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title: 2023/03/20 推進實驗事故報告書
tags: [FAR2023, report]

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# 2023/03/20 推進實驗事故報告書
###### tags: `report`

[TOC]

## 實驗說明
- 時間：2023/03/20 07:30
- 地點：成功大學歸仁校區-燃燒實驗室
- 指導教授：吳志勇
- 實驗指揮官：仲其宇
- 實驗人員：仲其宇、張庭瑋、林柏漢、張子凡、王仁牧、李德慶、羅湲晨、賴楷鈞
- 實驗內容： MQ80 發動機推力測試
- [實驗預報連結](https://hackmd.io/-nBCVdYPSJymEduBxBrdNQ)
- 實驗過程：
    1. 發動機安裝燃料
    2. 安裝發動機頂蓋及噴嘴
    3. 安裝發動機至推力測試台
    4. 非火攻組人員退出測試場至控制室
    5. 火攻組安裝點火藥
    6. 關閉測試台的保護蓋板
    7. 火攻組退出測試場至控制室
    8. 確認實驗流程無誤並執行模擬點火流程
    9. 開始倒數
    10. 點火
    11. 測試結束
    12. 待測試場安全後返回並評估結果
    13. 環境安全檢查
    14. 收拾並整理測試場

## 事故說明
### 一次事故
- 時間：2023/03/20 14:30
- 地點：成功大學歸仁校區-燃燒實驗室
- 事故過程：
事故發生於點火後 4 秒，發動機發生劇烈轟鳴，並將推力台推離牆壁。推力台撞擊至測試場的渦扇測試平台上，並反彈後回撞牆壁，再落回渦扇測試平台上。燃料燃燒所產生的煙霧瀰漫於測試場中。由於發動機緊固定在推力台上，且推力台皆由 5mm 厚的鋁板包覆住，除了推力台外，並未有任何破片飛濺。而爆炸所產生的轟鳴，使周邊的多個實驗室的人前來詢問。事發當下實驗人員有至煙囪周邊檢查是否有餘燼被噴出，並且使用滅火器將仍在燃燒的餘燼撲滅。檢查約 10 分鐘後便回到實驗場，評估設備受損狀況。
### 二次事故
- 時間：2023/03/20 15:10
- 地點：成功大學歸仁校區-太陽熱能檢測實驗室-頂樓看台
- 事故過程：
在一次事故發生後 40 分鐘左右，仲其宇再次離開測試場做二次環境檢查。此時隔壁實驗室的人員向仲其宇及張庭瑋表示，在測試場正上方兩層樓的看台在冒煙。仲其宇及張庭瑋立即攜帶兩瓶水基型小型滅火器趕至冒煙地點。此時該看台的木製地板已有多處零星的火焰在燃燒，並且產生不小的熱氣。兩人使用小型滅火器仍無法撲滅火勢，仲其宇在使用完滅火器後，立即趕往二樓樓梯間取兩瓶乾粉滅火器。並在遞給張庭瑋後隨即打電話通知張子凡請求支援。此時已有多位其他實驗室的人員趕到幫忙撲滅火勢。在使用多瓶滅火器後，火焰皆可被立即撲滅，但由於熱量的累積，撲滅後的火焰仍會復燃。因次後續使用水桶來降溫並完全撲滅火勢。而在火勢被撲滅約 5~10 分鐘內，消防人員便趕到並再以水柱將現場完全降溫。

## 事故分析
### 一次事故
#### 推測數據
點火後 4 秒，推力數據從 0 到 2 頓重的時間只花了短短的 0.26 秒。從此可以判定出發動機內的壓力過大，導致噴嘴段的螺絲承受不住推力而斷裂，並產生爆炸及轟鳴。
以下是推力數據及噴嘴畫面：
![](https://hackmd.io/_uploads/HJUiWCFl3.png =60%x)
![](https://hackmd.io/_uploads/HkgT-0Ke2.png =49%x) ![](https://hackmd.io/_uploads/HkI3bRKl2.png =49%x)
由於爆炸後產生的燃氣及衝擊波，使攝影機完全損毀，所以並未有完整畫面。
以下為控制室拍攝畫面(點火倒數開始於 0:37)：
{%youtube 6biSPUqNzcY%}
#### 發動機設計
- 總長: 1300 mm
- 直徑: 141.25 mm
- 殼體厚度: 6.6 mm
- 材質：鋁合金 6061-T6
- 設計艙壓: 80 bar/ 1160.3 psi
- 推進劑: KNSB
- 藥柱長: 800 mm(其餘400 mm由水泥塊代替)
- 藥柱外徑: 119 mm
- 藥柱內徑: 22 mm
- 藥柱總重: 約 16 kg
- 喉口直徑: 22.5 mm
- 噴嘴擴張比: 8
##### 管身
- 最大工作壓力：270 bar / 3928 psi
- 安全係數：3.4
##### 頂蓋
- 這邊係指螺絲強度無限的情況下
- 剪切強度：93,647 kgf
- 承受應力：10,741 kgf
- 安全係數：8.72
##### 噴嘴
- 這邊係指螺絲強度無限的情況下
- 剪切強度：66,602 kgf
- 承受應力：10,147 kgf
- 安全係數：6.56
##### 螺絲
- 規格： M5 12.9
- 抗拉強度： 1,407 kgf
- 剪切強度： 844 kgf
##### 頂蓋段
- 使用數量： 16 顆
- 工作應力： 13,504 kgf
- 安全係數： 1.26
###### 噴嘴段
- 使用數量： 8 顆
- 工作應力：6,752 kgf
- 安全係數：0.67

##### 錯誤
1. 按照設計艙壓 80 bar，噴嘴喉口直徑理論值應為 25.6 mm，然而實際加工尺寸為 22.5 mm ，導致實際艙壓會落在 103.6 bar/1503 psi
    - 鋁管安全系數： 2.6
    - 頂蓋承受應力： 13,561 kgf
    - 頂蓋段螺絲安全係數： 0.996
    - 噴嘴承受應力： 12,026 kgf
    - 噴嘴段螺絲安全係數： 0.56
2. 即便按照原始設計艙壓 80 bar，噴嘴段的螺絲安全係數也小於 1 ，代表其從理論值上就無法承受如此的壓力。

以上兩點為一次事故所導致的直接原因。
##### 測試後發動機
以下圖片為測試後螺絲被截斷。
![](https://hackmd.io/_uploads/SkkOTC6l3.png)
![](https://hackmd.io/_uploads/B1raAzxZn.png =49%x) ![](https://hackmd.io/_uploads/B1IaaGxbh.png =49%x)
噴嘴段暫時掉落至排風管中無法取出，而發動機其他部分並未有明顯破損。
![](https://hackmd.io/_uploads/S14FTMlZ3.png =49%x) ![](https://hackmd.io/_uploads/BJrsTzl-n.png =49%x)



#### 推力測試台
- 工作推力： 800 kgf
- 設計最大承受推力： 1,200 kgf
- 安全係數： 1.5
- 實際承受推力： 12,026 kgf
- 安全係數： 
由於實際發動機產生的推力遠高於設計工作範圍，測試台遭受破壞，以下圖片為破壞後的結果。
![](https://hackmd.io/_uploads/HkeQt7Bjxn.png =50%x)![](https://hackmd.io/_uploads/SkKiXSoln.png =50%x)

### 二次事故
#### 測試環境
發動機置於測試場的排煙管中，排煙管道連接至兩個煙囪。該煙囪通向頂樓且高度貼齊頂樓，而頂樓上還有一個鐵製高台，約一層樓高。高台為太陽能板測試場地，地面由木板平鋪而成。
以下為高台及煙囪的位置圖：[煙囪冒煙影片](https://drive.google.com/open?id=1vY4ADmohbAPE3C7-89srAq1q3WUM174J&usp=drive_copy)
![](https://hackmd.io/_uploads/Bk-tlfjg2.png)

以下為發動機安裝於推力台，並將噴嘴口朝向排煙管道。
![](https://hackmd.io/_uploads/BJwJQBse3.png =50%x)![](https://hackmd.io/_uploads/rJENmHolh.png =50%x)
![](https://hackmd.io/_uploads/HJGsbdigh.png =50%x)![](https://hackmd.io/_uploads/SJKH7Bsg3.png =50%x)
#### 錯誤
1. 實驗前並未考慮到噴嘴被爆炸推出後，餘燼會從煙囪噴出，並灑至周邊環境。實驗前缺乏完整且詳細的環境考察，並未發現煙囪附近有易燃物。
2. 實驗後並未完整且詳細的檢查環境。雖然在實驗後有檢查周邊餘燼，且使用小型滅火器將其撲滅。並且在實驗後也有觀察煙囪情況，但因為餘燼剛被噴出不久，尚未使木製棧板大量燃燒，所以並未發現異狀。
3. 燃燒實驗的煙囪上方附近有易燃物。
4. 煙囪並未有濾網來擋住餘燼或異物。

以下為火場撲滅後圖片
![](https://hackmd.io/_uploads/BJEF__igh.png)
![](https://hackmd.io/_uploads/Sylk5dOix3.png)

## 結論
本次事故是由於程序漏洞所導致的。一次事故是由於計算錯誤所直接導致，但讓錯誤的計算得以繼續是因為缺乏交叉檢查。推進組包含三組人員，然而每一項設計所需要的計算，該組內人員並未交叉檢查，且並未將數據提供給權威人員檢查。而隊長也並未發現該組的錯誤程序且並未有標準的程序可以檢查出潛在錯誤。在這一系列的錯誤中，最終導致一次事故。
二次事故則是由於缺乏完整的檢查程序，且該煙囪的過濾系統及位置與朝向有疑慮。最終導致二次事故。且由於並未意識到火災嚴重性，現場準備的滅火器不足以撲滅火災，需臨時到大樓各處尋找滅火器，拖延滅火時間。
本次實驗並未有指導老師陪同監督，且實驗現場也缺乏安全指揮官及醫官。一旦發生安全問題，無法於現場啟動緊急事態程序。

## 檢討
1. 重新建立實驗設計的檢查程序標準
2. 需要將實驗預報優先交給權威人員檢查
3. 重新建立實驗流程標準
4. 每次實驗皆須申報並找齊所有實驗流程標準中的人員
5. 建立緊急事故 SOP