АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ, ОБУСЛОВЛЕННОЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ. ОЦЕНКА ПОСЛЕДСТВИЙ ЗАПУСКОВ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ ТИПА «ТОПОЛЬ М», «ДЕЛЬТА», «ТИТАН», «ЭНЕРГИЯ», «СПЕЙС ШАТТЛ», «АРИАН», «ПРОТОН», «ВЕЛИКИЙ ПОХОД»

© А.П.Капица, А.А.Гаврилов, О.В.Кайдалов, П.Н.Свиркунов
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2005 г.

В докладе рассмотрено антропогенное загрязнение атмосферы:

во-первых, пылевыми и фрагментарными составляющими, связанными с продуктами сгорания и выбросами компонент твердотопливных двигателей (ТТД) космических аппаратов (КА) и объектами их разрушения; во-вторых, выбросами компонент и остатков сгорания компонент жидких ракетных топлив (КРТ) ракет-носителей (РН) КА.

На основании теоретических исследований построена физико-математическая модель пространственно-временной эволюции (ПВЭ) антропогенных образований продуктов сгорания и выбросов компонент твердотопливных двигателей (ТТД) РН типа «Тополь М», «Дельта», «Титан», «Спейс Шаттл», КА в средней атмосфере и околоземном космическом пространстве (ОКП) (интервал высот h=20-1000 км).

Нестационарная численная модель ПВЭ антропогенных образований основана на решении уравнений движения в переменных Лагранжа для N инжектированных антропогенных частиц (космозолей), находящихся под действием поля силы тяжести и аэродинамического сопротивления атмосферы. При моделировании ПВЭ антропогенных образований в ОКП основное внимание уделено расчету траекторий мелких антропогенных частиц (АЧ) с радиусами <1 мкм. При расчете движения мелких частиц в ОКП учтены динамические и эволюционные эффекты негравитационных возмущений кеплеровских траекторий частиц, таких как репульсивное действие светового излучения, эффект Пойтинга-Робертсона, резонансные воздействия гравитационных приливов.

При решении уравнений движения частиц для интервала высот 20-120 км впервые учитываются процессы существенного усиления диффузии и переноса частиц, обусловленных нелинейным взаимодействием атмосферных термических приливов с мелкомасштабными полями скорости ветра.

С учетом длиннопериодных вариаций солнечной и геомагнитной активности разработаны алгоритмы оперативного и долгосрочного прогноза концентрации АЧ в ОКП.

Показано, что мрачный прогноз американского ученого Д. Кесслера, которому ученые дали название «синдром Кесслера», об образовании плотного антропогенного облака в ОКП к середине XXI века и, как следствие, прекращения космической деятельности человечества статистически не обеспечен.

Проведены теоретические оценки загрязнения атмосферы и поверхности Земли невыработанными остатками КРТ в режиме штатных и аварийных ситуаций РН типа «Протон», «Ариан», «Великий поход».

В качестве примера рассмотрены оценки загрязнения тропосферы и поверхности Земли невыработанными остатками КРТ РН типа «Протон».

После завершения функционирования первой ступени РН типа «Протон» на высоте 40 км в ее баках остается гарантийный запас высокотоксичного ракетного топлива. При падении первой ступени происходит разрушение баков и пролив КРТ, что приводит к загрязнению поверхности земли в месте падения изделия. Пролив КРТ может также сопровождаться их воспламенением с последующим выгоранием растительного покрова на значительных площадях.

Отработавшие вторые ступени РН типа «Протон» обычно отделяются на высотах 150 км и, входя в плотные слои атмосферы, разрушаются на высотах 35-40 км. Невыработанные остатки топлива при этом выбрасываются в атмосферу. Обследование районов падения РН не обнаруживает значительного количества КРТ, поэтому считается, что остатки топлива при падении испаряются, переходят в газовую фазу, разбавляются до безопасных концентраций и не оказывают экологического воздействия на приземную атмосферу и подстилающую поверхность.

Однако это предположение никогда не проверялось экспериментальным путем. А результаты расчетов по существующим моделям ПВЭ КРТ крайне противоречивы, особенно при расчете загрязнения нижней тропосферы и поверхности Земли. Это связано с тем, что при модельных расчетах всегда содержатся свободные входные параметры, которые должны подбираться путем сравнения с экспериментальными данными. Такого сравнения в используемых в настоящее время моделях не проводится.

В представленной работе впервые в практике научных исследований было проведено тестирование численной модели расчетов уровня загрязнения средней и приземной атмосферы, а также подстилающей поверхности Земли выбросами остатков КРТ со ступеней РН типа «Протон».

Для тестирования численной модели авторы применили разработанные алгоритмы расчетов ПВЭ КРТ к описанию натурных экспериментов по образованию искусственных светящихся облаков (ИСО) в интервале высот 90-140 км с метеорологической ракеты МР-12, проведенных в НПО «Тайфун»,

Модельные расчеты были проведены для горючего – несимметричного диметилгидразина НДМГ и окислителя – тетраксида азота.

Разработанные алгоритмы были применены для расчета загрязнения атмосферы и подстилающей поверхности от двух гипотетических пусков РН типа «Протон» в зимний и летний периоды с космодрома «Байконур». В обоих случаях было получено, что загрязнение атмосферы и подстилающей поверхности отсутствует.

Работа выполнена при совместной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Правительства Калужской области (проект №04-05-97212).