液体发动机地面试验事故(1201号事故通报)

2012年5月,贵州局在进行液体火箭发动机地面试验的准备工作时,发生一起大事故,现将事故情况通报如下。

事故概况:

甲、乙、丙三人在开阔地进行液体发动机地面点火试车的准备工作,该发动机采用浓缩过氧化氢-煤油推进剂系统,燃料挤压供应,氧化剂采用催化分解。试验人员依预订程序关闭氧化剂、燃料阀门,对氧化剂储槽加压到7MPa,拟在不送燃料的情况下,进行氧化剂输送系统的带压冷流测试。这种试验理论上危险性很低,因此甲乙丙三人站在发动机一侧,距离约1米的地方,使用遥控操作输送系统开机和调节流量。在甲按下开关的瞬间,发动机发生猛烈爆炸,靠近燃料喷注器侧的钢制发动机机体粉碎,法兰盘炸碎,催化床飞散失踪。靠近喷口一侧的约一半机体向反方向飞出十余米。

事故造成一人轻伤,两人轻微伤,并造成一定财产损失。甲颈部被破片击中,形成两处长约5厘米,深约0.3~0.5厘米狭长创口,缝合8针。乙口腔被一颗稀土陶瓷催化剂颗粒击中,颗粒深入组织内部,经手术取出。丙脚部被破片划伤血管,造成一定量出血。甲左侧耳朵听力受损,尚待听力鉴定。现场地面密布弹坑,附近一15mm钢管被破片切断,试验设备炸毁。

事故性质:自然事故。

事故级别:大事故。

事故原因分析:

事故发动机为采用再生冷却的钢制发动机,机体材质为40Cr,设计工作压强3MPa,耐压大于20MPa。事故发生前两天曾进行过一次小流量地面试车,未发生异常。在小流量试验时,氧化剂先用尽,因此关车后,燃料储槽中还剩大约200ml煤油。在事故发生前,未放尽燃料储槽中的煤油,也没有对发动机进行吹扫或清洗。本来此时发动机内是不存在煤油的,但是在事故发生前,为检查燃料节制阀的状态,在燃料储槽泄压的情况下,手工启闭过几次阀门。此时少量煤油(估计在几毫升到十几毫升量级)依靠重力滴入燃烧室。

在从实验室搬运发动机到试车场地的过程中,发动机发生倾斜,出现喷口高、氧化剂喷嘴低的姿势,使少量煤油逆流进氧化剂催化室。在搬运过程中,丙发现发动机外有少量液滴滴下,告知了其余人员,未引起警惕。发动机安装完毕后,按计划应进行燃料输送系统的试验,确保氧化剂输送系统可靠工作。试验步骤是:为氧化剂储槽加压到规定压力,然后单一开放氧化剂节制阀,使少量氧化剂进入发动机,催化分解产生氧和水;使用电动控制装置调节氧化剂阀门,控制氧化剂流量,观察喷气是否平稳、正常。该实验理论上没有爆炸风险,以前也多次重复进行,均未发生异常。但是该发动机氧化剂输送系统在设计上存在缺陷,即通电瞬间,调节阀操控电机必须短暂复位,而复位点为半开启状态,该过程持续约0.5秒。复位完成后,调节阀回到预设位置,一般预设为关闭位置。

在进行氧化剂输送系统测试之前,因试验理论风险很低,故没有清场。试验开始后,首先对输送系统上电复位,就在这0.5秒之内,大约40ml体积的92%过氧化氢在高压下注入发动机,立即与催化床上的煤油催化反应,形成高压或液相爆轰,导致猛烈爆炸。

本次事故的因素链包括:前次试验未吹扫——前次试验后未放空燃料储槽——事故之前手工检查燃料阀门时未截断燃料供应——倾斜搬运——发现液体异常滴落时未检查原因——氧化剂输送系统缺陷——未清场。

事故教训:

1、提高安全意识。
2、对每个环节的安全风险做充分估计,不放过任何安全隐患,必须改进后再实验,绝不能带病上马。
3、发现任何异常必须高度警惕,反复检查、论证,未查明原因和充分防范后果前,停止进一步试验。
4、凡是有氧化剂进入发动机的试验,必须清场。氧化剂、燃料加压前是否必须清场,另行论证。

(撰文:刘虎)

事故发动机

爆炸前

爆炸后

 

附:对本次事故的扩展认识

世界航天史上有多次人员近距离检修带推进剂的发动机或航天器时意外起火或爆炸的伤亡事故。

苏联P-16(SS-7),违章带推进剂检修第一级时第二级点火,战略火箭军司令等160人遇难。
(世界航天史上最严重的事故)
http://news.163.com/07/1026/15/3RO6EN6H0001124J.html

戚发轫回忆:风云2号在厂房里爆炸(实际上是固体发动机意外点火),1人遇难。
http://news.sina.com.cn/c/2010-07-15/060420681401.shtml

美国私人公司Scaled Composites太空船2号的固液混合发动机在地面测试中爆炸,3人遇难。
http://news.sina.com.cn/w/2007-07-28/130112287502s.shtml
注意图片,不仅发动机爆炸,整个氧化剂N2O储箱都爆炸了,现场一片焦黑。
事发时,研究人员正在测试一氧化二氮在发动机喷射器中的流动。

太空船2号的事故案例与本次事故类似,也是氧化剂系统冷流测试中意外爆炸。其原因在一些版本中疑似为N2O受到压缩冲击,触发自分解爆炸反应;当然也不排除易燃物沾染的可能性(有多起由于易燃物沾染引发的氧气厂爆炸案例)。高浓度H2O2与N2O具有类似的自分解爆炸性,本次事故没有波及到高浓度H2O2储箱实属万幸。

由于带推进剂操作时人员距离太近,仅靠防护措施很难实现本质安全。
此类操作应尽可能减少,只要有可能就改为遥控操作。
对于必须进行的带推进剂安装调试,从本次事故看,仅凭简单的记忆安全操作常识难以有效覆盖事故链。宜在操作前编写一份作业指导书,列出正常的操作流程和可能的异常情况、危险因素后再进行操作。

固体火箭由于氧化剂和燃料预先混合,带推进剂的操作涵盖了从混合药柱原料到试车的全过程。向发动机内安装药柱和点火药的组装过程较为危险;而对大直径药柱进行机械加工时产生的易燃切屑、扬尘(及其沾染机床遗留的隐患)容易被忽视。(刘彦君)

附:科创航天局事故分类

责任事故:违反安全规程、通用禁忌,或显然可以预见事故及其后果并且可以采取而未采取防范措施导致的事故。

自然事故:在排除责任事故的前提下,因对科学规律、技术矛盾缺乏掌握或公知的理论存在缺陷而无法预见,从而难以避免的事故。

技术事故:在排除责任事故和自然事故的前提下,因技术条件所限,尚无有效预防措施,难以避免的事故。

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