способ сжигания твердого ракетного топлива

Формула изобретения

Способ сжигания твердого ракетного топлива РДТТ, установленного на стенде в горизонтальном положении, заключающийся в сжигании твердого ракетного топлива и очистке продуктов сгорания с последующим выбросом оставшихся газов в атмосферу, отличающийся тем, что для очистки продуктов сгорания используют тоннель, объем которого не менее объема образующихся продуктов сгорания, и до начала сжигания в тоннеле устанавливают проточный режим путем прокачки через него воздуха с массовым расходом, соответствующим максимальному массовому расходу продуктов сгорания сжигаемого топлива, а в процессе сжигания для постепенного заполнения тоннеля продуктами сгорания регулируют массовый расход воздуха через вход тоннеля в соответствии с расходной массовой характеристикой продуктов сгорания, затем в момент окончания сжигания прокачку воздуха через тоннель прекращают и продукты сгорания выдерживают в нем до завершения нестационарных процессов, после чего через тоннель продувают воздух в режиме, обеспечивающем разбавление и выброс в атмосферу оставшихся газов в допустимой концентрации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии уничтожения крупногабаритных твердотопливных ракетных двигателей (РДТТ).

Известен способ сжигания твердого ракетного топлива путем сжигания РДТТ на открытом стенде. Двигатель без соплового блока или без сопла и крышки устанавливают в горизонтальном положении на специальном стапеле, обеспечивающем его удержание на стенде при горении. При отсутствии сопла и крышки уменьшается давление в канале заряда, скорость истечения, температура и массовый расход продуктов сгорания (ПС), что снижает высоту подъема образующего облака ПС (Гребенкин В.И. и др. Итоги экспериментальных бессопловых сжиганий РДТТ и перспективах отработки технологии и утилизации и Марьяш В.И. и др. Стенд для огневых испытаний РДТТ без сопла и крышки // Сб. "Проблемные вопросы методологии утилизации смесевых твердых ракетных топлив, отходов и остатков жидких ракетных топлив в элементах ракетно-космической техники" - Бийск, 2003, с.23-27).

Открытое сжигание РДТТ без сопла и крышки позволяет сократить зону воздействия вредных ПС, но не обеспечивает экологической безопасности в этой зоне.

Известен способ открытого сжигания РДТТ без соплового блока, согласно которому используют водяную систему экологической защиты путем впрыска воды в исходящую струю ПС. При горизонтальном положении РДТТ вода подается в струю снизу через коллекторы, расположенные вдоль факела струи. Часть водяного потока, захватывающая из струи частицы оксида алюминия и соляную кислоту, отводится через сливные водоводы в отстойник, где нейтрализуется известью. Оставшаяся часть воды переходит в пар и поднимается в атмосферу в составе облака ПС (Марьяш В.И. и др. Результаты использования водяной экологической защиты при статических испытаниях энергоустановок // Сб. "Проблемные вопросы методологии утилизации смесевых твердых ракетных топлив, отходов и остатков жидких ракетных топлив в элементах ракетно-космической техники" - Бийск, 2003, с.77-82).

Однако использование водяной экологической защиты при открытом сжигании РДТТ не исключает попадания в почву вредных веществ вместе со сточными водами из нейтрализатора и в результате выпадения кислотных осадков.

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности является способ локализованного сжигания малогабаритных РДТТ с системой очистки ПС. Способ предусматривает сжигание горизонтально установленного двигателя в замкнутом объеме, прокачку ПС по газоводу в циклон, во время которой происходит их охлаждение и очистка орошением. После окончательной очистки в циклоне оставшиеся газы выбрасываются в атмосферу, а сточные воды собираются в нейтрализатор. Полученный после нейтрализации шлам утилизируется путем захоронения (Соколовский М.И. и др. Опыт экологически чистой утилизации малогабаритных РДТТ". // Сб. "Проблемные вопросы методологии утилизации смесевых твердых ракетных топлив, отходов и остатков жидких ракетных топлив в элементах ракетно-космической техники" - Бийск, 2003, с.61-63).

Указанный способ применяется для утилизации РДТТ с массой топлива до 20 кг и массовым расходом ПС до 15 кг/с. Для очистки ПС, образующихся при сжигании крупногабаритных РДТТ, потребуются очистные сооружения (скрубберы, циклоны) большой мощности, поскольку массовые расходы ПС таких двигателей весьма значительные и в начале сжигания могут составлять до 500 кг/с (без сопла). Известные скрубберы и циклоны не могут обеспечить необходимую степень очистки ПС за короткое время сжигания двигателя (100-150 с). Кроме того, большое количество соляной кислоты (до 10% от веса заряда), образующееся при сжигании крупногабаритного РДТТ, приведет к быстрой коррозии очистных сооружений.

Задачей изобретения является обеспечение высокой экологической безопасности при сжигании крупногабаритных РДТТ за счет создания эффективной системы очистки продуктов сгорания.

Поставленная задача решается заявленным способом сжигания твердого ракетного топлива, в котором РДТТ устанавливают на стенде в горизонтальном положении, а для очистки ПС используют тоннель, объем которого не менее объема образующихся продуктов сгорания, и до начала сжигания в тоннеле устанавливают проточный режим путем прокачки через него воздуха с массовым расходом, соответствующим максимальному массовому расходу продуктов сгорания сжигаемого топлива, а в процессе сжигания для постепенного заполнения тоннеля продуктами сгорания регулируют массовый расход воздуха через вход тоннеля в соответствии с расходной массовой характеристикой продуктов сгорания. Затем в момент окончания сжигания прокачку воздуха через тоннель прекращают и продукты сгорания выдерживают в нем до завершения нестационарных процессов, после чего через тоннель продувают воздух в режиме, обеспечивающем разбавление и выброс в атмосферу оставшихся газов в допустимой концентрации.

Тоннель может быть изготовлен, например, подземным (путем проходки, как в шахте), либо открытым способом (вскрытие земной поверхности по всей длине тоннеля с последующим настилом перекрытия). Его конструктивные особенности определяются характеристиками сжигаемых крупногабаритных РДТТ.

При реализации способа стенд с двигателем устанавливают таким образом, чтобы отверстие для выхода струи ПС находилось напротив входа в тоннель или непосредственно в тоннеле. Для прокачки воздуха в тоннеле используют вентилятор соответствующей мощности, установленный в конце тоннеля. Работу вентилятора регулируют датчики массового расхода ПС. Можно составить программу временного режима работы вентилятора с учетом массы и условий сжигания топлива, условий охлаждения и осаждения ПС в тоннеле, условий продувки тоннеля после окончания в нем всех нестационарных процессов и ветровых условий в атмосфере.

Установление проточного режима в тоннеле (прокачка воздуха через тоннель) до начала сжигания необходимо для того, чтобы струя факела ПС с максимальным расходом сразу вошла в тоннель, и ПС начали заполнять тоннель, не имея возможности обратного хода. По мере сжигания топлива массовый расход ПС уменьшается и, чтобы ПС не достигли конца тоннеля раньше, чем закончится горение твердого топлива, необходимо так регулировать работу вентилятора, чтобы массовый расход воздуха на входе в тоннель в процессе сжигания соответствовал массовой расходной характеристике продуктов сгорания.

Все нестационарные процессы, происходящие в тоннеле после выключения вентилятора (охлаждение ПС, осаждение частиц на дно и стенки тоннеля, конденсация и др.), регистрируются приборами, используемыми для этих целей при исследованиях процессов сжигания твердых ракетных топлив.

Выброс в атмосферу оставшихся газов после завершения нестационарных процессов в тоннеле происходит через обычную трубу высотой 50-100 м, установленную в конце тоннеля. Режим работы вентилятора при этом определяется атмосферными условиями и концентрацией оставшихся в тоннеле газов.

Существенным отличием настоящего изобретения от прототипа является новая система очистки ПС в виде тоннеля и условия, определяющие его заполнение, выдержку ПС в тоннеле и выброс оставшихся газов в атмосферу. Тоннель заменяет необходимое для очистки ПС оборудование (скрубберы, циклоны, нейтрализаторы, газоводы и т.п.).

Данный способ выгодно использовать при сжигании крупногабаритных РДТТ, т.к. в нем для очистки ПС не требуются мощные очистные устройства, но при этом обеспечивается высокая экологическая безопасность. Согласно описанному способу ПС непосредственно в момент начала сжигания направляются в тоннель, заполняют его в процессе сжигания без выхода в атмосферу и находятся в нем до окончания всех нестационарных процессов. В тоннеле остаются все наиболее вредные вещества (HCl, Al₂О₃, диоксины, бенз(а)пирены, сажа и др.), а оставшиеся газы выбрасываются в атмосферу в допустимой концентрации.

Возможность реализации заявленного способа проверена в модельных экспериментах на малогабаритных образцах. На основании экспериментов сделаны численные оценки при сжигании РДТТ с массой топлива 40000 кг.

Сжигание такой массы ТРТ дает объем облака ПС ˜40000 м³. Для очистки этого объема ПС можно использовать тоннель длиной 1000 м, шириной 10 м и высотой 4 м. Отметим, что это максимальная оценка, т.к. по мере охлаждения и конденсации ПС их объем будет уменьшаться. Максимальный массовый расход ПС при сжигании указанного РДТТ без соплового блока составляет около 500 м³/с. Поэтому для обеспечения проточного режима в тоннеле на его выходе следует устанавливать вентилятор, обеспечивающий просос воздуха 500 м/с (аналогично тому, как это осуществляется в шахтных выработках). Чтобы установить проточный режим в тоннеле, вентилятор включают за 120-180 с до начала сжигания. Время сжигания топлива такого РДТТ составляет 100-150 с. Вентилятор во время сжигания работает в режиме, при котором массовый расход воздуха пропорционален массовому расходу ПС на входе в тоннель, который определяется из массовой расходной характеристики ПС (аналогичные расходные характеристики показаны в упомянутом сборнике на с. 22). При таком режиме работы ПС заполняют тоннель за 150 с без выхода в атмосферу.

Последующие нестационарные процессы проходят в тоннеле при выключенном вентиляторе. Расчеты показали, что нестационарные процессы практически завершаются через 24 часа после сжигания двигателя. Температура в тоннеле на первых 200-300 м составляет 1000°С в слое стены толщиной от 0,02 до 0,1 м (если принять теплопроводность песчаной почвы около стенда равной 1 Вт/м·К, что согласуется со справочными данными). После выключения вентилятора и остановки движения ПС стенки тоннеля начнут медленно охлаждаться. Время охлаждения составляет около 20 часов. В течение первых 150 с осаждение ПС в виде аэрозолей будет происходить по седиментационному, а также по термофоретическому механизму, т.е. за счет градиентов температур по всему тоннелю. Затем основную роль будет играть коагуляционный процесс с последующей седиментацией основной массы аэрозолей на пол тоннеля. Процесс осаждения ПС займет около 24 часов.

Следует отметить, что при заполнении тоннеля струей ПС происходит частичное уничтожение диоксинов и бенз(а)пиренов. В начале сжигания взаимодействие струи с нагретыми до 1000°С стенками тоннеля автоматически приводит к разложению этих токсикантов. При последующем сжигании нового двигателя факел струи будет дополнительно выжигать оставшиеся после предыдущего сжигания сконденсировавшиеся вредные компоненты ПС.

Проведенные на основании модельных экспериментов расчеты показали, что средняя толщина осадка оксида алюминия при сжигании одного РДТТ с 40000 кг топлива составит 0,0001-0,001 м, а глубина разрушения породы и бетона от образующейся соляной кислоты - 0,0001÷0,0003 м. Это позволит сжигать в одном тоннеле несколько сотен крупногабаритных РДТТ, не проводя его очистки. При этом геометрия тоннеля практически не изменится.

После окончания работ по уничтожению РДТТ сжиганием или после выработки ресурса (например, превышение норм загрязнения, разрушение стенок и пр.) тоннель консервируется на 10-20 лет, как это принято в практике захоронения полиэтиленовых материалов.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет решить актуальную проблему экологической безопасности при уничтожении крупногабаритных РДТТ.