способ уничтожения невыработанных остатков жидких компонентов ракетных топлив в отработанных ступенях жидкостных ракет

Формула изобретения

Способ уничтожения невыработанных остатков жидких компонентов ракетных топлив в отработанных ступенях жидкостных ракет путем их термического преобразования, отличающийся тем, что уничтожение производят на этапе спуска ступени после ее входа в атмосферу и ориентации двигательным отсеком вперед, при этом окислитель и горючее одновременно подают в специальную камеру дожигания, размещенную в нижней части ступени, за счет давления газов наддува топливных баков и гидростатического давления компонентов, а выхлоп продуктов сгорания осуществляют не в донную часть ступени.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ракетной технике и может быть применено в ракетах-носителях (РН), использующих токсичные и экологически опасные компоненты ракетных топлив (КРТ).

Известно, что подавляющее большинство типов жидких КРТ являются токсичными вeществами либо веществами, вызывающими длительное загрязнение окружающей среды. Особо актуальным является этот вопрос для районов падения отработанных ступеней РН, так как при ударе о Землю разрушаются их топливные баки, содержащие невыработанные остатки КРТ.

По статистике масса этих остатков для первых ступеней РН легкого класса (например РН "Космос") составляет около 300 кг по горючему - несимметричному диметилгидразину (НДМГ) и около 1000 кг - по окислителю на основе азотной кислоты (АК). Для первых ступеней тяжелых РН (например РН "Протон") невыработанный остаток по НДМГ составляет около 1200 кг и по азотному тетраоксиду - около 3600 кг.

Основу невыработанных остатков составляет так называемый гарантийный запас КРТ, необходимый для компенсации среднестатистических отклонений от нормы в работе системы управления РН, среднестатистических отклонений от нормы состояния атмосферы и т.п. Для снижения массы гарантийных запасов либо для изменения режима работы ступени до полной выработки одного из компонентов топлива необходима существенная доработка системы управления РН, что экономически не всегда целесообразно. Таким образом, проблема загрязнения окружающей среды невыработанными остатками КРТ в районах падения ступеней в обозримом будущем останется актуальной.

Известен способ ликвидации невыработанных остатков жидких КРТ путем их рассеивания за пределами верхней границы атмосферы Земли на высотах более 100 км. Суть этого способа, реализованного в настоящее время на второй ступени РН "Протон", заключается в том, что сразу после ее отделения подается команда на принудительное открытие заправочно-сливных и дренажно-предохранительных клапанов баков окислителя и горючего ступени.

За весьма продолжительное время движения обработанной ступени на заатмосферном участке траектории спуска (10...15 минут) происходит полная вакуумная очистка баков. При этом большая часть (~80%) KPТ переходит в газообразное состояние, а остальная часть кристаллизуется вследствие понижения температуры КРТ во время кипения в условиях вакуума. Paзмеры кристаллов определяются равновесным состоянием капель при температуре кристаллизации и составляют от 0,7 до 5 мкм. Эти кристаллы рассеивается на гигантской площади и не вызывают загрязнения окружающей среды. Однако описанный способ не применим для первых cтупеней РН по следующим причинам. Во-первых, высота отделения I ступеней составляет 40...70 км, а время их движения на высотах свыше 35...40 км, на которых еще возможна эффективная вакуумная очистка баков, очень мало (1,0...1,5 мин). Во-вторых, из-за больших по массе остатков КРТ на I ступенях, малой площади их рассеяния, непрерывного роста давления по траектории спуска и пребывания по этой причине большей части сдренированных КРТ в капельно-жидком состоянии велика вероятность их выпадения на Землю с атмосферными осадками либо в чистом виде.

Известно, что в общем случае уничтожение либо утилизация вредных химических веществ сводится к их химическому преобразованию с получением безвредных продуктов реакции. Это возможно, во-первых, за счет химического взаимодействия вредных веществ с так называемыми веществами-нейтрализаторами, например основаниями - для нейтрализации окислителей на базе АК или AT; органическими и минеральными кислотами, а также сильными окислителями - для нейтрализации НДМГ. Возможно также химическое взаимодействие вредных веществ ряда гидразинов и аминов с веществами-комплексообразователями с получением устойчивых безвредных комплексных соединений. Во-вторых, возможно каталитическое окисление азотводородов (типа гидразиновых) и аминов кислородом воздуха в специальных установках. Реализация перечисленных выше способов, за исключением последнего, требует большого количества нейтрализаторов: от 0,7 до 0,9 кг на 1 кг окислителя типа АК или AT, до 16...24 кг на 1 кг горючего типа НДМГ. Последний же способ (каталитическое окисление) применим только по отношению к горючим и не применим по отношению к окислителям.

Известен ряд термических методов уничтожения вредных веществ [1]. Источником тепла при этом выступает химическая реакция сгорания дополнительного, как правило углеводородного, топлива в воздухе. При этом возможно также предварительное растворение или перемешивание токсичных горючих типа НДМГ с бензином, спиртом, керосином с последующим их сжиганием на противнях. Аналогично поступают при проливах НДМГ на грунт. Зараженный грунт перемешивают с опилками (или торфом) и керосином, а затем сжигают.

Известен также термический способ уничтожения паров КРТ, их водных растворов (так называемых промстоков) и КРТ в виде жидкости в промышленных печах, в которых нейтрализуемые вещества подают в зону горения углеводородного топлива (как правило, используется керосин). Данный способ взят в качестве прототипа [2]. Суть данного способа заключается в том, что промcток попадает в высокотемпературный поток газа с требуемыми химическими свойствами. Так, для уничтожения ракетных окислителей на базе AT и АК требуется температура Т~ 1600. . .1800 К и восстановительный состав продуктов горения. Для уничтожения азотоводородов типа НДМГ и аминов требуется температура Т~1000 К и окислительная среда. Состав среды и температура создаются за счет подбора соотношения массовых расходов воздуха и углеводородного топлива, применяемого на данной установке.

Прототип имеет следующие недостатки. Во-первых, для реализации этого способа требуется большое количество керосина или иного топлива (от 0,1 до 0,5 кг керосина на 1 кг водного раствора уничтожаемого вещества). Во-вторых, для сгорания керосина требуется воздух, что ограничивает либо делает невозможным применение этого метода на больших высотах. В-третьих, в связи с тем, что для нейтрализации окислителя и горючего требуются существенно разные условия, затрудняется их одновременное уничтожение в одном агрегате такого типа. Необходимо также отметить, что очень близким аналогом является способ одновременного термического преобразования окислителя и горючего в продукты реакции в камерах сгорания ракетных двигателей и в камерах сгорания газогенераторов ракетных двигателей [3]. Однако преобразование КРТ в указанных агрегатах происходит не с целью их полного обезвреживания, а с целью получения газов с высокой работоспособностью либо с определенным составом, что, как правило, слабо согласуется с понятием "экологическая безопасность" продуктов сгорания. Кроме того, способ подачи КРТ в эти агрегаты либо насосный, либо вытеснительный при очень высоких исходных давлениях. И, наконец, истечение продуктов сгорания из этих агрегатов в окружающую среду всегда в конечном счете происходит либо через сопло двигателя, либо через выхлопную систему турбины, выходящую во всех случаях на донную часть ракеты. Последнее обстоятельство при выключенном двигателе исключает использование таких устройств для уничтожения невыработанных остатков КРТ, так как ступень на этапе спуска в атмосфере движется двигательным отсеком вперед и давление торможения набегающего потока воздуха на днище ракеты очень высоко. Это создает противодавление выхлопу продуктов реакции и блокирует процесс подачи КРТ.

Задачей изобретения является разработка способа уничтожения невыработанных остатков КРТ на этапе спуска ступени (т.е. после ее отключения и до столкновения с Землей) на атмосферном участке траектории спуска. Эта задача решается путем одновременной подачи невыработанных остатков КРТ в специальную камеру дожигания, размещенную на борту ступени, в нижней ее части, например - в двигательном отсеке, после входа ступени в атмосферу и ее ориентации тяжелым двигательным отсеком навстречу набегающему потоку воздуха. При этом подача остатков КРТ, собравшихся у нижних днищ баков, в камеру дожигания происходит под действием остаточного давления наддува топливных баков и гидростатических сил, обусловленных, в свою очередь, высотой столба жидкости и величиной ускорения торможения. При этом гидравлические характеристики системы подачи КРТ в камеру дожигания подбирают такими, чтобы оба компонента поступали с такими же массовыми расходами, как и при их подаче в двигатель. Это обеспечит их практически одновременное окончание. Во избежание блокирования подачи КРТ давлением торможения набегающего потока выхлоп из камеры дожигания выведен не в донную часть ракеты.

Сущность изобретения заключается в установлении такой совокупности процессов, при которой остатки КРТ первоначально собираются у заборных устройств соответствующих баков и в нижерасположенных магистралях (от момента отделения ступени до момента начала ее торможения КРТ пребывают в состоянии невесомости в виде газожидкостной смеси), затем отбираются от расходных магистралей в наиболее низких точках до соответствующих отсечных клапанов и подаются в камеру дожигания. Соотношение расходов подаваемых КРТ подбирают такими, чтобы обеспечить одновременность их выработки, а общий их расход такой, чтобы они успели выработаться до падения ступени на Землю.

Суть изобретения поясняется работой типовой пневмогидравлической схемы первой ступени РН (см. чертеж) (элементы пневмогидравлической схемы, не имеющие отношение к существу изобретения, опущены).

На схеме позициями обозначено:

1 - камера сгорания ракетного двигателя;

2 - отсечной клапан окислителя (ОК "О") (срабатывает в момент отключения двигателя и перекрывает подачу окислителя в камеру сгорания);

3 - клапан сообщения нижней части заправочной магистрали окислителя с расходной магистралью окислителя;

4 - заправочно-сливной клапан окислителя ЗСК "О";

5 - заправочная магистраль окислителя;

6 - бак горючего;

7 - бак окислителя;

8 - заборное устройство в баке окислителя;

9 - заборное устройство в баке горючего;

10 - пусковой мембранный клапан окислителя (срабатывает в момент запуска двигателя, при этом мембрана вскрывается и окислитель поступает в двигатель; так как к рассматриваемому моменту времени мембрана вскрыта, на схеме она показана пунктиром);

11 - пусковой мембранный клапан горючего;

12 - заправочная магистраль горючего;

13 - заправочно-сливной клапан горючего (ЗСК "Г");

14 - клапан сообщения нижней части заправочной магистрали горючего с расходной магистралью горючего;

15 - насос горючего;

16 - насос окислителя (оба насоса на работающей ступени приводятся в действие турбиной, обозначенной буквой Т);

17 - клапан подачи горючего в камеру дожигания;

18 - камера дожигания;

19 - отсечной клапан горючего (ОК "Г");

20 - клапан подачи окислителя в камеру дожигания.

Способ уничтожения невыработанных остатков КРТ заключается в следующем. После ориентации ступени в атмосфере двигательным отсеком вперед и начала ее торможения остатки КРТ стекают к заборным устройствам 8 и 9 баков окислителя 7 и горючего 6 соответственно. Одновременно окислитель заполняет заправочную магистраль 5 выше заправочно-сливного клапана 4, расходную магистраль выше и ниже пускового клапана 10, насос окислителя 16 и расходную магистраль вплоть до отсечного клапана окислителя 2. По системе горючего невыработанные остатки аналогично сказанному выше заполняют заправочную магистраль 12 выше заправочно-сливного клапана 13, расходную магистраль выше и ниже пускового клапана 11, насос горючего 15 и расходную магистраль вплоть до отсечного клапана 19.

Время ориентации ступени в атмосфере и успокоение ее колебаний составляет не более 10. ..15% общего времени ее движения на атмосферном участке траектории спуска. Затем срабатывают клапаны 20 и 17 подачи остатков KРT в камеру дожигания 18 и клапаны 3 и 14 сообщения заправочных магистралей и расходных магистралей. Под действием газов наддува в баке окислителя Р_б ^о и горючего Р_б ^г компоненты поступают в камеру дожигания 18, где воспламеняются (сами или принудительно). Выхлоп продуктов сгорания выводится не в донную часть ступени. Точки забора остатков КРТ из заправочных магистралей 5 и 12 находятся в непосредственной близости от соответствующих заправочно-сливных клапанов 4 и 13. Точки забора КРТ из расходных магистралей находятся в непосредственной близости от отсечных клапанов 2 и 19, причем ниже точек врезки трубопроводов сообщения заправочных магистралей и расходных магистралей. После выработки остатков КРТ и разрушения топливных баков от удара о Землю в окружающую среду может попасть и со временем частично попадает та их часть, что осталась в элементах автоматики двигателя, а также - в виде пленки смачивания на стенках баков и трубопроводов и в виде пара в газах наддува. Общая их масса составляет десятки килограммов. Вопрос их уничтожения не является предметом настоящей заявки на изобретение.

Литература

1. Бернадинер М. Н., Шурыгин А.П. Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов. - М.: Химия, 1990. - 301 с.; подразделы 1.6; 4.3.

2. Пономаренко В.К. Ракетные топлива. - СПб: ВИККА им. А.Ф. Можайского, 1995. - 605 с.; с. 299-301.

3. Статьи "Газогенератор жидкостного ракетного двигателя" и "Камера ракетного двигателя" в кн. Космонавтика: Энциклопедия /Гл. ред. В.П. Глушко; Редколлегия: В. П. Бармин, К.Д. Бушуев, В.С. Верещагин и др. - М.: Сов. энциклопедия, 1985. - 528 с.; с. 73, 74 и 154 соответственно.