浅谈液体火箭发动机试验场所安全设计规范

刘强 周娟 范军政 史晓茹 刘欣 江军

（1 西安航天动力试验技术研究所， 西安， 710100；2 中国兵器工业火炸药工程与安全技术研究院， 北京， 100053；3 四川航天长征装备制造有限公司， 成都， 610100）

随着我国航天事业的不断发展， 液体火箭发动机应用越来越广泛， 新一代无毒污染的液氧煤油发动机已家喻户晓、 新型液体复合推进剂悄然而生、 液氧甲烷发动机预研已逐步启动[1-2]。 为了满足不同的需求， 液体火箭发动机推进剂早已不再仅限于最初的偏二甲肼、 四氧化二氮等常规介质[3]， 液体推进剂家族不断壮大， 种类繁多。

试验作为检验发动机的关键流程， 经常用到大量的易燃易爆、 有毒、 低温等推进剂， 并且涉及到生产、 使用、 存储等多个环节， 危险有害因素多， 安全风险高。 然而， 目前国内液体推进剂场所安全设计领域的标准规范不足， 无法完全满足液体火箭发动机试验场所建设需求。

1 标准现状

在场所安全设计方面， 液体推进剂相较火药、炸药、 火工品等起步较晚。 兵器行业早在上世纪90年代初就颁布了 《火药、 炸药、 导药、 引信及火工品工厂设计安全规范》， 俗称 “90 规范”。 而液体推进剂直至1997年才有了第一份专业设计国家军用标准《导弹与卫星试验发射场常规推进剂库设计规范》， 后于2003年修订为《导弹与卫星试验发射场常规推进剂库设计规范》 （以下简称《设计规范》）， 沿用至今。 此标准中的大多条款由DoD（美国国防部） 标准翻译而来， 爆炸当量计算也是引自美国 《液体推进剂手册》， 并且更多是从发射靶场角度出发， 很多客观严苛条件是发动机试验单位在建设过程中难以满足的[4]。 表1 对比了发射靶场与试车台影响场所安全设计方面的区别。

表1 靶场与试车台工作区别

在 《设计规范》 中， 仅规定了以肼类燃料和硝基氧化剂为代表的常规推进剂发射台和库房设计原则、 总体布局等内容。 随着以液氧煤油、 液氢液氧为代表的新型发动机的出现， 该标准已无法适应实际需求。 为满足新型液体火箭发动机试验台建设需要， 2012年发布实施了航天行业标准 《液体推进剂贮存场所安全设计要求》 （以下简称 《安全设计要求》）。 在此标准中， 保留 《设计规范》 中关于常规推进剂选址布局相关要求，同时增加了液氧、 液氢、 过氧化氢、 航天煤油、JP-10 等液体推进剂场所设计要求。

至此， 液体火箭发动机试验场所安全设计过程中除了满足或参照执行GB 50016 《建筑设计防火规范》、 GB 50057 《建筑物防雷设计规范》、GB 50074 《石油库设计规范》 等国家强制性通用标准外， 液体推进剂场所专业领域标准主要采用 《设计规范》 和 《安全设计要求》。

近年来， 在液体火箭发动机试车台新建、 改造过程中对照现行标准规范， 发现主要在总体布局、 当量计算、 液体推进剂种类及危险场所涵盖不全等方面出现指导性不足或要求不明确等问题。

2 总体布局

液体推进剂受流体特性和自身理化性能的影响， 在存储、 运输、 使用等多个环节均与固体推进剂有显著区别。 液体推进剂盛装需要压力容器， 输送除需要使用压力管道、 阀门开关外， 还需配套增压气或泵等设备设施； 在进入发动机燃烧室之前均是独立存储、 输送， 氧化剂和燃料保持绝对的物理隔离； 加之液体推进剂普遍具有易燃、 易爆、 有毒、 腐蚀和易挥发等危险特性。 因此在液体火箭发动机试验场所选址、 布局时， 既要考虑其防火、 防爆的安全要求， 也要兼顾液体动力试验的特点。

液体火箭发动机无论使用的是何种推进剂，其试验系统大多是由工艺、 测量、 控制等各个分系统的集成。 工艺系统因直接面对推进剂的供应、 输送、 存储等问题， 因此该系统涉及的厂房、 单元的安全问题是设计中最关注的部分， 也是项目审批、 安全评价中的核心要素。

在国家现行通用标准中仅明确了防火分区、 防雷、 消防等通用的安全技术要求， 两个专业标准（《设计规范》 和 《安全设计要求》） 也仅规定了推进剂储存库房、 试车台本体根据防护情况的安全距离和爆炸当量计算方法。 但试车台的配气间、 推进剂库房的加注泵间、 气瓶场等， 在整个试验流程中是必不可少的， 标准中却未明确说明。 这些试车台配套场所因压力、 流阻、 保温等工艺要求， 往往距离试车台或推进剂存储库房本体建筑较近， 根据爆炸当量计算， 大部分无法满足最小的内部距离要求。 此外， 作为试验系统一部分， 为试车台设置的消防水池、 冷却水池大部分为地下建造， 并且仅为储水功能， 无人员和其它设备， 危险有害因素较小。 在布局时， 若将其视作单体建筑， 对周边建筑及总体布局影响较大， 且无实际的安全意义。

3 试车台爆炸当量计算

在 《设计规范》 和 《安全设计要求》 标准中，试车台安全距离主要是通过爆炸当量计算得出，而爆炸当量根据试车台使用的液体推进剂种类和量进行估算。 在这一过程中， 推进剂量的选取至关重要。 《设计规范》 中， 未明确试车台各个氧化剂、 燃料贮箱的量是否计算在内。 目前， 各设计单位在试车台设计过程中均将其全部计算在内。以某单位1# 试车台为例， 氧化剂 （四氧化二氮）容器间有4 个65m3容器、 燃料 （偏二甲肼） 容器间有4 个60m3容器， 根据 《设计规范》 计算出的爆炸当量为25497kg， 查表可得该试车台内部距离最小约为102m， 外部距离最小约为455m。

然而， 在实际试验过程中， 两种推进剂贮存场所之间及与试车点火区域均使用了有效的物理隔离， 介质输送管路上安装有多台具备远程控制功能的阀门 （单台阀门动作可靠性大于99%） 且阀门得到有效防护， 发动机点火区域发生爆炸时能够快速切断介质供应， 爆炸冲击波不会对贮存容器造成威胁。 结合工程实际， 经统计国内主要从事液体火箭发动机试验单位常规发动机和以液氧/煤油、 液氢/液氧为代表的新型发动机， 在研制、 定型、 抽检等各个阶段的历史数据， 未发生一起因发动机爆炸而引起防爆墙另一端贮箱殉爆的案例[5]。

根据国内最近10年 （2011～2020年） 的数据统计， 发动机试验过程中， 低温发动机共发生4起爆炸事故、 1 次发动机燃烧事故， 常规发动机共发生3 起燃烧事故， 高模试验共发生过2 起燃发器爆炸事故。 上述事故均在防爆墙的有效防护下， 未引起贮箱殉爆。

在 《安全设计要求》 中， 附录虽说明了发动机爆炸当量计算时推进剂贮箱内的量除外， 但未明确贮箱内的推进剂参照何种标准如何计算。 而在工程设计中， 大部分设计单位依然将氧化剂和燃料贮存场所视为一个爆炸单元， 合并计算其量值。 这对试车台选址布局无实际影响[6]。

4 推进剂种类及危险场所涵盖不全

现行2 个标准中仅对当时使用较多的偏二甲肼、 甲基肼、 四氧化二氮、 液氧、 煤油、 液氢等液体推进剂相关要求作了规定。 而随着时代的发展，甲烷、 酒精等作为推进剂开始应用， 含有硝酸肼、硝酸羟胺的单组元以及新型复合推进剂逐步发展，但专业标准中未对这类组合的安全要求进行明确，各设计单位所使用的参考标准也各不相同。

液体火箭发动机因其特殊性需要配套辅助场所或设施， 除了推进剂使用、 贮存场所具有燃烧[7-8]、 爆炸的风险外， 供配气系统的安全风险也相对较高。 气瓶内存储的高压氮气、 空气有发生物理爆炸及殉爆的可能[9]。 而无论是专业标准还是国家标准暂时没有对这类有可能发生物理爆炸的场所制定安全设计规范。

4.1 发生物理爆炸的概率

根据文献查询， 张艳丽[10]等利用引入模糊数学后故障树计算得出的压力容器失效概率为1.12×10-3～1.16×10-3。 国际油气生产者协会（OGP） 中明确LASTFIRE 报告中通过统计， 压力容器每年无火爆炸的频率是2.5×10-5。 可知压力容器发生物理爆炸的概率未达到可忽略的概率范围。

4.2 物理爆炸的当量计算

对于压力容器爆炸的事故后果， 目前工程中均采取考虑爆炸的瞬时性， 压力容器发生容器爆炸时造成的破坏， 通过转化为 TNT 当量值， 进而计算出爆炸致人伤亡和建筑物损坏的距离。 压缩空气气体绝热膨胀能量计算见公式 （1）。

式中：

U——爆炸能量， J；

P1——储罐爆炸时压力， Pa；

P2——大气压力， 取101325Pa；

V——储罐容积， m3；

K——气体的绝热指数， （双原子1.4， 多原子1.29）。

压力储罐爆炸的TNT 当量计算见公式 （2）。

式中：

W——压力储罐爆炸的TNT 当量， kg

Q——TNT 的爆热值， 取4.50×106J/kg

4.3 物理爆炸的伤害

爆炸产生的伤害主要有冲击波伤害和飞散的碎片造成的打击伤害2 类。

4.3.1 冲击波伤害

a） 冲击波的计算

根据单个高压罐发生事故后的TNT 当量值，对发生爆炸事故后冲击波对人员的伤害及对建筑物破坏进行预测。 模拟采用平地爆点硬质地面冲击波峰值超压公式， 见公式 （3）

式中：

ΔP——冲击波峰值超压， 它是峰值压力PS与环境大气压力P0之差， 即ΔP=PS－P0， 单位是kg/cm2；

R——比例距离或叫对比距离， 它是距炸药中心的距离r 与爆炸药量W 的立方根之比， 即R=r/W1/3， 单位是m/kg1/3。

b） 冲击波对人员伤害区域的预测

冲击波对人员的伤害作用是根据爆炸空气冲击波超压的大小及人员所处位置而定， 轻则轻微挫伤、 听觉器官损伤， 重则引起血管破裂致使皮下或内脏出血、 内脏器官的破裂， 特别是肝、脾等实质器官的破裂和肺脏撕裂。

死亡区： 该区内的人员如缺少防护， 则被认为将无例外地蒙受严重伤害或死亡， 其内径记为0，外径记为R0.5， 表示外圆周处人员因冲击波作用导致肺出血而死亡的概率为50%。 根据国外相关资料和国内相关试验情况， 其冲击波峰值超压取1.0kg/cm2。

重伤区： 该区内的人员如缺少防护， 则绝大多数人员将遭受严重伤害， 极少数人可能死亡或受轻伤。 其内径就是死亡半径R0.5； 外径记为d0.5， 代表该处人员因冲击波作用而耳膜破裂的概率为50%， 根据相关资料， 其冲击波峰值超压取0.44kg/cm2。

轻伤区： 该区内的人员如果缺少防护， 则绝大多数人员将遭受轻微伤害， 少数人将受重伤或平安无事， 死亡的可能性极小。 该区内径记为d0.5； 外径记为d0.01， 表示外边界处耳膜因冲击波作用而破裂的概率为1%， 根据相关数据，其冲击波峰值超压取0.17kg/cm2。

c） 冲击波对建筑物破坏预测

完全破坏： 冲击波超压ΔP≥0.76kg/cm2， 砖外墙大部分倒塌； 钢砼屋盖， 砖墙承重的大部分倒塌， 钢砼柱的， 严重破坏。

严重破坏： 冲击波超压0.55kg/cm2≤ΔP ＜0.76kg/cm2， 砖外墙部分倒塌； 钢砼屋盖， 出现较宽裂缝， 最大宽度大于2mm。

次严重破坏： 冲击波超压0.40kg/cm2≤ΔP＜0.55kg/cm2， 砖外墙出现严重裂缝， 宽度50mm 以上， 严重倾斜， 砖垛出现较大裂缝； 钢砼屋盖， 出现明显裂缝， 宽度1～2mm 修理后能继续使用。

中度破坏： 冲击波超压 0.25kg/cm2≤ΔP＜0.40kg/cm2， 砖外墙出现较大裂缝， 宽度 5mm～50mm， 明显倾斜， 砖垛出现较小裂缝； 钢砼屋盖， 出现微小裂缝， 最大宽度大于1mm。

轻度破坏： 冲击波超压 0.09kg/cm2≤ΔP＜0.25kg/cm2， 木门窗窗扇大量破坏； 砖外墙出现较小裂缝， 最大宽度小于5mm， 稍有倾斜； 钢砼屋盖无损坏； 顶棚摸灰大量掉落。

次轻度破坏： 冲击波超压 0.02kg/cm2≤ΔP＜0.09kg/cm2， 玻璃少部分到大部分呈大块条状或小块破坏； 木门窗窗扇少量破坏； 瓦屋面有少量移动； 顶棚抹灰少量掉落； 内墙板条墙抹灰少量掉落； 钢砼屋盖无损坏。

4.3.2 飞散的碎片危害

现代压力容器的制造材料均为非脆性的高强度低碳合金钢， 一旦破裂主要以撕裂的形式裂开， 基本不产生碎片， 但不能完全避免， 若产生碎片， 可能伤及碎片飞散范围内的人员。

若严格按照上述计算过程及标准核算建筑物间安全距离， 会导致要求过高， 比如， 单个空气储气罐[9-10]（工作压力38MPa、 20m3） 爆炸的TNT 当量为344.87kg， 24.3m 范围内人员死亡， 52.7m 范围内的建筑物会出现中度破坏， 计算结果远远大于防火间距要求， 而目前仅参照GB 50016 相关要求，仅考虑防火间距要求， 也不能有效控制风险。

5 对标准的完善

为了能够更加切合实际的推动我国航天事业发展， 在后续液体推进领域相关标准规范制订过程中， 应充分考虑液体发动机试验的特点， 结合每种推进剂的危险特性和使用的工艺条件， 从以下几个方面不断完善， 最终实现安全发展。

5.1 总体布局

发动机试验不仅涉及点火区域， 为了完成一次点火试验需要很多的辅助配套单元。 为了满足工艺要求， 以现有的技术条件不能完全将其独立， 应将其视为一个或多个整体。 具体来说， 例如推进剂的存储、 输送， 发动机的配气、 测量、控制等环节所需工房， 试车台与配气间、 库房与加注泵房均应作为一个整体， 无论建筑结构如何， 在发生爆炸时冲击波及碎片覆盖范围内没有人员， 或人员得到了可靠防护的情况下， 无需再单独考虑安全距离问题。

5.2 爆炸当量计算

爆炸当量的计算是做好安全防护的前提， 计算既要准确也要合理。 如果工艺设计已充分采取了异常情况及时阻断的措施， 同时为了防止氧化剂和燃料混合也设置了较为可靠的防护措施或采取了物理隔离 （如防爆墙）。 可将试车台一拆为二， 可能发生混合分区域按照各种推进剂最大量混合后计算爆炸当量。 而不发生爆炸或仅存理论上可能发生爆炸并已采取了有效控制措施的区域则可按照防火规范进行设计。

5.3 其他

结合基础课题， 开展甲烷、 酒精等新型推进剂乃至复合型液体推进剂的安全技术研究， 根据研究结果制定规范或提出参考标准， 拓宽液体推进剂涵盖范围。 同时， 将物理爆炸风险纳入设计标准规范， 解决危险场所设计无规可依的问题。