Лекции по экол. и утил. ЖРД (818588), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Для защиты КА от техногенного и естественного «мусора» на крупных и дорогих КА (сейчас стоимость КА может быть 1,5 млрд долларов США) устанавливают защитные многослойные экраны, а сами КА выводятся только на «чистые» орбиты.
В настоящее время только 60% спутников уводятся с расчетной орбиты в конце их работы на безопасные орбиты. На низких орбитах сейчас размещено огромное количество КА малой массы (1 – 100 кг) и большинство из них без тормозных двигателей. Постепенно они теряют высоту за счет торможения о верхние слои атмосферы, разрушаются и сгорают в атмосфере Земли. Космическое пространство самоочищается. Но они представляют опасность для новых действующих КА. Количество малоразмерных спутников для дистанционного зондирования Земли, связи, космического Интернета постоянно растет (каждый год выводится в Космос 2-3 тысячи) и тем самым загрязняется околоземное пространство.
Геостационарные орбиты также перегружены в силу ограниченности этих орбит.
Сбор космического «мусора» на орбитах сейчас экономически не выгоден.
Плановый увод КА с орбиты и естественная «самоочистка» Космоса от обломков за счет аэродинамического торможения в нижних слоях – два метода от загрязнения орбит.
Для уменьшения «космического мусора» на орбите Земли надо:
1. Применять тяжелые 2-х ступенчатые РН с космическим РБ для вывода на различные орбиты сразу большого количества спутников (100 и более) различной массы (от 1 до 5000 кг).
2.Увеличивать срок службы КА до 10 – 15 лет, что приведет к уменьшению числа запусков новых КА взамен КА отслуживших свой срок.
3. Применять топливо (N2H4) без металлических добавок и без образования сажи, которая осаждается на оптике КА, а окислы Ме разрушают солнечные батареи.
4. После окончания срока службы КА с помощью тормозных двигателей осуществлять перевод КА на низкую орбиту с последующем их сгоранием в атмосфере Земли. На высоких геостационарных орбитах уводить КА с помощью апогейных ЭРД на более высокие орбиты.
5. Производить дренирование компонентов из баков и газов высокого давления после завершения работы РБ для предотвращения взрыва РБ и образования облака «мусора».
6. Для точного вывода КА на расчетную орбиту, коррекции, стабилизации орбиты, ориентации КА применять ЭРД.
В качестве примера.
27 февраля 2019 г. РН «Союз-СТ-Б» с разгонным блоком «Фрегат-М» вывел на околоземную орбиту высотой 1200 км – над областью высокой плотности «космического мусора» 32 миниспутника с ЭРД по 150 кг каждый. После окончания срока службы (5 лет) спутники будут автоматически уходить с рабочей орбиты с помощью ЭРД на низкую орбиту (250 км) и через 5 лет за счет торможения в верхних слоях атмосферы в ней сгорят. РБ также переводится на низкую орбиту и затапливается в Тихом океане.
Разрушение озонового слоя Земли
Озон самый лучший окислитель (окисляет все), но крайне не стабилен (разрушается под действием температуры, электрического разряда, химических загрязнений и др. воздействий).
Озон защищает все живое на Земле от жесткого ультрофиолетового и гамма излучения Солнца, поглощая его излучение и разрушаясь при этом
О3 + hν→О2 + О.
Образуется озон в результате обратной реакции
О + О2→О3. Это естественный кислородный цикл образования и разрушения озона.
Озон О3 в основном находится в стратосфере (15 – 50 км от поверхности Земли). Основная масса озона сосредоточена на высотах 15 – 25 км. На полюсах концентрация озона больше, чем на экваторе.
Сквозь стратосферу проходят полеты РН с РД. Их ПС содержат пары воды, атомарный водород и азот, окислы азота, хлор, HCl которые разрушают озон.
Озон разрушается по водородному циклу.
О3 + Н→О2 + ОН.
О + ОН→О2 + Н.
В этих реакциях О3 и О удаляются, а Н остается как катализатор для разрушения озона. Далее могут быть реакции
О3 + ОН→О2 + НО2.
О3 + НО2→2О2 + ОН.
О + НО2→О2 + ОН.
В этих реакциях также О3 и О удаляются, а ОН остается как катализатор для разрушения озона.
Азотный цикл разрушения озона:
NO2 + O→ NO + O2;
NO + O3→ NO2 + O2.
Двуокись азота не удаляется, а O3 и О удаляются. Далее могут идти реакции:
N2 + hν → N + N;
N + O2→ NO + O;
NO2 + OН→ НNO3.
В РДТТ окислителем является Cl помимо кислорода.
Хлорный цикл разрушения озона:
Cl + O3 → ClO + O2
Атомарный Cl образуется:
ClO + O→ Cl + O2
ClO + NO → Cl + NO2
НCl + hν → Cl + Н
Cl2 + hν → Cl + Cl.
Вклад различных циклов разрушения озона.
17% О3 разрушается по кислородному циклу, 9% по водородному циклу, 70% по азотному, 4% по хлорному циклу.
Наиболее реакционноспособными по отношению к озону являются соединения НДМГ (С2Н8N2).
Анализ химических способов обезвреживания НДМГ
Обезвреживание на основе газификации и выбросе ПС в космическое пространство:
- каталитический дожиг остатков НДМГ;
- взаимодействие НДМГ с карбонильными соединениями (ацетоном, формальдегидом и др.);
- окисление НДМГ кислородом, хлором.
Каталитический дожиг остатков НДМГ проводят на катализаторах с помощью молекулярного кислорода. В качестве катализаторов глубокого окисления используют металлы платиновой группы (Pt, Pd, Rh) и катализаторы на основе оксидов металлов (Cr, Mn, Cu, Ni). Температура реакции окисления на платиновом катализаторе – 150…200 С. При этом выделяется большое количество тепла и газов (СО2, Н2О, NO2).
На пассивном участке полета, отделившихся ступеней, нет на борту кислорода и систем наддува баков кислородом, что делает этот метод трудноосуществимым.
Взаимодействие НДМГ с карбонильными соединениями и окисление НДМГ кислородом также требует размещения на борту большого количества формальдегида и кислорода, и систем их подачи в бак.
Но эти методы могут быть успешно реализованы в наземных системах обезвреживания НДМГ.
На пассивном участке полета в качестве окислителя надо использовать штатный окислитель N2O4 путем подачи его в бак с НДМГ. В результате реакций окисления уменьшается количество токсичных ПС, выбрасываемых в верхнии слои атмосферы.
Продуктами сгорания НДМГ с АТ при избытке НДМГ являются пары воды, СО, N2, Н2 и сажа. В меньших концентрациях содержатся СО2, метан, аммиак.
То есть продукты сгорания значительно менее токсичные, чем сам НДМГ.
Методы нейтрализации НДМГ
К ним относятся:
- химические методы нейтрализации;
- озонирование водных растворов НДМГ;
- адсорбционный метод (поглощение паров или жидких растворов НДМГ твердым адсорбентом);
- абсорбцией паров НДМГ жидкостью (абсорбентом) с образованием жидких растворов НДМГ;
- термический метод;
- биохимическое окисление;
- каталитическое окисление паров НДМГ;
- разбавление проливов НДМГ водой до уровня ПДК.
Химические методы обезвреживания водных растворов НДМГ.
1. Хлорные окислители (чистый хлор, хлорная известь, гипохлорид натрия NаОСl, гипохлорид кальция СаОСl) окисляют водные растворы НДМГ с концентрацией до 5 г/л. Для более полного окисления требуется увеличение количества окислителя в растворах и времени контакта реагентов. При этом окисляется и все живое.
2. Обезвреживание НДМГ и его производных гидратом окислов никеля разной валентности (содержит 40% активного кислорода), кроме НДМА (нитрозодиметиламин), при концентрации менее 200 мг/л.
Озонирование водных растворов НДМГ.
Озон, как сильный окислитель, окисляет растворы фенола, формальдегида, циана. В щелочной среде озон окисляет НДМГ, но НДМА не поддается его воздействию.
Озонирование растворов НДМГ надо сочетать с другими методами обезвреживания.
Биохимическое окисление.
Метод основан на использовании микроорганизмов способных разрушать и использовать НДМГ в качестве питательного субстрата. Биологическая очистка очищает растворы НДМГ с содержанием НДМГ до 50 мг/л. Метод требует комфортных температурных, кислотных условий для микроорганизмов.
Адсорбционный метод.
Нейтрализация АТ и АК осуществляется добавлением 10-15% раствора NаОН.
НДМГ поглощается активированным углем.
Продукты регенерации сжигаются при 800 С в печах работающих на природном газе.
Поглощение паров НДМГ адсорбентом - алюмосиликатом с солями меди. Фильтры с таким адсорбентом обеспечивают очистку газов от паров НДМГ и АТ до ПДК.
Пролив НДМГ и его паров ликвидируют засыпкой вспученным перлитом. Далее перлит с адсорбированным НДМГ удаляют на переработку. Зараженный перлит и грунт подвергают термообработке.
Термический метод.
Для обработки концентрированных водных растворов применяется термический метод, при котором в зону горения подаются сточные воды и пары АТ, НДМГ.
В КС растворы испаряются, органические соединения сгорают, неорганические – термически разлагаются. Температура в печи – 900…1100 С, коэффициент избытка окислителя для сжигания НДМГ – 1,2…3,5.
Каталитическое сжигание паров НДМГ.
Газовые выбросы НДМГ с концентрацией менее 40 мг/л сжигать в печах экономически не выгодно. Применяют низкотемпературное сжигание паров при 220С в присутствии катализатора Г-105. Продукты окисления: NН3 и NО.
Абсорбция паров НДМГ и АТ.
Пары компонентов поглощаются жидкими растворами. Для обезвреживания паров НДМГ используется 1% раствор серной или уксусной кислоты. Пары амина – 5% раствор аммиака. Дальнейшее обезвреживание образовавшихся растворов производится химическим методом.
Разбавление проливов НДМГ и АТ водой
Проливы НДМГ и АТ смываются водой, когда есть возможность собрать эти смывы. Далее их обезвреживают выше перечисленными методами.
При разбавлении НДМГ водой в 5 – 10 раз концентрация его паров уменьшается в 180 – 580 раз.
В случае проливов НДМГ и АТ на грунт основным методом нейтрализации является химический. Для нейтрализации жидких НДМГ, АТ используется водный раствор аммиака с концентрацией 10% - летом и 25% - зимой. Продукты нейтрализации – растворимые соли (нитраты и нитриты).
Проливы НДМГ на грунт могут обезвреживаться керосином (растворением НДМГ в керосине) с последующим их выжиганием.
Оборудование, загрязненное НДМГ, промывают водой, керосином, раствором аммиака, продувают горячим водяным паром и далее сушка горячим воздухом.
Все имеющиеся методы нейтрализации имеют свои недостатки.
Методика очистки отделившихся ступеней в районах падения
Используется паротепловой метод очистки.
Последовательность операций:
- обнаружение упавших ступеней;
- предварительная нейтрализация частей ступеней в районе падения;
- разделение частей на крупные фрагменты и транспортировка фрагментов в места складирования и утилизации;
- обезвреживание фрагментов конструкций в центрах утилизации РН и ЖРД;
- сортировка фрагментов по сорту материала;
- переплавка отсортированных мелких фрагментов конструкций РН и ЖРД.
Очистка двигателей в районах падения с использованием мобильной установки для очистки и нейтрализации
Поверхности изделия можно очистить:
- продувкой водяным паром с Т = 110С (удовлетворительный результат через 7 часов продувки);
- продувкой водяным паром с углекислым газом с Т = 110…400С;
- термохимическим методом, путем впрыска штатного окислителя (АТ, АК-27И 0,5 кг на 1 кг НДМГ) в бак. Происходит реакция окисления НДМГ с большим тепловыделением. При температуре более 500С НДМГ термически разлагается на менее токсичные продукты.
Методы обезвреживания топливных систем ракет от остатков жидкого топлива
1.Газожидкостной метод очистки применяется в стационарных условиях на базах утилизации. Первый этап – газовая очистка топливных систем.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
