Системы защиты ЛА от взрыва

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

1. Каковы условия возникновения пожара?

2. Что является основной причиной воспламенения на борту?

3. Какие наиболее вероятные зоны возникновения пожара?

4. Назовите пассивные методы защиты от пожара.

5. Какие требования предъявляются к системе сигнализации?

7. Назовите типы датчиков противопожарной системы.

8. Каковы возможные методы тушения пожара?

9. Источники взрыва при боевом поражении ЛА.

10. Основные способы защиты топливных баков от взрывов.