液体火箭坠落爆炸毒气扩散范围的确定方法

摘要

一种液体火箭坠落爆炸毒气扩散范围的确定方法，包括：1.建立一套与火箭飞行航区相适应的信息系统，包括：将火箭飞行航区的地形数字化，建立地理信息系统；将地理信息系统的地形信息映射到发射坐标系中，采集火箭飞行航区的城市、道路、厂矿、学校、人口信息；将火箭飞行航区的气象资料、位置和飞行时间初始化到信息系统中；确定液体火箭推进剂毒性分级信息；2.确定火箭坠落爆炸毒气扩散范围：包括推进剂源强、复杂地形上空风场、毒气扩散浓度的确定，方法能确定可能发生的液体火箭坠落爆炸毒气污染的警戒范围，能实时给出液体火箭坠落爆炸事故产生的毒气危害范围。

权利要求

1.一种液体火箭坠落爆炸毒气扩散范围的确定方法，包括：(1)、建立一套与火箭飞行航区相适应的信息系统，包括：①、将火箭飞行航区的地形数字化，基于数字化的地形数据建立一套地理信息系统；

②、将地理信息系统的地形信息映射到发射坐标系中，对应地面的任意一个点(Pk，bk，Hk)，均能确定其在发射坐标系中的坐标(x，y，z)；其中：Pk，bk，Hk分别为地面上某个点的大地经度、大地纬度、大地高程，x、y、z分别为该点在发射坐标系中的3个坐标分量；

③、采集火箭飞行航区的城市、道路、厂矿、学校、人口信息；

④、将火箭飞行航区的气象资料(U，T，α)、发射坐标系中的坐标(x，y，z)、相对飞行时间tq初始化到信息系统中，其中：U为平均风速，T为空气绝对温度，α为主导风的方向；参与爆炸燃烧的N2O4和偏二甲肼推进剂的总量W0，为输入的已知变量，由信息系统中获取；

⑤、将火箭飞行航区的地形信息结合毒气浓度扩散范围在系统上显示；

⑥、确定液体火箭推进剂毒性分级信息；

(2)、火箭坠落爆炸毒气扩散范围的确定，包括：

①、确定液体火箭推进剂爆炸后的毒气蒸发速率

确定蒸发速率分两种情况，即基于推进剂爆炸事故发生时环境温度T在沸点上下的情况，分别对应急骤蒸发速率和平稳蒸发速率；

②、确定复杂地形上空的风场

风场数据(u，v，w)由气象雷达或控空气球测量确定：其中，(u，v，w)为发射坐标系中的三个风速矢量；

③、确定毒气扩散浓度

首先确定液体火箭推进剂爆炸后的有毒气体在大气中扩散过程，在得到推进剂爆炸后的毒气蒸发速率发射坐标系中的三个风速矢量(u，v，w)后，由扩散方程，得出液体火箭推进剂爆炸后的时间t有毒气体随发射坐标系(x，y，z)的扩散浓度Ci，为扩散范围显示提供浓度场数据；

④四氧化二氮、扩散范围显示

在得到火箭推进剂爆炸后的时间t有毒气体随发射坐标系(x，y，z)的扩散浓度Ci、地形信息的输入后，给出N2O4的浓度分布范围图，并显示液体火箭爆炸后随时间和地理位置变化而变化的毒气浓度分布，且可用鼠标点击所要查看地点的毒气浓度，以确定该地方对人员来说是否安全。

说明书

技术领域

本发明涉及一种确定液体火箭坠落爆炸范围毒气扩散的确定方法，是关于液体火箭爆炸理论性和应用性结合的方法，包括地理信息系统的建立，对火箭坠落爆炸毒气扩散范围的确定。随着卫星发射任务的增多和推进剂用量的加大，发射试验事故爆炸危害性，特别是对工作人员及卫星发射途径地域重大威胁，该确定方法为发射场附近居民的疏散、事故发生时的防范搜索工作提供依据。 

背景技术

对于液体推进剂火箭坠落爆炸范围的确定，国内外均采用缩比实验的方式进行，美国曾经多次做运载火箭的缩比实验，国内也曾经针对小剂量的液体火箭推进剂在平原地区做实验，但是缩比实验置信度不高，而且只适用于火箭在发射台上爆炸的情况，对于火箭在空中坠落爆炸的情况则无法确定。本确定方法是通过实验数据分析，建立数学模型，通过事故现场勘测证完成的。 
发明的内容 
本发明的目的是解决液体火箭推进剂爆炸后，有毒气体蒸发速率及其在复杂地形、复杂气象条件下的扩散的确定方法，方法包括： 
一、建立一套与火箭飞行航区相适应的信息系统 
1、将火箭飞行航区的地形数字化，基于数字化的地形数据建立一套地理信息系统； 
2、将地理信息系统的地形信息映射到发射坐标系中，对应地面的任意一个点(Pk，bk，Hk)，均能确定其在发射坐标系中的坐标(x，y，z)。其中：Pk，bk，Hk分别为地面上某个点的大地经度、大地纬度、大地高程，x、y、z分别为该点在发射坐标系中的3个坐标分量； 
3、将火箭飞行航区的城市、道路、厂矿、学校、人口信息输入到地理信息系统中，用于在火箭飞行过程中确定需要保护的地域目标，在故障发生后确定火箭坠落爆炸后毒气的扩散范围和危害程度； 
4、将火箭飞行航区的气象资料(U，T，α)、发射坐标系中的坐标(x，y，z)、相对飞行时间tq初始化到信息系统中，其中：U为平均风速，T为空气绝对温度，α为主导风的方向；参与爆炸燃烧的N2O4和偏二甲肼推进剂的总量W0，为输入的已知变量，由信息系统中获取； 
5、将火箭飞行航区的地形信息在扩散范围显示系统上结合毒气浓度显示出来； 
6、确定液体火箭推进剂毒性分级信息 
火箭推进剂对人体有毒害的主要是四氧化二氮(分子式为N2O4，30分钟应急暴露限值为20PPM)和偏二甲肼(分子式为(CH3)2N2H2，简称偏二甲肼，30分钟应急暴露限值为50PPM)，二者是配对使用的常规推进剂，四氧化二氮是氧化剂，其沸点较低(21.15℃)，当放在高于沸点温度的环境中，立刻急骤蒸发，当放在低于沸点温度的环境中，表现为平稳蒸发，因此，在其沸点上下的毒源强度相差许多倍，故在冬夏两季的毒气浓度是无法比拟的；偏二甲肼是燃烧剂，与四氧化二氮完全燃烧反应的产物是无毒的，偏二甲肼与空气混合的体积比大于2％时，就可用明火或电火花点燃，如果在火箭爆炸事故中有空气卷入，就会引起四氧化二氮的富余，进而造成爆炸事故后的四氧化二氮毒源强度大，加之渗透于地面泥土中的偏二甲肼，地表的已燃烧，地面深层的蒸发速率慢，所以往往在火箭爆炸事故发生后较长时间内，检测到的偏二甲肼的浓度已为零，四氧化氮的浓度却相当大。无水肼用量少，爆炸事故的毒源强度可以不加考虑。火箭中的液氢和液氧及其反应产物对人员是无毒的，故不是毒源。 
二、确定火箭坠落爆炸毒气扩散范围 
1、确定液体火箭推进剂爆炸后的毒气蒸发速率
确定液体火箭推进剂爆炸后的毒气蒸发速率分两种情况，即基于推进剂爆炸事故发生时环境温度T(已知)在沸点上下的情况，分别对应急骤蒸发速率和平稳蒸发速率。首先确定推进剂蒸发总量。再确定推进剂平稳蒸发的初始速率，进而确定火箭爆炸后毒气平稳蒸发速率，最后确定火箭爆炸后毒气急骤蒸发速率。 
(1)推进剂蒸发总量为 
                        Wf＝kfW0
式中：kf为比例系数，由空气中氧的比例和推进剂爆炸的化学反应确定，对推进剂四氧化二氮取0.02028，对推进剂偏二甲肼取0.009566，W0为参与爆炸燃烧的N2O4和偏二甲肼的推进剂的总量，由信息系统中获取。 
(2)推进剂初始蒸发速率由为 
${\stackrel{·}{W}}_{V0}=0.03305k_m{,m}_f{W}_{f}A$
式中：为火箭推进剂初始蒸发速率，待求。km为气体表面的质量扩散系数，公斤.摩尔/秒.英尺2，能够用Gilliband的经验公式确定；mf为气体表面的分子重量，已知；Wf为推进剂蒸发总量，已由(1)求出；A为火箭爆炸后富余推进剂露空表面的面积，根据实验结果推算，为已知条件。 
(3)火箭爆炸后毒气平稳蒸发速率为 
${\stackrel{·}{W}}_{\mathrm{vt}}={\stackrel{·}{W}}_{v0}{e}^{\frac{{\stackrel{·}{W}}_{v0}}{W_f}t}$
式中：为液体火箭爆炸后毒气平稳蒸发速率，待求。为火箭推进剂初始蒸发速率，已由(2)求出；Wf为火球中富余的推进剂蒸发总量，已由(1)求出。 
(4)火箭爆炸后毒气急骤蒸发速率为 
${\stackrel{·}{W}}_{\mathrm{vt}}=\frac{W_f}{30}$
式中：为液体火箭爆炸后毒气急骤蒸发速率，待求；Wf为火球中富余的推进剂蒸发总量，已由(1)求出。 
2、确定复杂地形上空的风场 
为了对液体火箭推进剂爆炸后的方程进行数值积分，如预报未来时刻的浓度分布，我们知道，浓度的扩散作用是风完成的，风场在扩散方程求解中，是一个非常重要的输入量，它是整个毒气扩散问题求解的基础。风场数据(u，v，w)由气象雷达或控空气球测量确定。其中，(u，v，w)为发射坐标系中的三个风速矢量。 
3、确定毒气扩散浓度 
确定液体火箭推进剂爆炸后的有毒气体在大气中扩散过程，在得到推进剂爆炸后的有毒气体扩散速率、发射坐标系中的三个风速矢量(u，v，w)后，解扩散方程，得出体火箭推进剂爆炸后的时间t有毒气体随发射坐标系(x，y，z)的扩散浓度Ci，为扩散范围显示提供浓度场数据。毒气扩散浓度由扩散方程式(1)确定。 
考虑由M种毒气成份，每种毒气成份的浓度Ci(x，y，z，t)可由以下守恒方程确定。 
$\begin{array}{c}\frac{{\partial c}_i}{\partial t}+\frac{\partial }{\partial x}\left({\mathrm{uc}}_i\right)+\frac{\partial }{\partial y}\left({\mathrm{wc}}_i\right)+\frac{\partial }{\partial z}\left({\mathrm{wc}}_i\right)\\ =D_i(\frac{{\partial }^2{c}_i}{\partial x^2}+\frac{{\partial }^2{c}_i}{\partial y^2}+\frac{{\partial }^2{c}_i}{\partial z^2})+R_i(c_i,T)+{\stackrel{·}{W}}_{\mathrm{vt}}(x,y,z,t)...\left(1\right)\end{array}$
式中t为火箭推进剂爆炸后的时间，已知；Ci为第I种毒气成份的扩散浓度，百万分之一体积浓度PPM，待求；Di为第i种毒气成份的分子扩散系数，已知；Ri为第I种成份的化学反应生成率，，已知；为第i种毒气成份毒气蒸发速率，已知；T为绝对温度，(u，v，w)为发射坐标系中的三个风 速分量，已知变量；KH，Kv为大地水平和大地高程的扩散系数，已知。 
4、扩散范围显示 
在得到火箭推进剂爆炸后的时间t、有毒气体随发射坐标系(x，y，z)的扩散浓度Ci、复杂地形信息数据化信息的输入后，在matlab信息处理平台上利用MAPINFO地理信息处理工具给出如图8所示的浓度分布范围显示。可在电脑显示器上显示液体火箭爆炸后随时间和地理位置变化而变化的毒气浓度分布，并可用鼠标点击所要查看地点的毒气浓度，以确定该地方对人员来说是否安全。该确定方法采用信息集成技术，将显示系统与地理信息系统结合起来。生成电子地图的难点是地形的数字化，这里我们用可视化工具确定出地形等值线数据，在地理信息系统上生成相应的图形对象并显示出来，这样就完成了地形的数字化。 
本确定方法的适用范围： 
卫星发射过程中发射场区推进剂爆炸、燃烧、泄漏事故的毒气浓度非常之大，对场区和首航区人员的安全构成严重威胁。该方法为发射时场区和首航区人员的疏散、事故发生时工作人员的紧急撤离和有关毒气防护提供依据。 
该方法解决了复杂地形下的火箭推进剂爆炸、燃烧、泄漏事故的推进剂问题，平原地区和空廓区域的此类问题是它的一个应用特例，因此可广泛适用于军内外有关和城市大气污染的问题，因而它有广泛的推广应用前景。 

附图说明

图1为系统集成示意图。 
图2为毒气扩散范围的确定过程。 
图3为液体火箭某次爆炸像片。 
图4为推进剂爆炸后火球直径与时间的关系图(推进剂爆炸条件为136公斤四氧化二氮加混肼，同时泄漏)。 
图5为推进剂爆炸后火球直径与时间的关系图(推进剂爆炸条件为136公斤四氧化二氮加混肼，氧化剂引发)。 
图6为试验1距离250英尺的四氧化二氮浓度记录图(试验1气象条件为：温度，95°F；相对湿度，17％；平均速度，2m/s)。 
图7为试验2下风处浓度记录图(试验1气象条件为：温度，102°F；相对湿度，18％；平均速度：4m/s) 
图8为某次爆炸事件后35分钟N2O4浓度分布示意图，其中大地高程用颜色变化表示，红色代表最高大地高程，图中左下部分曲线表示浓度等高线，显示系统上用鼠标单击图上任意点，都可显示其地理信息和毒气浓度值。 

具体实施方式

验证测试 
(1)液体火箭推进剂爆炸大规模试验结果验证 
试验1：同时泄漏，燃料泄漏速率为每秒900磅，N2O4泄漏速率为每秒875磅，300磅的燃料在少于0.5秒卸出，1300磅的N2O4在少于1.5秒卸出，两秒钟后，水以100gallon/s的速度冲出，水冲向正在着火的泄漏盘中心，在1000英尺处，几次大的爆炸可以听到，然而，爆炸记录仪没测得超压，在角铁框架处温度达240°F。记录下的毒气蒸汽浓度很大，参见图5。 
试验2：混合泄漏，干的条件，流速：燃料，800磅/秒；氧化剂，1070磅/秒，反应的火球持续了10秒，爆炸仪记录了十四次超压，最高的脉冲出现在第6次脉冲带有次生的衰减脉冲，最高温度445°F，毒气蒸汽浓度参见图6。 
以上试验结果与上面的确定方法是一致的。 
(2)用液体火箭爆炸事故的勘测资料验证该确定方法 
对卫星发射场区某次液体火箭爆炸事故的进行了用该方法验证确定，确定出的浓度场的分布数据与卫星发射场区火箭爆炸事故后的用仪器检测的数据应数据的误差为8.2％，证明了该确定方法的精度满足了卫星发射场区火箭爆炸事故毒气防范的和人员救护的要求。 
效果说明 
该确定方法填补了国内在这一领域的空白，方法内容新颖、丰富，广泛应用了国外花大量经费才获得的实验资料，其确定方法切合实际，可操作性强，增强了卫星发射过程中毒气的安全防范能力，是卫星发射指挥员决策安全预案的重要依据。方法已在中国西昌卫星发射基地的火箭爆炸事故毒气防范的和人员救护中得到应用。 
该确定方法具有事前给出可能发生的事故各时段的毒气污染的警戒区域，并能准实时给出事故产生的毒气在各保护区域的毒气散逸情况。 
主要技术特征： 
(1)建立了液体火箭爆炸推进剂急骤蒸发速率、推进剂平稳蒸发速率及其随时间衰减确定方法。 
(2)毒气浓度的平流扩散方程是一种非线性，非守恒型二阶双曲线方程，在确定方法中，有效地利用了Gauss定理，将二阶方程降为一阶方程，然后将一阶方程转换到曲线坐标系下，该方法适用确定多种组分、各种源强的扩散过程。 
(3)将可视化地理信息显示与MAPINFO结合起来。将液体推进剂爆炸后的毒气扩散范围的实时显示在火箭爆炸附近的地域上。