液体火箭爆炸冲击波对人的伤害

1液体火箭爆炸冲击波对人的伤害、摘要：本文针对使用液体推进剂的运载火箭在发射场附近爆炸后的冲击波对人体的危害进行了简要分析，得出了理论的关于安全区域和危险区域的直观的阶梯函数表达式，对如何确定火箭发射场周边人员的撤离距离有一定的借鉴价值关键词：液体火箭，爆炸事故，空气冲击波，冲击波伤害Damage of Shock Wave on People About Liquid RocketAbstract: By briefly analysis about the serious of the damage on people if the launch vehicle that uses liquid propellant explodes near the rocketdrome, concluding with ladderlike functions which can distinguish the safe area and dangerous area and the result has some merit to ascertain the evacuating distance of the persons around the rocketdrome.Key words: liquid rocket, explosive accident, aerial shock wave, damage of shock wave1 引言航天发射工程是一项技术难度大、系统复杂、高风险的系统工程。

航天发射一旦发生事故，将对人民生命财产和地面重要设施构成巨大的威胁若处理不当，必将给国家和人民带来巨大的损失科学的认识和合理的应对措施可以最大限度地降低航天事故发生概率和减少事故的损失1960 年 10 月，在苏联贝加尔地区的拜克努尔火箭发射场发生了一起火箭爆炸事故这次事故炸死了约 200 名苏联火箭专家、工程师和前苏联国防部副部长、战略火箭部队司令米·伊·谢德林元帅1980 年 3 月 18 日，前苏联东方号运载火箭在普列谢茨克发射场进行燃料加注时发生爆炸，45 名技术人员当场被烧死，另有 5 人在送往医院后死亡1996 年 2 月 15 日，新型号的“长三乙”火箭在西昌卫星发射中心升空 22 秒后发生爆炸，巨大的冲击波造成了人员死伤和发射场区部分试验、生活设施损坏2003 年 8 月 22 日，巴西的第三枚 VLS 型卫星运载火箭在东北部的阿尔坎塔拉发射场发射前最后检修测试时发生爆炸，离发射中心数十公里的圣路易斯镇都可以听到爆炸造成 21 人死亡，20 人受伤，两颗科研卫星被毁，上述事例的后果极其严重，有的甚至是毁灭性的在发射场周围，如何确定合适的距离，既能保证人员和测试发射设备设施的安全，又能够满足测试设备和信号对于距离的要求，满足参试人员工作及时性对距离的要求。

这个相互制约的因素要求如果在火箭爆炸的杀伤半径范围内修建测试建筑必须严格考虑其防震性能如果已经发生爆炸事故，抢险人员在怎样的时机进入事故现场能够基本保证人生安全，又能保证关键操作的及时性，以最大限度的控制事故的损失，这些都是航天发射工程建设中必须考虑的问题本文仅对使用液体推进剂火箭的爆炸对发射场周边人员的伤害情况进行探讨，特别是针对同时使用常温推进偏二甲肼（UDMH） 、四氧化二氮(N 2O4)和低温推进剂液氢、液氧的火箭进行探讨，主要考虑空气冲击波对发射场周边人员的伤害如果条件允许，可以进一步验证文中的爆炸模型的准确性，研究爆炸冲击波对发射场周边建筑的毁伤范围和威胁程度，同时针对以液氧和煤油为推进剂的液体火箭发生爆炸事故的模型，为以后的发射场的建设提可靠的供理论依据22 液体火箭与空气冲击波2.1 液体推进剂运载火箭的推进剂是给运载火箭提供推力的工作物质，包括燃料和氧化剂液体推进剂是指在火箭中以液态形式存在的推进剂，不过它还包括常温状态下为气态的物质，比如液氢和液氧在常温态为气态液体推进剂的一个特点是它可以贮存起来，在需要时加注到火箭中常温态的燃料通常为醇、烃、胺、肼等类，氧化剂为硝酸、四氧化二氮、混合氧化氮等。

这些推进剂的主要危险是其着火、爆炸、毒性和腐蚀性肼、甲基肼和偏二甲肼均属Ⅰ、Ⅲ类易燃品，可燃极限很宽，各种明火、电火花都能导致着火或爆炸 [1]低温态的燃料和氧化剂主要是液氢和液氧液氢最大的威胁是着火和爆炸它有很多特殊的性能：氢的分子小、易泄漏、沸点低，氢气和空气组成的可燃混合物有很宽的可燃极限，需要的引燃能量极小，极易起火燃烧，在封闭空间中能引起爆炸2.2 液体火箭液体火箭指的是使用液体燃料和液体氧化剂作为推进剂的运载火箭由于液体推进剂的比冲比固体推进剂的大，所以目前具有较大推力的运载火箭都使用液体推进剂使用液体推进剂的运载火箭需要在发射前加注，与使用固体推进剂的火箭相比，它在发射前的工序更为复杂，而且目前使用的很多液体推进剂是有毒物质，使人员面临中毒的威胁为了进一步加大有效载荷的运载能力，以液氢和液氧为代表的低温推进剂被广泛使用到运载火箭中，这大大增加了液体火箭发生爆炸事故的可能性在液体火箭起飞质量中，液体推进剂质量一般占 85%~90%因此液体火箭爆炸实质上是液体火箭推进剂爆炸液体火箭地面爆炸对发射场设施、设备及人员产生破坏作用的主要因素有冲击波、箭体和设备碎片、火球和火球辐射、有毒的燃烧产物以及未燃烧推进剂蒸发形成的有毒气体等 [2]。

2.3 空气冲击波 [2]冲击波是一种强压缩波冲击波通过介质前后，介质状态参数的变化不是连续的，而是突跃的、间断的所以冲击波是一种状态突跃变化阵面的传播与爆轰波不同，冲击波在传播过程中介质没有化学反应空气冲击波是一个引起空气参数（压力、密度、温度）由一种状态到另一种状态突变的区域不断向前传播的前边界参数发生突变的区域厚度非常小，理论上可以简化成一个面参数发生突变的区域厚度接近于自由分子的行程，约为 4×10-5cm，形成参数突变区域的时间约为零点几毫秒或几十毫秒，理想情况下认为该时间趋于零空气冲击波有如下特点：（1）空气冲击波阵面通过前后，介质的参数是突跃变化的，在冲击波阵面两侧介质参数数值相差的不是一个微量，而是一个大的有限量2）空气冲击波的传播过程是一个绝热不等熵过程，即绝热不可逆过程3）空气冲击波传播速度相对于微扰动介质而言是超声速的4）空气冲击波传播过后，介质获得了一个与空气冲击波传播方向相同的速度5）空气冲击波传播速度相对于波阵面后受扰动的介质而言，是亚声速的空气冲击波的传播速度取决于它自身的强度6）空气冲击波空气冲击波传播没有周期性，是一次性密度突然增加的突跃式传播过程3 液体火箭爆炸冲击波特性参数计算公式 3液体火箭的推进剂爆炸后产生的空气冲击波包含几个重要的参数：TNT 当量、波峰值超压 、fp正压作用时间 、比冲量 I 和到达 R 点的时间 T 等，它们决定着冲击波的威力大小。

下面给出的是在t空旷环境下，可应用于液体火箭推进剂爆炸空气冲击波特征参数计算的一些经验公式 [3,4]3.1 TNT当量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等效成 TNT 炸药当量，利用 TNT 炸药爆炸冲击波特性参数计算方法进行计算推进剂质量 和等效 TNT 炸药质量PW的关系为TW(1 )PTYW式中 为推进剂总量 ( 包括燃料和氧化剂 )；Y 为推进剂等效 TNT 当量系数，它与液体推进剂的种P类及推进剂爆炸模式有关 对 UDMH/N2O4 推进剂，发射台爆炸时 Y 取 0.05~0.1，发射台外爆炸取 0.05 为宜 3.2 空气冲击波峰值超压 空气冲击波峰值超压 是指冲击波阵面上峰值压力 减去空气中原始压力 ，它是衡量爆炸fpfp0p对目标破坏力大小的特征参数当液体火箭在开阔的空中爆炸，空气冲击波峰值超压为 ( 2 )3233685.5.0824.0RWRWTTTf 式中 为冲击波峰值超压，MPa ； 为等效 TNT 炸药质量， kg；R 为计算点距离爆炸中心的fpT距离，m；H 为爆炸点的高度，m 式( 2 ) 适用范围： ， ， 。

35.0/H3T 15~0/13TkgT0当火箭在地面爆炸时，由于地面阻挡，空气冲击波不是向整个空间传播，而是向一个半无限空间传播，地面反射冲击波与入射波合成一个增强的冲击波，这相当于提高了爆炸的能量因此，空气冲击波与地面状态有关对于混凝土、岩石地面这类刚性地面，其对冲击波反射作用比较强，计算时可认为是 2 倍的推进剂量在无限大空间爆炸，将 2 代入式 ( 2 )即可对于普通土壤地面，由于地面TW受到高温、高压的爆炸反应产物的冲击，会发生变形和破坏因此，普通土壤地面对空气冲击波的反射作用较刚性地面小，地面消耗一部分能量，其反射系数可取 1.7~1.8，将 1.8 代入式 ( 2 )即可TW3.3 空气冲击波正压作用时间 空气冲击波正压作用时间 也是衡量爆炸对目标破坏程度的重要参数之一一般情况下，液体推t4进剂爆炸的 比炸药爆炸的 长炸药爆炸空气冲击波正压作用时间在几毫秒到几十毫秒之间 对tt于空中爆炸 的计算公式为 ( 3 )RW1035.t6T式( 3 ) 的适用范围是： ， 对于混凝土、岩石一类刚性地面，将 2 代0/H3TWkgT TW入式 ( 3 )即可，对于普通土壤地面，将 1.8 代入式 (3 )即可。

3.4 空气冲击波比冲量空气冲击波比冲量 I 也是衡量液体火箭爆炸冲击波对目标破坏作用的重要特征参数之一，它的大小直接决定了冲击波作用的强度比冲量由波阵面超压与时间的关系曲线 和正压作用时间直）（ tp接确定，计算比较复杂，一般是用超压-时间关系曲线所包围的面积来表示，根据 M.A.萨道夫斯基公式：当 时： 50./R3TW032)(IRWAdtpT式中 A 为常数，A=34~36 ，一般取 35 3.5 空气冲击波到达 R点的时间空气冲击波到达 R 点的时间 T 为 836.032-1.49）（ RWT4 地面爆炸空气冲击波危害范围分析4.1 火箭在发射台上爆炸假设发射场周边地貌为平地，液体推进剂总质量为 450t，火箭不分级表 1 给出了相应的空气冲击波的参数计算值表 1 火箭在发射台上爆炸时空气冲击波参数计算值 [2]破坏情况 临界峰值超 压/MPa 推进剂 TNT当量系数冲击波危害区域圆半径/m到达临界破坏距离时间/s正压作用时间/s0.03 322 0.22 0.1180.07 427 0.22 0.157人体轻伤 0.010.01 481 0.22 0.17750.03 563 0.35 0.1560.07 748 0.35 0.208人体无伤 0.0050.01 842 0.35 0.234由表 1 中数据，在以上既定的假设条件下，空气冲击波在 R（单位：m ）范围内的对人员的伤害概率用阶梯函数可以概括为 842,03284,1)(1 RRP也就是，从理论上讲，在给定的条件下，如果人员在离爆炸点或其地面投影点 O 为 322m 的范围内，必然会受到冲击波伤害，此为危险区域；若处在离 O 点为 842m 的范围外，不会受到冲击波伤害，此为安全区域；若处在 322~842m 这个区间内，则有可能会受到冲击波伤害，此为可能的危险区域。

4.2 火箭在起飞不久后爆炸假设发射场周边地貌为丘陵或山地，山坡坡度分别为 0 度、30 度和 50 度三种情况火箭发动机意外关机，失去推力后从高度为 600m 处坠落到地面引起爆炸液体推进剂总质量为 407.5t，火箭不分级，液体推进剂 TNT 当量系数取 0.05表 2 给出了相应的空气冲击波的参数计算值表 2 发射场地处山区火箭爆炸时空气冲击波参数计算值 [2]破坏情况 临界峰值超 压/MPa 山坡坡度/度冲击。