Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Экологические проблемы стартовых комплексов, на примере стартового комплекса РН «Протон» и «Космос-1».
Введение
В 1958-1965 гг. в ОКБ В. П. Глушко создаются двигатели РД-216 (тяга 150 тс), РД-251 (тяга 250 тс), для ракет Р14, Р16 и Р36 боевого назначения и мощный однокамерный двигатель РД-253 (тяга 150 тс), выполненный по схеме с дожиганием окислительного газа, для первой ступени РН «Протон» на самовоспламеняющейся высокоэффективной топливной паре АТ-НДМГ, а также двигатель РД-219 (тяга 10тс в пустоте) на жидком кислороде и НДМГ для 2-й ступени РН легкого класса «Космос-1».
В ОКБ А. М. Исаева в 1962-1965 гг создается двигатель Д49 (тяга 16 тс в пустоте) на НДМГ и АТ с двумя включениями по схеме без дожигания восстановительного генераторного газа для 2-й ступени РН легкого класса «Космос-3» («Космос-3М»), предназначенной для вывода спутников связи и метеонаблюдений массой до 1500 кг на эллиптические и круговые орбиты.
В США для первых полетов человека в космос была создана РН «Атлас», которая имела очень низкую надежность. В СССР в противовес американской лунной программе в 1962-1972 гг. создавалась ракета-носитель Н1-Л3:
- 1-я ступень была оснащена 30 кислородно-керосиновыми ЖРД суммарной тягой 4500 тс, выполненными по схеме с дожиганием окислительного газа;
- 2-я ступень – 8 кислородно-керосиновыми ЖРД суммарной тягой 1200 тс;
- 3-я ступень 4 кислородно-керосиновыми ЖРД суммарной тягой 180 тс.
Стартовая масса РН – 2800т, длина ракеты с полезной нагрузкой массой 95 тонн равна 101 м. При создании РН Н1-Л3 возникли разногласия в выборе компонентов топлива. В ОКБ С.П. Королева делала ставку на экологически чистые и более безопасные компоненты топлива – жидкий кислород и керосин для пилотируемой ракеты, а В.П. Глушко считал более приемлемым топливную пару АТ-НДМГ, к тому моменту у него были практически отработаны двигатели для РН «Протон». В результате этих разногласий С.П. Королев выдает ТЗ на разработку двигателей для всех ступеней ракеты Н1-Л3 в авиационное ОКБ Н.Д. Кузнецова, которое к тому времени не имело опыта создания ЖРД. Проведение летных испытаний РН Н1-Л3 принимали затяжной характер, т. к. стартовый комплекс был готов к испытаниям только в конце 1969 г. Было проведено 4 пуска ракеты Н1-Л3, которые закончились аварийным исходом:
-во время первого пуска 21.02 1969 г. двигатели ракеты проработали 68,67 с и были выключены вследствие возникшего пожара в двигательном отсеке;
-2.07.1969 г. при втором пуске в результате аварии ракеты был разрушен стартовый комплекс;
-27.06 1971 г. при третьем пуске ракета №6Л потеряла управляемость по крену после начавшегося разрушения на 51 с двигатели были выключены;
-23.11.1972 г. был произведен четвертый запуск модернизированного комплекса Н1-Л3 №7Л, ракета пролетела 106,93 с, но за 7 с до расчетного времени разделения первой и второй ступеней произошло практически мгновенное разрушение одного из двигателей, которое привело к ликвидации ракеты.
В мае 1974 г. работы по теме «Н1-Л3» были прекращены.В настоящее время в ОКБ проводятся экспериментальные работы по проверке работоспособности двигателя НК-33 на форсированных режимах по тяге и давлению в камере и прорабатываются вопросы модернизации двигателя (качание камер, применение выдвижных насадков на сопле камеры и др. для улучшения характеристик) и применения их в современных ракетных системах.
В 1970 году американцы приступили к созданию многоразовой транспортно - космической системы МТКС «Спейс-Шаттл» для доставки на околоземную орбиту полезных грузов орбитальным самолетом (челноком), рассчитанным на 55 полетов. В качестве 1-й ступени на «Шаттле» используются 2 твердотопливных ускорителя. МТКС стартует с Земли вертикально как обычная ракета, а ОС при стартовой массе 70 тонн и полезной нагрузке 24,4 т. обеспечивает аэродинамическое торможение при входе в атмосферу Земли и горизонтальную посадку.
Полная стоимость разработки МТКС составила около 20 млрд. долл. (в ценах 1983 г.), около 10 млрд. долл. на разработку и более 9 млрд. на изготовление 5 орбитальных корабля по программе «Спейс-Шаттла»: «Колумбия», «Челленджер». «Интерпрайз», «Дискавери» и «Атлантис». Корабль «Челленджер» взорвался на десятом запуске (январь 1986 года). При взрыве произошло разрушение всей системы и гибель экипажа в составе 7 человек. Астронавты могли бы остаться в живых, если бы конструкция самолета предусматривала систему спасения в случае аварии при старте. Полеты «Шаттлов» были возобновлены после модернизации твердотопливных ускорителей, которые явились причиной аварии «Челленджера» (произошла разгерметизация стыка в корпусе ускорителя и струя горячих газов прожгла подвесной бак с водородом). В 1991 году был построен 6-й корабль «Индевор».
В СССР была создана многоразовая космическая система (МКС) с ракетой «Энергия» и орбитальным кораблем «Буран». Первый полет «Энергии-Бурана» состоялся в 1988 г., посадка корабля «Буран» при этом происходила в автоматическом режиме. В настоящее время российская МКС не используется, программа была закрыта из-за экономических трудностей в 1994 г.
Анализ мирового рынка услуг по запуску космических аппаратов показывает, что сейчас существуют большие потребности в выведении космических аппаратов на геостационарную орбиту (плоскость орбиты совпадает с плоскостью экватора, высота над поверхностью Земли – 35800 км). Одним из направлений повышения эффективности средств выведения, доставляющих спутники на геостационарную орбиту, и соответственно, уменьшения такой доставки является проведение таких пусков из экваториальной зоны. Над реализацией проекта «Морской старт» работало совместное предприятие «Си Лонч», учредителями которого являются американская самолетостроительная и космическая компания «Боинг», российская РКК «Энергия» им. С. П. Королева, норвежская судостроительная компания «Кварнер», ведущие аэрокосмические предприятия Украины ПО «Южмашзавод» и КБ «Южное». Контрольный пакет акций принадлежит «Боингу». Ракетно-космический комплекс «Морской старт» состоит из следующих составных частей:
- стартовой платформы «Одиссей» (полупогружаемая, самодвижущаяся платформа типа катамарана, водоизмещением 27300 тонн, длиной 133 м, шириной – 75 м и высотой 42 м);
- сборочно-командного судна «Си Лонч Коммандер»;
- 3-х ступенчатой ракеты-носителя «Зенит-3SL» (1-я ступень с кислородно-керосиновым двигателем РД-170, тяга 740 тс и 2-я ступень с кислородно-керосиновым двигателем РД-120 и разгонным блоком «ДМ-SL» с кислородно-керосиновым двигателем 11Д58М;
- базового порта, расположенного на Западном побережье США;
- технологических систем, расположенных на судах.
Если рассматривать ЛА боевого назначения, то они в основном создавались с использованием долгохранимых КРТ (в основном, НДМГ и АТ), например ракеты шахтного и морского базирования на подводных лодках. Последние модификации указанных ЛА создавались в ампулизированном исполнении для обеспечения гарантийного срока хранения ракеты в заправленном состоянии до 10…15 лет. Отработка ракет требует проведения большого объема наземных холодных и огневых испытаний агрегатов, систем, двигателей и ДУ. Так, например, для отработки кислородно-водородного двигателя Д57 (с параметрами Рк =11 МПа, тяга 40 тс) было проведено более 500 испытаний агрегатов и систем двигателя (насосов, ТНА, ТНА совместно с газогенератором, газогенератора, газогенератора совместно с камерой сгоранием и около 600 испытаний двигателя.
С учетом токсичности большинства КРТ основная масса холодных испытаний агрегатов и систем, например испытания насосных агрегатов и систем питания (баков и магистралей питания) проводятся на модельных жидкостях и модельных режимах. С помощью уравнения движения жидкости (уравнения Навье-Стокса) в безразмерном виде можно получить основные соотношения с учетом режимов течения для пересчета расхода рабочего тела и перепада давления в магистралях питания или элементах (агрегатах) ДУ
m&м = m&н μь / μ н (3.1)
Δрм = Δр н (m&м /m&н)2ρм/ρн. (3.2)
Так, большинство холодных испытаний двигателей и ДУ, работающих на токсичных компонентах топлива, для определения характеристик проводятся на модельных жидкостях – воде, а затем истинные характеристики определяются пересчетом по зависимостям (3.1 и 3.2).
Испытания двигателей и ДУ требуют применения, транспортировки и хранения больших количеств взрыво - и пожароопасных и токсичных КРТ. На стадии создания (отработки) и эксплуатации ЛА возможны аварийные исходы испытаний с проливами и выбросами КРТ, поэтому испытательные комплексы (ИК), технология проведения испытаний (эксплуатации) должны отвечать определенным требованиям и правилам.
Правила устройства и безопасной эксплуатации испытательных комплексов ЖРД и ДУ.
Правила устройства, безопасной эксплуатации, охраны труда и пожарной безопасности испытательных комплексов ЖРД (ТБИС-97) является основным экологическим государственным документом аэрокосмической отрасли, которые устанавливают требования к устройству и безопасной эксплуатации ИК, обеспечению пожарной безопасности, гигиене и безопасности труда и к охране окружающей среды. Правила распространяются на все эксплуатируемые, реконструируемые, строящиеся и проектируемые испытательные стенды ЖРД, экспериментальные лаборатории, хранилища ракетного топлива и отдельные сооружения, в которых проводятся процессы парогенерации, огневые и холодные стендовые испытания ЖРД, агрегатов ЖРД и систем наземного оборудования с применением следующих компонентов ракетного топлива (КРТ): гидразин, несимметричный диметилгидразин (НДМГ); горючее ТГ-02 (смесь технических изомерных ксилидинов и технического триэтиламина); продукт Люминал (суспензия алюминия в гидразине); спирт этиловый; керосины различных марок; бензин авиационный; (жидкий);пусковое горючее ПГ-2;азотный тетраоксид (АТ);окислители на основе азотной кислоты (типа АК);окислители на основе концентрированной перекиси водорода;кислород жидкий;сжиженный природный газ, СПГ, в том числе метан жидкий.
Проектирование и эксплуатация ИК должны выполняться в соответствии с Правилами (ТБИС-97). Состав проектной документации на ИК, а также порядок ее разработки и согласования должен соответствовать СНиП 11-01.
Действующие ИК и отдельные сооружения, в которых проводятся испытания с применением КРТ, подлежат обязательной сертификации. Руководители и специалисты, занятые проектированием, монтажом, наладкой, ремонтом и эксплуатацией ИК и входящих систем, должны быть аттестованы на знание настоящих Правил в установленном на предприятии порядке.
В ТБИС-97 определены опасные факторы, характерные для испытательных комплексов ЖРД.
Опасными и вредными производственными факторами являются:
- возможность разрушения объекта испытания (двигателя, агрегата) на рабочем месте испытательного комплекса (ИК), сопровождающегося разлетом элементов конструкции, проливом КРТ, пожаром и взрывом;
- взрывоопасность большинства горючих КРТ в смеси с другим КРТ, воздухом и кислородом;
- низкая температура жидких криогенных КРТ и их паров;
- работа технологического оборудования (резервуаров и трубопроводов) под давлением выше атмосферного;
- взрыво - и пожароопасность различных веществ и материалов в контакте с рядом КРТ, жидким и газообразным кислородом и обогащенным кислородом воздухом;
- наличие в продуктах сгорания КРТ вредных веществ;
- мощный аэродинамический шум от истекающей струи работающего объекта испытания;
- тепловое и силовое воздействие выхлопной струи объекта испытания;
- понижение концентрации кислорода в атмосфере помещения вследствие утечек азота и разбавления им воздуха, могущее привести к асфиксии (удушью) работников;
- токсичность большинства КРТ и продуктов их взаимодействия.
С учетом токсичности КРТ делятся на четыри класса по мере убывания опасности:
-к первому классу опасных КРТ относятся горючие гидразинового ряда: гидразин, НДМГ и продукт Люминал-А (суспензия алюминия в гидразине);
-ко второму классу опасных КРТ относятся углеводородное горючее циклин и окислитель перекись водорода;
к третьему классу опасных КРТ отнесены горючее ТГ-02 и окислители азотный тетраоксид (АТ) и АК-27И (смесь HNO3 – 69,8 %, N2O4 - 28%, J – 012…016 %);
-к четвертому классу опасных КРТ отнесены углеводородное горючее РГ-1 (керосин), спирт этиловый, и бензин авиационный (С – 84%, Н – 15,9%).
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).
В зависимости от класса опасности и категории взрыво - и пожароопасности применяемого КРТ для стендов ЖРД и их сооружений определяется ширина санитарно-защитной зоны (наименьшее расстояние до жилых зон) в зависимости от мощности ЖРД, продолжительности испытания, типа КРТ, эффективности улавливающих, газоочистных, шумоглушащих и взрывоподавляющих устройств, а также от местных условий (рельефа, лесных массивов, насаждений и преобладающего направления ветра).Устройство испытательного стенда и их систем во многом определяется применяемыми КРТ. Так, при применении опасных КРТ с учетом их токсичности определяется состав систем хранения, заправки и нейтрализации (улавливания) выбросов (проливов), чтобы обеспечить безопасные условия труда и исключить вредное влияние их на окружающую среду.
Хранение КРТ производится в специальных хранилищах с учетом класса опасности. Для наддува и продувок систем с КРТ и для обеспечения пожаротушения в отсеках ИК используется очень часто газообразный азот (инертный газ). Поэтому в помещениях и отсеках ИК, где возможны скопления наиболее опасных КРТ (горючие гидразинового ряда, окислители типа АК и АТ, взрывоопасные водород и метан) и инертного газа – азота, должны быть установлены автоматические газоанализаторы контроля опасных концентраций указанных веществ и газов с учетом их ПДК. В помещениях и отсеках ИК, где проводятся работы с инертными газами (азотом) и кислородом, возможно опасное для работников их поступление или скопление при работающей приточно-вытяжной вентиляции, поэтому следует предусматривать установку газоанализаторов на содержание кислорода с автоматическим включением звуковой и световой сигнализации при опасных концентрациях их в воздухе помещений: при снижении объемной доли кислорода ниже 19% или повышении – более 23%. Сигнализирующие устройства должны быть сблокированы с включением вентиляции. Воздухоотборники и контактные приборы должны размещаться в местах возможных утечек или наиболее вероятного скопления инертных газов. Система сигнализации опасных накоплений водорода должна выдавать сигналы появления водорода в помещениях или других местах, начиная с минимального значения 0,4% по объему в воздухе. Система сигнализации должна быть оборудована световыми и звуковыми приборами, подающими сигналы при появлении минимальной пороговой концентрации водорода в воздухе.
При пороговом значении концентрации Н2 в воздухе должна включаться:
- при 0,4% по объему световая и звуковая сигнализация;
- при 1,0% по объему система аварийной вентиляции;
- при 2,0% по объему система пожаро - и взрывопредупреждения.
Современные отечественные системы контроля утечек водорода в отсеках ДУ и стенда обеспечивают контроль концентраций с инерционностью до 5…7 с. В этом плане заслуживает внимания опыт американцев, которые при выполнении программ по созданию ДУ для РН «Сатурн-5» и «Спейс-Шаттла» использовали различные методы контроля утечек водорода, в частности, практически безинерционный радиоактивный метод контроля, основанный на добавлении радиоактивного трития в жидкий водород (миллионные доли %) на стадии получения водорода и последующем контроле утечек счетчиком Гейгера.
Наиболее опасные работы по подготовке и проведению операций с КРТ (заправка и испытание) проводятся по специальному технологическому плану, определяющему последовательность и правила проведения работ персоналом с дистанционным управлением и контролем операций. Перед проведением заправки и испытания системы с КРТ должны быть проверены, т.е. проведены проверки на герметичность и автономные и комплексные испытания систем автоматики и управления.
Проблема загрязнения воды.
В процессе производства часть воды испаряется, а оставшаяся, насыщенная разнообразными загрязняющими веществами, вновь попадает в реки, озера, подземные воды и моря. Объем этой воды составляет около 800 км3 в год. Если ее не очищать, то всех рек мира, а их годовой суммарный сток – около 40 тыс. км3, не хватит, чтобы восстановить загрязненные воды до качества, близкого к естественному, так как их потребуется разбавить в 1000 раз. Поэтому отработанные воды предприятий подвергают очистке; при этом нередко очищенную воду снова используют в производственном цикле. Такая система называется водооборотной. Поскольку часть воды все же теряется, то в оборотную воду добавляют немного свежей. Водооборотные системы широко используются в России, США, Японии и других странах. Водооборотные системы используются также на ИК, в системах охлаждения элементов стенда (газоотражательного устройства) и в системах нейтрализации проливов и выбросов КРТ. Обычные промышленные очистные сооружения удаляют лишь порядка 80 – 85 % загрязняющих веществ. В России такую воду называют нормально очищенной, но ее необходимо разбавлять в пять – десять раз, чтобы она приблизилась к естественной норме.
Промышленное загрязнение природных вод идет тремя путями. Во-первых, загрязненные сточные воды по канализационным трубам сбрасываются в водные объекты. Во-вторых, через атмосферу: все попавшие в нее загрязняющие вещества со снегом, дождем или в виде пыли в конце концов оказываются на поверхности Земли, а затем смываются в водоемы. Наконец, вывоз на свалки твердых промышленных отходов.
Принципиальные схемы промышленных систем обеззараживания сточных вод перед их сбросом в водоемы и систем очистки питьевой воды, поступающей потребителям, показаны на рис. 3.1.
Рис.3.1. Принципиальные схемы промышленных систем очистки сточных вод (вверху) и систем очистки питьевой воды (внизу)
В обоих случаях используют осаждение взвесей, фильтрацию, аэрацию (обогащение кислородом), биохимические процессы и хлорирование. Кроме того, во многих странах для очистки питьевой воды вместо хлорирования используют озонирование. Указанные выше принципы очистки используются также в системах нейтрализации проливов (выбросов) КРТ. Во-первых, необходимо их собрать путем смыва водой в сборнике системы нейтрализации, а затем произвести их нейтрализацию в специальных системах с применением различных методов (термического, абсорбционного, биологического и др.), представленных в разделе 4. Например, абсорбционный метод, основан на способности НДМГ или АТ вступать в реакцию с некоторыми веществами с образованием растворимых или газообразных продуктов (для окислителей применяют щелочные растворы, для горючих – воду, керосин и кислоты).
При очистке газов от паров НДМГ и АТ используются различные абсорбционные устройства, в которых реализуются следующие способы создания контакта между жидкостью и газом:
-пропускание газа в виде мелких пузырьков сквозь слой жидкости (барботирование);
-пропускание газа через разбрызгиваемую жидкость;
-смешение газа и жидкости в потоке (эжекция).
Эффективность систем нейтрализации проливов и выбросов КРТ, применяемых на ИК, несколько выше промышленных установок по очистке сточных вод в ввиду использования более активных химических веществ.
Экология стартовых комплексов РН «Протон», «Космос-1», «Космос-3М» и «Циклон».
Важнейшей проблемой при разработке стартовых комплексов (СК), использующих КРТ 1-го класса опасности, является обеспечение надежности и безопасности работ при подготовке и проведении пуска ракеты и обслуживающего персонала при выполнении операций с источниками повышенной опасности и в первую очередь с компонентами топлива.
На СК разработки КБ общего машиностроения для РН «Протон» это было достигнуто с помощью применения дистанционного управления и максимальной автоматизации процессов подготовки к пуску 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 к ней 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. Управление операциями подготовки и проведения заправки и пуска проводится из командного пункта, удаленного от стартового сооружения и имеющего необходимую степень защищенности. В потенциально пожароопасных помещениях оборудованы автоматические системы пожаротушения.
Для предотвращения возможных аварийных ситуаций при заправке ракеты-носителя «Протон» компонентами топлива предусмотрены мероприятия, обеспечивающие высокую экологическую совместимость стартового комплекса с окружающей средой. Все емкости, трубопроводы и соединения систем заправки РН перед началом заправки проверяются на герметичность.
Не менее важную роль играет токсичность компонентов топлива (например во время заправки)
Стартовые комплексы РН «Космос-1» и «Космос-3М» создавались КБ транспортного машиностроения 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 ручных операций, в том числе на заправленной компонентами топлива РН. В последующем многие операции были автоматизированы и уровень автоматизации работ на комплексе «Космос» в настоящее время составляет более 70%. 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). На рис. 3.2 показаны системы заправки окислителем, горючим, сжатыми газами, система дистанционного управления заправкой. Компоновка их достаточно традиционна для СК, содержащего две пусковые установки.
Основное оборудование систем заправки – емкости, насосы, гидропневмосистемы – размещается в железобетонных сооружениях, заглубленных в землю. Хранилища КРТ, сооружение для сжатых газов, система дистанционного управления заправкой располагаются на значительных расстояниях друг от друга и пусковых устройств в целях обеспечения их сохранности в аварийных случаях. От этих сооружений по подземным проходным каналам проложены трубопроводы, кабели к стартовому сооружению, ПУ, где также размещается оборудование систем, обеспечивающих стыковку с РН.
Рис. 3.2. Система питания стартового комплекса РН «Космос»
1 - РН «Космос»;
2 – башня обслуживания;
3 – система заправки окислителем;
4 – система заправки горючим;
5 – система обеспечения сжатым газом;
6 – система дистанционного управления заправкой (СДУЗ);
7 – магистрали окислителя;
8 – магистрали горючего;
9 – магистрали сжатого газа;
10 - кабели СДУЗ;
11 - молниезащита
Основной агрегат комплекса – транспортно-установочный. На него РН укладывается в здании сборки и испытаний (в МИКе). По агрегату проложены все необходимые коммуникации для связи РН с наземными системами. Эти коммуникации подсоединяются к РН, вторые концы размещены на плате, установленной в торце агрегата и снабжены разъемными устройствами, которые на пусковой установке автоматически пристыковываются к ответным разъемам коммуникациям стартовых систем.
Воспламенение и дожигание водородных выбросов в стендовых условиях для обеспечения безопасности испытаний.
Следует отметить, что в начальной стадии работ с водородом 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. Аварийные ситуации на испытательных стендах, связанные со взрывом смесей водорода с воздухом, сопровождались, как правило, значительными задержками их воспламенения. Это приводило к тому, что во взрывном процессе участвовало большое количество смеси. Последним объясняется большая мощность взрыва. Поэтому при организованном поджигании водородных выбросов для исключения возможности взрыва, необходимо обеспечить воспламенение выброса с минимальным временем задержки от момента начала выброса. Для воспламенения и дожигания водорода в настоящее время используются различные устройства, разработанные автором совместно с сотрудниками НИИХМ. Эти устройства осуществляют воспламенение выбросов водорода, как правило, при помощи пороховых и газовых зарядов. Расположение зарядов и интенсивность источника воспламенения этих устройств определялись экспериментальным путем для конкретных изделий.
Основные принципы создания поджигающих устройств и систем дожигания.
При создании системы дожигания выбросов водорода необходимо решить вопросы:
- выбора типа поджигающего устройства (ПУ) и метода зажигания;
- выбора параметров поджигающего устройства.
Тип поджигающего устройства и метод зажигания выбираются исходя из условий проведения испытания: продолжительности и многократности включения-запуска двигателя. При этом должна быть обеспечена высокая надежность воспламенения выбросов водорода, безопасность и простота эксплуатации устройства.
Исследования показали, что для воспламенения выбросов водорода соплом двигателя необходим источник с длиной факела не менее 0,3 м при непосредственном расположении поджигающего устройства у выходного сечения сопла. Температура самовоспламенения водородно-кислородной и водородно-воздушной смесей составляет соответственно 580-590 и 410-6300С, минимальная энергия воспламенения - ~0,02 мДж.
В случае расположения поджигающего устройства (ПУ) на расстоянии 2...2,5 м от сопла (из-за установки, например, дополнительного оборудования) необходим источник для поджигания с длиной факела 3...3,5 м. Температура факела поджигающего устройства для обеспечения надежного воспламенения должна быть не менее 1100К.
В процессе испытания кислородно-водородных двигателей и их агрегатов на начальном этапе отработки для воспламенения выбросов водорода в основном использовались малогабаритные пирозапалы со временем горения 11 секунд, длиной факела до 1м и температурой факела 1100-1200К. Основным недостатком указанных устройств является одноразовость действия. Для повторного включения поджигающего устройства необходимо произвести перезарядку (установку нового пирозапала), подключение и проверки цепей управления. В процессе проведения длительных испытаний повторное воспламенение выбросов водорода при перерывах подачи может быть осуществлено пороховым поджигающим устройством за счет поддержания дежурного факела от сжигания малого расхода водорода, подаваемого через специальные насадки в зону смешения струи и установки пирозапалов. Однако, указанные устройства являются сложными в конструктивном исполнении, не экономичны и не обеспечивают постоянной готовности системы для включения в возможных аварийных ситуациях. Кроме того, для получения факела длиной свыше 1 м расход газа и, следовательно, масса порохового заряда возрастает, что не обеспечивает требуемой безопасности обслуживания системы.
Факел большой протяженности (3...3,5 м) может быть получен от сжигания газов в струйной эжекторной горелке, в качестве рабочего тела которой для упрощения систем стенда целесообразно выбрать основной компонент - водород. Учитывая большую продолжительность стендовых испытаний (до нескольких часов), расход водорода на горелку поджигающего устройства не должен превышать 0,02...0,05 кг/с и должна быть обеспечена возможность многократного включения. Поэтому в указанных горелках применен метод зажигания от электрической искры.
Расположение поджигающего устройства относительно сопла (зоны смешения выхлопной струи) зависит от параметров поджигающего устройства (длины факела), но воспламенение выбросов должно производится непосредственно за выходным сечением сопла на начальном участке струи. Это уменьшает задержку воспламенения выбросов и обеспечивает участие минимального количества водорода в смеси при начальном воспламенении.
Конструктивные схемы некоторых типов поджигающих устройств представлены на pиc.3.3.
РИС. 3.3. Схемы поджигающих устройств:
3.3.а Поджигающее устройство с пирозапалом
3.3.б Поджигающее устройство эжекторного типа
3.3.в Поджигающее устройство двухкомпонентного типа
Показано, что в устройстве эжекторного типа (рис.3.3,б) за счет перераспределения водорода в периферийную часть струи в количестве 30...40% от суммарного расхода (mг), можно получить удлинение факела (lф) на 15... 20%. В поджигающем устройстве двухкомпонентного типа (рис. 3.3,в) за счет подачи водорода и воздуха от стендовых систем обеспечивается независимость работы устройства от внешних условий. В результате проведенных исследований разработаны рекомендации по выбору параметров и типов поджигающих устройств для воспламенения выбросов водорода в стендовых условиях.
РИС. 3.3. Схемы поджигающих устройств:
а) - с пирозапалом; б) - эжекторного типа; в) - двухкомпонентного типа;
г) - зависимость Iф, dф, от mг; 1 - сверхзвуковое сопло; 2 - боковые отверстия;
2 - камера; 4 - насадок; 5-электрическая свеча; б - воспламенитель; 7 -пирозапал;
8 - камера разогрева водорода; 9 - форкамера
Так, при испытании двигателей:
- однократного включения можно применять ПУ с пороховым зарядом, например, со временем горения 11с и длиной факела Iф=0,3... 1,0 м;
- многократного включения и в стендовых дожигателях целесообразно использовать струйные ПУ с электрозажиганием, работающие на газообразном водороде и эжектируемом воздухе;
- с истечением газов в замкнутый объем или в среду с повышенным содержанием инертного газа следует применять ПУ двухкомпонентного типа с подачей водорода и воздуха от стендовых систем или ПУ с пороховым зарядом.
Принципиальные схемы устройств воспламенения и дожигания водородных выбросов. В данном разделе приведены для примера принципиальные схемы некоторых устройств для воспламенения водородных выбросов в процессе проведения испытания, разработанных и применяемых на стендах НИИХМ.
На рис.3.4 представлены схемы установки поджигающих устройств для воспламенения выбросов из сопла камеры сгорания двигателя.
Рис.3.4. Схемы установки ПУ для воспламенения выбросов:
а, б - однократного; в - многократного включения; 1 - камера; 2 - пирозапалы; 3 - кольцо со штативом; 4 - ПУ - многократного включения
На рис. 3.5 показана схема расположения пирозажигательных устройств в полости выхлопного диффузора (газодинамической трубы) при испытаниях двигателя с имитацией высотных условий.
Рис.3.5. Схема установки пирозапалов при испытании двигателя с выхлопным диффузором:
1 - пирозапал; 2 - камера сгорания; 3, 4, - клапаны подачи компонентов в двигатель; 5 - выхлопной диффузор; 6 - тягоизмеритель
На рис. 3.6 и 3.7 представлены схемы устройств для дожигания выбросов водорода при автономных испытаниях газогенераторов, ТНА и проведении технологических операций на стенде (захолаживание систем, заправка и др.).
Рис.3.6. Стендовый дожигатель газа в свободной струе газа:
1 - труба подвода основного расхода; 2 - труба подвода "Г" для дежурного факела; 3 - стабилизатор; 4 - коллектор; 5 - пирозапал
Рис.3.7. Стендовый дожигатель блочный:
1 - агрегат зажигания; 2 - ПУ; 3 - электросвеча; 4 - выхлопное устройство с газовым затвором; 5 - факел ПУ
Основные меры безопасности при стендовых испытаниях ДУ на кислородно-водородном топливе. Как известно, водород в смеси с воздухом и кислородом может взрываться при наличии источников инициирования. Выше были рассмотрены некоторые условия воспламенения водородно-воздушных смесей. Более опасным по своим последствиям является детонация (взрыв) водородных смесей. При этом опасность взрыва усугубляется тем, что пределы детонации находятся внутри области воспламенения (см. таблицу 3.2). Для возникновения детонации, помимо наличия горючей смеси, необходим соответствующий источник инициирования. Известно, что наиболее легко детонация возбуждается ударной волной. Возможность детонации в открытом пространстве исследовано в работах [1,3]. Было найдено, что в водородно-воздушных смесях, близких к стехиометрическим, ударные волны могут возникать и в свободном пространстве при наличии достаточно мощного источника воспламенения. При этом минимальный критический размер ударной волны, необходимый для возбуждения сферической детонации, составляет 0,5 м. При разбавлении смеси азотом критический размер ударной волны увеличивается. Так, например, при 100% разбавлении воздуха азотом критический размер ударной волны составляет 1,1 м. При 200% разбавлении детонации не возникает даже при взрыве заряда тринитротолуола (ТНТ), с массой 1кг.
Поэтому в стендовых условиях проливы и выбросы водорода очень опасны и могут взрываться в смесях с кислородом (или воздухом), так как на стенде всегда есть источники инициирования (выхлопная струя двигателя, источники высокого давления, источники электропитания и др.).
Тротиловые эквиваленты водородно-воздушных и водородно-кислородных смесей в стехиометрическом соотношении составляют 10,4 и 13,3 кг тринитротолуола (ТНТ)/кг водорода. При этом необходимо учесть то, что избыточный водород в смеси не участвует во взрыве, коэффициент участия водорода во взрыве (Ζ) зависит от многих факторов и определяется режимом смешения, при значениях чисел Рейнольдса значительно больше Reкр может достигать максимального значения Ζma[ = 0,42.
Величина ударной волны при взрыве на поверхности земли может быть оценена по формуле академика М.А. Садовского: ,143,406,1333223BRBRBRРш⋅⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⋅+⋅+=Δ кгс/см2, (3.3)
где ΔРш – избыточное давление во фронте ударной волны на расстоянии ~ R (м) от центра взрыва;
В – вес заряда тротила, определяемый соотношением вmЭСzВ⋅⋅=;
Z – коэффициент использования водорода во взрыве для случая истечения и смешения с Re>>Reкр; Re – критерий Рейнольдса;
СЭ=10,4 кг ТНТ/кг Н2 – тротиловый эквивалент водородно-воздушной смеси в стехиометрическом соотношении;
mв – количество выброшенного водорода при аварийной ситуации.
Формула (3.3) справедлива для значений приведенного расстояния от центра взрыва .1513÷==BRR (3.4)
К наиболее опасным факторам при испытаниях водородно-кислородных ДУ следует отнести те, которые приводят к разгерметизации топливной системы, аварийному выбросу водорода и кислорода с последующей реализацией поражающих факторов в виде взрыва, пожара и разлетающихся осколков. Поэтому холодные и огневые испытания кислородно-водородных ДУ должны проводиться с выполнением специальных мероприятий по безопасности, предусматривающих выполнение определенных требований по системам ДУ, по стенду и к проведению (организации) испытаний. По ДУ предусматриваются: на первые испытания ДУ выполняется с более упрочненными баками, двигатель отделяется от баков защитным устройством (плитой); двигатель до начала испытаний в составе ДУ должен иметь коэффициент надежности не ниже 0,985, подтвержденный при автономных испытаниях; агрегаты и системы ДУ должны быть испытаны автономно на натурных компонентах; огневым испытаниям должны предшествовать холодные испытания ДУ для проверки совместного функционирования систем; в баках ДУ должны быть установлены разделительные клапаны по магистралям питания окислителя и горючего, клапаны аварийного слива компонентов из бака, дополнительные дренажно-предохранительные клапаны, системы дополнительного наддува баков; должно быть предусмотрено оснащение ДУ системой пожаро – взрывопредупреждения и системой аварийной защиты, предусматривающих контроль определенных параметров двигателя и ДУ и прекращение испытания при их отклонениях от заданных величин (рк , рвхг ,рвхо, nтна,Тгг, Пгг, Пкс, Вгг, Вкс, Втна и др.).
По системам стенда предусматриваются: контроль опасных концентраций водорода и кислорода в отсеках и боксе стенда, в хвостовом отсеке ДУ; воспламенение и дожигание выбросов водорода из сопла двигателя, отвод дренажей водорода на стендовый дожигатель, выполнение блоков информационно-управляющих систем в искрозащищенном исполнении, подача азота в отсеки и огневой бокс стенда, максимальное раскрытие проемов в стенах и крыше стенда; контроль параметров и парирование нештатных ситуаций (НШС).
По организации испытаний предусматриваются: дистанционное проведение заправочных операций и испытания с укрытием персонала, участвующего в проведении испытания, в бункере, полное удаление людей из опасной зоны в радиусе Rбез и выставлением оцепления; готовность служб пожарной охраны и газоспасательной службы к ликвидации последствий аварийных ситуаций; ограничение продолжительности первого испытания и количества заправляемого в бак ДУ водорода, которое определяется исходя из расположения испытательного стенда (расстояния до жилой зоны) и размерности двигателя.
При формировании решения о возможном количестве заправляемого жидкого водорода наиболее вероятным считается “мгновенное” развитие событий от разрушения баков “Г” и “О” до реализации взрыва в атмосфере облака стехиометрической смеси водорода и кислорода. Прогнозирование степеней повреждения зданий и сооружений, находящихся на территории промышленной и жилой зон, в случае потенциальной аварии производится путем расчетного определения размеров опасных зон.
Ключевыми моментами в этих расчетах являются:
− масса выброса пожаро-взрывоопасного компонента и коэффициент использования этого компонента во взрыве;
− коэффициент разрушений, определяемый энергией сгорания стехиометрической парогазовой смеси.
Применительно к стендовой отработке современных и перспективных кислородно-водородных ракетных блоков, имеющих в топливных баках от 1т до 20 т жидкого водорода, в соответствии с моделью мгновенного развития событий проведены расчеты опасных зон. Результаты расчетов для водородно-кислородной смеси с использованием соотношений (3.3) и (3.4) показаны на рис. 3.8 соответственно для разомкнутого (полностью открытого) рабочего объема стенда при коэффициенте использования водорода во взрыве z = 0,02…0,1 и для замкнутого рабочего объема при z = 0,3…0,5. При этих расчетах на ограниченном расстоянии от стенда допускалось избыточное давление во фронте ударной волны, равное 2КПа, при котором реализуется вторая степень безопасности и возможно частичное разрушение (менее 50 %) остеклений зданий и сооружений.
Так, применительно к испытаниям ДУ разгонных блоков на стенде В3 НИИХМ вопрос о риске проведения этих работ рассматривался экспертной комиссией по безопасности испытаний в 1991г. и было принято решение о возможности проведения холодных и огневых испытаний с заправкой топливного бака ДУ водородом в количестве 2700 кг.
Из рис. 3.8 видно, что при ограниченном расстоянии от стенда В3 до зданий жилой зоны (~1100м) испытания без доработки конструкции стенда возможны с заправкой водородом в количестве не более 2700 кг. Испытания с заправкой до 6500 кг жидкого водорода требуют проведения доработок конструкции стенда или принятие эффективных мер безопасности.
Следует обратить внимание на то, что расчеты проводились с использованием гипотетической модели развития аварийной ситуации, которые не учитывают динамику и кинетику процессов от начала разгерметизации до взрыва, а также – уменьшение тротилового эквивалента при неполучении стехиометрической смеси. В то же время рассмотрение статистики аварий, произошедших по причине выброса водорода, показывает, что развитие событий имеет заметное время, позволяющее парировать развитие аварийной ситуации, а коэффициент использования водорода во взрыве в большинстве случаев не превышает величины z = 0,1. Это позволяет рассматривать вопрос о проведении испытаний на стенде В3 НИИХМ ДУ с полной заправкой блока водородом (до 6500 кг) при выполнении определенных мер безопасности и парированием нештатных ситуаций:
- внедрение датчиков контроля утечек водорода с инерционностью не более 1 с;
- оснащение систем аварийной защиты (САЗ) двигателя первичными преобразователями (датчиками), основанными на оптико-волоконной и изотопной технике и обеспечивающими контроль наиболее напряженных параметров криогенного двигателя – износа беговых дорожек узлов качения (подшипников), температуры лопаток турбины и др.;
- оснащение САЗ двигателя каналами контроля виброперегрузок в системах ТНА и камеры;
- применение активных средств флегматизации взрывоопасных смесей в отсеках стенда.
5. Создание и эк логически чистых ракетно-космических систем и проблемы применения метана и водорода в энергетических и транспортных системах.
Перспективы развития двигательных установок РКТ. В настоящее время для вывода тяжелых грузов (орбитальных станций с массой до 20 тонн) используется РН «Протон», работающий на компонентах топлива НДМГ и АТ. Для уменьшения вредного влияния ступеней РН на окружающую среду была проведена модернизация ступеней и двигателей ракеты с целью значительного уменьшения остатков компонента в баках («Протон-М»).
Также для вывода полезных нагрузок в России используются относительно дешевые конверсионные ящее время для вывода тяжелых грузов (орбитальных станций с массой до 20 тонн) используется РН «Пр ракетные системы «Днепр», «Стрела», «Рокот». «Циклон» и «Космос- 3М», работающие также на токсичных топливах. В настоящее время для запуска пилотируемых кораблей с космонавтами используются только ракеты-носители «Союз» на кислородно-керосиновом топливе и МКС «Спейс-Шаттл». Есть планы создания ракет- носителей для запуска пилотируемых аппаратов у Китая (совершили первый полет китайского космонавта в октябре 2003 г.) и Европейского сообщества (ЕС). ЕС успешно эксплуатирует для доставки тяжелых полезных нагрузок с космодрома Куру (Новая Гвинея) 2-х ступенчатую ракету-носитель «Ариан-5», который имеет 2 твердотопливных ускорителя с тягой по 540 тс каждая, 1-ю ступень с двигателем «Вулкан» (тяга на поверхности Земли – 86 тс и в пустоте – 111 тс, компоненты жидкий кислород и жидкий водород, давление в камере 10 МПа и время горения – 600 с) и 2-ю ступень Н-155 (двигатель с тягой 2,9 тс, работающий на топливе четырехокись азота и НДМГ, время горения 1100 с). Планируется в будущем модернизировать «Ариан-5» и оснастить его разгонным блоком с криогенным двигателем двухкратного включения (тяга ~ 20 тс). Это позволит в конечном итоге выводить до 11т полезного груза на переходную орбиту в 2006 г. 80
Одной из современных ракет-носителей, предназначенных для вывода в космос объектов различного назначения, является ракета Н-II, разработанная в Японии. Н-II является двухступенчатой ракетой, на которой установлены 2 твердотопливных ускорителя с тягой по 230 тс, на 1-й ступени установлен кислородно-водородный
Одной из современных ракет-носителей, предназначенных для вывода в космос объектов различного назначения, является ракета Н-II, разработанная в Японии. Н-II является двухступенчатой ракетой, на которой установлены 2 твердотопливных ускорителя с тягой по 230 тс, на 1-й ступени установлен кислородно-водородный двигатель LE-7 (тяга на Земле 84 тс, в пустоте 108 тс, давление в камере 13 MПа, продолжительность работы 346 с) и на 2-й ступени установлен кислородно-водородный двигатель LE-5A (тяга 12,2 тс и максимальная продолжительность работы до 600 с).
В японской космической программе значительное место уделено созданию беспилотного многоразового транспортного аппарата HOPE-X, предназначенного для стыковки с международной космической станцией, доставки и возвращения на Землю различных грузов.
В Индии в связи с необходимостью обеспечения общеобразовательной программы через сети Интернета в стране предусматривается вывод на геосинхронную орбиту спутника (период обращения вокруг Земли 24 часа). Для этого ISRO создает 3-х ступенчатую ракету-носитель GSLV. Ракета-носитель оснащена на 1-й ступени твердотопливной двигательной установкой с тягой ~470 тс (время функционирования 100 с), на 2-й ступени - жидкостной двигательной установкой с тягой 72 тс (время функционирования 150 с) и на 3-й ступени - криогенным разгонным блоком с кислородно-водородным двигателем КВД1 с тягой 7,5 тс и временем работы до 712 с. На ракете-носителе используются также 4 боковые ускорители с жидкостными двигателями, работающими на НДМГ и четырехокиси азота (время функционирования 160 с). Криогенный разгонный блок с двигателями КВД1 разработан и поставляется в Индию российскими фирмами ГКНПЦ им. Хруничева и КБ химического машиностроения им. А. М. Исаева. В апреле 2001 г и в мае 2003 г. проведены успешно запуски ракеты GSLV.
Ракетно-космические программы есть у Южной Кореи, Бразилии, Китая и других стран.
В последнее десятилетие в России вкладываемые деньги на развитие ракетно-космической техники значительно сократились. Мы вкладываем значительно меньше по сравнению даже с такими странами как Китай, Индия и мы сдаем позиции в освоении космического пространства по всем направлениям. Например, для обеспечения функционирования программы ГЛОНАСС (Связь, навигация и прогноз погоды) надо на орбите иметь не менее 24 спутников, а мы в состоянии держать 5-6 спутников. С 1995 г практически не проводим фундаментальных исследований дальнего космоса и планет Солнечной системы, в США такие исследования продолжаются в том же темпе, что и до 90-х годов.
Перспективы развития ракетно-космической техники и двигателей.
1. Взамен российской орбитальной станции «Мир» создается Международная космическая станция (МКС). В этой программе участвуют США, Япония, ЕС и Россия. Контрольный пакет принадлежит США. Создание МКС планируется завершить в 2006г.
2. Создание современных ракет-носителей легкого, среднего и тяжелого классов: «Ямал», «Аврора», «Союз-2», «Русь», «Онега» и «Ангара» с использованием экологически чистых компонентов (керосин-кислород, водород-кислород);
- на первых ступенях кислородно-керосинового (на первом этапе) и кислородно-метанового топлива (на втором этапе);
- на верхних ступенях – кислородно-водородного топлива.
При этом предусматривается осуществлять запуски РН Русь с космодрома Куру для увеличения массы выводимых грузов на орбиту земли и использование вновь создаваемого ракетно-космического комплекса «Онега» в 3-х ступенчатом варианте на кислородно-керосиновом (1-я ступень) и кислородно-водородном (2-я и 3-я ступени) топливах для обеспечения независимого вывода (от Казахстана) на геостационарные орбиты полезных нагрузок до 4 тонн с космодрома Плесецк.
3. Планы модернизации «Протона-КМ» предусматривают оснащение Р-Н 3-й ступенью с кислородно-водородным разгонным блоком (КВРБ) с двигателем КВД1М3 (тяга 10,5 тс). Проект «Протон-М2» предусматривает также оснащение Р-Н 2-й ступенью с универсальным кислородно-водородным блоком (УКВБ) с 4-мя двигателями КВД1М3 (тяга 4x10,5=42 тс).
При этом создаваемые блоки «КВРБ» и «УКВБ» будут иметь универсальные стыковочные узлы и могут быть использованы на различных Р-Н «Протон-КМ», «Протон-М2», «Ангара» и др.
4. Предложена стратегия поэтапного создания ракеты-носителя тяжелого класса с использованием в ее составе универсального ракетного модуля. Предусматривается, что 7 вариантов ракет семейства «Ангара» будут охватывать ракеты от легкого класса с грузоподъемностью на низких опорных орбитах 2-3,7 т до тяжелого с грузоподъемностью до 24,5 т., а в последствии до 28,5 т. В основу семейства ракет «Ангара» положен универсальный ракетный модуль (УРМ), в состав которого входит блок баков окислителя (жидкого кислорода), баков горючего (керосина) и двигателя РД-191 с тягой ~200 тс, выполненного по схеме с дожиганием генераторного газа. Носитель легкого класса будет иметь один такой модуль, а носители среднего и тяжелого классов будут иметь от 3 до 5 таких модулей. В качестве 2-й ступени рассматривается применение блока либо на кислородно-керосиновом топливе, либо универсального кислородно-водородного блока («УКВБ»), характеристики которого сохраняются такими же, как «УКВБ» для носителя «Протон-М2». Кроме того, для улучшения экономических показателей при эксплуатации ракет-носителей, а также минимизации отчуждаемых для падения отработавших ступеней ракет территорий прорабатывается в рамках программы «Байкал» вопрос создания возвращаемых к месту старта первых ступеней многоразового применения. Для этого блок 1-й ступени должен быть оснащен поворотным хвостовым оперением, складным крылом и вспомогательным турбореактивным двигателем. Этот двигатель обеспечит крейсерский полет ускорителя при возвращении на аэродром, расположенный вблизи стартового комплекса, и посадку на шасси самолетного типа. Это позволит значительно сократить площади отводимых земель для падения 1-х ступеней ракет.
5. По ракетным двигателям предусматривается:
- переход на экологически чистые компоненты топлива: кислород-керосин и кислород-метан в двигательных установках первых ступеней и на кислород-водород в двигательных установках верхних ступеней ракет космического назначения;
- повышение надежности двигательных установок за счет снижения напряженности основных узлов, использование двигателей «открытой схемы», выполненных по схеме без дожигания генераторного газа, но модернизированных, а также двигателей многократного применения;
- применение эффективных методов контроля и диагностики испытаний, применение «прогнозного» контроля, предусматривающего определение остаточного ресурса двигателя;
- создание кислородно-водородных двигателей, выполненных по безгазогенераторной схеме (в этом схеме в турбинном тракте уходим от высоких температур, но из-за высоких потребных напоров насосов приходим к очень высоким оборотам ТНА (до 130…150 тыс. об/мин.) и отличающихся повышенной надежностью;
- использование двигателей с кольцевыми соплами внешнего расширения – можно получить большие степени расширения газов в сопле при небольших габаритах, но есть большие конструктивные сложности и сложности охлаждения. Перспективы применения метана и водорода в энергетических и транспортных системах.
Энергетика. Запасов углеводородного топлива (нефти, природного газа) должно хватить на 50…100 лет, каменного угля на 400 лет. К тому же их применение вызывает значительное загрязнение окружающей среды и парниковый эффект на земле, что может привести к потеплению климата и увеличению температуры на 2…4 градуса.
Поэтому применение альтернативных источников энергии актуально и должно увеличиться:
- доля атомной энергетики в мире растет и к 2000 г должна достигнуть 20-23 %, но запасов ядерного урана тоже должно хватить на 40…50 лет при использовании АЭС на тепловых нейтронах, поэтому должны внедряться реакторы-размножители на быстрых нейтронах, которые наряду с выработкой электроэнергии обеспечат переработку и получение нового ядерного горючего под воздействием нейтронного потока (из природного урана-238 образуется синтетическое ядерное горючее – плутоний-239 и из тория-232 образуется вначале торий-233, а затем синтетическое ядерное горючее уран-233). В реакторах-размножителях уран будет использоваться в 40-60 раз эффективнее и позволит получить 360 Q вместо 1,8 Q, которые можно получить при использовании разведанных в настоящее время запасов урана [1], где Q – энергетический эквивалент, Q=1,055•1021 Дж=3.6•1010 т условного топлива, так например, годовая потребность в энергии в 2000 г. составила 0.8 Q;
- доля возобновляемых источников энергии, связанных с деятельностью солнца (энергия ветра, гидроэнергия, энергия морских приливов и отливов, геотермальная энергия), в энергетике в 2000 году составила на уровне ~ 10%.
Переход транспорта, промышленности и бытовых потребителей на водород — это путь к радикальному решению проблемы охраны воздушного бассейна от отравлений, вызываемых оксидами углерода и азота, от хронических отравлений, вызываемых оксидами серы, углеводородами, и от вековых накоплений в атмосфере диоксида углерода (СО2), откуда углерод уводится в энергетические тупики (залежи карбонатов). Переход на водородную технологию не меняет не только водного баланса планеты, но и водного баланса отдельных регионов, где будут расположены крупные системы для разложения воды термохимическим способом или электролизом.
Научно-техническая революция диктует новые формы взаимодействия человечества с природой. Такой новой формой является экотехнология, центральным звеном которой должно стать водородное горючее. Создание водородной технологии является долгосрочной задачей и в то же время конкретным все более весомым вкладом в решение энергетических проблем развивающегося мира.
Водород универсален, он является и горючим, и химическим сырьем. Транспортирование водорода по примерной оценке только на 20—50 % дороже транспортирования природного газа. Потери энергии при компримировании водорода, при его транспортировании по трубопроводам составляют примерно 1 % переносимой энергии, а стоимость транспортирования равна примерно 10 % стоимости передаваемого газа. Водород удобен при хранении. Дает возможность гибкого решения проблемы отбора энергии в условиях переменной потребности в нем, имеет высокую теплоту сгорания.
Как показывают прогнозы, ожидается равновесие между стоимостью водорода, полученного за счет, например, энергии Солнца, и современными закупочными ценами на водород, получаемый из углеводородного сырья. Еще более благоприятно складывается ситуация при использовании для получения водорода атомной энергии. На рис. 5.1 представлены схемы энергетических циклов на водороде и органическом горючем.
По современным исследованиям [1], водород способен покрыть 85 % всех энергетических потребностей в секторе индустрии и 92 % потребностей бытового сектора и сектора мелких потребителей.
Рис. 5.1. Схемы использования и возобновления ископаемых видов
горючего (а) и водорода (б) Универсализм водорода состоит в том, что он может заменить любой вид горючего в различных отраслях производства, в промышленности, на транспорте, в энергетике. Он способен заменить природный газ для бытовых целей, бензин — в двигателях внутреннего сгорания, специальные виды горючих — в ракетных двигателях, ацетилен — в процессах сварки металлов, кокс — в металлургических процессах, метан — в топливных элементах, углеводороды в ряде микробиологических процессов, углерод — во многих процессах, требующих восстановителя. Водород может быть легко использован и на небольших передвижных или стационарных энергетических установках, в газовых турбинах для генерирования электроэнергии и в крупных топках и печах; может и храниться в любых количествах. Его использование в качестве энергоносителя не потребует коренных изменений в современной технологии топливоиспользования.
Применение водорода облегчает переход от ископаемых горючих к атомной энергетике. Этот переход завершится, видимо, за пределами ХХ века, но постепенно развивать его необходимо уже сегодня. Обладая всеми преимуществами горючих ископаемых, водород свободен от их недостатков. При его сжигании с дозированным количеством кислорода не создается вредных выбросов, ликвидируется опасность парникового эффекта.
Запасы сырья для получения водорода в природе практически неисчерпаемы. Только в морях и океанах нашей планеты, по ряду оценок, содержится (1-2)•1017т водорода и 2•1013 т дейтерия. При сжигании водород вновь в виде воды возвращается в кругооборот природы.
Будучи технологическим сырьем для получения аммиака, метанола, гидразина, гидрирования угля, водород и в новых формах косвенно увеличивает ресурсы энергетического горючего. Все это лишь средства и формы аккумулирования энергии водорода. Универсальность водорода характеризуется и тем, что он способен заменить электричество в качестве энергетического посредника между атомным реактором и потребителями энергии.
Электричество является гигиеничной и удобной формой энергии и оно всегда будет выполнять присущую ей роль в энергетической системе. Но электричество не является наилучшей формой энергии с точки зрения ее транспортирования и хранения. Стоимость передачи и распределения электрической энергии высока — достигает 50 % обшей ее стоимости. Велики и потерн электроэнергии при ее передаче на дальние расстояния. Однако и расположение крупных электростанций внутри густонаселенных промышленных районов также неприемлемо из-за большого локального выделения тепла в окружающую среду. Так как 1 кВт-ч электроэнергии эквивалентен 3600 кДж тепловой энергии, то средний термический КПД электростанций составляет 32,5 %. Ниже приведены данные по КПД энергоснабжения бытового потребления при сопоставлении электроэнергии и газа как энергоносителей:
Источник энергии
КПД термический производства энергии,
%
КПД термический транспортирования и распределения энергии,%
КПД энергоснабжения потребителя,
%
Электроэнергия
32,5
28
Газ
97,0
96
93
Как следует из этих данных, при выработке и распределении электричества только 28 % от содержащейся в природных ресурсах энергии поступает к потребителю, а при использовании газа — 93%.
Энергетическая система, в целом построенная на водороде и включающая транспортирование энергии и ее распределение при использовании водорода в качестве энергоносителя, оказывается более экономичной. Это подтверждается данными, приведенными в табл. 5.1.
Таблица 5.1. Стоимость энергии, произведенной и доставленной
потребителю в форме электричества и через производство водорода
Статья расхода
Электроэнергия,
долл/ГДж
Водород,
долл/ГДж
Производство
Система распределения по потребителям Передача на 100 км
27,97
16,83
6,40
30,90-33,83
3,56
5,44
Общая стоимость
51,20
39,90-42,83
Вероятно, наиболее рациональной может стать энергетическая система, построенная на двух энергоносителях: на электричестве (автоматизация, механизация, освещение, передача информации, система управления) и на водороде (транспорт, быт, химия, металлургия, энергетика). Перспективность такой системы определяется и ее наибольшим приближением к эволюции биосистемы планеты.
Таким образом, сочетание атомной энергетики с таким энергоносителем, как водород, сможет обеспечить все энергетические и энерготехнологические потребности общества в относительно недалеком будущем. Как справедливо указывал академик А. Н. Фрумкин: «Разложение воды и противоположный ему процесс – окисление водорода, могут заменить нашей цивилизации добычу и сжигание ископаемого горючего». Вода + ядерная энергетика + диоксид углерода – это в то же время новые неограниченные запасы углеводородов на нашей планете для целей химической технологии. Первой ступенью перехода к водородной энергетике будет широкое использование твердых горючих (каменного угля) для процессов газификации и гидрогазификации с получением ряда продуктов (СО + Н2; метана; метанола; аммиака; водорода).
Вторая ступень перехода к водородной энергетике – развитие технологии получения водорода комбинацией выработки тепловой энергии в высокотемпературных атомных реакторах с термохимическим методом разложения воды на водород и кислород в замкнутых циклах.
Авиация. В 2000 году авиационный транспорт США потреблял до 30% всей энергии, используемой на транспорте. Поскольку для авиации требуется углеводородное горючее высокого качества, то поиск альтернативных источников горючего становится особенно актуальным. К тому же следует добавить, что при переработке сырой нефти выход авиационного горючего составляет всего 8-12% (в перспективе возможно до 17%) на сырую нефть.
Метан является привлекательным авиационным горючим, однако он обладает меньшей энергоемкостью, чем водород. Водород дает минимум загрязнения окружающей среды. Высокая массовая теплота сгорания водорода (121000 кДж/кг), примерно в 2,8 раза превышающая теплоту сгорания углеводородных горючих, его высокая полнота сгорания позволяют значительно повысить эффективность авиационных двигателей, уменьшить удельный расход горючего, уменьшить массу и габариты двигателя.
В настоящее время многие авиационные фирмы ведут работы по созданию двигателей на метане, в частности САНТК им. академика Н. Д. Кузнецова работает над созданием газотурбинных двигателей на метане для пассажирских самолетов.
В 90-х годах ХХ века были проведены испытания и полеты пассажирского самолета Ту-155 на водороде, при которых были продемонстрированы преимущества и возможности использования водорода в авиации, в том числе экологическая чистота применения водорода. Однако, на сегодня внедрение водорода в авиацию во многом сдерживается из-за дороговизны водорода и на первом этапе надо ожидать внедрения метана в авиацию и развития соответствующей инфраструктуры.
Предлагается также использовать жидкий водород в авиации не только в качестве горючего, но и в качестве высокоэффективного хладоагента. Перед подачей в двигатель жидкий водород можно использовать для охлаждения лопаток турбины и эксплуатировать ее при более высокой температуре с большей эффективностью. В гиперзвуковой авиации при скоростях полета с М ~ 6 летные качества самолета на жидком водороде получаются оптимальными.
Для дозвуковых и сверхзвуковых самолетов замена углеводородного горючего (керосина) жидким водородом снижает массу необходимого горючего почти в три раза, а общую массу самолета на ¼ с учетом уровня технологии 90-х годов ХХ века. По прогнозам исследователей [1] применение жидкого водорода в гражданской авиации экономически выгодно даже при его массовой стоимости в 3-4 раза выше стоимости керосина. В настоящее время внедрение водородного горючего в авиации сдерживается, в основном, высокой стоимостью водорода. Например, стоимость 1 кг жидкого водорода, получаемого электролизом воды в опытном производстве НИИХМ составляет 10 $ (определяется в основном стоимостью электроэнергии), а стоимость 1 кг жидкого водорода, получаемого из природного газа в Индии составляет ~ 20 $ (определяется сырьем и технологией, поставляемой Германией).
Автотранспорт. Современный автотранспорт на жидком углеводородном горючем в наибольшей степени загрязняет окружающую среду. В качестве вредных продуктов наряду с оксидом углерода, оксидами азота, серы, неразлагающимися углеводородами выделяются канцерогенные полиароматические соединения, сажа, соединения свинца и другие химические соединения. В среднем в год автомобиль выбрасывает в атмосферу 250 кг СО, 27 кг NOx и 93 кг углеводородов.
Современная химическая технология может предложить автомобильному транспорту альтернативные горючие, чтобы исключить вредные выбросы в окружающую среду:
1) водород (в виде сжатого газа или в жидком виде) в баллонах или криогенных сосудах; 2) синтетические жидкие горючие на основе водорода (метанол, аммииак, этанол, синтетический метан.
В табл. 5.2 представлена сравнительная характеристика водорода, ряда углеводородных и синтетических горючих для автомобильного транспорта и удельные выбросы вредных веществ.
Переход на водородное горючее снимает проблему загрязнения окружающей среды выхлопными газами. Даже добавки водорода в незначительных количествах (5-10%) позволяют в городских условиях эксплуатации двигателя сократить расход бензина на 20-30% и повысить топливную экономичность двигателя на 10-15%, выбросы оксида углерода при этом могут быть снижены с 1-4% до 0,1%.
Сноски
ОКБ — общепринятое сокращение для «опытно-конструкторское бюро» или «отдельное (особое) конструкторское бюро». Иногда именовалось также «специальное конструкторское бюро» — СКБ.
АТ - НДМГ – это топливная пара: несимметричный диметилгидразин и азотный тетраоксид. (АТ – часто используется в качестве окислителя для НДМГ)
ЖРД - жидкостный ракетный двигатель
Стартовые комплексы – это высоконадежные объекты, обеспечивающие подготовку и запуск ракет в заданное время, независимо от времени суток и погодных условий (поэтому в подготовке специалистов предусмотрено изучение прикладной теории надежности, а также методов и средств повышения надежности сложных технических объектов).