程山 丁濤 劉佳

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西太原，030051）

引言

固體推進(jìn)劑是指本身含有氧化劑和燃燒劑，能夠通過(guò)有規(guī)律地燃燒釋放出大量熾熱氣體的固態(tài)致密材料。固體推進(jìn)劑在常溫常壓下相對(duì)安定，但仍然會(huì)發(fā)生熱分解反應(yīng)，由于其反應(yīng)速度緩慢，在安定劑等作用下一般不易發(fā)現(xiàn)。但如果儲(chǔ)存時(shí)環(huán)境溫度過(guò)高，散熱條件不好，熱分解反應(yīng)生成的熱量就會(huì)逐漸積累，分解速度會(huì)自動(dòng)加快，最終會(huì)發(fā)展成燃燒爆炸事故。其次，推進(jìn)劑生產(chǎn)過(guò)程中也極易發(fā)生燃爆事故，這是因?yàn)閺脑牧弦恢钡匠善返亩鄶?shù)生產(chǎn)工序中，充滿了大量易燃、可燃物質(zhì)。此外，固體推進(jìn)劑在沒(méi)有空氣參與的情況下，也可以進(jìn)行燃燒，燃燒時(shí)會(huì)釋放出大量的熾熱氣體，在大量堆積的情況下很容易燃燒轉(zhuǎn)爆燃，最終形成爆轟，所以固體推進(jìn)劑在制造、處理、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中事故頻發(fā)，固體推進(jìn)劑行業(yè)的安全形勢(shì)極為嚴(yán)峻。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)和國(guó)外很多國(guó)家，例如，日本、美國(guó)、印度等，在推進(jìn)劑的生產(chǎn)和儲(chǔ)存過(guò)程中，由于安全問(wèn)題導(dǎo)致起火或者爆炸，造成了人員傷亡以及巨大的財(cái)產(chǎn)損失[1,2]。

1 固體推進(jìn)劑的組成及特征

1.1 固體推進(jìn)劑的組成

隨著火箭技術(shù)的不斷發(fā)展，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，固體推進(jìn)劑的種類也日益增多。根據(jù)構(gòu)成固體推進(jìn)劑的各成分之間有無(wú)相界面，固體推進(jìn)劑可劃分為均質(zhì)推進(jìn)劑和復(fù)合推進(jìn)劑兩大類。均質(zhì)推進(jìn)劑主要是雙基推進(jìn)劑，復(fù)合推進(jìn)劑根據(jù)氧化劑的不同主要分為高氯酸銨復(fù)合推進(jìn)劑和硝銨復(fù)合推進(jìn)劑。雙基推進(jìn)劑是由兩種基本成分(硝化纖維素和硝化甘油)組成的均質(zhì)推進(jìn)劑。硝化纖維素被硝化甘油塑化。此外還有少量附加成分用來(lái)改善雙基推進(jìn)劑的某些性能。復(fù)合固體推進(jìn)劑是以高聚物黏合劑為彈性基體，并提供燃燒所需的可燃元素。在黏合劑中填加有固體的氧化劑和金屬粉，此外還有少量的其他成分。復(fù)合固體推進(jìn)劑是一種多相混合物。由于其組分微粒的平均尺寸大于分子的尺寸，各組分之間存在著明顯的界面。故稱其為異質(zhì)推進(jìn)劑。

1.2 固體推進(jìn)劑的特征[3]

根據(jù)固體推進(jìn)劑的組成，可以看出固體推進(jìn)劑的特征為:易熱分解、易燃燒、易爆炸和易發(fā)生從熱分解到爆炸的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

①易熱分解。固體推進(jìn)劑在常溫下是相對(duì)安定的固態(tài)致密材料。實(shí)際上其一直進(jìn)行著緩慢的熱分解反應(yīng)。由于其反應(yīng)速度緩慢，以及安定劑及其他因素的抑制，不經(jīng)檢測(cè)一般不易發(fā)現(xiàn)。但是當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高、散熱不好或其他條件影響時(shí)，熱分解反應(yīng)生成的熱就會(huì)逐漸積聚，分解產(chǎn)物又會(huì)使熱分解加速，最終導(dǎo)致自燃自爆的發(fā)生。

②易燃燒。任何燃燒必須同時(shí)具備三個(gè)要素:一定量的可燃物質(zhì)、與可燃物質(zhì)比例相當(dāng)?shù)闹嘉镔|(zhì)以及足夠的激發(fā)能量。這三個(gè)要素相互作用即可燃燒。然而固體推進(jìn)劑中已含有豐富的可燃劑和氧元素，所以只要給予足夠的激發(fā)能量，如環(huán)境溫度較高、靠近熱源、明火點(diǎn)燃，以及摩擦、撞擊等，即會(huì)發(fā)生燃燒事故，當(dāng)其處于密閉容器、絕熱狀態(tài)或大量堆積時(shí)，其燃燒往往會(huì)轉(zhuǎn)為爆炸。

③易爆炸。固體推進(jìn)劑成品易發(fā)生爆炸。主要由以下三種情況引發(fā)爆炸的:一是由熱分解、燃燒引發(fā)爆炸;二是由普通火災(zāi)引發(fā)爆炸;三是給予強(qiáng)大激發(fā)能量(如爆轟波、撞擊等)后直接引起爆炸。

④易發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。固體推進(jìn)劑的熱分解、燃燒、爆炸雖然是三種不同形式的化學(xué)反應(yīng)，但只要條件成熟，可以很容易地從緩慢的熱分解轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖贌岱纸猓瑥目焖贌岱纸廪D(zhuǎn)變?yōu)槊土胰紵?，從猛烈燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)閯×冶?，而且可引起周圍一定距離的藥劑殉爆。

2 固體推進(jìn)劑火災(zāi)滅火方法研究[4-10]

通過(guò)對(duì)固體推進(jìn)劑組成、特征及燃燒機(jī)理的分析，可以看出固體推進(jìn)劑不同于一般的固體物質(zhì)。固體推進(jìn)劑易分解、易燃燒、易爆炸，易發(fā)生從熱分解到爆炸的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，且燃燒劇烈無(wú)須氧氣也可以快速燃燒。通過(guò)對(duì)推進(jìn)劑滅火分析以及臨界條件的建立，從理論上給出了撲滅推進(jìn)劑火災(zāi)的方法。針對(duì)固體推進(jìn)劑火災(zāi)的自身特點(diǎn)，本章重點(diǎn)研究滅火劑以及釋放技術(shù)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有滅火劑性能參數(shù)、滅火原理的分析，篩選出撲滅固體推進(jìn)劑火災(zāi)的最佳滅火劑;結(jié)合固體推進(jìn)劑燃燒特性等特征，對(duì)現(xiàn)有釋放技術(shù)進(jìn)行分析研究，并提出新的釋放技術(shù)。

2.1 氣體滅火劑可行性分析

根據(jù)氣體滅火劑滅火原理可以看出，鹵代烷滅火劑主要是通過(guò)降低火焰中活性自由基來(lái)實(shí)現(xiàn)滅火的。通過(guò)固體推進(jìn)劑穩(wěn)態(tài)燃燒過(guò)程分析可以看出，推進(jìn)劑燃燒是通過(guò)硝化纖維素、硝化甘油等大分子分解放熱形成的，與所謂的燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)作用方式不盡相同，使用鹵代烷對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行滅火無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果。此滅火劑不能應(yīng)用于推進(jìn)劑火災(zāi)。惰性氣體滅火劑主要通過(guò)窒息作用進(jìn)行滅火，對(duì)于固體推進(jìn)劑火災(zāi)，由于自身含氧，窒息作用無(wú)法達(dá)到滅火效果。通過(guò)上述分析可知:氣體滅火劑無(wú)論是化學(xué)作用還是窒息作用針對(duì)于推進(jìn)劑火災(zāi)效果都不明顯。一旦推進(jìn)劑著火，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效撲救，故氣體滅火劑不能應(yīng)用于推進(jìn)劑火災(zāi)。

2.2 水、水系滅火劑可行性分析

水的吸熱能力強(qiáng)，對(duì)燃燒物質(zhì)具有顯著的冷卻作用，水汽化產(chǎn)生大量的水蒸氣，排擠和阻止空氣進(jìn)入燃燒區(qū)，可以降低燃燒區(qū)內(nèi)氧氣的含量。此外，水廉價(jià)易得，來(lái)源廣泛，對(duì)環(huán)境污染小。因此，水是撲救A類火災(zāi)的主要滅火技術(shù)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，滅火所用的水已經(jīng)發(fā)展成多門類、多學(xué)科的技術(shù)，旨在提高水的滅火效能，并不斷開(kāi)拓用水滅火的應(yīng)用范圍。目前，提高水的滅火效能主要有兩種辦法:一是改變水的物理性能來(lái)提高水的滅火效果，如將水流變成霧狀水(細(xì)水霧)來(lái)滅火;二是在水中添加試劑以改變水的化學(xué)性能來(lái)提高水的滅火效果，如強(qiáng)化水、潤(rùn)濕水、黏性水(水膠體)等。這種在水中添加試劑或改變水的物理特性，以提高水的滅火性能的新型滅火劑稱為水系滅火劑。

根據(jù)上述分析可以看出:水具有良好的降溫冷卻作用，常溫下1kg水變成水蒸氣可以吸收2259kJ的熱量，那么10kg的水最大就可吸收22590kJ的熱量。然而，1kg雙鉛推進(jìn)劑定容爆熱只有4000kJ左右。這說(shuō)明，通過(guò)降溫手段，水做滅火劑，完全可以將推進(jìn)劑火災(zāi)撲滅。其次，由于推進(jìn)劑大多為負(fù)氧平衡，水蒸發(fā)后形成大量水蒸氣占據(jù)燃燒區(qū)，可以有效的降低火災(zāi)的蔓延速度，大大降低火災(zāi)的強(qiáng)度。固體推進(jìn)劑燃燒十分劇烈，火焰壓力高，當(dāng)水系滅火劑高速射出時(shí)，進(jìn)入推進(jìn)劑火焰區(qū)時(shí)，可以改變火焰區(qū)壓力，使其火焰反向，當(dāng)壓力升高到一定值時(shí)，可以使推進(jìn)劑火焰產(chǎn)生撕裂的效果，降低了火焰區(qū)向加熱層傳遞的熱量，減緩了加熱層的形成。最后，當(dāng)水系滅火劑附著在未燃燒的推進(jìn)劑表面時(shí)，對(duì)固體推進(jìn)劑進(jìn)行了潤(rùn)濕，這大大增加了推進(jìn)劑燃燒的難度，為撲滅推進(jìn)劑火災(zāi)奠定了重要的基礎(chǔ)。

2.3 干粉滅火劑可行性分析

通過(guò)干粉滅火劑滅火原理可以看出，干粉滅火劑主要是通過(guò)化學(xué)抑制作用來(lái)進(jìn)行滅火的。通過(guò)對(duì)推進(jìn)劑火災(zāi)穩(wěn)態(tài)燃燒過(guò)程的分析，可以看出，化學(xué)抑制作用對(duì)其滅火效果不明顯。干粉滅火劑的隔離作用以及冷卻窒息作用無(wú)法滿足推進(jìn)劑火災(zāi)的特殊性，所以干粉滅火劑無(wú)法應(yīng)用于推進(jìn)劑火災(zāi)。

3 滅火劑釋放技術(shù)的研究

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有滅火劑性能、可行性分析可以看出，針對(duì)固體推進(jìn)劑火災(zāi)最為合適的滅火劑為水系滅火劑。由于推進(jìn)劑燃燒十分劇烈，蔓延速度極快，并且很容易燃燒轉(zhuǎn)爆轟，如何使用水及水系滅火劑對(duì)推進(jìn)劑火災(zāi)進(jìn)行抑制，成為函待解決的問(wèn)題。本節(jié)結(jié)合現(xiàn)有的噴水技術(shù)以及推進(jìn)劑火災(zāi)的特殊性，重點(diǎn)對(duì)推進(jìn)劑火災(zāi)的滅火劑釋放技術(shù)進(jìn)行研究。

3.1 自動(dòng)噴水技術(shù)概述

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)是一種火災(zāi)發(fā)生時(shí)，能自動(dòng)作用打開(kāi)噴頭噴水滅火，同時(shí)發(fā)出火警信號(hào)的消防給水設(shè)備。該系統(tǒng)一般應(yīng)用于容易自燃的倉(cāng)庫(kù)、對(duì)消防要求較高的建筑物或個(gè)別房間以及火災(zāi)蔓延速度快，危險(xiǎn)性很大的建筑物內(nèi)。

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)一般是由水泵、輸水管、水噴頭、水流控制閥和若干輔助裝置組成的。根據(jù)水從水源到噴頭的形式，系統(tǒng)大體分為濕式、干式、預(yù)作用式和雨淋式自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)以及水幕系統(tǒng)五種形式。

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，是當(dāng)今世界上公認(rèn)的最為有效的自救滅火設(shè)施，是應(yīng)用最廣泛、用量最大的自動(dòng)滅火系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外應(yīng)用實(shí)踐證明:該系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全可靠、滅火成功率高等優(yōu)點(diǎn)。然而，針對(duì)固體推進(jìn)劑火災(zāi)時(shí)，這種噴水技術(shù)存在著一系列問(wèn)題，從而導(dǎo)致了目前固體推進(jìn)劑企業(yè)的消防系統(tǒng)無(wú)法有效的抑制推進(jìn)劑火災(zāi)，導(dǎo)致事故頻發(fā)。探測(cè)設(shè)計(jì)缺陷分析，噴頭設(shè)計(jì)缺陷分析，噴水強(qiáng)度設(shè)計(jì)缺陷分析。

針對(duì)固體推進(jìn)劑火災(zāi)，上述自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的噴水強(qiáng)度、噴頭工作壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于撲滅推進(jìn)劑火災(zāi)時(shí)所需要的噴水強(qiáng)度及噴頭壓力，無(wú)法有效的抑制推進(jìn)劑火災(zāi)，從而使得火災(zāi)迅速蔓延，最終導(dǎo)致事故的發(fā)生。

3.2 高速噴水技術(shù)思路

針對(duì)目前自動(dòng)噴水系統(tǒng)的缺陷，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，我們對(duì)自動(dòng)噴水系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，提高其響應(yīng)速度和滅火時(shí)的噴水功率，從而實(shí)現(xiàn)高速噴水技術(shù)。首先，提高固體推進(jìn)劑火災(zāi)的探測(cè)技術(shù)。當(dāng)推進(jìn)劑火災(zāi)剛剛發(fā)生時(shí)，能對(duì)推進(jìn)劑火災(zāi)進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)并迅速啟動(dòng)噴水裝置實(shí)施滅火。其次，針對(duì)推進(jìn)劑火災(zāi)，對(duì)噴頭進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，盡可能減少水的動(dòng)量損失。保證水以足夠的動(dòng)量進(jìn)入推進(jìn)劑火焰區(qū)，實(shí)施冷卻降溫作用。最后，現(xiàn)行的設(shè)計(jì)噴水強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到撲滅推進(jìn)劑火災(zāi)的滅火功率。為了迅速抑制火災(zāi)，可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，通過(guò)提高噴頭工作壓力、改變噴頭孔徑等因素，增加噴水強(qiáng)度。水能更多的進(jìn)入藥柱的燃燒面，通過(guò)降溫等手段，達(dá)到迅速破壞加熱層的目的，從而實(shí)現(xiàn)滅火。

結(jié)束語(yǔ)

固體推進(jìn)劑火災(zāi)滅火技術(shù)的研究是一項(xiàng)非常復(fù)雜的課題，對(duì)其未來(lái)的研究展望應(yīng)從下面幾方面研究。研究高能推進(jìn)劑、含鋁推進(jìn)劑等火災(zāi)情況;考慮推進(jìn)劑藥量、形狀等因素對(duì)滅火情況的影響;對(duì)固體推進(jìn)劑火災(zāi)滅火機(jī)理進(jìn)行深入分析研究，建立完整的固體推進(jìn)劑火災(zāi)熄滅模型;建立一套高速噴水滅火系統(tǒng)，對(duì)固體推進(jìn)劑火災(zāi)進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證。

[1]肖忠良，胡雙啟，吳曉青等.火炸藥的安全與環(huán)保技術(shù)[Ml.北京:北京理工大學(xué)出版社，2006.

[2]陳戰(zhàn)斌．固體推進(jìn)劑火災(zāi)滅火技術(shù)研究 [D]．碩士學(xué)位論文．南京理工大學(xué)，2010.

[3] 李葆首.固體推進(jìn)劑性能「M」.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，1990.

[4] 中華人民共和國(guó)公安部.GB50084一2001自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]張晉林.新型爆炸驅(qū)動(dòng)雨淋閥及其系統(tǒng)的應(yīng)用[Jl.四川兵工學(xué)報(bào)，1991(3):121一128.

[6]解建光，鄧玲.超高速雨淋系統(tǒng)技術(shù)及其設(shè)計(jì)[J].消防科技(增刊)，1998(4):38一39.

[7]張力恒，蘇昌銀，何煜.推進(jìn)劑裝藥混合過(guò)程安全性研究[J].固體火箭技術(shù).2012,35(4):508-513.

[8]Wells S.AFPDS Bagged ProPellant Fire SuPPression Evaluations，ADA424835[R]. SPringfield:NTIS，2003.

[9]陳維，劉軍.ABC干粉滅火劑的現(xiàn)狀與前景[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，1999，10:23一24.

[10]張洪杰.自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)噴頭類型、特點(diǎn)及應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2002(6):624一626.