Трушляков В.И. и др. Монография (818589), страница 13
Текст из файла (страница 13)
неясно их расположение в баке; 7) неясен вопрос скорости диффузии остатков топлива до концентраций ниже допустимых; 8) подрыв отделившейся части в воде после отделения в районе падения (схема на РН "Ариан-4") не позволяет утвердительно ответить на вопрос об эпшогнческой безопасност, т.к. НДМГ в воде не разлагается, а склонно к накапливанию во флоре и фауне. 2.4. Анализ хнмичесиик способов обезвреживания НДМГ н возможность нх использования на борту ракет-носителей Анализ физико-химических свойств НДМГ показал, что наиболее приемлемыми являются следующие направления обезвреживания на основе газификации и выброса газообразных продуктов в окружаощее космическое пространство: - каталитический дожиг остатков; - взаимодействие НДМГ с карбонильными соединениями (ацстоном, формальдепщом и др.); - окисление НДМГ кислородом и другими окислнтелями.
Каталитический дожиг углеводородов проводят на специальных катализаторах с помощью молекуларного кислорода В качестве катализаторов глубокого окисления используют металлы платиновой группы (Рг, Рб, йй), кроме того, применяют катализаторы на основе оксидов металлов (Сг, Мп, Со, Кб). Каталитическое окисление идет при достаточно низкой температуре (150-200 'С на Рг-катализаторе). Однако использование катализатора лля дожига НДМГ на борту ОЧ на пассивном участке траектории затруднительно ввиду ряда причин. Во- 63 первых„при окислении НДМГ выделяется огромное количества тепла, а также большое количество газа. о, (СН,),Н вЂ” НН,-+2СО, + ХО, + 4Н,О+(). При наличии остатков НДМГ в 150-300 кг выделится примерно (4-8) 1О' ккал тепла, из которых на нагрев и сгорание НДМГ уйдет только (1-2).10 ' ккал.
Таким образом, в избытке остается (3,9-7,8) . ! 0' ккал тепла, которое необходимо отвести от катализатора в течение 10-! 5 минут, за время полета ОЧ на пассивном участке. Во вторых, чтобы процесс окисления прошел наиболее полно, к НДМГ необходимо подвести кислород (300-600 кг), юторого на борту ОЧ нет, а также на катализатор подавать смесь в виде газокислородной смеси, что требует разработки специальной системы наддува. В то же время этот подход достаточно просто может быть реализован в наземных системах обезвреживания. При химическом взаимодействии НДМГ с карбонильными соединениями (ацетоном, альдегидом и т.п.) получаются гидроэоны, которые являются маяоток- сичными или нетоксичиыми соединениями. "с СН, СН, (СН,) Х вЂ” ХН, +О = С(СН,), -+ ' > С = 1Ч вЂ” Н < НДМГ ацетон СН Сн3 Дальнейшее нагревание с твердой щелочью до 200 'С приводит к образова- нию азота и соответствующего углерода.
Для нейтрализации 150-300 кг НДМГ необходимо ввести 106-200 кг ацетона, для проведения реакции необходим нагрев до 200 ' и время около 3-х часов, что, естественно, делает этот подход нереализуемым на борту ОЧ. Более интересной является реакция НДМГ с формальдегидами, где на 150 кг НДМГ требуется 75 кг формальдегида, но тшвй подход приводит к необходимости размещения больших количеств веществ, которых на борту ОЧ нет. Окисление НДМГ кислородом, т.е. сжигание топлива в кислороде дает конечные нетоксичные газообразные продукты (СОь НэО.
1чэ), однако, для окисления необходимы значительные количества кислорода: 300-600 кг на 150-300 кг НДМГ, что делает этот подход также неприемлемым к использованию на борту ОЧ. Более перспективны методы, основанные на окислительных процессах с использованием штатных окислителей, сопровождающихся обраюванием негоксичных продуктов (азота, воды и двуокиси углерода) предложенные впервые в (17). 64 Малое время, отведенное на проведение обезвреживания, налагает жесткие требования на интенсивность процесса. Поэтому возможно, что окислнтельные реакции являются единственными процессами, обеспечивающими необходимую скорость обезвреживания НДМГ. При этом нет необходимости использовать сте- хиометрические количества окислителя, поскольку при высоких температурах НДМГ разлагается в основном на азот, водород, метан и аммиак. С этой точки зрения проблема разработки метода обезвреживания сводится к выбору наиболее подходящего окислителя и определения условий проведения процесса.
В качестве окислителя для обезвреживания могут быть использованы соединения, в контакте с которыми НДМГ самовоспламеняется: азотная кислота, азот- нокислотные окислнтели, хлорная кислота, перекись водорода, четырехокись азо- та, тетранитрометан, ннтраты и др. Предпочтение должно быть отдано газообразным илн жидким окислителям— четырехокиси азота, тетранитрометану, азотнокислотным окислителям или хлорной кислоте.
Наиболее простым решением является использование штатного азотнокислотного окислителя или четырехокиси азота. Процесс обезвреживания может быть осуществлен путем впрыскивания необходимого количества окислителя непосредственно в топливный бак.
При контакте НДМГ с капельно-жидким или газообразным окислнтелем происходит бурная реакция с большим выделением тепла. Это будет сопровождаться взрывным испа- рением остатков топлива и окислителя, в результате чего реакция окисления переходит в газовую фазу во всем объеме топливного бака. При достижении предельной температуры термической устойчивости НДМГ начинается процесс пиролиза его на газообразные продукты [4, 14]. Переход реакции в газовую фазу и ее гомогенное продолжение приводят к повышению давления в баке и истечению продуктов реакции через дренажные клапаны и магистрали. Это вызывает дополнительное перемешивание реагирующих газов в баке.
По ориентировочным оценкам скоростей процессов, лимнтируемых массообменом, время полного выгорания и пиролиза топлива может составлять 100-1000 с, т.е. сопоставимо со временем движения ОЧ иа пассивном участке траектории [9). В качесгве возможной альтернативы окислительному способу может быль рассмотрен способ обезвреживания НДМГ, при котором в азотнокнслотном окислителе (или в азотной кислоте) растворен нитрат одного или нескольких переходных металлов (меди, железа, марганца, кобальта или др.), являющийся предшест- 65 венником активного катализатора разлвкения НДМГ в основном до метана и азота.
После инициирования реакции окисления НДМГ нитрат переходного металла разлагается с образованием пылевндного высокодисперсного (а потому активного) металлоокисного катализатор ведущего во всем обьеме бака каталитическое разложение НДМГ [24-30]. Такой вариант осуществления окислнтельного метода может позволить значительно уменьшить необходимое для обезвреживания количество окислителя и одновременно снизить выброс в атмосферу токсичных продуктов. В предлагаемом способе обезвреживания топлива путем подачи окислителя в топливный бак может быть гарантирована высокая степень обезвреживания токсичных продуктов, выбрасываемых в окружакпцую среду (космическое пространство, верхние слои атмосферы). Анализ особенностей конструктивных схем подачи топлива ЖРД [9,14,17] показал, что обезвреживание остатков НДМГ на борту ОЧ РН может быль осуществлено на основе его газификации при реализации взаимодействия со штатным окислителем [50-53]: - в основной двигательной установке; - баке горючего путем подачи туда штатного окислителя; - баке окислителя путем подачи туда шткгного горючего; - постановкой термокаталитического патрона на дренажной магистрали; - в баке горючего путем подачи остатков окислителя с растворенным катализатором, его суспензией или предшественником.
Особенности конструктивных схем вытеснгггельных систем ЖРД первой и второй ступеней РН типа <сКосмос», «Циклон», «Протон» [4,14], позволяют осушест. витыззификацию остатков токсичных компонентов без существенных доработок конструкции баков. Наиболее просто поставленная задача решается при горячем наддуве от газогенератора, работающего на КРТ. Для этого необходимо изменить программу газогенератора после разделения ступеней, обеспечив его дальнейшую работу с нзбьпком окислителя при открытом главном клапане илн дренажных клапанах на баках.
В этом случае продукты гаюгенерации с избытком окислителя будут способспювать испарению и частичному или полному химическому окислению остатков НДМГ с последующим их сбросом в окружающую среду. Таким образом, использование существующих бортовых систем с наддувом баков позволяет в значительной степени при соответствующей доработке решить проблему полного обезвреживания остатков горючего. бб Дожигание в основной двигательной установке может быть осуществлено путем: - повторного открытия главных клапанов; - путем смешивания в выхлопном патрубке; - путем смешивания в факеле основной двигательной установки.
Возможные варианты конструктивных схем, реализующих принцип дожигания остатков горючего в основной двигательной установке, представлены на рис. 2.9. Схема работает следующим образом. На 4-5 с после разделения одновременно открывают клапаны 14 и 15, подсоединяя АТ и НДМГ к выхлопному патрубку 16, проходя через него, компоненты взаимодействуют друг с другом, в результате чего значительная часть НДМГ обезвреживается. Другое техническое решение, основанное на аналогичном принципе действия, показано схематично на рис. 2.10.
Работа этой схемы предполагает наличие системы управления, обеспечивающей открьпие клапана 17 по фактическому прохождению поверхности компонента НДМГ расчетного уровня. Он определяется показаниями датчиков, установленных в емкости НДМГ. Как было отмечено, эффективность схемных решений, показанных на рис. 2.9 и 2.10 будет обеспечена прн наличии следующих необходимых факторов: - нахождение жидкости в емкостях в районе выходных отверстий; - наличие суммарной эквивалентной перегрузки, удерживающей КРТ в зоне выброса; - наличие перепада давлений, вытесняющего КРТ из баков и магистралей. Дожигание КРТ с поставкой термокаталитического патрона на дренажной магистрали представляет собой конструкцию для разложения НДМГ в гаювой фазе на платиновых катализаторах, нанесенных на асбест. Кроме платины, для катализатора разложения НДМГ рекомендуются двуокиси титана и циркония, окислы алюминия, кремния, магния, уголь, бинарные и более сложные смеси окислов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
