重型越野車燃油箱抑爆性能試驗研究

樊紫馨，席文進(jìn)，葛紀(jì)桃，蔡小波

重型越野車燃油箱抑爆性能試驗研究

樊紫馨1，席文進(jìn)1，葛紀(jì)桃2，蔡小波1

（1.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200；2.中國人民解放軍63969部隊，江蘇 南京 210002）

重型越野車輛普遍裝載燃油來提供動力源，燃油箱擔(dān)任儲存燃油的任務(wù)，由于燃油具有特殊的物理性質(zhì)，容易受到惡劣環(huán)境的影響，遇到明火后極易發(fā)生爆炸，對車輛防護(hù)安全提出了更高的要求。文章通過對合理加裝抑爆材料的燃油箱進(jìn)行理論分析，依據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，制定出驗證其防爆性能的試驗方案，通過代表性的試驗，論證了該重型越野車輛燃油箱的抑爆性能的優(yōu)異，能夠有效減少二次殺傷力，提高了裝備和人員生存能力。

爆炸影響因素；抑爆材料選擇；抑爆燃油箱性能試驗

前言

具有殺傷能力的武器裝備不斷涌現(xiàn)，投射的炮彈引發(fā)的周圍物件的燃燒隨處可見，必須保證使用的車輛，在設(shè)計上能夠滿足降低簡易爆炸裝置爆炸及其附帶毀傷對車輛造成的影響，這就給車輛燃油箱的防護(hù)安全增加了難度。

1 燃油箱爆炸的基本要素

燃油箱及其周圍環(huán)境極易滿足燃燒爆炸的3個基本要素：燃油（燃料）、氧氣（助燃劑）、點火源[1]。

（1）第一個基本要素是燃油。燃油箱中液體燃料是必不可少的，一般常用的是汽油和柴油，重型越野車輛由于其需要承載較大質(zhì)量的裝備，采用柴油較為普遍。為了避免燃油的燃燒，冷卻燃油使其達(dá)不到所需燃點進(jìn)而阻止它的燃燒，但是這種構(gòu)想難以實施。

（2）第二個基本要素是氧氣，作為一種助燃劑而存在，完全隔絕氧氣也難以實施。燃油蒸氣在燃油箱空余空間中的濃度與蒸氣壓有關(guān)，而蒸氣壓P是溫度的函數(shù)，如式（1）：

P=1(?2/) （1）

式中：1，2為系數(shù)，與燃油類型有關(guān)[2-3]。

上述公式給出了可燃蒸氣濃度與蒸汽壓及溫度之間的關(guān)系，可知，隨著升高，P相應(yīng)增大，可燃蒸氣的濃度也會隨之增加[4]。

（3）第三個基本要素是點火源，中斷、隔絕點火源可以避免燃燒。針對燃油箱，現(xiàn)代重型車輛大部分給燃油箱四周設(shè)計一圈鋼板或者不容易燃燒的材料，阻擋燃油箱與火源的聯(lián)系，這種方案帶來的問題是整車的質(zhì)量很大，輕便性很差，機(jī)動性等都受到影響，燃料的加注不方便，不便于燃油箱的后期維修。

經(jīng)過比較分析，針對重型車輛燃油箱使用特點，抑制燃油箱內(nèi)點火源相對比較容易，最便捷有效的途徑是填充抑爆材料，當(dāng)車輛的燃油箱遇到槍擊或彈片襲擊，發(fā)生破損漏油且遇到明火時，此燃油箱具有防止爆炸的作用，以提高人員的生存性。抑爆材料的填充一方面可以有效減小燃油箱的空余空間，一方面可以有效減小燃油箱內(nèi)的點火源。

2 抑爆材料選擇

已經(jīng)應(yīng)用到國內(nèi)燃油箱內(nèi)的抑爆材料總共有三種，具體作如下介紹。

2.1 鎂鋁合金（蜂窩鋁）抑爆材料

圖1所示為鎂鋁合金抑爆材料，簡稱蜂窩鋁，該材料通常是卷曲狀或?qū)訝畹姆涓C形結(jié)構(gòu)，填充工藝通常采用兩種方式，一種將鋁合金抑爆材料卷制成小球狀，由油箱加油口直接加入；另一種是將鋁合金抑爆材料拉絲后卷成圓筒狀，外層再套上不銹鋼防護(hù)網(wǎng)。在油箱加工階段將圓筒狀的抑爆材料逐一堆砌安裝到油箱內(nèi)，異形結(jié)構(gòu)無法裝填。

圖1 鎂鋁合金（蜂窩鋁）抑爆材料

2.2 非金屬球型阻隔防爆材料

圖2所示為非金屬球型阻隔防爆材料，該防爆材料為30 mm的小球，小球通過很多片狀物質(zhì)搭建而成，機(jī)械強度優(yōu)良，不容易變形，材料具有良好的填充性能，可以實現(xiàn)油箱和油罐的自動化填裝和卸出，具有非常良好的工程安裝體驗。對于內(nèi)部無結(jié)構(gòu)的油箱，塑料小球直接裝填方便，效率高，但對于需要繞開內(nèi)部管線及傳感器的油箱，需要改變油箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，加裝分隔支撐構(gòu)件。

圖2 非金屬球型阻隔防爆材料

2.3 非金屬阻隔防爆材料

非金屬阻隔防爆材料又叫發(fā)泡型阻隔防爆材料，按制造材質(zhì)的不同分成聚醚型聚氨酯和聚酯型聚氨酯兩大類，聚酯型聚氨酯網(wǎng)狀泡沫力學(xué)強度高，耐油性好，電性能略低，聚醚型聚氨酯網(wǎng)狀泡沫還具有彈性好、回彈高等優(yōu)良力學(xué)性能。重量比較輕，能夠減少因為燃油晃動而產(chǎn)生的摩擦靜電，可以在高溫、潮濕的環(huán)境下使用，使用壽命可以長達(dá)15年，可以制作成各種形狀進(jìn)行油箱填充，比較常見的是球狀和塊狀，如圖3。

圖3 塊狀聚氨酯

2.4 抑爆材料的選擇和裝填

本重型越野車燃油箱容積為400 L，縱截面四個邊為半徑R2 000的圓弧，結(jié)構(gòu)相對規(guī)整，由于鎂鋁合金材料的球形抑爆材料或者卷曲成圓筒狀均不容易固定，非金屬球型阻隔防爆材料數(shù)量難精確。本燃油箱結(jié)構(gòu)類似長方形便于安裝固定，最終采用塊狀聚氨酯泡沫抑爆材料。

3 燃油箱抑爆性能試驗

3.1 抑爆燃油箱性能試驗項目選擇

2015年發(fā)布的GJB8455—2015《軍用油箱油罐填充用阻隔防爆材料通用規(guī)范》，國內(nèi)交通運輸部門于2016年4月發(fā)布了相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范JT/T 1046—2016《道路運輸車輛油箱及液體燃料運輸罐體阻隔防爆安全技術(shù)要求》，以上兩個規(guī)范均是針對阻隔防爆材料給出了試驗方法和結(jié)果驗證方法。

其中GJB8455—2015《軍用油箱油罐填充用阻隔防爆材料通用規(guī)范》針對抑爆材料推薦的檢驗方法包括：有效容積降低率，燃燒性能，體積電阻率，振動耐久性試驗，相容性試驗；試驗項目包括：靜爆試驗，殺爆燃彈動爆試驗，破甲戰(zhàn)斗部穿深試驗[5]。JT/T 1046—2016《道路運輸車輛油箱及液體燃料運輸罐體阻隔防爆安全技術(shù)要求》針對抑爆材料推薦的檢驗方法包括：容積降低率測試方法，相容性試驗方法，振動試驗方法，燃爆增壓試驗方法；試驗項目包括：靜爆試驗方法，烤燃試驗方法，破甲戰(zhàn)斗部穿透試驗方法[6]。

比較兩個標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)得知，針對抑爆材料的性能，共同的試驗項目有：靜爆試驗和破甲戰(zhàn)斗部穿透試驗。然而針對抑爆燃油箱整體性能的驗證方法暫時還沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，由于本文研究對象是填裝了抑爆材料的400 L燃油箱，故應(yīng)對燃油箱整體進(jìn)行防爆性能的測試。結(jié)合本抑爆燃油箱使用的環(huán)境條件，借鑒了上述兩個規(guī)范中試驗項目的設(shè)計思路，最終選擇了三個有代表性的試驗：第一個是兩個標(biāo)準(zhǔn)共有的破甲戰(zhàn)斗部穿透試驗，第二個是JT/T 1046—2016要求的烤燃試驗，第三個試驗是根據(jù)業(yè)內(nèi)經(jīng)驗，針對燃油箱整體，增加了穿甲燃燒彈射擊試驗。

上述三個試驗的編寫中，借鑒了其中的準(zhǔn)備工作、試驗步驟以及試驗結(jié)果分析方法，最終燃油箱試驗項目如表1。

表1 抑爆燃油箱試驗項目

序號試驗項目試驗內(nèi)容合格依據(jù) 1烤燃試驗在抑爆燃油箱外部施加明火，對油箱進(jìn)行烘烤試驗容器內(nèi)液體燃料不發(fā)生二次爆炸則視為合格 2破甲戰(zhàn)斗部穿透試驗用40 mm火箭彈破甲戰(zhàn)斗部引爆后形成的金屬射流穿透抑爆油箱，觀察其二次爆炸情況試驗容器中的油氣爆炸高溫區(qū)持續(xù)時間降低率不低于80%則視為合格 3穿甲燃燒彈射擊試驗用12.7 mm穿甲燃燒彈打擊抑爆燃油箱，模擬槍擊試驗抑爆燃油箱不發(fā)生爆炸則視為合格

由于烤燃試驗和破甲戰(zhàn)斗部穿透試驗標(biāo)準(zhǔn)可查，試驗方法不作詳細(xì)介紹，針對穿甲燃燒彈射擊試驗進(jìn)行詳細(xì)描述。

3.2 烤燃試驗數(shù)據(jù)及結(jié)論

在填裝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對油氣爆炸的控制能力。圖4為三次平行試驗中抑爆燃油箱a得到的溫度隨時間變化趨勢曲線，抑爆燃油箱在整個烤燃過程中發(fā)生熔化現(xiàn)象。

圖4 烤燃過程中溫度隨時間變化趨勢曲線

從圖中可以看到，三次平行試驗，開始溫度急劇上升，持續(xù)一段時間后呈階梯狀下降，抑爆燃油箱內(nèi)部的柴油泄漏燃燒，整個過程，肉眼看到抑爆燃油箱未發(fā)生瞬間解體，紅外熱成像儀記錄的溫度場曲線未見明顯突躍，驗證板也保持完好狀態(tài)，壓力傳感器未觸發(fā)（觸發(fā)壓力設(shè)置為0.05 MPa）。由于抑爆燃油箱內(nèi)柴油未發(fā)生二次爆炸，表明該抑爆燃油箱合格。

3.3 破甲戰(zhàn)斗部穿透試驗數(shù)據(jù)及結(jié)論

圖5 抑爆燃油箱d和非抑爆燃油箱h溫度隨時間變化趨勢曲線

在填裝有抑爆材料的油箱外部引爆40 mm火箭彈破甲戰(zhàn)斗部，實現(xiàn)靜態(tài)破甲穿透，考核抑爆燃油箱對油氣二次爆炸的控制能力。裝填抑爆材料的d，e，f油箱在破甲戰(zhàn)斗部爆炸后火焰迅速變小，在300 ms時油箱周圍的火焰基本熄滅。而未裝填抑爆材料的h，i，j油箱蒸氣在被破甲戰(zhàn)斗部引燃后，火球迅速增大，且持續(xù)時間長。

對紅外溫度場數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得到每發(fā)試驗的溫度隨時間變化過程以及每發(fā)試驗的高溫持續(xù)時間（大于1 000 ℃），如圖5看出，未裝填抑爆材料的燃油箱火球和高溫持續(xù)時間明顯大于裝填抑爆材料的燃油箱，這一結(jié)果與高速觀測到的現(xiàn)象一致。裝填抑爆材料的燃油箱試驗后外觀狀態(tài)良好，而未裝填抑爆材料的燃油箱已經(jīng)出現(xiàn)變形，過大的熱量對燃油箱造成了一定的損害。

綜合高速攝像、紅外熱成像和對試驗后油箱樣品的測試結(jié)果可以判斷，填裝抑爆材料的油箱未發(fā)生油氣二次爆炸。填裝抑爆材料的油箱對比空白油箱可顯著降低爆炸沖擊壓力和燃油箱的變形損壞，試驗結(jié)果合格。

3.4 穿甲燃燒彈射擊試驗

用12.7 mm穿甲燃燒彈打擊抑爆燃油箱模擬戰(zhàn)時油箱被攻擊情況?？己艘直加拖涫艿叫】趶轿淦鲃討B(tài)攻擊后，抑爆燃油箱對油氣爆炸的控制能力。

3.4.1 試驗設(shè)備、試驗材料

（1）高速攝像機(jī)：采集速度不低于1 000幀/秒；（2）紅外攝像機(jī)：采集速度不低于1 000幀/秒；（3）射擊用槍：采用重機(jī)槍發(fā)射12.7 mm穿甲燃燒彈；（4）受彈鋼板：寬度1 020 mm，高度1 800 mm，厚度20 mm。

3.4.2 試驗方法

本試驗準(zhǔn)備了一個抑爆燃油箱g加注200 L 0號柴油靜置24小時；其中受彈鋼板放在抑爆燃油箱后側(cè)500 mm處，高速攝像機(jī)布置在距離爆炸中心25 m位置；在抑爆燃油箱正前方100 m處對抑爆燃油箱中部進(jìn)行射擊，開啟高速攝像機(jī)和紅外攝像機(jī)。

3.4.3 試驗數(shù)據(jù)及結(jié)論

圖6是紅外成像得到的溫度趨勢曲線，抑爆燃油箱受到穿甲彈打擊后油箱中心溫度較低，最高溫度達(dá)776 ℃，擊穿孔徑為4 cm，高溫持續(xù)時間很短，表明穿甲燃燒彈打擊沒有引爆燃油箱。

試驗結(jié)果表明，填裝有抑爆材料的受試油箱受到12.7 mm穿甲燃燒彈動態(tài)攻擊后，油箱未發(fā)生爆炸現(xiàn)象，試驗結(jié)果合格。

圖6 穿甲燃燒彈打擊試驗紅外成像趨勢圖

4 抑爆燃油箱抑爆能力結(jié)論

（1）本重型越野車裝載的400 L鋁合金抑爆燃油箱采用鋁合金材料，不僅質(zhì)量輕，而且強度優(yōu)異，承受高強度的外部打擊，變形量不大。

（2）通過上述三個具有代表性的試驗，驗證了填充聚氨酯抑爆材料后，燃油箱的二次爆炸受到了明顯的抑制作用，燃油箱中的網(wǎng)狀聚氨酯抑爆材料可以阻止點火源的快速蔓延，很大程度上降低了油氣混合造成的爆炸，證明了該重型越野汽車裝載的400 L抑爆燃油箱抑爆性能優(yōu)異。

（3）本試驗只選取了一種容積的燃油箱，具有一定的局限性，后期需要對各種變量進(jìn)行后續(xù)研究。

[1] 張欲曉,樊尚春.民用飛機(jī)燃油油箱的防爆方法[C]//大型飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)高層論壇暨中國航空學(xué)會2007年年會論文集,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,吳曉莉,趙闖,等.降低飛機(jī)燃油箱可燃蒸氣濃度的設(shè)計方法研究[J].機(jī)械設(shè)計,2015,32(1):144-146.

[5] 中國人民解放軍總裝備部.油箱油罐填充用阻隔防爆材料通用規(guī)范:GJB 8455—2015[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

[6] 交通運輸部公路科學(xué)研究院.路運輸車輛油箱及液體燃料運輸罐體阻隔防爆安全技術(shù)要求:JT/T 1046—2016[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)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，就職于陜西重型汽車有限公司。