理论分析和试验研究的物理爆炸平流层飞艇的信封

介绍

平流层飞艇是一种轻于空气的飞行器,取决于活跃漂浮在高海拔地区,而不是卫星或飞机。其内部加压气体氦和空气。内部气体和外部环境之间的压力差飞艇信封维护信封的形状和决定了飞艇的漂浮的高度。因此,飞艇的建筑材料必须具有很高的强度重量比和优秀的撕裂强度(翟隽和安东尼,2005)。飞艇信封最常见的故障是由于撕裂传播,通常从微小的裂纹发展,最终导致大面积撕裂甚至爆炸。许多研究平流层飞艇的撕裂性能信封上材料已经发表,包括分析方法(Galliot Luchsinger, 2009;妈,2011;王et al ., 2013;分钟et al ., 2014;孟et al ., 2016;易et al ., 2020;丁et al ., 2021),测试方法(米勒和曼德尔,2000年;白et al ., 2011;王et al ., 2012;陈et al ., 2018),和裂缝延伸模型(前川et al ., 2008;曹et al ., 2015;徐et al ., 2017)。然而,没有研究计算能量和飞艇爆炸的冲击波。评估物理爆炸破坏加压平流层飞艇信封,Brode方程(Brode 1959),布朗的方程(布朗,1985)和Crowl方程(Crowl 1992)应用于估计爆炸能量。Prugh修正梯恩梯当量法(丹尼斯et al ., 2000)应用于估计爆炸超压。加压飞艇气囊爆炸测试提出了合理性验证评估方法。

理论

的爆炸超压加压平流层飞艇的信封

冲击波超压可以测量损伤的程度,爆炸可能导致诸如建筑和人体。从加压平流层飞艇爆炸信封是一个典型的物理爆炸。立即释放储存能量,产生一个冲击波,加速飞艇信封碎片。确定从一个飞艇气囊爆炸超压,爆炸能量必须首先进行。Prugh (丹尼斯et al ., 2000)提出了一个修正梯恩梯当量方法使用虚拟距离爆炸中心估计冲击波效果;这可以应用于爆炸研究加压平流层飞艇。过程如下。

确定爆炸的能量

有各种各样的表情,可以开发计算物理爆炸释放的能量从一个加压容器。Brode (Brode 1959)开发的最简单的表达式1),这表示所需要的能量提高膨胀的压力气体在大气压力的恒定体积爆炸压力E:

E是爆炸的能量, $P_1$ 是初始的压力容器, $P_0$ 是标准的压力,V是容器的体积,然后呢 $\gamma$ 是扩大气体的热容比。

布朗(布朗,1985)认为,爆炸2)发生等温地和派生一个表达式基于理想气体定律。

Crowl (Crowl 1992)提出另一种方法假设可用能源代表最大机械能可以从材料中提取它进入与环境的平衡。关于无电抗材料最初在压力P和温度T和扩大到压力 $P_E$ ,最大的机械能量E可以表示为情商。3:

确定爆炸压力表面的飞艇信封

爆炸压力Ps表面的信封可以由情商决定的。4。这个方程假设扩张将发生的空气在大气压力温度25°C和整个容器爆炸能量分布均匀。因此,这个方程是一个试错的解决方案。

在哪里 $P_{\mathrm{年代}}$ 是压力容器的表面(abs), $P_b$ 的爆破压力容器(abs), T是扩大天然气的绝对温度(K)和M的分子量是扩大天然气(质量/摩尔)。

计算了距离

爆炸的扩展距离Z可以从情商。5:

Z是规模的距离(米/公斤^1/3), $c_{我}$ ,a、b所示的常量表1。

计算一个值的距离爆炸中心

从爆炸距离R的值可以用方程式计算。6,7:

在哪里 $W$ 是TNT的等效质量, $\eta$ 是一个经验效率,M是碳氢化合物的质量,然后呢 $E_{TNT}$ 是TNT的燃烧热(4437 - 4765焦每千克或1943 - 2049 Bru /磅)。

计算虚拟距离 $R_x$ 和比例距离的中心容器的表面 $Z_R$

在哪里 $r$ 是距离的中心容器表面加压气体。

确定超压 $P_{ZR}$

超压在物体距离决定用情商。5:

实验

一个飞艇气囊模型FV1160信封的设计和生产材料。飞艇气囊模型的几何尺寸确定为在半径5米长,1.28米(图1)。一个气泵来注入空气飞艇信封,直到它爆炸了。差压记录仪用于记录信封的压差通过整个过程。两个高速相机利用捕获的爆炸过程的飞艇信封。分别三个压力表坐落在距离1.1175米,2.6175米和4.6175米的爆破位置测量冲击压力。

信封是不断加压泵,它爆炸了36个kPa的压差。表2列出了在不同位置超压。

结果与讨论

修正梯恩梯当量法应用于计算从这个飞艇气囊爆炸超压的冲击。起初,爆炸能量计算使用Brode方程,布朗和Crowl (图2)。爆炸能量的压力差36 kPa飞艇气囊内部和外部之间的气体,分别393.8 kJ, 181.5 kJ, 23.95 kJ。提供的三个方法从而显著不同的结果。

使用爆炸能量计算了这三种方法,Prugh修正梯恩梯当量法应用于估计爆炸超压的压差的36个kPa。所示图3,这个修正梯恩梯当量法是基于三个爆炸能量计算方法估算超压是一个试错的解决方案。列出了理论计算结果和实验结果表3,列出了三种计算方法的误差值表4。所有的计算和实验结果表明低精度。然而,爆炸超压的值使用Crowl的方程是最接近试验结果,特别是当飞艇信封的中心的距离增加。Brode方程假设该船的体积常数在爆炸过程中,忽略了工作由气体膨胀。布朗的方程假设发生等温地扩张,所有压缩能量用于爆炸。Crowl方程假设最大机械能可以从材料中提取它进入平衡的环境。括号内的第一项Crowl方程等价于等温的能源的扩张。括号内的第二个任期代表能量的损失由于热力学第二定律。因此,Crowl方程计算结果小于布朗预测的结果。

几何比例的影响

模型对飞艇信封一般在地面爆炸试验研究中使用信封爆炸特征为节约成本和方便操作。破裂的位置可能会发生在最大半径R,因为这个职位最箍和轴向压力。

在哪里 $f_h$ 环向应力, $f_{\mathrm{一个}}$ 轴向应力,t是信封的厚度的材料,然后呢 $\Delta P$ 是内部和外部之间的压力差气体飞艇的信封。

因此,如果飞艇信封的尺寸是k的地面测试模型,其估计爆炸压力差成为1 / k。Crowl方程应用于计算爆炸能量,和校正梯恩梯当量法来估计飞艇气囊与几何尺度的超压比在1 k, 5、10、15、20。所示图4和5、爆炸能量随几何维数的增加呈线性增加。飞艇的表面附近的位置信封,超压增加而上升的几何尺寸。然而,相反的位置远离信封(图6)。

压差的影响

在一般情况下,断裂是由于减少信封强度由于材料缺陷断裂或疲劳的后续发展疲软的包膜材料。断裂可能发生在一个相对压差低于材料的强度理论的价值。因此,有必要分析压差的影响在能源和超压爆炸。所示图7、爆炸能量会显著增大随着压差的增加。相比Brode和布朗的方程,推导出爆炸能量Crowl方程上升缓慢。图8表明,压差对超压有显著影响的中心附近的位置飞艇信封,和超压增加压差上升。然而,随着信封中心距离的增加到8米,超压略有增加随着压差的增加。

各种气体的影响

通常情况下,部分充满了氦气飞艇信封漂浮在空气在20公里的高度。热容比 $\gamma$ 氦是1.6和1.4,对于空气。图9表明,超压的值几乎是一样的彼此在同一距离不同的差异和各种气体的压力。Crowl因为爆炸能量模型推导出的方程不考虑传热过程,空气可以取而代之的是氦气填充进信封在地面爆炸测试飞艇信封以节省成本。

结论

三种方法被用来计算加压飞艇爆炸能量的信封。地面爆炸进行了测试,结果表明,Crowl方程计算爆炸能量比Brode相对更准确和布朗的方程。基于Crowl方程估计的能源,修正梯恩梯当量法应用于计算超压在不同距离信封的中心。

飞艇的表面附近的位置信封,超压增加而上升的维度。然而,相反的位置远离信封。

压差对超压有显著影响的中心附近飞艇信封。然而,随着信封中心距离的增加,日益减少的影响。

热容比 $\gamma$ 填充气体有轻微影响的超压密封的信封。氦可以取代了空气和注入信封在地面爆炸测试飞艇信封。

本文提供一种计算方法,为地面爆炸超压测试安全运行的飞船信封。它提供了一个相对有效的冲击波和爆炸能量计算方法在飞艇爆炸的事件可能的飞行事故。

数据可用性声明

最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/补充材料;进一步询问可以针对相应的作者。

作者的贡献

LS:提出这个想法,理论计算、实验性能,以及数据的收集。YY和ZH型:理论计算和分析。XZ, XG、ZZ和HG:实验性能,数据收集和数据处理。所有作者都同意提交手稿。

资金

第一作者承认资金支持中国科学院的战略重点研究项目(批准号XDA20100200)。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或那些出版商编辑和评论员。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

引用