固體推進劑安全滅火問題的研究現(xiàn)狀

程山 丁濤 劉佳

（中北大學化工與環(huán)境學院，山西太原，030051）

引言

固體推進劑是指本身含有氧化劑和燃燒劑，能夠通過有規(guī)律地燃燒釋放出大量熾熱氣體的固態(tài)致密材料。固體推進劑在常溫常壓下相對安定，但仍然會發(fā)生熱分解反應，由于其反應速度緩慢，在安定劑等作用下一般不易發(fā)現(xiàn)。但如果儲存時環(huán)境溫度過高，散熱條件不好，熱分解反應生成的熱量就會逐漸積累，分解速度會自動加快，最終會發(fā)展成燃燒爆炸事故。其次，推進劑生產(chǎn)過程中也極易發(fā)生燃爆事故，這是因為從原材料一直到成品的多數(shù)生產(chǎn)工序中，充滿了大量易燃、可燃物質(zhì)。此外，固體推進劑在沒有空氣參與的情況下，也可以進行燃燒，燃燒時會釋放出大量的熾熱氣體，在大量堆積的情況下很容易燃燒轉(zhuǎn)爆燃，最終形成爆轟，所以固體推進劑在制造、處理、儲存和運輸過程中事故頻發(fā)，固體推進劑行業(yè)的安全形勢極為嚴峻。據(jù)有關資料統(tǒng)計，國內(nèi)和國外很多國家，例如，日本、美國、印度等，在推進劑的生產(chǎn)和儲存過程中，由于安全問題導致起火或者爆炸，造成了人員傷亡以及巨大的財產(chǎn)損失[1,2]。

1 固體推進劑的組成及特征

1.1 固體推進劑的組成

隨著火箭技術的不斷發(fā)展，固體火箭發(fā)動機的應用越來越廣泛，固體推進劑的種類也日益增多。根據(jù)構成固體推進劑的各成分之間有無相界面，固體推進劑可劃分為均質(zhì)推進劑和復合推進劑兩大類。均質(zhì)推進劑主要是雙基推進劑，復合推進劑根據(jù)氧化劑的不同主要分為高氯酸銨復合推進劑和硝銨復合推進劑。雙基推進劑是由兩種基本成分(硝化纖維素和硝化甘油)組成的均質(zhì)推進劑。硝化纖維素被硝化甘油塑化。此外還有少量附加成分用來改善雙基推進劑的某些性能。復合固體推進劑是以高聚物黏合劑為彈性基體，并提供燃燒所需的可燃元素。在黏合劑中填加有固體的氧化劑和金屬粉，此外還有少量的其他成分。復合固體推進劑是一種多相混合物。由于其組分微粒的平均尺寸大于分子的尺寸，各組分之間存在著明顯的界面。故稱其為異質(zhì)推進劑。

1.2 固體推進劑的特征[3]

根據(jù)固體推進劑的組成，可以看出固體推進劑的特征為:易熱分解、易燃燒、易爆炸和易發(fā)生從熱分解到爆炸的鏈式反應。

①易熱分解。固體推進劑在常溫下是相對安定的固態(tài)致密材料。實際上其一直進行著緩慢的熱分解反應。由于其反應速度緩慢，以及安定劑及其他因素的抑制，不經(jīng)檢測一般不易發(fā)現(xiàn)。但是當環(huán)境溫度過高、散熱不好或其他條件影響時，熱分解反應生成的熱就會逐漸積聚，分解產(chǎn)物又會使熱分解加速，最終導致自燃自爆的發(fā)生。

②易燃燒。任何燃燒必須同時具備三個要素:一定量的可燃物質(zhì)、與可燃物質(zhì)比例相當?shù)闹嘉镔|(zhì)以及足夠的激發(fā)能量。這三個要素相互作用即可燃燒。然而固體推進劑中已含有豐富的可燃劑和氧元素，所以只要給予足夠的激發(fā)能量，如環(huán)境溫度較高、靠近熱源、明火點燃，以及摩擦、撞擊等，即會發(fā)生燃燒事故，當其處于密閉容器、絕熱狀態(tài)或大量堆積時，其燃燒往往會轉(zhuǎn)為爆炸。

③易爆炸。固體推進劑成品易發(fā)生爆炸。主要由以下三種情況引發(fā)爆炸的:一是由熱分解、燃燒引發(fā)爆炸;二是由普通火災引發(fā)爆炸;三是給予強大激發(fā)能量(如爆轟波、撞擊等)后直接引起爆炸。

④易發(fā)生鏈式反應。固體推進劑的熱分解、燃燒、爆炸雖然是三種不同形式的化學反應，但只要條件成熟，可以很容易地從緩慢的熱分解轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖贌岱纸猓瑥目焖贌岱纸廪D(zhuǎn)變?yōu)槊土胰紵?，從猛烈燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)閯×冶ǎ铱梢鹬車欢ň嚯x的藥劑殉爆。

2 固體推進劑火災滅火方法研究[4-10]

通過對固體推進劑組成、特征及燃燒機理的分析，可以看出固體推進劑不同于一般的固體物質(zhì)。固體推進劑易分解、易燃燒、易爆炸，易發(fā)生從熱分解到爆炸的鏈式反應，且燃燒劇烈無須氧氣也可以快速燃燒。通過對推進劑滅火分析以及臨界條件的建立，從理論上給出了撲滅推進劑火災的方法。針對固體推進劑火災的自身特點，本章重點研究滅火劑以及釋放技術。通過對現(xiàn)有滅火劑性能參數(shù)、滅火原理的分析，篩選出撲滅固體推進劑火災的最佳滅火劑;結(jié)合固體推進劑燃燒特性等特征，對現(xiàn)有釋放技術進行分析研究，并提出新的釋放技術。

2.1 氣體滅火劑可行性分析

根據(jù)氣體滅火劑滅火原理可以看出，鹵代烷滅火劑主要是通過降低火焰中活性自由基來實現(xiàn)滅火的。通過固體推進劑穩(wěn)態(tài)燃燒過程分析可以看出，推進劑燃燒是通過硝化纖維素、硝化甘油等大分子分解放熱形成的，與所謂的燃燒鏈式反應作用方式不盡相同，使用鹵代烷對推進劑進行滅火無法達到預期效果。此滅火劑不能應用于推進劑火災。惰性氣體滅火劑主要通過窒息作用進行滅火，對于固體推進劑火災，由于自身含氧，窒息作用無法達到滅火效果。通過上述分析可知:氣體滅火劑無論是化學作用還是窒息作用針對于推進劑火災效果都不明顯。一旦推進劑著火，無法對其進行有效撲救，故氣體滅火劑不能應用于推進劑火災。

2.2 水、水系滅火劑可行性分析

水的吸熱能力強，對燃燒物質(zhì)具有顯著的冷卻作用，水汽化產(chǎn)生大量的水蒸氣，排擠和阻止空氣進入燃燒區(qū)，可以降低燃燒區(qū)內(nèi)氧氣的含量。此外，水廉價易得，來源廣泛，對環(huán)境污染小。因此，水是撲救A類火災的主要滅火技術。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和技術的進步，滅火所用的水已經(jīng)發(fā)展成多門類、多學科的技術，旨在提高水的滅火效能，并不斷開拓用水滅火的應用范圍。目前，提高水的滅火效能主要有兩種辦法:一是改變水的物理性能來提高水的滅火效果，如將水流變成霧狀水(細水霧)來滅火;二是在水中添加試劑以改變水的化學性能來提高水的滅火效果，如強化水、潤濕水、黏性水(水膠體)等。這種在水中添加試劑或改變水的物理特性，以提高水的滅火性能的新型滅火劑稱為水系滅火劑。

根據(jù)上述分析可以看出:水具有良好的降溫冷卻作用，常溫下1kg水變成水蒸氣可以吸收2259kJ的熱量，那么10kg的水最大就可吸收22590kJ的熱量。然而，1kg雙鉛推進劑定容爆熱只有4000kJ左右。這說明，通過降溫手段，水做滅火劑，完全可以將推進劑火災撲滅。其次，由于推進劑大多為負氧平衡，水蒸發(fā)后形成大量水蒸氣占據(jù)燃燒區(qū)，可以有效的降低火災的蔓延速度，大大降低火災的強度。固體推進劑燃燒十分劇烈，火焰壓力高，當水系滅火劑高速射出時，進入推進劑火焰區(qū)時，可以改變火焰區(qū)壓力，使其火焰反向，當壓力升高到一定值時，可以使推進劑火焰產(chǎn)生撕裂的效果，降低了火焰區(qū)向加熱層傳遞的熱量，減緩了加熱層的形成。最后，當水系滅火劑附著在未燃燒的推進劑表面時，對固體推進劑進行了潤濕，這大大增加了推進劑燃燒的難度，為撲滅推進劑火災奠定了重要的基礎。

2.3 干粉滅火劑可行性分析

通過干粉滅火劑滅火原理可以看出，干粉滅火劑主要是通過化學抑制作用來進行滅火的。通過對推進劑火災穩(wěn)態(tài)燃燒過程的分析，可以看出，化學抑制作用對其滅火效果不明顯。干粉滅火劑的隔離作用以及冷卻窒息作用無法滿足推進劑火災的特殊性，所以干粉滅火劑無法應用于推進劑火災。

3 滅火劑釋放技術的研究

通過對現(xiàn)有滅火劑性能、可行性分析可以看出，針對固體推進劑火災最為合適的滅火劑為水系滅火劑。由于推進劑燃燒十分劇烈，蔓延速度極快，并且很容易燃燒轉(zhuǎn)爆轟，如何使用水及水系滅火劑對推進劑火災進行抑制，成為函待解決的問題。本節(jié)結(jié)合現(xiàn)有的噴水技術以及推進劑火災的特殊性，重點對推進劑火災的滅火劑釋放技術進行研究。

3.1 自動噴水技術概述

自動噴水滅火系統(tǒng)是一種火災發(fā)生時，能自動作用打開噴頭噴水滅火，同時發(fā)出火警信號的消防給水設備。該系統(tǒng)一般應用于容易自燃的倉庫、對消防要求較高的建筑物或個別房間以及火災蔓延速度快，危險性很大的建筑物內(nèi)。

自動噴水滅火系統(tǒng)一般是由水泵、輸水管、水噴頭、水流控制閥和若干輔助裝置組成的。根據(jù)水從水源到噴頭的形式，系統(tǒng)大體分為濕式、干式、預作用式和雨淋式自動噴水滅火系統(tǒng)以及水幕系統(tǒng)五種形式。

自動噴水滅火系統(tǒng)，是當今世界上公認的最為有效的自救滅火設施，是應用最廣泛、用量最大的自動滅火系統(tǒng)。國內(nèi)外應用實踐證明:該系統(tǒng)具有經(jīng)濟實用、安全可靠、滅火成功率高等優(yōu)點。然而，針對固體推進劑火災時，這種噴水技術存在著一系列問題，從而導致了目前固體推進劑企業(yè)的消防系統(tǒng)無法有效的抑制推進劑火災，導致事故頻發(fā)。探測設計缺陷分析，噴頭設計缺陷分析，噴水強度設計缺陷分析。

針對固體推進劑火災，上述自動噴水滅火系統(tǒng)中設計的噴水強度、噴頭工作壓力遠遠小于撲滅推進劑火災時所需要的噴水強度及噴頭壓力，無法有效的抑制推進劑火災，從而使得火災迅速蔓延，最終導致事故的發(fā)生。

3.2 高速噴水技術思路

針對目前自動噴水系統(tǒng)的缺陷，在現(xiàn)有基礎上，我們對自動噴水系統(tǒng)進行進一步的改進，提高其響應速度和滅火時的噴水功率，從而實現(xiàn)高速噴水技術。首先，提高固體推進劑火災的探測技術。當推進劑火災剛剛發(fā)生時，能對推進劑火災進行準確探測并迅速啟動噴水裝置實施滅火。其次，針對推進劑火災，對噴頭進行重新設計，盡可能減少水的動量損失。保證水以足夠的動量進入推進劑火焰區(qū)，實施冷卻降溫作用。最后，現(xiàn)行的設計噴水強度遠遠達不到撲滅推進劑火災的滅火功率。為了迅速抑制火災，可以在現(xiàn)有基礎上，通過提高噴頭工作壓力、改變噴頭孔徑等因素，增加噴水強度。水能更多的進入藥柱的燃燒面，通過降溫等手段，達到迅速破壞加熱層的目的，從而實現(xiàn)滅火。

結(jié)束語

固體推進劑火災滅火技術的研究是一項非常復雜的課題，對其未來的研究展望應從下面幾方面研究。研究高能推進劑、含鋁推進劑等火災情況;考慮推進劑藥量、形狀等因素對滅火情況的影響;對固體推進劑火災滅火機理進行深入分析研究，建立完整的固體推進劑火災熄滅模型;建立一套高速噴水滅火系統(tǒng)，對固體推進劑火災進行進一步實驗研究驗證。

[1]肖忠良，胡雙啟，吳曉青等.火炸藥的安全與環(huán)保技術[Ml.北京:北京理工大學出版社，2006.

[2]陳戰(zhàn)斌．固體推進劑火災滅火技術研究 [D]．碩士學位論文．南京理工大學，2010.

[3] 李葆首.固體推進劑性能「M」.西安:西北工業(yè)大學出版社，1990.

[4] 中華人民共和國公安部.GB50084一2001自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范[S].

[5]張晉林.新型爆炸驅(qū)動雨淋閥及其系統(tǒng)的應用[Jl.四川兵工學報，1991(3):121一128.

[6]解建光，鄧玲.超高速雨淋系統(tǒng)技術及其設計[J].消防科技(增刊)，1998(4):38一39.

[7]張力恒，蘇昌銀，何煜.推進劑裝藥混合過程安全性研究[J].固體火箭技術.2012,35(4):508-513.

[8]Wells S.AFPDS Bagged ProPellant Fire SuPPression Evaluations，ADA424835[R]. SPringfield:NTIS，2003.

[9]陳維，劉軍.ABC干粉滅火劑的現(xiàn)狀與前景[J].消防技術與產(chǎn)品信息，1999，10:23一24.

[10]張洪杰.自動噴水滅火系統(tǒng)噴頭類型、特點及應用[J].工程建設與設計，2002(6):624一626.