液体火箭共底破裂爆炸安全设防距离

陈景鹏，韩斯宇，孙 克，栾 骁

（1.装备学院，北京，101416；2.中央财经大学，北京，102206）

液体火箭共底破裂爆炸安全设防距离

陈景鹏1，韩斯宇2，孙 克1，栾 骁1

（1.装备学院，北京，101416；2.中央财经大学，北京，102206）

针对航天发射场一旦发生低温推进剂泄漏而导致火箭爆炸，会对人员和财产造成重大损失的问题，采用TNT当量模型和TNO（The Netherlands Organization）多能模型计算不同摩尔百分比的氢氧推进剂混合反应时产生爆炸冲击波的危害性，并模拟爆炸冲击波造成的事故影响范围，然后对两种模型的仿真结果加以对比分析，根据最不利原则选取出最终需要的结果，最后划分出安全设防距离。由仿真结果可知，不同的氢氧混合摩尔百分比造成的爆炸后果不同，同时TNT当量模型在爆炸近场处高估了爆炸超压值，在爆炸远场处低估了爆炸超压值，而TNO多能模型在理论上有效地对这一缺陷进行了弥补。对航天发射场的安全布局起到了一定的参考价值。

TNT当量模型；TNO多能模型；摩尔百分比；爆炸；危害性；设防距离

0 引言

经过近一个世纪的探索与实践，世界各国正致力于高比冲、高密度、液态温度范围宽、无毒、无腐蚀和低成本等综合指标好的液体火箭推进剂开发，并已取得了明显成果。其中，液氢／液氧是当今比冲最高的一组液体火箭推进剂，而且无毒，对环境无污染，热值高，因此在国内外航天技术中获得了广泛的应用。

但液氢／液氧的低温特性和高泄漏能力又会使整个火箭发射过程充满较高风险，一旦出现泄漏而导致火箭爆炸，其危害后果更会给国家经济和人员生命财产造成重大损失。因而对液氢／液氧推进剂爆炸的危害性进行分析和控制显得尤为重要。

国外关于液体火箭爆炸危害性的研究起步较早，1962-1969 年 美 国 ADL（Armament Datum Line）公司以及麻省理工学院［1］采用 LH2／LO2推进剂进行混合爆炸的实验研究，并在TNT模型的基础上提出了适用于液体推进剂的爆炸当量计算模型；1977年美国航空航天局（NASA）组织 W.E.Baker等人［2］归纳前人成果，并简化了爆炸当量模型；1989年Becker，Dorothg L编写出“空间推进危险性分析手册”［3］，对液体推进剂的爆炸当量的计算方法做了进一步的规范，提高了应用性。国内在原理上主要是借鉴国外的经验，同时也根据需要做了不少实验。

从研究现状来看，国内外对推进剂爆炸危害性的研究主要立足于TNT当量模型，该模型简单易行，且在航空航天方面的应用也较为广泛，但其有明显的局限性：爆炸冲击波近场区超压估计值明显偏大。而荷兰TNO实验室于1985年提出的TNO多能模型［4］，在理论上有效地对近场区超压偏大问题进行了修正，比较接近事实，但目前在航天领域应用较少。

因此，本文兼用TNT当量模型和TNO多能模型，并结合事故后果分析软件PHAST对液氢／液氧混合产生的爆炸冲击波的伤害范围进行仿真分析，预测距离爆炸源不同位置的危害程度，划分出不同的危害半径，并根据危害半径提出安全设防距离的要求，对航天发射场的安全布局起到了一定的参考价值。

1 液体火箭爆炸后果预测模型

1.1 TNT当量模型

（1）当量系数

式中，h为爆炸点的高度。而此时对应的危害半径公式为：

式中：x为危害半径，m；Δp为超压值，MPa；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0.076Mpa；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0.05Mpa；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0.03Mpa；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0.012Mpa；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0.002Mpa。

1.2 TNO多能模型

结合氢氧低温推进剂的相关特性以及贮存状态，应用TNO多能模型计算冲击波危害半径的步骤如下［7］：

（1）将氢氧贮箱定为强烈的爆炸子源。贮箱近似为直径为5m，高度10m的竖直圆柱体，推进剂当量体积为362.4m3。

（2）确定该子源的能量。氢氧混合物在理想配

式中Y为推进剂爆炸TNT当量系数，它与推进剂种类及火箭爆炸模式相关，m0为氢氧混合后参与反应的推进剂总量，mT为推进剂折合后的TNT当量［5］。参照美国 DOD 6055.9-STD 标准［6］，火箭在发射台上爆炸时液氢／液氧推进剂组合爆炸当量折算系数为14%。

（2）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：比下的燃烧热为3.5×106J／m2，所以，贮箱爆炸的能量为3.5×106J／m2乘以该部分子源的体积。

式中，R为距爆心的距离，m；P0为大气压强，一般取标准大气压1bar；E为总的爆炸能量，J。

纵坐标无量纲峰值侧向超压的计算公式如下：

式中，Ps为侧向超压的峰值，Pa。

根据工程经验和发射场的实际情况，取爆炸烈度为8，此时的计算误差相对较小。

（4）确定危害半径

取和TNT当量模型相同的超压临界值作为标准，根据图1曲线确定爆炸危害半径。

图1 无量纲峰值侧向超压随无量纲距离变化曲线Fig.1 Lateral overpressure of dimensionless peak value versus the dimensionless distance

2 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。事故原因是由于推进剂贮箱受内压作用而造成共底破裂，液氢／液氧混合反应而产生爆炸。现利用事故后果危害性分析软件PHAST对其爆炸造成的后果进行仿真研究。

2.1 初始参数的设定

（1）液体推进剂加注量

设氢氧推进剂的加注总量为160t，其中液氢加注量20t，液氧加注量140t。

（2）运载火箭发射条件［8］

①发射时地面平均风速：≤10m／s。

②发射时地面瞬时风速：≤15m／s。

③发射时的大气稳定度：中等稳定。

（3）发射场环境条件

①发射场累年平均气温：24.1℃。

②发射场年平均气压：100.9kPa。

③发射场累年平均相对湿度：86%。

（4）推进剂混合摩尔百分比

液体推进剂爆炸时，不是所有而是少部分推进剂参与了爆炸反应［9］。因此，有必要对液氢／液氧参与反应时的混合情况加以假定，进而分析不同情况导致的事故后果。为此，现假设参与反应的氢氧混合摩尔百分比分别为10%∶90%；20%∶80%；30%∶70%；40%∶60%；50%∶50%；60%∶40%；70%∶30%；80%∶20%；90%∶10%。

从燃烧动力学的角度考虑，氢氧混合的最佳理论配比为2∶1，此时的混合燃烧最理想。故此，结合其余氢氧混合配比方式产生的爆炸效应，同理论配比下的影响后果进行对比，显得尤为重要。

2.2 爆炸事故后果模拟

（1）达到指定超压值下的爆炸危害距离

参照国家相关规定［10］，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0.002MPa作为指定的衡量标准。

利用TNT当量模型和TNO多能模型进行计算得到的仿真结果分别如图2、图3所示。

图2 TNT当量模型计算的不同氢氧混合摩尔百分比时0.02bar超压影响范围Fig.2 The sphere of influence for 0.02bar overpressure，calculated by TNT equivalent model under different hydroxide mixed molar percentages

图3 TNO多能模型计算的不同氢氧混合摩尔百分比时0.02bar超压影响范围Fig.3 The sphere of influence for 0.02bar overpressure，calculated by TNO multi-energy model under different hydroxide mixed molar percentages

（2）不同超压值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，重点对氢氧混合摩尔百分比为90%∶10%时的爆炸情况进行讨论，得出了五种典型临界超压值对应下的危害半径。利用TNT当量模型和TNO多能模型计算的仿真结果分别如图4、图5所示。

图4 氢氧摩尔百分比为90%∶10%时TNT当量模型计算不同冲击波超压值对应的影响范围Fig.4 The sphere of influence for different overpressure values by TNT equivalent model with hydroxide molar percentage of 90%∶10%

图5 氢氧摩尔百分比为90%∶10%时TNO多能模型计算不同冲击波超压值对应的影响半径Fig.5 The sphere of influence for different overpressure values by TNO multi-energy model with hydroxide molar percentage of 90%：10%

2.3 爆炸事故后果对比分析

在超压值固定不变的前提下，最大危害距离同实际参与反应的可燃物质量成正比关系。结合图2、图3的仿真结果，可分别得到两种模型计算的最大危害半径，见表1。当氢氧摩尔百分比为90%∶10%时，峰值超压达到0.002MPa时的爆炸危害距离相对更大，说明此时实际参与反应的推进剂质量更多；同理，氢氧摩尔百分比为10%∶90%时，峰值超压达到0.002MPa时的爆炸危害距离相对更小，说明实际参与反应量更少。同时，以最佳理论配比方式2∶1对氢氧进行混合反应时，最大危害距离小于摩尔百分比为70%∶30%、80%∶20%以及90%∶10%时的危害距离情况。

同时，结合图4和图5的仿真计算结果，可分别得到两种模型计算的最大危害半径，见表2。

由表2可知，对应每一个冲击波峰值超压，TNT当量模型的计算结果都要小于TNO多能模型，尤其在峰值超压处于0.002MPa的远场区，TNT当量模型的计算结果比TNO多能模型小431.9m。

同时，在处于相同摩尔百分比和峰值超压条件下，TNT当量模型计算的爆炸危害距离要比TNO多能模型小。

表1 三种混合条件下两种模型计算结果对比Table 1 Comparison of the results calculated by the two models for three hydroxide mixed molar percentages

表2 90%∶10%混合条件下两种模型计算结果对比Table 2 Comparison of the results calculated by the two models for hydroxide mixed molar percentage of 90%∶10%

3 安全设防距离的确定

按照最不利原则的选取标准，取TNO多能模型的计算值作为最终需要的结果。同时结合国家规定的峰值超压破坏准则［11］，确定五种最大危害半径：

人员死亡及建筑物完全破坏的最大危害半径为312.89m；人员重伤及建筑物严重破坏的最大危害半径为397.47m；人员中伤及建筑物中度破坏的最大危害半径为537.65m；人员轻伤及建筑物轻度破坏的危害半径为954.96m；人员无恙及建筑物基本无损坏的最大危害半径为3461.30m。

因此，结合国外关于液体火箭爆炸设防距离相关规定［12，13］可知：发射区内人员安全设防距离要大于954.96m；发射区内建筑物主要指的是氢氧、煤油推进剂贮存设施，它所规定的安全设防距离为距塔台至少537.65m。发射区对外区建筑物安全设防距离至少为3461.30m。

4 结论

（1）不同的氢氧混合摩尔百分比造成的爆炸后果不同，这主要同参与反应的推进剂总量相关，在以理想配比值参与燃烧的情况下，并非使推进剂反应最充分而消耗最多。

（2）结合TNT当量模型和TNO多能模型对液体推进剂的爆炸后果进行建模仿真，从结果可以看出，TNO多能模型在远场区的超压值更大，因而依照最不利原则选取出了TNO多能模型计算出的最大危害距离作为最终安全设防距离的参考标准，因而很有必要把TNO多能建模的思想引入航天领域，作为航天发射场事故危害性分析的手段之一。

（3）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，提出的安全设防距离标准对发射场布局选址也具有一定的参考价值。

（4）液体火箭一旦共底破裂而引起混合爆炸，产生的事故危害范围非常广，对发射场的安全构成极大威胁，因此火箭起飞前一定要做好监测和排故工作。

［1］Farber EA.Characteristics of liquid rocket propellant explosion phenomena（Part Ⅷ.Prediction of Explosive Yield and Other Characteristic of Liquid Propellant Rocket Explosions）［R］.Florida：Florida Enineering and Industrial Experiment Station，1969.

［2］Baker WE，Kulesz JJ，Ricker RE，etal.Workbook for predicting pressure wave and fragment effects of exploding propellant tanks and gas storage vessels［R］.Washington，D，C：National Aeronautics and Space Adminis-tration，1977.

［3］Becker，Dorothg L.Space Propulsion Hazards Analysis Manual［R］.Baltimore：Johns Hopkins University，1989.

［4］Merex WPM，Van Den Berg AC，Van Leeuwen D.Application of correlations to quantify the source strength of vapour cloud explosions in realistic situations（Final report for the project：GAMES）［R］.Rijswijk，The Netherlands：TNO Prins Maurits Laboratory，1998.

［5］Fletcher RF.Liquid propellant explosions［J］.Journal of spacecraft and rockets，1968（10）：1227-1229.

［6］DOD 6055.9-STD.DOD Ammunition and Explosives Safety Standards［S］.October 5，2004.

［7］Mercx WPM，Van Den Berg AC.Methods for the calculation of physical effects（Yellow Book）［M］.The Netherlands：TNO，1997.

［8］陈新华，聂万胜.液体推进剂爆炸危害性评估方法及应用［M］.北京：国防工业出版社，2005.

［9］Joint Army-Navy-NASA-Air force（JANNAF） Hazards Working Group.Chemical rocket propellant hazards.General safety engineering design criteria［R］.AD 889763.

［10］国家安全生产监督管理总局.安全评价［M］.北京：煤炭工业出版社，2005.

［11］Willoughby AB，Wilton AB，Mansfield J.Liquid propellant explosive hazards， Vol. Ⅱtest data［S］.AD 857342.

［12］Farber EA.Characteristics of liquid rocket propellant explosion phenomena.PartⅧ［R］.N70-18825.

［13］Erich A.Farber.Characteristics of liquid rocket propellant explosion phenomena（PartⅧ.Prediction of Explosive Yield and Other Characteristic of Liquid Propellant Rocket Explosions）［R］.Florida：Florida Enineering and Industrial Experiment Station，1969.

Fortification distance for prevention of liquid rocket explosion

CHEN Jing－peng1，HAN Si-yu2，SUN Ke1，LUAN Xiao1

（The Academy of Equipment，Beijing 101416，China；2.Central University of Finance and Economics，Beijing 102206，China）

Leakage of cryogenic propellants at a space launch center may lead to rocket explosion，causing great losses.In this paper，we use the TNT equivalent model and the TNO （The Netherlands Organization）model to evaluate the risk of shock wave for different mole percentages of reaction in hydrogen and oxygen propellant mixed.The effects of the accident caused by the blast are also simulated.The simulation results of the two models are analyzed and compared.The results are determined by the principles of most unfavorable conditions.Finally the fortification distance is partitioned.The simulation results show that different molar percentages of hydrogen and oxygen mixed cause different consequences of explosion.It is found that the TNT equivalent model overestimates the value of explosion overpressure in the blast near-field and underestimates the explosion overpressure in the blast far-field.The TNO multi-energy model，however，can overcome these limitations effectively in theory.

TNT equivalent model；TNO model；Mole percentage；Blast；Risk；Fortification

V448.15＋3；X915.5

A

1004-5309（2012）-0131-06

10.3969／j.issn.1004-5309.2012.03.04

2012-06-11；修改日期：2012-06-27

总装试验技术研究项目"航天发射场加注系统风险评估研究"，基金号：2010SY4106007

陈景鹏（1973-），男，汉，黑龙江省克山市人，现工作于装备学院航天装备系运载火箭测试与控制教研室副教授，主要研究方向为发射系统总体设计。