美國四氧化二氮泄漏事故綜述

索志勇　劉曉春（北京航天試驗技術研究所，北京　100074）

美國四氧化二氮泄漏事故綜述

索志勇劉曉春（北京航天試驗技術研究所，北京100074）

泄漏是四氧化二氮液體的“常見、多發病”。過去五十年里美國發生了22起較大的四氧化二氮泄漏事故，造成了巨大的損失。本文對美國過去五十年發生的四氧化二氮泄漏事故進行了總結，并根據分析結果找到泄漏的根本原因，提出四氧化二氮泄漏的解決方法，對未來液體火箭系統測試效驗和操作使用都有十分重要的指導意義。

四氧化二氮；泄漏；預防

四氧化二氮具有密度大、氧化性強等特點，作為氧化劑可以與許多火箭燃料組成自燃推進劑，在彈道導彈、運載火箭、航天飛機和深空探測器上廣泛使用。泄漏是四氧化二氮液體的“常見、多發病”。美國過去五十年發生了22起較大的四氧化二氮泄漏事故，其中最嚴重的一次事故為1978年8月24日小石城發射場大力神II號發射井四氧化二氮大范圍泄漏，大約有13540加侖（51249升）四氧化二氮泄漏到地下發射井中，兩名工作人員犧牲超過25名工作人員不同程度受傷，緊急疏散小石城周圍的居民，發射井無法修復，可見四氧化二氮泄漏會造成損失巨大［1，2］。

1　四氧化二氮特性及泄漏危害

四氧化二氮是強氧化劑，常溫下易揮發，本身不自燃只能助燃。易吸收空氣中的水分，與水作用生成硝酸并放熱，加速對金屬的腐蝕。四氧化二氮是高劇毒化學品，泄漏后會導致人員傷亡、設備腐蝕、原料損耗。在美國過去五十年的泄漏事故中，損耗的四氧化二氮總量超過20000加侖。

2　美國四氧化二氮泄漏案例總結

由于法蘭、閥門、管路等設備薄弱部位的故障，相關人員的錯誤操作和維修處理不及時，在實際使用過程中發生泄漏、著火或爆炸，造成航天飛行設備和地面保障設備的損傷和相關人員的傷亡，下面列出了近美國五十年四氧化二氮泄漏事故的部分案例。

1975-07-24，場所位置：阿波羅返回艙氧化劑貯罐。簡單描述：宇航員一個小的操作失誤導致少量四氧化二氮氣體進入到指揮艙內，5人受傷。根本原因：宇航員執行程序錯誤。

1978-08-24，場所位置：小石城空軍基地大力神II發射井。簡單描述：約13450加侖四氧化二氮液體泄漏到發射井，2人死亡，25人受傷，發射井報廢。根本原因：閥門O形墊圈失效，材料不相容。

1981-07-14，場所位置：肯尼迪發射中心軌道飛行器。簡單描述：一個1/4英寸螺栓被錯誤的安裝在1/2英寸螺母上導致密封不嚴四氧化二氮泄漏，1人輕傷。根本原因：人為操作失誤。

1981-09-22，場所位置：肯尼迪發射中心哥倫比亞號航天飛機運輸系統。簡單描述：硝酸鐵的形成導致QD閥打開，15～20加侖四氧化二氮泄漏，無人員傷亡。根本原因：QD閥有瑕疵；設計失誤

1986-07-29，場所位置：肯尼迪發射中心39A發射臺氧化劑貯罐。簡單描述：操作人員在貯罐存在壓力下移除安全閥，導致泄漏發生，有技術人員不穿防化服進行操作，少量四氧化二氮氣體泄漏，兩人輕傷，無硬件損壞。根本原因：閥門設計不合理；錯誤的人為操作。

1994-08-20，場所位置：迦南空軍基地41#發射臺大力神IV氧化劑罐。簡單描述：使用BioT-200A清洗劑清洗火箭發動機流量控制閥導致失效，大約244加侖四氧化二氮泄漏，無人員傷亡。根本原因：保障設備設計不當；不重視程序偏差。

1997-07-16，場所位置：范登堡空軍基地大力神IV A氧化劑貯罐。簡單描述：使用BioT-200A清洗劑清洗火箭發動機流量控制閥導致失效，大約244加侖四氧化二氮泄漏，無人員傷亡。根本原因：材料不相容。

1997-11-06，場所位置：哥倫比亞號87#運輸系統。簡單描述：管路液體水錘效應導致法蘭墊圈出現裂口，25～50加侖四氧化二氮液體泄漏，1人輕傷。根本原因：設備設計誤差；密封性不好。

2003-08-12，場所位置：迦南空軍基地40#綜合發射臺。簡單描述：氧化劑離心泵過濾器堵塞，且泵過度使用磨損導致定子損壞，約40加侖四氧化二氮液體泄漏引起爆炸，無人員傷亡。根本原因：設備維護不利；設計存在瑕疵。

2006-01-09，場所位置：韋斯特測試站M7-1212測試室。簡單描述：技術人員在拆裝MD-122四氧化二氮貯箱提升閥時，約2.9加侖液體氧化劑泄出，無人員傷亡。根本原因：緊急安全措施失效；清洗操作不當。

3　四氧化二氮泄漏根本原因及預防措施

3.1設計不合理、材料不相容。

材料不相容是造成泄漏的主要原因，例如使用BioT 200A清潔劑與四氧化二氮不相容而發生反應，密封松弛破壞填料密封性和完整性造成泄漏；使用丁基橡膠O-形環作為密封墊圈，四氧化二氮與丁基橡膠不相容發生泄漏；將短期相容的材料用于長期貯存的設備、管道系統上等。

材料相容性主要包含兩個方面，一方面是四氧化二氮對材料的腐蝕變脆、溶脹溶解作用；另一方面是材料對四氧化二氮的催化氧化、變色變濁等。任何材料在使用前都需要測試與四氧化二氮的材料相容性。

3.2違章操作、失誤操作

不按程序操作、違反安全規定、不熟悉設備系統、不了解安全措施、不認真檢查測試，是造成泄漏的又一重要原因。例如一名宇航員在返回艙測試時沒聽到呼叫及時激活地面降落系統，錯誤的執行了程序導致四氧化二氮泄漏；技術人員錯誤的使用密封帽導致泄漏等等。

預防四氧化二氮泄漏特別需要注意以下幾點：一是操作時一定要按規定進行系統氣密性測試；二是在加注作業中使用泄漏保護器，工作人員與四氧化二氮保持隔離狀態；三是個人防護用品使用前必須認真檢查；四是在拆卸閥門管路時一定要放空壓力，嚴禁超壓排放、超速排放；五是在加注、轉注、貯存過程中一定要密切關注工作壓力的變化，防止出現壓力突然升高等異常情況；六是正確使用閥門，不得用力過猛，以免造成密封件損壞；七是四氧化二氮貯罐密封良好，貯量在容器容積的50%～90%之間；八是在氧化劑貯罐系統內存在壓力情況下嚴禁敲擊貯罐管道。

3.3設備維護不利、緊急處置不當

航天飛行設備和地面保障設備局部清潔或保養不當可能造成泄漏、著火爆炸。在實際測試、加注等操作過程中，發生異常情況時由于不熟悉系統性能和操作注意事項，或由于驚慌失措處置不當造成泄漏或使泄漏事態擴大。例如1994年4月約翰遜航天中心353#大樓里，工程師進行發動機測試時，發現有小部分四氧化二氮流出，但是測試團隊決定繼續試驗，當壓力上升時，80加侖四氧化二氮泄漏造成81人輕傷，測試過程中缺乏應急程序是事故根本原因。

因此必須重視維護，設備中常使用的閥門、密封部件需要經常檢查、維護、修理、更換，以保證系統處于良好的工作狀態。每次維修過程中所有的輔助閥門要拆除清洗，當焊縫、接頭、密封墊片等部位出現滲漏時，及時維修更換處理，必要時清空貯罐、清洗內壁、檢查貯罐，對于閥門則予以更換，在泵周圍安裝防爆籠，且減少泵的使用時間，每運轉60小時進行一次嚴格測試。

4　結語

本文對美國過去五十年發生的四氧化二氮泄漏事故進行了總結，找到了泄漏的主要根本原因：一是設計不合理、材料不相容；二是違章操作、失誤操作；三是設備維護不利、緊急處置不當，根據上述原因提出了相應的解決方法，對未來液體火箭系統測試效驗和操作使用都有十分重要的指導意義。

［1］鄭治仁.液體推進劑泄漏問題綜述.中國航天，1993，（3）: 17～20.

［2］鄭宏建，劉文全，朱志華.液體推進劑運輸中常見事故處理.上海航天，2002，（5）:53～56.