专利名称：金属碎片撞击下油箱附近干舱燃烧判据分析方法
技术领域：
本发明涉及飞机燃油系统高生存力分析与设计领域，具体是一种飞机油箱遭受高速金属碎片撞击导致附近干舱起火与持续燃烧发生条件的分析方法。
背景技术：
飞机干舱指的是位于飞机外表面蒙皮和内部结构之间的舱室或空腔。干舱中通常分布有液压管路、燃油管路以及航电设备和线路等，干舱在遭到高速金属碎片撞击并穿透后所引起的燃烧或爆炸通常会导致周围结构的二次损伤，如燃油箱的燃烧或爆炸、航电设备的损毁、干舱周围承力结构的毁伤等。这些通常会导致飞机燃油系统的失效。飞机燃油系统的暴露面积通常占全机的50%以上，是飞机上最容易遭受金属碎片撞击的系统，燃油系统中的燃油箱中含有大量易燃的燃油，在遭到高速金属碎片撞击并穿透后燃油泄露进入附近的干舱，非常容易引起干舱的燃烧和爆炸。飞机油箱附近干舱的燃烧和爆炸是导致飞机失效的主要原因之一。飞机油箱附近干舱燃烧和爆炸的前提条件是飞机油箱遭受高速金属碎片撞击并穿透，油箱内携带的易燃燃油泄漏到附近的干舱中，此类金属碎片可能是发动机叶片遭到结构破坏时产生的高速刚性破片等。因此，需要建立油箱穿透及燃油蒸发的数学分析模型。影响飞机油箱附近干舱的燃烧和爆炸的条件主要有两个。一是飞机油箱内燃油的温度，靠近进气道或散热装置的飞机干舱，将会导致干舱内燃油温度的升高或降低，不同燃油温度条件下液体燃油的蒸发情形也不一样，进而影响干舱内的油气浓度；另一个是飞机飞行剖面，飞机飞行高度不同，干舱内外大气的温度和压力也不同，进而影响油气/氧气混合物的燃烧。据此，在定量分析干舱持续燃烧判据时，也需要分成两个部分，一是燃油燃烧包线的分析，即分析满足燃油燃烧的液体燃油的温度；一是燃烧极限的分析，即分析满足燃油燃烧的油气/氧气浓度比的变化范围。目前针对飞机燃烧和爆炸的研究多集中于油箱燃烧和爆炸方面的研究，较少的考虑了不同飞行高度下的油箱附近干舱的燃烧和爆炸分析，缺乏系统的进行干舱起火及持续燃烧分析。本发明的目的是建立高速金属碎片撞击并穿透油箱条件下干舱燃烧数学模型以及确定干舱持续燃烧的判据。干舱易燃性分析可为下一步进行干舱防燃抑爆措施的采取提供理论和数据支持，有利于减少飞机燃烧爆炸发生的概率，提高飞机的生存能力。
发明内容
为克服高速金属碎片撞击并穿透油箱条件下附近干舱燃烧理论分析的不足，本发明提出了一种不同飞行高度下油箱附近干舱持续燃烧判据的定量分析方法。本发明首先进行高速金属碎片撞击条件下油箱穿透模型分析，通过JTCG/ME穿透方程解决油箱壁的穿透问题；通过燃油泄漏质量流速分析通过油箱壁穿孔泄露进入附近干舱的燃油的质量；通过燃油蒸发通量解决干舱内油气浓度问题。
本发明是确定油箱附近干舱燃烧判据的方法，具体实施步骤:步骤1，根据飞行任务输出飞机飞行剖面图，得到一个飞机飞行高度随时间变化的表达式； 步骤2，从燃油闪点温度的经验公式，得到一个燃油闪点温度随飞机飞行高度变化的表达式；步骤3，将步骤2中得到的燃油闪点温度随飞机飞行高度变化的表达式代入燃油的燃烧上限和燃烧下限的表达式中，得出燃油燃烧包线随飞机飞行高度变化的表达式；其中，燃烧包线是指以温度为横坐标，高度为纵坐标，不同高度下液体燃油发生燃烧的温度上限和下限所形成的一条边界线，液体燃油只在这个范围内才能发生燃烧；步骤4，将步骤I中飞机飞行剖面图的表达式分别代入步骤3中燃油的燃烧上限和燃烧下限随飞机飞行高度变化的表达式中，则输出燃烧包线随飞机飞行剖面变化的关系图；判断燃油温度是否在燃烧包线内，如果是，则燃烧可能发生，进入步骤5，如果否，则不会发生燃烧；步骤5，分别分析温度、压力、高度和燃油成分对于燃油燃烧极限的影响关系；分别计算出燃油燃烧极限上限和下限；步骤6，计算出燃油的极限氧浓度；其中，极限氧浓度(LOC)是满足火焰传播的最小氧气浓度，当氧气浓度小于LOC时，化学反应不能产生足够的热量用于加热混合气体进而影响燃烧的传播；极限氧浓度的取值取决于惰化气体的种类；步骤7，根据如上步骤4、步骤5和步骤6的结果绘制出燃烧三角图，并在图中标记出燃烧区域，作为判定干舱燃烧的判据。本发明中的碰撞火花分析、油箱穿透分析、燃油泄漏分析、液体燃油蒸发分析和干舱起火判据分析可作为高速金属碎片穿透情况下油箱附近干舱燃烧的数学模型；燃油燃烧包线、燃烧极限和极限氧浓度可作为判断干舱燃烧的判据，燃烧三角图中的燃烧区域表示了干舱燃烧情况下所有可能的油气/氧气混合。本发明的有益效果是建立的数学模型完整地描述了在高速金属碎片撞击下油箱附近干舱燃烧的数学过程；燃烧判据可准确判断不同飞行高度下油箱附近干舱燃烧的条件；燃油燃烧包线和燃烧三角型的表现形式简洁直观。本发明建立了一套油箱附近干舱起火和持续燃烧判据分析方法，可用于由飞机发动机结构损坏所产生的高速金属破片撞击油箱条件下附近干舱燃烧的情形分析，可为干舱防燃抑爆措施的采取提供理论和数据支持，有利于减少飞机燃烧爆炸发生的概率，提高飞机的生存能力；同时也可以用于摩托车、汽车和轮船等交通工具的油箱在遭受高速金属碎片撞击后发生燃烧的判定。
图1是高速金属碎片穿透条件下干舱起火流程图。图2是干舱燃烧示意图。图3是燃烧特性图。图4是燃烧判据分析流程图。图5是飞机典型飞行剖面。图6是纯燃油CltlH22的闪点与高度示意图。
图7是纯燃油CltlH22的饱和蒸汽压曲线图。图8是纯燃油CltlH22燃烧包线图。图9是纯燃油CltlH22燃烧包线随飞机飞行剖面变化图。图10是纯燃油CltlH22燃烧极限与温度关系图。图11是纯燃油CltlH22燃烧极限与压力关系图。图12是纯燃油CltlH22燃烧极限与高度关系图。图13是纯燃油CltlH22的燃烧三角图。图14是乙醇和CltlH22混合燃油燃烧三角形图。图15是3000m海拔高度下乙醇和CltlH22混合燃油燃烧三角图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。本实施例涉及一种不同飞行高度下油箱附近干舱持续燃烧判据的定量分析方法。本实施例将高速金属碎片穿透条件下油箱附近干舱起火过程简化为六个阶段，如图1和图2所示，其中:阶段1，高速金属碎片撞击油箱，形成碰撞火花，也即形成干舱点火源；点火源的形成主要是因为发动机叶片结构失效时产生了高速金属破片，破片在击穿飞机油箱壁的过程中与油箱壁摩擦，从破片的金属表面飞溅出的金属颗粒具有很高的温度，部分金属颗粒如铝、镁、钛等非常容易发生氧化反应，温度进一步增加可高达3000摄氏度，是构成碰撞火花形成的主要原因。阶段2，判断高速金属碎片是否穿透油箱壁；采用JTCG/ME穿透方程进行油箱穿透及穿透后金属碎片速度的变化，主要计算参数有两个，分别是保护弹道极限速度V5tl和金属碎片残余速度\ ;如果金属碎片撞击油箱壁时的速度V ^ V50,则认为油箱被穿透，反之如果V〈V5(I，则认为油箱没有穿透；
权利要求
1.一种金属碎片撞击下油箱附近干舱燃烧判据分析方法，其特征在于包括下述步骤: 步骤1，根据飞行任务输出飞机飞行剖面图，得到一个飞机飞行高度随时间变化的表达式； 步骤2，从燃油闪点温度的经验公式，得到一个燃油闪点温度随飞机飞行高度变化的表达式； 步骤3，将步骤2中得到的燃油闪点温度随飞机飞行高度变化的表达式代入燃油的燃烧上限和燃烧下限的表达式中，得出燃油燃烧包线随飞机飞行高度变化的表达式；其中，燃烧包线是指以温度为横坐标，高度为纵坐标，不同高度下液体燃油发生燃烧的温度上限和下限所形成的一条边界线，液体燃油只在这个范围内才能发生燃烧； 步骤4，将步骤I中飞机飞行剖面图的表达式分别代入步骤3中燃油的燃烧上限和燃烧下限随飞机飞行高度变化的表达式中，则输出燃烧包线随飞机飞行剖面变化的关系图；判断燃油温度是否在燃烧包线内，如果是，则燃烧可能发生，进入步骤5，如果否，则不会发生燃烧； 步骤5，分别分析温度、压力、高度和燃油成分对于燃油燃烧极限的影响关系；分别计算出燃油燃烧极限上限和下限； 步骤6，计算出燃油的极限氧浓度；其中，极限氧浓度(LOC)是满足火焰传播的最小氧气浓度，当氧气浓度小于LOC时，化学反应不能产生足够的热量用于加热混合气体进而影响燃烧的传播；极限氧浓度的取值取决于惰化气体的种类； 步骤7，根据如上步骤4、步骤5和步骤6的结果绘制出燃烧三角图，并在图中标记出燃烧区域，作为判定干舱燃烧的判据。
全文摘要
本发明提供了一种金属碎片撞击下油箱附近干舱燃烧判据分析方法，根据飞机飞行剖面图和燃油闪点温度的公式，通过公式计算得到一个飞机燃烧包线随飞机飞行剖面变化的关系图，并通过分别分析温度、压力、高度和燃油成分对于燃油燃烧极限的影响关系，并计算出燃油的极限氧浓度，从而绘制出燃烧三角图。本发明的燃烧判据可准确判断不同飞行高度下油箱附近干舱燃烧的条件，燃油燃烧包线和燃烧三角型的表现形式简洁直观，有利于减少飞机燃烧爆炸发生的概率，提高飞机的生存能力，同时也可以用于摩托车、汽车和轮船等交通工具的油箱在遭受高速金属碎片撞击后发生燃烧的判定。
文档编号G06F19/00GK103164620SQ20131007673
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月11日 优先权日2013年3月11日
发明者葛玉雪, 宋笔锋, 裴扬, 蔡海亮, 石帅 申请人:西北工业大学