Экологические особенности создания и функционирования ракетно космических комплексов

Оглавление

1Экологические проблемы космической деятельности: воздействие    ракетно-космической техники на окружающую природную среду 2

2«КОСМИЧЕСКИЙ «ЧЕЛНОК» 10

3. Координатно-временное обеспечение 18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Экологические особенности создания и функционирования ракетно-космических комплексов координатно-временного обеспечения 

1Экологические проблемы космической деятельности: воздействие    ракетно-космической техники на окружающую природную среду

До начала первых космических  полетов все околоземное космическое  пространство (ОКП), а тем более  „далекий” космос, Вселенная, считались  чем-то неведомым. И лишь позже стали  признавать, что между Землей - мельчайшей частицей Вселенной и самой Вселенной  существуют неразрывная взаимосвязь  и единство. Земляне стали считать  себя участниками всех процессов, происходящих в космическом пространстве.  
 Следует заметить, что уже при зарождении основ теоретической космонавтики экологические аспекты играли важную роль, и, прежде всего в работах К.Э. Циолковского. По его мнению, сам выход человека в космос представляет собой освоение совершенно новой экологической „ниши”, отличной от земной. Ближний космос - газовая оболочка Земли, которая расположена выше приземной атмосферы, и поведение которой определяется прямым воздействием солнечного ультрафиолетового излучения, тогда как на состояние атмосферы влияет главным образом процессы, происходящие на поверхности Земли. Тесное взаимодействие биосферы Земли с космической средой дает основание утверждать, что происходящие во Вселенной процессы оказывают воздействие на нашу планету. Развивая космическую деятельность, необходимо произвести экологическую ориентацию космонавтики, так как отсутствие последней может привести к необратимым последствиям.  До недавнего времени ученые полагали, что освоение ближнего космоса не оказывает почти никакого влияния на погоду, климат и другие жизненные условия на Земле. Поэтому не удивительно, что освоение космоса происходило, не взирая на вопросы экологии.  Ученых заставило задуматься появление озоновых дыр. Но, как показывают исследования, проблема сохранения озонового слоя составляет лишь малую часть гораздо большей проблемы охраны и рационального использования околоземного космического пространства.  

Космос - среда для человека новая, пока еще не обжитая, но уже  и здесь возникла извечная проблема засорения среды, на этот раз космической. Нельзя не признать, что сегодня  имеет место отрицательное воздействие  ракетно-космической техники (РКТ) на окружающую среду (разрушение озонового  слоя, засорение атмосферы окислами металлов, углерода, азота, а ближнего космоса - частями отработанных космических  аппаратов). Поэтому очень важно  вести изучение последствий ее влияния  с точки зрения экологии.  В связи с этим задание оценки риска негативного влияния РКТ на окружающую среду, повышение экологической чистоты производства и эксплуатации ракет, а также эффективного использования РКТ для решения существующих экологических проблем являются чрезвычайно актуальными.  
Производство, испытание и эксплуатация РКТ имеет свои специфические факторы негативного влияния на окружающую среду. Наиболее весомыми из них являются следующие:   

- загрязнение атмосферного  воздуха и поверхностных водоемов  в процессе изготовления элементов  РКТ и продуктами выбросов  ракетных двигателей;  
  - риск возникновения аварийных ситуаций во время изготовления и хранения ракетного топлива (возможны проливы токсичных компонентов ракетного топлива (КРТ), испарение токсичных КРТ, горение КРТ, взрыв КРТ);  
 - риск возникновения аварийных ситуаций во время наземных испытаний ракетных двигателей; 

 
 - локальное загрязнение атмосферы  во время запуска ракет-носителей  (РН);  
  - негативное влияние на состояние озонового слоя Земли;  
  - отчуждение территорий и загрязнение плодородного слоя почвы в зоне падения частей ракет.  

- отделение фрагмента  конструкции, либо отделяющейся  части РН или космического  аппарата (КА) = («космический мусор»);    - работа радиоэлектронных средств.  Экологические последствия перечисленных выше факторов воздействий РКТ на ОПС существенно зависят от конкретных условий: естественные физические факторы и природно-географические условия могут усиливать или ослаблять воздействие РКТ.  К факторам ослабления или усиливания воздействий относятся гелиогеофизические, погодно-климатические, физико-географические, пространственно-временные факторы, а также фоновая экологическая обстановка. К гелиогеофизическим факторам относят: солнечную активность, сейсмичность, магнитную активность, сезон, время суток. К погодно-климатическим факторам: осадки, ветер, температуру воздуха. К физико-географическим факторам:  - природную зону, в которой расположен район эксплуатации изделия РКТ (тундра, тайга, широколиственный или смешанный лес, лесостепь, степь, полупустыня, пустыня, океан, и т.д.);  
     - тип почвы в зоне расположения района эксплуатации изделия РКТ (глинистая, суглинистая, песчаная, чернозем);  - кислотность почвы, ее бонитет,  - геоморфологическая характеристика местности (выпуклая плоскость или вогнутая вершина, пологий, покатый или крутой склон, лощина, котловина);  - гидрологические характеристики местности (наличие рек, олиготрофных водоемов, глубина залегания водоносных горизонтов).  Фоновая экологическая обстановка в районах эксплуатации изделий РКТ определяется факторами вредных воздействий на ОПС, не обусловленных космической деятельностью. 

Факторы воздействия РКТ  на ОПС необходимо рассматривать  в интервале времени от момента  вывода РН на старт до прекращения  активного существования КА (посадки КА).  Эксплуатация ракетно-космической техники оказывает значительное антропогенное влияние на приземную атмосферу. Известно, что по относительной силе воздействия на верхнюю атмосферу запуск космической ракеты подобен взрыву атомной бомбы в приземной атмосфере. Наибольшее влияние оказывается на космодромах во время запуска больших ракет и в начале полета больших ракет носителей, имеющих на борту сотни тонн топлива, которые сопровождаются взрывами, пожарами и мощными токсичными выбросами. Продукты сгорания - такие, как оксид алюминия и хлористый водород могут привести к негативным локальным последствиям. Эти выбросы могут вызывать выпадение кислотных дождей, повышение содержания в воздухе взвешенных веществ, изменение погодных условий на прилежащих территориях.  Влияние запусков ракет на тропосферу с последующим изменением метеорологических условий изучено недостаточно и сейчас специалисты изучают эти вопросы. Это влияние проявляется на локальных территориях, прилегающих к космодромам. Из-за изменения климата и расширения космической деятельности необходимо серьезно подходить к рассмотрению этого вопроса. Для получения полной объективной информации следует проводить систематические исследования комплекса проблем, связанных с влиянием космической деятельности на метеорологические условия.  
Следующая проблема связана с использованием ядерных реакторов. Основным способом обеспечения радиационной безопасности является консервация ядерных энергетических установок на довольно высоких орбитах, где время существования таких объектов намного больше времени распада частиц деления остановленного ядерного реактора. К таким орбитам можно отнести все круговые орбиты, расположенные выше 700 км. Главная экологическая угроза связана с возможностью падения фрагментов разрушенных ядерных энергетических установок и осаждением радиоактивных веществ в приземную атмосферу и на поверхность Земли. Радиоактивное загрязнение представляет опасность для работы навигационных систем, метеоспутников и систем наблюдения за природными ресурсами, использующих близкие орбиты.  На космодромах осуществляется сложный комплекс работ по подготовке и запуску космических аппаратов согласно четкому технологическому регламенту, при участии большого количества высококвалифицированных специалистов. Следует отметить, что конкретные данные экологического влияния и последствий в районах космодромов практически отсутствуют в открытых (доступных) источниках информации, т.к. космодром - это закрытый режимный объект. Необходимы целенаправленные усилия общества для достижения прозрачности и доступности такой информации.  
Стоит обратить внимание на негативное влияние РКТ в местах падения ракетных носителей. При падениях частей ракетной техники происходит механическое загрязнение твердыми фрагментами, что приводит к перенасыщению почвы соединениями алюминия, наличие которых в почве, даже в незначительном количестве, резко снижает урожайность сельскохозяйственных культур. Кроме этого, происходит быстрое проникновение ракетного топлива в почву с последующей химической трансформацией компонентов, переносом вредных веществ потоками газа и жидкости. Это в значительной мере расширяет зону загрязнения. Следует заметить, что некоторые вредные соединения хорошо сохраняются растительностью и переходят в мясо травоядных животных. Таким способом они могут попадать в организм человека. Вызывает беспокойство тот факт, что подобные территории даже временно не исключаются из хозяйственной деятельности, а люди, проживающие на них, в большинстве случаев не владеют информацией о существующей опасности.На сегодняшний день отсутствуют объективные количественные оценки экологического риска и потерь от космической деятельности. Качественные показатели свидетельствуют о значительных потерях для людей и природной среды, особенно в районах, непосредственно связанных с космической деятельностью: вокруг космодромов, в районах падения ракет-носителей.  Для предупреждения или возмещения потерь должна быть отработана соответствующая юридическая база для запрещения проектов, угрожающих здоровью местного населения и среды его обитания. А также необходимо узаконить требования на компенсации за нанесенный медико-экологический ущерб и на денежные фонды, которые необходимы для рекультивации нарушенных территорий. Если говорить об экологической безопасности и опасности космической деятельности, то нельзя не вспомнить о людях, которые в полной мере на себе ощущали и ощущают влияние космоса - о космонавтах. Создавая искусственные условия для продолжительной жизни и работы людей в космосе, трудно учесть и компенсировать все вредное влияние. Современная техника не может исключить вредное внешнее влияние космоса. Экологическая опасность, связанная с пилотируемыми полетами и условиями жизни людей в космосе, обусловлена: влиянием факторов космического пространства; особенностями экологической среды космических аппаратов; спецификой жизнедеятельности людей в космосе. Несмотря на затраты и героизм, технологические достижения, существующие системы обеспечения безопасности полетов и профилактические меры, направленные на отбор, подготовку космонавтов и сохранения их здоровья, экологическая опасность для людей в космосе остается довольно актуальной проблемой.  Мониторинг окружающей среды должен обеспечивать своевременный и достоверный контроль состояния окружающей среды с целью предупреждения вредного влияния на людей и природу, адекватного реагирования на опасные экологические ситуации. Необходимо проводить каталогизацию поврежденных ландшафтов для четкого контроля последствий в таких ситуациях. Учитывая то, что наибольшую антропогенную нагрузку получает приземная атмосфера, в первую очередь необходимо проводить мониторинг околоземного космического пространства. Итак, можно сделать выводы, что объекты современной и перспективной ракетно-космической техники являются сложными и потенциально опасными. Они негативно влияют на ОКП при эксплуатации, ликвидации и утилизации. Поэтому в последнее время мировое общество, межправительственные учреждения и правительства многих стран уделяют особое внимание созданию деятельных механизмов международного сотрудничества с целью эффективного прогнозирования и минимизации вредного влияния на природу и человечество подобных неблагоприятных природных и техногенных явлений и катастроф.  Осознание экологической опасности космической деятельности требует необходимости его должного правового регулирования. Космическая деятельность в Украине осуществляется согласно Закону Украины Про космическую деятельность Большую роль в регулировании этих отношений играют международные договоры и другие нормативно-правовые акты, к которым присоединилась Украина: Декларация правовых принципов деятельности государств в аспекте использования космического пространства (1963), Конвенция 1972 г. о международной ответственности за ущерб, нанесенный космическими объектами и Венская конвенция об охране озонового слоя (1985). В июле на заседании нашим правительством был рассмотрен и утвержден проект Общегосударственной космической программы Украины на 2008-2012 годы. Загрязнение окружающей среды, истощение природных ресурсов и нарушения экологических связей в экосистемах стали глобальными проблемами. И если человечество будет продолжать идти по нынешнему пути развития, то его гибель, как считают ведущие экологи мира, через два - три поколения неизбежна. Таким образом, сегодня перед экологией как сферой деятельности человека стоят не только традиционные для этой науки задания, связанные с описанием состояния и прогнозированием развития природных биогеоценозов, но и практические проблемы эффективного мониторинга состояния окружающей среды и защиты ее от негативного антропогенного влияния. Такие проблемы наилучшим образом можно решить с применением технического уровня современных ракетных технологий и значительного кадрового потенциала.   Принимая во внимание все вышеуказанные проблемы, предлагается следующее: 

1) сопутствовать наиболее  быстрой разработке научно обоснованных  методик оценки экологического  развития и влияния на ОПС  факторов, характерных деятельности  ракетно-космического комплекса;  
2) нормирование антропогенных нагрузок на ОКП следует считать основным и первоочередным мероприятием обеспечения экологической безопасности космической деятельности;  

3) для своевременного  определения возможных антропогенных  изменений и выявления источников  этих изменений необходим мониторинг  как ОПС, так и ОКП;  

4) необходимо на национальном  и международном уровне утвердить  ОКП как охраняемую природную  среду и закрепить в правовом  поле международную экологическую  экспертизу существующей космической  техники и проектов с обязательной  оценкой их возможного влияния  на природную среду;  

5) с целью обеспечения  экологической безопасности космической  деятельности, связанной с полетами  в космос и жизнедеятельностью  людей за пределами Земли, следует  минимизировать риск путем создания  системы гарантированной защиты  человека от влияния негативных  факторов. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Создание и функционирование  ракетно-космических комплексов

 

«КОСМИЧЕСКИЙ «ЧЕЛНОК» 

 

Орбитальный корабль «Буран» и  его носитель - ракета «Энергия»  стали одним из символов прогресса  советской науки и техники. Можно  по-разному относиться к экономической  эффективности наших космических  программ, однако бесспорно одно - этот ракетно-космический комплекс представляет собой прорыв в будущее, важный шаг  на пути дальнейшего освоения Вселенной.

Сегодня мы публикуем рассказ об уникальной системе, а также ее чертежи, подготовленные по материалам, предоставленным  редакции научно-производственным объединением «Энергия».

Универсальный ракетно-космический  комплекс «Буран» - «Энергия» создан коллективами специалистов научно-производственного  объединения «Энергия», возглавляемыми главными конструкторами членом-корреспондентом  АН СССР Ю. П. Семеновым и доктором технических наук Б. И. Губановым  под общим руководством академика  В. П. Глушко. Участвовали в работе и десятки других организаций  различных министерств и ведомств.  

 

 

 

Комплекс «Буран» - «Энергия» является одним из двух вариантов универсальной  ракетно-космической системы «Энергия». Последняя создана на базе тяжелой  двухступенчатой ракеты-носителя (РН) с продольной схемой деления ступеней. Особенность конструкции РН - несимметричная компоновка, связанная с необходимостью размещения на себе как контейнера с полезным грузом, так и орбитального корабля (ОК) «Буран». С этой целью  четыре боковых блока первой ступени (блоки «А») смещены относительно продольной оси центрального блока (блок «Ц») в сторону, противоположную  полезному грузу. Для компенсации  несимметричного расположения полезного  груза во время работы второй ступени четыре жидкостных ракетных двигателя (ЖРД) блока «Ц» также смещены относительно продольной оси. 

 

Из-за плотного расположения блоков «А»  при разделении ступеней для исключения соударений они отделяются попарно; с этой целью они соединены  с помощью двух поясов межблочных связей в так называемые «параблоки». Отделившись на высоте около 40 км и  скорости 1,8 км/с, параблоки совершают  полет по баллистической траектории, на нисходящей ветви которой происходит их разделение. 

 

Характерная особенность блоков «А» - наличие больших обтекателей  парашютно-реактивной системы приземления. Эта система после разделения параблоков обеспечивает торможение и  мягкую посадку блоков на дальности  около 400 км от стартового комплекса. Стоит  отметить, что спасение тонкостенных жидкостных ракетных блоков с посадкой их на сушу представляет собой более  сложную техническую задачу, чем  спасение твердотопливных ускорителей  американского комплекса «Спейс Шаттл» с их последующим приводнением. Правда, отработка данной системы  начнется на следующем этапе испытаний, а в первых двух пусках «Энергии»  спасение блоков не предусматривалось. Примечательно и то, что для  снижения стоимости разработки боковых  блоков их конструкция максимально  унифицирована с первой ступенью новой одноразовой ракеты «Зенит», эксплуатация которой началась в 1987 году. В обоих случаях двигательной установкой служит четырехкамерный  РД-170, работающий на жидком кислороде  и углеводородном горючем.

Четыре боковых блока отличаются друг от друга в основном размещением  твердотопливных ракетных двигателей (РДТТ) системы разделения. Они установлены  таким образом, чтобы обеспечить безударное отделение параблоков и  их параллельный увод в сторону от орбитального корабля (первоначальный зазор между блоками «А» и ОК меньше метра). При этом крайне нежелательно воздействие струй ракетных двигателей на блок «Ц», вследствие чего сопла РДТТ развернуты, а блок «Ц» дополнительно защищен теплостойким покрытием, выделяющимся своим серым цветом. Сходное покрытие нанесено и на верхнюю часть блоков «А» и «Ц» для защиты от аэродинамического нагрева во время прохождения через атмосферу.  

 

На блоке «Ц» впервые в  СССР применены кислородно-водородные реактивные двигатели. Хвостовой отсек  блоке с четырьмя однокамерными  двигателями имеет сложную форму, образованную цилиндрической частью, цилиндрической и конической обечайками, разделенными коническими обтекателями двигателей. С донной части каждый ЖРД закрыт качающимся вместе с ним  эллиптическим обтекателем-экраном, из которого выступает сопловая часть  двигателя. «Буран» устанавливается  на блоке «Ц» с помощью верхнего и нижнего узлов связи, из которых  опорным является нижний, а верхний  выполнен в виде плавающей опоры, что позволяет компенсировать механические и тепловые деформации блока и  орбитального корабля (в заправленном состоянии блок «Ц» укорачивается  на несколько сантиметров).

Отделение космического «челнока»  происходит на высоте около 120 км и скорости, близкой к первой космической. Блок «Ц» падает в расчетный район  акватории Тихого океана - так с  называемую «антиподную» точку. Последняя  сохраняет свое положении независимо от различных азимуте в пуска  ракеты-носителя, необходимых для  вывода полезных нагрузок на орбиты с  различным наклонением. «Буран»  с помощью двух импульсов объединенной двигательной установки (ОДУ), включающей в себя два ЖРД орбитального маневрирования, довыводится на опорную круговую орбиту, С помощью этих же двигателей осуществляется и торможение многоразового космического корабля для схода с орбиты.

Схема «Бурана» выбрана из условия  обеспечения устойчивости и управляемости  в диапазоне скоростей от 0,3 до 15 чисел Маха. Как и «Спейтс  Шаттл», он выполнен по схеме «бесхвостка" с крылом двойной стреловидности, которое хорошо работает при больших  углах атаки на малых скоростях, обеспечивая посадочную скорость около 340 км/ч, и в то же время обеспечивает балансировку орбитального корабля  при различных числах М за счет корневых наплывов и крутки крыла  по размаху. Органами управления, помимо ЖРД реактивной системы управления, являются элевоны, подфюэеляжный балансировочный  щиток и руль поворота.

Фюзеляж аппарата можно разделить  на три части: носовую, среднюю и  хвостовую. В носовой находятся  блок двигателей и вставная двухъярусная гермокабина экипажа. В верхней  ее части - командный отсек с местами  пилотов, рабочими местами операторов полезной нагрузки и манипулятора, а в нижней - бытовой отсек. В  последнем имеются два люка - входной  на левом борту фюзеляжа и люк  для выхода в отсек полезного  груза. Этот отсек занимает всю среднюю  часть фюзеляжа. Его длина составляет 18,3 м, внутренний диаметр 4,7 м. Он закрыт 8 створками, с внутренней стороны  которых находятся радиаторы  системы терморегулирования, необходимой  во время орбитального полета. По бокам  отсека можно видеть 12 малых дренажных  створок (половина из них обычна закрыта). Их назначение станет понятным, если учесть, что при выведении корабля  на орбиту он за считанные минуты попадает из атмосферного давления в глубокий вакуум. Без дренажа отсека полезного  груза его створки раскрылись бы от внутреннего давления, а при  спуске с орбиты еще хуже: вакуумированный  отсек был бы раздавлен атмосферным  давлением.Внутри хвостовой части фюзеляжа размещены баки ОДУ (жидкого кислорода и углеводородного горючего). Из этих баков питаются двигатели орбитального маневрирования и все системы управления. За хвостовой срез фюзеляжа выступают два блока управляющих двигателей, обтекатель ОДУ и контейнер с тормозной трех-купольной парашютной системой, используемой для сокращения пробега «челнока» на посадочной полосе. Для торможения также предусмотрен расщепляющийся двухсекционный руль поворота - воздушный тормоз. Возникающий при его раскрытии кабрирующий момент компенсируется отклонением балансировочного щитка.