專(zhuān)利名稱(chēng)：液體火箭墜落爆炸毒氣擴(kuò)散范圍的確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種確定液體火箭墜落爆炸范圍毒氣擴(kuò)散的確定方法，是關(guān)于液體火箭爆炸理論性和應(yīng)用性結(jié)合的方法，包括地理信息系統(tǒng)的建立，對(duì)火箭墜落爆炸毒氣擴(kuò)散范圍的確定。隨著衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)的增多和推進(jìn)劑用量的加大，發(fā)射試驗(yàn)事故爆炸危害性，特別是對(duì)工作人員及衛(wèi)星發(fā)射途徑地域重大威脅，該確定方法為發(fā)射場(chǎng)附近居民的疏散、事故發(fā)生時(shí)的防范搜索工作提供依據(jù)。
背景技術(shù)：
對(duì)于液體推進(jìn)劑火箭墜落爆炸范圍的確定，國(guó)內(nèi)外均采用縮比實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行，美國(guó)曾經(jīng)多次做運(yùn)載火箭的縮比實(shí)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)也曾經(jīng)針對(duì)小劑量的液體火箭推進(jìn)劑在平原地區(qū)做實(shí)驗(yàn)，但是縮比實(shí)驗(yàn)置信度不高，而且只適用于火箭在發(fā)射臺(tái)上爆炸的情況，對(duì)于火箭在空中墜落爆炸的情況則無(wú)法確定。本確定方法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)事故現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)證完成的。
發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決液體火箭推進(jìn)劑爆炸后，有毒氣體蒸發(fā)速率及其在復(fù)雜地形、復(fù)雜氣象條件下的擴(kuò)散的確定方法，方法包括一、建立一套與火箭飛行航區(qū)相適應(yīng)的信息系統(tǒng)1、將火箭飛行航區(qū)的地形數(shù)字化，基于數(shù)字化的地形數(shù)據(jù)建立一套地理信息系統(tǒng)；2、將地理信息系統(tǒng)的地形信息映射到發(fā)射坐標(biāo)系中，對(duì)應(yīng)地面的任意一個(gè)點(diǎn)(Pk，bk，Hk)，均能確定其在發(fā)射坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(x，y，z)。其中Pk，bk，Hk分別為地面上某個(gè)點(diǎn)的大地經(jīng)度、大地緯度、大地高程，x、y、z分別為該點(diǎn)在發(fā)射坐標(biāo)系中的3個(gè)坐標(biāo)分量；3、將火箭飛行航區(qū)的城市、道路、廠礦、學(xué)校、人口信息輸入到地理信息系統(tǒng)中，用于在火箭飛行過(guò)程中確定需要保護(hù)的地域目標(biāo)，在故障發(fā)生后確定火箭墜落爆炸后毒氣的擴(kuò)散范圍和危害程度；4、將火箭飛行航區(qū)的氣象資料(U，T，α)、位置(x、y、z)和飛行時(shí)間(tq)初始化到信息系統(tǒng)中，其中U為平均風(fēng)速，T為空氣絕對(duì)溫度，α為主導(dǎo)風(fēng)的方向，tq為距火箭起飛零秒的時(shí)間。W0為參與爆炸燃燒的N2O4和偏二甲肼推進(jìn)劑的總量，為輸入的已知變量；5、將火箭飛行航區(qū)的地形信息在擴(kuò)散范圍顯示系統(tǒng)上結(jié)合毒氣濃度顯示出來(lái)。
6、確定液體火箭推進(jìn)劑毒性分級(jí)信息火箭推進(jìn)劑對(duì)人體有毒害的主要是四氧化二氮(分子式為N2O4，30分鐘應(yīng)急暴露限值為20PPM和偏二甲肼(分子式為(CH3)2N2H2，簡(jiǎn)稱(chēng)偏二甲肼，30分鐘應(yīng)急暴露限值為50PPM)，二者是配對(duì)使用的常規(guī)推進(jìn)劑，四氧化二氮是氧化劑，其沸點(diǎn)較低(21.15℃)，當(dāng)放在高于沸點(diǎn)溫度的環(huán)境中，立刻急驟蒸發(fā)，當(dāng)放在低于沸點(diǎn)溫度的環(huán)境中，表現(xiàn)為平穩(wěn)蒸發(fā)，因此，在其沸點(diǎn)上下的毒源強(qiáng)度相差許多倍，故在冬夏兩季的毒氣濃度是無(wú)法比擬的；偏二甲肼是燃燒劑，與四氧化二氮完全燃燒反應(yīng)的產(chǎn)物是無(wú)毒的，偏二甲肼與空氣混合的體積比大于2％時(shí)，就可用明火或電火花點(diǎn)燃，如果在火箭爆炸事故中有空氣卷入，就會(huì)引起四氧化二氮的富余，進(jìn)而造成爆炸事故后的四氧化二氮毒源強(qiáng)度大，加之滲透于地面泥土中的偏二甲肼，地表的已燃燒，地面深層的蒸發(fā)速率慢，所以往往在火箭爆炸事故發(fā)生后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，檢測(cè)到的偏二甲肼的濃度已為零，四氧化氮的濃度卻相當(dāng)大。無(wú)水肼用量少，爆炸事故的毒源強(qiáng)度可以不加考慮?；鸺械囊簹浜鸵貉跫捌浞磻?yīng)產(chǎn)物對(duì)人員是無(wú)毒的，故不是毒源。
二、確定火箭墜落爆炸毒氣擴(kuò)散范圍1、確定液體火箭推進(jìn)劑爆炸后的毒氣蒸發(fā)速率 確定液體火箭推進(jìn)劑爆炸后的毒氣蒸發(fā)速率分兩種情況，即基于推進(jìn)劑爆炸事故發(fā)生時(shí)環(huán)境溫度T(已知)在沸點(diǎn)上下的情況，分別對(duì)應(yīng)急驟蒸發(fā)速率和平穩(wěn)蒸發(fā)速率。首先確定推進(jìn)劑蒸發(fā)總量。再確定推進(jìn)劑平穩(wěn)蒸發(fā)的初始速率，進(jìn)而確定火箭爆炸后毒氣平穩(wěn)蒸發(fā)速率，最后確定火箭爆炸后毒氣急驟蒸發(fā)速率。
(1)推進(jìn)劑蒸發(fā)總量為Wf＝kfW0式中kf為比例系數(shù)，由空氣中氧的比例和推進(jìn)劑爆炸的化學(xué)反應(yīng)確定，對(duì)推進(jìn)劑四氧化二氮取0.02028，對(duì)推進(jìn)劑偏二甲肼取0.009566，W0為參與爆炸燃燒的N2O4和偏二甲肼的推進(jìn)劑的總量，由信息系統(tǒng)中獲取。
(2)推進(jìn)劑初始蒸發(fā)速率由為W·V0=0.03305km,mfWfA]]>式中 為火箭推進(jìn)劑初始蒸發(fā)速率，待求。km為氣體表面的質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)，公斤.摩爾/秒.英尺2，能夠用Gilliband的經(jīng)驗(yàn)公式確定；mf為氣體表面的分子重量，已知；Wf為推進(jìn)劑蒸發(fā)總量，已由(1)求出；A為火箭爆炸后富余推進(jìn)劑露空表面的面積，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算，為已知條件。
(3)火箭爆炸后毒氣平穩(wěn)蒸發(fā)速率為W·vt=W·v0eW·v0Wft]]>式中 為液體火箭爆炸后毒氣平穩(wěn)蒸發(fā)速率，待求。 為火箭推進(jìn)劑初始蒸發(fā)速率，已由(2)求出；Wf為火球中富余的推進(jìn)劑蒸發(fā)總量，已由(1)求出。
(4)火箭爆炸后毒氣急驟蒸發(fā)速率為
W·vt=Wf30]]>式中 為液體火箭爆炸后毒氣急驟蒸發(fā)速率，待求；Wf為火球中富余的推進(jìn)劑蒸發(fā)總量，已由(1)求出。
2、確定復(fù)雜地形上空的風(fēng)場(chǎng)為了對(duì)液體火箭推進(jìn)劑爆炸后的方程進(jìn)行數(shù)值積分，如預(yù)報(bào)未來(lái)時(shí)刻的濃度分布，我們知道，濃度的擴(kuò)散作用是風(fēng)完成的，風(fēng)場(chǎng)在擴(kuò)散方程求解中，是一個(gè)非常重要的輸入量，它是整個(gè)毒氣擴(kuò)散問(wèn)題求解的基礎(chǔ)。風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)(u，v，w)由氣象雷達(dá)或控空氣球測(cè)量確定。其中，(u，v，w)為發(fā)射坐標(biāo)系中的三個(gè)風(fēng)速矢量。
3、確定毒氣擴(kuò)散濃度確定液體火箭推進(jìn)劑爆炸后的有毒氣體在大氣中擴(kuò)散過(guò)程，在得到推進(jìn)劑爆炸后的有毒氣體擴(kuò)散速率、發(fā)射坐標(biāo)系中的三個(gè)風(fēng)速矢量(u，v，w)后，解擴(kuò)散方程，得出體火箭推進(jìn)劑爆炸后的時(shí)間t有毒氣體隨發(fā)射坐標(biāo)系(x，y，z)的擴(kuò)散濃度Ci，為擴(kuò)散范圍顯示提供濃度場(chǎng)數(shù)據(jù)。毒氣擴(kuò)散濃度由擴(kuò)散方程式(1)確定。
考慮由M種毒氣成份，每種毒氣成份的濃度Ci(x，y，z，t)可由以下守恒方程確定。
∂ci∂t+∂∂x(uci)+∂∂y(wci)+∂∂z(wci)=Di(∂2ci∂x2+∂2ci∂y2+∂2ci∂z2)+Ri(ci,T)+W·vt(x,y,z,t)...(1)]]>式中t為火箭推進(jìn)劑爆炸后的時(shí)間，已知；Ci為第I種毒氣成份的擴(kuò)散濃度，百萬(wàn)分之一體積濃度PPM，待求；Di為第i種毒氣成份的分子擴(kuò)散系數(shù)，已知；Ri為第I種成份的化學(xué)反應(yīng)生成率，，已知； 為第i種毒氣成份毒氣蒸發(fā)速率，已知；T為絕對(duì)溫度，(u，v，w)為發(fā)射坐標(biāo)系中的三個(gè)風(fēng)速分量，已知變量；KH，Kv為大地水平和大地高程的擴(kuò)散系數(shù)，已知。
4、擴(kuò)散范圍顯示在得到火箭推進(jìn)劑爆炸后的時(shí)間t、有毒氣體隨發(fā)射坐標(biāo)系(x，y，z)的擴(kuò)散濃度Ci、復(fù)雜地形信息數(shù)據(jù)化信息的輸入后，在matlab信息處理平臺(tái)上利用MAPINFO地理信息處理工具給出如圖8所示的濃度分布范圍顯示?？稍陔娔X顯示器上顯示液體火箭爆炸后隨時(shí)間和地理位置變化而變化的毒氣濃度分布，并可用鼠標(biāo)點(diǎn)擊所要查看地點(diǎn)的毒氣濃度，以確定該地方對(duì)人員來(lái)說(shuō)是否安全。該確定方法采用信息集成技術(shù)，將顯示系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。生成電子地圖的難點(diǎn)是地形的數(shù)字化，這里我們用可視化工具確定出地形等值線數(shù)據(jù)，在地理信息系統(tǒng)上生成相應(yīng)的圖形對(duì)象并顯示出來(lái)，這樣就完成了地形的數(shù)字化。
本確定方法的適用范圍衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程中發(fā)射場(chǎng)區(qū)推進(jìn)劑爆炸、燃燒、泄漏事故的毒氣濃度非常之大，對(duì)場(chǎng)區(qū)和首航區(qū)人員的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。該方法為發(fā)射時(shí)場(chǎng)區(qū)和首航區(qū)人員的疏散、事故發(fā)生時(shí)工作人員的緊急撤離和有關(guān)毒氣防護(hù)提供依據(jù)。
該方法解決了復(fù)雜地形下的火箭推進(jìn)劑爆炸、燃燒、泄漏事故的推進(jìn)劑問(wèn)題，平原地區(qū)和空廓區(qū)域的此類(lèi)問(wèn)題是它的一個(gè)應(yīng)用特例，因此可廣泛適用于軍內(nèi)外有關(guān)和城市大氣污染的問(wèn)題，因而它有廣泛的推廣應(yīng)用前景。


圖1為系統(tǒng)集成示意圖。
圖2為毒氣擴(kuò)散范圍的確定過(guò)程。
圖3為液體火箭某次爆炸像片。
圖4為推進(jìn)劑爆炸后火球直徑與時(shí)間的關(guān)系圖(推進(jìn)劑爆炸條件為136公斤四氧化二氮加混肼，同時(shí)泄漏)。
圖5為推進(jìn)劑爆炸后火球直徑與時(shí)間的關(guān)系圖(推進(jìn)劑爆炸條件為136公斤四氧化二氮加混肼，氧化劑引發(fā))。
圖6為試驗(yàn)1距離250英尺的四氧化二氮濃度記錄圖(試驗(yàn)1氣象條件為溫度，95°F；相對(duì)濕度，17％；平均速度，2m/s)。
圖7為試驗(yàn)2下風(fēng)處濃度記錄圖(試驗(yàn)1氣象條件為溫度，102°F；相對(duì)濕度，18％；平均速度4m/s)圖8為某次爆炸事件后35分鐘N2O4濃度分布示意圖，其中大地高程用顏色變化表示，紅色代表最高大地高程，圖中左下部分曲線表示濃度等高線，顯示系統(tǒng)上用鼠標(biāo)單擊圖上任意點(diǎn)，都可顯示其地理信息和毒氣濃度值。
具體實(shí)施例方式
驗(yàn)證測(cè)試(1)液體火箭推進(jìn)劑爆炸大規(guī)模試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證試驗(yàn)1同時(shí)泄漏，燃料泄漏速率為每秒900磅，N2O4泄漏速率為每秒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，兩秒鐘后，水以100gallon/s的速度沖出，水沖向正在著火的泄漏盤(pán)中心，在1000英尺處，幾次大的爆炸可以聽(tīng)到，然而，爆炸記錄儀沒(méi)測(cè)得超壓，在角鐵框架處溫度達(dá)240°F。記錄下的毒氣蒸汽濃度很大，參見(jiàn)圖5。
試驗(yàn)2混合泄漏，干的條件，流速燃料，800磅/秒；氧化劑，1070磅/秒，反應(yīng)的火球持續(xù)了10秒，爆炸儀記錄了十四次超壓，最高的脈沖出現(xiàn)在第6次脈沖帶有次生的衰減脈沖，最高溫度445°F，毒氣蒸汽濃度參見(jiàn)圖6。
以上試驗(yàn)結(jié)果與上面的確定方法是一致的。
(2)用液體火箭爆炸事故的勘測(cè)資料驗(yàn)證該確定方法對(duì)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)區(qū)某次液體火箭爆炸事故的進(jìn)行了用該方法驗(yàn)證確定，確定出的濃度場(chǎng)的分布數(shù)據(jù)與衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)區(qū)火箭爆炸事故后的用儀器檢測(cè)的數(shù)據(jù)應(yīng)數(shù)據(jù)的誤差為8.2％，證明了該確定方法的精度滿足了衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)區(qū)火箭爆炸事故毒氣防范的和人員救護(hù)的要求。
效果說(shuō)明該確定方法填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的空白，方法內(nèi)容新穎、豐富，廣泛應(yīng)用了國(guó)外花大量經(jīng)費(fèi)才獲得的實(shí)驗(yàn)資料，其確定方法切合實(shí)際，可操作性強(qiáng)，增強(qiáng)了衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程中毒氣的安全防范能力，是衛(wèi)星發(fā)射指揮員決策安全預(yù)案的重要依據(jù)。方法已在中國(guó)西昌衛(wèi)星發(fā)射基地的火箭爆炸事故毒氣防范的和人員救護(hù)中得到應(yīng)用。
該確定方法具有事前給出可能發(fā)生的事故各時(shí)段的毒氣污染的警戒區(qū)域，并能準(zhǔn)實(shí)時(shí)給出事故產(chǎn)生的毒氣在各保護(hù)區(qū)域的毒氣散逸情況。
主要技術(shù)特征(1)建立了液體火箭爆炸推進(jìn)劑急驟蒸發(fā)速率、推進(jìn)劑平穩(wěn)蒸發(fā)速率及其隨時(shí)間衰減確定方法。
(2)毒氣濃度的平流擴(kuò)散方程是一種非線性，非守恒型二階雙曲線方程，在確定方法中，有效地利用了Gauss定理，將二階方程降為一階方程，然后將一階方程轉(zhuǎn)換到曲線坐標(biāo)系下，該方法適用確定多種組分、各種源強(qiáng)的擴(kuò)散過(guò)程。
(3)將可視化地理信息顯示與MAPINFO結(jié)合起來(lái)。將液體推進(jìn)劑爆炸后的毒氣擴(kuò)散范圍的實(shí)時(shí)顯示在火箭爆炸附近的地域上。
權(quán)利要求
1.一種液體火箭墜落爆炸毒氣擴(kuò)散范圍的確定方法，包括(1)、建立一套與火箭飛行航區(qū)相適應(yīng)的信息系統(tǒng)，包括①、將火箭飛行航區(qū)的地形數(shù)字化，基于數(shù)字化的地形數(shù)據(jù)建立一套地理信息系統(tǒng)；②、將地理信息系統(tǒng)的地形信息映射到發(fā)射坐標(biāo)系中，對(duì)應(yīng)地面的任意一個(gè)點(diǎn)(Pk，bk，Hk)，均能確定其在發(fā)射坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(x，y，z)；其中Pk，bk，Hk分別為地面上某個(gè)點(diǎn)的大地經(jīng)度、大地緯度、大地高程，x、y、z分別為該點(diǎn)在發(fā)射坐標(biāo)系中的3個(gè)坐標(biāo)分量；③采集火箭飛行航區(qū)的城市、道路、廠礦、學(xué)校、人口信息；④、將火箭飛行航區(qū)的氣象資料(U，T，α)、位置(x、y、z)和飛行時(shí)間(tq)初始化到信息系統(tǒng)中，其中U為平均風(fēng)速，T為空氣絕對(duì)溫度，α為主導(dǎo)風(fēng)的方向，tq為距火箭起飛零秒的時(shí)間；W0為參與爆炸燃燒的N2O4和偏二甲肼推進(jìn)劑的總量，為輸入的已知變量；⑤、將火箭飛行航區(qū)的地形信息結(jié)合毒氣濃度擴(kuò)散范圍在系統(tǒng)上顯示；⑥、確定液體火箭推進(jìn)劑毒性分級(jí)信息；(2)、火箭墜落爆炸毒氣擴(kuò)散范圍的確定，包括①、確定液體火箭推進(jìn)劑爆炸后的毒氣蒸發(fā)速率 確定蒸發(fā)速率分兩種情況，即基于推進(jìn)劑爆炸事故發(fā)生時(shí)環(huán)境溫度T(已知)在沸點(diǎn)上下的情況，分別對(duì)應(yīng)急驟蒸發(fā)速率和平穩(wěn)蒸發(fā)速率；②、確定復(fù)雜地形上空的風(fēng)場(chǎng)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)(u，v，w)由氣象雷達(dá)或控空氣球測(cè)量確定其中，(u，v，w)為發(fā)射坐標(biāo)系中的三個(gè)風(fēng)速矢量。③、確定毒氣擴(kuò)散濃度該過(guò)程確定液體火箭推進(jìn)劑爆炸后的有毒氣體在大氣中擴(kuò)散過(guò)程，在得到推進(jìn)劑爆炸后的毒氣蒸發(fā)速率 發(fā)射坐標(biāo)系中的三個(gè)風(fēng)速矢量(u，v，w)后，由擴(kuò)散方程，得出液體火箭推進(jìn)劑爆炸后的時(shí)間t有毒氣體隨發(fā)射坐標(biāo)系(x，y，z)的擴(kuò)散濃度Ci，為擴(kuò)散范圍顯示提供濃度場(chǎng)數(shù)據(jù)；④四氧化二氮、擴(kuò)散范圍顯示在得到火箭推進(jìn)劑爆炸后的時(shí)間t有毒氣體隨發(fā)射坐標(biāo)系(x，y，z)的擴(kuò)散濃度Ci、復(fù)雜地形信息數(shù)據(jù)化信息的輸入后，給出四氧化二氮的濃度分布范圍圖，并顯示液體火箭爆炸后隨時(shí)間和地理位置變化而變化的毒氣濃度分布，且可用鼠標(biāo)點(diǎn)擊所要查看地點(diǎn)的毒氣濃度，以確定該地方對(duì)人員來(lái)說(shuō)是否安全。
全文摘要
一種液體火箭墜落爆炸毒氣擴(kuò)散范圍的確定方法，包括1.建立一套與火箭飛行航區(qū)相適應(yīng)的信息系統(tǒng)，包括將火箭飛行航區(qū)的地形數(shù)字化，建立地理信息系統(tǒng)；將地理信息系統(tǒng)的地形信息映射到發(fā)射坐標(biāo)系中，采集火箭飛行航區(qū)的城市、道路、廠礦、學(xué)校、人口信息；將火箭飛行航區(qū)的氣象資料、位置和飛行時(shí)間初始化到信息系統(tǒng)中；確定液體火箭推進(jìn)劑毒性分級(jí)信息；2.確定火箭墜落爆炸毒氣擴(kuò)散范圍包括推進(jìn)劑源強(qiáng)、復(fù)雜地形上空風(fēng)場(chǎng)、毒氣擴(kuò)散濃度的確定，方法能確定可能發(fā)生的液體火箭墜落爆炸毒氣污染的警戒范圍，能實(shí)時(shí)給出液體火箭墜落爆炸事故產(chǎn)生的毒氣危害范圍。
文檔編號(hào)G06F19/00GK1794247SQ20051005748
公開(kāi)日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月31日
發(fā)明者車(chē)著明, 柴毅, 李尚福, 魏洪波 申請(qǐng)人:西昌衛(wèi)星發(fā)射中心, 重慶大學(xué)