Трушляков В.И. и др. Монография

УДК 629.76:502.7 ББК 39.62+20Л 8 Т77 Релензентыг А.Ю. Алле, канд. техн. наук, зам. гл. конструктора ФГУП «Полет» КБ; Л.О. Штриплинг, д-р техн. наук Трушляков В.И., Шалай В.В., Шатров Я.Т. Т 77 Снижение техногенного воздействна ракетных средств выведения на аашкнх токсичных компонентах ракетного топлива на окружающую среду: Монография / Под ред. В.И. Трушлякова. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. 220 с. Рассматриваются вопросы снижения техногенного воздействия ракетных средств выведения на жидких токсичных компонентах ракетного топлива на окружающую среду, основанные на уменьшении токсичного топлива в баках после выключения двигательной установки и сокращения разбросов точек падения отделяющихся частей ракеты-носкгеля в районах падения. Изложены методы очистки топливных отсеков ракет после слива компонентов топлива Все приведенные методы запатентованы.

СЗ Авторы, 2004 СЗ Омский государственный технический уннвсрснгст, 2004 ВВЕДЕНИЕ Достижения отечественной и мировой космонавтики общеизвестны. Существование современной цивилизации немыслимо без использования результатов космической деятельности: связь, телевцление, метеорология, навигация, новейшие технологии в самых разных отраслях и многое другое. На настоящее время очевидно: космонавтика была, есть и будет [11!.

Однако как и у любой техногенной деятельности, у космонавтики есть и другая сторона — это проблема экологического воздействия ракетно-космической техники на окружающую срелу. Ее с самого начала космической эры и вплоть до 80-х годов знали лишь узкие специалисты, практически не обращали на нее внимания при разработке новых космических проектов. Заключается она в следую- щем: ° все ракетные средства выведения выполняются по многоступенчатой схеме и отработавшие ступени и другие их элементы отделяются в полете и в дальнейшем падают на поверхность Земли вдоль трассы полета, а последние ступени, разгонные блоки остаются на орбитах и являются космическим мусором; ° ракетные двигатели большого числа ракет используют жидкие токсичные компоненты топлива, что приводит к химическому загрязнению территорий в результате их пролива и выброса в районах эксплуатации ракет; ° мощное акустическое и электромагнитное воздействие при работе ракетных двигателей, бортовой и наземной радиоэлектронной аппаратуры на окружающую среду в местах расположения испытательных баз, стартовых комллек- сов, на территориях вдоль трасс пусков; ° тепловое и химическое воздействие на атмосферу и окружающее космическое пространство в результате работы ракетных двигателей; ° в случае использования ядерных двигательных и энергетических установок на космических аппаратах возможно радиационное загрязнение окружающей среды, в том числе при их нештатном падении на поверхность Земли, разгерметизации или разрушении на орбитах.

Различные аспекты проблемы обеспечения экологической безопасности ра- кетных средств выведения, теоретические и практические вопросы, отдельные задачи н пути их решения активно обсуждаются в научных кругах с начала 90-х годов !5-7, 10-13, 15, 17, 18, 21, 23-33]. В монографии рассматриваются результаты исследований, проведенных авторами, при разработке методов снижения техногенного воздействия ракетных средств выведения на жидких токсичных компонентах топлива на окружающую среду на различных этапах жизненного цикла ракет: активных участках траекторий выведения ступеней ракет, в районах падения их отделяющихся частей н при обезвреживании внутренних поверхностей «мокрых» топливных отсеков после слива компонентов топлива, например для ремонта или утилизации [1О, 21).

Проведен системный анализ проблемы обеспечения экологической безопасности космических средств выведения, включающий общий анализ экологических воздействиИ ракетных средств выведения на окружающую среди в том числе наземное, атмосферное, околоземное пространства [5, 7, 12, 15, 31-33]. Решение проблемы обеспечения экологической безопасности эксплуатируе- мых и перспективных ракетных средств выведения возможно только при комплексном государственном подходе, основой которого является разработка федеральной целевой программы «Экос-РФ» [15], одним из разработчиков которой является соавтор монографии Шатров Я.Т., а другие соавторы — исполнители ее отдельных разделов.

Основное внимание в монографии уделено разработке методов по снижению техногенного воздействия жидких токсичных ракетных компонентов топлива на окружаощую среду. Проведенный анализ выявил, что максимальный ущерб ракетные средства выведения наносят в районах падения нх отделяющихся частей.

В этой связи основной упор сделан на исследования, обеспечивающие, с одной стороны, снижение рассеивания точек падения отделяющихся частей, а с другой — минимизацию остатков жидкого ракетного топлива в отделяющихся частях ступеней ракет. Первое направление исследований включает в себя исследования по сокращению районов падения отделяющихся частей ступеней ракет на основе работ [5, 12, 13, 31, 32]: ° снижения рассеивания точек падения отделяющихся частей ступеней ракет по мере набора статистики результатов их пусков, в том числе и с учетом возможности повышения степени риска «выхода» отделяющихся частей ступеней за границы уточненного эллипса полного рассеивания; ° совершенствования системы управления ракет в части уменьшения инструментальных и методических погрешностей управления движением и обеспечения стабильности их массовых характеристик.

4 Второе направление исследований предполагает уменьшение остатков компонентов ракетного топлива в баках отделяющихся частей ступеней ракет к моменту их падения на поверхность зоны отчуждения 117-19, 23-301 на основе: ° снижения гарантийных запасов топлива и выбора индивидуальных запра- вок; ° уменьшения остатков компонентов топлива в баках при движении ракеты на активном участке траектории за счет опережающей выработки наиболее ток- сичного компонента топлива; ° выброса остатков компонентов топлива в окружающее космическое пространство после его газификации илн в жидкой фазе. Третье направление исследований включает в себя обезвреживание «мокрых» топливных отсеков после слива компонентов топлива для последующего ремонта ракеты или утилизации [21, 23-301 на основе химического окисления и пнролиза горючего в присутствии катализатора (или в его отсутствии) в специальном реак- торе.

Вопросам системного анализа проблемы экологической безопасности ракетных средств выведения и разработке предложений по ее комплексному решению посвящена первая еяа«а монографии. По ее основным результатам сформулированы общие проблемы научных исследований для обеспечения экологической безопасности ракетных средств выведения, включающие в себя комплексы исследований, организационных, программных и внедренческих мероприятий. Во второй главе конкретизированы направления научных исследований, определены конкретные объекты и жизненные циклы ракетных средств выведения, на которых проводятся исследования. В частности, для исследования определены РН на жидкостных ракетных двигателях с самовоспламеняющимися компонентами топлива, где в качестве горючего выбран несимметричный диметилгидразнн, а в качестве окислителя — азотная кислота или азотный тетраксид.

Наиболее характерные объекты для исследований — отделяющиеся части первых ступеней РН «Космос-ЗМ», РН «Циклон», а также отделяющиеся части первой н второй ступеней РН «Протон». Проведен анализ известных на настоящий момент времени методов снижения экологического воздействия РН на окружающую среду, в том числе и предло- женных авторами. На основе многокритериального анализа определены пути для дальнейшей реализации наиболее эффективного метода — термохимнческого обезвреживания. 5 Применение этого метода в жизненном цикле РН - пассивный участок полета отделяющейся части ступени н обезвреживание топливных отсеков ступени РН по- еле слива топлива, например, для их последующего ремонта или утилизации.

В третьей главе рассмотрены теоретические и экспериментальные вопросы термохимнческого обезвреживания НДМГ иа основе его взаимодействия с самовоспламеняющейся топливной парой — азотной кислотой (азотным тетракснлом) и реализации условий процесса либо химического окисления, либо его пиролиза. Сравниваются характеристики процессов химического взаимодействия самовос- пламеняющихся компонентов топлива при различных соотношениях секундных расходах горючего и окислителя в следующих условиях: ° в химических системах наддува жидкостных ракетных двигателей, основанных на взаимодействии самовоспламеняющихся компонентов топлива; ° в камере жидкостного ракетного двигателя (при стехиометрическом соотношении горючего и окислителя и условиях объемного детерминированного взаимодействия); ° в объеме топливного бака горючего при реализации процесса газификации жидких остатков горючего.

На примере РН «Космос-ЗМ» сформулированы условия, необходимые для реализации процесса газификации остатков НДМГ в условиях движения отделяющейся части первой ступени РН на пассивном участке полета до входа в плотные слои атмосферы. Разработана распределенная математическая модель процесса газификации остатков НДМГ. Проведены наземные эксперименты на реальных компонентах топлива на специальных модельных установках для уточнения констант реакций, входящих в математическую модель, степень обезвреживания НДМГ в зависимости от параметров процесса (площади зеркала горюче- го, секундных расходов окислителя, степени распыла окислителя иа поверхность горючего и т.д.).

Подтверждены основные допущения и предположения, принятые при разработке метода. Проведены теоретические оценки теплового натруженна конструкций ступеней при газификации остатков НДМГ на примере РН «Космос-ЗМ» и РН «Протон», что позволило определить наиболее теплонагруженные элементы конструкции ступени и выбрать места установки дренажных клапанов для сброса газифицированных продуктов процесса обезвреживания из топливного бака в окружающую срелу. Сформулированы требования к обеспечению детерминированного положения жидких остатков НДМГ в условиях невесомости после разделения ступеней, со- провождаемого приложением к ступени знакопеременных перегрузок. В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований процессов гидродинамики остатков топлива в условиях невесомости после приложения знакоперемеиных нагрузок и процессы термохимического обезвреживания в экспериментальных установках, моделирующих топливные баки. Исследования проводились на модельных жидкостях в башнях невесомости и реальных компонентах топлива на наземных стендах в НИИХиммаше (г.

Сергиев Посад Моск. обл.). По результатам исследований определены конструктивные элементы для установки в бак с целью оптимизации процесса фиксации остатков жидкого топлива в детерминированном положении; схемы установок форсунок для ввода окислителя в бак горючего; массовые секундные расходы; величины тепловой нагрузки на конструкцию бака; токсичность продуктов газификации; необходимые скорости закрутки ступени ракеты вокруг продольной оси для обеспечения заданного детерминированного положения поверхности газифицируемых жидких остатков топлива и т.д. В ламой главе рассмотрены вопросы обезвреживания остатков компонентов жидкого топлива и внутренних поверхностей «мокрых» топливных отсеков ступеней ракет после слива топлива в наземных условиях, в том числе в местах штатного падения отделяющихся частей. Проведен сравнительный анализ существующих методов обезвреживания и предлагается метод, основанный на термохимическом обезвреживании остатков топлива и внутренних стенок «мокрых» топливных баков, с учетом расширения возможностей метода за счет его реализации в стационарных условиях и специальной установке, имеющей в своем со- стане реактор, систему управления с возможностью регулирования процесса по концентрации и объемам подаваемых реагентов и т.д.