Способ удаления остатков жидких ракетных топлив из отделяющихся частей средств выведения

Изобретение относится к областям утилизации токсичных компонентов жидких ракетных топлив (КЖРТ) и взрывного дела и может найти применение на объектах ракетно-космической техники социально-экономического, научного и военного дела. Способ включает в себя закрутку отделяющейся части (ОЧ) после выключения маршевого двигателя и отделения ее от верхней ступени ракеты или космического комплекса. Перед пуском ракеты на внешних поверхностях баков с компонентами жидких ракетных топлив устанавливают по замкнутому контуру удлиненные кумулятивные заряды и/или в заданной последовательности осесимметричные кумулятивные заряды. В момент отстыковки подают сигнал на подрыв удлиненных и/или осесимметричных кумулятивных зарядов. В результате взрыва в стенках баков автоматически вырезаются сквозные отверстия-окна и/или пробиваются сквозные отверстия правильной формы, через которые неизрасходованные и оставшиеся в баках компоненты жидких ракетных топлив выбрасываются наружу и рассеиваются на внеатмосферных участках траектории полета и в верхних слоях атмосферы Земли. Изобретение позволяет полностью освободить баки ОЧ от остатков КЖРТ, рассеять токсичные компоненты на внеатмосферных участках траектории полета или в верхних слоях атмосферы с частичным взаимодействием их в капельно-жидком состоянии для самовоспламеняющихся топливных пар с образованием нетоксичных или малотоксичных продуктов.

 

Изобретение относится к областям утилизации токсичных компонентов жидких ракетных топлив (КЖРТ) и взрывного дела и может быть использовано на объектах ракетно-космической техники социально-экономического, научного и военного назначения.

С 1991 года в стране реализуется «Программа работ по снижению вредного воздействия РКТ и БРТ на окружающую среду» - программа «Экос», охватившая все аспекты, связанные с обеспечением экологической безопасности ракетно-космической деятельности (в настоящее время она трансформировалась в программу «Экос-РФ».

Применение на современных ракетах-носителях, разгонных блоках, космических аппаратах жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), работающих на таких высокотоксичных топливных парах, как, например, «НДМГ+АК», «НДМГ+AT», «гидразин + AT» потребовало специальных мер защиты на наземных объектах ракетно-космических комплексов. Эти средства достаточно отработаны и при штатной эксплуатации техники с КЖРТ проблем, как правило, не возникает. Проливы и выбросы значительных количеств токсичных КЖРТ происходят при авариях на старте, в полете или при транспортировке. При штатной же эксплуатации техники в наибольшей степени вредное воздействие на окружающую природную среду оказывают средства выведения (ступени многоступенчатых ракет-носителей, разгонные блоки) по трассе полета и в районах падения отделяющихся частей (ОЧ) средств выведения, когда неизрасходованное количество КЖРТ попадает в окружающую среду при разрушении ОЧ в верхних слоях атмосферы или при ударе о земную (водную) поверхность. Эффективные методы обезвреживания ОЧ от таких компонентов, как НДМГ или гидразин в настоящее время, к сожалению, отсутствуют и поэтому районы падения, где неминуемы проливы на грунт или в акваторию, выведены из хозяйственного обращения.

Возможными путями заметного снижения вредного экологического воздействия средств выведения на сегодняшний день представляются:

- реализация полной выработки КЖРТ из баков ОЧ;

- дожигание остатков КЖРТ;

- выброс остатков КЖРТ из баков на внеатмосферных участках полета ступеней, где остатки компонентов в капельно-жидком или газифицированном состоянии рассеиваются и предположительно нейтрализуются под действием космических факторов.

Известен ряд способов удаления остатков КЖРТ из баков ракет космических аппаратов (КА), средств выведения с последующим их обезвреживанием [1-3]. Однако все они ввиду сложности технологических процессов и громоздкости технических устройств для их осуществления предназначены для обезвреживания жидких остатков КЖРТ в баках ракет, разгонных блоков, КА после слива из них компонентов на старте, боевой стартовой позиции при переносе или отмене пуска или снятии ракеты с дежурства, на арсенале или на заправочной станции. Иными словами, они вполне реализуемы на земле, но не пригодны в полете ракеты.

Известен усовершенствованный способ обезвреживания баков средств выведения от остатков токсичных КЖРТ [4], позволяющий обезвреживать не только жидкие остатки компонентов ракетных топлив, но и «мокрые» внутренние поверхности топливных отсеков после слива КЖРТ. Способ включает предварительное выпаривание горючего и окислителя, осуществление химического окисления и пиролиза горючего в присутствии катализатора и определение по индикатору степени обезвреживания.

Данный способ также как и предыдущие из-за сложности технологического процесса и необходимости использования для его осуществления громоздкого оборудования, больших энергозатрат может быть реализован только в стационарных условиях на арсеналах, базах ликвидации ракет, на стартах и т.д.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу и принятым за прототип является метод, приведенный в [5]. Он позволяет существенно снизить количество остатков КЖРТ не только в баках, но и в магистралях ЖРД за счет реализации после выключения ЖРД и разделения ступеней следующих действий:

- закрутки ОЧ вокруг продольной оси для придания фиксированного положения компонентов в баках;

- подачи штатного окислителя из дополнительной емкости в бак горючего;

- подачи продуктов взаимодействия из бака горючего в бак окислителя с обеспечением требуемого секундного расхода через турбонасосный агрегат и магистрали ЖРД;

- газификации КЖРТ и выброса их в околоземное пространство.

К недостаткам способа-прототипа следует отнести, во-первых, необходимость выполнения достаточно сложных математических расчетов для установления параметров подачи окислителя в бак горючего, взаимодействия компонентов в баках горючего и окислителя, секундного расхода подачи смеси через турбонасосный агрегат, теплового нагружения конструкции. Во-вторых, как и у аналогов для реализации описанного способа требуется наличие на борту значительного количества дополнительного технологического оборудования, существенно увеличивающего стартовый вес ракеты-носителя и ее габариты.

Задачей предлагаемого способа является полное освобождение внутренних поверхностей баков ступеней ракеты и разгонных блоков от остатков токсичных КЖРТ и снижение вредного экологического воздействия средств выведения на окружающую среду при максимальной простоте и высокой надежности способа и минимальных массово-габаритных характеристиках вспомогательного технологического оборудования, необходимого для реализации данного способа.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе утилизации остатков жидкого токсичного ракетного топлива, включающем закрутку отделяющейся части вокруг продольной оси после выключения ЖРД и разделения ступеней, вырезают либо пробивают сквозные отверстия-окна взрывом предварительно устанавливаемых на внешней поверхности баков по замкнутому контуру (окружности, эллипсу, прямоугольнику или иной фигуре) линейных детонирующих кумулятивных зарядов либо также предварительно устанавливаемых в определенной последовательности по образующей баков осесимметричных кумулятивных зарядов (КЗ); через эти сквозные отверстия-окна удаляются неизрасходованные компоненты ракетных топлив на внеатмосферных участках полета ступеней или в высоких слоях атмосферы.

При многообразии названий (УКЗ, ДУЗ, ШКЗ, ЛКЗ, КУЗ, УК3-П, УК3-ПО, КУКЗ, УККЗ и др.) и формы линейных детонирующих зарядов общим для них всех является наличие профилированного и распределенного по всей длине заряда взрывчатого вещества (ВВ). В зависимости от типа используемого заряда они могут быть в оболочках (металлических или пластиковых), либо могут быть безоболочными с облицовкой кумулятивной выемки металлом или металлонаполненным полимером, или без облицовки. В качестве ВВ могут использоваться твердые индивидуальные кристаллические, смесевые (прессовые, литьевые, пластиты, эластиты), жидкие взрывчатые вещества и составы, а также пластизоли.

Для определенности будем далее все линейные детонирующие заряды обозначать аббревиатурой УКЗ - удлиненный кумулятивный заряд.

В качестве осесимметричных КЗ могут быть применены любые кумулятивные заряды, широко используемые в военном деле (в боеприпасах и подрывных средствах), в строительстве (при пробитии отверстий в различных конструкциях), в нефтяных и газовых скважинах (в перфораторах - аппаратах, используемых для пробития стенок насосно-компрессорных труб) и т.д.

При удалении из баков ОЧ КЖРТ самовоспламеняющихся топливных пар произойдет частичное химическое взаимодействие компонентов в капельно-жидком состоянии в непосредственной близости от объекта с образованием нетоксичных и малотоксичных продуктов; оставшаяся, непрореагировшая часть компонентов, как и компоненты несамовоспламеняющихся топливных пар, будет рассеяна на больших высотах над поверхностью Земли с возможной нейтрализацией их за счет космических факторов.

Способ реализуется следующим образом.

После отработки ступенью ракеты (или разгонным блоком) своей задачи, выключения маршевой двигательной установки, разделения ступеней (или разгонного блока и космического комплекса) и закрутки ОЧ вокруг продольной оси по циклограмме подается команда на срабатывание (взрывание) УКЗ либо КЗ, установленных на внешних поверхностях баков ОЧ либо по замкнутому контуру (окружность, эллипс, многоугольник и т.д.), либо в определенной последовательности (для УКЗ и КЗ соответственно). В результате срабатывания УКЗ либо КЗ в корпусе бака вырезаются (либо пробиваются) сквозные отверстия-окна, через которые неизрасходованные и оставшиеся в баках компоненты топлива выбрасываются наружу. При применении на верхних ступенях ракет и разгонных блоках самовоспламеняющихся топливных пар возможно частичное химическое взаимодействие КЖРТ в капельно-жидком состоянии с образованием нетоксичных или малотоксичных продуктов. Основное количество удаленных из баков ОЧ компонентов будет рассеяно на внеатмосферном участке траектории либо в высоких слоях атмосферы над поверхностью Земли.

Преимущество предлагаемого способа заключается в следующем: обеспечивается полное освобождение топливных баков ОЧ от остатков компонентов жидких ракетных топлив, снижается техногенное воздействие на окружающую среду по трассе полета ракет-носителей и в районах падения ОЧ.

Реализуемость предлагаемого способа доказана более чем 50-летним периодом применения УКЗ и КЗ в системах пироавтоматики ракетно-космической, авиационной, военно-морской, специальной техники, а также при решении задач взрывной резки на объектах нефтяной, газовой, атомной промышленности и в других областях экономики; при ликвидации аварийных ситуаций и разделке металлоконструкций в лом и т.д.

Таким образом, заявляемым способом решается задача освобождения баков ОЧ средств выведения от остатков токсичных КЖРТ с незначительными экономическими и энергетическими затратами и при несущественном ухудшении массово-габаритных характеристик ракет. Так, по предварительной оценке суммарная масса системы на УКЗ для вскрытия окон в шести баках разгонного блока «Фрегат» составит 1,5-1,8 кг, а энергопотребление ее - импульс постоянного тока U=27 B, I=1,0-1,5 А.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Адушкин В.В., Козлов С.И., Кузин А.И., Клюшников В.Ю., Юлдашев Р.Т. Экологические проблемы и риски воздействий ракетно-космической техники на окружающую природную среду: Справ.пособие. - М.: Изд-во «Анкил», 2000.

2. Утилизация компонентов ракетного топлива // Материалы Второй Всерос. науч.-техн. конф.: Сбор. науч. ст. / Науч.-производ. Комплекс «Красхиммаш» Акад. технолог.наук РФ, Красноярск, 1994.

3. Трушляков В.И., Шалай В.В. Уменьшение вредного воздействия ракетных средств выведения на окружающую среду: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмПИ, 1993.

4. Патент РФ С2 2231748 RU F42D 5/04. Способ обезвреживания баков ступеней ракет от остатков жидких токсичных компонентов ракетного топлива и устройство для его осуществления / Трушляков В.И. (RU), Шалай В.В. (RU), Блинов В.Н. (RU) и др. (Омский гос. техн. ун-т). - №2001129618/02; Заявл. 01.11.2001 // Изобретения (Заявки и патенты). - 2004. - №18.

5. Трушляков В.И., Одинцов П.В. Утилизация остатков жидкого токсичного ракетного топлива в баке отделяющейся части ракеты на пассивном участке траектории // Проблемы утилизации смесевых твердых топлив, отходов и остатков жидких ракетных топлив в элементах ракетно-космической техники: Сб. докл. / IV Всерос. науч.-практич. конф. «Эн Эк - 2005», Бийск, 21-23 сент. 2005 г. - М.: Изд-во ЦНИИХМ, 2006.

Способ удаления остатков жидких ракетных топлив из отделяющихся частей средств выведения, включающий закрутку отделяющейся части вокруг ее продольной оси после выключения маршевого двигателя, отличающийся тем, что перед пуском ракеты на внешних поверхностях баков с компонентами жидких ракетных топлив устанавливают по замкнутому контуру удлиненные кумулятивные заряды и/или в заданной последовательности осесимметричные кумулятивные заряды, в момент отстыковки подают сигнал на подрыв удлиненных и/или осесимметричных кумулятивных зарядов, в результате взрыва в стенках баков автоматически вырезаются сквозные отверстия-окна и/или пробиваются сквозные отверстия правильной формы, через которые неизрасходованные и оставшиеся в баках компоненты жидких ракетных топлив выбрасываются наружу и рассеиваются на внеатмосферных участках траектории полета и в верхних слоях атмосферы Земли.