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低温液体火箭塔台爆炸事故危害性分析
来源:一起赢论文网     日期:2013-06-05     浏览数:2062     【 字体:

摘要: 研究低温液体火箭塔台爆炸事故危害性预测问题 国内外对火箭起飞前爆炸事故影响范围的预测通常依赖 爆炸经验公式,具有一定的误差性 为解决上述问题,提出了利用事故后果建立爆炸事故模型,并仿真冲击波危害性的特点 首先建立 当量模型,并对不同混合比的液氧煤油推进剂混合反应的爆炸后果进行仿真,得出对应的最大危害半径,再结合 爆炸超压计算公式验证仿真结果的可靠性,从最不利的仿真结果中选取出一组最保守的危害距离值,并结合相关规定划分出安全区域 由仿真结果可知,不同混合比的 煤油爆炸造成的后果不同,在 质量固定的条件下,参与反应的煤油质量越大,即混合比越小,形成的危害范围就越广 改进方法在一定程度上完善了预测爆炸事故的可行性,同时弥补了 爆炸经验公式对远场超压的评估
关键词: 爆炸; 危害性; 后果模型; 液氧煤油; 危害距离; 安全区域

  引言
  多年来,在航天领域,低温液体推进剂得到了美国俄罗斯等国的广泛应用, 煤油便是其中的典型 火箭 煤 油是一类易泄漏燃 烧 热 值 高危险性大的燃料,一 旦 发 生 爆炸,会给周围环境和生产生活设施造成严重的破坏,带来很大的经济损失和社会影响 因此,对 煤油火箭在塔台上爆炸的事故危害性进行分析和讨论显得尤为重要
  国外关 于 煤油推进剂的爆炸危害性研究较早年间,美国航空航天局空军火箭推进实验室同佛罗里达州立大学[ ]利用 煤油等推进剂进行了一系列的液体推进剂火箭缩比爆炸实验,并形成液体推进剂爆炸危害性的研究报告; 年美国 公司以及麻省理工学院等[]采用土星火箭使用的 煤油推进剂,进行了推进剂同时混合和分别混合时爆炸威力的实验研究,并得出了理论爆炸当量的数学表达式; 年美国军用爆炸物委员会推进剂工作组成员[ ]对液体推进剂爆炸冲击波危害进行了综述,确定了对冲击波研究及危害性评估的基本方法 国内对冲击波的分析和危害性评估主要是借鉴国外的经验
  从研究现状来看,国外根据实验数据确定出了 爆炸超压的计算方法,并利用该模型进一步对推进剂爆炸危害性进行研究 由于该模型简单易行,且有真实实验数据作为其科学参考标准,在航空航天方面的应用也较为广泛 但由于经验模型本身存在一定的误差,往往对爆炸近场超压评估过高,而对远场评估偏低,且对爆炸后果的危害范围缺乏直观的显示
  因此,针对该问题本文提出以下分析方法: 利用事故危害性分析软件 对不同混合比的 煤油产生的爆炸冲击波伤害范围进行建模仿真分析,同时利用 爆炸超压计算公式得出液体火箭爆炸的事故后果影响区域,并将两者的结果数据进行对比分析,预知距离爆炸源不同位置的危害程度,结合相应准则划分出不同的危害半径,并根据危害半径提出危害分区的要求 该方法有效地弥补了 爆炸经验公式对远场超压的低估,在一定程度上完善了预测爆炸事故后果的手段,对航天发射场的安全布局起到了一定的参考价值
  爆炸事故后果模型
  对于液体火箭爆炸冲击波特性参数计算方法一般是根据能量相似原理将推进剂总量换算成炸药当量,利用 炸药爆炸冲击波特性参数计算方法进行计算[]因此,针对当量模型的建立须对以下参数进行确定:) 爆炸当量( )式中 为推进剂爆炸 当量系数,它与推进剂种类及火箭爆炸模式相关,为 煤油混合后的推进剂总量,为推进剂折合后的 当量[]) 当量系数国外文献[ ]中指出,液体推进剂爆炸有效能量的百分数随推进剂总质量的增加而下降,并提出了推进剂理论爆炸威力与推进剂总质量之间的关系,如图 所示同时,还详细地介绍了 煤油推进剂当量系数的确定方法,具体步骤如下:首先根据 煤油推进剂混合总量,查图,得出一个对应的 值,然 后 将 其 乘 以 煤 油 倍 增 系 数 ,得当量系数 与的关系式为 ( ) 值得注意的是,按此方法计算时会出现当液体推进剂量较少时 当量系数大于 的情况,造成这种现象的主要原因是液体推进剂爆燃能量比 的爆燃能量大,故液体推进剂在爆炸后期的威力可能会比 的爆炸威力大) 爆炸类型当火箭在塔台上爆炸时,由于距离地面较近,空气波的传播会受到地面的阻挡,因此,可以近似看成地面爆炸类型由于火箭发射场的地面属于混凝土 岩石一类的刚性地面,计算时可看做是 倍推进剂量在无限大空间爆炸[]) 危害半径由于火箭在塔台上爆炸属于地面爆炸,因此,计算该爆炸伤害半径公式[]的适用范围是:, ,式中,为爆炸点的高度而此时对应的危害半径公式为:[( ) ]( )式中: 为危害半径,; 为超压值, ; 根据国家规定的冲击波峰值超压破坏准则[],划分成五种不同危害半径: 人员死亡及建筑物完全破坏的危害半径,对应的超压临界值是; 人员中伤及建筑物严重破坏的危害半径,对应的超压临界值是 ; 人员重伤及建筑物中度破坏的危害半径,对应的超压临界值是 ; 人员轻伤及建筑物轻度破坏的危害半径,对应的超压临界值是 ; 人员无恙及建筑物基本无损坏的危害半径,对应的超压临界值是图 爆炸威力系数 与推进剂总量之间的关系图爆炸事故后果仿真分析假设某航天发射场在执行火箭发射任务期间,火箭在点火发射时突然发生塔台爆炸事故 经箭上液位传感器数据反馈,贮箱共底处压力迅速增大直至超过允许值,据此可知,事故原因是由于推进剂贮箱受内压作用而造成共底破裂,煤油混合反应而产生爆炸而推进剂爆炸过程不同于 炸药,它是集溅散的雾滴和倾泻的液料共存的复杂燃烧过程,且混合反应量不确定,分析起来具有较大的困难 因此,利用假设分析的手段并结合事故后果危害性分析软件 对其爆炸造成的后果进行建模仿真研究初始参数的设定) 液体推进剂加注量设 煤油推进剂的加注总量为 ,其中煤油加注量 , 加注量) 运载火箭发射条件发射时地面平均风速:发射时地面瞬时风速:发射时的大气稳定度: 中等稳定) 发射场环境条件发射场累年平均气温:发射场年平均气压:发射场累年平均相对湿度:) 推进剂混合比由于液体推进剂爆炸时,不是所有而是少部分已混合的推进剂参与了爆炸反应[]同时,根据火箭结构的设计,火箭竖立在发射台上时煤油贮箱位于 贮箱的上面,当发生共底破裂时煤油倾泻需要时间过程,因此当火箭发生爆炸的瞬间,参与反应的煤油质量是少部分的 而 煤油在理论燃烧情况下的混合比介于 之间 为此,基于研究需要,现假设以下理想条件: 在整个事故过程中,不同比例 煤油混合情况下,参与反应的煤油质量分别是和 ,而参与反应的 的质量恒为 ,此时的混合比分别为 ,进而算出这 组数据的均值为 ,满足理论燃烧情况下的混合比范围) 推进剂当量系数选取根据不同比例 煤油混合的总质量,再结合前文提到的当量系数的确定方法,最终确定出了 种不同混合比对应的当量系数,如表 所示表 不同 煤油混合比对应的当量系数混合比 当量系数爆炸事故后果模拟) 指定超压值对应的爆炸危害距离参照国家相关规定,发射区外部区域建筑物均按不超过二级破坏的冲击波超压计算安全设防距离,因此,临界峰值超压取 作为指定的衡量标准,进而分析它对应的爆炸危害距离利用爆炸事故后果模型的计算方法进行建模,同时运用软件对 煤油混合爆炸的危害性进行仿真,如图所示图 不同混合比对应的 超压影响范围图 是利用爆炸事故后果模型模拟的不同混合比条件下冲击波超压达到 时的事故影响范围 如图中所示,爆心位于原点处,椭圆的区域代表不同混合比的 煤油爆炸形成的冲击波危害范围,由内到外依次代表混合比为时的最大危害距离,椭圆右顶点对应的下风向距离即是最大危害半径同理,选定其余每一个超压值作为衡量标准,同样利用爆炸事故后果模型的计算方法进行建模仿真,可知当混合比依次为 时,冲击波最大危害半径是对应增大的) 指定混合比对应的爆炸危害距离根据以上结论,综合考虑火箭爆炸对发射场造成的最大危害效应,重点对混合比为 时的爆炸情况进行分析,利用软件模拟冲击波的影响范围,仿真结果如图 所示图 是混合比为 的情况下的爆炸后果图,椭圆由内至外分别表示超压 值 为从图中可以看出,随着距离的增大,冲击波的超压值是呈衰减变化的图 混合比为 的情况下超压影响范围爆炸事故后果分析由图 可以看出,在参与反应的 的质量恒为 的情况下,爆炸冲击波达到每一个超压值所对应的最大危害距离是随 煤油混合比的增加而减小的,为了直观显示结果,现结合仿真结论数据绘制成曲线,如图 所示图 和图 是不同混合比下五种典型的临界超压值对应的最大危害距离,从图中可以看出,在同一种混合比下,超图 不同混合比条件下超压对应的最大危害距离图 不同混合比条件下 最大危害距离压值越小,最大危害距离就越大; 反之亦然 同时,超压值为时,最大危害距离 相 差 不 大;而超压值为 时,同其它超压值相比,最大危害距离的差距较大 随着混合比的增加,曲线的斜率逐渐减小,也就是说,随着混合比的增加,最大危害距离减小的越缓慢仿真结果可靠性验证根据式( ) 和表可以确定出混合比为 时的 当量是 ,带入 爆炸超压经验公式[],得出了以下简化公式:( )再将 和五种典型超压值分别带入式( ) ,可得到一组最大危害半径值 将仿真结果同公式计算结果进行对比,如表 所示表 仿真结果与公式计算结果的数据对比超压值( ) 仿真结果( ) 计算结果( )由两者的数据对比分析可知,仿真数值大小比较接近经验公式值,且随着超压值的减小,相对误差的值是逐渐收敛的,此外,仿真结果有效弥补了 爆炸经验公式对远场爆炸效应的低估 因此仿真结果能够较好地对爆炸效果进行描述安全区域的划分按照最不利原则的选取标准,取混合比为 的仿真计算结果作为最终需要的结果 结合国外关于液体火箭爆炸安全区域划分相关规定[]及图 显示的仿真结果,得出以下结论:) 破坏区 : 冲击波杀伤因素可使人致死,该区域人员必须撤离或进入防护掩体;) 危险区 : 冲击波可使人重伤,甚至死亡,该区域人员必须撤离或进入防护掩体;) 有危险区 : 冲击波可使人受轻度伤害,建筑物轻度破坏,该区域人员必须撤离;) 有风险区 : 此区域的地爆冲击波对人基本无损伤,因此,该区域人员受到严格限制,工种人员应撤离;) 安全限制区 : 除火箭在发射台意外爆炸可能玻璃碎裂造成人员的划伤之外,其它杀伤因素对人和设备无危害
  结论
  ) 利用事故后果分析软件 来完成爆炸事故后果的建模和仿真,能够对液体火箭爆炸的危害性做出准确形象的预测,有效地弥补了 爆炸经验公式对远场超压的低估,为以后深入研究打下了基础) 虽然对近场超压的评测过高,但是主要原因是近场范围内不仅有冲击波的作用而且有爆炸产物的作用,综合影响的精确性测试技术难度较大) 质量固定的条件下,不同混合比的 煤油爆炸造成的后果不同,这主要同参与反应的煤油质量相关,参与反应的煤油质量越大,混合比就越小,形成的危害范围就越广) 根据国家规定的峰值超压破坏准则,选取出的冲击波超压值都是临界值,因而计算出的最大危害半径相对保守,故此,提出的安全区域划分结论对发射场安全布局也具有一定的参考价值) 液体火箭一旦发生共底破裂而引起塔台爆炸,产生的事故影响范围很大,对发射场的安全构成极大威胁,因此火箭发射前一定要做好监测和排故工作,同时做好相应的应急预案,作为灾难发生时的紧急规避措施
  参考文献:阳建红,徐景龙高能推进剂 当量的计算研究[]计算机仿真,陈新 华,聂 万 胜 液体推进剂爆炸危害性评估方法及应用[]北京: 国防工业出版社

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