Методы снижения техногенного воздействия на окружающую среду при эксплуатации ракетно-космической техники

Освоение космического пространства и развитие космонавтики связано с необходимостью решения ряда глобальных проблем жизнеобеспечения на Земле. К таким проблемам относятся, например, дополнительное энергообеспечение Земли за счет гелиоустановок космического базирования (альтернативный невозобновляющимся источникам способ получения энергии) — проблема захоронения радиоактивных отходов атомных электростанций, одним из возможных путей решения которой — космическое пространство. Развитие космонавтики необходимо также с поддержанием уже имеющихся систем космического базирования, таких как космические навигационные системы, космическое телевидение и системы космической связи, системы раннего оповещения об аномальных космических и земных явлений и объектах и т. д. Освоение космоса необходимо и с целью расширения наших знаний об окружающем нас мире, например, с помощью телескопа Хаббла, размещенного в космическом пространстве, удалось установить классификацию и эволюцию Галактик и т. д.

Космонавтика в настоящее время позволяет осуществлять необходимый контроль за антропогенными изменениями природной среды, рациональным использованием природных ресурсов, способствует развитию безотходных, энергосберегающих технологий.

Наряду с положительным эффектом эксплуатация ракетно-космической техники связана с техногенным воздействием на биосферу Земли и космического пространства.

Особенность техногенных воздействий на окружающую среду при эксплуатации ракетно-космической техники состоит в том, что выведение космических аппаратов на заданную орбиту связано с загрязнением всей толщи атмосферы Земли от поверхности до окружающего космического пространства.

Анализ состояния проблемы влияния ракетно-космических комплексов и космонавтики на состояние и качество биосферы и околоземного пространства по литературным источникам показал единство отечественных и зарубежных проблем, требующих разрешения. Это внесение загрязнений в биосферу Земли, загрязнений при строительстве и эксплуатации космодромов (отчуждение больших площадей земель, вырубка лесов и т. п. приводит к изменению биогеоценоза данного региона) — на этапе предстартовой подготовки и обслуживания (наличие физических и химических ОВПФ, зависящих от типа двигателей, применяемого ими топлива, штатная или нештатная ситуация в момент пуска) — на активном и пассивном участках полета (отчуждение земель по трассам пуска, газодинамическое возмущение атмосферы и загрязнение ее продуктами сгорания топлив, нарушение радиосвязи, «мусор» в виде отделяющихся ступеней и элементов разделения и т. п.) — при осуществлении коррекции и маневрирования КА на траектории полета (космический «мусор» и т. д.).

Исследование экологических аспектов загрязнения атмосферы и околоземного космического пространства, а также вопросы обеспечения безопасности при эксплуатации ракетно-космической техники весьма актуальны и в настоящее время развертываются работы по различным направлениям этой проблемы.

Из множества перечисленных выше проблем данная работа посвящена исследованию процессов взаимодействия выхлопной струи продуктов сгорания, истекающей из сопла двигателя ракеты-носителя с озоновым слоем Земли. Имеющиеся в литературе публикации [7, 8, 13, 23, 25, 58, 69] посвященные математическому моделированию этих процессов, причем принимаемые допущения часто существенно не адекватны реальным физическим процессам, а данные различных авторов по отдельным параметрам (например, по количественному и качественному составу продуктов сгорания для одних и тех же двигателей) отличаются на порядки.

В данной работе осуществлено огневое физическое моделирование процессов взаимодействия выхлопной струи с озоновым слоем Земли и разработана методика расчета количества разрушенного озона при прохождении ракеты-носителя озонового слоя.

В первом разделе проведен анализ факторов техногенного воздействия на атмосферу при эксплуатации РКТ и возможные пути его снижения на основных технологических фазах осуществления космического полета: предстартовая подготовка и активный участок полетаполет и маневрирование космического аппарата на орбитесход с орбиты и возвращение на Землю. Отдельно рассмотрено влияние пусков РН на озоновый слой и ионосферу Землиобразование космического мусора.

На основе анализа факторов техногенного воздействия на атмосферу пусков РН и возможных путей снижения такового воздействия осуществлена постановка задачи исследования.

Второй раздел посвящен анализу техногенного воздействия на озоновый слой Земли при эксплуатации РКТ. Приводится краткая характеристика атмосферы как объекта техногенного воздействия. Подробно излагаются естественные фотохимические процессы образования и разрушения озона в атмосфере Земли, структура озоносферы, распределение озона и нормальный температурный профиль в ней. Дается описание авторской программы расчета продуктов сгорания ракетных топлив. Приводятся характеристики ЖРД ступеней ракет и космических кораблей, имеющихся в России, США, Франции и Японии, данные об основных параметрах жидкостных и твердых ракетных топлив, расчетный состав продуктов сгорания различных топлив полученный автором и данные имеющиеся в литературных источниках. Дается обоснование необходимости физического моделирования процессов техногенного разрушения озонового слоя.

В третьем разделе, связанным с разработкой методики измерений и аппаратуры экспериментального исследования, рассматриваются основные предпосылки физического моделирования взаимодействия струи ракетного двигателя с атмосферой с позиции комплексного подхода к исследованиям, т. е. одновременного получения сведений об исследуемом процессе по нескольким каналам информации. Для каналов измерения температуры, давления и концентрации озона проведен подробный анализ методов измерения, дана их классификация, предложены оригинальные решения соответствующих первичных преобразователей (датчиков). Приводятся результаты исследования коронного электрического разряда и разработанного на его основе «коронного» датчика давления. В конце раздела приводится структурная схема измерительного ком.

12 плекса для физического моделирования процессов взаимодействия выхлопной струи ракетного двигателя с атмосферой.

В четвертом разделе дается обоснование физического моделирования процессов взаимодействия выхлопных струй ракетных двигателей с озоновым слоем Земли. Дается описание структурных единиц измерительного комплекса. Подробно рассматриваются возможные методы генерации озона и проводится классификация этих методов. Предложены оригинальные конструкции озонаторов (озоногенераторов).

Подробно излагаются вопросы технических средств безопасности проведения исследовательских работ разработанных для данного измерительного комплекса.

Приводятся результаты проведения и обобщения экспериментов, на основе которых излагается методика количественной оценки разрушения озона при прохождении ракеты-носителя в атмосфере. В конце раздела рассмотрен вопрос о возможности построения озоногенераторов с использованием теплозащитных материалов на основе облегченных ворсовых структур.

Предложен способ снижения техногенного воздействия продуктов сгорания выхлопных струй ракетных двигателей на озоновый слой Земли путем размещения озоногенераторов, компенсирующих разрушающийся озон, на летательных аппаратах.

Выводы по разделу.

1. Дано обоснование проведения исследований разрушения озонового слоя посредством физического моделирования процессов.

Рис. 4.16. Теплозащитные покрытия на основе ворсовых структур

Размещение озоногенераторов на летательных аппаратах.

1 — место расположения озоногенератора;

2 — место расположения блока питания.

Рис. 4.17.

2. Изготовлен макет и отлажен измерительный комплекс для физического моделирования взаимодействия струи РД с озоновым слоем Земли.

3. Проведен анализ и дана классификация принципов генерации озона.

4. Разработаны и изготовлены генераторы озона на основе коронного электрического разряда.

5. Проведено физическое моделирование на огневом измерительном комплексе взаимодействия выхлопных струй РДТТ со средой моделирующей различное содержание озона на различных высотах в атмосфере.

6. Показано, что в начальные моменты прохождения ракеты-носителя в следе струи озон разрушается полностью и практически не зависит от состава продуктов сгорания, что указывает на тепловой режим разрушения озона.

7. Предложена математическая модель распределения концентраций озона от поверхности Земли до 60 км.

8. Разработана методика расчета разрушения озона в начальный момент прохождения атмосферы ракетой-носителем.

9. Путем экспериментального исследования показана возможность использования перспективных теплозащитных покрытий на основе углеродных ворсовых структур в качестве озоногенераторов.

10. Предложен метод снижения концентрации озона в атмосфере путем установки озоногенераторов на летательных аппаратах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненной работы предложен способ снижения техногенного воздействия на атмосферу Земли при эксплуатации ракетно-космической техники, заключающийся в компенсации снижения концентрации озона путем установки озоногенераторов на летательных аппаратах. Для достижения поставленной цели выполнены следующие работы.

1.На основе анализа факторов техногенного воздействия на окружающую среду на различных этапах подготовки полета и эксплуатации ракетно-космических систем установлено, что наиболее уязвимой областью атмосферы, для которой пока нет каких либо средств защиты, является озоновый слой.

2. Разработана программа и проведен расчет состава продуктов сгорания ракетных топлив, применяемых в двигателях современного парка ракет-носителей стран, осуществляющих космическую деятельность, результаты которого использованы для анализа и установления степени согласования имеющихся в литературе данных.

3. Установлены причины существенных различий данных о составе и массовых соотношениях компонентов продуктов сгорания и, следовательно, количественный состав озоноразрушающих компонентов.

4. Рассмотрены основы физического моделирования взаимодействия струи ракетного двигателя с атмосферой. Составлена модель каналов информации и определены параметры физического моделирования. Разработана структурная схема огневого измерительного комплекса.

5. Разработан огневой измерительный комплекс и методика проведения исследований взаимодействия выхлопной струи ракетного двигателя с озоновым слоем Земли.

6. Для каналов измерения температуры, давления и концентрации озона проведен анализ методов измерения, проведена их классификация, предложены оригинальные измерители перечисленных параметров.

7. Разработаны методика и экспериментальное оборудование для исследования параметров и свойств коронного электрического разряда.