固体推进剂安全灭火问题的研究现状

程山 丁涛 刘佳

（中北大学化工与环境学院，山西太原，030051）

引言

固体推进剂是指本身含有氧化剂和燃烧剂，能够通过有规律地燃烧释放出大量炽热气体的固态致密材料。固体推进剂在常温常压下相对安定，但仍然会发生热分解反应，由于其反应速度缓慢，在安定剂等作用下一般不易发现。但如果储存时环境温度过高，散热条件不好，热分解反应生成的热量就会逐渐积累，分解速度会自动加快，最终会发展成燃烧爆炸事故。其次，推进剂生产过程中也极易发生燃爆事故，这是因为从原材料一直到成品的多数生产工序中，充满了大量易燃、可燃物质。此外，固体推进剂在没有空气参与的情况下，也可以进行燃烧，燃烧时会释放出大量的炽热气体，在大量堆积的情况下很容易燃烧转爆燃，最终形成爆轰，所以固体推进剂在制造、处理、储存和运输过程中事故频发，固体推进剂行业的安全形势极为严峻。据有关资料统计，国内和国外很多国家，例如，日本、美国、印度等，在推进剂的生产和储存过程中，由于安全问题导致起火或者爆炸，造成了人员伤亡以及巨大的财产损失[1,2]。

1 固体推进剂的组成及特征

1.1 固体推进剂的组成

随着火箭技术的不断发展，固体火箭发动机的应用越来越广泛，固体推进剂的种类也日益增多。根据构成固体推进剂的各成分之间有无相界面，固体推进剂可划分为均质推进剂和复合推进剂两大类。均质推进剂主要是双基推进剂，复合推进剂根据氧化剂的不同主要分为高氯酸铵复合推进剂和硝铵复合推进剂。双基推进剂是由两种基本成分(硝化纤维素和硝化甘油)组成的均质推进剂。硝化纤维素被硝化甘油塑化。此外还有少量附加成分用来改善双基推进剂的某些性能。复合固体推进剂是以高聚物黏合剂为弹性基体，并提供燃烧所需的可燃元素。在黏合剂中填加有固体的氧化剂和金属粉，此外还有少量的其他成分。复合固体推进剂是一种多相混合物。由于其组分微粒的平均尺寸大于分子的尺寸，各组分之间存在着明显的界面。故称其为异质推进剂。

1.2 固体推进剂的特征[3]

根据固体推进剂的组成，可以看出固体推进剂的特征为:易热分解、易燃烧、易爆炸和易发生从热分解到爆炸的链式反应。

①易热分解。固体推进剂在常温下是相对安定的固态致密材料。实际上其一直进行着缓慢的热分解反应。由于其反应速度缓慢，以及安定剂及其他因素的抑制，不经检测一般不易发现。但是当环境温度过高、散热不好或其他条件影响时，热分解反应生成的热就会逐渐积聚，分解产物又会使热分解加速，最终导致自燃自爆的发生。

②易燃烧。任何燃烧必须同时具备三个要素:一定量的可燃物质、与可燃物质比例相当的助燃物质以及足够的激发能量。这三个要素相互作用即可燃烧。然而固体推进剂中已含有丰富的可燃剂和氧元素，所以只要给予足够的激发能量，如环境温度较高、靠近热源、明火点燃，以及摩擦、撞击等，即会发生燃烧事故，当其处于密闭容器、绝热状态或大量堆积时，其燃烧往往会转为爆炸。

③易爆炸。固体推进剂成品易发生爆炸。主要由以下三种情况引发爆炸的:一是由热分解、燃烧引发爆炸;二是由普通火灾引发爆炸;三是给予强大激发能量(如爆轰波、撞击等)后直接引起爆炸。

④易发生链式反应。固体推进剂的热分解、燃烧、爆炸虽然是三种不同形式的化学反应，但只要条件成熟，可以很容易地从缓慢的热分解转变为快速热分解，从快速热分解转变为猛烈燃烧，从猛烈燃烧转变为剧烈爆炸，而且可引起周围一定距离的药剂殉爆。

2 固体推进剂火灾灭火方法研究[4-10]

通过对固体推进剂组成、特征及燃烧机理的分析，可以看出固体推进剂不同于一般的固体物质。固体推进剂易分解、易燃烧、易爆炸，易发生从热分解到爆炸的链式反应，且燃烧剧烈无须氧气也可以快速燃烧。通过对推进剂灭火分析以及临界条件的建立，从理论上给出了扑灭推进剂火灾的方法。针对固体推进剂火灾的自身特点，本章重点研究灭火剂以及释放技术。通过对现有灭火剂性能参数、灭火原理的分析，筛选出扑灭固体推进剂火灾的最佳灭火剂;结合固体推进剂燃烧特性等特征，对现有释放技术进行分析研究，并提出新的释放技术。

2.1 气体灭火剂可行性分析

根据气体灭火剂灭火原理可以看出，卤代烷灭火剂主要是通过降低火焰中活性自由基来实现灭火的。通过固体推进剂稳态燃烧过程分析可以看出，推进剂燃烧是通过硝化纤维素、硝化甘油等大分子分解放热形成的，与所谓的燃烧链式反应作用方式不尽相同，使用卤代烷对推进剂进行灭火无法达到预期效果。此灭火剂不能应用于推进剂火灾。惰性气体灭火剂主要通过窒息作用进行灭火，对于固体推进剂火灾，由于自身含氧，窒息作用无法达到灭火效果。通过上述分析可知:气体灭火剂无论是化学作用还是窒息作用针对于推进剂火灾效果都不明显。一旦推进剂着火，无法对其进行有效扑救，故气体灭火剂不能应用于推进剂火灾。

2.2 水、水系灭火剂可行性分析

水的吸热能力强，对燃烧物质具有显著的冷却作用，水汽化产生大量的水蒸气，排挤和阻止空气进入燃烧区，可以降低燃烧区内氧气的含量。此外，水廉价易得，来源广泛，对环境污染小。因此，水是扑救A类火灾的主要灭火技术。随着经济的发展和技术的进步，灭火所用的水已经发展成多门类、多学科的技术，旨在提高水的灭火效能，并不断开拓用水灭火的应用范围。目前，提高水的灭火效能主要有两种办法:一是改变水的物理性能来提高水的灭火效果，如将水流变成雾状水(细水雾)来灭火;二是在水中添加试剂以改变水的化学性能来提高水的灭火效果，如强化水、润湿水、黏性水(水胶体)等。这种在水中添加试剂或改变水的物理特性，以提高水的灭火性能的新型灭火剂称为水系灭火剂。

根据上述分析可以看出:水具有良好的降温冷却作用，常温下1kg水变成水蒸气可以吸收2259kJ的热量，那么10kg的水最大就可吸收22590kJ的热量。然而，1kg双铅推进剂定容爆热只有4000kJ左右。这说明，通过降温手段，水做灭火剂，完全可以将推进剂火灾扑灭。其次，由于推进剂大多为负氧平衡，水蒸发后形成大量水蒸气占据燃烧区，可以有效的降低火灾的蔓延速度，大大降低火灾的强度。固体推进剂燃烧十分剧烈，火焰压力高，当水系灭火剂高速射出时，进入推进剂火焰区时，可以改变火焰区压力，使其火焰反向，当压力升高到一定值时，可以使推进剂火焰产生撕裂的效果，降低了火焰区向加热层传递的热量，减缓了加热层的形成。最后，当水系灭火剂附着在未燃烧的推进剂表面时，对固体推进剂进行了润湿，这大大增加了推进剂燃烧的难度，为扑灭推进剂火灾奠定了重要的基础。

2.3 干粉灭火剂可行性分析

通过干粉灭火剂灭火原理可以看出，干粉灭火剂主要是通过化学抑制作用来进行灭火的。通过对推进剂火灾稳态燃烧过程的分析，可以看出，化学抑制作用对其灭火效果不明显。干粉灭火剂的隔离作用以及冷却窒息作用无法满足推进剂火灾的特殊性，所以干粉灭火剂无法应用于推进剂火灾。

3 灭火剂释放技术的研究

通过对现有灭火剂性能、可行性分析可以看出，针对固体推进剂火灾最为合适的灭火剂为水系灭火剂。由于推进剂燃烧十分剧烈，蔓延速度极快，并且很容易燃烧转爆轰，如何使用水及水系灭火剂对推进剂火灾进行抑制，成为函待解决的问题。本节结合现有的喷水技术以及推进剂火灾的特殊性，重点对推进剂火灾的灭火剂释放技术进行研究。

3.1 自动喷水技术概述

自动喷水灭火系统是一种火灾发生时，能自动作用打开喷头喷水灭火，同时发出火警信号的消防给水设备。该系统一般应用于容易自燃的仓库、对消防要求较高的建筑物或个别房间以及火灾蔓延速度快，危险性很大的建筑物内。

自动喷水灭火系统一般是由水泵、输水管、水喷头、水流控制阀和若干辅助装置组成的。根据水从水源到喷头的形式，系统大体分为湿式、干式、预作用式和雨淋式自动喷水灭火系统以及水幕系统五种形式。

自动喷水灭火系统，是当今世界上公认的最为有效的自救灭火设施，是应用最广泛、用量最大的自动灭火系统。国内外应用实践证明:该系统具有经济实用、安全可靠、灭火成功率高等优点。然而，针对固体推进剂火灾时，这种喷水技术存在着一系列问题，从而导致了目前固体推进剂企业的消防系统无法有效的抑制推进剂火灾，导致事故频发。探测设计缺陷分析，喷头设计缺陷分析，喷水强度设计缺陷分析。

针对固体推进剂火灾，上述自动喷水灭火系统中设计的喷水强度、喷头工作压力远远小于扑灭推进剂火灾时所需要的喷水强度及喷头压力，无法有效的抑制推进剂火灾，从而使得火灾迅速蔓延，最终导致事故的发生。

3.2 高速喷水技术思路

针对目前自动喷水系统的缺陷，在现有基础上，我们对自动喷水系统进行进一步的改进，提高其响应速度和灭火时的喷水功率，从而实现高速喷水技术。首先，提高固体推进剂火灾的探测技术。当推进剂火灾刚刚发生时，能对推进剂火灾进行准确探测并迅速启动喷水装置实施灭火。其次，针对推进剂火灾，对喷头进行重新设计，尽可能减少水的动量损失。保证水以足够的动量进入推进剂火焰区，实施冷却降温作用。最后，现行的设计喷水强度远远达不到扑灭推进剂火灾的灭火功率。为了迅速抑制火灾，可以在现有基础上，通过提高喷头工作压力、改变喷头孔径等因素，增加喷水强度。水能更多的进入药柱的燃烧面，通过降温等手段，达到迅速破坏加热层的目的，从而实现灭火。

结束语

固体推进剂火灾灭火技术的研究是一项非常复杂的课题，对其未来的研究展望应从下面几方面研究。研究高能推进剂、含铝推进剂等火灾情况;考虑推进剂药量、形状等因素对灭火情况的影响;对固体推进剂火灾灭火机理进行深入分析研究，建立完整的固体推进剂火灾熄灭模型;建立一套高速喷水灭火系统，对固体推进剂火灾进行进一步实验研究验证。

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