CC BY
13
УДК 629.7.08
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-1-259-266
ОБОСНОВАНИЕ ОБЛИКА СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ СТАРТОВОГО КОМПЛЕКСА ОТ ДЕСТРУКТИВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
В.В. Козлов, А.В. Лагун, В.А. Харченко
В данной статье изложены и обоснованы основные принципы обеспечения безопасной эксплуатации стартового комплекса с использованием системы его защиты от деструктивных воздействий. Авторами разработана математическая модель и введен термин «система защиты стартового комплекса», который употребляется для характеристики основных черт проектируемых объектов. Кроме того, при анализе данных необходимых для обоснования облика системы защиты стартового комплекса, сформирован показатель эффективности ее работы. При разработке функции, определяющей параметры опасности, использованы процедуры семантического анализа, в результате чего сформированы простые свойства, раскрывающие семантическое содержание показателя эффективности. Также показано, что на основе выявленных морфологическим анализом простых свойствах физических параметров методами анализа размерности, удается агрегировать их в алгебраическое соотношение для показателя эффективности системы защиты стартового комплекса. Полученные результаты формально связывает определяющие параметры системы защиты стартового комплекса, показывая их влияние на ее общую результативность, а также позволяют увидеть принципиальные пути повышения безопасности проводимых работ. Описанная системы защиты стартового комплекса от деструктивных воздействий учитывает различные опасные факторы, возникающие в процессе эксплуатации ракетно-космического комплекса, обеспечивая тем самым его безаварийное применение.
Ключевые слова: стартовый комплекс, система защиты, деструктивное воздействие, показатель эффективности, облик системы обеспечения безопасности, параметры опасности, показатель опасности, оценка защищенности.
В руководящем документе «Основы политики Российской федерации в области космической деятельности на период до 2030 года» утвержденных Президентом РФ 19 апреля 2013 г., одним из приоритетных выделено направление по обеспечению безопасности космической деятельности. Поэтому проблема формирования условий для безаварийного технологического процесса подготовки и пуска ракет космического назначения (РКН), является наиболее актуальной. При этом ее решение зависит, в том числе, от востребованности отечественных ракетно-космических средств на соответствующих мировых рынках, влияющих на частоту пуска РКН, а также уровня совершенства используемого для этого технологического оборудования.
В тоже время, исходя из опыта эксплуатации космических средств, можно утверждать, что эксплуатация ракетно-космических комплексов (РКК) сопровождается определенным количеством опасных факторов, которые влияют на состав и облик включенных в него элементов. Данный факт присущ и стартовому комплексу (СК), как составной части РКК. Сам собственно СК является объектом, работа которого сопряжена с риском нанесения ущерба персоналу, разрушения техники и нарушения экологии, поскольку на объектах СК накапливаются, преобразуются и реализуются большие потенциалы различных видов энергии. Не учитывать это невозможно, так как именно высокие энергетические мощности и обеспечивают достижение цели функционирования СК - организацию пуска РКН.
Помимо этого, существуют и другие опасные факторы, усложняющие эксплуатацию и создающие предпосылки к возникновению опасных последствий. В их число входит: пожароопасность, взры-воопасность и токсичность компонентов ракетных топлив, отказ оборудования и ошибки персонала, негативное влияние внешней среды. Поэтому при эксплуатации РКК необходимо найти пути защищенности его составных частей от возможных деструктивных воздействий тем самым обеспечив безопасную эксплуатацию комплекса в целом.
Обеспечение безопасности при эксплуатации СК. Практика освоения космоса имеет яркие и трагические примеры проявления опасных факторов, разрушительных процессов и их катастрофических последствий. При этом многие причины возникновения опасных ситуаций, повлекшие за собой аварии и катастрофы, могли бы быть устранены, а их развитие локализовано в процессе подготовки ракет космического назначения.
Безопасность (как и надежность) процессов функционирования СК существенным образом зависит от выбора инженерных решений при проектировании и обеспечивается в процессе эксплуатации. При этом, чем больше проработаны аспекты безопасности при проектировании, тем меньше доля затрат и потерь приходится на процесс эксплуатации комплекса.
Поиск подходов к принятию решения по обеспечению безопасности в сложных технических системах осуществляется постоянно.
Необходимость в них не пропадает, а лишь из года в год приобретает все большую значимость
К наиболее существенным особенностям обеспечение безопасной эксплуатации РКК относят:
1. Глобальность решаемых задач РКК и возможных последствий от действия опасных факторов, а также уровень потребляемых ресурсов для предотвращения и ликвидации опасных ситуаций.
2. Сочетание физических, химических и экологических факторов, требующие применения конкретной совокупности политехнических знаний.
3. Отсутствие специфической систематической методологии для рационального сочетания принципов обеспечения безопасности средствами целевых систем технологического оборудования (ТО) и систем обеспечения безопасности СК.
4. РКК является уникальными объектом, практически не тиражируемым. Общепринятые методы оценки уровня его защищенности не всегда применимы, поскольку для имеющихся систем обеспечения безопасности работ на СК, построенных на основе статистических данных, не выполняются условия статической устойчивости явлений (т.е. возможности проводить массовые опыты в одних и тех же условиях).
Система защиты СК от деструктивных воздействий (СЗ СК) - является совокупностью специальных средств СК, предназначенных для предотвращения воздействия опасных факторов, локализации опасных ситуаций и ликвидации последствий опасных ситуаций. Такая система является компонентом систем эксплуатации СК и включает в себя:
- технические средства:
• подсистемы специального автоматического контроля потенциально опасных ситуаций;
• управления эксплуатацией СК в нештатных опасных ситуациях;
• специальные средства систем защиты от воздействия опасных факторов внешней среды, противодействующие опасным фактором, включающие средства противопожарной защиты, подавления энергии взрывов, нейтрализации токсических сред и т.п.;
- персонал:
• операторы специальных пультов контроля управления безопасностью СК,
• расчеты личного состава по локализации и ликвидации последствий;
- материалы для обеспечения работы исполнительных элементов систем безопасности (огне-тушащие, нейтрализующие вещества и т.п.)
Анализ эволюции систем, обеспечивающих безопасность функционирования ТО СК, показывает, что их появление (развитие) связано с возникающими отказами, авариями и катастрофами.
По результатам статистики отказав (рис 1), основными источниками опасности для СК является:
- недостаточная изученность процессов функционирования СК, в первую очередь, процессов при организации пуска РКН (явлений взаимодействия потока продуктов сгорания с элементами конструкции пускового устройства);
- несовершенство схемно-конструктивных решений ТО СК;
- недостаточно высокое качество производства ТО СК;
- ошибки обслуживающего персонала.
35
13
1 1 ■ ш
8 р-
133 "п
Ь £
Рис. 1. Статистика причин отказов
При различных сценариях проявления и развития аварий и катастроф главной задачей систем обеспечения безопасности является спасение людей. При решении этой задачи сохранность ТО СК обычно не является приоритетной целью. Однако в процессе ликвидации действия или последствий аварии (катастрофы) естественным является стремление к сокращению ущерба.
В таких условиях учитывается специфика СК, заключающаяся в том, что в силу имеющихся на комплексе энергонасыщенных объектов (КРТ, сосуды, работающие под давлением, системы заправки...), вторичный взрыв может иметь большую мощность, нежели первичный.
Оценивание защищенности, в первую очередь СК, может быть выполнено по методикам взрывоопасных промышленных предприятий [5]. Основная сложность в постановке такой задачи состоит в определении тротилового эквивалента взрыва РКН на СК. Согласно [6,7] для РКН с продольной схемой расположения блоков для КРТ (РГ-1+ О2ж) тротиловый эквивалент С (в тоннах) оценивается соотношением
С = 1,63 • G2/3,
где G - масса КРТ в тоннах.
Для КРТ (Н2ж+О2ж) допустимо соотношение
С = 1,6 • (0,17 - 0,015 • log G) • G Средневзвешенные значения тротилового эквивалента для РКН от легкого до сверхтяжелого класса находятся в диапазоне от 500 до 4000 кН, что существенно превышает мощность обычных боеприпасов.
Таким образом, современный комплекс должен иметь высокую степень защищенности, путем работы систем защиты, при выполнении штатных технологических операций по подготовке и выполнения пуска РКН.
Математическая модель для обоснования облика системы обеспечения безопасности СК.
Термин «облик» часто употребляется для характеристики основных черт проектируемых объектов и допускает много определений на ряду с понятием «качество», «эффективность» и др.
Для использования этого термина, стимулирующего формирования конкретного объекта, уточним его применительно к исследуемым СК и системам защиты СК от деструктивных воздействий (СЗ СК).
Под обликом сложного объекта будем понимать его описание, которое формируются на этапе внешнего проектирования и включает информацию о:
- назначении объекта в виде интегрального целевого эффекта в процессе его жизненного
цикла;
- критериях оценивания и предпочтениях при выборе вариантов в процессе проектирования;
- структуре объекта в виде иерархических описаний основных компонент, технологических процессов, функций и физических принципов их реализации;
- конструктивно-компоновочных характеристик основных компонент;
- концепциях проектирования, производства, испытаний и эксплуатации.
Задача обоснования облика СЗ СК возникает при формировании комплекса ТО СК. При этом предполагаются известными требуемые свойства ТО СК и факторы опасности, на основании анализа которых формулируются исходные данные в виде требований к показателям СЗ СК.
Одной из необходимых исходных задач конструктивного обоснования концепции создания СЗ СК, облика и физических принципов является формирование показателя эффективности работы СЗ СК.
Общее выражение для оценивания показателя эффективности * сложной системы (СЗ СК) имеет вид [4]:
*=р(Уе (й)),
где у 3) - вектор, характеризующий качество результатов процесса функционирования СК
Y3) =(Эпуск , С. ,T
где Эп ск - показатель, характеризующий полезный целевой эффект; С. - показатель, характеризующий ресурсоемкость процесса функционирования СК в виде суммарных затрат всех видов ресурсов функционирующего комплекса; T - показатель, характеризующий оперативность процесса функционирования СК, т.е. временные характеристики, описывающие процессы функционирования комплекса. Вектор допустимых значений результатов процесса функционирования СК - у'^
у<3> ={элпуск ,с. ,Td
где ЭЛпск - требуемый полезный эффект; С. - допустимый уровень суммарных затрат ресурсов;
Td - заданное время процесса подготовки и пуска РКН.
Для формирования показателя эффективности СОБ СК необходимо получить выражения для оценивания показателя опасности, в условиях которой может оказаться СК при функционировании. Имея выражение для оценивания показателя опасности, можно перейти к синтезу функций показателя безопасности. При этом для их формализованного представления, каждая из них должна обладать общностью, физичностью, трактуемостью, а также выражаться в безмерных значениях, поскольку факторы опасности имеют разную физическую природу.
Нормативно-технической документацией определена совокупность факторов опасности, которые в своем большинстве связаны с процессами, протекающими при эксплуатации РКК. К ним можно отнести следующие общеизвестные факторы:
- механические,
- электрические,
- химические,
- биологические,
- взрывные (ударно-волновые),
- пожарные,
- электромагнитного излучения,
- тепловые,
- функциональные,
- токсичные,
- ядерные,
- сейсмические,
- климатические.
Кроме того действующие ГОСТы в области эксплуатации космических средств и экологического обеспечения, вводят соответствующие термины и определения.
Таким образом, если перечисленные данные взять в качестве исходной информации, то используя процедуру морфологической декомпозиции содержания перечисленных данных, можно построить графическую модель в виде классификационный графа для параметров определяющих облик системы защиты СК от деструктивных воздействий (рис.2).
СЗ СК
Рис. 2. Классификационный граф
В данном графе Бл г - показатель опасности г - ого фактора.
Данная процедура морфологической декомпозиции позволяет выявить дополнительно еще целый перечень необходимых параметров.
К этим параметрам можно отнести и неконтролируемую высвобождаемую энергию Е в виде тепловой, механической и взрывной волны, а также электромагнитного излучения. В этом перечне есть место для параметров неконтролируемого высвобождения опасных веществ т (например, радиационных и химических). Нельзя не учитывать параметры неконтролируемого распространения или нарушения потоков информации I (к которой относится как управляющая, так и оповещающая с предупреждающей). Также необходимо иметь возможность определить вероятность возникновения аварии и катастрофы Р и время действия опасных факторов
Учитывая выше изложенное, предоставляется возможность представить величину Уопасн в виде функции параметров опасности отраженных в рамках изложенной структуры:
^опасн = I(Е, т, 1, ^ , Р).
В дополнение к полученным параметрам вводятся параметры, имеющие однозначно определенный физический смысл, который учтен при описании действия факторов опасности. К ним относятся следующие параметры:
- площадь поражения опасными факторами Р;
- энергия диссипации Ец как средствами СЗ СК, так и ТО СК имеющими определенный уровень защищенности.
Вместе с тем не все из указанных параметров определены как постоянные, часть из них являются переменными. Аппарат теории размерности позволяют выяснить структуру данной функции, исходя из сформулированных с точностью до неопределённой константы, соотношений между размерными величинами и соответствующими соотношениями безразмерных.
Совокупность выше указанных параметров можно заменить следующими величинами:
N=Е; о = т; I; Р('); р ; ,
где N, О - мощность потока энергии опасного фактора, расход опасных веществ.
Тогда безразмерная функция опасности может быть записана в виде:
w NGF УопаСн = const • P(t)I
Es
Для масштабирования полученной функции опасности необходимо ввести нормированные значения определяющих факторов (допустимые или назначенные), что позволит избавиться от неопределенности, если использовать нормированное значение показателя функции опасности [г опасн ]
Т7 Y
V _ опасн
1 опасн — г 1 '
[Y ]
опасн
В этом случае при задании значений [N];[G];[I];[P];[F];[Es ] для выполнения условий безопасности очевидны соотношения:
Nреал < [N];Gреал < [G];Iреал < [I];Pреал < [P];Fреал < [F];Eреал < [Es]. Определим безразмерные значения для определяющих параметров следующими образом:
_ лт реал _ fi реал _ т реал _ т) реал _ тр реал _ тр реал
N = N-; G = -G-; I =I-; P = P-; F = F-; E =
[ N ] [С] ' [ I ] [Р] [ Р ] ' [Е, ]
После преобразования, введя безразмерные значения аргументов рассматриваемой функции
получаем:
Г — Р1Ш
1 опасн — 1-1 _2
_ Е,
Смысл функции У опасн состоит в том, что он характеризует собой уровень предотвращенного ущерба, который может возникнуть в процессе эксплуатации. Необходимо учитывать:
1) Убезопасн £ [0Д] ,
2) У безопасн + У опасн — 1
Следовательно, функция безопасности выглядит следующим образом:
У __ — I - пЩ-
Е2
Используя введенный в [3] показатель целевой эффективности, как показатель энергетического коэффициента полезного действия РКК можно записать соотношение для требуемой и реальной энергии (или мощности) для выполнения целевых задач
Ец Nц N4
тр тр тр
4 ~ Ец — Nц — Nц + N '
реал реал тр доп
где Е и N - энергия и мощность, можно вычислить «лишнюю» мощность выделяемой при функционировании СК энергии, являющуюся источником опасности. Такая мощность для показателя безопасности обозначается как Nреш и в данном случаи можно ввести показатель целевой эффективности СК в показатель безопасности.
(1 -ч\ — Nреал
N реал — Nц I -_— I' N —_
тр [ Ч ) [ N ]
Тогда,
Уб — |11-ч
1 безопасн — 1 Г 1
Е2 [N][ ч
Полученное соотношение отражает возможность оценивания безопасности эксплуатации комплекса в целом.
Это выражение формально связывает определяющие параметры, показывая их влияние на общую результативность систем защиты (СЗ) СК, а также позволяет увидеть принципиальные пути ее повышения.
Из анализа функции безопасности видно, что для повышения (достижения заданного уровня) безопасности функционирования СК необходимо выполнять следующие рекомендации:
1. Обеспечить минимально допустимый уровень вероятности возникновения аварийной ситуации Р ^ 0.
2. Минимизировать возможность возникновения информационных ошибок управления, оповещения и предупреждения I ^ 0.
3. Обеспечить максимально высокую степень защищенности (стойкости) технологического оборудования СК Е!! ^ да .
Это особенно важно, учитывая следующие:
- показатель стойкости в два раза выше остальных,
- агрегаты ТО СК имеют практически «нулевую» защищенность.
4. Для обеспечения безопасности наиболее важным параметром является показатель целевой эффективности функционирования ТО СК (г).
Полученное соотношение раскрывает связь между эффективностью функционирования и безопасностью. Выражение 1—г указывает, что показатель целевой эффективности имеет более значимое
Г
влияние на безопасность функционирования при значениях г < 0,25 (рис 2). Отсюда следует, что для видов ТО, у которых г > 0,25, обеспечение безопасности целесообразно достигать за счет повышения их стойкости (защищенности).
Для тех видов ТО СК у которых г < 0,25, повышать уровень безопасности рационально за счет повышения эффективности их функционирования по назначению.
Ц
Рис. 2. Функция зависимости безопасности функционирования комплекса от показателя целевой эффективности
В работе [2] для основных технологических процессов СК и реализующих их агрегатов приведены значения показателя целевой эффективности
Целевые показатели эффективности для ТО СК
Технологический процесс Вид оборудования Значение 77
Пуск РКН Пусковое устройство (пусковой стол) от 0 до 0,003
Установка РКН на ПУ от 0,04 до 0,2
Горизонтальная транспортировка РКН на СК Транспортно-установочный агрегат от 0,33 до 0,35
Вертикальная транспортировка РКН на СК Пусковая платформа от 0,01 до 0,03
Подъемно-перегрузочные работы Крановое оборудование от 0,06 до 0,3
Из таблицы следует, что наиболее опасным процессом является пуск РКН. Для его производства должен быть созданы мощные системы обеспечения безопасности.
Кроме того, используя полученное выражение показателя безопасности, возможно упорядочить технологические операции по степени их опасности. Это же выражение обозначает пути повышения безопасности за счет совершенствования схемно-конструктивных решений агрегатов и систем ТО СК, для которых возможно повышение значение показателя эффективности.
Заключение. Обеспечение защищенности элементов РКК от возникающих опасных факторов является сложной, но необходимой технической задачей. В процессе жизненного цикла РКК необходим постоянный поиск решения путей этой проблемы. Отраженные в статье математические результаты позволяют обеспечить поиск путей обеспечения защищенности РКК уже на этапе его проектирования. Описанная система обеспечения безопасности работ позволяет учитывать различные опасные факторы, возникающие в РКК, обеспечивая тем самым безаварийную его эксплуатацию.
Список литературы
1. Козлов В.В., Гончар А.Г., Гранкин Б.К., Смирнов В.И., Федоров А.В., Шарапов В.С. Методология обеспечения безопасности стартовых комплексов. (монография). М.: Изд-во «Поиск», 2008.
2. Смирнов В.И. Методология обеспечения безопасности стартовых комплексов при их проектировании. М.: Изд-во МАИ, 2003. 140 с.
3. Федоров А.В. Обеспечение безопасности функционирования стартового комплекса при возникновении нештатных ситуаций. Монография. СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2004. 133 с.
4. Петухов Г.Б. Теоретические основы и методы исследования эффективности оперативных целенаправленных процессов. Учебное пособие. Ленинград: ВИКИ им. А.Ф. Можайского, 1979. 176 с.
264
5. Лагун А.В., Козлов В.В., Миронов Е.А., Антропова А.В. Агрегирование показателей свойств сложных технических систем на основе информационной свертки // Информация и Космос /под общ. Ред. Присяжнюк С.П. СПб.: изд. «Art-Xpress» 2018. Т.3. С. 44-48.
6. Лагун А.В., Козлов В.В., Казахов Б.Д. Обоснование показателей для оценки результативности функционирования системы защиты ракетно-космического комплекса в условиях внешнего деструктивного воздействия //Труды Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского/ под общ. Ред. Кулешова Ю.В. СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2020. Вып. 675. С. 36-44.
7. Лагун А.В., Козлов В.В., Казахов Б.Д. Методика оценивания уровня влияния внешнего деструктивного фактора на безопасность эксплуатации сложного группового объекта //Труды Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского / под общ. ред. Кулешова Ю.В. СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, Вып. 678, 2021. С. 250-262.
Козлов Владимир Владимирович, д-р техн. наук, профессор, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Лагун Андрей Валерьевич, канд. техн. наук, доцент, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Харченко Владимир Алексеевич, адъюнкт, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского
JUSTIFICATION OF THE APPEARANCE OF THE LAUNCH COMPLEX PROTECTION SYSTEM FROM
DESTR UCTIVEINFL UENCES
V. V. Kozlov, A. V. Lagun, V.A. Kharchenko
This article outlines and substantiates the basic principles of ensuring the safe operation of the launch complex using its protection system from destructive influences. The authors have developed a mathematical model and introduced the term "launch complex protection system", which is used to characterize the main features of the projected objects. In addition, when analyzing the data necessary to substantiate the appearance of the launch complex protection system, an indicator of its effectiveness was formed. When developing a function that determines the hazard parameters, semantic analysis procedures were used, as a result of which simple properties were formed that reveal the semantic content of the efficiency indicator. It is also shown that on the basis of the simple properties of physical parameters revealed by morphological analysis by dimension analysis methods, it is possible to aggregate them into an algebraic ratio for the efficiency indicator of the launch complex protection system. The obtained results formally link the defining parameters of the launch complex protection system, showing their impact on its overall effectiveness, and also allow us to see the principal ways to improve the safety of the work carried out. The described system ofprotection of the launch complex from destructive influences takes into account various dangerous factors that arise during the operation of the rocket and space complex, thereby ensuring its trouble-free use.
Key words: launch complex, protection system, destructive impact, efficiency indicator, appearance of the security system, hazard parameters, hazard indicator, security assessment.
Kozlov Vladimir Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, vka@mil.ru, Russia, Saint Petersburg, Military space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Lagun Andrey Valerevich, candidate of technical sciences, docent, Russia, Saint-Petersburg, Military space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Kharchenko Vladimir Alekseevich, lecturer, Russia, Saint Petersburg, Military space Academy named after A.F. Mozhaisky
