液體火箭共底破裂爆炸安全設(shè)防距離

陳景鵬，韓斯宇，孫 克，欒 驍

（1.裝備學(xué)院，北京，101416；2.中央財經(jīng)大學(xué)，北京，102206）

液體火箭共底破裂爆炸安全設(shè)防距離

陳景鵬1，韓斯宇2，孫 克1，欒 驍1

（1.裝備學(xué)院，北京，101416；2.中央財經(jīng)大學(xué)，北京，102206）

針對航天發(fā)射場一旦發(fā)生低溫推進(jìn)劑泄漏而導(dǎo)致火箭爆炸，會對人員和財產(chǎn)造成重大損失的問題，采用TNT當(dāng)量模型和TNO（The Netherlands Organization）多能模型計算不同摩爾百分比的氫氧推進(jìn)劑混合反應(yīng)時產(chǎn)生爆炸沖擊波的危害性，并模擬爆炸沖擊波造成的事故影響范圍，然后對兩種模型的仿真結(jié)果加以對比分析，根據(jù)最不利原則選取出最終需要的結(jié)果，最后劃分出安全設(shè)防距離。由仿真結(jié)果可知，不同的氫氧混合摩爾百分比造成的爆炸后果不同，同時TNT當(dāng)量模型在爆炸近場處高估了爆炸超壓值，在爆炸遠(yuǎn)場處低估了爆炸超壓值，而TNO多能模型在理論上有效地對這一缺陷進(jìn)行了彌補。對航天發(fā)射場的安全布局起到了一定的參考價值。

TNT當(dāng)量模型；TNO多能模型；摩爾百分比；爆炸；危害性；設(shè)防距離

0 引言

經(jīng)過近一個世紀(jì)的探索與實踐，世界各國正致力于高比沖、高密度、液態(tài)溫度范圍寬、無毒、無腐蝕和低成本等綜合指標(biāo)好的液體火箭推進(jìn)劑開發(fā)，并已取得了明顯成果。其中，液氫／液氧是當(dāng)今比沖最高的一組液體火箭推進(jìn)劑，而且無毒，對環(huán)境無污染，熱值高，因此在國內(nèi)外航天技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

但液氫／液氧的低溫特性和高泄漏能力又會使整個火箭發(fā)射過程充滿較高風(fēng)險，一旦出現(xiàn)泄漏而導(dǎo)致火箭爆炸，其危害后果更會給國家經(jīng)濟和人員生命財產(chǎn)造成重大損失。因而對液氫／液氧推進(jìn)劑爆炸的危害性進(jìn)行分析和控制顯得尤為重要。

國外關(guān)于液體火箭爆炸危害性的研究起步較早，1962-1969 年 美 國 ADL（Armament Datum Line）公司以及麻省理工學(xué)院［1］采用 LH2／LO2推進(jìn)劑進(jìn)行混合爆炸的實驗研究，并在TNT模型的基礎(chǔ)上提出了適用于液體推進(jìn)劑的爆炸當(dāng)量計算模型；1977年美國航空航天局（NASA）組織 W.E.Baker等人［2］歸納前人成果，并簡化了爆炸當(dāng)量模型；1989年Becker，Dorothg L編寫出“空間推進(jìn)危險性分析手冊”［3］，對液體推進(jìn)劑的爆炸當(dāng)量的計算方法做了進(jìn)一步的規(guī)范，提高了應(yīng)用性。國內(nèi)在原理上主要是借鑒國外的經(jīng)驗，同時也根據(jù)需要做了不少實驗。

從研究現(xiàn)狀來看，國內(nèi)外對推進(jìn)劑爆炸危害性的研究主要立足于TNT當(dāng)量模型，該模型簡單易行，且在航空航天方面的應(yīng)用也較為廣泛，但其有明顯的局限性：爆炸沖擊波近場區(qū)超壓估計值明顯偏大。而荷蘭TNO實驗室于1985年提出的TNO多能模型［4］，在理論上有效地對近場區(qū)超壓偏大問題進(jìn)行了修正，比較接近事實，但目前在航天領(lǐng)域應(yīng)用較少。

因此，本文兼用TNT當(dāng)量模型和TNO多能模型，并結(jié)合事故后果分析軟件PHAST對液氫／液氧混合產(chǎn)生的爆炸沖擊波的傷害范圍進(jìn)行仿真分析，預(yù)測距離爆炸源不同位置的危害程度，劃分出不同的危害半徑，并根據(jù)危害半徑提出安全設(shè)防距離的要求，對航天發(fā)射場的安全布局起到了一定的參考價值。

1 液體火箭爆炸后果預(yù)測模型

1.1 TNT當(dāng)量模型

（1）當(dāng)量系數(shù)

式中，h為爆炸點的高度。而此時對應(yīng)的危害半徑公式為：

式中：x為危害半徑，m；Δp為超壓值，MPa；根據(jù)國家規(guī)定的沖擊波峰值超壓破壞準(zhǔn)則，劃分成五種不同危害半徑：人員死亡及建筑物完全破壞的危害半徑，對應(yīng)的超壓臨界值是0.076Mpa；人員中傷及建筑物嚴(yán)重破壞的危害半徑，對應(yīng)的超壓臨界值是0.05Mpa；人員重傷及建筑物中度破壞的危害半徑，對應(yīng)的超壓臨界值是0.03Mpa；人員輕傷及建筑物輕度破壞的危害半徑，對應(yīng)的超壓臨界值是0.012Mpa；人員無恙及建筑物基本無損壞的危害半徑，對應(yīng)的超壓臨界值是0.002Mpa。

1.2 TNO多能模型

結(jié)合氫氧低溫推進(jìn)劑的相關(guān)特性以及貯存狀態(tài)，應(yīng)用TNO多能模型計算沖擊波危害半徑的步驟如下［7］：

（1）將氫氧貯箱定為強烈的爆炸子源。貯箱近似為直徑為5m，高度10m的豎直圓柱體，推進(jìn)劑當(dāng)量體積為362.4m3。

（2）確定該子源的能量。氫氧混合物在理想配

式中Y為推進(jìn)劑爆炸TNT當(dāng)量系數(shù)，它與推進(jìn)劑種類及火箭爆炸模式相關(guān)，m0為氫氧混合后參與反應(yīng)的推進(jìn)劑總量，mT為推進(jìn)劑折合后的TNT當(dāng)量［5］。參照美國 DOD 6055.9-STD 標(biāo)準(zhǔn)［6］，火箭在發(fā)射臺上爆炸時液氫／液氧推進(jìn)劑組合爆炸當(dāng)量折算系數(shù)為14%。

（2）危害半徑

由于火箭在塔臺上爆炸屬于地面爆炸，因此，計算該爆炸傷害半徑公式的適用范圍是：比下的燃燒熱為3.5×106J／m2，所以，貯箱爆炸的能量為3.5×106J／m2乘以該部分子源的體積。

式中，R為距爆心的距離，m；P0為大氣壓強，一般取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1bar；E為總的爆炸能量，J。

縱坐標(biāo)無量綱峰值側(cè)向超壓的計算公式如下：

式中，Ps為側(cè)向超壓的峰值，Pa。

根據(jù)工程經(jīng)驗和發(fā)射場的實際情況，取爆炸烈度為8，此時的計算誤差相對較小。

（4）確定危害半徑

取和TNT當(dāng)量模型相同的超壓臨界值作為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)圖1曲線確定爆炸危害半徑。

圖1 無量綱峰值側(cè)向超壓隨無量綱距離變化曲線Fig.1 Lateral overpressure of dimensionless peak value versus the dimensionless distance

2 爆炸事故后果仿真分析

假設(shè)某航天發(fā)射場在執(zhí)行火箭發(fā)射任務(wù)期間，火箭在點火發(fā)射時突然發(fā)生塔臺爆炸事故。事故原因是由于推進(jìn)劑貯箱受內(nèi)壓作用而造成共底破裂，液氫／液氧混合反應(yīng)而產(chǎn)生爆炸。現(xiàn)利用事故后果危害性分析軟件PHAST對其爆炸造成的后果進(jìn)行仿真研究。

2.1 初始參數(shù)的設(shè)定

（1）液體推進(jìn)劑加注量

設(shè)氫氧推進(jìn)劑的加注總量為160t，其中液氫加注量20t，液氧加注量140t。

（2）運載火箭發(fā)射條件［8］

①發(fā)射時地面平均風(fēng)速：≤10m／s。

②發(fā)射時地面瞬時風(fēng)速：≤15m／s。

③發(fā)射時的大氣穩(wěn)定度：中等穩(wěn)定。

（3）發(fā)射場環(huán)境條件

①發(fā)射場累年平均氣溫：24.1℃。

②發(fā)射場年平均氣壓：100.9kPa。

③發(fā)射場累年平均相對濕度：86%。

（4）推進(jìn)劑混合摩爾百分比

液體推進(jìn)劑爆炸時，不是所有而是少部分推進(jìn)劑參與了爆炸反應(yīng)［9］。因此，有必要對液氫／液氧參與反應(yīng)時的混合情況加以假定，進(jìn)而分析不同情況導(dǎo)致的事故后果。為此，現(xiàn)假設(shè)參與反應(yīng)的氫氧混合摩爾百分比分別為10%∶90%；20%∶80%；30%∶70%；40%∶60%；50%∶50%；60%∶40%；70%∶30%；80%∶20%；90%∶10%。

從燃燒動力學(xué)的角度考慮，氫氧混合的最佳理論配比為2∶1，此時的混合燃燒最理想。故此，結(jié)合其余氫氧混合配比方式產(chǎn)生的爆炸效應(yīng)，同理論配比下的影響后果進(jìn)行對比，顯得尤為重要。

2.2 爆炸事故后果模擬

（1）達(dá)到指定超壓值下的爆炸危害距離

參照國家相關(guān)規(guī)定［10］，發(fā)射區(qū)外部區(qū)域建筑物均按不超過二級破壞的沖擊波超壓計算安全設(shè)防距離，因此，臨界峰值超壓取0.002MPa作為指定的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

利用TNT當(dāng)量模型和TNO多能模型進(jìn)行計算得到的仿真結(jié)果分別如圖2、圖3所示。

圖2 TNT當(dāng)量模型計算的不同氫氧混合摩爾百分比時0.02bar超壓影響范圍Fig.2 The sphere of influence for 0.02bar overpressure，calculated by TNT equivalent model under different hydroxide mixed molar percentages

圖3 TNO多能模型計算的不同氫氧混合摩爾百分比時0.02bar超壓影響范圍Fig.3 The sphere of influence for 0.02bar overpressure，calculated by TNO multi-energy model under different hydroxide mixed molar percentages

（2）不同超壓值對應(yīng)的爆炸危害距離

根據(jù)以上結(jié)論，綜合考慮火箭爆炸對發(fā)射場造成的最大危害效應(yīng)，重點對氫氧混合摩爾百分比為90%∶10%時的爆炸情況進(jìn)行討論，得出了五種典型臨界超壓值對應(yīng)下的危害半徑。利用TNT當(dāng)量模型和TNO多能模型計算的仿真結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

圖4 氫氧摩爾百分比為90%∶10%時TNT當(dāng)量模型計算不同沖擊波超壓值對應(yīng)的影響范圍Fig.4 The sphere of influence for different overpressure values by TNT equivalent model with hydroxide molar percentage of 90%∶10%

圖5 氫氧摩爾百分比為90%∶10%時TNO多能模型計算不同沖擊波超壓值對應(yīng)的影響半徑Fig.5 The sphere of influence for different overpressure values by TNO multi-energy model with hydroxide molar percentage of 90%：10%

2.3 爆炸事故后果對比分析

在超壓值固定不變的前提下，最大危害距離同實際參與反應(yīng)的可燃物質(zhì)量成正比關(guān)系。結(jié)合圖2、圖3的仿真結(jié)果，可分別得到兩種模型計算的最大危害半徑，見表1。當(dāng)氫氧摩爾百分比為90%∶10%時，峰值超壓達(dá)到0.002MPa時的爆炸危害距離相對更大，說明此時實際參與反應(yīng)的推進(jìn)劑質(zhì)量更多；同理，氫氧摩爾百分比為10%∶90%時，峰值超壓達(dá)到0.002MPa時的爆炸危害距離相對更小，說明實際參與反應(yīng)量更少。同時，以最佳理論配比方式2∶1對氫氧進(jìn)行混合反應(yīng)時，最大危害距離小于摩爾百分比為70%∶30%、80%∶20%以及90%∶10%時的危害距離情況。

同時，結(jié)合圖4和圖5的仿真計算結(jié)果，可分別得到兩種模型計算的最大危害半徑，見表2。

由表2可知，對應(yīng)每一個沖擊波峰值超壓，TNT當(dāng)量模型的計算結(jié)果都要小于TNO多能模型，尤其在峰值超壓處于0.002MPa的遠(yuǎn)場區(qū)，TNT當(dāng)量模型的計算結(jié)果比TNO多能模型小431.9m。

同時，在處于相同摩爾百分比和峰值超壓條件下，TNT當(dāng)量模型計算的爆炸危害距離要比TNO多能模型小。

表1 三種混合條件下兩種模型計算結(jié)果對比Table 1 Comparison of the results calculated by the two models for three hydroxide mixed molar percentages

表2 90%∶10%混合條件下兩種模型計算結(jié)果對比Table 2 Comparison of the results calculated by the two models for hydroxide mixed molar percentage of 90%∶10%

3 安全設(shè)防距離的確定

按照最不利原則的選取標(biāo)準(zhǔn)，取TNO多能模型的計算值作為最終需要的結(jié)果。同時結(jié)合國家規(guī)定的峰值超壓破壞準(zhǔn)則［11］，確定五種最大危害半徑：

人員死亡及建筑物完全破壞的最大危害半徑為312.89m；人員重傷及建筑物嚴(yán)重破壞的最大危害半徑為397.47m；人員中傷及建筑物中度破壞的最大危害半徑為537.65m；人員輕傷及建筑物輕度破壞的危害半徑為954.96m；人員無恙及建筑物基本無損壞的最大危害半徑為3461.30m。

因此，結(jié)合國外關(guān)于液體火箭爆炸設(shè)防距離相關(guān)規(guī)定［12，13］可知：發(fā)射區(qū)內(nèi)人員安全設(shè)防距離要大于954.96m；發(fā)射區(qū)內(nèi)建筑物主要指的是氫氧、煤油推進(jìn)劑貯存設(shè)施，它所規(guī)定的安全設(shè)防距離為距塔臺至少537.65m。發(fā)射區(qū)對外區(qū)建筑物安全設(shè)防距離至少為3461.30m。

4 結(jié)論

（1）不同的氫氧混合摩爾百分比造成的爆炸后果不同，這主要同參與反應(yīng)的推進(jìn)劑總量相關(guān)，在以理想配比值參與燃燒的情況下，并非使推進(jìn)劑反應(yīng)最充分而消耗最多。

（2）結(jié)合TNT當(dāng)量模型和TNO多能模型對液體推進(jìn)劑的爆炸后果進(jìn)行建模仿真，從結(jié)果可以看出，TNO多能模型在遠(yuǎn)場區(qū)的超壓值更大，因而依照最不利原則選取出了TNO多能模型計算出的最大危害距離作為最終安全設(shè)防距離的參考標(biāo)準(zhǔn)，因而很有必要把TNO多能建模的思想引入航天領(lǐng)域，作為航天發(fā)射場事故危害性分析的手段之一。

（3）根據(jù)國家規(guī)定的峰值超壓破壞準(zhǔn)則，選取出的沖擊波超壓值都是臨界值，因而計算出的最大危害半徑相對保守，故此，提出的安全設(shè)防距離標(biāo)準(zhǔn)對發(fā)射場布局選址也具有一定的參考價值。

（4）液體火箭一旦共底破裂而引起混合爆炸，產(chǎn)生的事故危害范圍非常廣，對發(fā)射場的安全構(gòu)成極大威脅，因此火箭起飛前一定要做好監(jiān)測和排故工作。

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Fortification distance for prevention of liquid rocket explosion

CHEN Jing－peng1，HAN Si-yu2，SUN Ke1，LUAN Xiao1

（The Academy of Equipment，Beijing 101416，China；2.Central University of Finance and Economics，Beijing 102206，China）

Leakage of cryogenic propellants at a space launch center may lead to rocket explosion，causing great losses.In this paper，we use the TNT equivalent model and the TNO （The Netherlands Organization）model to evaluate the risk of shock wave for different mole percentages of reaction in hydrogen and oxygen propellant mixed.The effects of the accident caused by the blast are also simulated.The simulation results of the two models are analyzed and compared.The results are determined by the principles of most unfavorable conditions.Finally the fortification distance is partitioned.The simulation results show that different molar percentages of hydrogen and oxygen mixed cause different consequences of explosion.It is found that the TNT equivalent model overestimates the value of explosion overpressure in the blast near-field and underestimates the explosion overpressure in the blast far-field.The TNO multi-energy model，however，can overcome these limitations effectively in theory.

TNT equivalent model；TNO model；Mole percentage；Blast；Risk；Fortification

V448.15＋3；X915.5

A

1004-5309（2012）-0131-06

10.3969／j.issn.1004-5309.2012.03.04

2012-06-11；修改日期：2012-06-27

總裝試驗技術(shù)研究項目"航天發(fā)射場加注系統(tǒng)風(fēng)險評估研究"，基金號：2010SY4106007

陳景鵬（1973-），男，漢，黑龍江省克山市人，現(xiàn)工作于裝備學(xué)院航天裝備系運載火箭測試與控制教研室副教授，主要研究方向為發(fā)射系統(tǒng)總體設(shè)計。