Экологические проблемы использования ракет на жидком топливе

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Самарский государственный аэрокосмический  университет 

имени академика  С.П. Королева

(Национальный  исследовательский университет) 
 
 
 

Факультет летательных аппаратов 
 
 
 

Кафедра “Экология и безопасность жизнедеятельности” 
 
 
 
 

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАКЕТ НА ЖИДКОМ ТОПЛИВЕ 
 

Реферат 
 
 
 
 
 

Выполнил студент группы 1309

       Родионов Д.В. 

Проверил    Несоленов Г.Ф.                                                             
 
 
 
 
 

Самара 2010

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………………..

1  Виды  жидких ракетных топлив………………………………………………………………..

2  Механизм  горения жидких топлив……………………………………………………………

3  Экологические  проблемы эксплуатации ракетоносителей………………………………….

4  Социально-экологические  последствия ракетно-космической  деятельности……………...

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………………………

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………………………………..

ПРИЛОЖЕНИЕ А…………………………………………………………………………………

ПРИЛОЖЕНИЕ Б…………………………………………………………………………………

ВВЕДЕНИЕ 

    Прошло  почти 50 лет со времени первого  полета человека в космос, а чуть раньше запустили первый спутник. С  тех пор ракетно-космическая техника  ушла вперед. Но все таки это относительно новое направление машиностроения и производства. Все развитые страны стремятся быть  первыми в космосе, и даже сотрудничают. Но пока что не задумываются об экологическом аспекте космической деятельности. Инженеры-конструкторы стараются создать экономичный, компактный, с большой дальностью полета и большой скоростью летательный аппарат. Государства в этой космической гонке забывают о том вреде, который наносит природе различный мусор, отходы космического производства. А проблема эта с каждым годом все актуальнее. Есть множество примеров отрицательного воздействия отходов ракетного топлива на людей и окружающую среду.

В последние 15 лет в Республике Алтай ведется интенсивная ракетно-космическая деятельность, возможно, проводилась и ликвидация ракет путем пусков. И то, что происходит там с людьми, наводит на мысль о более высокой чувствительности этой популяции к несимметричный диметил гидразин (НДМГ). Изменение в состоянии здоровья алтайцев настолько значительно, что их можно сравнивать с “чернобыльскими детьми, родившимися после аварии на Чернобыльской АЭС. Они сходны между собой по клинической картине. Это очень сложный вопрос, но он может быть объяснен, потому что есть общие механизмы воздействия химических веществ и ионизирующего излучения.  
Что касается северных народов, то там не проводились специальные сравнительные обследования, но последствия воздействия НДМГ на организм алтайцев и комиижемцев сравнимы по тяжести. Думаю, что и русская популяция тоже высокочувствительна к НДМГ, наблюдается очень высокий уровень заболеваемости детей ракетчиков, а среди них большинство русских. По сведениям с разных ракетных комплексов (от Плесецка до Западной Сибири) везде одна и та же картина: эти дети страдают иммунодефицитом, у них обнаруживаются специфические для поражения НДМГ расстройства - спазмы сосудов, головная боль, судорожные припадки и т.д.  Это важный вопрос, потому что из-за различий в чувствительности к гидразину должна меняться и дозировка лекарств. В нашей стране больные туберкулезом принимают гидразинсодержащие лекарства продолжительное время, в США длительность приема сокращается из-за учета “гидразинового” эффекта — высокого риска онкологических заболеваний, снижения иммунитета. Проблема эта очень важная. У нас она замалчивается и не разрабатывается. Для исследования чувствительности к гидразину различных этнических групп по всему миру американцы создавали специальные лаборатории и предлагали нашей стране присоединиться к этой программе. Но наше правительство отказалось, вероятно, увидев в этом подготовку США к химической войне.

1  Виды жидких  ракетных топлив

     Жидкое  топливо включает в себя два компонента — окислитель и горючее. В качестве окислителя используются кислород (O₂), азотная кислота (HNO₃) и четырехокись азота (N₂O₄). В качестве горючего используются керосин, этиловый спирт (C₂H₅OH), несимметричный диметил гидрозин (НДМГ, H₂N-N(CH₃)₂) и водород (H₂)  (см. ПРИЛОЖЕНИЕ А, ПРИЛОЖЕНИЕ Б). Самым лучшим топливом, с точки зрения экологии, является водород в виде горючего и кислород в виде окислителя, так как эти вещества абсолютно не токсичны и в процессе горения в камере сгорания не дают никаких вредных продуктов сгорания. Но при выборе топлива учитываются не только экологические требования, но и конструктивные особенности ракет и прочих летательных аппаратов. Для конструкторов важна плотность топлива и температура его кипения и плавления. С этой точки зрения водород в качестве топлива совсем не идеален, так как он взрывоопасен и занимает большой объем из-за своей малой плотности. Самый конструктивно удобный вид топлива это НДМГ и азотная кислота. В двигательных установках ракет-носителей, запускаемых с космодрома "Плесецк", используется двухкомпонентное жидкое ракетное топливо, одним из компонентов жидкого ракетного топлива является несимметричный диметилгидразин, который является одним из самых токсичных компонентов ракетного топлива и иначе называется "гептил". Особенность гептила состоит в том, что он накапливается в грибах, ягодах, живых организмах и распространяется по пищевой цепочке, достигая человека. По запаху можно обнаружить в воздухе концентрацию паров, которая в 50 раз выше допустимой. При вдыхании паров возможен кашель, боли в грудной клетке, хрипота и учащение дыхания; в больших концентрациях может наступить потеря сознания. Четырехокись азота также является довольно токсичной. Совокупная опасность этих веществ создает трудности при заправке топлива и эксплуатации ракет. 

2  Механизм  горения жидких топлив

     В ходе устойчивого горения окислителя и горючего в камере сгорания ракетного двигателя образуются горячие газообразные продукты истечения. Ламбирис и другие предложили физическую картину горения в двухкомпонентном ракетном двигателе; они выделили две зоны: одну – у смесительной головки и другую – ниже ее по потоку. Сталкивающиеся струи окислителя и горючего образуют веерообразные факелы распыла, которые при последующем столкновении разбиваются на струйки и, наконец, на отдельные капли. Веерообразные факелы распыла разных компонентов при столкновении образуют зоны, в которых каждый компонент присутствует в виде жидкостных сгустков крупных и мелких капель. Впрыскиваемые струи, сгустки и капли окружены горячими газами, частично диссоциированными и способными реагировать с парами обоих компонентов, передавать тепло жидким окислителю и горючему, вызывая их нагрев и испарение, и оказывать аэродинамическое воздействие на жидкие частицы, усиливая их дробление и испарение, увеличивая осевую скорость. Активизация взаимодействия между жидкостью и горячими газами приводит к дополнительному газовыделению. Часть этих газов циркулирует вблизи смесительной головки, поддерживая определенные температуру и состав в этой зоне, а остальной газ ускоряется и истекает через сопло со сверхзвуковой скоростью.

     В зоне у смесительной головки происходят быстрые изменения в распределении и дроблении жидких компонентов и как следствие наличествуют значительные градиенты состава, температуры и давления. При этом возникает квазиустойчивое состояние, определяемое геометрией смесительной головки и условиями ее работы: расходом топлива, давлением в камере сгорания и соотношением компонентов. В общем, распыливание струй и дробление капель в сочетании с реакциями в парогазовой фазе являются доминирующими процессами, но могут происходить и реакции в жидкой фазе (последнее зависит от свойств компонентов топлива и условий в камере сгорания). Фотоснимки зоны смешения и горения подтверждают наличие значительных градиентов даже при устойчивой работе камеры на участке шириной, по меньшей мере, 10 см.

     На  некотором осевом расстоянии от смесительной головки оба компонента топлива уже полностью распылены и хорошо перемешаны, так что коэффициент соотношения компонентов становится постоянным по всему поперечному сечению камеры сгорания; выравнивается и состав газовой фазы. Так как объем жидких компонентов в камере сгорания составляет лишь малую толику объема горячих газов (порядка 1%), вероятность соударения капель и их взаимодействия в факелах распыла пренебрежимо мала. Таким образом, в зоне смешения капли обоих компонентов ускоряются потоком окружающего их горячего газа. Теплопередача от горячего газа к жидким каплям вызывает испарение последних. Образующиеся пары перемешиваются и реагируют с окружающим газом с образованием дополнительных продуктов сгорания; вдоль камеры в направлении к соплу создается газовый поток. Аэродинамические силы ускоренного газа в некоторых случаях могут вызвать вторичное распыливание капель жидкости. После завершения процесса испарения течение потока определяется законами газовой динамики.

     При устойчивом горении скорость перехода жидких компонентов в горячие газы обычно определяется процессами теплообмена и массообмена в условиях вынужденной конвекции, но для некоторых сочетаний компонентов определяющими могут стать химические реакции в газовой фазе.

     Переход от зоны горения к зоне упорядоченного течения газа обычно плавный и не имеет четкой границы; даже в одном и том же двигателе она может смещаться в зависимости от условий работы.  

3  Экологические проблемы эксплуатации ракетоносителей.

     В настоящее время на фазе предстартовой  подготовки полета разработаны эффективные мероприятия, позволяющие существенно снизить экологическую нагрузку на окружающую среду. Например, процессы нейтрализации паров и жидкой фазы окислителя с помощью поглотителей, дожигание горючего в специальных аппаратах и т.д.

     На  остальных фазах выведения космических  аппаратов на орбиту существует ряд  проблем экологии, требующих своего разрешения. Прежде всего, это загрязнение  атмосферы и космического пространства продуктами сгорания и компонентами топлива (для нештатной ситуации). На экологическое состояние всех слоев атмосферы основное влияние оказывают продукты сгорания, состав которых определяется компонентами топлива. В стратосфере движение ракетоносителя (РН) связано с проблемой нарушения озонового слоя. При полете любого РН в озоновом слое возникает «окно», которое со временем затягивается. Разрушение озонового слоя определяется следующими процессами. Озон разрушается в результате воздействия водяных паров продуктов сгорания ракетных топлив, а также окислов азота, образующихся из азота и кислорода воздуха под воздействием высоких температур в факелах ракетных двигателей. В следе ракеты озон разрушается полностью на всех высотах. В общем, с учетом всех процессов одиночный запуск ракетоносителя типа «Энергия» приводит к уменьшению концентрации озона по траектории полета на 1.7%. В ионосфере антропогенное воздействие прохождения ракеты-носителя проявляется в образовании так называемых ионосферных «дыр» вблизи следа ракеты. Ионосферная «дыра» — это результат взаимодействия воды, находящейся в продуктах сгорания, с ионосферной плазмой. Кроме ионосферных «дыр», на высотах 70-90 км, где наиболее низкая температура атмосферы, молекулы воды конденсируются и образуют кристаллики льда. В результате образуются искусственные облака, наподобие естественных серебристых облаков. Искусственные серебристые облака и зоны ионосферных «дыр» с пониженной плотностью электронов вызывают различного рода аномалии в области свечения ионосферы, распространения электромагнитных колебаний в оптическом и радиодиапазонах т. п. Кроме загрязнения окружающей среды продуктами сгорания выхлопная струя оказывает механическое воздействие на тропосферу, приводящее к образованию мощных вихревых потоков в приземном слое. Такие вихревые образования могут являться очагами смерчей, ураганов и т. п. Существенной экологической проблемой при эксплуатации ракетно-космической техники (РКТ) является необходимость отчуждения значительной поверхности Земли для обеспечения безопасности ее жителей при падении отработавших ступеней  РН и других отделяющихся элементов конструкции на территории, расположенные вдоль трасс пусков.

   В процессе вывода объекта на орбиту после выработки топлива последовательно  отделяются: стартовые ускорители, ступени, сбрасываются головные обтекатели, переходные отсеки последующих ступеней и т. д. Все указанные элементы различаются по массе и конфигурации, имеют различные аэродинамические характеристики, отделяются в разное время полета и на различной удаленности от точки старта, что приводит к значительному рассеиванию по поверхности Земли. Следующей экологической проблемой является проблема засорения околоземного космоса фрагментами РКТ. В литературе эту проблему называют проблемой «космического мусора». По некоторым данным на начало 1991 года в космосе находилось около 7200 наблюдаемых объектов искусственного происхождения, причем лишь 5% из них – действующие космические аппараты. Основная опасность «космического мусора» связана с высокими скоростями столкновения орбитальных фрагментов с космическими аппаратами (КА). В космосе частица диаметром 0.5 мм может пробить космический скафандр, даже если он изготовлен из многослойного материала. Наряду с механическим загрязнением космоса серьезную опасность представляют возможные аварии и отказы КА с радиоизотопными и ядерными энергоустановками на борту. В настоящее время имеются проекты и предложения по решению некоторых задач перечисленных выше проблем экологии при эксплуатации РКТ. В США ведутся работы по созданию одноступенчатого национального аэрокосмического самолета, снабженного многорежимной двигательной установкой, позволяющего доставлять объекты в космос и обратно с минимальной экологической нагрузкой на атмосферу и космос. Аналогичные проекты имеются и в России. Однако решение перечисленных проблем находится лишь в начальной стадии.  

4  Социально-экологические последствия ракетно-космической деятельности.

     В течение нескольких лет, с 1992 по 1998 год, Центром независимых экологических  программ СоЭС и Институтом социологии РАН при поддержке газеты “Труд” проводились исследования социальных, экологических и медицинских последствий ракетно-космической деятельности в Алтайском крае, в республиках Алтай и Коми, в районах ликвидации ракетных комплексов (Державинск в Казахстане, Владимирская и Ивановская области в РФ) и ракет средней дальности (Астраханская область, РФ). Одновременно обследовались районы, пострадавшие от аварии на Чернобыльской АЭС: Житомирская (Украина), Гомельская (Беларуссия) и Брянская (Россия) области, - там изучались последствия длительного радиационного воздействия на организм человека.