Потенциальные экологические проблемы, связанные с использование метан-кислород топлива Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 504.3.054:661.721.422:661.937

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТАН-КИСЛОРОД ТОПЛИВА

Н. А. Кононова, А. Ю. Васянина, А. А. Тонких, Д. А. Ермоленко Научный руководитель - М. В. Чижевская, В. А. Миронова

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: dentimenis@mail.ru

Рассмотрены дальнейшие перспективы использования топливной пары метан-кислород, основанные на ранее проведенных огневых испытаниях (ОИ) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).Влияние данного топлива на атмосферу и гидросферу, а также влияние на здоровье человека.

Ключевые слова: топливная пара, сжиженный природный газ, огневые испытания, жидкий кислород, РН, метан, продукты сгорания, УВГ, окружающая среда, азот, загрязнение, концентрация

POTENTIAL ENVIRONMENTAL PROBLEMS OF THE METHANE-OXYGEN USING

N. A. Kononova, A. U. Vasyanina, A. A. Tonkikh, D. A. Ermolenko Scientific Supervisor - M. V. Chizhevskaya, V. A. Mironova

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: dentimenis@mail.ru

In the paper was reviewed prospects of the methane-oxygen fuel, based on the previously conducted firing tests with liquid rocket engines. The influence of this fuel on the atmosphere and hydrosphere, as well as the impact on human health.

Keywords: fuel, natural gas liquids, fire tests, liquid oxygen, methane, combustion products, Hydrocarbon fuel, environmental, nitrogen, pollution, concentration

Ракетные двигатели к настоящему времени достигли значительного совершенства и весьма высоких, близких к пределу рабочих параметров. Надежность и экологическая безопасность стали основными показателями качества проектируемых двигателей. Из различных технических решений предпочтительнее те, в которых минимизируется число потенциально опасных агрегатов, а доля хорошо отработанных и показавших на практике высокую надежность систем увеличивается с ориентацией на современные материалы и технологии. В настоящее время совершенствование ракетных двигателей идет в направлении увеличения надежности, удельного импульса, уменьшения удельной массы, снижения стоимости, а также снижения или устранения вредного экологического воздействия на окружающую среду. Применение топливной пары кислород-метан приводит к уменьшению затрат на изготовление и эксплуатацию ракетно-космической техники, позволит обеспечить конкурентоспособность при выведении полезных грузов и оптимизирует использование космодрома Байконур [1-3].

В данной статье рассматривается влияние метан-кислородного жидкостного ракетного двигателя на атмосферу, гидросферу с точки зрения экологии.

Сжиженный природный газ на 90% и более состоит из метана. Метан взрывоопасен при концентрации в воздухе от 4,4 % до 17 %. Наиболее взрывоопасная концентрация 9,5 %. Класс

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 2

опасности - четвёртый. Предельно допустимая концентрация (ПДК) содержания метана в воздухе составляет 7000мг/м3 , согласно установленным нормативам для рабочей зоны. Метан нетоксичен и неопасен для здоровья человека. Однако имеются данные, что метан относится к токсическим веществам, действующих на центральную нервную систему. Так, при содержании в воздухе 25—30 % метана появляются первые признаки асфиксии (учащение пульса, увеличение объёма дыхания, нарушение координации тонких мышечных движений и т. д.). Более высокие концентрации метана в воздухе вызывают у человека головную боль.

В результате сгорания топлива образуются следующие продукты сгорания: углекислый газ и пары воды. Кроме этих газов в атмосферу с горючими газами выходит азот и оставшийся кислород. Если сгорание газа происходит не полностью, то в атмосферу выбрасываются горючие вещества - угарный газ, водород, сажа.

Из этого следует, что наиболее токсичным веществом процессе сгорания компонентов топлива является углекислый газ.

Основные негативные воздействия углекислого газа на климат:

- глобальное потепление;

- кислотные дожди;

- токсикация окружающей среды.

Так же негативное влияние продукты сгорания оказывают на гидросферу. При попадании в воду углеводородные горючие (УВГ) придают резкий специфический запах, ощущаемый при концентрации 0,1 мг/л. УВГ химически устойчивы в воде. Летом при росте температуры поверхности вод за трое суток наблюдается уменьшение концентрации УВГ на 60-90%. С ростом концентрации УВГ стабильность повышается. Загрязнение рек и озер УВГ крайне пагубно отражается на рыбном хозяйстве. Кроме прямого токсичного воздействия на рыб УВГ уничтожат нерестилища и нагульные угодья, препятствуют естественной аэрации и нарушают нормальные биологические процессы водоема. УВГ оседают вместе с илом на дно водоема и способны к вторичному его загрязнению. Таким образом загрязненные водоемы могут лишиться рыбохозяйствен-ной ценности на долгое время в близи космодромов.[4]

Стоит отметить, что использование топливной пары метан-кислород ведет к тепловому загрязнению Отработанные газы в ракетном двигателе имеют значительно большую температуру от естественной температуры пространства, что является тепловым загрязнением окружающей среды. Степень загрязнения от приборов нагретых ниже 50 °С рассчитывается по следующей формуле:

А = Т - Т

^ пр 1о>

т. к. разность температур приборов и температуры окружающей среды менее 50 градусов, следовательно нагрев приборов не превышает ПДУ.

Температура отработавших газов, поступающих в окружающее пространство составляет 760 градусов по Цельсию, что является значительным превышением ПДУ теплового загрязнения^].

Таким образом, Основными экологически опасными факторами при работе ракетного двигателя являются: неполное сгорание метана, выброс в окружающую среду продуктов сгорания, тепловое загрязнение окружающей среды, твердые отходы. Следовательно, создание двигателя на компонентах ЖК + СПГ требует продолжения научно-исследовательских, теоретических и экспериментальных работ, направленных на оптимизацию экологических решений.

Библиографические ссылки

1. Дорофеев А. А. Основы теории тепловых ракетных двигателей. Теория, расчет и проектирование: учебник для авиа- и ракетостроительных специальностей вузов. Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2010, 463 с.

2. Клепиков И.А., Буканов В.Т., Мирошкин В.В. и др. ЖРД на метановом горючем. История, состояние и перспективаСб. трудов НПО Энергомаш.-2000.-№ 18. 204 с.

3. Завьялов В.С.. Метан в космической установке» 2012г. Режим доступа: http://zavjalov.okis.ru/metan.html. (Заголовок с экрана 23.09.2015)

4. Лапушкин Н.А.. Термодинамический анализ действительных процессов в комбинированных двигателях внутреннего сгорания : автореферат дис. ... кандидата технических наук : 05.04.02 / Моск. гос. техн. ун-т.- Москва, 1995.- 16 с.: ил. РГБ ОД, 9 95-3/1387-2

5. Рыбакова В.Н., Мехтиев А.С., Голиковская К.Ф. Сравнительный термодинамический анализ ЖРД на экологически чистых компонентах топлива // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2012. №8 С.61-62

© Кононова Н. А., Васянина А. Ю., Тонких А. А., Ермоленко Д. А, 2017