專利名稱：金屬碎片撞擊下油箱附近干艙燃燒判據分析方法
技術領域：
本發(fā)明涉及飛機燃油系統(tǒng)高生存力分析與設計領域，具體是一種飛機油箱遭受高速金屬碎片撞擊導致附近干艙起火與持續(xù)燃燒發(fā)生條件的分析方法。
背景技術：
飛機干艙指的是位于飛機外表面蒙皮和內部結構之間的艙室或空腔。干艙中通常分布有液壓管路、燃油管路以及航電設備和線路等，干艙在遭到高速金屬碎片撞擊并穿透后所引起的燃燒或爆炸通常會導致周圍結構的二次損傷，如燃油箱的燃燒或爆炸、航電設備的損毀、干艙周圍承力結構的毀傷等。這些通常會導致飛機燃油系統(tǒng)的失效。飛機燃油系統(tǒng)的暴露面積通常占全機的50%以上，是飛機上最容易遭受金屬碎片撞擊的系統(tǒng)，燃油系統(tǒng)中的燃油箱中含有大量易燃的燃油，在遭到高速金屬碎片撞擊并穿透后燃油泄露進入附近的干艙，非常容易引起干艙的燃燒和爆炸。飛機油箱附近干艙的燃燒和爆炸是導致飛機失效的主要原因之一。飛機油箱附近干艙燃燒和爆炸的前提條件是飛機油箱遭受高速金屬碎片撞擊并穿透，油箱內攜帶的易燃燃油泄漏到附近的干艙中，此類金屬碎片可能是發(fā)動機葉片遭到結構破壞時產生的高速剛性破片等。因此，需要建立油箱穿透及燃油蒸發(fā)的數學分析模型。影響飛機油箱附近干艙的燃燒和爆炸的條件主要有兩個。一是飛機油箱內燃油的溫度，靠近進氣道或散熱裝置的飛機干艙，將會導致干艙內燃油溫度的升高或降低，不同燃油溫度條件下液體燃油的蒸發(fā)情形也不一樣，進而影響干艙內的油氣濃度；另一個是飛機飛行剖面，飛機飛行高度不同，干艙內外大氣的溫度和壓力也不同，進而影響油氣/氧氣混合物的燃燒。據此，在定量分析干艙持續(xù)燃燒判據時，也需要分成兩個部分，一是燃油燃燒包線的分析，即分析滿足燃油燃燒的液體燃油的溫度；一是燃燒極限的分析，即分析滿足燃油燃燒的油氣/氧氣濃度比的變化范圍。目前針對飛機燃燒和爆炸的研究多集中于油箱燃燒和爆炸方面的研究，較少的考慮了不同飛行高度下的油箱附近干艙的燃燒和爆炸分析，缺乏系統(tǒng)的進行干艙起火及持續(xù)燃燒分析。本發(fā)明的目的是建立高速金屬碎片撞擊并穿透油箱條件下干艙燃燒數學模型以及確定干艙持續(xù)燃燒的判據。干艙易燃性分析可為下一步進行干艙防燃抑爆措施的采取提供理論和數據支持，有利于減少飛機燃燒爆炸發(fā)生的概率，提高飛機的生存能力。

發(fā)明內容
為克服高速金屬碎片撞擊并穿透油箱條件下附近干艙燃燒理論分析的不足，本發(fā)明提出了一種不同飛行高度下油箱附近干艙持續(xù)燃燒判據的定量分析方法。本發(fā)明首先進行高速金屬碎片撞擊條件下油箱穿透模型分析，通過JTCG/ME穿透方程解決油箱壁的穿透問題；通過燃油泄漏質量流速分析通過油箱壁穿孔泄露進入附近干艙的燃油的質量；通過燃油蒸發(fā)通量解決干艙內油氣濃度問題。
本發(fā)明是確定油箱附近干艙燃燒判據的方法，具體實施步驟:步驟1，根據飛行任務輸出飛機飛行剖面圖，得到一個飛機飛行高度隨時間變化的表達式； 步驟2，從燃油閃點溫度的經驗公式，得到一個燃油閃點溫度隨飛機飛行高度變化的表達式；步驟3，將步驟2中得到的燃油閃點溫度隨飛機飛行高度變化的表達式代入燃油的燃燒上限和燃燒下限的表達式中，得出燃油燃燒包線隨飛機飛行高度變化的表達式；其中，燃燒包線是指以溫度為橫坐標，高度為縱坐標，不同高度下液體燃油發(fā)生燃燒的溫度上限和下限所形成的一條邊界線，液體燃油只在這個范圍內才能發(fā)生燃燒；步驟4，將步驟I中飛機飛行剖面圖的表達式分別代入步驟3中燃油的燃燒上限和燃燒下限隨飛機飛行高度變化的表達式中，則輸出燃燒包線隨飛機飛行剖面變化的關系圖；判斷燃油溫度是否在燃燒包線內，如果是，則燃燒可能發(fā)生，進入步驟5，如果否，則不會發(fā)生燃燒；步驟5，分別分析溫度、壓力、高度和燃油成分對于燃油燃燒極限的影響關系；分別計算出燃油燃燒極限上限和下限；步驟6，計算出燃油的極限氧濃度；其中，極限氧濃度(LOC)是滿足火焰?zhèn)鞑サ淖钚⊙鯕鉂舛?，當氧氣濃度小于LOC時，化學反應不能產生足夠的熱量用于加熱混合氣體進而影響燃燒的傳播；極限氧濃度的取值取決于惰化氣體的種類；步驟7，根據如上步驟4、步驟5和步驟6的結果繪制出燃燒三角圖，并在圖中標記出燃燒區(qū)域，作為判定干艙燃燒的判據。本發(fā)明中的碰撞火花分析、油箱穿透分析、燃油泄漏分析、液體燃油蒸發(fā)分析和干艙起火判據分析可作為高速金屬碎片穿透情況下油箱附近干艙燃燒的數學模型；燃油燃燒包線、燃燒極限和極限氧濃度可作為判斷干艙燃燒的判據，燃燒三角圖中的燃燒區(qū)域表示了干艙燃燒情況下所有可能的油氣/氧氣混合。本發(fā)明的有益效果是建立的數學模型完整地描述了在高速金屬碎片撞擊下油箱附近干艙燃燒的數學過程；燃燒判據可準確判斷不同飛行高度下油箱附近干艙燃燒的條件；燃油燃燒包線和燃燒三角型的表現形式簡潔直觀。本發(fā)明建立了一套油箱附近干艙起火和持續(xù)燃燒判據分析方法，可用于由飛機發(fā)動機結構損壞所產生的高速金屬破片撞擊油箱條件下附近干艙燃燒的情形分析，可為干艙防燃抑爆措施的采取提供理論和數據支持，有利于減少飛機燃燒爆炸發(fā)生的概率，提高飛機的生存能力；同時也可以用于摩托車、汽車和輪船等交通工具的油箱在遭受高速金屬碎片撞擊后發(fā)生燃燒的判定。


圖1是高速金屬碎片穿透條件下干艙起火流程圖。圖2是干艙燃燒示意圖。圖3是燃燒特性圖。圖4是燃燒判據分析流程圖。圖5是飛機典型飛行剖面。圖6是純燃油CltlH22的閃點與高度示意圖。
圖7是純燃油CltlH22的飽和蒸汽壓曲線圖。圖8是純燃油CltlH22燃燒包線圖。圖9是純燃油CltlH22燃燒包線隨飛機飛行剖面變化圖。圖10是純燃油CltlH22燃燒極限與溫度關系圖。圖11是純燃油CltlH22燃燒極限與壓力關系圖。圖12是純燃油CltlH22燃燒極限與高度關系圖。圖13是純燃油CltlH22的燃燒三角圖。圖14是乙醇和CltlH22混合燃油燃燒三角形圖。圖15是3000m海拔高度下乙醇和CltlH22混合燃油燃燒三角圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。本實施例涉及一種不同飛行高度下油箱附近干艙持續(xù)燃燒判據的定量分析方法。本實施例將高速金屬碎片穿透條件下油箱附近干艙起火過程簡化為六個階段，如圖1和圖2所示，其中:階段1，高速金屬碎片撞擊油箱，形成碰撞火花，也即形成干艙點火源；點火源的形成主要是因為發(fā)動機葉片結構失效時產生了高速金屬破片，破片在擊穿飛機油箱壁的過程中與油箱壁摩擦，從破片的金屬表面飛濺出的金屬顆粒具有很高的溫度，部分金屬顆粒如鋁、鎂、鈦等非常容易發(fā)生氧化反應，溫度進一步增加可高達3000攝氏度，是構成碰撞火花形成的主要原因。階段2，判斷高速金屬碎片是否穿透油箱壁；采用JTCG/ME穿透方程進行油箱穿透及穿透后金屬碎片速度的變化，主要計算參數有兩個，分別是保護彈道極限速度V5tl和金屬碎片殘余速度\ ;如果金屬碎片撞擊油箱壁時的速度V ^ V50,則認為油箱被穿透，反之如果V〈V5(I，則認為油箱沒有穿透；
權利要求
1.一種金屬碎片撞擊下油箱附近干艙燃燒判據分析方法，其特征在于包括下述步驟: 步驟1，根據飛行任務輸出飛機飛行剖面圖，得到一個飛機飛行高度隨時間變化的表達式； 步驟2，從燃油閃點溫度的經驗公式，得到一個燃油閃點溫度隨飛機飛行高度變化的表達式； 步驟3，將步驟2中得到的燃油閃點溫度隨飛機飛行高度變化的表達式代入燃油的燃燒上限和燃燒下限的表達式中，得出燃油燃燒包線隨飛機飛行高度變化的表達式；其中，燃燒包線是指以溫度為橫坐標，高度為縱坐標，不同高度下液體燃油發(fā)生燃燒的溫度上限和下限所形成的一條邊界線，液體燃油只在這個范圍內才能發(fā)生燃燒； 步驟4，將步驟I中飛機飛行剖面圖的表達式分別代入步驟3中燃油的燃燒上限和燃燒下限隨飛機飛行高度變化的表達式中，則輸出燃燒包線隨飛機飛行剖面變化的關系圖；判斷燃油溫度是否在燃燒包線內，如果是，則燃燒可能發(fā)生，進入步驟5，如果否，則不會發(fā)生燃燒； 步驟5，分別分析溫度、壓力、高度和燃油成分對于燃油燃燒極限的影響關系；分別計算出燃油燃燒極限上限和下限； 步驟6，計算出燃油的極限氧濃度；其中，極限氧濃度(LOC)是滿足火焰?zhèn)鞑サ淖钚⊙鯕鉂舛?，當氧氣濃度小于LOC時，化學反應不能產生足夠的熱量用于加熱混合氣體進而影響燃燒的傳播；極限氧濃度的取值取決于惰化氣體的種類； 步驟7，根據如上步驟4、步驟5和步驟6的結果繪制出燃燒三角圖，并在圖中標記出燃燒區(qū)域，作為判定干艙燃燒的判據。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種金屬碎片撞擊下油箱附近干艙燃燒判據分析方法，根據飛機飛行剖面圖和燃油閃點溫度的公式，通過公式計算得到一個飛機燃燒包線隨飛機飛行剖面變化的關系圖，并通過分別分析溫度、壓力、高度和燃油成分對于燃油燃燒極限的影響關系，并計算出燃油的極限氧濃度，從而繪制出燃燒三角圖。本發(fā)明的燃燒判據可準確判斷不同飛行高度下油箱附近干艙燃燒的條件，燃油燃燒包線和燃燒三角型的表現形式簡潔直觀，有利于減少飛機燃燒爆炸發(fā)生的概率，提高飛機的生存能力，同時也可以用于摩托車、汽車和輪船等交通工具的油箱在遭受高速金屬碎片撞擊后發(fā)生燃燒的判定。
文檔編號G06F19/00GK103164620SQ20131007673
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月11日 優(yōu)先權日2013年3月11日
發(fā)明者葛玉雪, 宋筆鋒, 裴揚, 蔡海亮, 石帥 申請人:西北工業(yè)大學