Системы защиты ЛА от взрыва

<4041 42 43 44 45 46 >

При взрыве происходящая экзотермическая реакция вызывает резкое увеличение давления в ограниченном пространстве. Возникающие при этом нагрузки на элементы конструкции настолько велики, что приводят к мгновенному ее разрушению.

Взрыв топливных баков вызывает разрушения, которые приводят к гибели всего ЛА.

Рис. 6.11. Образование вторичного факела при поражении бака: 1 – топливо; 2 – горючая смесь; 3 – осколок; 4 – фронт пламени

Для возникновения взрыва в топливном баке необходимо наличие взрывоопасной концентрации топливно-воздушной смеси в надтопливном пространстве баков и источник инициирования взрыва. Горючая смесь образуется в результате смешения паров топлива и кислорода, поступающего в бак, как из атмосферы, так и за счет его выделения из топлива.

При поражении топливного бака осколок сам по себе не является источником воспламенения, поскольку его температура находится на уровне 30…50°С. Однако при соударении со стенкой бака кинетическая энергия вновь образованных осколков переходит в тепло, которое является источником воспламенения топливно-воздушной смеси в надтопливном пространстве бака (рис. 6.11). Зона поражения осколком состоит из мельчайших частиц обшивки, имеющих температуру около 1000...1500°С, и является мощным инициатором взрыва.

Создание инертной атмосферы в надтопливном пространстве бака

Для исключения возможности воспламенения в надтопливном пространстве бака в его полости необходимо создать инертную атмосферу. С этой целью в него могут подаваться различные нейтральные газы и хладоны в газообразном состоянии. Это достигается с помощью устанавливающихся на борту ЛА специальных систем. Они подразделяются на штатные, т. е. действующие в течение всего полета и аварийные, включающиеся в сложных ситуациях, например при вынужденной посадке.

Рис. 6.12. Принципиальная схема баллонной системы НГ: 1 – баллон высокого давления; 2 – устройство сигнализации разрядки баллона; 3 – кран стравливания азота; 4 – штуцер; 5 – дроссель; 6 – кран аварийного заполнения бака; 7 – калиброванное сопло с подогревателем; 8 – предохранительный клапан; 9 – датчик давления; 10 – топливный бак; 11 – подкачивающий насос топливной системы

В качестве рабочего тела в этих системах чаще всего используют азот и углекислоту. Запас азота на борту ЛА может храниться либо в газообразном состоянии в баллонах высокого давления, либо в сжиженном состоянии в сосудах Дьюара специальной конструкции. В зависимости от этого системы нейтрального газа, использующие в качестве рабочего тела азот, подразделяются на баллонные и криогенные.

Принципиальная схема системы с баллонным содержанием азота приведена на рис. 6.12. Давление азота в баллоне 1 составляет 15...20 МПа. Система может работать как в штатном, так и в аварийном режиме. В штатном режиме азот через калиброванное сопло с подогревателем 7 поступает в надтопливное пространство бака для создания в нем инертной атмосферы. Излишки азота сбрасываются в атмосферу через предохранительный клапан 8. В аварийном режиме для быстрого заполнения надтопливного пространства открывается кран 6, и азот поступает в бак через дроссель 5 и сопло 7 одновременно. После достижения избыточного давления в баке значения порядка 0,015...0,02 МПа по сигналу от датчика давления 9 кран 6 закрывается, а остатки азота из баллона стравливаются в атмосферу через кран 3.

Недостатком рассмотренной системы является большая масса баллонов высокого давления.

В криогенных системах нейтрального газа азот содержится в сосудах Дьюара в сжиженном состоянии под избыточным давлением около 0,7...0,8 МПа (рис. 6.13). Интенсивность газовыделения, а значит, и расход газа в системе регулируются с помощью нагревателя в зависимости от условий полета. В случае необходимости резкого увеличения подачи азота в работу включается резервный баллон 8, содержащий азот под высоким давлением.

При большой продолжительности полета массовые характеристики даже у криогенных систем, работающих в штатном режиме, становятся неудовлетворительными. Поэтому в этом случае более рационально использовать газогенераторные системы, вырабатывающие нейтральный газ прямо на борту ЛА.

Рис. 6.13. Криогенная система НГ с газификатором: 1 – газификатор; 2 – система регулирования газообразной и жидкой фаз; 3 – подогреватель; 4 – топливный бак; 5 – ПК; 6 – дозатор (жиклер); 7 – редуктор; 8 – баллон с газообразным НГ

В этом случае часть топлива сжигается в специальной камере-газогенераторе. Основными продуктами сгорания являются углекислый газ и пары воды. Далее из продуктов сгорания удаляется влага с помощью холодильника (вымораживание) и осушителя. Поскольку продукты сгорания (углекислый газ) на выходе из осушителя имеет низкую температуру, его подача в топливный бак может вызвать конденсацию паров воды, находящихся в баке. Для предотвращения этого явления углекислый газ нагревается в подогревателе и только после этого подается в надтопливное пространство бака.

Существуют системы, в которых в качестве рабочего тела используются хладоны, топливные баки в течение всего полета наддуваются смесью хладона из специальной емкости и воздуха, поступающего от СКВ. Следует отметить, что для хладона F-114В₂ объемная огнетушащая концентрация составляет 1,9%, а соответствующая ей массовая огнетушащая концентрация – 0,162 кг/м³. Несмотря на то, что применение хладонов позволяет значительно улучшить массовые характеристики системы, он обладает существенным недостатком. Стравливаясь из топливных баков в атмосферу в течение всего полета хладон, является экологически вредным, так как разрушительно воздействует на озоновый слой атмосферы.

Протектирование и заполнение объема баков поропластом

В качестве конструктивных мер, предотвращающих вытекание топлива через пробоины и образование вторичного факела от осколков в результате боевого поражения или удара молнии применяется протектирование топливных баков. С этой целью внутренняя поверхность стенки топливного бака покрывается слоем пенопласта, поры которого заполнены специальным веществом — коагулятором, твердеющим при контакте с воздухом. При разрушении осколком пенопластового протектора из пор последнего выделяется коагулятор, который заволакивает пробоину и затвердевает, образуя своеобразную пробку.

Внутренний объем бака заполняется полностью или частично полиуретановым поропластом, образующим в баке сетчатую структуру с диаметром ячейки 3...4 мм. В этом случае в баке происходит самозатухание процесса горения независимо от того, какими источниками он инициирован.

Физические основы этого процесса состоят в том, что после воспламенения от какого-либо источника в выделенном объеме происходит выделение тепловой энергии. Это теплорасходуется на подогрев слоев топлива, прилегающих к зоне горения, и на теплообмен с окружающим объемом за счет теплопроводности. Как только температура слоев топлива, прилегающих к зоне горения, достигает температуры самовоспламенения, они загораются и зона горения увеличивает свои размеры. Однако при уменьшении диаметра выделенного объема начинает увеличиваться доля тепловой энергии, рассеиваемой в окружающем объеме за счет теплопроводности. При диаметре около 3...4 мм рассеиваемая энергия становится больше тепловой энергии, выделяющейся в зоне горения. В этом случае топливо уже не может быть нагрето до температуры самовоспламенения, и процесс горения прекращается.

Следует помнить, что при заполнении бака поропластом теряется часть его полезного объема.

Потери обусловлены:

- потерей объема, равной, примерно 1%;

- потерей из-за массы поропласта – 3%;

- потерей, связанной с невыработкой части топлива из-за адгезии (смачиваемости), составляющей около 3%.

Таким образом, суммарные потери составляют ~7%.

Применение поропласта в топливных баках обеспечивает:

- практически полную взрывную и пожарную безопасность;

- отсутствие гидроудара или минимальный гидроудар при столкновении самолетов и вертолетов с препятствиями;

- уменьшение влияния перемещения топлива в баках при маневрах, и, следовательно, минимальное влияние на изменение центровки самолета или вертолета;

- лучшее использование протектирования.

Контрольные вопросы для самопроверки