автореферат диссертации по энергетике, 05.14.16, диссертация на тему:Методы снижения техногенного воздействия на окружающую среду при эксплуатации ракетно-космической техники

На правах рукописи

/ТЕ ОД

2 8 И: 011 да

Докторов Михаил Валерьевич

МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

05.14.16 Технические средства и методы защиты окружающей среды (Авиа-ракетостроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2000

Работа выполнена в Балтийском государственном техническом университете «Военмех» им. Д.Ф. Устинова

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Фадин И.М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Пинчук В.А. кандидат технических наук, доцент Апостолов С.А.

Ведущая организация - Научно-исследовательский Центр экологической безопасности РАН, Санкт-Петербург

Защита состоится 25 мая 2000 года в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 064.87.01 в Балтийском государственном техническом университете «Военмех» им. Д.Ф. Устинова по адресу: Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская, 1, аудитория 217.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Балтийского государственного технического университета.

Автореферат разослан " " апреля 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Дроздова Л.Ф.

ОбМЦ0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Освоение космического пространства и развитие космонавтики связано с необходимостью решения ряда глобальных проблем жизнеобеспечения на Земле. К таким проблемам относятся, например, дополнительное энергообеспечение Земли за счет гелиоустановок космического базирования (альтернативный ^возобновляющимся источникам способ получения энергии); проблема захоронения радиоактивных отходов атомных электростанций, один из возможных путей решения которой - космическое пространство. Развитие космонавтики необходимо также для поддержания уже имеющихся систем космического базирования, таких как космические навигационные системы, космическое телевидение и системы космической связи, системы раннего оповещения об аномальных космических и земных явлениях и объектах и т. д. Освоение космоса необходимо и с целью расширения наших знаний об окружающем нас мире, например, с помощью телескопа Хаббла, размещенного в космическом пространстве, удалось установить классификацию и эволюцию Галактик и т.д.

Космонавтика в настоящее время позволяет осуществлять необходимый контроль за антропогенными изменениями природной среды, рациональным использованием природных ресурсов, способствует развитию безотходных, энергосберегающих технологий.

Наряду с положительным эффектом эксплуатация ракетно-космической техники, отмечены отрицательные техногенные воздействия на биосферу Земли и космическое пространство.

Особенность техногенных воздействий на окружающую среду при эксплуатации ракетно-космической техники состоит в том, что выведение космических аппаратов на заданную орбиту связано с загрязнением всей толщи атмосферы Земли от поверхности до окружающего космического пространства, и, в первую очередь, с нарушением озонового слоя.

Экологические аспекты загрязнения атмосферы и околоземного космического пространства, сохранение озонового слоя весьма актуальны, в настоящее время развертываются работы по различным направлениям этой глобальной проблемы.

Цель исследования - создание методологических основ и практических подходов направленных на снижение техногенного воздействия ракетно-космической техники на окружающую среду.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ

1. Способ снижения техногенного воздействия на атмосферу Земли при эксплуатации ракетно-космической техники, заключающийся в компенсации снижения концентрации озона путем установки озонаторов на летательных аппаратах.

2. Методику и измерительный комплекс огневого физического моделирования процессов взаимодействия выхлопных струй ракетных двигателей с озоновым слоем Земли.

3. Классификацию методов экспериментального исследования и разработанный измерительный комплекс, включающий датчики давления, температуры и концентрации озона.

4. Данные экспериментальных исследований процессов разрушения озона под воздействием выхлопной струи ракетного двигателя.

5. Способ генерации озона с помощью углеродных ворсовых структур теплозащитных покрытий летательных аппаратов, конструкции озоногенераторов.

6. Математическую модель распределения озона по высоте атмосферы Земли.

7. Методику расчета локального разрушения озона выхлопной струей ракетных двигателей.

Новизна результатов исследования.

1. Впервые предложен способ снижения техногенного воздействия на атмосферу Земли, заключающийся в компенсации снижения концентрации озона выхлопной струей двигателей ракет-носителей, путем установки генераторов озона на летательных аппаратах.

2. Разработана методика физического моделирования процессов взаимодействия выхлопной струи ракетного двигателя с озоновым слоем Земли.

3. Разработан и изготовлен оригинальный огневой измерительный комплекс для обеспечения физического моделирования процессов взаимодействия выхлопной струи с озоновым слоем Земли. Разработана классификация методов измерения температуры, давления и концентрации озона и разработаны датчики измеряющие эти параметры.

4. Исследована степень локального разрушения озона выхлопной струей ракетного двигателя.

5. На основе экспериментальных данных и разработанной математической модели вертикального распределения озона в атмосфере предложена методика количественной оценки разрушения озона выхлопной струей ракетного двигателя.

6. Разработаны оригинальные схемы озонаторов. Впервые предложена схема озоногенератора на основе углеродных ворсовых структур перспективных теплозащитных покрытий летательных аппаратов.

Практическая полезность. Разработана методика расчета разрушения озонового слоя Земли при эксплуатации ракетно-космической техники. Предложены технические средства, снижающие степень техногенного воздействия на озоновый слой Земли.

Внедрение результатов работы. Основные результаты работы внедрены в БГТУ «Военмех» в учебной дисциплине «Экология космоса» и в госбюджетную НИР «Научные проблемы и пути решения задач экологии и безопасности жизнедеятельности».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 1-ой, 2-ой, 3-ей и 4-ой Всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», Санкт-Петербург, 1996, 1997, 1998, 1999; «Современные проблемы аэрокосмической науки», г. Жуковский, 1999,

«Сучаст технологи навчання у навчальному прочей вшцих ocBrmix заювдцв», г. Ровно, Украина, 1999, «Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем», г. Санкт-Петербург, 1997.

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 8 печатных работ. Кроме того, материалы диссертационной работы изложены в 5 научно-исследовательских отчетах по НИР по данной тематике. Материалы диссертационной работы вошли в рукопись учебника для технических вузов «Экология космоса».

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 195 страницах и состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 73 наименований, имеет 58 рисунков и 35 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается научно-техническая проблема снижения техногенного воздействия на окружающую среду, сформулированы цель и задачи исследования и дано краткое содержание диссертации по разделам.

В первой главе «Анализ факторов техногенного воздействия на атмосферу при эксплуатации ракетно-космической техники и возможные пути его снижения. Постановка задачи исследования» рассматриваются вопросы, связанные с характеристикой ракетно-космических комплексов, основными этапами осуществления космического полета и степень техногенного воздействия на биосферу при эксплуатации ракетно-космических комплексов.

Отмечается, что основными этапами подготовки и осуществления космических полетов, определяющих степень материальных и физических факторов воздействия на экосферу и околоземное пространство являются: космодромы, их строительство и эксплуатация, предстартовая подготовка и обслуживание, активный и пассивный участки полета, коррекция и маневрирование космического аппарата (КА) на траектории полета, довыведение КА с промежуточной на рабочую орбиты, полет и маневрирование КА в космическом пространстве и возвращение на Землю.

Рассмотрены основные виды опасных и вредных факторов, возникающих на различных этапах и возможные пути и средства снижения техногенного воздействия на окружающую среду. Результаты такого анализа показаны на рис. 1.

Анализ техногенных факторов, связанных с эксплуатацией ракетно-космической техники на различных этапах подготовки и осуществления космического полета, позволил установить, что наиболее актуальные проблемы, которые требуют своего решения, это:

1. Проблема химического и физического загрязнения окружающей среды продуктами сгорания ракетных топлив и выхлопной струей ракетного двигателя,

2. Проблема разрушения озонового слоя Земли.

3. Проблема техногенного воздействия на электронную компоненту ионосферы.

4. Проблема космического «мусора».

Из перечисленных проблем наиболее чувствительной к запуску ракет-носителей и наиболее жизненно важной является проблема озонового слоя Земли.

Опасные и вредные факторы при осуществлении космического полета

Околоземное космическое пространство Факторы техногенного воздействия Математическое моделирование Физическое моделирование Средства защиты от ОВФ

Химическое загрязнение, аэрозоли Космический «мусор» Математические модели самоочищения космоса от «мусора» Математические модели времени пребывания космического «мусора» на орбитах Баллистическое моделирование взаимодействия объектов на различных орбитах Проекты - пенные шары для мелких частиц; - космические мусо-росборщики; - лазерное воздействие

Магнитосфера

Ионосфера Экзосфера Термосфера Мезосфера Ионосферные «дыры» (снижение концентрации электронов) Математические модели разрушения электронной компоненты нет нет

о- и О о к о со о Стратосфера Озоновые «дыры» Математические модели фотохимических процессов образования и разрушения озона нет нет

Тропосфера Электромагнитные поля, световое излучение, акустические поля, динамические возмущения, ударные волны Математическое и физическое моделирование распространения электромагнитных и акустических волн Проекты «Одиссей», «Тайсан»

Литосфера Сейсмическое воздействие Математическое и физическое моделирование распространения сейсмических волн Космодромы морского базирования

Рис. 1.

Имеющиеся в литературе данные по этой проблеме касаются в основном констатации факта разрушения озона под воздействием различных химических реагентов. Основными же путями, позволяющими снизить техногенное воздействие на озоновый слой Земли, являются ограничения на поступление озоно-разрушающих веществ в атмосферу (например, хлорфторуглеродов и т.п.).

Каких-либо путей и технических средств защиты окружающей среды, позволяющих сохранить или регулировать концентрацию озона в атмосфере, судя по доступных автору литературным источникам, пока не разработано.

Нами впервые было предложено компенсировать снижение концентрации озона в зоне прохождения РН с помощью специально разработанных озонаторов, либо устанавливаемых на борту РН, либо размещаемых в атмосфере на специальных аппаратах вдоль траектории движения РН.

Учитывая изложенное, задача исследования сформулирована так:

- Провести исследование процессов разрушения озонового слоя.

- Оценить степень техногенного воздействия на озоновый слой Земли ракет-носителей различного класса.

- Разработать огневой измерительный комплекс, обеспечивающий физическое моделирование процессов взаимодействия выхлопной струи РД с окружающей средой путем огневых испытаний.

- Исследовать возможность получения озона различными методами и разработать озоногенераторы необходимой производительности.

- Провести экспериментальное исследование степени влияния на концентрацию озона выхлопной струи ракетного двигателя.

- На основе экспериментальных данных определить механизм взаимодействия продуктов сгорания ракетных топлив с озоновым слоем Земли.

- Разработать методику расчета возможного разрушения озона при пусках ракет-носителей.

- Разработать способ защиты озонового слоя Земли на базе возможных схем озонаторов.

Во второй главе «Техногенное воздействие на озоновый слой Земли при эксплуатации ракетно-космической техники» дается краткая характеристика состояния атмосферы Земли на различных высотах и описываются естественные фотохимические процессы образования и разрушения озона, приводится оценка относительных вкладов отдельных каталитических циклов в суммарную скорость разрушения нечетного кислорода и распределение озона в атмосфере. Разработана программа расчета продуктов сгорания ракетных топлив, краткое содержание которой приведено на рис. 2. Проведен расчет состава продуктов сгорания для большинства применяемых в настоящее время ракетных топлив. В качестве примера в таблице 1 приведен состав продуктов сгорания для наиболее распространенных компонентов жидкостных (ЖРТ) и твердых ракетных топлив (ТРТ). Для оценки степени химического загрязнения атмосферы приведены расчеты по массовому содержанию компонентов продуктов сгорания для ракет-носителей стран, ведущих космическую деятельность. Пример таких расчетов приведен в таблице 2, а на рис. 3 дана зависимость массы выброшенных продуктов сгорания от высоты полета. Приводится методика расчета процессов догорания в струе. Приводится результат решения системы параболизованных уравнений Навье-Сто-

Расчет состава продуктов сгорания

1. Уравнение материального баланса

ЪгРг, +1]акКк +±акР% + РА

/=1 М 7=1 П1

Число уравнений к.

2. Уравнение химического равновесия реакций диссоциации

Г1++а1А + Ь1В + с,С + ...;

1=1,2.....и

К, <-> а ¡А + bjB + с ¡С +....

/=1,2..... т

и уравнения равновесия

ра1 , рЬ1 , рЩ А ; с

Г,=1,2.....п

Р°А'-Рр - рсс^ К (Т).

С

МХ-,т

Число уравнений п +т. 3. Уравнение Дальтона

1=1 У=1 '

4. Уравнение энергаи.

Для данной системы пренебрегаем кинетической энергией смеси ПС и потерями энергии на теплообмен и трение

с!Н (Т) = О, или, проведя интегрирование, #0 = #(Г).

К этой системе добавляем следующие выражения. 1. Для констант равновесия

ЛГу = ехр

X

кт

2. Для полной энтальпии и стандартной эшропии каждого продукта в смеси

+10"3^ 1п(1СТ3г)+10"3(10-3Г/. ; = 1,...и

3. Для полной энтальпии смеси продуктов сгорания.

и ( я "

4. Эшропия смеси ПС:

Р

|>М,(5°-Л1п/?М,)+ - ЛЬМ)

(=1

Полученная система нелинейных алгебраических уравнений решается способом подбора температуры (см. схему алгоритма) с использованием метода Ньютона

1. Выбирается начальное приближение по Т.

2. При этой температуре вычисляются Н1 и 5,°, Ц- (блок 2).

3. Расчет продуктов сгорания решением системы уравнений (уравнения материального баланса, уравнения равновесия и Дальтона) см. блок 3.

4. Вычисление полной энтальпии смеси продуктов сгорания (блок 4).

5. Оценка точности температуры (блок 5).

При истинном значении Г горения топлива должно выполнятся равенство Н0 = Н(Т), Если это условие не выполняется, то формируется шаг по температуре (блок 6) и по полученному значению повторяются расчеты.

6. Итерационный процесс заканчивается при достижении требуемой точности Е выполнения уравнения энергии.

7. Для формирования шага по температуре

АГ = яг-я£_

Алгоритм расчета состава и температуры многокомпонентной равновесной смеси

Рис. 2, лист 2.

Таблица 1

Равновесный состав продуктов сгорания ракетных топлив (для ЖРД при а = 0,8 Ркс = 25 МПа, 8 = 250) в объемных процентах

Продукты сгорания Топливо

02 + керосин о2+н2 АТ + НДМГ АТ + Аэрозин Весовой состав, % (твердое топливо)

Т= 3875К Т-2037К Т-3679К Г= 1707К Т— 3535К Г= 1474К 7Т=3410К Г= 1520К

Н20 35,17 42,10 71,34 80,00 36,32 36,92 40,52 40,9 3,67

СО 29,01 22,81 - - 13,95 9,17 8,26 4,76 29,5

со2 17,77 27,72 - - 8,76 14,25 4,67 8,46 1,2

н2 8,46 7,27 21,13 20,00 6,86 9,48 8,71 10,89 2,93

СН 6,17 0,04 4,32 - 2,64 - 2,01 - -

О 1,09 - 0,29 - 0,23 - 0,14 - -

н 2,05 0,06 2,53 - 1,06 - 1,01 - -

о2 2,22 - 0,37 - 0,47 - 0,23 — —

но2 0,04 - - - - - - - —

НСО 0,03 - - - - - 0,01 - —

N2 - - - - 25,91 30,18 33,96 34,96 7,96

N0 - - - - 0,76 - - - —

НС1 - - - - - - - 20,42

А1203 - - - - - - - - 28,17

ЫН3 - - - - - - - - Прочие - 6%

Таблица 2

Выбросы продуктов сгорания в атмосферу при запусках ракет-носителей

Ракета-носитель н2о СО со2 н2 N2 НС1 А1203

Скаут 0,67 5,29 0,23 0,54 1,43 3,66 ,5,07

Дельта 18,8 46,96 23,0 3,86 13,65 24,81 34,26

Титан-341) - 70,69 145,1 32,8 14,92 108,39 93,64 129,1

Атлас - Центавр 51,5 23,5 44,9 0,92 — — —

Спейс Шаттл 727,27 324,5 13,2 51,9 87,56 224,6 309,3

Ариан-4-0 81,42 27,4 67,05 0,28 90,88 — —

Ариан-4-4Р 82,81 98,6 67,51 1,39 93,9 7,76 10,7

Сг-З 53,69 18,44 45,06 0,16 61,23 — —

Н-1 32,94 30,27 38,18 1,69 2,71 7,28 10,04

Н-2 96,81 — 0,48 1,68 3,18 8,17 11,27

Восток 72,24 60,9 116,29 1,33 — — —

Протон 143,0 55,12 143,63 0,05 — — —

Энергия 1084,02 339,64 648,62 26,88 — — —

Зависимость массы выброшенных продуктов сгорания ракет-носителей от высоты полета

1 ступень РН 'Зенит" —а— 2 ступень РН 'Зенит"

-»— 1 ступень РН "Титан-3" -»- 2 ступень РН "Титан-3"

кса, описывающей двумерные стационарные турбулентные течения химически реагирующего газа, в предположении, что в плоскости выходного сечения сопла набегающий поток воздуха является невозмущенным, кромка сопла является острой и отрывные зоны отсутствуют. Результаты расчета сравниваются с расчетом продуктов сгорания без учета догорания. Сравнение показывает увеличение окислов азота в ближнем следе струи. В разделе приводятся данные о количестве озона, разрушаемого соединениями азота и хлора, содержащимися в продуктах сгорания ракет-носителей Энергия, Протон, Спейс-Шатгл.

Проведен анализ данных имеющихся в различных источниках, о составе и количественном соотношении компонентов продуктов сгорания. Такой анализ результатов математического моделирования перечисленных процессов показал существенные различия данных, приводимых в различных работах, о составе продуктов сгорания, количественных соотношениях их компонентов и степени воздействия на озоновый слой Земли. Такие различия ммуг возникать по ряду причин.

Неточные данные о химическом составе ракетных топлив или их компонентов. Небольшие включения в составе топлива могут вызывать появление в продуктах сгорания озоноразрушающих компонентов. Например, в техническом жидком кислороде может содержаться до 0,5% по объему азота, учет которого при термодинамическом расчете продуктов сгорания для неравновесного течения в сопле дает наличие озоноактивных окислов азота. Аналогично обстоят дела и с твердыми ракетными топливами.

Неточность знаний или отсутствие данных о константах скоростей химических реакций, например, для хлорных реакций, неопределенность констант скорости химических реакций может составлять 1-2 порядка. Значения констант скорости реакций с участием соединений алюминия или какая-либо информация по реакциям образования конденсированной окиси алюминия вообще отсутствуют.

Коэффициент избытка окислителя (а) является определяющим параметром для расчета компонентов продуктов сгорания жидких ракетных топлив (коэффициент избытка - это отношение фактического расхода окислителя к стехио-метрическому расходу).

Зависимость равновесного состава продуктов сгорания от а имеет сложный характер, специфичный для определенных классов топлив.

Реальные величины а в процессе движения ракеты-носителя по траектории отличаются от первоначально принятой величины.

Наличие алюминия в составе твердых ракетных топлив обуславливает образования конденсированной фазы - полидисперсной взвеси частиц окислов алюминия в продуктах сгорания.

Течения двухфазных потоков в проточных трактах двигателей характеризуются скоростной и температурной неравновесностью, расчет параметров которых в настоящее время связан с непреодолимыми трудностями из-за неопределенности знаний о функции распределения частиц по размерам и физико-химических процессов, протекающих в химически активной и неравновесной среде. В связи с указанными трудностями при расчетах допускают, что движение двухфазной смеси происходит без скоростного и температурного запаздывания, а сама конденсиро-

ванная фаза полагается монодисперсной окисью алюминия (АДОз), с размером в десятые доли мкм. Показано, что такой подход может привести к завышению скорости гетерогенного разрушения озона в десятки раз.

Расчет течения в сопле как одномерном, так и в двумерном приближении, проводится в предположении о начале пограничного слоя в точке торможения в дозвуковой части сопла и заканчивается по достижении заданной степени расширения трубки тока. Это может быть справедливым для осесимметричного сопла Лаваля; что касается поворотных утопленных сопел, сопел с карданным подвесом и других типов сопел, использующих различные способы регулирования вектора тяги (вдув в закритическую часть сопла и т.п.), такой подход может привести к существенным погрешностям. Часто расчет течения в сопле начинается от критического сечения сопла, параметры в котором определяются их предварительного расчета неравновесного течения в дозвуковой части в одномерном приближении. В таком расчете не учитывается степень турбулентности набегающего потока, неравномерность распределения параметров газа на входе в сопло и другие физико-химические процессы, которые, в конечном счете, определяют параметры потока в выходном сечении сопла. Показано, что неадекватность математических моделей реальным процессам может, в зависимости от принятых допущений, привести к отклонениям в составе продуктов сгорания на порядок.

На основе проведенного анализа сделано заключение о необходимости проведения физического моделирования разрушения озонового слоя Земли при эксплуатации ракетно-космической техники.

В третьей главе «Методики измерений и аппаратура экспериментального исследования» рассматриваются вопросы комплексного подхода к измерениям при физическом моделировании процессов взаимодействия выхлопной струи ракетного двигателя с озоновым слоем Земли. Под комплексным подходом понимается одновременное получение сведений об объекте по нескольким каналам информации. На рис. 4 приведена схема модели каналов информации, где определены параметры, которые необходимо измерять при физическом моделировании.

Показано, что из всех параметров, которые необходимо измерять в процессе проведения измерений, проблему составляют измерение низких давлений в высокоскоростных газовых потоках, измерение температуры высокоскоростных газовых потоков и измерение низких концентраций озона.

Проведен анализ возможных методов измерения температуры, проведена их классификация, разработан датчик позволяющий измерять спектральный состав излучения струи продуктов сгорания, цветовую и трехцветную температуры. На рис. 5 приведена классификационная диаграмма методов измерения температуры, а на рис. 6 схема разработанного измерителя.

Проведен анализ методов измерения давления, разработана их классификация, которая приведена на рис. 7.

Установлено, что для построения датчика давления в струях газопламенных сред может быть использован коронный электрический разряд.

Проведено детальное исследование параметров коронного разряда.

Модель каналов информации

Рис. 4.

Классификационная диаграмма методов измерения температуры Методы измерения температуры газовых потоков

Контактные методы Неконтактные методы

Термопарный Радиационный

- Термометрический Яркостный

Термопарно-импульсный

Цветовой

*- М.Т.Р. - твердых тел Лучеиспускание-поглощение

Обращение спектральных линий

М.Т.Р. - жидкостей

М.Т.Р. - газов Выравнивание яркости линии

натрия

Абсорбционный

Насыщение центра линии

Динамический

Кинетический

4

Акустический

М.Т.Р. — метод теплового расширения

Термошумовой

Измеритель ПД-ФД-2

I- оптико-электронный преобразователь: 1 - волоконно-оптический светоделитель; 2 - интерференционные светофильтры; 3 - фотодиоды; 4 - многоканальный усилитель; II- формирователь выходных сигналов; III ~ осветитель

Рис. 6.

В результате аппроксимации экспериментальных данных полиномом второй степени получены зависимости напряжения зажигания коронного разряда от давления окружающего его воздуха.

Для отрицательной короны

£/н =720,109 + 0,043Р-8,507-КГ8?2, (1)

при среднеквадратичном отклонении

= ±48,768 В;

для положительной короны

и{+) = 937,180 + 0,063? - 3,239 • 10"7 Р2, (2)

при среднеквадратичном отклонении

5„ = ±54,362 В.

Формулы справедливы в диапазоне давлений 2-103 - 1,4-105 Па и для /к = 5-Ю'6 А при с!к - 0,05 мм.

На рис. 8 приведены графики зависимости напряжения зажигания короны от давления.

Для исследовательских целей были разработаны датчики давления, основанные на коронном электрическом разряде, эскизы которых приведены на рис. 9.

Проведен анализ возможных методов измерения концентрации озона, их классификация и разработан измеритель, диаграмма и общий вид которых приведены на рис. 10 и 11 соответственно.

Классификационная диаграмма методов измерения давления

Рис.7

Графическая зависимость напряжения зажигания короны

Рис. 8.

Датчик давления в газовых потоках '

А1

Ла

У 2

ъ* Б<

щ

Датчик давления в камерах 10 2

Шщ -

1 ■ •■■■ I

Рис. 9. «Коронные» датчики давления

Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов.

Введение.

1. Анализ факторов техногенного воздействия на атмосферу при эксплуатации РКТ и возможные пути его снижения. Постановка задачи исследования.

1.1. Структура ракетно-космических комплексов.

1.2. Технологические фазы осуществления космического полета. Опасные и вредные факторы техногенного воздействия на окружающую среду

1.2.1. Ракетные топлива и продукты их сгорания.

1.2.2. Предстартовая подготовка и активный участок полета.

1.2.3. Озоновый слой Земли.

1.2.4. Влияние пусков РН на ионосферу.

1.2.5. Засорение околоземного и космического пространства.

1.3. Постановка задачи исследования.

Выводы по разделу.

2. Техногенное воздействие на озоновый слой Земли при эксплуатации

2.1. Основные положения и расчеты параметров стандартной атмосферы.

2.2. Озоновый слой Земли.

2.3. Состав продуктов сгорания ракетных топлив.

2.3.1. Описание программы расчета продуктов сгорания ракетных топлив.

2.3.2. Исходные данные для расчета.

2.3.3. Результаты расчетов.

2.3.4. Неравновесный состав продуктов сгорания.

2.3.5. Расчет процессов догорания в струе.

2.3.6. Состав продуктов сгорания с учетом догорания в выхлопной струе.

2.4. Воздействие компонентов продуктов сгорания ракетных топлив на озоновый слой Земли.

2.4.1. О необходимости физического моделирования процессов разрушения озонового слоя.

Выводы по разделу.

3. Методики измерений и аппаратура экспериментального исследования.

3.1. Основные предпосылки физического моделирования взаимодействия струи РД с атмосферой.

3.2. Методы измерения температуры.

3.2.1. Контактные методы измерения температуры.

3.2.1.1. Термопарный метод.

3.2.1.2. Метод термометров сопротивления.

3.2.1.3. Методы теплового расширения.

3.2.2. Неконтактные методы измерения.

3.2.2.1. Метод полного излучения.,.

3.2.2.2. Яркостный метод.

3.2.2.3. Цветовой метод.

3.2.2.4. Метод лучеиспускания-поглощения.

3.2.2.5. Метод обращения спектральных линий.

3.2.2.6. Метод выравнивания спектральной яркости линии натрия и метод интенсивности излучения насыщенного центра спектральной линии.

3.2.2.7. Другие методы.

3.2.3. Выбор методов измерения температуры.

3.3. Датчики температуры.

3.3.1. Выбор схемы датчика температуры.

3.3.2. Выбор диапазона длин волн.

3.3.3. Описание схем и конструкций датчиков температуры.

3.3.3.1. Датчик температуры ДФ1.

3.3.3.2. Универсальный измеритель ПД-ФД2.

3.3.3.3. Тарировка датчиков.

3.3.3.4. Оценка погрешности единичных измерений температуры.

3.4. Методы определения давления

3.4.1. Тепловые методы.

3.4.2. Оптические методы.

3.4.3. Ядерные методы.

3.4.4. Электромагнитные методы.

3.4.4.1. Метод масс-спектрометра.

3.4.4.2. Термоэлектронный ионизационный манометр.

3.4.4.3. Тлеющий разряд.

3.4.5. Датчик давления, основанный на коронном электрическом разряде.

3.4.5.1. Основные предпосылки к возможности построения «коронного» датчика.

3.4.5.2. Методика и аппаратура исследования параметров коронного разряда.

3.4.5.3. «Коронный» датчик давления.

3.5. Методы измерения концентрации озона.

3.5.1. Химические методы.

3.5.2. Хемилюминесцентный метод.

3.5.3. Калориметрический метод.

3.5.4. Электрохимические методы.

3.5.5. Оптический метод.

3.5.6. Авторский измеритель концентрации озона.

3.6. Измерительный комплекс и методика проведения экспериментального исследования.

Выводы по разделу.

4. Физическое моделирование процессов взаимодействия выхлопных струй ракетных двигателей с озоновым слоем Земли.

4.1. Измерительный комплекс.

4.1.1. Модельный РДТТ.

4.1.2. Озонаторы.

4.1.2.1. Барьерный разряд.

4.1.2.2. Дуговой разряд.

4.1.2.3. Поверхностный разряд.

4.1.2.4. Тлеющий разряд повышенного давления.

4.1.2.5. Коронный разряд.

4.1.3. Озонаторы измерительного комплекса.

4.1.4. Датчики контроля и регистрирующая аппаратура.

4.2. Порядок проведения и обобщение результатов экспериментального исследования.

4.2.1. Порядок подготовки и проведения измерений.

4.2.2. Обеспечение безопасности проведения экспериментальных исследований.

4.2.3. Результаты экспериментальных исследований.

4.3. Методика расчета разрушения озона выхлопной струей ракетного двигателя.

4.4. Перспективные озонаторы на основе ворсовых структур.

Выводы по разделу.

Освоение космического пространства и развитие космонавтики связано с необходимостью решения ряда глобальных проблем жизнеобеспечения на Земле. К таким проблемам относятся, например, дополнительное энергообеспечение Земли за счет гелиоустановок космического базирования (альтернативный невозобновляющимся источникам способ получения энергии); проблема захоронения радиоактивных отходов атомных электростанций, одним из возможных путей решения которой - космическое пространство. Развитие космонавтики необходимо также с поддержанием уже имеющихся систем космического базирования, таких как космические навигационные системы, космическое телевидение и системы космической связи, системы раннего оповещения об аномальных космических и земных явлений и объектах и т. д. Освоение космоса необходимо и с целью расширения наших знаний об окружающем нас мире, например, с помощью телескопа Хаббла, размещенного в космическом пространстве, удалось установить классификацию и эволюцию Галактик и т.д.

Космонавтика в настоящее время позволяет осуществлять необходимый контроль за антропогенными изменениями природной среды, рациональным использованием природных ресурсов, способствует развитию безотходных, энергосберегающих технологий.

Наряду с положительным эффектом эксплуатация ракетно-космической техники связана с техногенным воздействием на биосферу Земли и космического пространства.

Особенность техногенных воздействий на окружающую среду при эксплуатации ракетно-космической техники состоит в том, что выведение космических аппаратов на заданную орбиту связано с загрязнением всей толщи атмосферы Земли от поверхности до окружающего космического пространства.

Анализ состояния проблемы влияния ракетно-космических комплексов и космонавтики на состояние и качество биосферы и околоземного пространства по литературным источникам показал единство отечественных и зарубежных проблем, требующих разрешения. Это внесение загрязнений в биосферу Земли, загрязнений при строительстве и эксплуатации космодромов (отчуждение больших площадей земель, вырубка лесов и т.п. приводит к изменению биогеоценоза данного региона); на этапе предстартовой подготовки и обслуживания (наличие физических и химических ОВПФ, зависящих от типа двигателей, применяемого ими топлива, штатная или нештатная ситуация в момент пуска); на активном и пассивном участках полета ( отчуждение земель по трассам пуска, газодинамическое возмущение атмосферы и загрязнение ее продуктами сгорания топлив, нарушение радиосвязи, "мусор" в виде отделяющихся ступеней и элементов разделения и т.п.); при осуществлении коррекции и маневрирования КА на траектории полета (космический "мусор" и т.д.).

Исследование экологических аспектов загрязнения атмосферы и околоземного космического пространства, а также вопросы обеспечения безопасности при эксплуатации ракетно-космической техники весьма актуальны и в настоящее время развертываются работы по различным направлениям этой проблемы.

Из множества перечисленных выше проблем данная работа посвящена исследованию процессов взаимодействия выхлопной струи продуктов сгорания, истекающей из сопла двигателя ракеты-носителя с озоновым слоем Земли. Имеющиеся в литературе публикации [7, 8, 13, 23, 25, 58, 69] посвященные математическому моделированию этих процессов, причем принимаемые допущения часто существенно не адекватны реальным физическим процессам, а данные различных авторов по отдельным параметрам (например, по количественному и качественному составу продуктов сгорания для одних и тех же двигателей) отличаются на порядки.

В данной работе осуществлено огневое физическое моделирование процессов взаимодействия выхлопной струи с озоновым слоем Земли и разработана методика расчета количества разрушенного озона при прохождении ракеты-носителя озонового слоя.

В первом разделе проведен анализ факторов техногенного воздействия на атмосферу при эксплуатации РКТ и возможные пути его снижения на основных технологических фазах осуществления космического полета: предстартовая подготовка и активный участок полета; полет и маневрирование космического аппарата на орбите; сход с орбиты и возвращение на Землю. Отдельно рассмотрено влияние пусков РН на озоновый слой и ионосферу Земли; образование космического мусора.

На основе анализа факторов техногенного воздействия на атмосферу пусков РН и возможных путей снижения такового воздействия осуществлена постановка задачи исследования.

Второй раздел посвящен анализу техногенного воздействия на озоновый слой Земли при эксплуатации РКТ. Приводится краткая характеристика атмосферы как объекта техногенного воздействия. Подробно излагаются естественные фотохимические процессы образования и разрушения озона в атмосфере Земли, структура озоносферы, распределение озона и нормальный температурный профиль в ней. Дается описание авторской программы расчета продуктов сгорания ракетных топлив. Приводятся характеристики ЖРД ступеней ракет и космических кораблей, имеющихся в России, США, Франции и Японии, данные об основных параметрах жидкостных и твердых ракетных топлив, расчетный состав продуктов сгорания различных топлив полученный автором и данные имеющиеся в литературных источниках. Дается обоснование необходимости физического моделирования процессов техногенного разрушения озонового слоя.

В третьем разделе, связанным с разработкой методики измерений и аппаратуры экспериментального исследования, рассматриваются основные предпосылки физического моделирования взаимодействия струи ракетного двигателя с атмосферой с позиции комплексного подхода к исследованиям, т.е. одновременного получения сведений об исследуемом процессе по нескольким каналам информации. Для каналов измерения температуры, давления и концентрации озона проведен подробный анализ методов измерения, дана их классификация, предложены оригинальные решения соответствующих первичных преобразователей (датчиков). Приводятся результаты исследования коронного электрического разряда и разработанного на его основе "коронного" датчика давления. В конце раздела приводится структурная схема измерительного ком

12 плекса для физического моделирования процессов взаимодействия выхлопной струи ракетного двигателя с атмосферой.

В четвертом разделе дается обоснование физического моделирования процессов взаимодействия выхлопных струй ракетных двигателей с озоновым слоем Земли. Дается описание структурных единиц измерительного комплекса. Подробно рассматриваются возможные методы генерации озона и проводится классификация этих методов. Предложены оригинальные конструкции озонаторов (озоногенераторов).

Подробно излагаются вопросы технических средств безопасности проведения исследовательских работ разработанных для данного измерительного комплекса.

Приводятся результаты проведения и обобщения экспериментов, на основе которых излагается методика количественной оценки разрушения озона при прохождении ракеты-носителя в атмосфере. В конце раздела рассмотрен вопрос о возможности построения озоногенераторов с использованием теплозащитных материалов на основе облегченных ворсовых структур.

Предложен способ снижения техногенного воздействия продуктов сгорания выхлопных струй ракетных двигателей на озоновый слой Земли путем размещения озоногенераторов, компенсирующих разрушающийся озон, на летательных аппаратах.

Выводы по разделу

1. Дано обоснование проведения исследований разрушения озонового слоя посредством физического моделирования процессов.

186

Рис. 4.16. Теплозащитные покрытия на основе ворсовых структур

Размещение озоногенераторов на летательных аппаратах

1 - место расположения озоногенератора;

2 - место расположения блока питания

Рис. 4.17

188

2. Изготовлен макет и отлажен измерительный комплекс для физического моделирования взаимодействия струи РД с озоновым слоем Земли.

3. Проведен анализ и дана классификация принципов генерации озона.

4. Разработаны и изготовлены генераторы озона на основе коронного электрического разряда.

5. Проведено физическое моделирование на огневом измерительном комплексе взаимодействия выхлопных струй РДТТ со средой моделирующей различное содержание озона на различных высотах в атмосфере.

6. Показано, что в начальные моменты прохождения ракеты-носителя в следе струи озон разрушается полностью и практически не зависит от состава продуктов сгорания, что указывает на тепловой режим разрушения озона.

7. Предложена математическая модель распределения концентраций озона от поверхности Земли до 60 км.

8. Разработана методика расчета разрушения озона в начальный момент прохождения атмосферы ракетой-носителем.

9. Путем экспериментального исследования показана возможность использования перспективных теплозащитных покрытий на основе углеродных ворсовых структур в качестве озоногенераторов.

10. Предложен метод снижения концентрации озона в атмосфере путем установки озоногенераторов на летательных аппаратах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненной работы предложен способ снижения техногенного воздействия на атмосферу Земли при эксплуатации ракетно-космической техники, заключающийся в компенсации снижения концентрации озона путем установки озоногенераторов на летательных аппаратах. Для достижения поставленной цели выполнены следующие работы.

1.На основе анализа факторов техногенного воздействия на окружающую среду на различных этапах подготовки полета и эксплуатации ракетно-космических систем установлено, что наиболее уязвимой областью атмосферы, для которой пока нет каких либо средств защиты, является озоновый слой.

2. Разработана программа и проведен расчет состава продуктов сгорания ракетных топлив, применяемых в двигателях современного парка ракет-носителей стран, осуществляющих космическую деятельность, результаты которого использованы для анализа и установления степени согласования имеющихся в литературе данных.

3. Установлены причины существенных различий данных о составе и массовых соотношениях компонентов продуктов сгорания и, следовательно, количественный состав озоноразрушающих компонентов.

4. Рассмотрены основы физического моделирования взаимодействия струи ракетного двигателя с атмосферой. Составлена модель каналов информации и определены параметры физического моделирования. Разработана структурная схема огневого измерительного комплекса.

5. Разработан огневой измерительный комплекс и методика проведения исследований взаимодействия выхлопной струи ракетного двигателя с озоновым слоем Земли.

6. Для каналов измерения температуры, давления и концентрации озона проведен анализ методов измерения, проведена их классификация, предложены оригинальные измерители перечисленных параметров.

7. Разработаны методика и экспериментальное оборудование для исследования параметров и свойств коронного электрического разряда.

1. Агейкин Д.И. Датчики контроля и регулирования. Машиностроение,1965.

2. Александров Г.Н. О природе импульсов отрицательной короны. -Ж.Т.Ф., т. 33, вып. 2.

3. Александров Э. Л. и др. Озонный щит Земли и его изменения. СПб.,1992.

4. Александров Э. Л. Человек и стратосферный озон. Л.: Гидрометеоиз-дат, 1979.

5. Александров Э. Л., Кароль И. Л., Ракимова Л. Р. Атмосферный озон и изменения глобального климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 167 с.

6. Александров Э.Л., Батомункуева Г.В. Влияние выбросов ракетного топлива на стратосферный озон. // Изв. АН Физика атмосферы и океана, Т. 31, № 1,1995.-С. 146- 150.

7. Александров Э.Л., Тишин А.П., Упэнэк Л.Б. Состав продуктов сгорания ракетных топлив и их локальное влияние на озон. // Журнал Метеорология и гидрология, №3,1996. С. 5 - 10.

8. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей. / Под ред. В.П. Глушко. М.: Машиностроение, 1980. - 553 с.

9. Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы. М.: Госатомиздат,1963.

10. Бортник И.М. Исследование положительного коронного разряда в гелии. Ж.Т.Ф., т. 34, вып. 9.

11. Бройда Х.П. // В сб. Температура и ее измерение. М.: ИИЛ, 1959.

12. Бурдаков В. П., Еланский Н. Ф., Филим В. М. Влияние запусков ракет "Шаттл" и "Энергия" на озонный слой Земли. Вестник АН СССР, 1990, № 12.

13. Бурмакин В.А., Губанова В.Г., Чистяков П.Н. Некоторые результаты исследования сильноточной короны в водороде. Ж.Т.Ф., т. 30, вып. 2.

14. Варгафтик Н.Б. Теплофизические свойства веществ. M., 1965.

15. Васильев А.П., Кудрявцев В.М., Курпатенков В.Д., Обельницкий А.М. и др. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. / Под общ. ред. В.М. Кудрявцева. М.: Высшая школа, 1967. - 676 с.

16. Вилейшис А.И., Амбразявичус A.B. Измерение температур различных керамик с помощью трехцветного автоматического пирометра // В сб. Механика. Вильнюс, 1970.

17. Гейдон А.Г., Вольфгард Х.Г. Пламя, его структура, излучение и температура. М.: Металлургиздат, 1958.

18. Голубев B.C., Пашкин C.B. Тлеющий разряд повышенного давления. -М., 1990.

19. ГОСТ 12.0.003-74 ССБТ. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация. М.: Изд-во стандартов, 1974.

20. ГОСТ 4401-81 «Атмосфера стандартная. Параметры». М. : Изд-во стандартов, 1981. - 179 с.

21. Гухман A.A. Применение теории подобия к исследованию процессов тепломассообмена. -М.: Высшая школа, 1974. 328 с.

22. Давлетшин Р.Ф., Лохов Г.М., Яценко О.В. Влияние реактивных выбросов ракет на состояние земной озоносферы. // Письма в ЖТФ, Т. 19, вып. 19, 1993.-С. 5- 10.

23. Данилов А. Д. Кароль И. Л. Атмосферный озон сенсации и реальность. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 119 с.

24. Деминов И.Г. Оценка воздействия регулярных пусков ракет "Энергия" и "Шаттл" на озонный слой и климат Земли. М.: ИФА РАН, Препринт №1, 1992.

25. Ерохин Б.Т. Теория внутрикамерных процессов и проектирование РДТТ: Учебник для высших технических учебных заведений. М.: Машиностроение, 1991. 560 с.

26. Зайцев С. Н., Кроль В. А. Моделирование динамики и эволюции техногенных частиц в солнечной системе. Концепция самоочистки ближнего космоса. Киев: ИТФ А. Н. Украины, 1992. - 33 с.

27. Измерения в промышленности. Справочник в 3-х книгах: Пер. с нем. / Под ред. Профоса П. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1990. - 384 с.

28. Капцов H.A. Коронный разряд. ОГИЗ: Гостехиздат, 1947.

29. Капцов H.A. Электрические явления в газах и вакууме. ОГИЗ: Гостехиздат, 1947.

30. Кигиллин В.А., Шейндлан A.C. Исследования при высоких температурах. М.: ИИЛ, 1962.

31. Космодром. / Под общ. ред. А. П. Вольского. М.: Воениздат, 1977.309 с.

32. Костромин С. Ф., Шатров Я. Т., О проблеме сокращения районов падения по трассам пусков ракет-носителей. Космонавтика и астрономия, № 7, Знание, 1991.-с. 31-42.

33. Лансберг Р.У. Физические измерения в газовой динамике и при горении.-Изд-во иностр. литературы, 1957.

34. Лекк Д. Измерение давления в вакуумных системах. Мир, 1966.

35. Липихин Н.П. //Успехи химии. 1975. Т. 44, № 8. С. 1366.

36. Лунев В.В. Гиперзвуковая аэродинамика. М.: Машиностроение, 1975. 328 с.194

37. Лунин В.В., Попович М.П., Ткаченко С.Н. Физическая химия озона. М.: Изд-во МГУ, 1998. 480 с.

38. Марчук Г. И., Кондратьев К. Я. Приоритеты глобальной экологии. -М.: Наука, 1992. 264 с.

39. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей Среды. М.: Наука, 1982. 320 с.

40. Махин В.А. Жидкостные ракетные двигатели: теория и проектные расчеты камер. / Под ред. Е.К. Мошкина. М.: Дом техники, 1961. - 598 с.

41. Мизун Ю.Г. Озонные дыры. Мифы и реальность. М.: Мысль, 1993.285 с.

42. Мозжорин Ю. А., Чекалин С. В. Проблема «космического мусора». // В сб. Космос и экология. М.: Знание- Космонавтика и астрономия, N 7, Знание, 1991.-с. 5-21.

43. Молчанов A.M. Расчет струй с неравновесными химическими реакциями // Современные проблемы теплообмена в авиационной технике. М.: МАИ, 1983.-С. 15.

44. Назиров Р. Р., Рязанова Е. Е., Сагдеев Р. 3., Суханов А. А. Анализ процесса самоочищения космоса от мусора. М.: И.К.И., 1990. - 23 с.

45. Поляков В. И., Румынский А. М. Лучистый теплообмен в плоскопараллельном слое излучающего, поглощающего и рассеивающего газа при произвольной индикатрисе рассеяния. Изв. АН СССР, МЖГ, №3, 1968.

46. Пулькис К.С., Дубровин В.И. Экспериментальное исследование температурного поля турбин ЖРД с помощью индикаторов из облученного алмаза. М.: ОТ, № Ю, 1967.

47. Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего обитания: В 4-х книгах. Кн. 4. Здоровье и Среда, в которой мы живем: Пер с англ. М.: Мир, 1995. - 191 с.

48. Родионов A.B. //Журнал вычислительной математики и математической физики. 1987, Т. 27, №4. С. 585.

49. Романов О.Я., Фадин И.М., Кобылкина Г.П., Давыдов Ю.В. и др. Исследование работы облегченных теплозащитных ворсовых материалов в гиперзвуковом потоке // Отчет о НИР № К1-04-2544,1995. 74 с.

50. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1987.-432 с.

51. Скадченко O.E., Вендилло В.П., Филиппов Ю.В. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Химия, 1972, Т. 13, № 5. С. 34.

52. Соркйн P.E. Теория внутрикамерных процессов в ракетных системах на твердом топливе: внутренняя баллистика. М.: Наука, 1983. 288 с.

53. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. Справочник в 10 томах / Под ред. В.П. Глушко. М.: ВИНИТИ АН СССР, 1971 -1979.

54. Тишин А.П., Александров Э.Л., Родионов A.B., Шустов Г.Н. и др. Воздействие полетов ракет на озонный слой Земли / Журнал химическая физика, Т. 12, №9, 1993. с. 1184 - 1225.

55. Турин Р. Пирометрия монохроматического излучения нагретых газов плазмы и взрывов // В сб. Измерение нестационарных температур и тепловых потоков. М.: Мир, 1966.

56. Фадин И.М. Комплексная диагностика процессов тепломассопереноса в ракетных двигателях на твердом топливе // Приложение к диссертации. JL: ЛМИ, 1994.-500 с.

57. Филиппов Ю.В., Вендилло В.П., Емельянов Ю.М. // Авт. свидетельство № 133560 (СССР), 1960.

58. Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона.-М., 1987.

59. Цирлин Л.Э. Некоторые вопросы математической теории коронного разряда при постоянном напряжении. Ж.Т.Ф., т. 26, вып. 11.

60. Чекалин С. В. Проблемы освоения космоса. М., 1988.

61. Чекалин С. В., Шатров Я. Г. Влияние пусков и транспортных космических систем на атмосферу Земли. Космонавтика и астрономия, № 7, Знание, 1991.-21 -30 с.

62. Karol I.L., Ozolin Y.E., Rozanov E.V. Effect of space rocket launches on ozone Ann Geophysical, 1992, vol. 10.

63. Kessler D. J. Predicting Debris // Aerospace America, vol. 26, June 1988, 22 24 pp.

64. Potter A.E. AIAA Paper 81-0241,1981.

65. Solomon S., Johnston H.S., Kowalsczyk M., Wilson I. // Pure and Appl. Geophys. 1980. Spec. Issue, p. 58.