CC BY
51
И. М. АБДУРАГИМОВ, д-р техн. наук, профессор, академик НАНПБ,
полковник внутренней службы, профессор МГТУ им. Н. Э. Баумана, г. Москва, Россия
УДК 541.427.32:658.382.3:006.354
ЭФФЕКТ "УБЕГАНИЯ" ПАРОВОЗДУШНОЙ ГОРЮЧЕЙ СМЕСИ ОТ ФРОНТА ПЛАМЕНИ ПРИ "ВЗРЫВЕ" ЕЕ В ЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ
Рассмотрены физика и газодинамика распространения дефлаграционного взрыва в газо- и паровоздушных смесях в "замкнутом" объеме; механизм распространения и перемещения фронта пламени по горючей смеси и эффект оттеснения "свежей" горючей смеси фронтом пламени; эффект огнепреграждения пористым "твердым" телом и создание высокоэффективной системы взрывозащиты для самолетных топливных баков при их боевом поражении.
Ключевые слова: дефлаграционный взрыв; фронт пламени; горючая смесь; пористый огне-преградитель; динамика взрыва; механизм огнепреграждения.
Это история одного несостоявшегося "научного открытия", послужившего, тем не менее, научной основой для разработки самой современной системы защиты самолетных топливных баков от их разрушения при взрыве топливовоздушной смеси вследствие их боевого поражения.
Быстротечная река времени с каждым прожитым днем, месяцем, годом неумолимо отдаляет нас от событий прошлого, превращая их в историю. Но те, кому посчастливилось прикоснуться к этой истории хотя бы кратковременно или косвенно — сотрудничать или только общаться на деловом поприще с талантливейшими специалистами в своей области и замечательными людьми своего времени, такими, например, как академик Я. Б. Зельдович, Генеральный авиаконструктор СССР П. О. Сухой, член Правительства СССР маршал Д. Ф. Устинов и др., и через 50 лет будут с удовлетворением и благодарностью вспоминать и об этих встречах, и о тех успехах, которыми они обязаны этим людям.
Многое из того, что происходило 40-50 лет назад (в том числе в области науки и техники) и что теперь уже называется историей (а порой и давней историей), не утратило смысла и практического значения и по сей день.
В конце 50-х - начале 60-х годов во всю бушевала "холодная война", с каждым годом все сильнее накаляя обстановку в мире и обостряя отношения между двумя мощными державами. Американцы явно уступали Советскому Союзу в освоении космоса и очень боялись советского военного потенциала, особенно его средств стратегического назначения (а это всегда была обратная сторона военной угрозы потенциальному противнику), поэтому они всеми силами старались не отстать от нас в разви-
© Абдурагимов И. М., 2012
тии стратегических сил военного назначения. Начиналась неудержимая гонка вооружений. Атомные и ядерные потенциалы двух лидирующих стран были соизмеримы или, по крайней мере, сопоставимы.
По способам доставки средств боевого поражения к цели противника не было единой позиции ни в одном, ни в другом лагере. Были сторонники решения задачи доставки атомного или ядерного оружия к цели с помощью дальней авиации; были сторонники ракетно-ядерного удара по целям противника; были сторонники развития морских средств доставки ракет сравнительно малого радиуса действия с боевым ядерным зарядом как можно ближе к границам противника (скрытно, средствами подводного ядерно-ракетного флота). Получила развитие также стратегия "окружения" противника путем размещения ядерных ракет среднего и малого радиуса действия на сопредельных территориях государств, в непосредственной близости от стратегических целей противника (что не утратило своей остроты и актуальности в политике многих стран мира и по сей день: то и дело предпринимаются попытки разместить ракеты с ядерными боеголовками то в Польше, то в Румынии, то на юге России).
В этой обстановке острейшей борьбы, конкуренции и напряженного противостояния особое значение приобрела проблема сбора информации о средствах, возможностях и намерениях противника, т. е. особую ценность представляли разведывательные данные о противнике и, стало быть, все формы шпионажа.
Именно в этот период американская дальняя авиация приобрела некоторое техническое преимущество над военной авиацией Советского Союза по
двум основным параметрам — дальности и высоте полета. Американские стратеги не замедлили этим преимуществом воспользоваться. Залетая на территорию Союза то с юга (из района Афганистана), то с северо-запада (с территории скандинавских стран), то с юго-востока, они неоднократно беспрепятственно пролетали над огромной территорией Советского Союза и с помощью аэрофотосъемки собирали необходимую им разведывательную информацию, а затем, скрываясь от наших наземных ракетных и авиационных средств обороны и боевого противодействия, уходили в сопредельные государства, предоставляющие им свои аэродромы.
Именно такой очередной диверсионный эпизод был организован 1 мая 1960 г. Теоретически все было рассчитано верно, с учетом технических возможностей советской авиации и ситуационной политической обстановки в стране в этот праздничный день. До этого дня самолеты-шпионы У-2 фирмы "Локхид" с целью разведки уже более 27 раз безнаказанно облетали практически всю территорию Советского Союза. "Потолок" высоты полета У-2 достигал 20-22 км, а наших самолетов-истребителей типа МиГ — всего 17 км, самолетов Су — несколько больше, порядка 19-19,5 км. Поэтому воздушный шпион оставался недосягаем для наших самолетов, что и подтвердилось в тот день: два боевых вылета на перехват и уничтожение шпиона оказались безуспешными. Принимать радикальные решения на уровне Правительства страны (включая Генсека ЦК КПСС Н. С. Хрущева; Министра обороны маршала Р. Я. Малиновского или Главкома авиации и пр.) было некому, так как в этот утренний час все находились на трибуне Мавзолея, на Красной площади Москвы. Именно на это рассчитывали стратеги шпионской войны, посылая Френсиса Пауэрса на самолете У-2 "Локхид" из Пешавара (Афганистан) через всю Среднюю Азию, Урал, Север России, с предполагаемым уходом на посадку на аэродром одной из скандинавских стран (аэродром в Буде, Норвегия).
Однако все получилось иначе. Засекли самолет-шпион над южными территориями страны и безуспешно пытались сбить над Центральной Россией и над Северным Уралом. Наконец, с использованием тактических возможностей противовоздушной ракеты С-75 У-2 был сбит (правда, не первой ракетой, как позднее хвастался Н. С. Хрущев, а только седьмой. Одна из этих ракет попала в наш МиГ-19, несмотря на систему "свой - чужой").
Пилот самолета-шпиона с трудом выбрался из кабины падающего самолета и на парашюте приземлился в районе одного из совхозов Северного Урала. Целью этого полета было уточнение дислокации советских средств противовоздушной оборо-
ны и размещения подземных стратегических ракет с ядерными боеголовками для поражения целей на максимальной дальности. Американцы тогда предполагали, что мы имеем большое численное и качественное преимущество в стратегических ракетах дальнего радиуса действия, и чрезвычайно боялись этого.
Перечисление возможных средств ядерного боевого поражения цели, приведенное выше, необходимо для того, чтобы хоть поверхностно оценить достоинства и недостатки каждого из них при принятии решения о предпочтительности того или иного способа доставки ядерных бомб или ядерных боеголовок к цели.
С одной стороны, наиболее предпочтительными представляются стратегические ракеты дальнего действия. Но, во-первых, масса доставляемого ими заряда ограничена; во-вторых, их полет к цели длится достаточно долго, в силу чего возможно противоракетное противодействие (ракетами же!) на дальних подступах к цели; в-третьих, стартовые позиции этих ракет могут быть зафиксированы и в момент их пуска, и даже заранее, с тех же самолетов-шпионов типа У-2 (а позже стало возможно и из космоса, со спутников Земли).
Передвижные стартовые установки с переменной дислокацией их базирования на суше, а тем более ракеты, размещенные на морских судах, особенно на подводных лодках, устраняли многие из этих недостатков, но не все. Поэтому периодически обсуждался вопрос о способах доставки ядерного оружия с помощью дальней стратегической авиации. В частности, рассматривался знаменитый проект "Хромовый Купол", в соответствии с которым десятки стратегических самолетов-бомбардировщиков с ядерными бомбами на борту должны были барражировать в небе "денно и нощно", круглосуточно и по всему миру, вокруг территории потенциальных противников. Но после нескольких аварий на этих самолетах и нескольких потерь бомб с борта летящего самолета и возле берегов США, и у берегов Испании, и в скандинавских странах от этой безумной идеи постепенно отказались все страны мира.
Тем не менее заманчивость перспективы доставки бомбы самолетом к поражаемой цели существует и по сей день. У этого варианта есть свои тактические и стратегические преимущества, но есть и весьма существенные недостатки: очевидность цели (самолет), большая длительность полета и др., а главное — это уязвимость самолета-доставщика.
Для наглядности разъяснения последнего недостатка рассмотрим некоторые способы уничтожения воздушной цели (если она находится еще на большом удалении, над "безопасной" территорией):
1) поражение цели ракетой со взрывным боезарядом путем прямого попадания в цель (с земли или боевого самолета);
2) с помощью мощных радиопомех увод самолета от цели или уничтожение его;
3) уничтожение воздушной цели за счет огромной потенциальной энергии топлива, размещенного на борту самого самолета-бомбардировщика (этот способ наиболее доступный и в те годы наиболее распространенный).
При этом уместно вспомнить шутку авиаконструкторов — проектировщиков планера самолета: "Что такое самолет? Это система топливных баков в фюзеляже и крыльях самолета, среди которых выделено немножко места для размещения двигателя и кабины пилота". И это почти правда. Если из возможной площади поражения поверхности боевого самолета исключить площадь, занимаемую некоторыми жизненно важными агрегатами (ЖВА), то на различных типах и моделях самолетов на долю топливных баков приходится до 80-85 % поражаемой поверхности летательного аппарата.
А что такое топливный бак самолета (вертолета)? Это емкость вместительностью от нескольких десятков литров до нескольких кубометров, как правило, разомкнутого типа (т. е. сообщающаяся системой трубопроводов и клапанов с забортной атмосферой) для регулирования давления внутри топливного бака по мере его опорожнения (выработки или перекачки топлива с целью изменения центровки самолета в полете) и при изменении высоты (эшелона) и скорости полета самолета.
Исходя из условия поддержания внутри бака допустимого давления топливные баки самолетов, как правило, свободно "дышат", выпуская частично излишние пары топлива или впуская внутрь бака свежий забортный воздух. Поэтому в надтопливном пространстве всех топливных баков почти неизбежно образуется топливовоздушная (воздушно-паровая) пожаровзрывоопасная смесь. (Правда, на некоторых (в основном боевых) типах самолетов существуют системы искусственного регулирования состава газовоздушной смеси в надтопливном пространстве полузамкнутого типа, но они довольно сложны по конструкции и в эксплуатации.)
Поскольку в надтопливном пространстве топливных баков существует пожаровзрывоопасная смесь, а площадь поверхности этих баков исчисляется десятками (и даже сотнями) квадратных метров, то более целесообразно уничтожить такую воздушную цель, используя энергию горения (или взрыва) именно этой смеси или жидкого топлива. Тем более что для инициирования процесса горения (взрыва) этой горючей системы необходима лишь ничтожно малая энергия (всего несколько милли-
джоулей, что в десятки и даже в сотни раз меньше энергии, необходимой для повреждения или разрушения ЖВА самолета). А вероятность попадания в топливные баки самолета из-за огромной их площади поражения в десятки раз выше, чем вероятность попадания в элементы ЖВА.
Для лучшего понимания и оценки параметров поражающих элементов, способных уничтожить воздушную цель (самолет) путем воспламенения топлива на его борту, напомним, что металлический осколок массой 2-3 г (с 2-3-копеечную советскую монетку) при скорости соударения с воздушной целью 50-100 м/с обладает энергией, вполне достаточной для того, чтобы пробить обшивку самолета (обшивку топливного бака) и инициировать процесс горения (или взрыва) топлива, находящегося на борту самолета и абсолютно необходимого для его полета.
Одним из способов уничтожения самолетов и вертолетов был взрыв боевой головки зенитного снаряда в районе полета воздушной цели. Площадь разлета образующихся при взрыве осколков массой 2-3 г исчислялась десятками квадратных метров, количество их — тысячами, скорость разлета — сотнями метров в секунду. Поэтому вероятность поражения летящей цели возрастала в десятки раз, а уничтожение цели в случае возникновения пожара на борту самолета, и тем более взрыва в его топливных баках, становилось практически неизбежным (рис. 1 и 2).
Для защиты конструкции самолета от пожара и для тушения пожаров топлива на его борту в условиях полета со времен Второй мировой войны разработано множество типов систем, устройств и приспособлений. Особенно высока эффективность систем пожаротушения на советских самолетах боевого и гражданского назначения. На некоторых из них существовало три и даже четыре очереди последо-
Паровоздушная смесь в надтопливном пространстве топливного бака
Рис. 1. Схема "мягкого" самолетного топливного бака и развития взрыва при его боевом поражении
Рвзо' а™
fсм ""Устех
^взр
рдоп 1 взр
1,5 атм)
т, с
Рис. 2. Давление взрыва керосиновоздушной смеси при ее горении в замкнутом объеме в зависимости от времени его
V Т 2200
развития; р^ = Л.Л = РоЛ ^ » 1 • 1,1 • -300" » 8 атм
(Р0 и Т0 — начальное давление и температура соответственно; л — коэффициент полноты сгорания; -пс и Тпс — объем и температура продуктов сгорания соответственно)
вательно включаемых систем пожаротушения очень высокой эффективности. Отчасти потому, что из-за конструктивных и, особенно, технологических недостатков наши самолеты горели в полете намного чаще зарубежных.
Таким образом, ликвидировать пожар на самолете в полете, даже при его боевом поражении, и дотянуть до аэродрома, или совершить экстренную вынужденную посадку, или покинуть боевой самолет при его боевом поражении и возникшем пожаре шансов достаточно много. Из опыта эксплуатации советской авиации известно множество таких случаев и практически на всех видах и типах самолетов и вертолетов. Один из них просто уникальный, когда в одном полете пассажирского самолета Ил-18Б, следующего из Одессы в Поти вдоль всего Черноморского побережья, произошло четыре пожара подряд в нескольких отсеках самолета. Все пожары были успешно потушены в полете, и самолет благополучно приземлился в порту назначения. Правда, надо признать, что это был единственный такой случай.
А вот с проблемой защиты от взрыва в топливном баке при боевом поражении (или из-затехниче-ской неисправности материальной части) дело обстояло во стократ хуже: спасения от него практически не было. Разрушения конструкции самолета при этом были столь существенны, что катастрофа становилась практически неизбежной. Правда, на некоторых крупных самолетах конструкции С. В. Ильюшина, О. К. Антонова, А. Н. Туполева существовала система наддува топливных баков самолета нейтральным газом (сжатым азотом или СО2), особенно при подлете к вероятной зоне боевого пора-
жения. На самолетах конструкции Туполева и некоторых других были предусмотрены даже системы предварительной дегазации топлива для удаления из него воздуха (в основном кислорода), растворенного в нем ранее, а также системы контроля и регулирования состава газов в надтопливном пространстве самолетных топливных баков самолета.
Но все эти разработки носили в основном опытный характер, серийные системы защиты топливных баков от взрывов получались довольно тяжелыми, сложными и хлопотными в эксплуатации, иногда с большим количеством расходных материалов и другими эксплуатационными, технологическими, конструктивными недостатками, препятствующими широкому внедрению их в транспортную, гражданскую и боевую авиацию.
Таким образом, защита самолетных (и вертолетных) топливных баков от взрыва в них паров топли-вовоздушной смеси в условиях нормальной эксплуатации, а тем более при боевом поражении самолетов и вертолетов военного назначения, была очень сложной и актуальной задачей тех лет.
Правда, к тому времени уже была разработана довольно сложная, но весьма эффективная автоматическая система подавления взрыва (АСПВ) в самолетных топливных баках. Идея такой системы была заимствована из разработок английской фирмы "Гравинер", которая якобы применяла нечто подобное на самолетах еще во времена Второй мировой войны (т. е. в 40-х годах прошлого века). Однако принцип действия этой системы и ее конструктивное и технологическое исполнение представлялись весьма несовершенными, а эффективность действия сомнительной.
Сама идея подавления взрыва в замкнутом объеме, даже в самолетном топливном баке, на стадии его развития и распространения показалась весьма заманчивой и перспективной. Из-за отсутствия каких-либо данных о параметрах английской системы и ее конструктивном исполнении нами был выполнен полный объем научных исследований по динамике зарождения и параметрам развития такого взрыва. Затем были проведены исследования по определению возможности безынерционной регистрации взрыва по его световому излучению, а главное, по фи-зикохимии способов его активного автоматического подавления менее чем за 10 мс с момента его возникновения.
Принцип действия системы состоял в том, что за время порядка 1-2 мс с момента возникновения взрыва факт его возникновения регистрировался по световому излучению специальным электронным устройством. Этот сигнал преобразовывался в командный электрический сигнал, подаваемый на пи-рогидравлическое устройство, время срабатывания
которого также не превышало 3-4 мс. В результате срабатывания этого устройства внутрь бака, в его надтопливное пространство, впрыскивался высокоэффективный жидкий ингибитор горения и взрыва фреон 114В2 (С2Бг2Р4—тетрафтордибромэтан) в количестве, достаточном для прекращения процесса горения во всем объеме топливного бака. Радиус действия струй легкокипящего ингибитора достигал 2-3 м; объем защищаемого пространства—10-20 м3 (и более); общее время действия системы (процесса подавления взрыва) — порядка 10-15 мс; максимальное избыточное давление взрыва внутри бака при таком способе взрывозащиты — не выше 0,2-0,3 атм.
Разработанные по результатам этих исследований конструкции прошли все стадии лабораторных, заводских, стендовых и государственных испытаний и показали очень высокую эффективность и надежность. Однако по принципу действия они казались многим авиационным специалистам непривычными (и даже рискованными), а по технологии изготовления, контроля и обслуживания — излишне сложными и трудоемкими. Поэтому, несмотря на то что применение этой разработки на боевых самолетах и вертолетах военного назначения было согласовано со всеми Генеральными авиационными конструкторами Советского Союза (кроме А. Н. Туполева, отказавшегося ставить такие системы взры-возащиты самолетных топливных баков на самолеты своего ОКБ, несмотря на собственную положительную оценку этой системы как таковой), в авиации эта система практического применения не нашла. Зато она стала применяться в целях взрывоподавле-ния в горно-рудной промышленности; в угольной промышленности для подавления взрывов угольной пыли при добыче угля в открытых карьерах; в химической промышленности, особенно на взрывоопасных химико-технологических установках. Но не в авиации. Тем более что в авиации вскоре появился другой, значительно более простой и эффективный способ взрывозащиты самолетных топливных баков даже при их боевом поражении.
Спустя некоторое время после разоблачения шпионского полета Пауэрса над территорией СССР на один из подмосковных авиационных заводов был привезен "непонятный" кусок пористого материала светло-желтого (или коричневатого) цвета, в форме правильного параллелепипеда размером 10x15x25 см (чуть больше обычного кирпича). Этим материалом были сплошь забиты топливные баки небольшого боевого самолета Сессна-А37, которые до этого успешно сбивались в небе Вьетнама в середине 60-х годов. Перед сотрудниками научно-исследовательского отдела (НИО-7) завода был поставлен вопрос, с какой целью все топливные баки самолета плотно забиты этим материалом? Химический анализ микро-
частиц этого пористого материала показал, что это довольно обычная полимерная структура, ничего особенного собой не представляющая. Физическими исследованиями установлено, что это материал, нерастворимый ни в воде, ни в керосине (бензине); мало меняющий свои механические свойства в широком диапазоне температур — от минус 40 до +40 °С; нейтрален к воде и авиатопливам.
Некоторое время задача не поддавалась решению. Высказывалось мнение, что назначение этой пористой структуры, "плотно забитой" во все топливные баки самолета, либо придание жесткости конструкции, либо снижение ее вибраций, либо успокоение топлива при эволюциях полета самолета, либо способ стабилизации (или катализации) свойств топлива. Причем при испытании на горючесть материал оказался горючим. Было высказано еще с полдюжины не менее нелепых и сомнительных предположений. В итоге, один из трех основных исполнителей этой экстренной темы (спецпоручение самолетного главка Минавиапрома), по-моему С. А. Янтовский, высказал предположение: "А не с целью ли взрыво-защиты топливных баков их забили этим пороплас-том?" Сначала версия, как и все предыдущие, показалась нелепой... Но затем появился аргумент, что это некоторое подобие объемной сетки Деви, работающей в режиме огнепреградителя. Прямая экспериментальная проверка показала, что метановоз-душная смесь "в теле" пористого объема, действительно, как и следовало ожидать, либо не воспламеняется, либо, воспламенившись, тут же гаснет, слегка выжигая лакуну (небольшую полость) внутри самого пористого пространства. Но факт сплошного, плотного заполнения баков этим пористым телом снова и снова вызывал возражения против "взрыво-защитного" назначения этого пористого наполнителя (рис. 3), по крайней мере по 3-4 кардинальным соображениям:
1) при сплошном (плотном) заполнении топливного бака пористым наполнителем в него будет "недозалито" примерно 3 % топлива;
2) при том же условии сплошного заполнения объема топливного бака пористым наполни-
Поропласт
Топливный бак
Крыло самолета
Керосин
Рис. 3. Американская схема защиты топливного бака от разрушения при боевом поражении поропластом, заполняющим бак по всему объему
телем масса самого наполнителя при его "объемной массе" р ~ 30 кг/м3 составит порядка 3,5-3,6 % массы топлива;
3) за счет смачивания развитой (разветвленной) поверхности пористого наполнителя при полном (100 %-ном) заполнении им бака на его поверхности останется 3-4 % объема несте-кающей жидкой фазы топлива, т. е. на 3-4 % как бы возрастает невырабатываемый остаток топлива в баках из-за смачивания поверхности поропласта топливом.
Даже если учесть только эти три отрицательных фактора, при сплошном заполнении топливных баков пористым наполнителем "потери" топлива при заправке самолета (коэффициент потерь) колеблются в пределах Кпот ~ 9,5+10,6 %. По соображениям массовой отдачи (или массовых "потерь") при этом способе защиты топливных баков от взрыва Кпот ~ ~ 10 %. Это огромная величина, тем более если учесть, что даже "простой" способ снижения давления взрыва — 50 %-ное заполнение топливного бака, дающее практически тот же эффект снижения давления взрыва, позволяет снизить массовые потери при этом способе защиты с 10 до 5 % (не говоря уже о такой мелочи, как 50 %-ное снижение расхода и стоимости самого пористого наполнителя).
Еще долго исследователи, работавшие над этой темой, не могли поверить, что единственной целью закладки сотни килограммов поропласта в топливные баки самолета, ограниченного по дальности полета над чужой территорией только начальным запасом топлива (с одновременной потерей еще 3-4 % объема бака (т. е. долой еще порядка сотни литров топлива), да плюс порядка сотни килограммов топлива на невырабатываемый остаток из-за действия смачивания на чрезвычайно развитой поверхности поропласта), является защита топливных баков самолета от взрыва. Тем более если эти потери, со всей очевидностью и при том же уровне безопасности, можно сократить в два, а тоив три раза, т. е. всего до 2,5-3 %! Мы не могли даже предположить, что американские специалисты, разработавшие технологии получения столь совершенного пористого наполнителя, настолько плохо понимают динамику взрывных процессов паровоздушных смесей в замкнутом объеме. Ведь физика и химия защиты от взрыва шахтной лампы Деви, гарантирующей локализацию взрыва угольной пыли, или метана, или даже гибридной метановоздушной смеси в объеме ее сетчатого колпака, известна уже более 150 лет! А поропласт — это та же "объемная сетка" Деви! Тогда нами и был проведен полный комплекс физических исследований взрывозащитных свойств пористого наполнителя как "объемной сетки" Деви.
Теория вопроса
Из физики и химии горения и взрыва паро- или газовоздушных смесей известно, что при прохождении фронта кинетического пламени через каналы малого размера или даже через металлическую сетку с малым размером ячейки фронт пламени гаснет и процесс его распространения (процесс распространения кинетического взрыва) прекращается [1-3]. Происходит это главным образом по двум механизмам гашения пламени:
1) за счет интенсивного отвода тепла от элементарной ячейки фронта пламени в материал "холодных" контуров "преграды", разбивающей сплошной фронт сферического пламени на эти самые "элементарные ячейки" и тем самым снижающей температуру во фронте пламени до температуры потухания кинетического углеводородовоздушного пламени;
2) за счет интенсивной гибели активных центров химической реакции горения (в частности, радикалов Н-; ОН-; О - и др.), существующих в большом количестве во фронте пламени при температуре порядка 2000-2200 °С и служащих промоторами продолжения химических реакций горения в свежую топли-вовоздушную смесь. В результате их гибели на "холодной стенке" прекращается распространение пламени взрыва в свежую топли-вовоздушную смесь по цепному механизму продолжения химических реакций горения.
Численное значение критических параметров огнепреграждающей ячейки пламегасящей сетки можно получить из критерия Пекле Ре [1,2]:
Ре —р ^яч /асм ,
где —р — скорость распространения фронта пламени (кинетического горения, взрыва), м/с; — диаметр ячейки сетки, мм;
асм—коэффициент температуропроводности топ-
ливовоздушной смеси, м2/с;
асм = ^см /(Ср рсм);
^см — теплопроводность смеси;
Ссм
р
см
теплоемкость смеси;
Для самых взрывоопасных топливовоздушных смесей углеводородных топлив типа керосина состава, близкого к стехиометрическому, концентрация паров керосина в воздухе/гор = 3,5+4 % (об.); асм ~ 1,5 ■ 10-5 м2/с.
Для сферического пламени в "замкнутом" объеме на начальной стадии развития взрыва (в области Рвзр « 1,1+1,5 атм): -р = 2-п = 2 ■ 0,4 м/с = 0,8 м/с (где Vп — скорость нормального распространения пламени, т. е. по нормали (перпендикулярно) к поверхности). Тогда численное значение критическо-
го (огнепреграждающего, пламегасящего) размера ячейки сетчатого огнепреградителя dкр (мм) можно получить через критическое значение Рекр (для угле-водородовоздушных смесей Рекр ~ 60^70). Отсюда йкр = Рекр«см /Ур - 70 (1,5-10-5/0,8) - 1,3 10-3 (м), т. е. для керосиновоздушных смесей dкр - 1,3 мм. По соображениям безопасности критический размер ячейки обычно принимается dкр < 1 мм.
Причем следует отметить, что из физики и химии горения критический размер пламепрегражда-ющей ячейки не зависит от материала сетки (поэтому медная, железная и даже нитяная сетки при равных размерах ячейки обладают почти одинаковым эффектом огнепреграждения). Другими словами, теп-лофизические свойства материала сетки (его теплоемкость, теплопроводность и пр.) при соприкосновении с тонким сферическим фронтом пламени (5ф.п - 0,1^0,2 мм, а при разрежении на больших высотах полета — до 5фп - 0,5^1,0 мм) не имеют существенного значения в реализации огнепреграж-дающего эффекта сетки. В случае изготовления ее из горючих материалов важно, чтобы за время контакта фронта пламени с материалом огнепрегради-теля (тконт - 10-3^10-4 с = 1^0,1 мс) последний сам не успел воспламениться. Например, однослойная сетка из хлопкового волокна может и не остановить фронта пламени, так как из-за наличия у хлопкового волокна тончайших ворсинок на поверхности нити хлопковая нить может сама воспламениться, ячейка сетки прогорит и пламя может проскочить через однослойную сетку огнепреградителя. При многослойной сетке этого эффекта проскока пламени может не произойти, т. е. она остановит кинетическое пламя. А вот огнепреграждающая сетка с тем же размером ячейки (¿кр < 1 мм) из льняного волокна, лишенного тончайших ворсинок на поверхности нити, вполне способна сыграть роль огнепреградителя при контакте с тонким кинетическим фронтом пламени (взрыва) керосиновоздушной смеси. Тем более в области разрежения, когда при полете самолета на относительно большой высоте давление топливовоз-душной смеси будет ниже 1 атм. Температура фронта пламени и скорость его распространения Ур будет ниже по сравнению с этими параметрами на уровне земли при давлении 1 атм, и пламя погаснет быстрее. Из физики и химии огнепреграждающего действия "холодной" сетки очевидно, что набор сеток ("многослойный пакет" сеток огнепреградителя, каким является пространственная конструкция поро-пласта (рис. 4)), будет обладать огнепреграждающим эффектом и при большем критическом размере элементарной ячейки огнепреградителя. Но теоретического метода расчета этого параметра не разработано. Его пришлось подбирать экспериментальным путем, определяя dкр =/ (Ур; Ноп) (где Ноп—толщина
Рис. 4. Поропласт открытопористого строения (пленки "пузырьков" удалены) с dH'I к 2,5 мм: а — структура в масштабе 1:2; б — единичная ячейка в масштабе 20:1 (с "ребрами" пузырьков полиэдрического строения). Такой поропласт получают из поролона высоких кондиций
слоя пористого огнепреградителя пространственной структуры, мм).
Экспериментальная часть
На первых порах для оценки фактической огне-преграждающей способности пористого наполнителя объемного строения была использована классическая лабораторная методика по определению скорости распространения ламинарного фронта кинетического пламени, широко известная под названием "труба Коварда - Джонса" (цилиндрическая вертикальная стеклянная труба диаметром dтр = 10 см и длиной Ьтр = 1 м) с возможностью поджигания топливовоздушной смеси любого состава, включая самую реакционно-способную смесь стехиометри-ческого состава, как с верхнего (открытого) конца трубы, так и с нижнего (закрытого) конца трубы (рис. 5 и 6).
Как видно из рис. 5, а, в первом случае огне-преградитель не задержал фронта пламени. Толщины огнепреградителя (Но п = 20 мм) оказалось недостаточно (Но п < йЛ) для задержания фронта пламени газовоздушной смеси, распространяющегося снизу вверх — от закрытого конца трубы со скоростью Ур к 0,4 ■ 8 = 3,2 м/с (опыты проводились с запасом по скорости распространения фронта кинетического пламени ("взрыва") в 4 раза, так как Урвзр к 0,8 м/с).
Во втором случае (см. рис. 5, б, Но.п = 40 мм) ог-непреградитель задержал фронт пламени, не дав ему распространиться выше конечной отметки (Нпл = 40 мм). Таким образом, толщины огнепрегра-дителя (йо п = 40 мм) оказалось достаточно для задержания фронта кинетического пламени при тех же условиях (Ур к 3,2 м/с). Фронт пламени остановлен на высоте 4-й отметки ("взрыв подавлен", смесь выше огнепреградителя не воспламенилась).
Как видно из рис. 6, первый и второй образцы, прогорев в разной степени, не задержали фронта пламени. Фронт пламени прошел в верхнюю часть трубы, т. е. взрыв не был остановлен (см. рис. 5, а).
Рис. 5. Испытания на огневой трубе Коварда - Джонса с и 2,5 мм, ко и = 20 мм (а) и 40 мм (б)
Рис. 6. Образцы огнепреградителя объемно-пористой структуры (открытопористого строения) с ^пор и 2,5 мм и различной толщиной испытуемого образца (слева направо): Лоп =10 мм; Лоп = 20 мм; Лоп = 40 мм — перед испытанием (а) и после испытания (б) в трубе Коварда - Джонса
Третий образец предотвратил распространение фронта пламени в верхнюю часть трубы, взрыв был остановлен (см . рис . 5, б).
Такая схема эксперимента позволяла испытать огнепреграждающие свойства поропласта открыто-пористой структуры в двух режимах:
• при нормальной (фундаментальной) скорости распространения пламени Уп = 40 см/с (при распространении пламени от открытого конца трубы сверху вниз), что примерно вдвое ниже максимальной скорости распространения ламинарного кинетического сферического пламени взрыва в самолетном топливном баке (Ур ~ 2Уп ~ 80 см/с);
• при скорости распространения пламени, в 4-5 раз превышающей реальную скорость распростра-
нения пламени в топливном баке при взрыве (путем поджигания топливовоздушной смеси снизу, у закрытого конца трубы, при Vp ~ 3+3,2м/с), что позволяло иметь определенный (2-3-кратный) запас надежности эффекта огнепреграж-дения для поропласта с различным "приведенным" (осредненным) диаметром пор (йпр = ~ ~ 1,5+2,5 мм) и различной толщиной огнепре-граждающего слоя (йо.с ~ 40+50 мм). По результатам обширного комплекса исследований огнепреграждающих свойств поропласта мы перешли к исследованию динамики взрыва горючих топливовоздушных смесей в замкнутом объеме в установке типа "бомба постоянного объема" ( V6 = = const). Эксперименты велись в самом широком диапазоне изменения параметров и условий развития и распространения взрыва. Исследования динамики взрыва Рвзр = f (т) выполнялись во всем диапазоне реальных концентраций паров керосина в воздухе, во всем диапазоне реальных начальных температур паровоздушной смеси (от минус 40 до +60 °С); во всем диапазоне реальных начальных давлений паровоздушной смеси в самолетных топливных баках (от 0,1 до 1,4 атм); в широком диапазоне мощности источников зажигания топливовоздушной смеси (от Ео ~ Екр ~ 0,2+0,3 мДж до мощнейших электрических разрядов искр пусковых зажигательных свечей авиационных двигателей с Е и 100 Дж, а также с использованием штатных взрывных и зажигательных пиропатронов ПП-3,1II1-9 и даже III1-9 РС!). Кроме того, взрывы производились в емкостях различного размера и конфигурации (от сферических бомб объемом V6 = 4 л до сосудов цилиндрической и прямоугольной формы и сложной конфигурации вместимостью до 50-100 л).
Во всех случаях объем взрываемой смеси делился примерно пополам, а в качестве огнепрегра-
дителя использовался слой поролона пространственной открытопористой структуры с dпор к 2,5 мм и йоп - 40 мм.
Во всех испытаниях в самом широком диапазоне изменения параметров взрыва давление взрыва в емкости не превышало Рвзр к 1,5 атм. При этом было отмечено два интересных обстоятельства.
1. В большинстве испытаний поверхность огне-преграждающего слоя частично или на относительно большой площади со стороны контакта с фронтом пламени взрыва обгорала (или, возможно, обугливалась вследствие прохождения через огнепрегра-дитель горячих продуктов сгорания топливовоздуш-ной смеси, после потухания фронта пламени от контакта с огнепреградителем) (см. рис. 6). Но глубина "прогара" или обугливания материала огнепрегра-дителя редко превышала Лпрог - 5^6 мм. При этом по физике горения процессы могут протекать по непривычной схеме.
Возможно, что горячий фронт пламени (Тф п -- 2000^2200 К) и воспламенял "передние" слои вполне горючего поропласта! Но следующие непосредственно за фронтом пламени горячие продукты полного сгорания топливовоздушной смеси, не содержащие кислорода, приводили к тушению горящего поропласта! Таким образом, он надежно выполнял функцию огнепреграждения и предотвращал распространение взрыва во вторую половину "изолированной" части взрывной емкости (или трубы Ко-варда - Джонса). Если этот механизм "тушения" воспламеняющегося поропласта на самом деле реализуется по описанной выше схеме, то, в принципе, при взрыве "бедных" смесей на нижнем концентрационном пределе распространения пламени /ш (НКПВ) из-за наличия в продуктах их сгорания большого содержания воздуха потухания возгоревшегося поропласта под действием таких продуктов сгорания (с большим содержанием О2) может и не произойти. В результате прогара самого огнепре-градителя образуется сквозной свищ (прогар), и взрыв распространится во вторую, "огнеизолиро-ванную" зону резервуара! Тогда объем сгоревшей в результате взрыва топливовоздушной смеси будет стремиться к единице (т. е. полному сгоранию всей топливовоздушной смеси, содержавшейся в баке в момент ее воспламенения). Давление взрыва достигнет своих максимально возможных значений Рвзр - 4^5 атм или превысит допустимые значения прочности стенок бака, и тогда бак разрушится ("взорвется").
Однако за все время испытаний такой случай ни в одном эксперименте (а их было более 500-600) не имел места.
Тем не менее, если теоретически рассмотренный выше механизм воспламенения и потухания поро-
пласта, в принципе, возможен, то этот вопрос требует дополнительного, более тщательного и целенаправленного исследования [3]. Слишком велика цена вопроса, так как такой способ взрывозащиты самолетных топливных баков от разрушения при их боевом поражении широко используется по сей день на очень многих модификациях лучших боевых самолетов России различного назначения разработки ОКБ Сухого.
2. Во всех сериях проведенных испытаний в соответствии с законами физики горения и газодинамики взрыва в процессе горения участвовала (т. е. сгорала!) только 1/6-1/8 часть горючей топливо-воздушной смеси, находящейся во "взрываемой" части, точнее в воспламеняемой, поджигаемой "половине" резервуара, а 5/6 (или, соответственно, 7/8) остальной части топливовоздушной смеси почти без ощутимого повышения давления в баке плавно перетекало, вытеснялось фронтом пламени (под действием расширяющихся продуктов сгорания, находящихся внутри сферы пламени взрыва) в защищенную огнепреградителем вторую, "непораженную" часть резервуара. Огнепреградитель, останавливающий на своей поверхности фронт пламени, абсолютно проницаем для свежей топливовоздушной смеси, вытесняемой расширяющейся сферой фронта пламени из "воспламеняемой" ("пораженной") части топливного бака во вторую половину, отделенную огнепреградителем от взорванной части топливного бака.
Этот механизм перетекания свежей топливовоздушной смеси в защищенную (выделенную огне-преградителем) часть топливного бака, в общем-то вполне объяснимый, естественный и закономерный, неожиданно для нас реализовывался с таким постоянством и очевидностью, что был назван нами "эффектом убегания", или "эффектом вытеснения" свежей смеси в защищенную от взрыва часть бака. Причем априори этот эффект был настолько "неожиданным" и "непринимаемым" в расчет, что при оценке величины давления взрыва топливовоздушной смеси в баке, наполовину заполненном пороплас-том, "навскидку", для упрощения экспромтного решения задачи, мы формулировали одно из ее условий не как "бак, перегороженный огнепреградительной стенкой поропласта заданной толщины", а как бак, "наполовину заполненный поропластом".
На физику и газодинамику процесса взрыва и схему расчета параметров взрыва такое изменение начальных условий задачи никак не влияет, а лишь в какой-то степени упрощает понимание физики процесса развития взрыва. Но и в таком, упрощенном, варианте "навскидку", без подробных выкладок и расчетов, практически никто из ведущих специалистов в области физики горения и взрыва
не дал правильного ответа на вопрос о величине конечного давления взрыва. Как правило, все ошибались — в 2, в 4 раза, а то и больше. И даже после 3-5-минутного анализа (или подсказки) только некоторые смогли найти правильное решение.
Но самое удивительное, что американские специалисты (физики и конструкторы) и после длительной эксплуатации этого эвристического способа защиты топливных баков от взрыва не учли, что при боевом поражении самолета вполне можно допустить "безопасный" взрыв, надежно локализовав его в зоне возникновения (т. е. не дав ему развиться, распространиться за пределы этой зоны), обеспечив тем самым рост давления взрыва только до допустимых пределов (по соображениям прочности стенок самолетного топливного бака), т. е. до ЛРвзр к к 0,3^0,4 атм.
Совокупность этих обстоятельств побудила нас обратиться к одному из патриархов советской школы физики горения и взрыва, академику Я. Б. Зельдовичу за советом о возможности заявить "эффект убегания" топливовоздушной смеси при взрыве в замкнутом объеме в качестве научного открытия.
Однако этому обращению предшествовали два обстоятельства из многолетнего опыта общения с Зельдовичем. Надо сказать, что при его благосклонном отношении ко всем обращающимся за советом и консультацией по физике горения и взрыва и исходя из опыта учебы в руководимом им семинаре по химической кинетике горения и взрыва мы знали, что Яков Борисович типичный "скородум": он блестяще, моментально схватывал суть вопроса, отлично и наиболее просто решал большинство задаваемых ему вопросов или помогал найти их решение аналитическим или экспериментальным путем. Он всегда делал это очень быстро, экспромтом и почти всегда правильно. Но в тех редчайших случаях, когда он ошибался, переубедить его было либо невозможно, либо чрезвычайно сложно.
Один такой случай был в жизни С. А. Янтовско-го, очень давно знавшего Я. Б. Зельдовича и работавшего с ним в Институте химической физики еще с довоенных времен. Речь шла о холодных пламенах, впервые в Союзе исследованных С. С. Штерн и С. А. Янтовским. Но с химической точки зрения температурная область существования холодного пламени не вполне согласовывалась с тепловой теорией горения, а больше подтверждалась не до конца развитыми на тот период представлениями о цепных реакциях в холодно-пламенных процессах. Янтов-ский обратился за консультацией к Я. Б. Зельдовичу. Но, "не ухватив" что-то "с ходу" по сути холодно-пламенных процессов, Яков Борисович отверг все попытки Янтовского объяснить ему эти явления не до конца понятыми им уравнениями цепных хими-
ческих реакций. Он так и не согласился с трактовкой Штерн и Янтовского, даже когда их исследования были практически завершены. Только 30-40 лет спустя, но уже в Киевском институте, исследующем проблемы физики горения и взрыва, эти разработки Штерн и Янтовского нашли блестящее практическое применение. Учениками той же школы химической физики, в частности Ю. Григорьевым, был создан замечательный прибор по измерению октанового числа моторных топлив, работающий на основе регистрации предпламенных процессов в области холодно-пламенных режимов горения паров бензина. Теперь мы закупаем эти приборы на Украине, как наиболее эффективные, простые в употреблении и дающие достоверные результаты. Вот чем обернулась безграничная вера Штерн и Янтовского в непререкаемый авторитет академика Я. Б. Зельдовича.
Другой, не менее поучительный случай обращения к Я. Б. Зельдовичу был в моей практике. Где-то в начале 60-х годов, изучая, в основном по работам Зельдовича и Розловского, механизм и скорость распространения пламени в сферической бомбе постоянного объема (V6 = const) при воспламенении горючей смеси в центре объема, я обнаружил неубедительный (чтобы не сказать, неверный) механизм описания скорости перемещения фронта пламени по отношению к свежей смеси на начальной и конечной стадиях развития взрыва. Я несколько раз проверил эту схему аналитически, а затем — экспериментально (благо, у меня были большие возможности по экспериментальному исследованию динамики взрыва топливовоздушных смесей в замкнутом объеме на Томилинском полигоне). Причем сделал я это на "бомбе" постоянного объема с прозрачной стенкой (т. е. с возможностью скоростной киносъемки процесса перемещения фронта пламени по радиусу резервуара), чтобы проверить свои сомнения и экспериментально убедиться в неточности аналитических выкладок Зельдовича - Розловского.
Я вторично обратился к Якову Борисовичу с просьбой посмотреть не только мои аналитические выкладки, но и визуально оценить кинограммы регистрации перемещения фронта пламени при взрыве в замкнутом объеме. На снимках была отчетливо видна динамика изменения скорости пламени с момента начала его распространения из центра сосуда, где Vp « 0,8 м/с, до конца его распространения, вблизи стенок сосуда, где фронт пламени уже почти перестает перемещаться в сторону свежей смеси и Vp ^ 0. Но и это не поколебало первоначальной убежденности Якова Борисовича в правильности их аналитических выкладок по расчету скорости перемещения фронта пламени при взрыве газовоздушных смесей в замкнутом объеме. Однако я был
настолько убежден в своей правоте (но не настолько "смел и нагл", чтобы выступить с публикацией, "уточняющей" положения теории Я. Б. Зельдовича) и настолько хорошо знал принципиальный и непримиримо-бунтарский характер А. И. Розловско-го, что направил все свои материалы ему, как соавтору Я. Б. Зельдовича, для анализа. А затем и явился к нему на суд со своими объяснениями. Розловский сначала также усомнился в моих выкладках, а затем — ив результатах экспериментов. Тем не менее примерно через полгода он позвонил мне и сказал, что, пожалуй, я прав и он просит моего согласия на использование моих результатов. Я, тогда молодой, начинающий исследователь, был горд и счастлив этим признанием и с радостью передал все свои результаты А. И. Розловскому. А еще примерно через год (или полтора) в Известиях Академии наук была помещена статья за подписью Зельдовича и Розлов-ского с уточненной методикой расчета скорости распространения фронта пламени при взрыве топ-ливовоздушной смеси в замкнутом объеме со ссылкой, что эта корректировка метода расчета принята с учетом замечаний И. М. Абдурагимова.
Вот с таким грузом своих ошибок и при полном почитании авторитета Якова Борисовича Зельдовича мы с С. А. Янтовским отправились к нему за "благословением" на подачу заявки "эффекта убегания" топливовоздушной смеси при взрыве в замкнутом объеме в качестве предполагаемого научного открытия.
И тут я опять допустил непростительную тактическую ошибку. Я уговорил Янтовского на то, чтобы мы, показав академику рисунок бака, заполненного наполовину поропластом, поставили только один вопрос: бак, выдерживающий избыточное давление допустимое Рдоп < 1,4 атм и разрушающее Рразр = = 1,5 атм, разрушится при взрыве топливовоздушной смеси или нет? Академик изучал фото 3-4 с, а затем, задав два уточняющих вопроса (о концентрационном составе топливовоздушной смеси и мощности источника зажигания), — еще 4-5 с и вынес вердикт: "Безусловно, разлетится вдребезги!" Вот тут я окончательно потерял такт и самообладание и с наглостью воскликнул: "Двойка!" (так Яков Борисович часто говорил в шутку на своих семинарах по горению нам всем — и аспирантам, и кандидатам, и даже докторам наук, чтобы возбудить азарт к обсуждаемой проблеме). Но эта моя ошибка нам с Янтовским обошлась очень дорого. Даже после того как Яков Борисович, быстренько прикинув "в уме" предполагаемую величину давления взрыва при нашей схеме защиты бака от разрушения, установил, что получается Рвзр < 1,5 атм, он "не сменил гнев на милость". Исходя из интересов дела и вполне сознавая значимость решенной нами проблемы, Яков Бо-
рисович спокойно и подробно все заново проанализировал, столь же быстро, почти мгновенно, все посчитал, получил тот же результат (Рвзр < 1,5 атм), задал еще много полезных вопросов и дал несколько весьма полезных советов. В конце концов, он подтвердил правильность наших решений, выводов и рекомендаций, но поддержать нашу претензию на научное открытие категорически отказался.
Так бесславно закончился наш очередной поход к Я. Б. Зельдовичу. Но тем не менее свою чрезвычайно положительную роль в этом деле он сыграл, своим анализом, проверкой наших результатов и их оценкой подтвердив правильность нашей идеи о сокращении заполняемого объема самолетного топливного бака (СТБ) за счет огнепреграждающих перегородок. Надо сказать, что мы изложили ему и этот вариант, с определенным образом расположенными перегородками (с йотв < 2,5 мм и Ном > 40 мм), что позволяло сократить объемно-массовые потери топлива с 10 до 3-3,5 %, что само по себе было огромным достижением.
Но все это было только теоретическим решением проблемы. А дальше предстояла огромная работа по согласованию этого способа взрывозащиты боевых самолетов с конкретным ОКБ и его привязкой к конкретной конструкции реальных самолетных топливных баков.
Перед нами стояла сложная задача поиска практически приемлемых конструктивных схем размещения огнепреградителя в баках реального самолета, а также многих технологических решений, связанных с практической реализацией этого способа взрывозащиты. Еще предстоял огромный комплекс лабораторных, стендовых, тепловых, физико-химических, гидравлических и других видов испытаний самого огнепреградителя и в конструктивном исполнении на реальном самолете.
А главное, необходимо было решить еще один "маленький" производственный вопрос — об организации выпуска такого огнепреградителя отечественной промышленностью. В этот период Владимирский институт полимерных материалов со своим опытным заводом по специальному постановлению правительства только-только осваивал крупнотоннажное производство обычного губчатого поролона. Этот поролон был нужен в огромных количествах для нужд мебельной промышленности (диванов, кресел, матрацев и пр.), автомобильной промышленности (сидений, шумозащитных обивок, утеплителей и пр.), для авиапромышленности (для тех же целей) и еще для десятка других отраслей промышленности, в том числе, как тогда выражались, "для удовлетворения потребностей народного хозяйства". Но институт с заводом только начинали осваивать технологию производства, причем обычного
h' >h,
расч
ti< h„
расч
ti > h,
расч
Р-Р
Коммуникации
ti >
Коммуникации
Конструктивные элементы крепления поропласта
D-D
■■ "*о О О ^
расч
225 , 225
12 i л
Рис. 7. Типовые схемы размещения пористого пламепреграждающего материала в топливных отсеках крыла (а), в фюзеляжных баках (б) и разработанная ОКБ Сухого схема размещения огнепреградителя открытопористой структуры ("объемной сетки" Деви) в конструкции реального СТБ (в): 1 — заливная горловина; 2, 3 — топливоперекачивающая магистраль; 4, 6 — заборное устройство; 5 — датчик уровня топлива
пористого поролона закрытопористой структуры, без особых требований по однородности, объемной плотности, а также особых физико-химических требований. А главное, чего надо было добиться, — нормальной пузырьковой структуры отвержденной пены. А здесь требовалось "ни много, ни мало" — "просто" убрать все пленки, образующие "пузырьки", причем убрать их на 99-99,5 %, сохранив только ребра от пузырьков (да еще одинаковой толщины). Да чтобы все ячейки были строго одинакового размера (рис. 3-6)! Да плюс еще 15-20 новых дополнительных требований (по стабильности физико-механических свойств на годы, по химической стойкости, морозостойкости, механической прочности, гладкости поверхности для снижения задер-
живаемого керосина при выработке топлива из бака, содержащего поропласт, и пр.).
Однако эту разработку благословил (!) и согласился применять на своих великолепных (лучших по тем временам, да и по сей день) самолетах сам П. О. Сухой... А еще нам удалось заинтересовать и склонить на свою сторону Председателя Военно-промышленной комиссии, влиятельнейшего члена Правительства Д. Ф. Устинова. Его поддержка и указания позволили переориентировать (с частичным освоением новых технологий) крупнейший в стране Владимирский завод по производству полимерной продукции. В те годы в стране очень многое делалось на энтузиазме и патриотизме, и такие энтузиасты нашлись. Вопреки производственным интересам завода и невзирая на огромные предстоящие
Рис. 8. Вид макета топливного бака самолета после поражения его с целью инициирования взрыва топливовоздушной смеси, которой заполнен бак: а — защищенный от разрушения поропластовым огнепреградителем, размещенным внутри бака; б — не защищенный такими перегородками
трудности, директор завода Н. В. Кея-Оглы и главный инженер Л. И. Покровский взялись за освоение и выпуск новой сложной продукции, которую до этого во всей Европе производила только бельгийская фирма "ПРБ", которая и поставляла нам в Союз первые партии этого поропласта, а затем продала нашей стране и лицензию на его производство.
И вот решением огромного комплекса всех этих испытательных, опытно-конструкторских, производственных и организационных задач по разработке этого способа повышения боевой живучести самолетов с успехом занялись специалисты одного из самых прогрессивных, новаторских и успешных самолетных ОКБ страны— ОКБ Сухого. П. О. Сухой, активно поддерживавший все новое и прогрессивное, высоко оценил и поддержал энтузиастов своего ОКБ — специалистов в этой области 3. А. Иоффе, М. П. Симонова и И. В. Емельянова [4].
Только благодаря поддержке талантливых ученых и блестящих руководителей отечественной промышленности, усилиям и энтузиазму непосредственных исполнителей в стране был создан новый, высокоэффективный и надежный способ повышения боевой живучести самолетов военного назначения, в 2-3 раза превосходящий американский прототип по всем технико-экономическим и тактико-техническим параметрам.
3акончился этот комплекс научных исследований и опытно-конструкторских разработок, как и положено, натурными, стендовыми и полигонными испытаниями. В этой работе принимали участие сотрудники Томилинского завода п/я 1052 А. С. Клименко, В. П. Комиссаров, В. Е. Макаров, Н. С. Гол-добин и многие другие. Большую роль в решении этой проблемы сыграли сотрудники специализированного института МАП С. И. Базазянц и А. Ф. Бук-шин и многие другие военные и гражданские специалисты в области авиации, и особенно в области боевой живучести самолетов и вертолетов военного назначения.
Испытания проводили на реальных СТБ с керо-синовоздушной смесью, оборудованных огнепре-
градительными перегородками из поропласта по специальной схеме, разработанной в ОКБ Сухого (рис. 7, в), и таких же баках с топливовоздушной смесью, но не оборудованных такими перегородками (рис. 7, а, б).
Для проверки эффективности нового оригинального средства взрывозащиты по каждой серии топливных баков (по 4-5 в каждой серии) были произведены выстрелы различными средствами боевого поражения, применяемыми в разных странах мира. В результате такого обстрела во всех баках возникал взрыв топливовоздушной смеси. Однако в баках, защищенных перегородками из поропласта, размещенными по специальной схеме, все разрушение сводилось к небольшому отверстию в стенке бака со стороны входа поражающего элемента, пули или снаряда и к чуть большему "рваному" отверстию в стенке бака, через которое "вылетал" поражающий элемент (рис. 8, а). Возникший в баке взрыв топливовоздушной смеси надежно локализовывался преградами из поропласта в одной части бака, в которой он возникал, и суммарное давление взрыва не превышало Рдоп по соображениям конструктивной прочности бака: Рвзр < Рдоп < 1,4+1,5 атм.
Более того, по нескольким сериям натурных испытаний со взрывом паровоздушных смесей реальных авиационных топлив в резервуарах, моделирующих самолетные топливные баки, И. В. Емельяновым с сотр. получена аппроксимационная формула для расчета рабочего давления взрыва АРвзр (МПа) при различных параметрах системы заполнения бака поропластом в качестве огнепреградителя:
АРвзр = Ae
-Ek
(1)
где А — кратность повышения давления взрыва для данных состава смеси и вида топлива (без средств взрывозащиты);
E — коэффициент размера элементарной ячейки поропласта; E = 8(k + 1/d ' ); k — степень заполнения бака огнепреградите-лем;
d' — размер элементарной ячейки поропласта.
Рис. 9. Кинограмма отстрела экспериментального топливного бака: слева — топливный бак, заполненный паровоздушной смесью, защищенный внутренними огнепреградителями из поропласта, после боевого поражения (бак не разрушается, только справа виден выброс пламени); справа — аналогичный топливный бак без внутренней защиты огнепре-граждающими перегородками (бак разрывается полностью, т. е. взрывается)
При всей неоднозначности принятых допущений и относительности численных значений некоторых параметров развития взрыва топливовоздуш-ных смесей в замкнутых объемах значения прироста давления, получаемые при натурных испытаниях, вполне удовлетворительно согласуются с рассчитанными по приведенной аппроксимационной формуле (1). Данная формула была "запатентована"
(авторское свидетельство от 06.01.72 г. № 70.809) для прямых конструкторских расчетов основных параметров взрывозащиты самолетных топливных баков с помощью поропластовых огнепреградите-лей при их боевом поражении средствами уничтожения воздушных целей.
В итоге, ни один из "расстрелянных" баков, оборудованных поропластовыми перегородками, не разрушился. Точно такой же топливный бак без установленных внутри огнепреградителей разрушался, как показано на рис. 8, б и 9.
Эти испытания показали высокую надежность и эффективность разработанного нами способа взры-возащиты самолетных топливных баков при их боевом поражении методом несплошного заполнения бака поропластом. Это стало основанием рассчитывать на резкое, кардинальное повышение боевой живучести самолетов военного назначения.
После этой серии полигонных огневых испытаний начался комплекс сложных летных эксплуатационных испытаний нового средства повышения боевой живучести самолетов военного назначения. Это был обширный комплекс длительных многоплановых испытаний на земле и в воздухе, зимой и летом, на различных режимах полета, в самых разных условиях, с выполнением всех возможных эво-люций и условий полета, которые успешно провели специалисты ОКБ Сухого, НИИ им. М. М. Громова и "заказчика" — летчиков ВВС. Эти работы были закончены в начале 70-х годов. И только после положительных результатов всего этого комплекса испытаний новая разработка была рекомендована "в серию".
Сегодня этот способ повышения боевой живучести самолетов применяется на большинстве типов самолетов ОКБ Сухого. Система находится в эксплуатации в разных странах мира, успешно используется в самых разных климатических (и боевых!) условиях более 40 лет. И альтернативы ей пока не найдено. Это надежный, эффективный способ защиты самолетов от боевого поражения, который, видимо, будет использоваться еще не один десяток лет.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хитрин Л. Н. Физика горения и взрыва. — М. : Изд-во МГУ, 1957.
2. Розловский А. И. Научные основы техники взрывобезопасности при работе с горючими газами и парами. — М. : Химия, 1972.
3. Абдурагимов И. М. Сборник статей по физике и химии горения и взрыва. — М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012.
4. Емельянов И. В. Защита самолетных топливных баков от взрыва: дис.... канд. техн. наук. —М.: ВИПТШ МВД СССР, 1974.
Материал поступил в редакцию 24 ноября 2011 г. Электронный адрес автора: [email protected].
