液氢加注系统安全技术现状研究

【摘 要】 文章介绍了航天发射场液氢加注系统的高风险性，总结分析了国内外航天发射液氢加注系统安全技术相关研究现状，指出了当前国内航天发射场液氢加注系统安全方面存在的不足。为增强我国航天发射场液氢加注系统的安全性提供一定的参考。

【关键词】 航天发射场 液氢加注 风险 安全技术

1 引言

航天发射场液氢加注系统的主要作用是按一定程序向火箭液氢贮箱进行加注、补加及泄回液氢；完成液氢的贮存及运输；完成推进剂加注过程中氢气燃烧处理等。低温液氢的管路传输贯穿在整个加注过程中，在传输前管路中的气体置换，管路预冷、液氢的稳态传输及射前补加过程中，竖直管路中间歇泉现象、盲支管填充时和阀门启闭时的不稳定现象等都可能存在。这些现象会引起加注系统的强振动、压力剧变和冲击破坏，给低温液氢的管路传输带来很大的风险，系统设备一旦失效就可能造成灾难性后果。因此，保证低温液氢管路传输的安全十分重要。

据相关资料统计，“十一五”期间我国某航天发射场推进剂加注系统共发生故障40余次，具体情况见表1。

2 国外研究现状

国外航天发射场非常重视系统安全性技术研究，在提高系统设计安全、测试安全、发射安全等方面，坚持预防为主的理念，广泛研究、应用智能技术、信息技术和自动化技术，加大集成化、自动化、网络化装备的研发，信息监测系统设计先进，监测信息全面，技术手段完善，增强了故障和风险检测能力，提高了自动化水平和风险预警能力，也制定了许多有关液氢安全生产、运输和存贮的标准文件及有关报告[1-2]。美国、俄罗斯、日本和欧空局所属大部分航天发射场均实现了加泄连接器自动对接、远距离加注自动控制等先进技术。为改善低温推进剂品质，抑制两相流状况，美、俄等国均运用了液氢或液氧过冷技术。美国肯尼迪发射中心土星I发射场为了避免液氢加注时两相流的出现，在液氢加注系统管路中设有一个液氢过冷器，这种过冷器使输往火箭液氢箱的液氢过冷到-254.5℃，从而使补加的液氢成为单向流。D.Robert Hay[3]等对氢的安全，训练及危险评估系统进行了详细介绍。A.J.C.M.Matthijsen[4]等用实验方法得到了不同风速下的氢扩散安全距离。

另外，美国建立了专门稳定的低温推进剂安全管理机构，由安全主任负责全面的安全管理工作，欧空局则分别建立了地面安全与飞行安全管理组织机构。美国还整合东西靶场安全标准，颁布了通用的靶场安全规范，对靶场安全实施制度化管理，引入风险管理方法，确保以合理的成本最大限度地降低航天发射对公共安全带来的风险。

按照标准的管辖部门、主要内容和适用范围等的不同，美国采用的液体推进剂安全标准可分为8大系列、9大类和5个级别，见表2。

从美国国防部到海、陆、空三军都有自己的爆炸物安全标准。美国宇航局针对自己的工作特点，也制定了自己的爆炸物、推进剂和烟火安全标准。美国海、陆、空三军和宇航局4个部门近年来每年都联合召开推进委员会安全与环保小组委员会年会，在会上讨论推进剂的安全问题，有些安全标准就是在这样的学术会议上酝酿产生的。美国现行液体推进剂安全标准有以下特点。

（1）形成了体系。美国有关液体推进剂的安全标准和规范性文件是一个由不同级别（国际标准、联邦规范、军用标准、航天标准、团体标准）、不同专业和类别（综合性、安全性能测试方法、检测方法、危险性评价、包装、贮存、运输、防火、防护、应急处理）、针对不同品种、标准和手册所组成的标准体系。（2）比较完善。经过几十年的发展，美国的液体推进剂安全标准体系已很完善，包括液体推进剂安全性能测试方法，液体推进剂危险性分类，液体推进剂的包装、贮存（包括安全距离和选址）、运输，液体推进剂的生产厂房的布局和选址等，在美国液体推进剂安全标准体系中都有相应的标准作出明确规定。（3）分工合作。美国各部门对于建立液体推进剂安全标准体系采取分工合作的方式。美国陆、海、空三军和宇航局联合设立推进委员会，下设安全和环保小组委员会，每两年召开一次全国性学术会议互通信息。（4）高度一致性。美国有关液体推进剂的各级标准具有高度的一致性，例如：关于安全距离，无论是DoD标准、NASA标准还是手册，数值都是一样的。（5）更新比较快。美国有关液体推进剂安全标准更新速度比较快，适应技术和社会发展需要。

3 国内研究现状

国内理论研究方面，章吉平[5]提出：在低温推进剂加注管路中增加流量调节阀来抑制两相流。具体方法为：由原来的单一挤压压力调节改为挤压压力调节与节流阀调节相结合的组合调节方式。大流量加注时，采用单纯挤压方式使液氢在单相流状态下正常加注；小流量加注时，采用同时改变液氢车挤压压力和调节管路末端节流阀开度的方法来调节流量，使加注流量稳定并使节流阀前的管路处于单相流状态下工作，经实验验证此方法效果良好。针对目前我国运载火箭推进剂加注过程中，加泄连接器与箭体活门对接与脱离工作仍采用传统人工方式的现状，黄小妮[6]等结合俄罗斯的“架栖”和美国的“箭栖”技术，针对我国火箭箭体的自身结构，设计了一种用于加泄连接器与箭体活门对接与脱离工作的机器人，并从仿真角度进行了验证。许多专家学者对液氢在低温管路传输过程中存在多种危险因素如：间歇泉、液氢传输过程中的动态冲击及液氢加注流量的变化对火箭贮箱造成压力波动等进行了研究，指出了液氢加注时的危险因素。

4 存在的不足

我国发射场火箭推进剂加注系统自动化程度相对偏低，某些操作仍需手动，存在许多安全隐患。现有系统主要存在以下安全方面的不足：（1）系统中关键设备状态监测装置不够完善；（2）地面贮罐汽化器等关键设备无备份，一旦失效无法弥补；（3）系统传感器，特别是流量传感器数量不够，出现液氢泄漏后无法快速准确定位泄漏点具置。

参考文献：

[1]NPR 8715.3C， NASA General Safety Program Requirements[R].NASA， March 12， 2008.

[2]DoD 6055.9-STD， DOD Ammunition and Explosives Safety Standards[R]. DoD， October 5，2 004.

[3]D.Robert Hay，Andrei V.Tchouvelev， Pierre Benard，etal.Hydrogen Safety[C].Training and Risk Assessment System.Final Technical Report to Natural Resources Canada， March 2006.

[4]A.J.C.M.Matthijsen， E.S.Kooi， Safety Distances for Hydrogen Filling Stations[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries ，2006，19（6）：719-723.

[5]章洁平.液氢加注系统[J].低温工程，1995（4）：25-28.

[6]黄小妮，顿向明，张育林，等.运载火箭推进剂加注自动对接与脱离机器人本体设计[J].机器人，2010，32（2）：145-149.