Способ нейтрализации токсичных компонентов ракетного топлива на основе азотной кислоты и несимметричного диметилгидразина в отделяющейся части ракеты

 

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к ракетам с жидкостной ракетно-двигательной установкой с турбонасосным агрегатом и токсичными компонентами ракетного типлива (КРТ). Целью изобретения является повышение эффективности обезвреживания остатков токсичных КРТ. Для этого часть жидкого горючего - гидразина НДМГ подают в магистраль низкого давления окислителя на основе азотной кислоты, а газообразные продукты разложения окислителя направляют в бак с остатками НДМГ, после чего осуществляют сброс продуктов взаимодействия в окружающее пространство. 1 ил.

Изобретение относится к ракетно-космической технике, преимущественно к ракетам с жидкостным ракетным двигателем (ЖРД) с турбонасосной системой подачи и токсичными компонентами ракетного топлива (КРТ), а именно горючего на основе гидразина (НДМГ), а окислитель на основе азотной кислоты (АК) или азотного тетраксида (АТ).

Известны окислительные способы нейтрализации НДМГ кислородом с катализатором, двуокисью азота, карбонильными соединениями [1], но они неприемлемы для использования на отделяющейся части (ОЧ) ракеты при ее полете на пассивном участке траектории (ПУТ) из-за ряда ограничений, связанных с высокой температурой, необходимостью больших количеств окислителя и т.д.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ газификации самовоспламеняющихся КРТ, какими являются НДМГ, АК, АТ, широко используемый в химических системах наддува топливных баков ракет [2] . В таких системах газ наддува образуется в результате химического взаимодействия АК и НДМГ. Применение такого способа очистки баков ОЧ от НДМГ путем его газификации затруднено, так как на ПУТ положение НДМГ в баке не определено, возникает проблема обеспечения контактирования НДМГ и АК, при взаимодействии АК и НДМГ возникают высокие температуры 1300-3000^оС и т.д. Кроме того, не решается задача нейтрализации окислителя (АК или АТ).

Цель изобретения - повышение эффективности обезвреживания остатков токсичных КРТ, снижение массовых потерь на обеспечение условий протекания процесса при движении ОЧ на ПУТ.

Это достигается тем, что после выключения ЖРД подают жидкий НДМГ в магистраль низкого давления окислителя (АК и АТ), сообщающуюся с баком окислителя, при этом количество подаваемого НДМГ выбирают из условия эндотермического разложения остатков окислителя, а газообразные продукты разложения окислителя при достижении предельно допустимого давления в баке, определяемого его прочностью, направляют в бак с остатками НДМГ и осуществляют сброс продуктов взаимодействия в окружающее пространство через дренажную систему бака горючего и магистраль горючего ЖРД.

Способ реализуют следующим образом.

Одной из основных проблем при нейтрализации остатков КРТ на ПУТ является неопределенность положения КРТ после выключения ЖРД и появления отрицательных перегрузок, обусловленных процессом разделения степеней (действие тормозных ПРД, установленных на ОЧ, воздействие факела ДУ 2-й ступени). Эта проблема приводит к необходимости принятия дополнительных мер по обеспечению соединения КРТ, например создания вращения ОЧ вокруг продольной оси, создания мелкодисперсной смеси вводимого КРТ (АК, АТ), определенного направления впрыска и т.д.

Наиболее приемлемый вариант - подача в бак с НДМГ не мелкодисперсионного АК (АТ) и их паров, что позволяет решить проблему взаимодействия КРТ в баке с НДМГ.

В качестве таких газов наиболее приемлемым являются продукты эндотермического разложения АК (N₂O₄; NO₂; H₂O; O₂; CH₂,...).

Такой состав газообразных продуктов легко получить на борту ОЧ следующим образом.

После прохождения предварительной команды (ПК) на выключение ЖРД перекрываются клапаны подачи КРТ на турбонасосные агрегаты ТНА, обеспечивающие высокое давление в магистралях О и Г (ТНА-камера ЖРД) до 50 атм. После падения оборотов ТНА происходит резкое падение давления на входе в ЖРД и при достижении 20 атм происходит автоматическое закрытие главных клапанов магистралей высокого давления горючего и окислителя перед камерой сгорания.

В туннельном трубопроводе ТНА окислителя, даже после обратных перегрузок имеется значительное количество КРТ, т.е. эта магистраль заполнена полностью (450...500 кг АК). В баках О и Г после обратных перегрузок (n_x ≈ -1 -2) состояние КРТ не определено. Если в туннельный трубопровод, заполненный окислителем, ввести НДМГ, то начинается эндотермический процесс разложения АК по следующей схеме.

При подаче НДМГ (50 кг) для остатков АК (АТ) до 2000 кг...3000 кг) происходят его самовоспламенение при контакте с азотнокислым окислителем и окисление до окиси и двуокиси углерода (СО, СО₂), а также азота (CH₃)₂NNH₂+2N₂O₄__→ 2CO₂+4H₂O+3N₂+ Q 5(CH₃)₂NNH₂+16HNO₃__→ 10CO₂+28H₂O+13N₂+Q Выделяющегося в ходе этой реакции тепла Q достаточно для осуществления эндотермического процесса разложения всей азотной кислоты (до 3 т) и испарения четырехокиси азота, растворенной в кислоте 2HNO₃ - → N₂O₄+H₂O+1/2O₂ N₂O₄ 2NO₂ 2NO₂ 2NO+O₂ 2NO N₂+O₂ 2N₂+O₂ __→ 2N₂O NO₂+N₂O __→ N₂+NO₂
Следствием этого процесса в туннельном трубопроводе то, что газы нейтрализации обеспечивают дальнейший процесс в баке с АК. По достижении предельно допустимого давления в баке окислителя, определяемого его прочностью (-4-5 атм), продукты эндотермического разложения АК подают в бак с НДМГ.

Внутри бака Г происходит взаимодействие НДМГ с газообразными продуктами: О₂, NO и другими окислами, заполнившими весь объем бака. Газообразная фаза продуктов эндотермического разложения АК обеспечивает наиболее эффективное взаимодействие с НДМГ, так как обеспечивается надежный контакт со всей газожидкостной смесью остатков НДМГ. Химические процессы, происходящие в баке Г, реализуются по известной схеме.

(CH₃)₂NNH₂+4NO₂ __→ 2CO₂+4H₂O+4N₂
(CH₃)₂NNH₂+8NO __→ 2CO₂+4H₂O+6N₂
(CH₃)₂NNH₂+4O₂ __→ 2CO₂+4H₂O+N₂
(CH₃)₂NNH₂+8N₂O __→ 2CO₂+4H₂O+10N₂ То есть образуются нетоксичные соединения с выделением тепла, температура газовой смеси внутри бака не превышает 400^оС, так как идет постоянный сброс продуктов разложения в окружающую среду.

Сброс осуществляется через штатный дренажный клапан, установленный в баке Г. Дополнительно возникает возможность продуть магистрали горючего ЖРД, если не закрывать клапан высокого давления перед камерой при выключении ЖРД, что является вполне технически возможным.

Достоинствами изобретения являются
осуществимость в условиях невесомости и неопределенности положения КРТ в баках введения НДМГ в АК, а именно в туннельный трубопровод либо из магистрали высокого давления ЖРД, либо из специальной емкости с мембранной системой подачи;
при взаимодействии НДМГ и АК (когда количество НДМГ существенно меньше, т. е. в условиях эндотермического разложения) продукты реакции представляют собой наиболее благоприятную смесь для дальнейшего их использования в процессе обезвреживания НДМГ;
при подаче газовой смеси в бак с НДМГ обеспечивается эффективное взаимодействие продуктов разложения АК с НДМГ во всем объеме бака, что ускоряет процесс реакции, снижает время и уменьшает количество непрореагировавшего НДМГ;
достигается возможность продуть топливный отсек и магистраль горючего ЖРД газами нейтрализации по схеме: введение НДМГ в туннельный трубопровод с АК - газообразные продукты эндотермической реакции в бак с АК, где этот процесс идет далее и после поднятия давления до максимально возможного подают в бак с НДМГ газообразные продукты (N₂O₄, H₂O, CO₂, O₂, N₂O) для окисления НДМГ и сброс в окружающую среду продуктов взаимодействия (СО₂, H₂O, N₂).

Эффективность процесса обезвреживания обеспечивается
наличием сплошности АК при введении в него НДМГ за счет определения места ввода (туннельный трубопровод сообщающийся с баком АК);
введением в бак с НДМГ обезвреживающего компонента в виде газа, что повышает эффективность взаимодействия с КРТ;
созданием продувки обоих баков и магистрали ЖРД наиболее токсичного НДМГ.

Снижение массовых потерь достигается за счет использования КРТ для нейтрализации непосредственно из магистралей и баков ракеты, выбора температурного режима эндотермического разложения АК и газового окисления НДМГ.

Способ реализуют при помощи устройства, приведенного на чертеже.

По команде ГК предлагается не задействовать клапан закрытия магистрали горючего, для дальнейшей продувки ДУ - через бак НДМГ газами нейтрализации. Схема подачи НДМГ в магистраль с АК (АТ) может быть следующая: из емкости 1, размещенной в отсеке ДУ, после команды ГК подается НДМГ в туннельный трубопровод 2 с АК (АТ). После прохождения эндотермического разложения АК (АТ) в трубопроводе 2 и баке 3 с О газы через клапаны 4 подаются в бак 5 с НДМГ. Сброс продуктов разложения из бака 5 Г с осуществляется через штатный дренажный клапан 6 и через магистрали 7 горючего, через клапан 8 и камеру ДУ 9. Клапан 4 срабатывает при максимально допустимом давлении, определяемым прочностью бака 3 с О. Магистраль 10 служит для подачи продуктов эндотермического разложения из бака 3 с О в бак 5 с Г.

Дополнительные доработки ОЧ заключаются в разработке и установке шар-баллона с мембраной и автоматикой для подачи НДМГ, клапана 4, газовода из бака с О в бак с Г, и обеспечение невключения клапана 3 в магистрали Г по команде ГК.

Объем доработки незначителен.

Формула изобретения

СПОСОБ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ТОКСИЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ РАКЕТНОГО ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ И НЕСИММЕТРИЧНОГО ДИМЕТИЛГИДРАЗИНА В ОТДЕЛЯЮЩЕЙСЯ ЧАСТИ РАКЕТЫ, основанный на химическом окислении и газификации компонентов ракетного топлива (КРТ) в жидкостный ракетно-двигательной установке с турбонасосным агрегатом, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности обезвреживания остатков КРТ, после останова двигателя часть жидкого несимметричного диметилгидразина (НДМГ) подают в магистраль низкого давления окислителя, а газообразные продукты разложения окислителя при достижении предельно допустимого давления в баке окислителя направляют в бак с остатками НДМГ и осуществляют сброс продуктов взаимодействия в окружающее пространство.

РИСУНКИ

Рисунок 1