СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ОСТАТКОВ ЖИДКИХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ ИЗ ОТДЕЛЯЮЩИХСЯ ЧАСТЕЙ СРЕДСТВ ВЫВЕДЕНИЯ
METHOD OF REMOVING ROCKET LIQUID PROPELLANT REMAINDERS FROM ORBITING LAUNCHER SEPARATING STAGES

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.