乎没有什么变化。

5 结语

根据本文中2.2小节和3.3小节中对该型航空炸弹的主装药的安全性分析以及火灾过程的仿真，得到TNT爆发延滞期为10s的爆发点温度为465℃，太安爆发延滞期为10s的爆发点温度为211℃。由图13中弹体温度随烤燃时间的变化趋势可知，当以1200℃的快速烤燃激励时间持续65s后，弹体温度达到470℃，已超过TNT的10s爆发点温度，而且弹体温度持续升高。所以在快速烤燃激励下，航弹在持续激励时间为70s后TNT炸药在高温刺激下将发生燃烧或爆炸反应。因此火灾环境对航空炸弹的安全性威胁剧大，当火灾发生后，必须在60s内对火灾环境进行扑救。