美國四氧化二氮泄漏事故綜述

索志勇　劉曉春（北京航天試驗技術(shù)研究所，北京　100074）

美國四氧化二氮泄漏事故綜述

索志勇劉曉春（北京航天試驗技術(shù)研究所，北京100074）

泄漏是四氧化二氮液體的“常見、多發(fā)病”。過去五十年里美國發(fā)生了22起較大的四氧化二氮泄漏事故，造成了巨大的損失。本文對美國過去五十年發(fā)生的四氧化二氮泄漏事故進(jìn)行了總結(jié)，并根據(jù)分析結(jié)果找到泄漏的根本原因，提出四氧化二氮泄漏的解決方法，對未來液體火箭系統(tǒng)測試效驗和操作使用都有十分重要的指導(dǎo)意義。

四氧化二氮；泄漏；預(yù)防

四氧化二氮具有密度大、氧化性強(qiáng)等特點，作為氧化劑可以與許多火箭燃料組成自燃推進(jìn)劑，在彈道導(dǎo)彈、運載火箭、航天飛機(jī)和深空探測器上廣泛使用。泄漏是四氧化二氮液體的“常見、多發(fā)病”。美國過去五十年發(fā)生了22起較大的四氧化二氮泄漏事故，其中最嚴(yán)重的一次事故為1978年8月24日小石城發(fā)射場大力神II號發(fā)射井四氧化二氮大范圍泄漏，大約有13540加侖（51249升）四氧化二氮泄漏到地下發(fā)射井中，兩名工作人員犧牲超過25名工作人員不同程度受傷，緊急疏散小石城周圍的居民，發(fā)射井無法修復(fù)，可見四氧化二氮泄漏會造成損失巨大［1，2］。

1　四氧化二氮特性及泄漏危害

四氧化二氮是強(qiáng)氧化劑，常溫下易揮發(fā)，本身不自燃只能助燃。易吸收空氣中的水分，與水作用生成硝酸并放熱，加速對金屬的腐蝕。四氧化二氮是高劇毒化學(xué)品，泄漏后會導(dǎo)致人員傷亡、設(shè)備腐蝕、原料損耗。在美國過去五十年的泄漏事故中，損耗的四氧化二氮總量超過20000加侖。

2　美國四氧化二氮泄漏案例總結(jié)

由于法蘭、閥門、管路等設(shè)備薄弱部位的故障，相關(guān)人員的錯誤操作和維修處理不及時，在實際使用過程中發(fā)生泄漏、著火或爆炸，造成航天飛行設(shè)備和地面保障設(shè)備的損傷和相關(guān)人員的傷亡，下面列出了近美國五十年四氧化二氮泄漏事故的部分案例。

1975-07-24，場所位置：阿波羅返回艙氧化劑貯罐。簡單描述：宇航員一個小的操作失誤導(dǎo)致少量四氧化二氮氣體進(jìn)入到指揮艙內(nèi)，5人受傷。根本原因：宇航員執(zhí)行程序錯誤。

1978-08-24，場所位置：小石城空軍基地大力神II發(fā)射井。簡單描述：約13450加侖四氧化二氮液體泄漏到發(fā)射井，2人死亡，25人受傷，發(fā)射井報廢。根本原因：閥門O形墊圈失效，材料不相容。

1981-07-14，場所位置：肯尼迪發(fā)射中心軌道飛行器。簡單描述：一個1/4英寸螺栓被錯誤的安裝在1/2英寸螺母上導(dǎo)致密封不嚴(yán)四氧化二氮泄漏，1人輕傷。根本原因：人為操作失誤。

1981-09-22，場所位置：肯尼迪發(fā)射中心哥倫比亞號航天飛機(jī)運輸系統(tǒng)。簡單描述：硝酸鐵的形成導(dǎo)致QD閥打開，15～20加侖四氧化二氮泄漏，無人員傷亡。根本原因：QD閥有瑕疵；設(shè)計失誤

1986-07-29，場所位置：肯尼迪發(fā)射中心39A發(fā)射臺氧化劑貯罐。簡單描述：操作人員在貯罐存在壓力下移除安全閥，導(dǎo)致泄漏發(fā)生，有技術(shù)人員不穿防化服進(jìn)行操作，少量四氧化二氮氣體泄漏，兩人輕傷，無硬件損壞。根本原因：閥門設(shè)計不合理；錯誤的人為操作。

1994-08-20，場所位置：迦南空軍基地41#發(fā)射臺大力神IV氧化劑罐。簡單描述：使用BioT-200A清洗劑清洗火箭發(fā)動機(jī)流量控制閥導(dǎo)致失效，大約244加侖四氧化二氮泄漏，無人員傷亡。根本原因：保障設(shè)備設(shè)計不當(dāng)；不重視程序偏差。

1997-07-16，場所位置：范登堡空軍基地大力神IV A氧化劑貯罐。簡單描述：使用BioT-200A清洗劑清洗火箭發(fā)動機(jī)流量控制閥導(dǎo)致失效，大約244加侖四氧化二氮泄漏，無人員傷亡。根本原因：材料不相容。

1997-11-06，場所位置：哥倫比亞號87#運輸系統(tǒng)。簡單描述：管路液體水錘效應(yīng)導(dǎo)致法蘭墊圈出現(xiàn)裂口，25～50加侖四氧化二氮液體泄漏，1人輕傷。根本原因：設(shè)備設(shè)計誤差；密封性不好。

2003-08-12，場所位置：迦南空軍基地40#綜合發(fā)射臺。簡單描述：氧化劑離心泵過濾器堵塞，且泵過度使用磨損導(dǎo)致定子損壞，約40加侖四氧化二氮液體泄漏引起爆炸，無人員傷亡。根本原因：設(shè)備維護(hù)不利；設(shè)計存在瑕疵。

2006-01-09，場所位置：韋斯特測試站M7-1212測試室。簡單描述：技術(shù)人員在拆裝MD-122四氧化二氮貯箱提升閥時，約2.9加侖液體氧化劑泄出，無人員傷亡。根本原因：緊急安全措施失效；清洗操作不當(dāng)。

3　四氧化二氮泄漏根本原因及預(yù)防措施

3.1設(shè)計不合理、材料不相容。

材料不相容是造成泄漏的主要原因，例如使用BioT 200A清潔劑與四氧化二氮不相容而發(fā)生反應(yīng)，密封松弛破壞填料密封性和完整性造成泄漏；使用丁基橡膠O-形環(huán)作為密封墊圈，四氧化二氮與丁基橡膠不相容發(fā)生泄漏；將短期相容的材料用于長期貯存的設(shè)備、管道系統(tǒng)上等。

材料相容性主要包含兩個方面，一方面是四氧化二氮對材料的腐蝕變脆、溶脹溶解作用；另一方面是材料對四氧化二氮的催化氧化、變色變濁等。任何材料在使用前都需要測試與四氧化二氮的材料相容性。

3.2違章操作、失誤操作

不按程序操作、違反安全規(guī)定、不熟悉設(shè)備系統(tǒng)、不了解安全措施、不認(rèn)真檢查測試，是造成泄漏的又一重要原因。例如一名宇航員在返回艙測試時沒聽到呼叫及時激活地面降落系統(tǒng)，錯誤的執(zhí)行了程序?qū)е滤难趸孤患夹g(shù)人員錯誤的使用密封帽導(dǎo)致泄漏等等。

預(yù)防四氧化二氮泄漏特別需要注意以下幾點：一是操作時一定要按規(guī)定進(jìn)行系統(tǒng)氣密性測試；二是在加注作業(yè)中使用泄漏保護(hù)器，工作人員與四氧化二氮保持隔離狀態(tài)；三是個人防護(hù)用品使用前必須認(rèn)真檢查；四是在拆卸閥門管路時一定要放空壓力，嚴(yán)禁超壓排放、超速排放；五是在加注、轉(zhuǎn)注、貯存過程中一定要密切關(guān)注工作壓力的變化，防止出現(xiàn)壓力突然升高等異常情況；六是正確使用閥門，不得用力過猛，以免造成密封件損壞；七是四氧化二氮貯罐密封良好，貯量在容器容積的50%～90%之間；八是在氧化劑貯罐系統(tǒng)內(nèi)存在壓力情況下嚴(yán)禁敲擊貯罐管道。

3.3設(shè)備維護(hù)不利、緊急處置不當(dāng)

航天飛行設(shè)備和地面保障設(shè)備局部清潔或保養(yǎng)不當(dāng)可能造成泄漏、著火爆炸。在實際測試、加注等操作過程中，發(fā)生異常情況時由于不熟悉系統(tǒng)性能和操作注意事項，或由于驚慌失措處置不當(dāng)造成泄漏或使泄漏事態(tài)擴(kuò)大。例如1994年4月約翰遜航天中心353#大樓里，工程師進(jìn)行發(fā)動機(jī)測試時，發(fā)現(xiàn)有小部分四氧化二氮流出，但是測試團(tuán)隊決定繼續(xù)試驗，當(dāng)壓力上升時，80加侖四氧化二氮泄漏造成81人輕傷，測試過程中缺乏應(yīng)急程序是事故根本原因。

因此必須重視維護(hù)，設(shè)備中常使用的閥門、密封部件需要經(jīng)常檢查、維護(hù)、修理、更換，以保證系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài)。每次維修過程中所有的輔助閥門要拆除清洗，當(dāng)焊縫、接頭、密封墊片等部位出現(xiàn)滲漏時，及時維修更換處理，必要時清空貯罐、清洗內(nèi)壁、檢查貯罐，對于閥門則予以更換，在泵周圍安裝防爆籠，且減少泵的使用時間，每運轉(zhuǎn)60小時進(jìn)行一次嚴(yán)格測試。

4　結(jié)語

本文對美國過去五十年發(fā)生的四氧化二氮泄漏事故進(jìn)行了總結(jié)，找到了泄漏的主要根本原因：一是設(shè)計不合理、材料不相容；二是違章操作、失誤操作；三是設(shè)備維護(hù)不利、緊急處置不當(dāng)，根據(jù)上述原因提出了相應(yīng)的解決方法，對未來液體火箭系統(tǒng)測試效驗和操作使用都有十分重要的指導(dǎo)意義。

［1］鄭治仁.液體推進(jìn)劑泄漏問題綜述.中國航天，1993，（3）: 17～20.

［2］鄭宏建，劉文全，朱志華.液體推進(jìn)劑運輸中常見事故處理.上海航天，2002，（5）:53～56.