浅谈飞机燃油箱安全防爆技术
摘要：多年来，为了提高飞机的作战生存力，人们研制和开发了多种燃油箱防爆技术。文章重点讨论了铝箔网材料防爆技术，由于具有被动防爆性能、无需经常维护和耐高温、耐湿热等特点，铝箔网材料防爆技术已成为目前最为先进的燃油箱防爆技术之一。
关键词：燃油箱；铝箔网；防爆技术
飞机燃油箱在坠落和被枪弹及炮弹击中后，会引起爆燃和爆炸，确保燃油箱的安全性对提高整机生存率及作战性能都具有非常重要的意义。飞机燃油箱的安全防爆问题，国内外非常重视，因为在战争中，遭受火力攻击后，燃油系统失火和爆炸是导致飞机大量损失的主要原因。
1防爆技术介绍
防爆技术的研究主要分为两个方向：其一是采用抑爆材料，如聚氨脂泡沫和铝箔网；其二是采用惰化系统，如氮气和海伦惰化系统。前者属被动式防爆装置；后者属主动式防爆装置。两种系统在飞机上都得到应用。
惰化系统需要一套控制系统，整个装置显得比较复杂，有的惰化系统需要提供一套地面供应源设备，成本高。该系统要应用需要大量投入，如海伦惰化系统，要确定海伦和空气的混合比，而确定海伦的浓度需反复进行试验。海伦对燃油的污染，对发动机燃烧的影响，更是需要大量的试验才能得出结论。美国在这方面做了大量的研究工作，在F-16飞机上进行了试用。我国在这方面仅掌握了些理论，研究长达10多年，但应用试验工作还没有开展。至今世界上在燃油箱安全防爆方面，绝大多数飞机如S-27、MIG-29、F105、F4、C-130、F-15等飞机都是采用聚氨脂泡沫材料填充燃油箱的方法来防止油箱爆炸。
聚氨脂泡沫材料装填燃油箱，优点是实施简便，减少后勤保障，且具有全天候保护飞机的能力。这使得它成为一种可以替代当时所采用的燃油箱惰化方案。然而，美国空军在越战中发现，东南亚的热带气候，使得泡沫在极端的温度和湿度条件下，暴露了其不足之处，最主要的不足是缺乏水解稳定性。且当其分解时，燃油系统受到污染，容易造成油滤堵塞。于是美国在1967年发布了一份技术要求，需要一种在高温高湿条件下不产生水解作用而不破碎的材料。之后又发布多种技术要求，提及将铝箔材料加入其技术要求中。技术要求明确规定：提供高性能飞机所用的工作温度在200°C以上的替代材料，用以替代目前使用的聚氨脂泡沫材料。铝箔材料能满足美国空军所提出的技术要求，之后进行了研究开发，并发布了一系列的报告，研究报告表明抑爆材料对飞机燃油箱进行了有效的保护。该报告首先肯定铝箔是最新的，同时也是最为先进的抑爆材料之一。这种材料是铝箔拉制而成的铝箔网。它具有泡沫充填材料的被动防爆性，无需后勤保障的优点；同时，因其金属特性，在工作温度方面没有限制，具有水解稳定性，并且在
加油的过程中不易产生静电。而上述三点正是聚氨脂泡沫材料的主要不足之处。
目前国内生产的飞机还没有装填防爆材料或采取防爆措施。关于燃油箱安全防爆方面，总的发展趋势是研发先进的抑爆材料。现有的两种抑爆材料中，铝箔网材料比聚氨脂泡沫材料具有更多的优良特性。这好比两个圆，相交的部分是抑爆的代用品，不相交的部分是前者具有良好的导电性、热传导性、耐高温高湿性、寿命长。应用铝箔网材料作为飞机燃油箱抑爆材料将是今后的发展方向。
2铝箔网材料的抑爆原理
装有易燃、易爆流体容器中的可燃气体或燃油蒸气与空气混合物在一定的浓度范围内，如遇到一定能量的点火源，就会发生爆炸。这个浓度范围叫做爆炸浓度极限，几种常见的可燃气体或蒸汽的爆炸极限见表1。
常见的可燃气体的最大爆炸压力约为0.7～0.8 MPa(乙炔约为1.0 MPa)。试验结果表明，可燃气体的最大爆炸压力实际上与容器无关。容器容积的大小仅影响可燃气体最大压力的上升速度。容器容积小时，最大压力上升速度快。
铝箔网材料的抑爆原理与阻火器的工作原理相类似。燃油箱发生爆炸通常是由于燃油的挥发性气体快速燃烧，释放出大量热量，使燃油箱内的压力急剧增高，超过了油箱本身允许承受的压力。爆炸发生时，封闭容器内产生的最大压力取决于初始压力，气体的摩尔数变化和温度变化。
Pm=
式中，Pm为最大爆炸压力，MPa；Pi 为初始压力，MPa；Ni 为在初始混合物中气体的摩尔数目；Nf为在燃烧货分解的混合物中气体的摩尔数目；Ti 为初始温度，K；Tf 为最终温度，K。
可燃气体发生燃烧反应时，反应前的Ni值与反应后的Nf值相差不大。因此，爆炸所产生的压力基本上是由于燃烧过程中温度上升造成的。油箱中放置铝箔网材料后，由于该材料迭层中的网孔组成了蜂窝状的结构，把油箱内腔分成许多很小的“小室”，这些“小室”可以遏止火焰的传播。同时，这种蜂窝结构在单位容器内具有很高的表面效能，从而具有极好的吸热性，可迅速将燃烧释放出来的绝大部分热量吸收掉，使燃烧反应后的最终温度Tf大大降低，反应气体的膨胀程度大大缩小，容器内的压力值增高不大。因此铝箔网材料具有良好的抑爆性能。
3与其他防爆技术的比较
在对铝箔网材料进行了一系列的试验和装填后，我们可以发现铝箔网材料还具有低污染、低留空率、较好的抗过载变形、抗磨损、抗腐蚀等多项优点。
除了使用网状泡沫塑料防爆外，还有其他一些防爆方法：
①聚氨脂泡沫材料。实施简便，减少后勤保障，且具有全天候保护飞机的能力。但缺乏水解稳定性，易造成油滤堵塞。②液氮。用氮气稀释和清除燃油箱上部空间的氧气。液氮重量轻，可用燃油量大，燃油污染程度低。但其后勤保障复杂，成本高。③机载惰性气体发生系统。分为分子筛惰性气体发生系统和渗透膜惰性气体发生系统两种，降低氧气含量至9％以下。机载惰性气体发生系统寿命长，重量轻，在整个飞行过程中都可提供惰性气体，不受存贮容量的限制。④HALON1301惰化系统。该惰化系统不减少可用燃油量，重量轻，效率高，安全可靠，维护简便，成本低。
与上述方法相比，使用铝箔网材料防爆具有寿命较长，重量轻，体积小，散热性能好等优点。
4结语
目前国内外都非常重视燃油箱防爆问题，而采用铝箔网材料正是一种极为有效和可行的方法。我国应加速开展这方面的研制工作，这对现役机种的技术改造和新机种的研制都有重要意义。我相信在未来的飞机燃油箱防爆方面，铝箔网材料将迎来其更广阔的发展空间。
参考文献：
[1] 王震.飞机燃油箱防爆及抑爆材料应用技术[J].航空科学 技术,2002,(3).
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
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