固體火箭發動機地面靜止試驗的危害及安全防護

李連強，林新兵，曹 雄，王 燾，李保軍，張雙保

(1.兵器工業衛生研究所，西安 710065;2.中北大學 化工與環境學院，太原 030051)

固體火箭發動機試驗是固體推進技術研究的重要組成部分，是研制和生產中不可缺少的環節。在固體火箭發動機試車臺進行點火試驗中，一旦發生破壞性事故就會造成很大的經濟損失，特別是當發生發動機提前點火或殼體爆炸等惡性事故時，還可能會造成人員傷亡。在歷史上，固體發動機試驗過程中曾發生過多次惡性事故［1］。分析固體火箭發動機靜止試驗過程存在危害因素，并提出相應的防護措施具有重要的現實意義。

1 火箭發動機靜止試驗目的及流程

1.1 試驗目的

火箭發動機靜止試驗［2］，又稱火箭發動機地面試驗，在研制和生產過程中，為檢測發動機與推進劑性能及諸參數在試驗臺上進行的點火試驗，檢測的參數主要有發動機推力、燃燒室壓強、發動機壁表溫度、旋轉火箭轉數、發動機推力偏心、發動機工作條件下推進劑燃速及發動機比沖等。試驗的目的主要為發動機試制、定型提供前期參考科學數據等。

1.2 試驗方法

火箭發動機靜止試驗按測試內容分為推力壓力試驗臺、旋轉試驗臺、中止試驗臺及推力偏心試驗臺等。按發動機放置方式可分為立式試驗臺和臥式試驗臺，立式與臥式試驗臺可供測推力、壓力、壁溫等常規試驗用。

發動機可旋轉的試驗臺即旋轉試驗臺，用于測試旋轉發動機諸參數。中止試驗臺用于觀察藥柱在燃燒過程幾何尺寸變化規律。推力偏心試驗臺主要測試測發動機推力偏心。

測推進劑性能時用標準發動機，檢測新研制的發動機性能使用全尺寸發動機。設計方案比較研究可用縮比尺寸發動機;為測定發動機工作條件下推進劑燃速，用燃速評定發動機;為觀察藥柱在燃燒過程幾何尺寸變化規律，用中止燃速發動機。

以臥式固體火箭發動機試驗臺為例，試驗場所一般由試驗間、測試間、導流槽、裝配間等組成。試驗間主要用于發動機點火場所。測試間主要用于完成試驗前的標定、試驗控制任務，以及試驗后的測試數據采集等工作。

1.3 試驗流程

固體火箭發動機試驗過程一般分為試驗前準備、試驗、試驗后處理3 個階段。

試驗前準備階段，首先根據試驗項目編制試驗大綱，明確相關試驗技術要求，如試驗日期和地點，試驗性質與目的，產品的主要技術狀態，試驗設備及產品安裝、分解要求，火工品安裝測試要求，產品試驗溫度、濕度等條件要求等。其次進行試驗前的檢查與校準，對相關測控、計量儀器進行校準，對起吊運輸工具進行檢查。在試驗準備階段，對試驗控制、時序、氣路、點火線路、測試等系統進行單元測試。

安裝調試階段，進入試驗臺在現場進行驗收、交接，進行溫度試驗的發動機在溫度試驗前驗收、交接。按照技術要求進行裝配發動機，安裝(或粘貼)傳感器等測量儀器，并進行試驗前的全面技術檢查。

點火試驗階段，按照試驗指揮口令程序實施點火試驗，試驗前做好周邊警戒，安全保險機構解鎖，試驗專用及測試設備啟動正常工作。點火試驗根據產品的技術要求而不同。

試驗后處理階段，按照要求對被試產品組織清理、搬運、分解、測量、包裝、防護，并對相關信息和數據進行處理。

2 火箭發動機試驗主要危害及作用方式分析

固體火箭發動機試驗發生危害事故主要表現為爆炸、高溫射流和火球等具體形式，在這些事故中主要破壞力來自沖擊波、高速破片、高溫火焰。固體火箭發動機爆炸產生的空氣沖擊波和高速碎片，對環境、設備、人員都會造成巨大的毀傷。此外，發動機試驗過程產生的燃氣、噪聲也可產生一定的危害。

2.1 爆炸

固體火箭發動機發生爆炸后或發生非爆炸性的意外點火、殼體破損時往往會產生巨大的火球或高溫射流火焰。火球、高溫射流火焰除引燃周圍的可燃物、燒毀設備設施外，還會對所在區域內的人員造成燒傷、熱輻射等傷害。發動機試驗過程中發生殼體爆炸是由于燃燒室壓力超標或殼體強度不夠而引起的，多發生在發動機研制的初期，如發動機裝藥有缺陷情況。

推進劑發生意外爆炸時，將易產生強烈燃燒、爆炸或爆轟，將伴有大的火球以及燃燒的殘片四散飛濺(火把效應)［3］。發動機試驗時羽焰噴流及試驗失利時殘藥飛濺，引發試驗臺周圍易燃物火災。根據計算［4］，某3 000 kgNEPE高能復合固體推進劑的固體火箭發動機爆炸后，在無掩蔽情況下，高能固體火箭發動機爆炸沖擊波超壓對人員有殺傷作用的距離為82 m，爆炸后人員的安全距離為120 m。

2.2 意外事故

發動機在點火試驗過程中有可能發生提前點火、不能正常點火、試驗過程中發動機離位等事故。如某發動機試驗臺進行試驗時，曾發生發動機頭部被燒穿，發動機飛離臺體，在試驗場內無規則的亂竄，造成現場人員躲避不及被嚴重燒傷，試車臺內儀器設備損壞嚴重的事故［5］。

發動機提前點火是指未進入正式點火程序而發生推進劑提前點燃的事故，提前點火是發動機試車中最危險的事故，由于現場人員未撤離，可能造成參試人員傷亡。這類事故多發生在試驗準備過程中，主要是管理方面的原因，如操作人員誤聽口令和誤操作等。

發動機不能正常點火是指發動機不能在規定的時間點火，發生點火試驗時間推遲，出現這種現象的原因主要有點火線連接不牢、點火電源功率不夠(或點火電流過小)和控制系統失靈等。

發動機離位是指發動機在試驗過程中離開預定位置甚至飛離試車臺，造成這種事故的原因主要是試車架與基礎臺體之間固定不牢、承力墩承載能力不夠、安全限位不可靠等造成的試車架對發動機的約束失效。

2.3 電氣事故

發動機試驗過程中可能由于設備儀器意外帶電造成人員觸電事故。固體火箭發動機試驗的供電與接地相對于其他行業要求較高，它的質量不但直接影響測試系統的電磁兼容性，而且危及設備和人身的安全，如果供電與接地混亂，造成測試間、試車臺地面設施接地間的大電位差，可能會燒壞測試設備。

此外，試驗場所的雷電可能引起爆炸、火災、電擊、毀壞設備和設施、造成事故停電。靜電可能引起爆炸和火災，靜電的放電作用也可能造成電子元件誤動作，導致發動機意外工作，造成人員傷亡和發動機任務失敗。測試設備在運行過程中可能出現故障或損壞，如接插件松動或接觸不良、接地不良、測試電纜老化等，影響正常試驗秩序，延誤試驗點火時間。

2.4 起重運輸事故

在發動機轉運、吊裝、裝配過程中，操作比較頻繁，操作者如果不注意或者操作方法不當，容易發生發動機墜落摔壞或碰撞碰傷噴管等事故。在從保溫工房轉運至臺體過程中也易造成發動機損傷事故。損傷的發動機在試驗過程中燃燒具有不穩定性，易發生意外事故。

2.5 燃氣危害

固體火箭發動機產生的煙霧主要來源于殼體、推進劑、包覆層及點火藥等［6］，燃氣中有害物質根據發動機的成分各有不同，主要有氯化氫、氧化鋁、二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、氫氣、氬氣等物質。燃氣羽流中若含有鈹或氧化鈹顆粒、氯氣、鹽酸氣體、氫氟酸氣體或者其它的氟化物，那么就有很強的毒性。當使用高氯酸銨氧化劑時，排氣中會含高達14%的鹽酸［7］。以某聚丁二烯推進劑(含聚丁二烯粘合劑、高氯酸鉀、鋁粉及其他添加劑)為例［8］，每噸推進劑產生1 138.12 kg 氮氣(含補燃空氣)、350.78 kg 氧化鋁固體顆粒、322.88 kg 二氧化碳、269.11 kg 水、216.47 kg 鹽酸、23.46 kg 一氧化碳，4.95 kg 一氧化氮、0.04 kg 氯氣等。

發動機試驗車間一般是半敞開場所，經導流槽或擋墻處擴散的煙霧一方面可對環境產生危害，另一方面對試驗場所附近的人員身體健康造成影響。因此，一般試驗結束后，經機械排風15 min 后才能進入試驗場所。

2.6 噪聲危害

發動機點火試驗時，由于氣體壓力發生突變，產生空氣動力性噪聲。某發動機試驗產生的噪聲可達138 dB(A)［9］。高強度噪聲可以引起在場人員以聽力損傷或耳聾為主要表現的全身性疾患，超過140 dB(A)的強大噪聲，可引起暴震性耳聾，可伴有鼓膜破裂和內耳出血等。

3 火箭發動機危害防護措施

3.1 試驗臺選址

試驗臺應選擇在有自然屏障的偏僻地帶建設試驗臺，試車臺間和測控中心之間保證足夠的安全距離，以減少爆炸產生的沖擊波、破片以及試車燃氣煙霧危害。近年來，隨著城市規模的擴大和郊區旅游的快速發展，目前一些單位的發動機試驗臺外部距離范圍的農田被城市住宅、旅游景區所蠶食，存在很大的安全隱患。

因此，除了按照規范要求在試驗臺周圍布置足夠的室內外消火栓、室內滅火器等消防設施，定期清理試驗臺噴火方向室外的雜草和灌木外，對試驗臺自身的防護更需要加強，如在原有敞開通風口設置鋼絲網以防止爆炸時產生的拋射物飛濺出試驗臺。還要加強試驗時試驗臺周圍的清場管理，有條件時選擇合適的地點進行建設。

3.2 建筑結構設計

按照相關安全規范的要求［10］，試驗間的墻、屋蓋、承力臺采用現澆鋼筋混凝土結構。試驗臺間的噴火方向設計為敞開式，在一定距離處設置防護墻;試驗臺間設置足夠面積的供排氣的鋼制百葉窗;受火焰沖擊的部分(如墻面、地面、屋板等)采取耐高溫、耐高速氣流沖刷的措施(如鋪設鋼板等)，觀察孔的玻璃采取防爆玻璃，試驗間與裝配間、測試間等設置抗爆門，以抵抗偶然事故產生的破片和空氣沖擊波的作用。

3.3 電氣設施設置

試驗場所按照《建筑防雷設計規范》(GB50057—2010)一類防雷進行防雷設計，設避雷針或避雷網。危險性場所電氣設施應整體防爆，試驗臺及所有金屬裝備、設備、部件以及工具予以接地。試驗間設置靜電消除裝置，及時消除和導除操作人員人體靜電。定期對防雷、防靜電系統進行檢查，保證其有效性。每次試驗前對接地系統進行全面檢查，確保各種線路絕緣良好，無斷開、搭接現象，確保其安全性、可靠性。

目前多數試驗臺在電氣方面采用了防爆電氣，電氣線路穿鋼管敷設，但后來改造鋪設的安防監控設施沒有考慮到試驗臺的高溫、熱輻射環境，采用普通型電氣設施，這是不可取的。在此類場所應采用防爆型攝像頭，電氣設施既要符合危險環境要求，又能夠適應試驗環境需要。

3.4 試驗臺架設計

在防止意外事故方面，提高試車臺架設計的本質安全度，設計時留有足夠的安全系數和安全保護措施，試驗臺架強度能承受最大推力，多次使用不變形和損壞。經常檢查維護臺架設施，定期清理試驗間的雜物，使試驗設施保持良好狀態。

3.5 吊裝作業安全

試驗臺間內設有吊車時，選用防爆型吊車，并設置吊車陷蔽處。發動機采用專用吊具進行吊運，試驗前組織對吊車、吊具進行安全性能檢查。吊裝時明確吊車指揮人員和操作人員。裝、拆吊具和吊運發動機過程中，不得碰撞、敲打發動機。嚴格執行吊裝作業的其他有關操作規程。加強吊車的運行管理，定期組織鑒定及維護保養。

3.6 點火程序管理

在發動機點火前對測試系統進行預檢和校準，如點火控制程序的檢查、各參數測量系統的校準等，以保證測試系統工作的可靠性和正確性。點火電源開關由專人看管，并確認點火電源開關處于斷開位置時再接通點火線，嚴格按指揮員口令操作。完善點火電流測量工藝，準確計算點火電源線終端的點火電流測量值，保證點火線接觸牢固。發動機正式點火前進行合練，確保全系統正常，以防止發動機不能正常點火。一旦試驗時發動機不能正常點火，應首先切斷點火電源，按照程序排除故障，待故障排除后，重新啟動試驗程序。

3.7 防護用品配備

試驗時所有工作人員撤離至安全區域，參試人員佩戴耳塞等勞動保護用品，以減少噪聲對人體的沖擊。點火試驗結束后15 分鐘后方可進入試驗現場，試驗人員佩戴防毒面具或口罩，以減少燃氣吸收。對于羽流有毒的發動機，測試設備要有特殊的預防措施，以避免人員傷亡與設備腐蝕。

3.8 試驗組織管理

試驗臺試車必須編制試驗大綱，制定安全可靠的試驗方案。加強對試驗現場的安全管理，對各崗位實行定員管理。參試人員應明確操作任務，聽從指揮。對關鍵崗位實行雙崗制，避免操作失誤。建立應急預案和現場處置措施，并對操作人員進行培訓，訓練如何避免危險狀況，防止突發事故，以及如何從事故中脫險，一旦發生事故，使損失減少到最低。

4 結束語

固體火箭發動機試驗自身固有特殊性和高危險性，決定了其辨識危害和采取安全防護措施的必要性。通過分析其存在的危害和采取相應的防護措施，在試驗過程中，除了要保證采用質量合格的固體火箭發動機，重要的是加強試驗臺架的安全設計和使用的輔助工具的安全性，建立和堅持嚴格的試驗安全準則，預先辨識存在的危害和采取相應的安全對策，才能將固體火箭發動機試驗存在的事故風險降到最低。

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