В статье приведена методика оценки экологичности продуктов сгорания твердого топлива при проведении стендовых испытаний по результатам термодинамического расчёта.

Ключевые слова: твердое топливо, продукты сгорания, опасные соединения.

Продукты сгорания (ПС) ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) содержат значительное количество вредных веществ, таких как окись углерода, пары HCl, соединения свинца и некоторые другие. При огневых стендовых испытаниях и уничтожении отслуживших двигателей методом выжигания топливного заряда эти вещества выбрасываются в атмосферу. Некоторые из содержащихся в ПС РДТТ веществ находят применение в народном хозяйстве. Однако большинство существующих стендов для огневых испытаний не оборудовано устройствами для нейтрализации и улавливания вредных веществ [2].

В данной работе анализируется состав продуктов сгорания двух смесевых твердых ракетных топлив (СТРТ) в камере сгорания (КС) модельного РДТТ на предмет содержания вредных для окружающей среды и, в частности для человека веществ.

Моделирование состава ПС проводилось с помощью специализированного программного комплекса TERRA [3]. В качестве общих для обоих составов параметров расчёта задавались следующие параметры РДТТ:

– давление в КС ;

– давление на срезе сопла ;

– расширение ПС в тракте сопла принималось адиабатическим и равновесным.

Термодинамический расчёт проводился для топлив TP-H-3062 и ARCIT-373D, имеющих следующие составы [1]:

1. Топливо TP-H-3062:

– Состав в процентах:

• Перхлорат аммония — 72 %
• Полиуретан — 12 %
• Порошкообразный алюминий — 16 %

– Условная химическая формула: C6.148H36.049O26.532N6.284Cl6.133Al5.94

– Полная энтальпия

– Плотность топлива:

2. Топливо ARCIT-373D:

– Состав в процентах:

• Перхлорат аммония — 58.9 %
• Поливинилхлорид — 8.62 %
• Ди-(2-этилгексил)-адипинат — 10.79 %
• Добавки — 0.69 %
• Порошкообразный алюминий — 21 %

– Условная химическая формула: C9.574H97.389O21.189N5.039Cl6.468Al7.734

– Полная энтальпия

– Плотность топлива

В работе был проведён анализ полученных составов продуктов сгорания, и были выделены наиболее вредные для окружающей среды вещества. Далее подробно рассмотрим содержание каждого из них в ПС этих топлив, и в чём заключается опасность каждого вещества.

Соляная кислота — раствор хлороводорода в воде, сильная одноосновная кислота. Бесцветная, прозрачная, «дымящаяся” на воздухе. Очень опасны пары хлороводорода, образующиеся при взаимодействии с воздухом. Они раздражают слизистые оболочки и дыхательные пути.

Соляная кислота содержится в продуктах сгорания обоих топлив, но в ПС топлива ARCIT-373D содержится 23 % по массе HCl против 21.8 % в ПС топлива TP-H-3062. Это говорит о том, что топливо ARCIT-373D несколько опаснее, как для экологии окружающей среды, так и для человека.

Диоксид азота NO₂ — бинарное неорганическое соединение азота с кислородом. Представляет собой ядовитый газ, красно-бурого цвета, с резким неприятным запахом, или желтоватая жидкость.

В ПС топлива TP-H-3062 содержится значительно большая концентрация NO₂ ( против %, то есть больше на 8 порядков).

Оксид азота NO в нормальных условиях представляет собой бесцветный газ, плохо растворимый в воде. Он не имеет запаха, но при вдыхании может связываться с гемоглобином, подобно угарному газу переводя его в форму, не способную переносить кислород.

Содержание в ПС топлив: % — TP-H-3062 и

% — ARCIT-373D.

Монооксид углерода CO (угарный газ, окись углерода, оксид углерода — бесцветный чрезвычайно токсичный газ без вкуса и запаха, легче воздуха (при нормальных условиях).

Угарный газ выделяется при горении углерода и очень опасен для человека. Содержание в ПС топлив: 12.8 % — TP-H-3062 и

26.7 % — ARCIT-373D. С точки зрения содержания этого соединения топливо ARCIT-373D гораздо опаснее.

Синильная кислота HCN — это легкая летучая жидкость с характерным запахом горького миндаля. Она является весьма сильным ядом: в количестве 0,05 грамма она уже вызывает у человека смертельное отравление.

Содержание в ПС топлив: % — TP-H-3062 и % — для топлива ARCIT-373D.

Синильная кислота является наиболее вредным веществом в продуктах сгорания твердого топлива. Ее концентрация на два порядка выше в топливе ARCIT-373D.

Азотная кислота HNO₃ по степени воздействия на организм относится к веществам 3-го класса опасности. Её пары очень вредны: пары вызывают раздражение дыхательных путей, а сама кислота оставляет на коже долгозаживающие язвы. При действии на кожу возникает характерное жёлтое окрашивание кожи, обусловленное ксантопротеиновой реакцией. При нагреве или под действием света кислота разлагается с образованием высокотоксичного диоксида азота NO₂ (газа бурого цвета).

Содержание в ПС топлив: % — TP-H-3062 и % — для топлива ARCIT-373D. Содержание этого вещества в ПС этих топлив крайне мало.

Подведём итоги сравнительного анализа состава продуктов сгорания этих топлив. Концентрация оксидов азота в ПС топлива TP-H-3062 выше, чем в ARCIT-373D, но в свою очередь концентрация угарного газа, соляной, синильной и азотной кислот значительно выше в ПС ARCIT-373D, что позволяет сделать вывод о том, что это топливо наиболее опасно из двух рассмотренных. Также удельный пустотный импульс этого топлива ниже (2808 м/с < 2895 м/с), что при прочих равных позволяет сделать выбор в пользу топлива TP-H-3062. Использование этого топлива упростит проведение испытаний и отработки РДТТ.

Литература:

1. Соколов Б. И., Черенков А. С., Соломыков А. И. Термодинамические и теплофизические свойства твердых ракетных топлив и их продуктов сгорания //Мин-во обороны СССР. — 1977. — 377 c.
2. Соколовский М. И., Вайсман Я. И. Технические и экологические аспекты ликвидации твердотопливных межконтинентальных баллистических ракет. — Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. — 635 с.
3. Трусов Б. Г., Белов Г. В. Термодинамическое моделирование химически реагирующих систем //М.: МГТУ имени НЭ Баумана. — 2013. — Т. 96.