Балтийский Государственный Технический Университет
Им. Д.Ф. Устинова “ ВОЕНМЕХ“
Кафедра охраны труда.
Реферат по экологии вооружений
Загрязнения воздушного бассейна при сжигании жидких ракетных топлив и их последствия.
Выполнила студентка гр. А-143
Демичева И.С.
Проверил
Шабалин Г. Г.
Санкт-Петербург
2006
Содержание.
I. Введение.
II. Основная часть.
Виды ЖРТ.
Механизм горения ЖРТ.
Экологические проблемы эксплуатации РН.
Социально-экологические последствия ракетно-космической деятельности.
III. Заключение.
IV. Список литературы.
V. Приложение.
I. Введение.
Прошло 45 лет со времени первого полета человека в космос, а чуть раньше запустили первый спутник. С тех пор ракетно-космическая техника ушла вперед. Но все таки это относительно новое направление машиностроения и производства. Все развитые страны стремятся быть первыми в космосе, и даже сотрудничают. Но пока что не задумываются об экологическом аспекте космической деятельности. Инженеры-конструкторы стараются создать экономичный, компактный, с большой дальностью полета и большой скоростью летательный аппарат. Государства в этой космической гонке забывают о том вреде, который наносит природе различный мусор, отходы космического производства. А проблема эта с каждым годом все актуальнее. Есть множество примеров отрицательного воздействия отходов ракетного топлива на людей и окружающую среду.
В последние 10 лет в Республике Алтай ведется интенсивная ракетно-космическая деятельность, возможно, проводилась и ликвидация ракет путем пусков. И то, что происходит там с людьми, наводит на мысль о более высокой чувствительности этой популяции к НДМГ. Изменение в состоянии здоровья алтайцев настолько значительно, что их можно сравнивать с “чернобыльскими детьми, родившимися после аварии на ЧАЭС. Они сходны между собой по клинической картине. Это очень сложный вопрос, но он может быть объяснен, потому что есть общие механизмы воздействия химических веществ и ионизирующего излучения. Что касается северных народов, то там не проводились специальные сравнительные обследования, но последствия воздействия НДМГ на организм алтайцев и комиижемцев сравнимы по тяжести. Думаю, что и русская популяция тоже высокочувствительна к НДМГ, наблюдается очень высокий уровень заболеваемости детей ракетчиков, а среди них большинство русских. Мы получили сведения по самым разным ракетным комплексам - от Плесецка до Западной Сибири, и везде одна и та же картина: эти дети страдают иммунодефицитом, у них обнаруживаются специфические для поражения НДМГ расстройства - спазмы сосудов, головная боль, судорожные припадки и т.д. Это важный вопрос, потому что из-за различий в чувствительности к гидразину должна меняться и дозировка лекарств. В нашей стране больные туберкулезом принимают гидразинсодержащие лекарства продолжительное время, в США длительность приема сокращается из-за учета “гидразинового” эффекта - высокого риска онкологических заболеваний, снижения иммунитета. Проблема эта очень важная. У нас она замалчивается и не разрабатывается. Для исследования чувствительности к гидразину различных этнических групп по всему миру американцы создавали специальные лаборатории и предлагали нашей стране присоединиться к этой программе. Но наше правительство отказалось, вероятно, увидев в этом подготовку США к химической войне.
II. 1. Виды ЖРТ.
Жидкое топливо включает в себя два компонента – окислитель и горючее. В качестве окислителя используются кислород( O2
) , азотная кислота ( HNO3
) и четырехокись азота ( N2
O4
). В качестве горючего используются керосин, этиловый спирт ( C2
H5
OH), несимметричный диметил гидрозин ( НДМГ, H2
N-N(CH3
)2
) и водород (H2
) ( см. приложение, табл. 1). Самым лучшим топливом, с точки зрения экологии, является водород в виде горючего и кислород в виде окислителя, так как эти вещества абсолютно не токсичны и в процессе горения в камере сгорания не дают никаких вредных продуктов сгорания. Но при выборе топлива учитываются не только экологические требования, но и конструктивные особенности ракет и прочих летательных аппаратов. Для конструкторов важна плотность топлива и температура его кипения и плавления. С этой точки зрения водород в качестве топлива совсем не идеален, так как он взрывоопасен и занимает большой объем из-за своей малой плотности. Самый конструктивно удобный вид топлива это НДМГ и азотная кислота. В двигательных установках ракет-носителей, запускаемых с космодрома "Плесецк", используется двухкомпонентное жидкое ракетное топливо, одним из компонентов жидкого ракетного топлива является несимметричный диметилгидразин, который является одним из самых токсичных компонентов ракетного топлива и иначе называется "гептил". Особенность гептила состоит в том, что он накапливается в грибах, ягодах, живых организмах и распространяется по пищевой цепочке, достигая человека. По запаху можно обнаружить в воздухе концентрацию паров, которая в 50 раз выше допустимой. При вдыхании паров возможен кашель, боли в грудной клетке, хрипота и учащение дыхания; в больших концентрациях может наступить потеря сознания. Четырехокись азота также является довольно токсичной. Совокупная опасность этих веществ создает трудности при заправке топлива и эксплуатации ракет.
2. Механизм горения жидких топлив.
В ходе устойчивого горения окислителя и горючего в камере сгорания ракетного двигателя образуются горячие газообразные продукты истечения. Ламбирис и другие предложили физическую картину горения в двухкомпонентном ракетном двигателе; они выделили две зоны: одну – у смесительной головки и другую – ниже ее по потоку. Сталкивающиеся струи окислителя и горючего образуют веерообразные факелы распыла, которые при последующем столкновении разбиваются на струйки и, наконец, на отдельные капли. Веерообразные факелы распыла разных компонентов при столкновении образуют зоны, в которых каждый компонент присутствует в виде жидкостных сгустков крупных и мелких капель. Впрыскиваемые струи, сгустки и капли окружены горячими газами, частично диссоциированными и способными реагировать с парами обоих компонентов, передавать тепло жидким окислителю и горючему, вызывая их нагрев и испарение, и оказывать аэродинамическое воздействие на жидкие частицы, усиливая их дробление и испарение, увеличивая осевую скорость. Активизация взаимодействия между жидкостью и горячими газами приводит к дополнительному газовыделению. Часть этих газов циркулирует вблизи смесительной головки, поддерживая определенные температуру и состав в этой зоне, а остальной газ ускоряется и истекает через сопло со сверхзвуковой скоростью.
В зоне у смесительной головки происходят быстрые изменения в распределении и дроблении жидких компонентов и как следствие наличествуют значительные градиенты состава, температуры и давления. При этом возникает квазиустойчивое состояние, определяемое геометрией смесительной головки и условиями ее работы: расходом топлива, давлением в камере сгорания и соотношением компонентов. В общем, распыливание струй и дробление капель в сочетании с реакциями в парогазовой фазе являются доминирующими процессами, но могут происходить и реакции в жидкой фазе (последнее зависит от свойств компонентов топлива и условий в камере сгорания). Фотоснимки зоны смешения и горения подтверждают наличие значительных градиентов даже при устойчивой работе камеры на участке шириной, по меньшей мере, 10 см.
На некотором осевом расстоянии от смесительной головки оба компонента топлива уже полностью распылены и хорошо перемешаны, так что коэффициент соотношения компонентов становится постоянным по всему поперечному сечению камеры сгорания; выравнивается и состав газовой фазы. Так как объем жидких компонентов в камере сгорания составляет лишь малую толику объема горячих газов (порядка 1%), вероятность соударения капель и их взаимодействия в факелах распыла пренебрежимо мала. Таким образом, в зоне смешения капли обоих компонентов ускоряются потоком окружающего их горячего газа. Теплопередача от горячего газа к жидким каплям вызывает испарение последних. Образующиеся пары перемешиваются и реагируют с окружающим газом с образованием дополнительных продуктов сгорания; вдоль камеры в направлении к соплу создается газовый поток. Аэродинамические силы ускоренного газа в некоторых случаях могут вызвать вторичное распыливание капель жидкости. После завершения процесса испарения течение потока определяется законами газовой динамики.
При устойчивом горении скорость перехода жидких компонентов в горячие газы обычно определяется процессами теплообмена и массообмена в условиях вынужденной конвекции, но для некоторых сочетаний компонентов определяющими могут стать химические реакции в газовой фазе.
Переход от зоны горения к зоне упорядоченного течения газа обычно плавный и не имеет четкой границы; даже в одном и том же двигателе она может смещаться в зависимости от условий работы.
3. Экологические проблемы эксплуатации РН.
В настоящее время на фазе предстартовой подготовки полета разработаны эффективные мероприятия, позволяющие существенно снизить экологическую нагрузку на окружающую среду. Например, процессы нейтрализации паров и жидкой фазы окислителя с помощью поглотителей, дожигание горючего в специальных аппаратах и т. д.
На остальных фазах выведения космических аппаратов на орбиту существует ряд проблем экологии, требующих своего разрешения. Прежде всего, это загрязнение атмосферы и космического пространства продуктами сгорания и компонентами топлива ( для нештатной ситуации). На экологическое состояние всех слоев атмосферы основное влияние оказывают продукты сгорания, состав которых определяется компонентами топлива. В стратосфере движение ракетоносителя связано с проблемой нарушения озонового слоя. При полете любой ракеты-носителя в озоновом слое возникает «окно», которое со временем затягивается. Разрушение озонового слоя определяется следующими процессами. Озон разрушается в результате воздействия водяных паров продуктов сгорания ракетных топлив, а также окислов азота, образующихся из азота и кислорода воздуха под воздействием высоких температур в факелах ракетных двигателей. В следе ракеты озон разрушается полностью на всех высотах. В общем, с учетом всех процессов одиночный запуск ракеты-носителя типа «Энергия» приводит к уменьшению концентрации озона по траектории полета на 1.7%. В ионосфере антропогенное воздействие прохождения ракеты-носителя проявляется в образовании так называемых ионосферных «дыр» вблизи следа ракеты. Ионосферная «дыра» - это результат взаимодействия воды, находящейся в продуктах сгорания, с ионосферной плазмой. Кроме ионосферных «дыр», на высотах 70-90 км, где наиболее низкая температура атмосферы, молекулы воды конденсируются и образуют кристаллики льда. В результате образуются искусственные облака, наподобие естественных серебристых облаков. Искусственные серебристые облака и зоны ионосферных «дыр» с пониженной плотностью электронов вызывают различного рода аномалии в области свечения ионосферы, распространения электромагнитных колебаний в оптическом и радиодиапазонах т. п. Кроме загрязнения окружающей среды продуктами сгорания выхлопная струя оказывает механическое воздействие на тропосферу, приводящее к образованию мощных вихревых потоков в приземном слое. Такие вихревые образования могут являться очагами смерчей, ураганов и т. п. Существенной экологической проблемой при эксплуатации РКТ является необходимость отчуждения значительной поверхности Земли для обеспечения безопасности ее жителей при падении отработавших ступеней РН и других отделяющихся элементов конструкции на территории, расположенные вдоль трасс пусков.
В процессе вывода объекта на орбиту после выработки топлива последовательно отделяются: стартовые ускорители, ступени, сбрасываются головные обтекатели, переходные отсеки последующих ступеней и т. д. Все указанные элементы различаются по массе и конфигурации, имеют различные аэродинамические характеристики, отделяются в разное время полета и на различной удаленности от точки старта, что приводит к значительному рассеиванию по поверхности Земли. Следующей экологической проблемой является проблема засорения околоземного космоса фрагментами ракетно-космической техники. В литературе эту проблему называют проблемой «космического мусора». По некоторым данным на начало 1991 года в космосе находилось около 7200 наблюдаемых объектов искусственного происхождения, причем лишь 5% из них – действующие космические аппараты. Основная опасность «космического мусора» связана с высокими скоростями столкновения орбитальных фрагментов с КА. В космосе частица диаметром 0.5 мм может пробить космический скафандр, даже если он изготовлен из многослойного материала. Наряду с механическим загрязнением космоса серьезную опасность представляют возможные аварии и отказы КА с радиоизотопными и ядерными энергоустановками на борту. В настоящее время имеются проекты и предложения по решению некоторых задач перечисленных выше проблем экологии при эксплуатации РКТ. В США ведутся работы по созданию одноступенчатого национального аэрокосмического самолета, снабженного многорежимной двигательной установкой, позволяющего доставлять объекты в космос и обратно с минимальной экологической нагрузкой на атмосферу и космос. Аналогичные проекты имеются и в России. Однако решение перечисленных проблем находится лишь в начальной стадии.
4. Социально-экологические последствия ракетно-космической деятельности.
В регионах ракетно-космической деятельности они занимались проблемой поражения человека компонентами ракетных топлив, изучали их воздействие на различные популяции и группы населения, в том числе на детей ракетчиков, исследовали репродуктивное здоровье жен ракетчиков. Метод исследования - ретроспективный клинико-эпидемиологический анализ в сочетании с социологическим обследованием. Надо сказать, что официально признанные методы учета заболеваемости неприменимы к исследованию медицинских аспектов данной проблемы - здесь речь идет о токсикологии, об описании отдельных симптомов. И если Минздрав РФ при оценке ситуации учитывает статистику заболеваемости, то они ведут анализ структуры симптомов и синдромов, встречающихся в данной популяции. В результате исследования получен очень важный и интересный материал, который частично был опубликован; добыты факты, дающие новое представление о вредном воздействии компонентов ракетных топлив на человека. Например, в районах падения отделяющихся частей ракет-носителей, содержащих остатки гептила, наблюдается типичная картина гидразинового поражения человека в результате длительного воздействия малых доз гептила. Гептил (несимметричный диметилгидразин, НДМГ) - жидкое ракетное топливо, представитель большого класса гидразинсодержащих веществ, с которыми соприкасаются миллионы людей. Прежде всего, это применяющиеся при лечении депрессий и туберкулеза гидразинсодержащие лекарства, в том числе изониазид. Исследование побочных эффектов и осложнений, возникающих при передозировке изониазида, позв
Впервые получены свидетельства существования прямой зависимости между запусками ракет-носителей “Союз”, “Протон” и массовыми расстройствами здоровья населения в зонах воздействия. Например, через 2-3 дня после запуска ракеты-носителя с космодрома Байконур у населения Третьяковского района Алтайского края возникают острые желудочно-кишечные нарушения, поражения кожи, центральной нервной системы, гипертензия, ларингоспазмы и др., а учащиеся ряда школ в течение недели после запуска находятся в состоянии наркотического опьянения - с возбуждением, агрессией, изменением сознания. Площадь районов падения отделяющихся частей ракет-носителей в Российской Федерации, по официальным данным, составляет 20 миллионов гектаров. По нашим данным, величина территории, загрязненной в результате ракетно-космической деятельности, составляет 100 миллионов гектаров. В республиках Коми и Алтай нами обнаружены старые, использовавшиеся лет 20 тому назад, районы падения, о которых не упоминается в официальных документах. Кроме того, отделяющиеся части ракет падают не только в заданных районах, а на всем протяжении трасс полетов. Так, по данным Алтайского регионального института “Экология”, большая территория Алтае-Саянского региона (0,25 млн. кв. км) загрязнена различными компонентами жидких ракетных топлив: гептилом, синтином, керосином, ароматическими углеводородами. В этих местах падают отделяющиеся части ракет-носителей “Союз”, “Протон”, баллистических ракет (при учебно-испытательных пусках), там же испытываются и ликвидируются крылатые изделия. Под воздействием компонентов ракетного топлива находятся не только чабаны, табунщики и прочие лица, ведущие хозяйственную деятельность непосредственно в районах падения отделяющихся частей ракет-носителей, но и жители территорий, расположенных в пределах 100 км от трасс полетов ракет-носителей и баллистических ракет. В Республике Алтай к таким районам относятся Усть-Канский, Онгудайский, Улаганский, Кош-Агачский. Под длительным непрерывным воздействием компонентов ракетного топлива находятся южные районы Алтайского края: Чарышский, Змеиногорский, Солонешенский, Смоленский, Алтайский и другие. Большую опасность для жителей Алтае-Саянского региона представляют аварии при запусках баллистических ракет и крылатых изделий, такие, например, как взрыв крылатой ракеты в Юго-Восточном Алтае в мае 1997 года, когда в результате загрязнения территории в 5 тысяч кв. км пострадало 20 тысяч человек. При этом медицинские и биологические последствия были такие же, как при массовых отравлениях населения диоксинами в Севезо (Италия, 1976 г.) и Уфе (РФ, 1962 г.). Специалисты допускают образование диоксинов при сгорании топлива крылатых изделий. Имеются серьезные основания считать, что территория Алтае-Саянского региона загрязнена не только компонентами жидких ракетных топлив, но и диоксинами.
Загрязнена отделяющимися частями ракет и компонентами ракетных топлив и северо-восточная часть Европы. По официальным данным, в Архангельской области действуют 9 районов падения отделяющихся частей ракет-носителей, а в Республике Коми - 4 района. Подрывы ракет средней дальности (РСД-10) в районе полигона Капустин Яр в 1988-91 годах вызвали серьезные расстройства здоровья населения ряда районов Астраханской области. Особенно сильно пострадал Харабалинский район, медико-биологические последствия взрывов этих ракет полностью совпадают с последствиями массового поражения людей диоксинами (Севезо, Уфа, Индокитай.) В районах подрыва пусковых шахт межконтинентальных баллистических ракет (Владимирская и Ивановская области РФ, Державинский район Казахстана отмечен рост количества онкологических заболеваний населения. Результаты шестилетних исследований убеждают нас в том, что на протяжении 40 лет наука недооценивала низкоуровневое воздействие компонентов ракетного топлива на человека, что привело к большим жертвам как среди военнослужащих, так и среди мирного населения. Необходим полный пересмотр всех сложившихся представлений о воздействии ракетных топлив на организм человека и окружающую среду. Один из выводов относится к методам обследования районов, загрязненных компонентами ракетных топлив. Подчеркивая значение химико-аналитических исследований содержания этих компонентов в депонирующих средах (почва, растительность, вода и другие), необходимо отметить принципиально важную роль ретроспективного клинико-эпидемиологического анализа, совмещенного с социологическим обследованием. Это малозатратный, оперативный, рекогносцировочный метод, и он должен получить широкое распространение при изучении воздействия компонентов ракетного топлива на человека.
III.Заключение.
Всесторонне рассмотреть эту проблему нет возможности, так как многие явления еще недостаточно изучены. Но понятно что уже сейчас возникают сложности с утилизацией компонентов жидких ракетных топлив. Вместе с тем, отсутствует нормативно-методическая документация по осуществлению экологического сопровождения и организации мониторинга источников антропогенного воздействия на окружающую среду в виде кратковременных импульсных процессов (огневое уничтожение РДТТ, подрыв и т.п.), не определены обязанности юридических лиц, не разработаны подходы для определения вклада в общую экологическую нагрузку территории при проведении сжигания (подрыва) РДТТ, а также порядок и источник финансирования работ по обеспечению экологической безопасности и мониторингу производств, осуществляющих ликвидацию ракетных двигателей. Хотя некоторые шаги в эту сторону делаются. Например, Сумское СП «Технополис» разработало безотходную технологию утилизации в местах хранения меланжей с получением азотных удобрений. Данная технология реализуется на малогабаритных передвижных установках, которые рассчитаны на мощность до 1 тонн в час.
При переработке отходов меланжа не выделяются оксиды азота, не образуется жидких или твердых отходов. В результате получаются жидкие удобрения с содержанием азота до 25-27 %, в том числе 10 % азота аммонийного, 10 % азота нитратного и 5-7 % азота в амидной форме. В качестве микродобавок удобрения могут содержать йод.
Полученные жидкие удобрения целесообразно применять в близлежащих сельскохозяйственных регионах, прилегающих к местам хранения меланжей. Для реализации данного предложения необходимо выполнить проектные работы, создать установку и сертифицировать получаемые минеральные удобрения. Затраты на выполнения работ составят около 150 тыс. долларов.
Хотя данная работа является экологической, проведенные специалистами СП экономические расчеты показывают, что на одной тонне переработанного меланжа можно получать до 6 долларов прибыли. Экологический эффект составит несколько миллионов долларов.
Меланж, в состав которого входили ингибиторы коррозии, использовался в качестве окислителей ракетного топлива. Хранение окислителя в течение 20 лет привело к тому, что за счет частичной коррозии в нем накопилось определенное количество примесей алюминия. Это делает невозможным дальнейшее применение субстанции по прямому назначению и создает экологическую проблему по ее хранению и утилизации. Централизованно утилизировать меланж не представляется возможным по причине изменения свойств — появления активной коррозионной способности из-за разложения ингибиторов в течение 20-летнего хранения.
Я думаю с течением времени проблема будет решена.
IV. Список литературы.
Тимнат И. «Ракетные двигатели на химическом топливе», Москва «Мир», 1990.
Жуковский А. Е. «Испытания жидкостных ракетных двигателей», Москва, 1992.
Фадин И. М., Докторов М. В. «Проблемы экологии при эксплуатации ракетно-космических комплексов», БГТУ, 1997.
V. Приложение.
| Таблица 1. Характеристика двухкомпонентных ЖРТ. | |||
| Топливо | Массовое соотношение компонентов топлива | ПДК мг/м3
|
|
| Окислитель | Горючее | ||
| Кислород(жидкий) | Водород(жидкий) | 5,56 | ---- |
| Керосин | 2,73 | 300 | |
| НДМГ | 1,92 | 0,1 | |
| Гидрозин | 1 | 0,1 | |
| Четырехокись азота | НДМГ | 2,92 | 0,1 |
| Аэрозин-50 | 2,13 | 0,1 | |
| Гидрозин | 1,44 | 0,1 | |
| Таблица 2. Выбросы продуктов сгорания в атмосферу при запусках РН. | ||||||||
| Ракета-носитель | Выброс | H2
O |
CO | CO2
|
H2
|
N2
|
HCL | AL2
O3 |
| Скаут(США) | суммарный | 0,67 | 5,29 | 0,23 | 0,54 | 1,43 | 3,66 | 5,07 |
| в тропосферу | 0,44 | 3,54 | 0,14 | 0,35 | 0,95 | 2,45 | 3,38 | |
| Шаттл(США) | суммарный | 727,27 | 324,5 | 13,2 | 51,9 | 87,56 | 224,6 | 309,3 |
| в тропосферу | 119,79 | 188,8 | 7,68 | 21,42 | 50,94 | 130,7 | 180,3 | |
| Ариан4-0 (Франция) | суммарный | 81,42 | 27,4 | 67,05 | 0,28 | 90,88 | - | - |
| в тропосферу | 20,09 | 8,1 | 19,7 | - | 26,7 | - | - | |
| Восток(Россия) | суммарный | 72,24 | 60,9 | 116,29 | 1,33 | - | - | - |
| в тропосферу | 31,66 | 29,69 | 50,96 | 0,63 | - | - | - | |
| Протон(Россия) | суммарный | 143 | 55,12 | 143,63 | 0,05 | - | - | - |
| в тропосферу | 55 | 21,2 | 51,8 | 0,02 | - | - | - | |
| Энергия(Россия) | суммарный | 1084,02 | 339,64 | 648,62 | 26,88 | - | - | - |
| в тропосферу | 349,79 | 193,93 | 379,91 | 7,87 | - | - | - | |
| Титан(США) | суммарный | 70,69 | 145,1 | 32,8 | 14,92 | 108,39 | 93,64 | 129,1 |
| в тропосферу | 27,36 | 78,16 | 12,18 | 7,96 | 44,2 | 51,9 | 71,5 | |
| CZ-3(Китай) | суммарный | 53,69 | 18,44 | 45,06 | 0,16 | 61,23 | - | - |
| в тропосферу | 17,87 | 6,87 | 16,78 | - | 22,74 | - | - | |