ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОСЛЕДСТВИЙ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ И ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ ВЫСОТНЫМИ ВЫБРОСАМИ КОМПОНЕНТ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ ТИПА «ПРОТОН»

© А.П.Капица, А.А.Гаврилов, О.В.Кайдалов
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и научное прогнозирование"
2003 г.

Отработавшие вторые ступени ракеты-носителя (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 космического ракетного топлива (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 пространственно-временной эволюции (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 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, проведенных в НПО «Тайфун», по образованию искусственных светящихся облаков (ИСО) в интервале высот 90 – 140 км с метеорологической ракеты МР-12.

Модельные расчеты были проведены для горючего — несимметричного диметилгидразина (НДМГ) и окислителя — тетраксида азота.

Численные эксперименты показали, что в дроблении струи жидкости на капли участвуют два основных механизма:

1. При резком и значительном падении давления в жидкости происходит взрывное вскипание или «кавитационный взрыв». В результате этого струя жидкости дробится на капли. Интенсивность дробления жидкости на капли (размер капель) определяется температурой жидкости, скоростью выброса и количеством ядер конденсации, которое зависит от степени загрязненности жидкости, и другими факторами.

2. При попадании в высокоскоростной поток воздуха струя жидкости испытывает торможение из-за сил сопротивления воздуха. Струя жидкости подвергается резкому «удару» о набегающий поток воздуха. Процесс торможения приводит к дроблению струи жидкости на капли. Интенсивность дробления (размер капель) зависит от скорости и плотности набегающего потока воздуха и свойств жидкости (поверхностное натяжение, плотность, температура).

В качестве апробации МОДЕЛИ, 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 Правительства Калужской области и Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проект №01-05-96010).