固体火箭发动机地面静止试验的危害及安全防护

李连强，林新兵，曹 雄，王 焘，李保军，张双保

(1.兵器工业卫生研究所，西安 710065;2.中北大学 化工与环境学院，太原 030051)

固体火箭发动机试验是固体推进技术研究的重要组成部分，是研制和生产中不可缺少的环节。在固体火箭发动机试车台进行点火试验中，一旦发生破坏性事故就会造成很大的经济损失，特别是当发生发动机提前点火或壳体爆炸等恶性事故时，还可能会造成人员伤亡。在历史上，固体发动机试验过程中曾发生过多次恶性事故［1］。分析固体火箭发动机静止试验过程存在危害因素，并提出相应的防护措施具有重要的现实意义。

1 火箭发动机静止试验目的及流程

1.1 试验目的

火箭发动机静止试验［2］，又称火箭发动机地面试验，在研制和生产过程中，为检测发动机与推进剂性能及诸参数在试验台上进行的点火试验，检测的参数主要有发动机推力、燃烧室压强、发动机壁表温度、旋转火箭转数、发动机推力偏心、发动机工作条件下推进剂燃速及发动机比冲等。试验的目的主要为发动机试制、定型提供前期参考科学数据等。

1.2 试验方法

火箭发动机静止试验按测试内容分为推力压力试验台、旋转试验台、中止试验台及推力偏心试验台等。按发动机放置方式可分为立式试验台和卧式试验台，立式与卧式试验台可供测推力、压力、壁温等常规试验用。

发动机可旋转的试验台即旋转试验台，用于测试旋转发动机诸参数。中止试验台用于观察药柱在燃烧过程几何尺寸变化规律。推力偏心试验台主要测试测发动机推力偏心。

测推进剂性能时用标准发动机，检测新研制的发动机性能使用全尺寸发动机。设计方案比较研究可用缩比尺寸发动机;为测定发动机工作条件下推进剂燃速，用燃速评定发动机;为观察药柱在燃烧过程几何尺寸变化规律，用中止燃速发动机。

以卧式固体火箭发动机试验台为例，试验场所一般由试验间、测试间、导流槽、装配间等组成。试验间主要用于发动机点火场所。测试间主要用于完成试验前的标定、试验控制任务，以及试验后的测试数据采集等工作。

1.3 试验流程

固体火箭发动机试验过程一般分为试验前准备、试验、试验后处理3 个阶段。

试验前准备阶段，首先根据试验项目编制试验大纲，明确相关试验技术要求，如试验日期和地点，试验性质与目的，产品的主要技术状态，试验设备及产品安装、分解要求，火工品安装测试要求，产品试验温度、湿度等条件要求等。其次进行试验前的检查与校准，对相关测控、计量仪器进行校准，对起吊运输工具进行检查。在试验准备阶段，对试验控制、时序、气路、点火线路、测试等系统进行单元测试。

安装调试阶段，进入试验台在现场进行验收、交接，进行温度试验的发动机在温度试验前验收、交接。按照技术要求进行装配发动机，安装(或粘贴)传感器等测量仪器，并进行试验前的全面技术检查。

点火试验阶段，按照试验指挥口令程序实施点火试验，试验前做好周边警戒，安全保险机构解锁，试验专用及测试设备启动正常工作。点火试验根据产品的技术要求而不同。

试验后处理阶段，按照要求对被试产品组织清理、搬运、分解、测量、包装、防护，并对相关信息和数据进行处理。

2 火箭发动机试验主要危害及作用方式分析

固体火箭发动机试验发生危害事故主要表现为爆炸、高温射流和火球等具体形式，在这些事故中主要破坏力来自冲击波、高速破片、高温火焰。固体火箭发动机爆炸产生的空气冲击波和高速碎片，对环境、设备、人员都会造成巨大的毁伤。此外，发动机试验过程产生的燃气、噪声也可产生一定的危害。

2.1 爆炸

固体火箭发动机发生爆炸后或发生非爆炸性的意外点火、壳体破损时往往会产生巨大的火球或高温射流火焰。火球、高温射流火焰除引燃周围的可燃物、烧毁设备设施外，还会对所在区域内的人员造成烧伤、热辐射等伤害。发动机试验过程中发生壳体爆炸是由于燃烧室压力超标或壳体强度不够而引起的，多发生在发动机研制的初期，如发动机装药有缺陷情况。

推进剂发生意外爆炸时，将易产生强烈燃烧、爆炸或爆轰，将伴有大的火球以及燃烧的残片四散飞溅(火把效应)［3］。发动机试验时羽焰喷流及试验失利时残药飞溅，引发试验台周围易燃物火灾。根据计算［4］，某3 000 kgNEPE高能复合固体推进剂的固体火箭发动机爆炸后，在无掩蔽情况下，高能固体火箭发动机爆炸冲击波超压对人员有杀伤作用的距离为82 m，爆炸后人员的安全距离为120 m。

2.2 意外事故

发动机在点火试验过程中有可能发生提前点火、不能正常点火、试验过程中发动机离位等事故。如某发动机试验台进行试验时，曾发生发动机头部被烧穿，发动机飞离台体，在试验场内无规则的乱窜，造成现场人员躲避不及被严重烧伤，试车台内仪器设备损坏严重的事故［5］。

发动机提前点火是指未进入正式点火程序而发生推进剂提前点燃的事故，提前点火是发动机试车中最危险的事故，由于现场人员未撤离，可能造成参试人员伤亡。这类事故多发生在试验准备过程中，主要是管理方面的原因，如操作人员误听口令和误操作等。

发动机不能正常点火是指发动机不能在规定的时间点火，发生点火试验时间推迟，出现这种现象的原因主要有点火线连接不牢、点火电源功率不够(或点火电流过小)和控制系统失灵等。

发动机离位是指发动机在试验过程中离开预定位置甚至飞离试车台，造成这种事故的原因主要是试车架与基础台体之间固定不牢、承力墩承载能力不够、安全限位不可靠等造成的试车架对发动机的约束失效。

2.3 电气事故

发动机试验过程中可能由于设备仪器意外带电造成人员触电事故。固体火箭发动机试验的供电与接地相对于其他行业要求较高，它的质量不但直接影响测试系统的电磁兼容性，而且危及设备和人身的安全，如果供电与接地混乱，造成测试间、试车台地面设施接地间的大电位差，可能会烧坏测试设备。

此外，试验场所的雷电可能引起爆炸、火灾、电击、毁坏设备和设施、造成事故停电。静电可能引起爆炸和火灾，静电的放电作用也可能造成电子元件误动作，导致发动机意外工作，造成人员伤亡和发动机任务失败。测试设备在运行过程中可能出现故障或损坏，如接插件松动或接触不良、接地不良、测试电缆老化等，影响正常试验秩序，延误试验点火时间。

2.4 起重运输事故

在发动机转运、吊装、装配过程中，操作比较频繁，操作者如果不注意或者操作方法不当，容易发生发动机坠落摔坏或碰撞碰伤喷管等事故。在从保温工房转运至台体过程中也易造成发动机损伤事故。损伤的发动机在试验过程中燃烧具有不稳定性，易发生意外事故。

2.5 燃气危害

固体火箭发动机产生的烟雾主要来源于壳体、推进剂、包覆层及点火药等［6］，燃气中有害物质根据发动机的成分各有不同，主要有氯化氢、氧化铝、二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、氢气、氩气等物质。燃气羽流中若含有铍或氧化铍颗粒、氯气、盐酸气体、氢氟酸气体或者其它的氟化物，那么就有很强的毒性。当使用高氯酸铵氧化剂时，排气中会含高达14%的盐酸［7］。以某聚丁二烯推进剂(含聚丁二烯粘合剂、高氯酸钾、铝粉及其他添加剂)为例［8］，每吨推进剂产生1 138.12 kg 氮气(含补燃空气)、350.78 kg 氧化铝固体颗粒、322.88 kg 二氧化碳、269.11 kg 水、216.47 kg 盐酸、23.46 kg 一氧化碳，4.95 kg 一氧化氮、0.04 kg 氯气等。

发动机试验车间一般是半敞开场所，经导流槽或挡墙处扩散的烟雾一方面可对环境产生危害，另一方面对试验场所附近的人员身体健康造成影响。因此，一般试验结束后，经机械排风15 min 后才能进入试验场所。

2.6 噪声危害

发动机点火试验时，由于气体压力发生突变，产生空气动力性噪声。某发动机试验产生的噪声可达138 dB(A)［9］。高强度噪声可以引起在场人员以听力损伤或耳聋为主要表现的全身性疾患，超过140 dB(A)的强大噪声，可引起暴震性耳聋，可伴有鼓膜破裂和内耳出血等。

3 火箭发动机危害防护措施

3.1 试验台选址

试验台应选择在有自然屏障的偏僻地带建设试验台，试车台间和测控中心之间保证足够的安全距离，以减少爆炸产生的冲击波、破片以及试车燃气烟雾危害。近年来，随着城市规模的扩大和郊区旅游的快速发展，目前一些单位的发动机试验台外部距离范围的农田被城市住宅、旅游景区所蚕食，存在很大的安全隐患。

因此，除了按照规范要求在试验台周围布置足够的室内外消火栓、室内灭火器等消防设施，定期清理试验台喷火方向室外的杂草和灌木外，对试验台自身的防护更需要加强，如在原有敞开通风口设置钢丝网以防止爆炸时产生的抛射物飞溅出试验台。还要加强试验时试验台周围的清场管理，有条件时选择合适的地点进行建设。

3.2 建筑结构设计

按照相关安全规范的要求［10］，试验间的墙、屋盖、承力台采用现浇钢筋混凝土结构。试验台间的喷火方向设计为敞开式，在一定距离处设置防护墙;试验台间设置足够面积的供排气的钢制百叶窗;受火焰冲击的部分(如墙面、地面、屋板等)采取耐高温、耐高速气流冲刷的措施(如铺设钢板等)，观察孔的玻璃采取防爆玻璃，试验间与装配间、测试间等设置抗爆门，以抵抗偶然事故产生的破片和空气冲击波的作用。

3.3 电气设施设置

试验场所按照《建筑防雷设计规范》(GB50057—2010)一类防雷进行防雷设计，设避雷针或避雷网。危险性场所电气设施应整体防爆，试验台及所有金属装备、设备、部件以及工具予以接地。试验间设置静电消除装置，及时消除和导除操作人员人体静电。定期对防雷、防静电系统进行检查，保证其有效性。每次试验前对接地系统进行全面检查，确保各种线路绝缘良好，无断开、搭接现象，确保其安全性、可靠性。

目前多数试验台在电气方面采用了防爆电气，电气线路穿钢管敷设，但后来改造铺设的安防监控设施没有考虑到试验台的高温、热辐射环境，采用普通型电气设施，这是不可取的。在此类场所应采用防爆型摄像头，电气设施既要符合危险环境要求，又能够适应试验环境需要。

3.4 试验台架设计

在防止意外事故方面，提高试车台架设计的本质安全度，设计时留有足够的安全系数和安全保护措施，试验台架强度能承受最大推力，多次使用不变形和损坏。经常检查维护台架设施，定期清理试验间的杂物，使试验设施保持良好状态。

3.5 吊装作业安全

试验台间内设有吊车时，选用防爆型吊车，并设置吊车陷蔽处。发动机采用专用吊具进行吊运，试验前组织对吊车、吊具进行安全性能检查。吊装时明确吊车指挥人员和操作人员。装、拆吊具和吊运发动机过程中，不得碰撞、敲打发动机。严格执行吊装作业的其他有关操作规程。加强吊车的运行管理，定期组织鉴定及维护保养。

3.6 点火程序管理

在发动机点火前对测试系统进行预检和校准，如点火控制程序的检查、各参数测量系统的校准等，以保证测试系统工作的可靠性和正确性。点火电源开关由专人看管，并确认点火电源开关处于断开位置时再接通点火线，严格按指挥员口令操作。完善点火电流测量工艺，准确计算点火电源线终端的点火电流测量值，保证点火线接触牢固。发动机正式点火前进行合练，确保全系统正常，以防止发动机不能正常点火。一旦试验时发动机不能正常点火，应首先切断点火电源，按照程序排除故障，待故障排除后，重新启动试验程序。

3.7 防护用品配备

试验时所有工作人员撤离至安全区域，参试人员佩戴耳塞等劳动保护用品，以减少噪声对人体的冲击。点火试验结束后15 分钟后方可进入试验现场，试验人员佩戴防毒面具或口罩，以减少燃气吸收。对于羽流有毒的发动机，测试设备要有特殊的预防措施，以避免人员伤亡与设备腐蚀。

3.8 试验组织管理

试验台试车必须编制试验大纲，制定安全可靠的试验方案。加强对试验现场的安全管理，对各岗位实行定员管理。参试人员应明确操作任务，听从指挥。对关键岗位实行双岗制，避免操作失误。建立应急预案和现场处置措施，并对操作人员进行培训，训练如何避免危险状况，防止突发事故，以及如何从事故中脱险，一旦发生事故，使损失减少到最低。

4 结束语

固体火箭发动机试验自身固有特殊性和高危险性，决定了其辨识危害和采取安全防护措施的必要性。通过分析其存在的危害和采取相应的防护措施，在试验过程中，除了要保证采用质量合格的固体火箭发动机，重要的是加强试验台架的安全设计和使用的辅助工具的安全性，建立和坚持严格的试验安全准则，预先辨识存在的危害和采取相应的安全对策，才能将固体火箭发动机试验存在的事故风险降到最低。

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［2］栾恩杰.国防科技名词大典:兵器［M］.北京:航空工业出版社，2002.

［3］张瑞庆. 固体火箭推进剂［M］. 北京: 兵器工业出版社，1991.

［4］陈林泉，毛根旺，张胜勇.高能固体火箭发动机爆炸冲击波毁伤效应研究［J］. 固体火箭技术，2008，31（6）:588-590.

［5］中国航天科技集团公司科技质量部.国防科技工业企事业单位安全生产培训专用教材（航天科技部分）［M］.北京:中国宇航出版社，2007.

［6］A·达维纳. 固体火箭推进技术［M］. 北京: 宇航出版社，1997.

［7］陶春虎.军工产品失效分析技术手册［M］.北京:国防工业出版社，2009.

［8］王中，刘素梅.固体火箭发动机烟雾的毒性效应［J］.飞航导弹，2004（4）:56-58.

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［12］孙骑，曲家惠.固体火箭发动机点火装置的技术现状和发展趋势［J］.四川兵工学报，2011（10）:17-20.

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