裝配廠房特殊環境條件設計要求研究

焦陽 李冰洋 王傳捷

航天建筑設計研究院有限公司 北京 100000

1 研究背景

在全球商業航天市場發展的大背景下，中國創新技術、政策支持和市場需求共同推動中國民營商業航天事業發展。隨著國家對于科研領域的不斷投入，我國航天航空事業已經逐步從航天大國向航天強國不斷邁進。

經過60多年的發展，目前我國已擁有先進的航空航天科學技術以及能掌握最前沿的航空航天科學信息，航天事業已經突破運載火箭、人造衛星、載人航天、空間站和深空探索等多個關鍵階段。作為商業航天整個產品工藝鏈中的重要環節——產品總體裝配測試也處于高速發展的過程。作為其基礎配套的裝配測試廠房也經歷了從零到一個基地再到多個基地的建設過程，只有基礎建設的不斷完善，才能為商業航天領域的發展打下堅實的基礎。

本文將從商業航天總裝測試廠房設計特點進行入手分析，結合與現行規范的適應性進行深入剖析，給出標準規范修訂所需的建議，并對后續設計研究提出結論與展望。

2 裝配廠房設計特點

商業航天總裝廠房主要承擔相關產品的總體裝配，所需各部件都有配套廠家提供封裝好的產品，在總裝過程中無對裝藥的直接操作[1]。根據商業航天裝配的工藝技術要求，裝配測試工廠特點如下：

1）裝配測試工廠特點

(1) 裝配測試不對危險部位進行直接操作

產品裝配測試由裝配廠進行，其主要危險部段由相應的配套單位提供。各部段出廠前均需進行相應的氣密試驗，合格后，方可作為成品提供給裝配廠，各部段均處于密閉狀態，裝配廠在裝配測試過程中不存在對危險部段的直接操作。

(2) 產品種類增多

我國商業航天行業發展初期，國內主要以仿制為主，產品種類相對較少，大部分裝配廠同期只具備一、兩種型號。隨著技術的發展，目前產品主要以自主研制為主，多種產品都形成了系列化的發展趨勢。產品種類與以往項目，都有了大幅度增加。

(3) 產品數量快速增加

隨著技術發展，產品型號逐漸增多，總體產品數量有大幅度提升。

(4) 產品裝藥變化

隨著商業航天的出現，產品的外形尺寸、裝藥量及藥性也發生變化。如近期某大型運載火箭總體裝藥量遠超規范藥量上限值。同時，不同的裝藥種類的特性其對應的當量和感度也有所不同。

(5) 自動化、智能化發展

隨著科技的發展 “機械化換人、自動化減人、智能化無人”的提出，以機械化生產替代人工作業，以自動化控制減少人為操作，自動化、智能化設備進入裝配工廠成為必然趨勢，從本質上防范和遏制重特大事故。

3 現行規范適應性分析

目前，火工安全標準大體可分為工程設計安全、科研試驗安全、儲存運輸安全、制造安全、銷毀安全等5類。其中國內設計火工工程設計標準7篇。各標準的名稱、制定單位和標準號如下表所示：

標準名稱和編號

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以上各標準根據各自適用范圍均提出了相關的安全設計要求，但是其各自的內容和側重點不相同。

《火藥、炸藥、彈藥、引信及火工品工廠設計安全規范》（以下簡稱原“90規范”）由原兵器工業總公司工程設計研究院修訂，自1990年5月1日起執行。

該規范適用于中國兵器工業行業（包含直屬兵工單位、地方兵工、兵工動員線）。該規范規定了火藥、炸藥、彈藥、引信、火工品工廠及有關靶場、試驗場在新建、改建、擴建時應遵循的有關安全技術要求和規定，適用于部分生產分類和各種靶場和試驗場的新建、擴建及改建工程設計。凡屬適用范圍以外的生產分類、或采用了新工藝新技術后的危險等級和防護措施，可根據有關資料和試驗成果，參照規范提出建議，經主管部門審批后方可實施。

該規范主要包含內容有建筑物危險等級和計算藥量、工廠規劃和外部距離、防護屏障、危險品生產工藝布置、危險品生產區和危險品總倉庫區的總平面布置、危險品貯存和運輸、危險性建筑物和構筑物、消防給水、廢水處理、危險性建筑物采暖、通風和空氣調節、危險場所的電氣、危險品生產自動控制、靶場和試驗場、銷毀場共計十五個部分，附錄中給出了倉庫危險品分組存放規定、防護土堤的防護范圍示例、衛生特征分級舉例、安裝雨淋系統的廠房和工序舉例、危險場所電氣類別和防雷類別舉例等。

“原90規范”在國防科技工業也逐漸難以完全滿足科研和生產需要，主要存在的問題如下：

(1) 危險品覆蓋范圍不足，部分新型產品缺少危險等級和設計藥量的判定依據

“原90規范”采用列舉法給出危險品生產工序或廠房的危險等級。由于”原90規范”編制時間較早（1990年），且到目前為止，危險品的品種十分有限，對于近幾年新研制的產品，目前沒有規范約定，只能依照一定經驗確定建筑物的危險等級和TNT當量。另外原規范中雖已列出的某些產品生產工序或廠房的危險等級，但隨著其配方的改變，炸藥量含量和組分出現了變化，藥性有較大的改變，產品的危險性提升，規范中所涉及該類的生產工序和廠房的危險等級也應隨之發生改變[2]。

(2) 防護屏障覆蓋范圍不足，界定高度較為單一，部分單體防護屏障工程量大，且缺少部分新型防護屏障防護效果的判定依據

根據“原90規范”第4.0.12條，“一、當防護屏障內為單層建筑物時，宜高出建筑物的檐口1m，不應低于檐口高度；建筑物為單坡屋面時，以低屋面檐口計算。”如某裝配測試廠房長70m，寬36m，檐口高度17m，按照規范規定進行建設，防護屏障高度要求18m，其基底寬近37m，防護屏障土方量約為14萬m3。而且，目前防護屏障的做法有很多種，已經超出了“原90規范”的種類，“原90規范”中缺少防護屏障防護效果的判定，新的防護屏障的防護效果難以評估，例如：山體自然防護屏障、堆土防護屏障、土工格柵防護屏障等。

(3) 固體發動機全產品裝配測試過程中，發動機均處于封閉狀態，針對電氣、暖通的部分做法不適應

按照“原90規范”要求，裝配測試廠房需要設置全新風空調系統。而“原90規范”其制定是，大部分為小型廠房，體積較小，且生產過程中確實有爆炸性粉塵、氣體等產生，采用全新風空調系統是合理可行的。但是對于裝配測試廠房，此條規范就存在不適應。發動機在裝配測試過程中，推進劑均封裝在發動機內部，并無裸藥狀態出現，也沒有對藥直接操作的過程，不會出現大量爆炸性粉塵或氣體。大型固體發動機裝配測試廠房一般長數十米、寬二十多米、高十多米，按照規范采用全新風空調系統，在建設過程和使用過程中都造成大量能源消耗。

產品在裝配測試過程中，其裝藥均封閉在殼體內部，無裸露部分，也無需對裝藥進行直接的操作。“原90規范”將固體推進劑發動機的裝配區域的電氣危險場所確定為Ⅱ類（有時可能存在能形成爆炸物的火藥、炸藥及其粉塵的工作間），規范與現狀存在不適應性。

(4) 規范編制時間較早，部分內容不能適應新的發展要求

①防護對象材料的變化

“原90規范”“外部安全距離的設防標準為住宅區建筑物允許二級破壞；內部安全距離的設防標準為相鄰建筑物允許達到四～五級破壞”。”原90規范”為90年發布，其針對的設防對象主要為磚混結構形式，經過二十多年的發展，現有的建筑物基本采用鋼筋混凝土框架、排架結構形式。通過對比，現有鋼混形式與磚混形式相比，其抗破壞能力要強，在同等爆炸情況下，采用防護能力更強的結構形式，再沿用“原90規范”設計，內外部安全距離被無形增大。

②數字化和信息化發展

目前裝配測試過程對數字化、信息化的要求不斷提高，相關信息化設備并不具備防爆能力，按照“原90規范”的要求，相關信息化設備不能進入到裝配測試廠房，嚴重制約了產品智能化、數字化和信息化的實現。

隨著危險作業場所人員人數控制的提出，大量新的自動化設備和機械化設備引入到危險作業場所，針對新出現的各類傳感器、導航方式的能量影響等在規范中均沒有體現，制約了安全能力的提高。

(5) 受制于規范約束、國家發展，新建廠區選址難度大

產品的單發藥量大，受單體藥量和安全疏散的約束，單個建筑物的功能和建筑外形受到很大約束，為滿足生產綱領的需要，需要新建多個工房，占地面積大。

作為特色廠區，在選址時需考慮生產布點情況、征地面積、搬遷情況、地形條件、交通運輸等配套條件及城市規劃、自然災害等因素。現有裝配廠房在選址建設時，根據所存藥性、藥量，確定危險等級后保留相應的內外部安全距離。

對于人員聚集少的僻遠地區，缺少各項配套條件，尤其是供電、運輸等條件不足，建設工程費用以及后期維護費用大幅增加。距離人員較近的山區，一方面人員住戶較多，對于人員聚集少的僻遠地區，缺少各項配套條件，尤其是供電、運輸等條件不足，建設工程費用以及后期維護費用大幅增加。距離人員較近的山區，一方面人員住戶較多，另一方面隨著國家對山區建設，山區園林、生態區、農家樂等建設項目較多，導致新區建設所涉及拆遷戶數較多。

4 建議

通過對現有安全工程設計安全標準的調研與分析，現有的標準已逐漸無法滿足商業航天裝配廠房特殊環境下的建設需求，為解決這一問題，在參照國外主流安全標準的基礎上，建議對“原90規范”進行修訂，形成適合我國軍工行業新時代發展的工程設計安全標準是非常有必要的，通過以上分析，主要需包含以下關鍵要點：

新型固體推進劑TNT當量的確定和危險等級的判定

各類產品的覆蓋和特殊工序的危險等級的確定

建筑單體內部設計

內外部安全距離的確定

(1) 建筑、結構。通過對國外標準的分析，不同的結構形式下，其防護效果是不一致的，對外界的影響也是不一致的。該部分主要解決的是目前國外普遍采用的防護墻體、防護結構、防護屏障的防護效果的分析，通過理論計算、數值模擬結合試驗得出不同藥量下，不同防護結構的防護效果。此外，還可以考察新型抗爆材料等在建筑物中的應用。(2) 暖通。該部分主要是確定是否需要全回風，其主要是考慮環境中存在易燃易爆粉塵、氣體。該部分主要是在已有的各類廠房現場安裝可燃氣體或粉塵的濃度采集裝置，通過不間斷的取樣來判定現場是否存在燃爆的氣體或粉塵，如果有，其濃度范圍是多少，能否達到爆炸范圍。(3) 電氣。該部分主要確定是否需要電氣防爆，其主要是考慮環境中存在易燃易爆粉塵、氣體。該部分主要是在已有的裝配測試廠房的現場安裝可燃氣體或粉塵的濃度采集裝置，通過不間斷的取樣來判定現場是否存在燃爆的氣體或粉塵，如果有，其濃度范圍是多少，能否達到爆炸范圍。此外，在該部分還需要考慮電氣電火花對推進劑引爆的作用和影響。

5 結論與展望

商業航天裝配廠房設計與現有規范的適應性差等問題，在一定程度上影響商業航天裝配廠房建設，對商業航天產業發展有一定制約；制定符合商業航天產業發展現狀的行業標準，使航天裝配廠房設計有更加合理的依據，在當今商業航天產業快速發展的新形勢下顯得尤為迫切。