7.2. Техногенное воздействие на окружающую среду при эксплуатации ракетно-космической техники

Состав и свойства ракетных топлив. Ракетное топливо – вещество или совокупность веществ, являющихся источником одновременно энергии и рабочего тела. В общем случае ракетное топливо должно обладать высоким удельным импульсом тяги, возможно большей плотностью и стабильностью, совместимостью с конструкционными материалами, желательно невысокими токсичностью и пожароопасностью, иметь хорошую сырьевую базу и невысокую стоимость. В ракетной технике основным видом топлива является химическое, т.е. такое, которое в результате химической реакции окисления, разложения или рекомбинации образует высокотемпературные продукты, создающие реактивную тягу при своем истечении из ракетного двигателя.

В зависимости от агрегатного состояния компонентов химические ракетные топлива подразделяют на жидкое – для жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), твердое – для ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ), а также гибридное. Широко изучаются желеобразные и тиксотропные топлива. Для ракет-носителей характерно применение жидкого двухкомпонентного топлива (табл. 7.3).

Таблица 7.3

Некоторые характеристики широко применяемых двухкомпонентных жидких ракетных топлив

Топливо		Массовое соотношение компонентов топлива	ПДК, мг/м3
Окислитель	Горючее
O2ж	H2ж	5,56	–
	Керосин	2,73	300
	НДМГ	1,92	0,1
	Гидразин	1,0	0,1
N2O4	НДМГ	2,92	0,1
азотный тетраоксид (АТ), ПДК = 2,0мг/м3	Аэрозин-50	2,13	0,1
	Гидразин	1,44	0,1

В качестве окислителя в жидких ракетных топливах чаще используются жидкий кислород, тетраоксид азота, а также смесь N₂O₄ с азотной кислотой HNO₃; в качестве горючего – несимметричный диметилгидразин (НДМГ), смесь НДМГ с гидразином (аэрозин), углеводородные горючие типа керосинов, водород жидкий.

В начальный период разработки ЖРД широко применялось топливо жидкий кислород – этиловый спирт, которое в дальнейшем было заменено парой жидкий кислород – керосин. Топливо кислород – керосин является дешевым и надежным, оно хорошо освоено в производстве и эксплуатации. На этом топливе обычно работают ЖРД больших тяг. Применяется на РН «Энергия», «Союз» (Россия), «Зенит» (Россия -Украина), «Торад-Дельта», «Атлас-Центавр» (США), серия N (Япония).

При необходимости длительного хранения топлива наиболее широко используются: тетраоксид азота (АТ) – несимметричный диметилгидразин (НДМГ) и тетраоксид азота – смесь НДМГ с гидразином в соотношении 1:1. Пара АТ – НДМГ используется на РН «Протон» (Россия), «Великий поход» (КНР), европейском «Ариан», АТ – аэрозин используется на РН «Титан» и «Дельта» (США).

Твердые топлива относятся к классу унитарных, т. е. содержащих горючее в смеси с окислителем. В качестве окислителя обычно используется перхлорат аммония, полимеризованный с горючим связующим на основе полибутадиена и его модификаций. Для улучшения энергетических показателей в топливо добавляется металл, обычно алюминий. В современных РДТТ используют гетерогенные смесевые твердые топлива - механическую смесь твердых мелких частиц окислителя, порошка металла или его гидрида, равномерно распределенных в органическом полимере, являющимся горючим и выполняющим одновременно роль связующего для твердых компонентов, а также вспомогательных компонентов, улучшающих технологические, механические, баллистические и эксплуатационные свойства топлив. В качестве окислителя применяют богатые кислородом соли азотной и хлорной кислот, а также взрывчатые органические нитросоединения. Наиболее широко в качестве окислителя применяют перхлорат аммония. Пример состава твёрдого топлива:

Перхлорат аммония NH₄ClO₄ (окислитель) 69,60%

Порошок алюминия 16,00%

Синтетический каучук PBAN (сополимер

полибутадиена, акрилонитрила и акриловой кислоты) 12,04%

Окись железа (катализатор скорости горения) 0,40%

Эпоксидная смола (агент полимеризации) 1,96%

Состав и свойства продуктов сгорания ракетных топлив зависит как от состава исходного топлива, т.е. химической природы горючего, окислителя и соотношений между ними, так и от давления в камере сгорания и степени расширения сопла. Продукты сгорания представляют собой смесь различных газов, нагретых до 3000…4000К.

Равновесный состав продуктов сгорания в камере определяется по закону действующих масс. Согласно этому закону, скорость химических реакций прямо пропорциональна концентрации исходных реагентов, каждый из которых берется в степени, равной стехиометрическому коэффициенту, с которым вещество входит в уравнение химической реакции. Исходя из состава топлив, можно считать, что продукты сгорания, например, жидких ракетных топлив в камере будут состоять из СО₂, Н₂О, CO, NO, OH, N₂, Н₂, N, H, O; для твердого ракетного топлива – из Al₂О₃, N₂, Н₂, HCl, CO, СО₂, Н₂О при Т = 1100…2200К.

Состав продуктов сгорания в камере может значительно отличаться от состава продуктов на срезе сопла из-за рекомбинации продуктов по соплу. С энергетической точки зрения наиболее выгоден процесс равновесного расширения, при котором температура и давление продуктов падает, а состав изменяется в соответствии с условиями химического равновесия. Тогда состав продуктов сгорания на срезе сопла определяется только степенью их расширения.

Выделим наиболее значительные факторы загрязнения окружающей среды при эксплуатации РКТ:

- Загрязнение окружающей среды компонентами жидкого ракетного топлива и их парами при предстартовой подготовке. Наиболее ответственными операциями при предстартовой подготовке пуска РН является заправка топливом и сжатыми газами. Эти операции выполняются автоматически, и вероятность возникновения нештатных ситуаций и, соответственно, загрязнения окружающей среды определяется надежностью систем автоматического управления. При отмене запуска (или по некоторым другим причинам) осуществляется слив компонентов топлива из баков горючего и окислителя, из заправочных магистралей в хранилища.

- Выброс продуктов сгорания в окружающую среду как на стартовом участке работы двигателя, так и все время его работы на траектории.

- Мощная акустическая нагрузка как на РН с КА, так и на окружающую среду на стартовом участке. На образование акустического поля затрачивается до 1% кинетической энергии струи. Частотный спектр шума - от нескольких герц до десятков килогерц.

- Газодинамическое возмущение атмосферы. На стартовом участке имеют место специфические факторы воздействия на атмосферу - это образование ударных волн и скачков уплотнения при движении РН, достигшего трансзвуковых и сверхзвуковых скоростей.

- Мощный лучистый поток в основном диапазоне видимых и инфракрасных длин волн при истечении продуктов сгорания из сопла. Плотность светового потока особенно велика для продуктов сгорания твердых ракетных топлив, для которых степень черноты достигает 0,8.

- Разрушение озонового слоя в стратосфере. Практически при полете любой РН в озоновом слое образуется «окно». В следе ракеты диаметром несколько сотен метров озон разрушается полностью на всех высотах практически мгновенно. Под влиянием макротурбулентной диффузии выброшенные вещества перемешиваются в столбе диаметром несколько километров за несколько часов. Содержание озона в этом столбе на высотах 16…24 км уменьшается, а затем происходит восстановление озона. Облако ракетных выбросов в атмосфере через неделю достигает диаметра несколько десятков (а то и сотен, в зависимости от мощности РН) километров. Максимальное разрушение озона в облаке происходит на высотах 24…30 км примерно через 15-25 дней после прохождения РН.

- Уменьшение концентрации заряженных частиц в ионосфере. При полете в ионосфере основной продукт сгорания тяжелых РН, работающих обычно на кислородно-водородном топливе, – вода. Учитывая отсутствие воды на больших высотах, сам факт ее появления в ионосфере оказывается фактором загрязнения природной среды, представляющим потенциальную опасность нарушения естественного равновесия. На высотах 70…90 км, где наиболее низкая температура, молекулы воды быстро конденсируются и смерзаются в кристаллики льда. В результате могут возникнуть искусственные облака, подобные серебристым, образующим самый верхний облачный покров в атмосфере Земли. На еще больших высотах в ионосфере наблюдается взаимодействие водяных паров с ионосферной плазмой. В результате образуются зоны с пониженной плотностью электронов, которые изменяют характер распространения радиоволн различных частот, что приводит к нарушению связи и т. п. Наблюдается также аномальное свечение.

Часто эффекты, связанные с влиянием пусков РН на ионосферу, называют ионосферными «дырами». Запуски тяжелых космических буксиров на кислородно-водородном топливе могут сопровождаться инжектированием в ионосферу до 1031 молекул Н₂ и Н₂О, что вызывает образование ионосферной дыры площадью до 20 млн км². В зависимости от геофизических условий длительность существования такой дыры может достигать от 1 до 16 ч. А при регулярных запусках космических буксиров со среднеширотных полигонов в Северном полушарии в ионосфере может образоваться глобальный пояс шириной несколько тысяч километров, где уменьшение электронной концентрации составит 10%. Вопросы, связанные со снижением антропогенного воздействия РКТ на ионосферу, находятся на стадии исследования механизмов образования ионосферных «дыр» и составления моделей возмущения ионосферы. Каких-либо методов снижения техногенного воздействия пока не разработано.

- Падение отработавших ступеней РН на Землю по трассам пуска. На местности на расстояниях от точки старта до 800 км при двухступенчатом и до 2500 км при трехступенчатом выведении образуются «пятна» возможного падения частей РН площадью 1500…5000 км². Учитывая, что каждый ЖРД имеет гарантированный запас топлива, составляющий, как минимум, 1…2%, зоны падения ступеней с остатком токсичного топлива должны быть признаны областями вредного воздействия на окружающую среду. Для всех действующих в настоящее время космодромов такая поверхность Земли составляет миллионы квадратных километров.

- Проблемы «космического мусора». Каждый запуск полезной нагрузки в космос сопровождается образованием на орбитах несколько десятков отделяющихся элементов и конструкций спутников и ракет-носителей. В результате аварий и взрывов на орбитах спутников и последних ступеней РН, столкновений между спутниками и их обломками, отслаивания теплозащитных покрытий, выбросов двигательных установок и т.п. околоземное пространство быстро наполняется объектами искусственного происхождения (ОИП), которые получили название «космического мусора».