液氫加注系統安全技術現狀研究

陳俊+杜江+陳松

【摘 要】 文章介紹了航天發射場液氫加注系統的高風險性，總結分析了國內外航天發射液氫加注系統安全技術相關研究現狀，指出了當前國內航天發射場液氫加注系統安全方面存在的不足。為增強我國航天發射場液氫加注系統的安全性提供一定的參考。

【關鍵詞】 航天發射場 液氫加注 風險 安全技術

1 引言

航天發射場液氫加注系統的主要作用是按一定程序向火箭液氫貯箱進行加注、補加及泄回液氫；完成液氫的貯存及運輸；完成推進劑加注過程中氫氣燃燒處理等。低溫液氫的管路傳輸貫穿在整個加注過程中，在傳輸前管路中的氣體置換，管路預冷、液氫的穩態傳輸及射前補加過程中，豎直管路中間歇泉現象、盲支管填充時和閥門啟閉時的不穩定現象等都可能存在。這些現象會引起加注系統的強振動、壓力劇變和沖擊破壞，給低溫液氫的管路傳輸帶來很大的風險，系統設備一旦失效就可能造成災難性后果。因此，保證低溫液氫管路傳輸的安全十分重要。

據相關資料統計，“十一五”期間我國某航天發射場推進劑加注系統共發生故障40余次，具體情況見表1。

2 國外研究現狀

國外航天發射場非常重視系統安全性技術研究，在提高系統設計安全、測試安全、發射安全等方面，堅持預防為主的理念，廣泛研究、應用智能技術、信息技術和自動化技術，加大集成化、自動化、網絡化裝備的研發，信息監測系統設計先進，監測信息全面，技術手段完善，增強了故障和風險檢測能力，提高了自動化水平和風險預警能力，也制定了許多有關液氫安全生產、運輸和存貯的標準文件及有關報告[1-2]。美國、俄羅斯、日本和歐空局所屬大部分航天發射場均實現了加泄連接器自動對接、遠距離加注自動控制等先進技術。為改善低溫推進劑品質，抑制兩相流狀況，美、俄等國均運用了液氫或液氧過冷技術。美國肯尼迪發射中心土星I發射場為了避免液氫加注時兩相流的出現，在液氫加注系統管路中設有一個液氫過冷器，這種過冷器使輸往火箭液氫箱的液氫過冷到-254.5℃，從而使補加的液氫成為單向流。D.Robert Hay[3]等對氫的安全，訓練及危險評估系統進行了詳細介紹。A.J.C.M.Matthijsen[4]等用實驗方法得到了不同風速下的氫擴散安全距離。

另外，美國建立了專門穩定的低溫推進劑安全管理機構，由安全主任負責全面的安全管理工作，歐空局則分別建立了地面安全與飛行安全管理組織機構。美國還整合東西靶場安全標準，頒布了通用的靶場安全規范，對靶場安全實施制度化管理，引入風險管理方法，確保以合理的成本最大限度地降低航天發射對公共安全帶來的風險。

按照標準的管轄部門、主要內容和適用范圍等的不同，美國采用的液體推進劑安全標準可分為8大系列、9大類和5個級別，見表2。

從美國國防部到海、陸、空三軍都有自己的爆炸物安全標準。美國宇航局針對自己的工作特點，也制定了自己的爆炸物、推進劑和煙火安全標準。美國海、陸、空三軍和宇航局4個部門近年來每年都聯合召開推進委員會安全與環保小組委員會年會，在會上討論推進劑的安全問題，有些安全標準就是在這樣的學術會議上醞釀產生的。美國現行液體推進劑安全標準有以下特點。

（1）形成了體系。美國有關液體推進劑的安全標準和規范性文件是一個由不同級別（國際標準、聯邦規范、軍用標準、航天標準、團體標準）、不同專業和類別（綜合性、安全性能測試方法、檢測方法、危險性評價、包裝、貯存、運輸、防火、防護、應急處理）、針對不同品種、標準和手冊所組成的標準體系。（2）比較完善。經過幾十年的發展，美國的液體推進劑安全標準體系已很完善，包括液體推進劑安全性能測試方法，液體推進劑危險性分類，液體推進劑的包裝、貯存（包括安全距離和選址）、運輸，液體推進劑的生產廠房的布局和選址等，在美國液體推進劑安全標準體系中都有相應的標準作出明確規定。（3）分工合作。美國各部門對于建立液體推進劑安全標準體系采取分工合作的方式。美國陸、海、空三軍和宇航局聯合設立推進委員會，下設安全和環保小組委員會，每兩年召開一次全國性學術會議互通信息。（4）高度一致性。美國有關液體推進劑的各級標準具有高度的一致性，例如：關于安全距離，無論是DoD標準、NASA標準還是手冊，數值都是一樣的。（5）更新比較快。美國有關液體推進劑安全標準更新速度比較快，適應技術和社會發展需要。

3 國內研究現狀

國內理論研究方面，章吉平[5]提出：在低溫推進劑加注管路中增加流量調節閥來抑制兩相流。具體方法為：由原來的單一擠壓壓力調節改為擠壓壓力調節與節流閥調節相結合的組合調節方式。大流量加注時，采用單純擠壓方式使液氫在單相流狀態下正常加注；小流量加注時，采用同時改變液氫車擠壓壓力和調節管路末端節流閥開度的方法來調節流量，使加注流量穩定并使節流閥前的管路處于單相流狀態下工作，經實驗驗證此方法效果良好。針對目前我國運載火箭推進劑加注過程中，加泄連接器與箭體活門對接與脫離工作仍采用傳統人工方式的現狀，黃小妮[6]等結合俄羅斯的“架棲”和美國的“箭棲”技術，針對我國火箭箭體的自身結構，設計了一種用于加泄連接器與箭體活門對接與脫離工作的機器人，并從仿真角度進行了驗證。許多專家學者對液氫在低溫管路傳輸過程中存在多種危險因素如：間歇泉、液氫傳輸過程中的動態沖擊及液氫加注流量的變化對火箭貯箱造成壓力波動等進行了研究，指出了液氫加注時的危險因素。

4 存在的不足

我國發射場火箭推進劑加注系統自動化程度相對偏低，某些操作仍需手動，存在許多安全隱患。現有系統主要存在以下安全方面的不足：（1）系統中關鍵設備狀態監測裝置不夠完善；（2）地面貯罐汽化器等關鍵設備無備份，一旦失效無法彌補；（3）系統傳感器，特別是流量傳感器數量不夠，出現液氫泄漏后無法快速準確定位泄漏點具體位置。

參考文獻：

[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]章潔平.液氫加注系統[J].低溫工程，1995（4）：25-28.

[6]黃小妮，頓向明，張育林，等.運載火箭推進劑加注自動對接與脫離機器人本體設計[J].機器人，2010，32（2）：145-149.endprint

【摘 要】 文章介紹了航天發射場液氫加注系統的高風險性，總結分析了國內外航天發射液氫加注系統安全技術相關研究現狀，指出了當前國內航天發射場液氫加注系統安全方面存在的不足。為增強我國航天發射場液氫加注系統的安全性提供一定的參考。

【關鍵詞】 航天發射場 液氫加注 風險 安全技術

1 引言

航天發射場液氫加注系統的主要作用是按一定程序向火箭液氫貯箱進行加注、補加及泄回液氫；完成液氫的貯存及運輸；完成推進劑加注過程中氫氣燃燒處理等。低溫液氫的管路傳輸貫穿在整個加注過程中，在傳輸前管路中的氣體置換，管路預冷、液氫的穩態傳輸及射前補加過程中，豎直管路中間歇泉現象、盲支管填充時和閥門啟閉時的不穩定現象等都可能存在。這些現象會引起加注系統的強振動、壓力劇變和沖擊破壞，給低溫液氫的管路傳輸帶來很大的風險，系統設備一旦失效就可能造成災難性后果。因此，保證低溫液氫管路傳輸的安全十分重要。

據相關資料統計，“十一五”期間我國某航天發射場推進劑加注系統共發生故障40余次，具體情況見表1。

2 國外研究現狀

國外航天發射場非常重視系統安全性技術研究，在提高系統設計安全、測試安全、發射安全等方面，堅持預防為主的理念，廣泛研究、應用智能技術、信息技術和自動化技術，加大集成化、自動化、網絡化裝備的研發，信息監測系統設計先進，監測信息全面，技術手段完善，增強了故障和風險檢測能力，提高了自動化水平和風險預警能力，也制定了許多有關液氫安全生產、運輸和存貯的標準文件及有關報告[1-2]。美國、俄羅斯、日本和歐空局所屬大部分航天發射場均實現了加泄連接器自動對接、遠距離加注自動控制等先進技術。為改善低溫推進劑品質，抑制兩相流狀況，美、俄等國均運用了液氫或液氧過冷技術。美國肯尼迪發射中心土星I發射場為了避免液氫加注時兩相流的出現，在液氫加注系統管路中設有一個液氫過冷器，這種過冷器使輸往火箭液氫箱的液氫過冷到-254.5℃，從而使補加的液氫成為單向流。D.Robert Hay[3]等對氫的安全，訓練及危險評估系統進行了詳細介紹。A.J.C.M.Matthijsen[4]等用實驗方法得到了不同風速下的氫擴散安全距離。

另外，美國建立了專門穩定的低溫推進劑安全管理機構，由安全主任負責全面的安全管理工作，歐空局則分別建立了地面安全與飛行安全管理組織機構。美國還整合東西靶場安全標準，頒布了通用的靶場安全規范，對靶場安全實施制度化管理，引入風險管理方法，確保以合理的成本最大限度地降低航天發射對公共安全帶來的風險。

按照標準的管轄部門、主要內容和適用范圍等的不同，美國采用的液體推進劑安全標準可分為8大系列、9大類和5個級別，見表2。

從美國國防部到海、陸、空三軍都有自己的爆炸物安全標準。美國宇航局針對自己的工作特點，也制定了自己的爆炸物、推進劑和煙火安全標準。美國海、陸、空三軍和宇航局4個部門近年來每年都聯合召開推進委員會安全與環保小組委員會年會，在會上討論推進劑的安全問題，有些安全標準就是在這樣的學術會議上醞釀產生的。美國現行液體推進劑安全標準有以下特點。

（1）形成了體系。美國有關液體推進劑的安全標準和規范性文件是一個由不同級別（國際標準、聯邦規范、軍用標準、航天標準、團體標準）、不同專業和類別（綜合性、安全性能測試方法、檢測方法、危險性評價、包裝、貯存、運輸、防火、防護、應急處理）、針對不同品種、標準和手冊所組成的標準體系。（2）比較完善。經過幾十年的發展，美國的液體推進劑安全標準體系已很完善，包括液體推進劑安全性能測試方法，液體推進劑危險性分類，液體推進劑的包裝、貯存（包括安全距離和選址）、運輸，液體推進劑的生產廠房的布局和選址等，在美國液體推進劑安全標準體系中都有相應的標準作出明確規定。（3）分工合作。美國各部門對于建立液體推進劑安全標準體系采取分工合作的方式。美國陸、海、空三軍和宇航局聯合設立推進委員會，下設安全和環保小組委員會，每兩年召開一次全國性學術會議互通信息。（4）高度一致性。美國有關液體推進劑的各級標準具有高度的一致性，例如：關于安全距離，無論是DoD標準、NASA標準還是手冊，數值都是一樣的。（5）更新比較快。美國有關液體推進劑安全標準更新速度比較快，適應技術和社會發展需要。

3 國內研究現狀

國內理論研究方面，章吉平[5]提出：在低溫推進劑加注管路中增加流量調節閥來抑制兩相流。具體方法為：由原來的單一擠壓壓力調節改為擠壓壓力調節與節流閥調節相結合的組合調節方式。大流量加注時，采用單純擠壓方式使液氫在單相流狀態下正常加注；小流量加注時，采用同時改變液氫車擠壓壓力和調節管路末端節流閥開度的方法來調節流量，使加注流量穩定并使節流閥前的管路處于單相流狀態下工作，經實驗驗證此方法效果良好。針對目前我國運載火箭推進劑加注過程中，加泄連接器與箭體活門對接與脫離工作仍采用傳統人工方式的現狀，黃小妮[6]等結合俄羅斯的“架棲”和美國的“箭棲”技術，針對我國火箭箭體的自身結構，設計了一種用于加泄連接器與箭體活門對接與脫離工作的機器人，并從仿真角度進行了驗證。許多專家學者對液氫在低溫管路傳輸過程中存在多種危險因素如：間歇泉、液氫傳輸過程中的動態沖擊及液氫加注流量的變化對火箭貯箱造成壓力波動等進行了研究，指出了液氫加注時的危險因素。

4 存在的不足

我國發射場火箭推進劑加注系統自動化程度相對偏低，某些操作仍需手動，存在許多安全隱患。現有系統主要存在以下安全方面的不足：（1）系統中關鍵設備狀態監測裝置不夠完善；（2）地面貯罐汽化器等關鍵設備無備份，一旦失效無法彌補；（3）系統傳感器，特別是流量傳感器數量不夠，出現液氫泄漏后無法快速準確定位泄漏點具體位置。

參考文獻：

[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]章潔平.液氫加注系統[J].低溫工程，1995（4）：25-28.

[6]黃小妮，頓向明，張育林，等.運載火箭推進劑加注自動對接與脫離機器人本體設計[J].機器人，2010，32（2）：145-149.endprint

【摘 要】 文章介紹了航天發射場液氫加注系統的高風險性，總結分析了國內外航天發射液氫加注系統安全技術相關研究現狀，指出了當前國內航天發射場液氫加注系統安全方面存在的不足。為增強我國航天發射場液氫加注系統的安全性提供一定的參考。

【關鍵詞】 航天發射場 液氫加注 風險 安全技術

1 引言

航天發射場液氫加注系統的主要作用是按一定程序向火箭液氫貯箱進行加注、補加及泄回液氫；完成液氫的貯存及運輸；完成推進劑加注過程中氫氣燃燒處理等。低溫液氫的管路傳輸貫穿在整個加注過程中，在傳輸前管路中的氣體置換，管路預冷、液氫的穩態傳輸及射前補加過程中，豎直管路中間歇泉現象、盲支管填充時和閥門啟閉時的不穩定現象等都可能存在。這些現象會引起加注系統的強振動、壓力劇變和沖擊破壞，給低溫液氫的管路傳輸帶來很大的風險，系統設備一旦失效就可能造成災難性后果。因此，保證低溫液氫管路傳輸的安全十分重要。

據相關資料統計，“十一五”期間我國某航天發射場推進劑加注系統共發生故障40余次，具體情況見表1。

2 國外研究現狀

國外航天發射場非常重視系統安全性技術研究，在提高系統設計安全、測試安全、發射安全等方面，堅持預防為主的理念，廣泛研究、應用智能技術、信息技術和自動化技術，加大集成化、自動化、網絡化裝備的研發，信息監測系統設計先進，監測信息全面，技術手段完善，增強了故障和風險檢測能力，提高了自動化水平和風險預警能力，也制定了許多有關液氫安全生產、運輸和存貯的標準文件及有關報告[1-2]。美國、俄羅斯、日本和歐空局所屬大部分航天發射場均實現了加泄連接器自動對接、遠距離加注自動控制等先進技術。為改善低溫推進劑品質，抑制兩相流狀況，美、俄等國均運用了液氫或液氧過冷技術。美國肯尼迪發射中心土星I發射場為了避免液氫加注時兩相流的出現，在液氫加注系統管路中設有一個液氫過冷器，這種過冷器使輸往火箭液氫箱的液氫過冷到-254.5℃，從而使補加的液氫成為單向流。D.Robert Hay[3]等對氫的安全，訓練及危險評估系統進行了詳細介紹。A.J.C.M.Matthijsen[4]等用實驗方法得到了不同風速下的氫擴散安全距離。

另外，美國建立了專門穩定的低溫推進劑安全管理機構，由安全主任負責全面的安全管理工作，歐空局則分別建立了地面安全與飛行安全管理組織機構。美國還整合東西靶場安全標準，頒布了通用的靶場安全規范，對靶場安全實施制度化管理，引入風險管理方法，確保以合理的成本最大限度地降低航天發射對公共安全帶來的風險。

按照標準的管轄部門、主要內容和適用范圍等的不同，美國采用的液體推進劑安全標準可分為8大系列、9大類和5個級別，見表2。

從美國國防部到海、陸、空三軍都有自己的爆炸物安全標準。美國宇航局針對自己的工作特點，也制定了自己的爆炸物、推進劑和煙火安全標準。美國海、陸、空三軍和宇航局4個部門近年來每年都聯合召開推進委員會安全與環保小組委員會年會，在會上討論推進劑的安全問題，有些安全標準就是在這樣的學術會議上醞釀產生的。美國現行液體推進劑安全標準有以下特點。

（1）形成了體系。美國有關液體推進劑的安全標準和規范性文件是一個由不同級別（國際標準、聯邦規范、軍用標準、航天標準、團體標準）、不同專業和類別（綜合性、安全性能測試方法、檢測方法、危險性評價、包裝、貯存、運輸、防火、防護、應急處理）、針對不同品種、標準和手冊所組成的標準體系。（2）比較完善。經過幾十年的發展，美國的液體推進劑安全標準體系已很完善，包括液體推進劑安全性能測試方法，液體推進劑危險性分類，液體推進劑的包裝、貯存（包括安全距離和選址）、運輸，液體推進劑的生產廠房的布局和選址等，在美國液體推進劑安全標準體系中都有相應的標準作出明確規定。（3）分工合作。美國各部門對于建立液體推進劑安全標準體系采取分工合作的方式。美國陸、海、空三軍和宇航局聯合設立推進委員會，下設安全和環保小組委員會，每兩年召開一次全國性學術會議互通信息。（4）高度一致性。美國有關液體推進劑的各級標準具有高度的一致性，例如：關于安全距離，無論是DoD標準、NASA標準還是手冊，數值都是一樣的。（5）更新比較快。美國有關液體推進劑安全標準更新速度比較快，適應技術和社會發展需要。

3 國內研究現狀

國內理論研究方面，章吉平[5]提出：在低溫推進劑加注管路中增加流量調節閥來抑制兩相流。具體方法為：由原來的單一擠壓壓力調節改為擠壓壓力調節與節流閥調節相結合的組合調節方式。大流量加注時，采用單純擠壓方式使液氫在單相流狀態下正常加注；小流量加注時，采用同時改變液氫車擠壓壓力和調節管路末端節流閥開度的方法來調節流量，使加注流量穩定并使節流閥前的管路處于單相流狀態下工作，經實驗驗證此方法效果良好。針對目前我國運載火箭推進劑加注過程中，加泄連接器與箭體活門對接與脫離工作仍采用傳統人工方式的現狀，黃小妮[6]等結合俄羅斯的“架棲”和美國的“箭棲”技術，針對我國火箭箭體的自身結構，設計了一種用于加泄連接器與箭體活門對接與脫離工作的機器人，并從仿真角度進行了驗證。許多專家學者對液氫在低溫管路傳輸過程中存在多種危險因素如：間歇泉、液氫傳輸過程中的動態沖擊及液氫加注流量的變化對火箭貯箱造成壓力波動等進行了研究，指出了液氫加注時的危險因素。

4 存在的不足

我國發射場火箭推進劑加注系統自動化程度相對偏低，某些操作仍需手動，存在許多安全隱患。現有系統主要存在以下安全方面的不足：（1）系統中關鍵設備狀態監測裝置不夠完善；（2）地面貯罐汽化器等關鍵設備無備份，一旦失效無法彌補；（3）系統傳感器，特別是流量傳感器數量不夠，出現液氫泄漏后無法快速準確定位泄漏點具體位置。

參考文獻：

[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]章潔平.液氫加注系統[J].低溫工程，1995（4）：25-28.

[6]黃小妮，頓向明，張育林，等.運載火箭推進劑加注自動對接與脫離機器人本體設計[J].機器人，2010，32（2）：145-149.endprint