Взрыв ракеты-носителя в полете: экологические аспекты последствий и их оценка
Рассмотрены экологические аспекты последствий взрыва ракеты-носителя в полете. Предложен методический подход к получению прогнозных оценок, связанных с определением характеристик капельного облака, образующегося при взрыве, количества попадающих в атмосферу паров токсичных компонентов ракетных топли...
Gespeichert in:
| Datum: | 2014 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2014
|
| Schriftenreihe: | Техническая механика |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88491 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Взрыв ракеты-носителя в полете: экологические аспекты последствий и их оценка / М.А. Бондарь, П.Г. Дегтяренко, А.П. Кремена, Н.Ф. Свириденко // Техническая механика. — 2014. — № 3. — С. 48-57. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-88491 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-884912015-11-17T03:01:56Z Взрыв ракеты-носителя в полете: экологические аспекты последствий и их оценка Бондарь, М.А. Дегтяренко, П.Г. Кремена, А.П. Свириденко, Н.Ф. Рассмотрены экологические аспекты последствий взрыва ракеты-носителя в полете. Предложен методический подход к получению прогнозных оценок, связанных с определением характеристик капельного облака, образующегося при взрыве, количества попадающих в атмосферу паров токсичных компонентов ракетных топлив, зоны выпадения неиспарившихся компонентов ракетных топлив и их количества. Полученные оценки позволяют оперативно оценить экологические последствия взрыва с учетом конкретных метеоусловий и характеристик ландшафта вдоль трассы полета ракеты-носителя, а также разработать рациональный комплекс мероприятий по ликвидации или компенсации экологического ущерба. Розглянуто екологічні аспекти наслідків вибуху ракети-носія в польоті. Запропоновано методичний підхід до отримання прогнозних оцінок, пов'язаних з визначенням характеристик краплинної хмари, що утворюється під час вибуху, кількості парів токсичних компонентів ракетних палив, що потрапляють в атмосферу, зони випадання компонентів ракетних палив, що не випарилися, та їх кількості. Отримані оцінки дозволяють оперативно оцінити екологічні наслідки вибуху з урахуванням конкретних метеоумов і характеристик ландшафту вздовж траси польоту ракети-носія, а також розробити раціональний комплекс заходів щодо ліквідації або компенсації екологічного збитку. Environmental aspects of the aftereffects of a launch vehicle explosion during the flight are examined. A methodic approach to predictable evaluations involving the characteristics of the dropping cloud in an explosion, vapors of toxic propellant components, the zone of the fall-out of non-vaporing propellant components and their amounts is proposed. The evaluations made allow an operative evaluation of the environmental aftereffects of an explosion considering certain weather conditions and characteristics of landscape along the launch vehicle track as well as the development a rational complex of measures for mitigation of environmental damage 2014 Article Взрыв ракеты-носителя в полете: экологические аспекты последствий и их оценка / М.А. Бондарь, П.Г. Дегтяренко, А.П. Кремена, Н.Ф. Свириденко // Техническая механика. — 2014. — № 3. — С. 48-57. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. 1561-9184 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88491 629.764:662.25+577.4 ru Техническая механика Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Рассмотрены экологические аспекты последствий взрыва ракеты-носителя в полете. Предложен методический подход к получению прогнозных оценок, связанных с определением характеристик капельного облака, образующегося при взрыве, количества попадающих в атмосферу паров токсичных компонентов ракетных топлив, зоны выпадения неиспарившихся компонентов ракетных топлив и их количества. Полученные оценки позволяют оперативно оценить экологические последствия взрыва с учетом конкретных метеоусловий и характеристик ландшафта вдоль трассы полета ракеты-носителя, а также разработать рациональный комплекс мероприятий по ликвидации или компенсации экологического ущерба. |
| format |
Article |
| author |
Бондарь, М.А. Дегтяренко, П.Г. Кремена, А.П. Свириденко, Н.Ф. |
| spellingShingle |
Бондарь, М.А. Дегтяренко, П.Г. Кремена, А.П. Свириденко, Н.Ф. Взрыв ракеты-носителя в полете: экологические аспекты последствий и их оценка Техническая механика |
| author_facet |
Бондарь, М.А. Дегтяренко, П.Г. Кремена, А.П. Свириденко, Н.Ф. |
| author_sort |
Бондарь, М.А. |
| title |
Взрыв ракеты-носителя в полете: экологические аспекты последствий и их оценка |
| title_short |
Взрыв ракеты-носителя в полете: экологические аспекты последствий и их оценка |
| title_full |
Взрыв ракеты-носителя в полете: экологические аспекты последствий и их оценка |
| title_fullStr |
Взрыв ракеты-носителя в полете: экологические аспекты последствий и их оценка |
| title_full_unstemmed |
Взрыв ракеты-носителя в полете: экологические аспекты последствий и их оценка |
| title_sort |
взрыв ракеты-носителя в полете: экологические аспекты последствий и их оценка |
| publisher |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| publishDate |
2014 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88491 |
| citation_txt |
Взрыв ракеты-носителя в полете: экологические аспекты последствий и их оценка / М.А. Бондарь, П.Г. Дегтяренко, А.П. Кремена, Н.Ф. Свириденко // Техническая механика. — 2014. — № 3. — С. 48-57. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. |
| series |
Техническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT bondarʹma vzryvraketynositelâvpoleteékologičeskieaspektyposledstvijiihocenka AT degtârenkopg vzryvraketynositelâvpoleteékologičeskieaspektyposledstvijiihocenka AT kremenaap vzryvraketynositelâvpoleteékologičeskieaspektyposledstvijiihocenka AT sviridenkonf vzryvraketynositelâvpoleteékologičeskieaspektyposledstvijiihocenka |
| first_indexed |
2025-07-06T16:17:08Z |
| last_indexed |
2025-07-06T16:17:08Z |
| _version_ |
1836914971188920320 |
| fulltext |
48
УДК 629.764:662.25+577.4
М. А. БОНДАРЬ, П. Г. ДЕГТЯРЕНКО, А. П. КРЕМЕНА, Н. Ф. СВИРИДЕНКО
ВЗРЫВ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ В ПОЛЕТЕ: ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ
АСПЕКТЫ ПОСЛЕДСТВИЙ И ИХ ОЦЕНКА
Рассмотрены экологические аспекты последствий взрыва ракеты-носителя в полете. Предложен ме-
тодический подход к получению прогнозных оценок, связанных с определением характеристик капельно-
го облака, образующегося при взрыве, количества попадающих в атмосферу паров токсичных компонен-
тов ракетных топлив, зоны выпадения неиспарившихся компонентов ракетных топлив и их количества.
Полученные оценки позволяют оперативно оценить экологические последствия взрыва с учетом конкрет-
ных метеоусловий и характеристик ландшафта вдоль трассы полета ракеты-носителя, а также разработать
рациональный комплекс мероприятий по ликвидации или компенсации экологического ущерба.
Розглянуто екологічні аспекти наслідків вибуху ракети-носія в польоті. Запропоновано методичний
підхід до отримання прогнозних оцінок, пов'язаних з визначенням характеристик краплинної хмари, що
утворюється під час вибуху, кількості парів токсичних компонентів ракетних палив, що потрапляють в
атмосферу, зони випадання компонентів ракетних палив, що не випарилися, та їх кількості. Отримані
оцінки дозволяють оперативно оцінити екологічні наслідки вибуху з урахуванням конкретних метеоумов і
характеристик ландшафту вздовж траси польоту ракети-носія, а також розробити раціональний комплекс
заходів щодо ліквідації або компенсації екологічного збитку.
Environmental aspects of the aftereffects of a launch vehicle explosion during the flight are examined. A
methodic approach to predictable evaluations involving the characteristics of the dropping cloud in an explosion,
vapors of toxic propellant components, the zone of the fall-out of non-vaporing propellant components and their
amounts is proposed. The evaluations made allow an operative evaluation of the environmental aftereffects of an
explosion considering certain weather conditions and characteristics of landscape along the launch vehicle track
as well as the development a rational complex of measures for mitigation of environmental damage
Интенсификация и коммерциализация космической деятельности обще-
ства существенно актуализирует проблему получения прогнозных оценок
экологических последствий взрывов ракет-носителей (РН) в полете, нанося-
щих значительный ущерб окружающей среде [1].
Экологические последствия взрывов РН обусловлены, главным образом,
характеристиками токсичности компонентов ракетных топлив (КТ). Среди
них наибольшую опасность в биотическом плане представляют широко ис-
пользуемые на современных РН несимметричный диметилгидразин (НДМГ)
и тетраоксид азота (АТ), относящиеся по уровню предельно допустимой кон-
центрации (ПДК) в окружающей среде (атмосфера, почва, грунтовые и мор-
ские воды и т. п.) соответственно к первому (≤ 0,0001 мг/л) и второму
(≤ 0,005 мг/л) классам опасности при низкой способности этих сред к само-
очищению путем разложения этих КТ [2].
Указанные обстоятельства обусловливают высокий уровень экологиче-
ской опасности последствий взрывов РН в полете, сопровождающихся вы-
бросом в окружающую среду значительных количеств токсичных КТ. Эколо-
гические риски тем более значительны, что все современные РН характери-
зуются как взрывоопасные (риски аварий на участках работы их первой и
второй ступеней составляют ~0,021 [3]). Это объясняется тем, что большин-
ство агрегатов РН функционирует на режимах, близких к предельным по
теплонапряженности и прочностным нагрузкам, при том что энергетические
характеристики современных КТ весьма высоки [2, 3].
Однако, несмотря на это, проблеме получения прогнозных оценок эколо-
гических последствий взрыва РН в полете, основанных на анализе обуслов-
ленного взрывом комплекса явлений и процессов, уделяется неоправданно
мало внимания. При этом рассматриваются, как правило, их отдельные ас-
М. А. Бондарь, П. Г. Дегтяренко, А. П. Кремена, Н. Ф. Свириденко, 2014
Техн. механика. – 2014. – № 3.
49
пекты, относящиеся к формированию и движению ударных волн [4], оценке
возможности протекания химических реакций в капельном облаке и движе-
нию газообразных продуктов взрыва [5], эволюции жидкокапельного облака
КТ в процессе его гравитационного осаждения [1] и т. п. При этом продук-
тивность используемых моделей применительно к оценке экологических по-
следствий взрыва РН в конкретной ситуации невысока, что объясняется
прежде всего неопределенностью как условий формирования жидкокапель-
ного облака, так и значений его параметров, определяемых на основе крайне
ограниченной и к тому же малодостоверной экспериментальной «информа-
ции» о взрывах и разрушениях РН в полете. В связи с изложенным, в настоя-
щей работе выбран для рассмотрения сценарий, характеризующийся
наихудшим сочетанием начальных условий взрыва и, как следствие, наибо-
лее значительными экологическими последствиями.
Одним из наиболее важных параметров такого сценария является энер-
гия взрыва РН, определяемая тротиловым эквивалентом (ТЭτ) находящегося
на РН к моменту взрыва τ запаса КТ [6]
0
0 1
М
m
ТЭТЭ
, кг (1)
где ТЭ0 – тротиловый эквивалент полностью заправленной РН в кг тринитро-
толуола (ТНТ); m – суммарный расход КТ в полете, кг/с; М0 – масса КТ в
полностью заправленной РН, кг.
Масса КТ, непосредственно участвующая во взрыве
К
ТЭ
ТЭ
mММ в
0
0 , кг, (2)
где К – отношение энергий, выделяющихся при взрыве 1 кг ТНТ и сгорании
1 кг топлива. Для топливных пар «НДМГ – АТ» и «керосин – кислород»
К=0,1 [6].
Полная энергия, выделяющаяся при взрыве РН, определяется соотноше-
нием
КТв ЕМЕ , Дж, (3)
где КТЕ – удельная теплота сгорания 1 кг топлива, Дж/кг [2], при этом ~90%
выделяющейся при взрыве энергии расходуется на формирование ударной
волны и ~10% – на сообщение скорости продуктам взрыва [7].
Масса топлива, не участвующая непосредственно во взрыве
К
ТЭ
ТЭ
mММ ф
0
0 1 , кг, (4)
будет разрушаться взрывом и разбрасываться в стороны в виде фрагментов
различной массы, как это происходило, например, при проведении экспери-
ментов по взрыву жидких ракетных топлив в проекте «Пиро» [8].
Задача определения массы этих фрагментов и начальных параметров их
движения не имеет в настоящее время точного решения, что во многом объ-
ясняется недостаточной изученностью механики разрушения РН при ее
взрыве в полете. Тем не менее, важные для решения рассматриваемой задачи
50
выводы можно получить на основании аналогий, вытекающих из анализа
процесса разрушения РН при взрыве.
Разрушение РН в полете может быть инициировано различными нештат-
ными ситуациями, обусловленными, например, потерей управляемости, тех-
нологическими причинами и т. п., сопровождающимися первоначальной де-
тонацией небольшого количества топлива и, как следствие, разгерметизацией
топливных баков (ТБ) с газонасыщенными КТ, находящимися под повышен-
ным давлением газа наддува [9]. При этом КТ переходят в метастабильное
(пересыщенное) состояние, когда реализуется так называемый «ударный»
режим десорбции растворенного в них газа, сопровождающийся практически
мгновенным (τ = 10-10 – 10-12 с) образованием пузырьков диаметром от 60 до
120 мкм [10], количество которых определяется начальным содержанием
растворенного газа, концентрацией зародышей (~106 – 108 м-3 [11]) и степе-
нью пересыщения раствора. Под действием гравитационных сил и микроте-
чений пузырьки образуют различного рода объемные, протяженные, ленто-
подобные и т. п. устойчивые газовые структуры (см., например, с. 350 – 351 в
[12]). Будем полагать, что эти структуры, по аналогии с трещинами Гриф-
фитса в кристаллических материалах [13], определяют в процессе лавинооб-
разной эволюции «квазихрупкий» характер разрушения массы газонасыщен-
ных КТ при взрыве РН по «трещинам» и «сколам» [14], образованным пу-
зырьковыми формированиями.
В соответствии с изложенным, для оценки среднего диаметра жидких
фрагментов КТ, образующихся при взрыве РН, может быть использована
формула, полученная на основе обобщенного анализа большого количества
промышленных взрывов в скальных породах [7, 15], которая применительно
к рассматриваемой задаче может быть представлена в виде:
5/4
6/1)(1,0
ТЭ
V
ТЭd м , м, (5)
где V – объем КТ в ТБ в момент взрыва, не участвующий непосредственно
во взрыве, м3.
Гранулометрический состав взорванной массы геометрически подобных
фрагментов отвечает распределению Розина–Раммлера для разрушения од-
нородных материалов [15]
2
693,0
м
ф
d
d
eG , (6)
где G – относительная доля фрагментов, размер которых dф превышает dм.
Начальная скорость метания оболочки, окружающей заряд, определяется
развивающимся при взрыве давлением [16]. Средняя величина давления при
детонации взрывчатого вещества, заключенного в оболочку, масса которой
значительно превышает его массу, составляет [17]
8
2D
Р КТВ , Па, (7)
где КТ – плотность взрывчатого вещества, кг/м3; D – скорость детона-
ции, м/с.
51
Скорость детонации определяется выражением
КТЕD 5,3 , м/с. (8)
С учетом того, что энергия продуктов детонации расходуется на метание
оболочки из КТ массой Мф и метание самих газообразных продуктов детона-
ции, в [17] получено выражение для максимальной скорости движения сфе-
рической оболочки, состоящей из отдельных фрагментов (осколков)
8
0
0 1
)35(8
15
2 R
RD
U , м/с, (9)
где Фв ММ / ; R0 и R – начальный и текущий наружные радиусы сфериче-
ской оболочки, окружающей сферический заряд массой Мв, м.
Величина R соответствует некоторому предельному размеру, при кото-
ром происходит разрушение оболочки. Как показывают результаты экспери-
ментов, разрушение оболочек из непластичных материалов происходит при
R ≤ (1,6 – 1,65)R0, т. е. раньше, чем она набирает максимальную скорость U0,
и при этом скорость движения фрагментов, на которые она распадается, со-
ставляет [17]
0)92,089,0( UUф . (10)
Разбрасываемые фрагменты, взаимодействуя в своем движении с газоди-
намическим полем вокруг взорвавшейся РН, интенсивно дробятся.
Разлетающиеся во все стороны жидкие фрагменты, принимая под дей-
ствием сил поверхностного натяжения сферическую форму, хотя и не участ-
вуют в формировании газодинамического поля вокруг взорвавшейся РН [4],
но, взаимодействуя с ним, интенсивно дробятся в соответствии с соотноше-
нием [16]
2max
V
We
d
в
КТкр
, м, (11)
где крWe – значение критерия, соответствующее полному распаду фрагмента
в условиях ударного воздействия воздушного потока ( 17крWe ); КТ – ко-
эффициент поверхностного натяжения КТ, Н/м; в – плотность воздуха,
кг/м3; V – скорость обтекания фрагмента воздухом.
Время протекания процесса дробления составляет
в
КТф
др
V
d
2
3
, с. (12)
При этом необходимо принимать во внимание, что скорость обтекания
фрагмента окружающим воздухом определяется как скоростью движения
самих фрагментов (Uф), так и скоростью движения РН (VРН) непосредственно
перед взрывом. Поэтому наибольший диаметр капель дробящегося фрагмен-
та будет соответствовать наименьшей скорости его обтекания (V0), определя-
емой из соотношения
52
cos222
0 РНфРНф VUVUV , (13)
где Θ – угол между векторами Uф и VРН.
В этом случае для значения 17крWe
2
0
max
min
17
V
d
в
КТ
, м. (14)
Так как КТ, образующие капли, являются изотропным материалом, то
распределение по размерам капель, образующихся при разрушении фрагмен-
тов, также будет соответствовать закону Розин–Раммлера, а с учетом измене-
ния плотности воздуха с высотой [4]
5,7
0)(
Н
вНв е
, кг/м3, (15)
где Н – высота взрыва, км; 0в – плотность воздуха у поверхности Земли,
кг/м3, выражение для определения их медианного диаметра может быть при-
ведено к виду
2
0)(
max
min
15,6362,0
V
dd
Нв
КТ
м
, м. (16)
Количество капель КТ, образующихся в результате взрыва РН, опреде-
лится, с учетом (16), соотношениями:
– для окислителя
3
4,06
0
1
1 min
)1(
02,0
ОКОК
H
ф
О
К
eV
K
K
MN
; (17)
– для горючего
3
4,06
0
1
min
)1(
1
02,0
ГГ
H
ф
Г
К
eV
K
MN
, (18)
где К1 – коэффициент соотношения компонентов в топливе РН; ρок, ρГ –
плотность окислителя и горючего соответственно, кг/м3; σ ок, σ Г – коэффици-
ент поверхностного натяжения окислителя и горючего соответственно, Н/м.
Переходя к определению геометрических характеристик зоны возможно-
го выпадения на поверхность Земли осадков КТ, образующихся при взрыве
РН, будем полагать, что их капельное облако, движущееся с начальными па-
раметрами, равными значениям скорости и угла тангажа ракеты-носителя в
точке траектории, где произошел взрыв, достигнет поверхности на расстоя-
нии от точки взрыва, которое может быть оценено по уравнению [18]
2
2
2
220
cos
tg
n
nn
РН
n
LK
V
g
Lу , (19)
53
где φ – угол бросания, град.; L – дальность полета капельного облака, м; у0 –
высота начальной точки движения облака, м; g – ускорение свободного паде-
ния (g=9,81 м/с2); К2 – коэффициент сопротивления среды, м-1.
Учитывая первые два члена ряда, что не приводит к существенной по-
грешности, и полагая у0 = Н, т. е. высоте, на которой произошел взрыв РН,
подстановкой
22
1
К
XL , (20)
уравнение (19) сводится к каноническому виду для определения Х по форму-
ле Кардано [19]
0
3
2
4
3
4
1
2
2
3
4
3 22
2
2
2
2
3
2
2
2
2
2
3
cossinsin ÐÍ
ÐÍ
ÐÍ V
gK
Í
gK
V
K
ÕV
gKK
Õ . (21)
Коэффициент сопротивления движению капель в (20) определяется вы-
ражением
м
х
КТ
в
d
С
К
4
3
2 , м-1, (22)
где (Re)fСх – коэффициент аэродинамического сопротивления.
Принимая во внимание значительную скорость движения капельного об-
лака, для определения Сх можно рекомендовать следующие соотношения [20]
55,05,0 хС при 1600Re800 ; (23)
и
9,04 Re102,5 хС при 1600Re . (24)
Из (20) – (24) определяется дальность полета капельного облака L.
Для оценки геометрических характеристик образующегося капельного
облака (диаметра, протяженности по высоте, объема и т.п.) в предположении,
что его формирование, определяемое радиальным движением от точки взры-
ва РН образовавшихся при дроблении жидких фрагментов КТ капель, проис-
ходит независимо от движения облака как целого по траектории его полета,
можно использовать следующие соотношения, полученные на основе [18, 20,
21] при некоторых упрощениях:
– диаметр облака
КgK
U
К
D
ф
КО
2
3
24
3
2
22
, м; (25)
– вертикальная протяженность облака
**2 shchln
1
1ln
1
tgKU
g
K
tgK
К
U
g
K
К
Н ффКО , м, (26)
где
*t является решением уравнения
54
1
th
th
*
*
tgKKUg
KUtgKg
ф
ф
; (27)
– объем облака
КО
КО
КО Н
D
V
4
2
, м3; (28)
– объемное «каплесодержание» облака
КО
ф
КО
V
V
,
где
фV – объем КТ, не участвовавших во взрыве, м3;
– расстояние между каплями КТ в облаке
3
6
мd
l , м. (29)
Рассматривая последующее опускное движение капель под действием
сил гравитации, необходимо иметь в виду, что, как следует из опытных дан-
ных [20], при свободном падении капель с диаметром 3103 мd м их замет-
ная деформация, а следовательно, и последующее дробление, отсутствуют.
При этом значения критерия Рейнольдса составляют 1600800Re , а коэф-
фициента аэродинамического сопротивления – 55,05,0 хС .
Предельно достижимая скорость падения определяется выражением [20]
м
хНв
КТп
пр d
С
g
V
)(3
4
, м/с, (30)
или с учетом (16)
min0)(
5,0
4
V
g
V
Нв
КТКТп
пр
, м/с. (31)
Время, за которое опускающаяся в атмосфере капля достигает скорости
падения п
прVV 99,0
g
V
t
п
пр
64,2 , с, (32)
а пройденный каплей при этом путь
g
V
Н
п
пр
2
3,2 , м. (33)
55
Из (32), (33) следует, что на участках пути, на которых ρв изменяется не-
существенно, допустимо рассматривать опускное движение капель происхо-
дящим с постоянной скоростью п
прV .
Переходя к рассмотрению тепломассообмена (ТМО) капельного облака
КТ с окружающей средой и оценке изменения характеристик образующих
его капель в процессе опускного движения, отметим следующее.
Ввиду недостаточной изученности особенностей процесса испарения по-
лидисперсной системы капель, движущейся в газовой среде, теоретические
методы их расчета весьма затруднены. Указанное обстоятельство обусловли-
вает целесообразность использования экспериментально полученных зави-
симостей интенсивности межфазного ТМО в дисперсных газожидкостных
системах от режимных характеристик течения капельных потоков и парамет-
ров газовой среды. Такая зависимость, обобщающая в критериальном виде
большой объем опытных данных по межфазному ТМО в движущихся га-
зожидкостных потоках, приведена в [22].
Зависимость позволяет оценивать с погрешностью, не превышающей
Δ = ±15%, протяженность участка полного испарения (Lисп) полидисперсного
потока капель, движущихся в воздухе, и применительно к рассматриваемой
задаче имеет вид
КТвпр
м
в
вРвВ
КТКТ
КТ
исп
ТТV
dqСr
L
1,0
4,07,01,225,025,2
5,075,0
75,0
8104,13 , м, (34)
где r – теплота испарения КТ, кДж/кг; ввРвС ,, – теплоемкость, теплопро-
водность и динамическая вязкость воздуха в зоне капельного облака, соот-
ветственно; Тв – температура воздуха в зоне капельного облака, К; ТКТ – тем-
пература КТ, К; q – относительное массовое содержание капель в облаке.
Зависимость (34) позволяет также определять медианный диаметр
испмd
капель, полностью испаряющихся на заданном пути испL , и в последующем
оценивать их относительную долю в общем потоке капель
2
693,0
вхм
испм
d
d
исп еG , (35)
где
вхм
d – медианный диаметр капель на входе в участок испарения, и харак-
теристики дисперсности капельного потока на выходе из рассматриваемого
участка испарения [23]
693,0
)1ln(
1 исп
мм
G
dd
вхвых
. (36)
При оценках тепломассообменных процессов в облаке опускающихся в
гравитационном поле капель КТ необходимо принимать во внимание воз-
можность изменения их агрегатного состояния (замерзания) при взрывах РН
на высоте, где температура воздуха существенно ниже температуры замерза-
ния КТ [4].
Время полной кристаллизации капли шарообразной формы может быть
определено по соотношению [24]
56
вплКТ
мКТпл
з
TT
dr
2
max 140 , с, (37)
где λКТ – коэффициент теплопроводности КТ, Вт/(м∙К); rпл – теплота плавле-
ния КТ, Дж/К; Тв – температура воздуха в зоне опускного движения капли, К;
Тпл – температура кристаллизации КТ, К.
Оценка времени перехода капли в жидкое состояние в процессе после-
дующего опускного движения, когда Тв становится больше Тпл, осуществля-
ется также по соотношению (37).
Изложенное позволяет сформировать алгоритм получения количествен-
ных оценок экологических аспектов последствий взрыва РН в полете в части
определения массы паров КТ, поступивших в атмосферу, и массы выпавших
на поверхность Земли их жидких осадков:
– по известному значению тротилового эквивалента РН и параметрам
точки взрыва (время полета, высота, скорость РН, угол тангажа) определяет-
ся текущий ТЭ, масса выброшенных в атмосферу КТ, характеристики дис-
персности капель, скорость их движения и геометрия капельного облака;
– определяется расстояние от точки старта, где можно ожидать выпаде-
ния осадков жидких КТ на поверхность Земли;
– высота опускного движения капельного облака разбивается на участки,
на каждом из которых параметры окружающей среды и скорость опускного
движения капельного облака могут быть представлены их средними на длине
участка значениями. Последовательно на каждом участке определяется (см.
(34)) значение медианного диаметра полностью испаряющихся в процессе
движения капель, их массовая доля и параметры дисперсности капель на
входе в следующий участок;
– суммируются результаты последовательности расчетов по всем участ-
кам. На основании этих данных определяются масса испарившихся в атмо-
сфере КТ и масса их жидких осадков, выпавших на поверхность Земли, с
картографической привязкой к конкретной территории и метеоусловиям на
ней. Полученные данные являются основой для оценки реальных экологиче-
ских рисков.
Таким образом, с использованием феноменологических аналогий пред-
ложен методический подход, позволяющий оперативно получать количе-
ственные оценки негативных последствий взрыва РН в полете в части эколо-
гических рисков, связанных как с загрязнением атмосферы парами токсич-
ных КТ, так и с выпадением на поверхность Земли их неиспарившихся остат-
ков.
1. Прикладные аспекты экологии при эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники /
В. А. Архипов, И. К. Жарова, Е. А. Козлов, А. С. Ткаченко // Оптика атмосферы и океана. – 2013. – Т. 26,
№ 8. – С. 636 – 641.
2. Цуцуран В. И. Военно-технический анализ состояния и перспектив развития ракетных топлив /
В. И. Цуцуран, Н. В. Петрухин, С. А. Гусев. – М. : МО РФ, 1999. – 332 с.
3. Безопасность критических инфраструктур: математические и инженерные методы анализа и обеспече-
ния / Под ред. В. С. Харченко. – Харьков : Изд-во ХАИ, 2011. – 641 с.
4. Суржиков С. Т. Материалы и покрытия в экстремальных условиях. Взгляд в будущее : В 3 т. – Т. 1
Прогнозирование и анализ экстремальных воздействий / Под ред. С. В. Резника. – М. : Изд-во МГТУ
им. Н. Э. Баумана, 2002. – С. 157 – 172.
5. Шуршалов Л. В. Взрыв в полете / Л. В. Шуршалов // Механика жидкости и газа. – 1984. – № 5. – С.126 –
129.
57
6. Бирюков Г. П. Элементы теории проектирования ракетно-космических комплексов / Г. П. Бирюков,
В. И. Смирнов. – М. : Изд-во МАИ, 2003. – 288 с.
7. Лаврентьев М. А. Проблемы гидродинамики и их математические модели / М. А. Лаврентьев,
Б. В. Шабат. – М. : Наука, 1973. – 416 с.
8. Бейдер Б. Модель пожара при аварии ракеты на жидком топливе / Б. Бейдер, А. Дональдсон, Х. Харди //
ВРТ. 1972. № 9. С. 17 – 26.
9. Метод повышения эксплуатационных характеристик топлива для ЖРД космической ступени /
В. Н. Ошанин, Г. М. Иваницкий, А. В. Костюк, М. П. Сало // Космическая техника. Ракетное вооруже-
ние. – 2007. – Вып. 2. – С. 51 – 57.
10. Присняков В. Ф. Кипение / В. Ф. Присняков. – К. : Наук. думка, 1988. – 240 с.
11. Покровский В. Н. Очистка сточных вод тепловых электростанций / В. Н. Покровский, Е. П. Аракчеев. –
М. : Энергия, 1980. – 256 с.
12. Leighton T. G. The acoustic bubble / T. G. Leighton. – L. : Academic Press, 1994. – 633 p.
13. Феденко В. И. Континуальная модель упругопластической пористой среды с микротрещинами /
В. И. Феденко, В. И. Янко // Гидроаэромеханика и теория упругости. Математическое моделирование
физических процессов в сплошных средах : Межвуз. сб. науч. тр. – Днепропетровск : Изд-во ДГУ, 1991.
С. 105 – 114.
14. Феодосьев В. Н. Сопротивление материалов / В. Н. Феодосьев. – М. : Наука, 1972. – 540 с.
15. Статистика осколков, образующихся при разрушении твердых тел взрывом / Э. А. Кошелев,
В. М. Кузнецов, С. Т. Софронов, А. Г. Черников // ПМТФ. – 1971. – № 2. – С. 87 – 100.
16. Воронин В. В. Анализ деформации жидкой капли в потоке газа / В. В. Воронин // ИФЖ. – 1986. – Т. 50,
№5. – С. 743 – 748.
17. Физика взрыва. В 2 т. Т. 2 / Под ред. Л. П. Орленко. – М. : Физматлит, 2004. – 656 с.
18. Бать М. И. Теоретическая механика в примерах и задачах : Учеб. пособие для втузов. В 3-х т., Т. 2.
Динамика / М. И. Бать, Г. Ю. Джанилидзе. – М. : Наука, 1991. – 640 с.
19. Воднев В. Т. Основные математические формулы : Справочник / В. Т. Воднев, А. Ф. Наумович,
Н. Ф. Наумович. – Минск : Вышэйша школа, 1988. – 267 с.
20. Исаев А. П. Гидравлика дождевальных машин / А. П. Исаев. – М. : Машиностроение, 1973. – 215 с.
21. Абрамов Ю. А. Моделирование процессов в пожарных стволах / Ю. А. Абрамов, В. Е. Росоха,
Е. А. Шаповалова. – Харьков : Фолио, 2001. – 195 с.
22. Эффективность охлаждения газового потока мелкодиспергированной влагой / В. Т. Буглаев,
М. Н. Лифшиц, Ф. В. Васильев, А. С. Стребков // Теплоэнергетика. – 1986. – № 5. – С. 45 – 49.
23. Кремена А. П. Определение пожаротушащей интенсивности полидисперсного потока жидкости /
А. П. Кремена // Теория и практика металлургии. – 2003. – № 4. – С. 63 – 68.
24. Пехович А. И. Расчеты теплового режима твердых тел / А. И. Пехович, В. М. Жидких. – Л. : Энергия,
1976. – 352 с.
Институт технической механики Получено 22.07.14,
Национальной академии наук Украины и в окончательном варианте 09.09.14
Государственного космического агентства Украины,
г. Днепропетровск
Государственное предприятие «Конструкторское
бюро «Южное» им. М.К. Янгеля»,
г. Днепропетровск
|