Основными воздействиями космического ракетного комплекса «Союз-2» при наземной подготовке являются [24]:

- химическое загрязнение атмосферного воздуха;

- химическое загрязнение почвенно-растительных покровов;

- механическое загрязнение почвогрунтов;

- воздействие на подземные и поверхностные воды;

- акустическое воздействие.

4.1.1 Прогноз загрязнения атмосферного воздуха в процессе наземной подготовки ракет-носителей «Союз-2»

4.1.3 Оценка химического загрязнения почвенно - растительного покрова

Оценка химического загрязнения почвенно-растительного покрова в районе космодрома «Восточный» при наземной подготовке ракет-носителей «Союз-2» обусловлено возможным оседанием на поверхность загрязняющих веществ, выбрасываемых источниками загрязнения, задействованных при наземной подготовке.

Регион космодрома приурочен к северным пустыням, потенциал почвенно-растительного покрова к самоочищению невелик. В месте с тем учитывая, что как указано выше, при наземной подготовке космического ракетного комплекса «Союз-2» в атмосферу выбрасывается около 250 кг загрязняющих веществ и их возможность попадания на поверхность из атмосферных выпадений (а осадки в регионе достаточно редки) то возможно образование локальных (точечных) очагов загрязнения.

Мною был проведен анализ аварийных ситуаций с проливом несимметричного диметилгидразина при транспортировке.

1 февраля 1988 года в Ярославле, в 300 метрах от моста через реку Волгу, произошла авария: опрокинулась железнодорожная цистерна, в которой перевозился несимметричный диметилгидразин, и несколько сот килограммов вещества вылилось на землю. Тогда все более или менее обошлось: вещество не попало в Волгу и не загорелось. Население города так же не стали эвакуировать, чтобы не создать паники. Была оцеплена зона в радиусе 500 метров. В зону оцепления попали школа и детский сад, а так же проходная Ярославского шинного завода. Но производство решили не останавливать. Раздали противогазы, но мало кто брал, были эвакуированы жители близлежащих домов, но, по свидетельствам очевидцев, многие остались дома, лишь закрыли окна. Не знали, что собственно разлито. Не верили в реальность серьезной угрозы. Разубеждать ни кого не пытались. Официально было сказано, что разлито «ядовитое вещество». Пролитый гептил был собран (12 человек, что участвовали в ликвидации аварии были госпитализированы), зараженный грунт был срезан (как после радиоактивного заражения) и увезен в могильник [26].

И если данная авария происходит на территории космодрома, на стартовой площадке, когда разлив может произойти на запланированной территории, и силами немедленного реагирования этот аварийный пролив может быть ликвидирован в ближайшее время, то стоит взять во внимание тот факт, что аварийный пролив может произойти и при доставке на абсолютно незапланированную территорию.

Поскольку на Дальнем Востоке только планируется осуществлять подвоз несимметричного диметилгидразина при помощи железнодорожного транспорта, то привести статистику схода составов и пролития гидразинного топлива не получается возможным. Однако учитывая агрегатное состояние данного вида топлива и сходство его с дизельным топливом - можно провести аналогию по проливам и частоте аварий. Так например небольшие утечки дизельного топлива(до 100 кг) происходят с частотой раз в месяц, а крупные утечки (до 10 000 кг) раз в три года.

Шесть лет назад на станции Хабаровск-2 при роспуске вагонов с горки произошла авария и в течении 40 минут было разлито на грунт около 60 тонн дизельного топлива. Около 10 тонн успели откачать, однако остатки, и приличные остатки, были впитаны. До сих пор, уже спустя шесть лет, не смотря на предпринятые попытки ликвидировать последствия, при пробах находят высокое содержание углеводородного топлива. Убытки, которые были понесены ОАО «РЖД» составили 68 млн. рублей, включая и затраты на ликвидацию.

4.1.4 Анализ воздействия космического ракетного комплекса «Союз-2» на водные объекты

Водоснабжение и водоотведение на объектах космодрома планируется осуществлять от общеплощадочных систем водоснабжения и водоотведения.

Производительность водозаборных сооружений космодрома составит 6,3 тыс.м³/сутки, протяжённость сетей - 8,8 км. Вторичное использование воды предусмотрено в количестве 10 % от общего объема [4].

Для исключения техногенного воздействия на водную среду предусмотрен тщательный контроль над выполнением работ при строительстве водонесущих коммуникаций и строительство очистных сооружений с использованием эффективных технологий очистки бытовых и дождевых сточных вод.

Сброс нормативно очищенных сточных вод оценивается в 586,3 тыс.м³, что составит 0,65% от общего сброса сточных вод по Амурской области[3].

Прогнозируемое воздействие на водную среду при планируемом строительстве и эксплуатации объектов инфраструктуры космодрома оценивается как допустимое.

4.2 Старт и процесс выведения на орбиту ракет - носителей «Союз-2»

5.1 Количественная оценка экологического риска, связанного с возможными аварийными ситуациями космического ракетного комплекса «Союз-2»

5.2.1 Возможные аварийные ситуации, возникающие при наземной подготовке ракеты-носителя «Союз-2»

Конструктивное исполнение заправочно-сливного оборудования объектов космодрома «Восточный» при правильной их эксплуатации обеспечивает высокую степень защиты окружающей природной среды от проливов компонентов ракетного топлива.

«Аварийные большие проливы» при наземной подготовке ракет - масса которых более 1 тонны, невозможны. Связано это с тем, что они возможны только в результате падения заправленной ракеты-носителя на поверхность Земли при пуске (или в подобных ситуациях), однако в этом случае это приводит к взрыву и пожару компонентов ракетного топлива.

Раздельные проливы компонентов ракетного топлива в случае возникновения, каких либо аварийных ситуаций (см. рисунок 5.1) ,возможны, однако при том объемы проливов не превышают нескольких сот килограммов. В случае пролива компонентов ракетного топлива на грунт происходит его испарение с поверхности грунта, миграция по профилю грунта, сорбция составными частями грунта и взаимодействие с кислородом, водой и химическими элементами грунта.

При попадании на грунт компоненты ракетного топлива могут длительное время (месяцы, годы) сохранятся в почве, создавая своего рода «депо», которое может быть источником загрязнения атмосферы, причиной заражения воды рек и открытых водоемов (озер, прудов) вследствие поступления компонентов ракетного топлива с талыми и ливневыми стоками. Так же источником загрязнения трав, культурных растений, которые являются продуктами питания домашних животных и человека [33].

Рисунок 5.1 Дерево событий. Аварийные ситуации, возникающие при старте и полете ракеты - носителя «Союз - 2»

При проливах горючее Т-1, вследствие его высокой стабильности, сохраняется длительное время. Основным средством переноса горючего Т-1 из почвы являются воздушные массы (испарение выветривание), грунтовые и поверхностные воды.

Как правило, основное количество горючего Т-1 при проливе будет сосредотачиваться в верхнем горизонте , ниже содержание Т-1 уменьшается почти на порядок. Максимальное накопление в поверхностных слоях связано с тем, что гумусовый горизонт, содержащий наибольшее количество органических веществ, обладает более высокой сорбционной способностью. Скорость и глубина проникновения Т-1 вглубь почвы, прочность связывания почвенными частицами, протекания химических реакций определяется свойствами поглощающего комплекса почвы.

В 2012 году научными сотрудниками «ЦСКБ-Прогресс» была смоделирована ситуация пролива 100 кг горючего Т-1 на различные типы поверхности. Расчеты показали, что в случае пролива на торф 100 кг горючего Т-1 площадь пролива составит величину порядка 7 м². При удельной скорости испарения 0,08 г/(с•м²) с учетом впитывания в грунт время существования пролива составит около 18 часов. За это время испарится 36 кг горючего, остальная часть горючего впитается. При проливе 100 кг Т-1 на бетонную площадку площадь пролива составит 23 м², а время существования пролива - 14 часов, при этом испарится 93 кг [3].

В случае возникновения проливов жидкого кислорода или перекиси водорода происходит «ожоговое» поражение растительности. Данный фактор оказывает только локальное и непродолжительное воздействие. Загрязнение атмосферного воздуха и поверхностных слоев не происходит.

Совместный пролив компонентов ракетного топлива - жидкого кислорода и керосина не может послужить причиной возникновения пожара. Связано это с тем, что горючее Т-1, используемое в составе ракет-носителей «Союз-2», при контакте с кислородом не воспламеняется (этим обусловлено применение в составе ракеты-носителя перекиси водорода для запуска двигательной установки I и II ступеней). В практике эксплуатации ракет-носителей типа «Союз» были катастрофы, причинами которых явилось именно воспламенение перекиси водорода.

Источниками возникновения совместных проливов компонентов ракетного топлива и проливов перекиси водорода могут служить [46]:

- падение заправленной ракеты-носителя на поверхность Земли при пуске;

- механическое разрушение баков и заправочных магистралей в результате возникновения неисправностей различных систем, прогара стенок топливного отсека под действием высокотемпературной струи пламени;

- в случае разгерметизации заправленной ракеты-носителя вследствие механических воздействий (ударов, сотрясений) и т.п.

Наиболее пожароопасная ситуация, связанна с потерей устойчивости ракеты-носителя на начальный момент запуска. В случае горизонтального падения на стартовый комплекс происходит практически полное разрушение топливных баков. Обратное падение ракеты космического назначения, когда угол между осью ракеты-носителя и вертикалью равен 0⁰, приводит к детонации топлива I ступени [3].

Горение сопровождается выделением токсичных веществ (окислами азота, окисью углерода, сажей и т.д.)

Основным поражающим фактором воздействия на человека и окружающую природную среду при пожаре является тепловое излучение. Тепловое излучение при проливах жидких ракетных топлив могут достигать значений более 260 кВт/м² [34] (для сравнения: для воспламенения деревьев мощность теплового излучения должна составлять 20 - 40 кВт/м² [35]).

Возникающие пожары опасны не только для человека, но и для флоры и фауны района. Опасность возгорания лесных массивов в случае образования «огневого шара» вследствие совместного пролива компонентов ракетного топлива (O₂ + T - 1+ H₂O₂) на расстояниях 580 м от эпицентра пожара; в случае «пожара разлития» на расстояниях порядка 140 м от эпицентра пожара [3].

Известные экспериментальные исследования показывают, что в случае потери устойчивости ракеты космического назначения в начальный момент пуска, которая приводит к ее «обратному» падению на стартовый комплекс (когда угол между осью ракеты-носителя и вертикалью равен 0⁰), кислородные баки 1-ой ступени «вдавливаются» в баки горючего. Вследствие чего образуется суррогатированное взрывчатое вещество, то приводит к возникновению детонации, т.е. к практически мгновенному превращению конденсированного взрывчатого вещества в высокотемпературные продукты сгорания. Расширяясь, продукты сгорания формируют ударную волну, распространяющуюся в окружающем воздухе со сверхзвуковой скоростью. Боковые стенки баков не разрушаются вплоть до воспламенения образовавшейся смеси. Воспламенение и сгорание топлива 1-й ступени сопровождается образованием ударной волны. Топливо 2-й и 3-й ступени частично разбрасывается при начальной детонации топлива 1-й ступени с последующим его воспламенением и полным выгоранием [3].

В случае детонации топливной пары (Т-1 + О₂ + Н₂О₂) при самых неблагоприятных условиях возможно образование до 25% (по массе) окиси углерода, до 10% (по массе) сажи, остальную часть продуктов взрыва составляют биологически нейтральные вещества: вода, углекислый газ, водород.

Расчетное значение тротилового эквивалента взрыва заправленной ракеты-носителя «Союз-2» составляет величину порядка 58 т [40].

Анализ результатов расчетов показал, что взрыв заправленной ракеты - носителя «Союз-2» на старте представляет опасность для находящегося в радиусе до 1,745 км обслуживающего персонала и объектов наземной инфраструктуры. Для стеклянных перекрытий взрыв заправленной ракеты-носителя при старте представляет опасность в радиусе 3,878 км. На таком расстоянии возможно опосредованное поражение человека осколками стекла [2].

Проведенное исследование показало, что в случае возникновения аварийной ситуации на момент запуска, когда осуществляется эвакуация обслуживающего персона (зона эвакуации 5 км), в случае взрыва полной заправки топливных баков, не приведет к поражению человека осколками стекла.

5.2.2 Оценка последствий аварийных ситуаций при наземной подготовке разгонного блока «Фрегат» и блока введения «Волга»

В процессе подготовки к пуску разгонного блока «Фрегат» или блока выведения «Волга» аварийные большие проливы (массой более 500 кг), возможны только лишь в результате падения заправленного разгонного блока и блока выведения на поверхность Земли при транспортировке, поскольку конструктивное исполнение заправочно-сливного оборудования обеспечивает высокую степень защиты окружающей среды от проливов компонентов ракетного топлива. Разгонный блок «Фрегат» и блок выведения «Волга» заправляются одними и теме же компонентами ракетного топлива. Поскольку размерность разгонного блока «Фрегат» (и соответственно масса заправки) больше размерности блока выведения «Волга», то оценки, полученные для разгонного блока «Фрегат» можно распространить и на блок выведения «Волга».

Несимметричный диметилгидразин хорошо мигрирует по профилю почвы и обнаруживается во всех слоях почвы на большой глубине.

Случаи раздельных проливов высокотоксичных компонентов ракетного топлива, таких как азотный тетраоксид ингибированный и несимметричный диметилгидразин наиболее опасны. При проведении исследований воздействия аварийных раздельных проливов высокотоксичных космических ракетных топлив на человека используют ряд показателей, характеризующих степень возможного токсичного поражения человека [42]. В частности, в качестве показателя широко применяется расстояние от эпицентра пролива до внешней границы зоны, характеризующей определенную степень поражения человека.

Для расчетов радиусов зон опасного поражения человека необходимо учитывать такие внешние условия, как степень вертикальной устойчивости атмосферы, скорость ветра, тип местности и т.д. Расчет зон опасного поражения человека при раздельных проливах несимметрично диметилгидразина и азотного тетраоксида ингибированного полной массы заправки был проведен в соответствии с методическими рекомендациями [42, 43].

Для исследования процессов токсичного заражения территории при проливах моделировались ситуации возникновения пролива компонентов ракетного топлива (пролива полной массы заправки одного из компонентов). При проведении расчетов с целью получения максимальных оценок в соответствии с методическими рекомендациями [43] рассматривалось наиболее неблагоприятные условия состояния атмосферного воздуха - инверсия, скорость ветра 1м/с, летнее время года (температура воздуха 20⁰C).

Исходные данные для расчёта глубины зоны возможного заражения несимметричным диметилгидразином:

- удельная теплоемкость С_р - 2,717 кДж/(кг•⁰С);

- температура жидкости до разрушения t₁ - 5⁰С;

- температура жидкости после разрушения t₂ - 20⁰С;

- плотность - 0,7914 т/м³;

- давление насыщенного пара при 20⁰С P - 16,3 кПа(122,4 мм.рт.ст);

- молекулярная масса вещества m - 60,0986;

- удельная теплота испарения при 20⁰C?Н_исп - 583,1 кДж/кг;

- значение токсодозы несимметричного диметилгидразина - 0,216 мг•мин/л;

- значение токсодозы хлора - 0,6 мг•мин/л;

- масса несимметричного диметилгидразина Q₀ = 1,75 т;

- ;

-

-

- изменение температуры при разливе ?t=¦t₁ - t₂¦ = ¦5 - 20¦=15⁰С;

Масштабы заражения несимметричным диметилгидразином рассчитываются только для вторичного облака - жидкости, кипящие выше температуры окружающей среды. Для этого подставляя значения формул (5.4, 5.5, 5.6, 5.7,5.8) определяем эквивалентное количество вещества по формуле (5.9):

Находим глубину зоны заражения для вторичного облака. Зона заражения составляет для 3т - 9,18 км, для 5 т - 12,53 км. Интерполированием находим глубину зоны заражения для 3,292 т по формуле (5.10):

Исходные данные для расчёта глубины зоны возможного заражения азотным тетраоксидом:

- удельная теплоемкость С_р - 1,78 кДж/(кг•⁰С);

- температура жидкости до разрушения t₁ - 5⁰С;

- температура жидкости после разрушения t₂ - 20⁰С;

- плотность - 1,443 т/м³;

- давление насыщенного пара при 20⁰С P - 96 кПа(765 мм.рт.ст);

- молекулярная масса вещества m - 92,011;

- удельная теплота испарения при 20⁰C?Н_исп - 419,1 кДж/кг;

- значение токсодозы азотного тетраоксида - 4,320 мг•мин/л;

- значение токсодозы хлора - 0,6 мг•мин/л;

Масса азотного тетраоксида ингибированного Q₀ = 3,6 т;

- ;

-

-

- изменение температуры при разливе ?t=¦t₁ - t₂¦ = ¦5 - 20¦=15⁰С;

Масштабы заражения азотным тетраоксидом рассчитываются только для вторичного облака - жидкости, кипящие выше температуры окружающей среды. Для этого Для этого подставляя значения формул (5.11, 5.12, 5.13, 5.14,5.15) находим эквивалентное количество вещества по формуле (5.16):

Находим глубину зоны заражения для вторичного облака. Зона заражения составляет для 0,5т - 3,16 км, для 1 т - 4,75 км. Интерполированием находим глубину зоны заражения для 0,651 т по формуле (5.17):

Анализ результатов расчета показал, что при проливе азотного тетраоксида ингибированного полна массы заправки разгонного блока «Фрегат» (3600 кг) при самых неблагоприятных условиях (инверсия, скорость ветра 1 м/с, температура воздуха 20⁰С, время с момента пролива 1 часов 13 минут) максимальная глубина зоны возможного заражения составит 3640 м. При проливе несимметричного диметилгидразина полной массы заправки разгонного блока «Фрегат» (1750 кг) при самых неблагоприятных условиях (инверсия, скорость ветра 1м/с, температура воздуха 20⁰С,время с момента пролива 4 часа 59 минут) максимальная глубина зоны возможного заражения составит 9669 м.

Проливы гидразина возможны только в условиях положительных температур окружающей природной среды, поскольку температура плавления его составляет 2⁰C.

В случае пролива гидразина на бетонную площадку 42 кг, площадь пролива составит величину порядка 1,7 м². При удельной скорости испарения 0,8 г/(с•м²) с учетом впитывания в грунт время существования пролива составит около 8 часов. За это время испарится около 93 % горючего (39 кг),остальная часть впитается [42].

Максимальная глубина зоны возможного загрязнения воздуха на уровне ПДК_рз составит около 400 м.

Совместный пролив компонентов разгонного блока «Фрегат» - азотного тетраоксида ингибированного и несимметричного диметилгидразина - практически всегда взрывоопасен, взаимодействуют очень активно, с самовоспламенением (период задержки при температуре 20⁰С составляет около 0,004 с). Пыры этих компонентов при достаточной концентрации так же могут самовоспламеняться уже при обычных температурах (выше 15⁰).

Основным поражающим фактором воздействия на человека и окружающую природную среду при пожаре является тепловое излучение.

Для оценки максимально возможных неблагоприятных последствий рассматривалась гипотетическая аварийная ситуация, когда может произойти пожар вследствие пролива компонентов ракетного топлива разгонного блока «Фрегат» полной массы заправки в результате разгерметизации топливных баков. Общая масса компонентов ракетного топлива (азотного тетраоксида ингибированного и несимметричного диметилгидразина) - 5350 кг.

В этом случае при горении полной массы заправки топливной пары «азотный тетраоксид ингибированный и несимметричный диметилгидразин», в атмосферу (при самых неблагоприятных условиях) может выбрасывается до 1,5 т токсичных соединений, основными из которых являются сажа и окись углерода (до 75% по массе), а так же окислы азота (до 15% по массе).

При возникновении подобной аварии происходит загрязнение токсичными веществами (на уровне максимально разовых ПДК) до 200 млн. м³ атмосферы [29].

Основными поражающими факторами в случае возникновения взрыва являются:

- воздушная ударная волна (ВУВ);

- тепловое излучение от «огневого шара»;

- токсичные продукты взрыва;

- разлетающиеся на больших скоростях (до нескольких км/с) элементы конструкции (разгонного блока, блока выведения, космического аппарата).

На основании опыта предыдущих аварийных ситуаций в случае детонации топлива при самых неблагоприятных условиях возможно образование до 15% (по массе) окиси углерода, до 5%(по массе) сажи и до 5% (по массе) окислов азота, остальные продукты взрыва - молекулярный азот, углекислый газ и вода. В соответствии с рекомендациями расчетное значение тротилового эквивалента взрыва заправленного разгонного блока «Фрегат» составляет величину порядка 300 кг тротилового эквивалента.

При взрыве любого изделия ракетного комплекса на Земле параметры ударных волн рассчитываются в соответствии с «Едиными правилами безопасности при взрывных работах» [45].

Результаты воздействия взрыва разгонного блока «Фрегат» при подготовке на космодроме «Восточный» на человека и строительные сооружения приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 Радиусы воздействия ударной волны при взрыве разгонного блока «Фрегат» на человека и строительные сооружения

Анализ результатов расчета показал, что непосредственно взрыв заправленного разгонного блока «Фрегат» представляет опасность для находящегося в радиусе 300 м обслуживающего персонала. Для стеклянных перекрытий взрыв заправленного разгонного блока «Фрегат» представляет опасность в радиусе до 1126 м, на таком расстоянии возможно опосредованное поражение человека осколками стекла, поэтому глубину зоны возможного поражения человека при взрыве заправленного разгонного блока «Фрегат» следует принимать равной 1126 м.

5.2.3 Оценка последствий аварийных ситуаций при наземной подготовке разгонного блока «Фрегат» в составе ракеты - носителя «Союз - 2»

Для оценки максимально возможных неблагоприятных последствий рассматривалась гипотетическая аварийная ситуация, когда может произойти пожар вследствие совместного пролива полной массы заправки компонентов ракетного топлива в составе ракеты-носителя «Союз-2» и разгонного блока «Фрегат». Общая масса компонентов ракетного топлива: 273т - (Т-1 + О₂ + Н₂О₂), 5,35 т - (азотный тетраоксид ингибированный, несимметричный диметилгидразин).

Масштабы последствий в десятки раз (в зависимости от степени поражения и погодных условий) больше масштабов от возникновения ситуации, когда происходит взрыв непосредственно только разгонного блока.

В этом случае происходит большой выброс токсичных веществ, таких как окись углерода и сажи (до 98% от общей массы выбрасываемых токсичных соединений). В этом случае происходит загрязнение токсичными веществами до 250 млн. м³ атмосферы.

В случае возникновения взрыва, с точки зрения на окружающую природную среду, является наиболее неблагоприятным событием. Помимо того, что взрывы на поверхности земли несут опасности гибели (нарушения здоровья) человеку и опасность разрушения зданий и сооружений как инфраструктуры космодрома, так и народных хозяйственных субъектов, они оказывают негативное воздействие на экосистемы.

Взрыв заправленной ракеты-носителя «Союз-2» с разгонным блоком «Фрегат» на старте может произойти в результате потери устойчивости в начальный момент пуска.

Радиусы опасных зон воздействия воздушной ударной волны, возникающих при взрыве ракеты-носителя «Союз-2» с разгонным блоком «Фрегат» на человека и строительные сооружения, представлены на таблице 5.3.

Таблица 5.3 Радиусы зон воздействия ударной волны при взрыве заправленной ракеты-носителя «Союз-2» и разгонного блока «Фрегат» на строительные объекты

Взрыв заправленной ракеты-носителя «Союз-2» с разгонным блоком «Фрегат» на старте представляет опасность для находящегося в в радиусе до 1745, км обслуживающего персонала. Для стеклянных перекрытий взрыв заправленной ракеты-носителя «Союз-2» с разгонным блоком «Фрегат» на старте представляет опасность в радиусе порядка 3,878 км. Глубину зоны поражения человека при взрыве заправленной ракеты-носителя «Союз-2» с разгонным блоком «Фрегат» на старте следует принимать равной 3,878 км.

Зона эвакуации обслуживающего персонала при старте ракеты-носителя составляет 5 км, что позволяет исключить воздействие на обслуживающий персонал в результате возникновения аварийных ситуаций в момент запуска, однако падение ракеты -носителя на предстартовом этапе не исключается, когда персонал будет находиться в зоне возможного поражения.

5.3 Оценка последствий аварийных ситуаций, возникающих при нахождении ракеты-носителя «Союз-2» в активном участке полёта

5.3.1 Взрыв ракеты-носителя «Союз-2» на активном участке полета

В настоящее время в соответствии с природоохранными законодательствами большинства стран актуальными являются вопросы оценки воздействия ракетно-космической техники на окружающую среду и околоземное пространство. Среди негативных последствий следует отметить техногенное и химическое загрязнение территорий районов паллета, вызванного наиболее неблагоприятным сценарием разрушения, вызванного взрывным характером. Взрыв ракеты-носителя «Союз-2» на активном участке полета возможен лишь в двух вариантах развития событий: при неисправности двигательной установки и неправильной подачи топлива, и при возникновении нештатной ситуации, которая вызовет падение ракеты-носителя с высот, превышающих 180 км. Первый вариант маловероятен ввиду прохождения у ракетных двигателей многократных проверок и на опыте, исключающем возможность данной ситуации. В работе «Аэродинамический нагрев топливных баков космического разгонного блока при спуске в атмосфере» [46] приведен физико-математический расчет поведения разгонного блока «Фрегат» при спуске с высоты солнечно-синхронной орбиты, превышающей 180 км.

Влияние аэродинамического торможения на больших высотах проявляется слабо. При входе в атмосферу на больших высотах обтекание происходит в свободно-молекулярном режиме, ниже реализуется кинетический режим, обтекание происходит в режиме сплошной среды. Последний определяет аэродинамический нагрев, так как в атмосфере Земли при скоростях ниже второй космической излучение ударного слоя незначительно. Для высот полета превышающего 60 км режим течения в пограничном слое является ламинарным.

При спуске в атмосфере под действием аэродинамического нагрева повышается температура баков, происходит испарение жидкой фазы, растут внутреннее давление и напряжение в оболочках, что может привести к их разрыву.

На больших высотах от 60 км в атмосфере Земли внешнее давление практически отсутствует. Таким образом, напряжения в оболочках топливных баках зависит от температуры и сопоставляя их с пределом прочности материала оболочки - получают критическую температуру разгерметизации баков. Определяя ее затем при движении аварийной ракеты-носителя в атмосфере, находят высоту разрушения баков. При спуске аварийной ракеты-носителя возможны два предельных сценария развития тепловых процессов в баках:

- теплообмен между оболочкой и внутренним содержимым затруднен; нагревается главным образом оболочка, и разрыв происходит в точках неоднородности материала (при начальном давлении в окрестности сварных швов ввиду снижения прочности материала);

- теплообмен достаточно интенсивен; бак разрывается под действием давления паров компонентов топлива. Результатами определения высоты разгерметизации баков по первому сценарию, в случае если передача тепла внутрь бака не учитывается, то температуры оболочек баков окислителя и горючего совпадают. А так как несимметричный диметилгидразин и азотный тетраоксид является лишь по отдельности химически устойчивыми соединениями, а при взаимодействии образуют взрывную смесь - на 170 секунде падения тепловой поток достигает 120 кВт/м² и происходит разгерметизация баков.

Мощность взрывного разрушения баков может быть оценена независимо от высоты, на которой это происходит. Анализ литературы показывает, что высоты разрушения баков окислителя и горючего при одинаковой степени заполнения близки друг к другу. Это означает, что условия их разрушения достигаются почти одновременно. Разрушение баков будет происходить на высотах ниже 80 км, тем не менее, расчетным опытом установлено, что обломки аварийной ракеты космического назначения долетать до Земли не будут, сгорая в атмосфере.

Оценить степень негативного воздействия на приземные слои атмосферы при рассеивании несимметричного диметилгидразина и продуктов его окисления, на высотах превышающих 100 км, не является возможным в связи с недостаточной изученностью поведения данного ракетного топлива в верхних слоях атмосферы [1].

5.3.2 Разрушение ракеты-носителя «Союз-2» на активном участке полета

Поскольку при спуске в атмосфере под давлением аэродинамического нагрева повышается температура баков, растут внутренние давление и напряжения в оболочках как в баках с горючим, так и окислителем, развитие сценария при котором произошла бы разгерметизация одного из баков крайне маловероятно. Это связано с использованием в конструктивном исполнении материалов аналогичных как для баков окислителя, так и для баков горючего. Поскольку азотный тетраоксид и несимметричный диметилгидразин являются топливной парой, и без взаимодействия друг с другом не приводят к бурной химической реакции, сопровождающейся горением, то в атмосфере будут разлагаться на продукты окисления. Таким образом, следует рассматривать данный случай, только в качестве теоретического.