引燃增强影响特性的分析介绍

相较于惰性弹丸，活性弹丸体现出显著的对油箱结构毁伤增强效应及对燃油的引燃增强效应，且显著受弹丸碰撞速度、燃油填充状态影响。

1.弹丸碰撞速度

不同碰撞速度下，活性弹丸对焊接式满油油箱结构毁伤及燃油引燃状态影响列于表4.4。可以看出，碰撞速度对毁伤效果影响显著。活性弹丸以855 m/s速度撞击油箱过程高速摄影如图4.38所示。

表4.4　活性弹丸对焊接式满油油箱毁伤结果

活性弹丸首先依靠动能撞击并侵彻油箱前面板，在该过程中，弹丸发生一定程度碎裂并被激活，在前面板处形成局部高温场，产生明亮火光。贯穿油箱前面板后，剩余活性弹丸和活性碎片进入油箱内，继续侵彻箱体内部燃油，并将自身动能传递给液态燃油，与此同时，被激活的活性材料将在弹丸侵彻通道内发生化学反应，释放材料所含化学能与大量气体产物，进一步增加侵彻通道内的压力。在动能和化学能联合作用下，油箱内液态燃油开始径向流动，所产生的动态动压场作用于油箱各壁面，造成油箱结构变形。然而，由于碰撞速度过低，流体动压效应不够显著，无法造成油箱焊缝开裂，除前面板被弹丸贯穿留下穿孔外，油箱其余部分基本保持完好。在此情况下，液态燃油仅从油箱前面板穿孔和注油孔中喷出，且燃油未能被引燃。

图4.38　活性弹丸以855 m/s速度撞击油箱过程高速摄影

速度增加至949 m/s时，活性弹丸对油箱撞击过程的高速摄影如图4.39所示。随碰撞速度提高，撞击前面板时更多活性材料被激活，反应产生更明亮火光，高温场范围更广，如图4.39（b）所示。由于此时弹丸具有更大动能，更多活性材料被激活后引发爆燃反应，因此油箱内流体动压效应得以显著提升，从而造成油箱焊缝局部开裂。在此情况下，燃油同时从开裂焊缝及注油孔中喷出，并与周围的空气混合形成一定量油气混合物，如图4.39（c）所示。随后，在活性弹丸撞击前面板后所形成的爆燃火焰熄灭之前，部分油气混合物成功与爆燃火焰相接触，从而成功被引燃，如图4.39（d）～（f）所示。由于此时油箱仍未完全破 裂解 体，燃油无法继续喷出，因此燃油燃烧无法持续且逐渐熄灭，导致最终燃油仅从前面板侵孔中泄漏流出，如图4.39（g）～（h）所示。

图4.39　活性弹丸以949 m/s速度撞击油箱过程高速摄影

随着弹丸碰撞速度继续增加至1 062 m/s或更高，毁伤行为变得更为复杂，如图4.40所示。在该速度下更多活性材料被激活，形成的高温火焰场完全覆盖油箱前面板。活性弹丸贯穿油箱前面板后，撞击引发的更为剧烈的化学能释放将进一步提升油箱内流体动压效应，并最终导致油箱完全破裂。随后液态燃油将沿与油箱背板近似平行方向高速喷出，形成大范围油气混合物。但值得注意的是，此时所形成的油气混合物并未能与之前所形成的爆燃火焰相接触，如图4.40（c）所示。实际上，在油箱完全破裂的条件下，油气混合物的点火有其特殊性，如图4.40（d）～（f）所示，清晰可见油箱内部存在“内点火源”，且不断成长。激活后的活性材料在燃油内部时会一定程度上引燃侵彻通道内的燃油，若油箱未完全破裂，则在侵彻通道内的燃烧会因为氧气不足而很快熄灭。然而，若油箱完全破裂，所有的燃油将会暴露于空气中，并形成理想的油气混合物场，充足的氧环境将引起“内点火源”的不断成长，并最终引燃周围的燃油，进一步发展为持续燃烧。

图4.40　活性弹丸以1 062 m/s速度撞击油箱过程高速摄影

图4.40　活性弹丸以1 062 m/s速度撞击油箱过程高速摄影（续）

由此可见，碰撞速度对活性弹丸撞击油箱时的破裂效果影响显著，而油箱的引燃毁伤行为又与油箱的结构破坏密切相关。当活性弹丸碰撞速度较低而不足以造成油箱完全破裂时，难以引燃燃油，或即使开始引燃了燃油，其燃烧也会很快熄灭。而当碰撞速度足够引起油箱完全破裂时，弹丸在油箱内部会形成一个“内点火源”，且此时燃油能与空气充分混合并形成油气混合物，最终成功点燃燃油并发展为持续燃烧。

2.燃油填充状态

除弹丸碰撞速度外，油箱内燃油填充状态同样对毁伤效果有显著影响。活性弹丸撞击焊接式非满油油箱实验结果列于表4.5。非满油油箱实验中，通过注油孔向油箱内注入部分燃油，保持最终油箱内部燃油液面高度为100 mm，即燃油填充比约为0.53。实验所用活性弹丸为圆柱形，与满油油箱实验完全相同，即尺寸为ϕ10 mm×10 mm，密度约7.8 g/cm3。

表4.5　活性弹丸撞击焊接式非满油油箱实验结果

图4.41　活性弹丸以690 m/s速度撞击焊接式非满油油箱过程高速摄影(www.xing528.com)

与满油油箱显著不同的是，撞击非满油油箱时，活性弹丸的命中位置可分为命中燃油层与油气层两种情况，而命中不同位置时的毁伤行为也截然不同。活性弹丸以690 m/s速度撞击焊接式非满油油箱过程的高速摄影如图4.41所示。撞击油箱前面板后，由于活性弹丸强度较低，撞击后发生了明显碎裂，产生大量碎片，其中较小碎片被激活并发生爆燃，在油箱外形成了局部高温场，产生明亮火焰。由于命中位置为燃油层，活性弹丸贯穿油箱前面板后，剩余活性弹丸和多数活性碎片将进入油箱内部，并将自身动能传递给液态燃油。与此同时，侵彻过程中被激活的活性材料将在活性弹丸侵彻通道内发生化学反应，释放化学能与大量气体产物，进一步增加侵彻通道内的压力。在动能和爆炸化学能联合作用下，燃油开始径向流动，部分燃油从注油孔中喷出。但与满油油箱不同的是，由于非满油油箱内部燃油自由表面的存在，一方面，侵彻过程中所产生的冲击波在自由表面处发生反射，导致冲击压力降低。另一方面，自由表面的存在使得液态燃油受扰动后有了较大的运动空间，从而减弱了燃油与油箱壁面之间的相互撞击作用。因此，活性弹丸在命中非满油油箱燃油层时，油箱各壁面压力载荷远低于满油油箱。同时，在后续撞击中，未造成油箱焊缝开裂。3.0 ms时，活性弹丸撞击前面板所产生的爆燃火焰熄灭，从注油孔中喷出的燃油无法接触有效点火源，从而无法被引燃。因此，最终油箱结构仍基本保持完好，只导致了部分燃油从注油孔以及前面板侵孔处泄漏。

活性弹丸以1 112 m/s速度撞击焊接式非满油油箱燃油层的高速摄影如图4.42所示。活性弹丸速度显著提高后，撞击前面板时发生了更为显著碎裂与激活，产生了更为明亮且扩展范围更大的爆燃火焰，同时可观察到大量碎片向后喷出。但与碰撞速度为690 m/s时类似，燃油自由表面的存在将使弹丸撞击燃油时对油箱结构的损伤大幅下降，油箱发生明显的结构失效，同样只是导致部分燃油从注油孔中喷出。而油箱未完全破裂同样使得燃油无法接触有效点火源，最终只导致了燃油泄漏，且未引燃燃油。

图4.42　活性弹丸以1 112 m/s速度撞击焊接式非满油油箱燃油层高速摄影

图4.42　活性弹丸以1 112 m/s速度撞击焊接式非满油油箱燃油层高速摄影（续）

活性弹丸以1 108 m/s速度撞击焊接式非满油油箱油气层的高速摄影如图4.43所示。由于弹丸命中位置为油箱内液态燃油自由表面以上，弹丸在贯穿油箱前面板后并未在燃油内部继续运动，因此并无燃油从注油孔中喷出，这与命中燃油层时截然不同。但弹丸此时依旧在撞击下发生了明显激活，同样产生了局部高温场与爆燃火焰。弹丸贯穿前面板后将大量高温碎片带入油箱内部，同时继续发生爆燃反应，而油气层在接触到这一有效点火源后被立刻引燃，火焰在弹丸爆燃所形成的高压作用下从注油孔处向外喷出。2.5 ms时，在活性材料爆燃所带来的超压作用下，油箱侧板与后面板之间的焊缝发生明显失效，部分引燃后的油气从焊缝开裂处喷出。此后，油箱其余部分的焊缝逐渐失效，油箱后面板与其余结构脱离，油箱结构完全失效。油箱内原有油气层在被引燃后逐渐消耗完毕，内部燃油大面积向外喷溅，并与周围空气混合形成额外油气混合物。在被引燃油气高温作用下，油气混合物被成功引燃。随油箱结构进一步破坏，更多的燃油喷出与周围空气相混合，最终发展为持续燃烧。

图4.43　活性弹丸以1 108 m/s速度撞击焊接式非满油油箱油气层高速摄影

图4.43　活性弹丸以1 108 m/s速度撞击焊接式非满油油箱油气层高速摄影（续）

速度进一步提高至1 192 m/s，活性弹丸撞击油箱油气层的高速摄影如图4.44所示。由于没有液态燃油黏性阻力作用，活性弹丸在贯穿油箱前面板后，成功贯穿了油箱后面板。与1 108 m/s时相类似，油气层被引燃，在爆燃超压作用下，引燃后的油气火焰从注油孔、前板侵孔以及后面板侵孔三个方向同时喷出。但值得注意的是，此时油箱焊缝处却未发生明显失效，除上述三个方向外，并无油气火焰或液态燃油从油箱其余部位处喷出。由于此时油箱结构未完全破坏，随着油气层消耗，火焰也逐渐熄灭。最终，只造成了油箱前后面板穿孔，且由于命中位置为油气层，撞击后并无燃油泄漏。

速度继续提高至1 679 m/s，活性弹丸作用于油气层的高速摄影如图4.45所示。碰撞速度进一步提高，弹丸贯穿了油箱后面板，由于弹丸撞击前面板时已有大量活性材料被激活，因此后面板侵孔所造成的活性材料损失较小。于是，大部分活性材料仍可在油箱内部发生爆燃反应，释放大量化学能以及气体产物，从而显著提升油箱内超压。油气层被弹丸所产生的高温场成功引燃，火焰同时从注油孔、前面板侵孔、后面板侵孔以及失效焊缝处向外喷出。随油箱完全破裂，火焰由油气层逐渐扩展至燃油层，最终成功引燃油箱内燃油。

图4.44　活性弹丸以1 192 m/s速度撞击焊接式非满油油箱油气层高速摄影

图4.45　活性弹丸以1 679 m/s速度撞击焊接式非满油油箱油气层高速摄影

图4.45　活性弹丸以1 679 m/s速度撞击焊接式非满油油箱油气层高速摄影（续）

上述实验结果表明，在对非满油油箱进行撞击时，活性弹丸的命中位置与碰撞速度对最终毁伤结果均有着至关重要的影响。就命中位置而言，命中燃油层时，由于燃油自由表面的存在，弹丸能量难以通过燃油传递并作用至油箱各壁面，也就更难以对油箱结构造成有效毁伤。且引燃燃油所需点火源较为缺乏，在油箱结构没有明显失效的情况下，喷出的燃油将无法被引燃。而弹丸命中油气层时，一方面，活性材料爆燃所产生的超压可直接作用于油箱各壁面，或通过燃油层传递至油箱各壁面，从而提高了使油箱发生完全破裂失效的可能。另一方面，油箱油气层内含有大量的可燃油气混合物，一旦弹丸成功贯穿油箱前面板进入油气层，这部分油气便能很快被引燃，而引燃后的油气是极为可靠的点火源，也就极大地增加了后续引燃燃油的可能。

更重要的是，命中油气层时，油箱毁伤效果对弹丸碰撞速度极为敏感。当弹丸速度足以贯穿油箱前面板并激活大部分活性材料，但不足以贯穿后面板时，活性材料爆燃反应释放的能量及其超压效应能够较好地作用于油箱结构，从而增强对油箱结构的破坏。而在油气极易引燃的前提下，油箱结构能否完全破裂是引燃燃油的关键。而当弹丸速度足以同时贯穿油箱前后面板时，后面板侵孔会造成一定程度上的活性材料损失以及增强油箱的泄压效应，从而削弱弹丸对油箱结构的毁伤能力，不利于后续引燃。因此，在活性弹丸撞击焊接式非满油油箱时，命中油气层将显著提升对油箱结构的毁伤效果，且当弹丸碰撞速度稍低于或远高于贯穿后面板临界速度时，弹丸对燃油的引燃效果较为理想。