какое топливо заливают в ракеты
Сага о ракетных топливах-обратная сторона медали
При обсуждении статьи «Сага о ракетных топливах» был затронут довольно болезненный вопрос о безопасности жидких ракетных топлив, а так же продуктов их сгорания ну и немного про заправку РН.
Однозначно не являюсь специалистом в этой области, но «за экологию » обидно.
Экологическая безопасность ракетных пусков, испытаний и отработки двигательных установок (ДУ) летательных аппаратов (ЛА) в основном определяется применяемыми компонентами ракетного топлива (КРТ). Многие КРТ отличаются высокой химической активностью, токсичностью, взрыво- и пожароопасностью.
С учетом токсичности КРТ делятся на четыре класса опасности (по мере убывания опасности):
— первый класс: горючие гидразинового ряда (гидразин, НДМГ и продукт Люминал-А);
— второй класс: некоторые углеводородные горючие (модификации керосина и синтетические горючие) и окислитель перекись водорода;
— третий класс: окислители азотный тетроксид (АТ) и АК-27И (смесь HNO3 – 69,8 %, N2O4 — 28 %, J – 0,12…0,16 %);
— четвертый класс: углеводородное горючее РГ-1 (керосин), спирт этиловый и бензин авиационный.
Водород жидкий, СПГ (метан СН4) и кислород жидкий не токсичны, но при эксплуатации систем с указанными КРТ необходимо учитывать их пожаро-и взрывоопасность (особенно водорода в смесях с кислородом и воздухом).
Санитарно-гигиенические нормы КРТ приведены в таблице:
Большинство горючих взрывоопасны и по ГОСТ 12.1.011 они отнесены к категории взрывоопасности IIА.
Продукты полного и частичного окисления КРТ в элементах двигателя и продукты их сгорания, как правило, содержат вредные соединения: окись углерода, углекислый газ, окислы азота (NOx) и др.
В двигателях и энергоустановках ракет большая часть подводимого к рабочему телу тепла (60. 70 %) выбрасывается в окружающую среду с реактивной струёй РД или охладителем (в случаях работы РД на испытательных стендах применяется вода). Выброс в атмосферу нагретых отработавших газов может влиять на местный микроклимат.
Фильм об РД-170, его производстве и испытаниях. НПО «Энергомаш» две огромные вытяжные трубы испытательных стендов, сопутствующие строения и окрестности Химок:
На другой стороне крыши: можно увидеть сферические емкости для кислорода, цилиндрические — для азота, керосиновые цистерны чуть правее, в кадр не попали. В советское время на этих стендах испытывали двигатели для «Протона». Совсем рядом с Москвой.
В настоящее время множество «гражданских» ЖРД используют углеводородные горючие. Их продукты полного сгорания (водяные пары Н2О и диоксид углерода СО2) условно не считаются химическими загрязнителями окружающей среды.
Все остальные компоненты являются либо дымообразующими, либо токсичными веществами, оказывающими вредное влияние на человека и окружающую среду.
соединения серы (S02, S03 и др.); продукты неполного сгорания углеводородного топлива — сажа (С), моноокись углерода (СО), различные углеводороды, включая и кислородосодержащие (альдегиды, кетоны и др.), условно обозначаемые как СmHn, CmHnOp или просто СН; окислы азота с общим обозначением NОx; твердые (зольные) частицы, образующиеся из минеральных примесей в горючем; соединения свинца, бария и других элементов, входящих в состав присадок к топливам.
По сравнению с тепловыми двигателями других типов, токсичность ракетных двигателей имеет свои особенности, обусловленные специфическими условиями их эксплуатации, применяемыми топливами и уровнем их массовых расходов, более высокими значениями температур в реакционной зоне, эффектами догорания выхлопных газов в атмосфере, спецификой конструкций двигателей.
Отработавшие ступени ракет-носителей (РН), падая на землю, разрушаются и оставшиеся в баках гарантированные запасы стабильных компонентов топлива загрязняют и отравляют прилегающий к месту падения участок земли или водоем.
Китайские крестьяне у места падения первой ступени ракеты «Великий поход»: ступень на «вонючке» (НДМГ+АТ). Оранжевое облако на снимке-пары амила, крайне невеселая штука в плане токсичности и канцерогенности. Зря там эти люди толпятся, зря.
С целью повышения энергетических характеристик ЖРД компоненты топлива подаются в камеру сгорания при соотношении, соответствующем коэффициенту избытка окислителя αдв 0,99 при доверительной вероятности 0,95 необходимо провести n = 300 безотказных испытаний, а для Рн > 0,999 – n =1000 безотказных испытаний.
Если рассматривать ЖРД, то процесс отработки проводится в следующей последовательности:
— испытания элементов, агрегатов (узлы уплотнения и опоры насосов, насос, газогенератор, камера сгорания, клапан и др.);
— испытания систем (ТНА, ТНА с ГГ, ГГ с КС и др.);
— испытания имитатора двигателя;
— испытания двигателя;
— испытания двигателя в составе ДУ;
— летные испытания ЛА.
В практике создания двигателей известны 2 метода стендовой доводки: последовательный (консервативный) и параллельный (ускоренный).
Испытательный стенд–это техническое устройство для установки объекта испытания в заданное положение, создания воздействий, съема информации и осуществления управления процессом испытаний и объектом испытаний.
Испытательные стенды различного назначения обычно состоят из двух частей, соединенных коммуникациями:
— исполнительной, состоящей из объекта испытания и систем, обеспечивающих воздействие различных эксплуатационных факторов;
— командной в виде пульта управления и систем информации (преобразование, анализ и отображение информации о параметрах объекта испытания).
Схемки дадут понимания больше, чем мои словесные конструкции:
испытателям и тем кто работал с НДМГ/гептил/ были дарованы при СССР: 6-ти часовой рабочий день, отпуск 36 рабочих дней, выслуга лет, уход на пенсию в 55 лет при условии работы во вредных условиях в течение 12,5 лет, бесплатное питание, льготные путевки в санатории и д/о. Они были прикреплены по медицинскому обслуживанию к 3-му ГУ Минздрава, как и предприятия Средмаша, с обязательной регулярной диспансеризацией. Смертность в отделах была намного выше, чем в среднем по предприятиям отрасли, в основном по онкологическим заболеваниям, хотя их и не относили к профессиональным.
В настоящее время для вывода тяжелых грузов (орбитальных станций с массой до 20 тонн) в РФ применяется РН “Протон” с использованием высокотоксичных компонентов топлива НДМГ и АТ. Для уменьшения вредного влияния РН на окружающую среду была проведена модернизация ступеней и двигателей ракеты (“Протон-М”) с целью значительного уменьшения остатков компонента в баках и магистралях питания ДУ.
Ещё для вывода полезных нагрузок в России используются (или использовались) относительно дешевые конверсионные ракетные системы “Днепр”, “Стрела”, “Рокот”, “Циклон” и “Космос-3М”, работающие на токсичных топливах.
Была идея (расскажу отдельно про ОКР), перевести эти двигатели с компонентов топлива АТ+НДМГ на экологически чистые. Например, на кислород и керосин. Много занимались этим вопросом в КБХА.Задача оказалась далеко не простая. Совместно с КМЗ /Красноярск/ более 10 лет продолжаются работы по переводу двигателя 3Д-37. Фактически получается почти новый двигатель, хотя там оставалась «кислая» схема и не было вопросов по охлаждающей способности КС. Этот двигатель получил индекс РД-0155 и РКЦ Макеева рассматривает его возможное применение в «Воздушном старте».
Для запуска пилотируемых кораблей с космонавтами используются только (и у нас, и в мире, кроме Китая) ракеты-носители “Союз” на кислородно-керосиновом топливе.
Самые экологические ТК это Н2+О2, затем следуют керосин+О2, или УВГ+О2.
«Вонючки» самые токсичные и завершают экологический список (фтор и прочую экзотику я не рассматриваю).
Примечание: стехиометрический расход дан для воздуха, но сути это сильно не меняет.
Водород и испытательные стенды ЖРД для такого топлива имеют свои «примочки». В начальной стадии работ с водородом ввиду его значительной взрыво– и пожароопасности в США не было единого мнения о целесообразности дожигания всех видов выбросов водорода. Так, фирма «Пратт-Уитни» (США) придерживалась мнения, что сжигание всего количества выбрасываемого водорода гарантирует полную безопасность испытаний, поэтому над всеми вентиляционными трубами сброса водорода испытательных стендов поддерживается пламя газообразного пропана.
Фирма «Дуглас-Эркрафт» (США) считала достаточным выпускать газообразный водород в малых количествах через вертикальную трубу, находящуюся на значительном удалении от мест проведения испытаний, без его дожигания.
В Российских стендах в процессе подготовки и проведения испытаний дожигаются выбросы водорода с расходами более 0,5 кг/с. При меньших расходах водород не дожигается, а отводится из технологических систем испытательного стенда и сбрасывается в атмосферу через дренажные выводы с азотными поддувами.
С токсичными компонентами РТ («вонючими») дело обстоит значительно хуже. Как при испытаниях ЖРД:
Так и при пусках (и аварийных, и успешных):
Вопрос ущерба, наносимого окружающей среде, при возможных авариях на участке вывода и при падении отделяющихся частей ракет очень важен, так как эти аварии практически не прогнозируемы.
В западной части Алтае-Саянского региона расположены шесть районов (полей) падения вторых ступеней РН, запускаемых с космодрома Байконур. Четыре из них, входящие в зону Ю-30 (№№ 306, 307, 309, 310) расположены в крайней западной части региона, на границе Алтайского края и Восточно-Казахстанской области. Входящие в зону Ю-32 районы падения №№ 326, 327 расположены в восточной части республики, в непосредственной близости от оз. Телецкое.
Районы падения №№ 306, 307, 309 используются с середины 60-х годов (по официальным данным) для приземления вторых ступеней РН «Союз» и ее модификаций (на углеводородных топливах); остальные районы – с начала 70-х годов для приземления фрагментов вторых ступеней РН «Протон» (на гидразинном топливе).
В случае использования ракет с экологически чистыми компонентами топлива мероприятия по ликвидации последствий в местах падения отделяющихся частей сводятся к механическим способам сбора остатков металлоконструкций.
Особые мероприятия должны проводиться по ликвидации последствий падения ступеней, содержащих тонны невыработанного НДМГ, который проникает в почву и, хорошо растворяясь в воде, может распространяться на большие расстояния. Азотный тетроксид быстро рассеивается в атмосфере и не является определяющим фактором заражения местности. По проведенным оценкам, требуется не менее 40 лет для полной рекультивации земли, используемой в качестве зоны падения ступеней с НДМГ в течение 10 лет. При этом должны быть проведены работы по выемке и перевозке значительного количества грунта из мест падения. Исследования в местах падения первых ступеней РН «Протона» показали, что зона заражения грунта при падении одной ступени занимает площадь
50 тыс. м2 с поверхностной концентрацией в центре 320-1150 мг/кг, что в тысячи раз превышает предельно допустимую концентрацию.
В настоящее время не существует эффективных способов нейтрализации зараженных зон горючим НДМГ.
Всемирной организацией здравоохранения НДМГ внесен в список особо опасных химических соединений. Гептил в 6 раз токсичнее синильной кислоты.
Продукты сгорания гептила и амила (окисления) при испытании ракетных двигателей или запуске ракет носителей.
В «вики» всё просто и безобидно:
а в жизни Км и альфа: массовое соотношение окислитель/горючее 1,6:1 или 2,6:1 = совершенно дикий избыток окислителя (пример: N2O4: НДМГ = 2.6:1 (260 г. и 100 г. соответственно)):
Когда этот коктейль встречается с другим коктейлем-нашим воздухом+органика(пыльца)+ пыль+оксиды серы+ метан+пропан+и тд, то результаты окисления выглядят так:
Нитрозодиметиламин (химическое название: N-метил-N-нитрозометанамин). Образуется при окислении гептила амилом. Хорошо растворим в воде. Вступает в реакции окисления и восстановления, с образованием гептила, диметилгидразина, диметиламина, аммиака, формальдегида и других веществ. Является высоко токсичным веществом 1-го класса опасности. Канцероген, обладает кумулятивными свойствами. ПДК: в воздухе рабочей зоны – 0,01 мг/м3, то есть в 10 раз более опасный по сравнению с гептилом, в атмосферном воздухе населенных пунктов — 0,0001 мг/м3 (среднесуточная), в воде водоемов-0,01 мг/л.
Тетраметилтетразен (4,4,4,4-тетраметил-2-тетразен)-продукт разложения гептила. Ограниченно растворим в воде. Стабилен в абиотической среде, в воде очень стабилен. Разлагается с образованием диметиламина и ряда неидентифицированных веществ. По токсичности имеет 3-й класс опасности. ПДК: в атмосферном воздухе населенных пунктов – 0,005 мг/м3, в воде водоемов–0,1 мг/л.
Оксид углерода (угарный газ)-продукт неполного сгорания органических (углеродсодержащих) видов топлива. Монооксид углерода может длительно (до 2 месяцев) находиться в воздухе без изменения. Оксид углерода-яд. Связывает гемоглобин крови в карбоксигемоглобин, нарушая способность к переносу кислорода к органам и тканям человека. ПДК: в атмосферном воздухе населенных мест — 5,0 мг/м3 (максимально разовая) и 3,0 мг/м3 (среднесуточная). При наличии в воздухе одновременно оксида углерода и соединений азота токсическое действие оксида углерода на людей усиливается.
Формальдегид (муравьиный альдегид)-токсин. Формальдегид обладает резким запахом, он сильно раздражает слизистые оболочки глаз и носоглотки даже при незначительных концентрациях. Оказывает обще-токсическое действие (поражение центральной нервной системы, органов зрения, печени, почек), Оказывает раздражающее, аллергенное, канцерогенное, мутагенное действие. ПДК в атмосферном воздухе: среднесуточная — 0,012 мг/м3, максимально разовая — 0,035 мг/м3.
Интенсивная ракетно-космическая деятельность на территории России в последние годы породила огромное количество проблем: загрязнение окружающей среды отделяющимися частями ракет-носителей, токсическими компонентами ракетного топлива (гептил и его производные, азотный тетраоксид и др.)
Вся история взаимоотношений нашей страны с гептилом — это химическая война, только химическая война не то что необъявленная, а просто нами неопознанная.
Кратко о военном применении гептила:
Были ступени противоракет систем ПРО, морские баллистические ракеты подводных лодок (БРПЛ), космические ракеты, разумеется ракеты ПВО, а также оперативно-тактические ракеты (средней дальности).
Всего получается по крайней мере шесть направлений. Армия и Флот оставили «гептиловый» след во Владивостоке и на Дальнем Востоке, Северодвинск, Кировская область и ряд окрестностей, Плесецк, Капустин Яр, Байконур, Пермь, Башкирия и т.д.
Нельзя забывать, что ракеты перевозились, ремонтировали, переснаряжали и т.д., и все это на суше, вблизи промышленных мощностей, где этот гептил и производили.
Про аварии с этими высокотоксичными компонентами и про информирование органов гражданской власти, ГО (МЧС) и населения — кто знает, тот расскажет больше.
Необходимо помнить места производства и испытания двигателей находятся не в пустыне: Воронеж, Москвуа (Тушино), завод «Нефтеоргсинтез» в Салавате (Башкирия) и т.д.
На боевом дежурстве в РФ находится несколько десятков МБР Р-36М, УТТХ/Р-36М2
и УР-100Н УТТХ с гептильной заправкой. 
На фото: «Рокот» (14А05), спроектированная в Центре имени Хруничева на базе МБР РС-18(УР-100Н УТТХ)
К сожалению, более трудно даются координаты деятельности войск ПВО, оперировавших ракетами С-75, С-100, С-200.
Раз в несколько лет гептил сливали и будут сливать из ракет, отвозить в холодильных установках через всю страну на переработку, привозить обратно, вновь заливать и так далее. Не избежать железно-дорожных и автомобильных аварий (бывало и такое). Армия будет работать с гептилом, а страдать будут все-не только сами ракетчики.
Ещё беда-наши низкие среднегодовые температуры. Американцам проще.
По утверждению экспертов Всемирной организации здравоохранения, срок нейтрализации гептила, являющегося токсичным веществом I класса опасности, на наших широтах составляет: в почве — более 20 лет, в водоемах — 2-3 года, в растительности — 15-20 лет.
И если обороноспособность страны дело святое и в 50-х по 90-е мы просто вынуждены были мириться с этим (либо гептил, либо воплощение в реальность одной из 10 программ нападения США на СССР), то сегодня есть ли смысл и логика, используя ракетоносители на НДМГ и АТ для запуска иностранных КА, получать за услугу деньги и при этом травить свой народ или народ дружественного нам Казахстана?
С одной стороны: отсутствие затрат на утилизацию боевых РН (МБР, БРПЛ, ЗУР, ОТР) и даже получение прибыли и экономия затрат на вывод ПН на орбиту;
С другой стороны: вредное воздействие на окружающую среду, население в зоне пуска и падения, отработанных ступеней конверсионных РН;
А с третьей стороны: без РН на высококипящих компонентах РФ сейчас обойтись не может.
ЖЦИ Р-36М2/РС-20В Воевода (SS-18 mod.5-6 SATAN) по некоторым политическим аспектам (ПО Южный Машиностроительный Завод (г.Днепропетровск)), да и просто по временной деградации не может быть продлён.
Перспективная тяжелая межконтинентальная баллистическая ракета РС-28 / ОКР Сармат, ракета 15А28 — SS-X-30(проект) будет на высококипящих токсичных компонентах.
Отстаём мы несколько в РДТТ и особенно в БРПЛ:
Поэтому для ПЛАРБ будет использоваться лучшая в мире (по энергетическому совершенству, и вообще шедевр) БРПЛ Р-29РМУ2.1 /ОКР Лайнер: на АТ+НДМГ.
Да, можно возразить, уже давно в РВСН и ВМФ применяется ампулизация и многие проблемы решены: хранение, эксплуатация, безопасность личного состава и боевого расчёта.
Но использовать конверсионные МБР для коммерческих запусков-«опять те же грабли».
Старые (истёк гарантированный срок хранения) МБР, БРПЛ, ТР и ОТР хранить вечно-тоже нельзя.
Где этот консенсус и каким образом его изловить-я точно не знаю.
Кратко: системы заправки стартовых комплексов РН с применением токсичных компонентов
На СК для РН “Протон” обеспечение безопасности работ при подготовке и проведении пуска ракеты и обслуживающего персонала при выполнении операций с источниками повышенной опасности было достигнуто с помощью применения дистанционного управления и максимальной автоматизации процессов подготовки и проведения пуска РН, а также операций, проводимых на ракете и технологическом оборудовании СК в случае отмены пуска ракеты и ее эвакуации с СК. Конструктивной особенностью стартовых и заправочных агрегатов и систем комплекса, обеспечивающих подготовку к пуску и проведение пуска, является то, что стыковка заправочных, дренажных, электро- и пневмокоммуникаций производится дистанционно, а отстыковка всех коммуникаций осуществляется в автоматическом режиме. На стартовом комплексе отсутствуют кабельные и кабель-заправочные мачты, их роль выполняют стыковочные механизмы пускового устройства.
Стартовые комплексы РН “Космос-1” и “Космос-3М” создавались на базе комплексов баллистических ракет Р-12 и Р-14 без существенных доработок по ее связям с наземным оборудованием.
Это обусловило наличие на стартовом комплексе множества ручных операций, в том числе на заправленной компонентами топлива РН. В последующем многие операции были автоматизированы и уровень автоматизации работ на комплексе РН “Космос-3М” уже составляет более 70%.
Однако некоторые операции, в том числе повторное подсоединение заправочных коммуникаций для слива топлива в случае отмены пуска, выполняются вручную. Основными системами СК являются системы заправки компонентами топлива, сжатыми газами и система дистанционного управления заправкой. Кроме того, в составе СК имеются агрегаты, уничтожающие последствия работы с токсичными компонентами топлива (дренируемые пары КРТ, водные растворы, образующиеся при различного рода смывах, промывках оборудования).
Основное оборудование систем заправки–емкости, насосы, пневмогидросистемы– размещаются в железобетонных сооружениях, заглубленных в землю. Хранилища КРТ, сооружение для сжатых газов, система дистанционного управления заправкой располагаются на значительных расстояниях друг от друга и стартовых устройств в целях обеспечения их сохранности в аварийных случаях.
На стартовом комплексе РН “Циклон” автоматизированы все основные и многие вспомогательные операции.
Уровень автоматизации по циклу предстартовой подготовки и пуска РН составляет 100 %.
Дезинтоксикация гептила:
Сущность способа уменьшения токсичности НДМГ заключается в подаче в топливные баки ракет 20 % раствора формалина:
(CH3)2NNH2 + CH2O = (CH3)2NN=CH2 + H2O + Q
Данная операция в избытке формалина приводит к полному (100 %) уничтожению НДМГ путем его превращения в диметилгидразон формальдегида за один цикл обработки за время 1-5 секунд. При этом исключается образование диметилнитрозоамина (CH3)2NN=О.
Следующей фазой процесса является уничтожение диметилгидразона формальдегида (ДМГФ) путем добавления в баки уксусной кислоты, вызывающей димеризацию ДМГФ в бис-диметилгидразон глиоксаля и полимерную массу.Время проведения реакции — около 1 минуты:
Образующаяся масса умеренно токсична, хорошо растворима в воде.
Пора закругляться, в послесловии не удержусь и опять процитирую С.Лукьяненко:
«– А людей они зовут извозчиками.
– Рептилоид указующе протянул ко мне короткую лапку.«
– Ты космонавт, внучек? – спросила бабка. Скорее утверждающе, чем вопросительно. Куртка моя была слишком уж характерная.
Всегда нам говорили о великом будущем. О счастье человечества. Я ведь коммунизм строила… потом капитализм… пыталась… Все мы ради этого терпели. Ради будущего, ради счастья… Сейчас вы звездное будущее строите. Мальчик, ты веришь, что это не зря?
Верят ли эти люди в звездное будущее человечества? Нужно ли оно им, замотанным транспортными проблемами и перебоями с теплом в квартирах, плановыми отключениями электроэнергии и дороговизной продуктов? Что дал им космос – кроме страха перед чужими мирами и вымученной гордости за планету Земля, за ее космические корабли – самые быстрые в Галактике…