6.4. Прогноз экологических последствий аварийных и нештатных ситуаций, возникающих при эксплуатации комплекса разгонного блока «Фрегат»

 

Негативные последствия аварийных ситуаций (АС), которые могут возникнуть при эксплуатации КРБ «Фрегат», обусловлены, в первую очередь, большими запасами токсичных и пожароопасных компонентов, используемых в составе РБ «Фрегат– АТИН, НДМГ и гидразина.

В результате возникновения АС на элементах КРБ «Фрегат» с точки зрения воздействия на ОС возможны 3 сценария их развития:

• раздельные проливы КРТ или аварийные выбросы КРТ;

• пожары вследствие совместных проливов КРТ;

• взрывы элементов комплекса на старте, в процессе полета РКН, а также при падении аварийного изделия на поверхность Земли.

В перечисленных случаях возникновение АС, как правило, влечет за собой массированное воздействие на различные средообразующие компоненты: токсичное загрязнение атмосферы, почв, поверхностных и подземных вод токсичными химическими веществами, механическое загрязнение поверхности земли и т.д.

При проливе АТИН полной массы заправки РБ «Фрегат-СБ» (5800 кг) при самых неблагоприятных условиях максимальная глубина зоны возможного заражения составит 1683 м. При проливе НДМГ полной массы заправки РБ «Фрегат-СБ» (2900 кг) при самых неблагоприятных условиях максимальная глубина зоны возможного заражения составит 3844 м.

Проливы гидразина возможны только в условиях положительных температур воздуха. Это обусловлено тем, что температура плавления гидразина составляет +2^оС. Проведенные расчеты показали, что в случае пролива 42 кг (полной массы заправки) гидразина площадь пролива составит величину порядка 1,7 м². При удельной скорости испарения 0,8 г/(с×м²) с учетом впитывания в грунт время существования проливов гидразина составит около 8 часов. За это время испарится около 93% горючего (39 кг), остальная часть горючего впитается. Анализ результатов расчета показал, что при проливе гидразина полной массы заправки РБ «Фрегат» (РБ «Фрегат-СБ») при самых неблагоприятных условиях (температура окружающей среды +20^оС) максимальная глубина зоны возможного загрязнения воздуха на уровне ПДК_РЗ составит около 400 м.

Возможной причиной возникновения пожаров на объектах КРБ «Фрегат» может быть совместный пролив КРТ, когда происходит смешение пролитых окислителя и горючего и их паров.

Совместный пролив компонентов топлива РБ «Фрегат» (РБ «Фрегат-СБ») – АТИН и НДМГ - практически всегда пожароопасен. С АТИН НДМГ взаимодействует очень активно, с самовоспламенением (период задержки при температуре 20^оС составляет порядка 0,004 с). Пары этих компонентов при достаточной их концентрации также могут самовоспламеняться уже при обычных температурах (выше 15^оС).

На размеры и последствия такой аварии, как пожар, оказывают влияние: характер и степень смешения компонентов, кинетические параметры компонентов и внешние условия (давление, температура и др.).

Горение КРТ, кроме того, сопровождается выделением токсичных веществ (окислами азота, окисью углерода, сажей и т.д.). При самых неблагоприятных условиях при пожарах может образовываться до 40% (от общей массы компонентов, участвующих в реакции) токсичных соединений.

Основным поражающим фактором воздействия для человека и окружающей среды при пожаре является тепловое излучение. Воздействия от других поражающих факторов пожара - искры, продукты горения, недостаток кислорода и т.д. - несоизмеримо малы по уровню и масштабам по сравнению с воздействием от теплового излучения.

При температуре окружающего воздуха более 25°С наиболее вероятно образование «огневого шара». В динамике «огневой шар» можно представить как сферическое «тепловое» образование, состоящее из горючих газов в верхней его части и вовлеченного воздуха в нижней. Наиболее вероятным сценарием аварийного пролива КРТ при температурах окружающего воздуха ниже 5°С является «пожар разлития». При возникновении проливов КРТ при температурах ниже 25°С и выше 5°С имеет место смешанный вариант рассмотренных выше двух механизмов развития пожара.

РБ «Фрегат» применяется для запусков КА в составе ракеты космического назначения «Союз-У», поэтому следует рассматривать также ситуацию, связанную с потерей устойчивости ракеты космического назначения в начальный момент пуска или перед пуском. Возникновение такой ситуации приводит к падению ракеты на стартовую площадку. В этом случае в момент удара происходит практически полное разрушение топливных баков. Компоненты топлива, содержащиеся в них, выливаются частично, перемешиваются и воспламеняются.

В связи с этим была рассмотрена гипотетическая ситуация, приводящая к пожару вследствие совместного пролива полной массы заправки КРТ, находящихся в составе РН типа «Союз-У» и РБ «Фрегат» (общая масса КРТ: 273 т - «керосин + жидкий кислород + перекись водорода», 5,35 т – «АТИН + НДМГ»).

Масштабы последствий от возникновения этой ситуации на порядок (в зависимости от погодных условий) больше масштабов от возникновения ситуаций 1 и 2. Анализ результатов проведенных расчетов показывает, что радиус зоны опасного воздействия пожаров на человека при возникновении аварийной ситуации, связанной с аварийным запуском РКН составляет около 2130 м (зона эвакуации при пуске РН составляет 5 км).

Следует отметить, что «вклад» КРТ, использующихся в составе РБ «Фрегат» (РБ «Фрегат-СБ»), в масштабы последствий пожаров незначителен по причине несопоставимо малой заправки КРТ в РБ по сравнению с заправкой КРТ в РН - массовая доля КРТ РБ «Фрегат» составляет менее 2% от общей массы пожароопасных соединений в составе связки «РБ + РН», массовая доля КРТ РБ «Фрегат-СБ» – около 3%.

Вместе с тем, сложившаяся на космодроме «Байконур» система мероприятий по обеспечению пожарной безопасности, а также система мероприятий по эвакуации обслуживающего персонала достаточно эффективны и отработаны, что снижает вероятность возникновения пожаров при эксплуатации ракетно-космической техники до минимума.

Возникновение взрывов на старте при подготовке РБ «Фрегат» (РБ «Фрегат-СБ») весьма маловероятное событие, что подтверждено большим опытом подготовки и эксплуатации изделий подобного класса. Однако с точки зрения воздействия на окружающую среду взрыв является наиболее неблагоприятным событием. Помимо того, что взрывы на поверхности Земли несут опасность гибели (нарушения здоровья) человеку и опасность разрушения зданий и сооружений инфраструктуры космодрома и народнохозяйственных объектов, они оказывают негативное воздействие на экосистемы.

Основными поражающими факторами в случае возникновения взрыва являются:

• воздушная ударная волна (ВУВ);

• тепловое излучение от «огневого шара»;

• токсичные продукты взрыва;

• разлетающиеся с большими скоростями (до нескольких км/с) элементы конструкции РКН (РН, РБ, КА).

Показателем воздушной ударной волны является избыточное давление во фронте ударной волны. Распространение ВУВ во многом определяется мощностью взрыва (тротиловым эквивалентом взрыва). Расчетное значение тротилового эквивалента взрыва заправленного РБ «Фрегат» составляет величину порядка 300 кг, значение тротилового эквивалента взрыва заправленного РБ «Фрегат-СБ» - около 450 кг. Следует отметить, что реальные значения тротилового эквивалента взрыва заправленного РБ, оценка которых проведена на основе имеющих место взрывов при эксплуатации ракетно-космической техники подобного класса, составляют 30-50% от расчетных значений. Это обусловлено тем, что во взрывных процессах участвуют не вся масса КРТ, а лишь некоторая их часть, оставшаяся же часть КРТ разбрасывается ударной волной и сгорает. Однако в расчетах использовались максимальные (расчетные) значения тротилового эквивалента взрыва заправленного РБ для получения наиболее неблагоприятных оценок последствий подобных аварий. Расчеты параметров ударных волн проводились в соответствии с «Едиными правилами безопасности при взрывных работах».

Результаты воздействия взрыва РБ «Фрегат» и РБ «Фрегат-СБ» при подготовке на космодроме «Байконур» на человека представлены в таблице 6

Таблица 6. Радиусы воздействия ударной волны при взрыве заправленных РБ «Фрегат» и РБ «Фрегат-СБ» на человека

Взрыв РБ «Фрегат»	Взрыв РБ «Фрегат-СБ»	Степень воздействия на человека
357	410	Безопасно для людей
39	45	Легкие травмы (ушибы, вывихи, контузии)
28	32	Средние травмы (потеря слуха, кровотечения)
19	21	Тяжелые травмы (переломы, сильные кровотечения)
15	17	Летальный исход

  

Анализ результатов расчетов показал, что непосредственно взрыв заправленного РБ «Фрегат» представляет опасность для находящегося в радиусе до 360 м обслуживающего персонала, взрыв заправленного РБ «Фрегат-СБ» представляет опасность для находящегося обслуживающего персонала в радиусе до 410 м.

Однако для стеклянных перекрытий взрыв заправленного РБ «Фрегат» представляет опасность в радиусе до 710 м, взрыв заправленного РБ «Фрегат-СБ» – около 820 м. На таком расстоянии возможно опосредованное поражение человека осколками стекла. Поэтому глубину зоны возможного поражения человека при взрыве следует принимать равной 710 м и 820 м соответственно.

Таким образом, зоны опасного воздействия на человека и строительные сооружения при взрыве РБ «Фрегат» при наземной подготовке на космодроме «Байконур» являются небольшими, что позволит в случае реализации такого рода АС обеспечить минимум негативных последствий.

Наиболее опасной ситуацией является ситуация, связанная с взрывом заправленной РКН «Союз-У» с РБ «Фрегат» (РБ «Фрегат-СБ») на старте. Расчетное значение тротилового эквивалента такого взрыва составляет величину 58,5 т.

Анализ результатов проведенных расчетов показал, что взрыв заправленной РКН «Союз-2» с РБ «Фрегат» (РБ «Фрегат-СБ») на старте представляет опасность для находящегося в радиусе до 1,4 км обслуживающего персонала и объектов наземной инфраструктуры (с точки зрения различной степени их разрушения).

Вместе с тем, следует отметить, что для стеклянных перекрытий взрыв заправленной РКН «Союз-У» с РБ «Фрегат» (РБ «Фрегат-СБ») на старте представляет опасность в радиусе чуть более 5 км. На таком расстоянии возможно опосредованное поражение человека осколками стекла.

Поэтому глубину зоны возможного поражения человека при взрыве заправленной РКН «Союз-У» с РБ «Фрегат» на старте следует принимать равной 5 км. Следует отметить, что зона эвакуации обслуживающего персонала при старте РКН «Союз-У» с РБ «Фрегат» составляет 5 км, что позволит исключить воздействие на обслуживающий персонал в результате возникновения аварийных ситуаций.

Основными токсичными продуктами взрыва являются - окись углерода, сажа и окислы азота. Расчеты показали, что при самых неблагоприятных условиях в случае взрыва топливной пары «АТИН + НДМГ», использующихся в составе РБ «Фрегат», в составе продуктов детонации могут находиться до 15% (по массе) окиси углерода, до 5% (по массе) сажи и до 5% (по массе) окислов азота, остальные продукты взрыва - молекулярный азот, углекислый газ и вода.

В случае детонации топливной пары «жидкий кислород + керосин», использующейся в составе РН типа «Союз-У» при самых неблагоприятных условиях возможно образование до 25% (по массе) окиси углерода, до 10% (по массе) сажи, остальную часть продуктов взрыва составляют биологически нейтральные вещества: вода, углекислый газ, водород.

Наиболее опасной аварийной ситуацией, которая может произойти при функционировании РБ «Фрегат» является орбитальный взрыв, являющийся мощным источником частиц и фрагментов космического мусора. Особенностью орбитального взрыва является образование множества частиц и фрагментов космического мусора, которые первоначально концентрируются в эллипсоидальной области, движущейся по орбите взорвавшегося объекта. Затем происходит распределение объектов вдоль всей орбиты взорвавшегося РБ. Наконец, через 1-4 года облако взрывных фрагментов распределяется практически равномерно по географической долготе в диапазоне географических широт, которые по величине не превосходят наклонения плоскости орбиты взорвавшегося РБ к плоскости экватора Земли.

Исключение орбитальных взрывов за счет повышения надежности функционирования РБ «Фрегат» (РБ «Фрегат-СБ»), и, тем более, полное исключение преднамеренных орбитальных взрывов, остается приоритетным направлением при ограничении механического засорения ОКП.

Проведенный анализ последствий рассмотренных аварийных ситуаций с РБ «Фрегат» (РБ «Фрегат-СБ») показал, что вероятность возникновения данных ситуации крайне мала, а уровень воздействия на окружающую среду характеризуется как локальный и незначительный.