Система пожаро-взрывопредупреждения

     Опыт эксплуатации ракет показывает, что создание конструкций, гарантирующих полную герметичность разъемных соединений и сварных швов, практически невозможно. Даже при нормально функционирующем двигателе в пневмо-гидросистемах возможны натекания водорода, керосина РГ-1 и кислорода в отсеках ракеты. При аварийных ситуациях вероятность натекания компонентов резко увеличивается. Газообразный водород с воздухом или кислородом образует в широком диапазоне взрывоопасные смеси: с концентрацией 4-74 % (водород - воздух), 4 4 % (водород - кислород). Пары РГ-1 с воздухом и кислородом образуют взрывоопасные смеси с нижним пределом по концентрации 2,15 % и 1,83 % объема. При этом энергия инициирования взрыва с воздухом равна всего 0,019 млДж, а паров РГ-1-0,2 млДж.
     Были проведены научно-исследовательские работы по созданию идеологии, обеспечивающей пожаро-взрывобезопасность ракеты-носителя. Наряду с пассивными мерами безопасности, такими, как высокая герметичность баковых конструкций и магистральных трубопроводов, исключение застойных зон, исключение нагрева поверхностей, локализация возможных источников инициирования, введение профилактической продувки и заполнение азотом хвостовых отсеков, признано необходимым ввести в состав ракеты систему взрывобезопасности - автоматизированную систему пожаро-взрывопредупреждения, включающую в себя датчиковую аппаратуру газоанализа среды в отсеках ракеты, пожарных извещателей, реагирующих на пламя водорода и РГ-1, а также приборов, обрабатывающих показания датчиковой аппаратуры и реализующих алгоритмы управления подачи азота в отсеки ракеты при аварийной ситуации.
     Автоматизированная система пожаро-взрывопредупреждения служит для обеспечения пожаро-взрывобезопасности ракеты в полете и на этапе подготовки к пуску. Она осуществляет контроль состава газовой среды и обнаружение возгорании в отсеках, обработку информации, полученной от первичной датчиковой аппаратуры, выдачу команд на включение подачи в отсеки ракеты бортовых и наземных средств флегматизации (азота) и пожаротушения (хладона) по заданным алгоритмам работы. В состав системы пожаро-взрывопредупреждения входят газоанализаторы водорода, кислорода, РГ-1, пожарные извещатели возгорания водорода (блок Ц), РГ-1 (блок А), бортовые приборы автоматики.
     Датчиковая аппаратура создавалась в нашей стране впервые и организации-разработчики не имели технического задела. При создании датчиков концентрации водорода и кислорода разработчики столкнулись с рядом сложных проблем, которые ранее в отечественной практике газоаналитики решены не были. Приведем основные из них.
      Создание датчиков оксида и винила, обладающих высоким быстродействием в 2 - 4 с и точностью с погрешностью не более 5 %, имеющих малые габариты и вес и работающих в условиях пониженного давления (до 10 мм рт.ст.), широкого диапазона температур, ударных нагрузок до 100 единиц, вибрационных нагрузок от 1 единицы в секунду, акустического шума, электромагнитных полей.
      Создание высокостабильных вторичных преобразователей, имеющих систему коррекции динамических характеристик датчиков и систему терморегулирования.
     Для решения указанных выше задач в газоанализаторе кислорода была применена принципиально новая схема электрохимического датчика, которая обеспечила возможность создания высокочувствительного, малоинерционного и малогабаритного средства измерения с малым энергопотреблением.
     Мероприятия и средства по обеспечению пожаро-взрывобезопасности предусматривали определенный объем экспериментальных работ:
      комплексную отработку системы пожаро-взрывопредупреждения на штатном полноразмерном имитаторе хвостового отсека блока Ц с использованием натурных рабочих тел по составу и состоянию газовой среды в имитаторе;
      физическое моделирование выбросов водорода, непрореагировавшего при запуске двигателя, и выработка конструктивных и методических мероприятий по утилизации этих выбросов;
      имитацию аварийных проливов на землю и в полуограниченные пространства - имитаторы газоходов стартовых комплексов и выработка мероприятий по борьбе с такими проливами.
     Целью испытаний являлась отработка системы пожаро-взрывопредупреждения блока Ц в условиях, максимально приближенных к штатным, со следующими задачами.
      Отработка равномерной (без застойных зон) вентиляции отсека контура двигательной установки и двигательного отсека при замене в них воздуха на азот в режимах профилактической и интенсивной продувок.
      Экспериментальное определение зон возможного скопления (повышенной концентрации) паров компонентов в объеме отсека, предварительно заполненного азотом.
      Проверка вентиляции и перемешивания паров компонентов с азотом и хладоном 13В1 для аварийных случаев.
      Уточнение количества и мест размещения датчиков концентрации системы пожаро-взрывопредупреждения.
      Уточнение мест размещения датчиков возгорания (пожарных извещателей) из условия обеспечения максимальной обзорности наиболее вероятных мест возникновения пожара в отсеке.
      Экспериментальная проверка эффективности окон сброса газа из отсека при различных режимах подачи азота и хладона (для аварийных случаев), в том числе определение максимальной пропускной способности окон сброса при перепаде давления между отсеками и окружающей средой не более 0,1 атм.
      Выработка рекомендаций по уточнению принятого алгоритма работы системы пожаро-взрывопредупреждения блока Ц в части выбранных пороговых значений концентрации газа и временных интервалов срабатывания бортовых исполнительных средств.
      Проверка гидравлических характеристик распылителей при подаче хладона и бортового азота.
      Отработка режима аварийной продувки в отсеках с расходами аварийной продувки 3,0; 7,5; 15 кг/с и измерением давления в объеме отсека и под чехлами.
      Экспериментальная отработка штатных аварийных дренажных устройств с целью проверки их работоспособности и определения их влияния на параметры газовой среды в отсеках конуса двигательной установки и двигательного отсека и на конструкцию ракеты.
      Оценка состава газовой среды и ее газодинамического состояния.
      Корректировка параметров подачи рабочих компонентов системы дожигания.
      Отработка циклограммы работы системы дожигания в модельных условиях с целью проверки и подтверждения принятых времен подачи рабочих компонентов, обеспечивающих взрывобезопасность воспламенения.
      Исследование условий сгорания водородо-воздушных смесей с учетом обеспечения пожаро-взрывобезопасности.
     Аналитический обзор показал, что на то время не существовало надежных методик моделирования вентиляционных процессов объектов сложной конфигурации и не было научно-методических основ создания активных средств пожаро-взрывобезопасности, поэтому оставался единственный метод - метод полного воспроизведения натурных условий, определяющих процесс газораспределения. Определяющими факторами при этом являлись: внутренняя геометрия исследуемых объектов ракеты, полное конструктивное их выполнение и выдержка полностью режимов продувки отсеков. Особо важно было сохранить точки контроля концентрации кислорода, водорода, пожарных извещателей, штатную газоаналитическую аппаратуру со штатными исполнительными средствами системы пожаро-взрывопредупреждения, со штатными бортовыми и наземными приборами автоматики.
     Объект испытаний представлял собой имитацию замкнутого объема хвостового отсека с одним двигательным отсеком блока Ц.
     Наиболее достоверные данные, отражающие реальные процессы, для оценки правильности принятых технических решений по обеспечению нейтрализации выбросов непрореагировавшего водорода получены на полномасштабной ракете. Кроме того, была принята методика проведения экспериментальных работ в полном объеме на макетах с последующей проверкой полученных результатов на контрольных экспериментах в натурных условиях.
     Анализ условий моделирования процессов течения потоков при выбросах непрореагировавшего водорода определил необходимость выполнения следующих требований:
     - конструкция модели должна быть геометрически подобна натурной;
     - физико-технические параметры истекающих из сопел двигателей струй газов и окружающей среды должны соответствовать натурным;
     - должно выполняться газодинамическое подобие в натурных и модельных условиях.
     Так как на универсальном комплексе (стенд-старте) имеет место струйное течение воды для охлаждения лотка и азота для продувки отсеков, то при моделировании этих условий необходимо выполнять следующие требования: подобие геометрического расположения и направления осей струй натурным характеристикам; уменьшение, в соответствии с масштабом натурного соотношения, расходов выбросов непрореагировавшего водорода и данного компонента (воды и азота); сохранение начальных скоростей струй, соответствующее масштабу моделирования уменьшение дальнобойности струй по сравнению с натурным.
     Моделирование процессов горения сопряжено с трудностью, вызываемой противоречивостью требований, предъявляемых к масштабному фактору. Так, если при постоянной скорости газа одновременно выдерживать и геометрическое подобие, то время пребывания уменьшится пропорционально масштабу. То есть добиться полного подобия модели и прототипа обычно при моделировании невозможно. Эту трудность удалось преодолеть за счет применения так называемой частичной модели - когда модели служат только для воспроизведения какого-либо явления, наблюдаемого в прототипе. Был разработан объект испытаний для исследования эффективности разрабатываемых мероприятий по безопасности работ при наличии выбросов непрореагировавшего водорода при запуске двигателей на стартовом комплексе.
     Объект испытаний состоял из выполненных в масштабе 1:10 упрощенных моделей стартового пускового устройства, блока Я, хвостовой части и имитатора блока А. Объект испытаний устанавливался на модели газовода, выполненной также в масштабе 1:10, был сменным, так как на втором этапе работ использовалась модель газовода старта. Модель представляла собой сварную конструкцию с плоскими стенками и тремя сквозными вертикальными проемами, которая устанавливалась на газоводе. Сверху крепилась модель блока Я. Модель хвостовой части состояла из элементов блоков А, модельных сопел двигателей, имитатора днища и дренажных устройств, имитирующих продувки азотом хвостового отсека ракеты. Модельные сопла изготовлены с профилем, геометрически подобным натурному (в масштабе 1:10), и укреплены на плите, имитирующей днище конуса двигательной установки, которая установлена на двух опорах на блоке Я. Имитаторы дренажных устройств продувок хвостового отсека размещались на днищах элементов блоков А и на плите крепления сопел. Соблюдалось подобие по расположению и направлению струй азотных продувок. К дренажным устройствам и патрубку аварийной подачи топлива азот поступал от единой системы подачи. Распределение расходов между ними производилось за счет установления на входе дроссельных шайб. Модельная система дожигания выбросов непрореагировавшего водорода монтировалась в зазоре между пусковым устройством и блоком Я.
     При эксплуатации ракеты возможны нештатные ситуации, в результате которых происходит пролив криогенных компонентов топлива в стартовое сооружение, что может привести к авариям из-за воспламенения образующейся смеси из проливаемых продуктов. Точная количественная оценка размеров таких проливов весьма затруднена, но приведенный по проектной документации предварительный анализ показывает, что возможны ситуации, в результате которых за короткое время в стартовое сооружение может произойти совместный или раздельный пролив до 285 кг жидкого водорода и до 1500 кг жидкого кислорода. Такой пролив может привести к образованию легко детонирующей гетерогенной взрывчатой смеси "отвержденный кислород - жидкий водород" или накоплению в объеме сооружения облака больших размеров взрывоопасной смеси испарившихся криокомпонентов. При детонации конденсированной фазы, а также сгорания образовавшейся взрывоопасной смеси паров компонентов могут возникать ударные нагрузки, значительно превышающие допустимые. Поэтому при таких проливах существует реальная опасность дальнейшего развития аварии, что может привести к разрушению ракеты с катастрофическими последствиями и к необходимости дополнительных специальных мероприятий по предотвращению подобных аварий или снижению разрушительных последствий, если авария произошла.
     Это было практически первый в нашей стране опыт работ с такими большими количествами жидкого водорода и отсутствовали надежные отечественные статистические данные, прототипы, аналоги, методические приемы обеспечения пожаро-взрывобезопасности при эксплуатации подобных систем. До сих пор практически не имеется достаточно апробированных теоретических разработок, позволяющих прогнозировать последствия таких аварийных ситуаций, особенно в условиях проливов криогенных компонентов в частично ограниченное пространство, каковым и являются стендовые и стартовые сооружения.
     Проведенные исследования процессов образования и сгорания взрывоопасных смесей при проливах базировались в основном на экспериментах с малыми расходами и малыми количествами жидких продуктов. При этом авторы предупреждали о невозможности экстраполяции результатов и считали, что необходимо проведение крупномасштабных экспериментов. Аналогичным образом имеющиеся в литературе рекомендации по снижению взрывоопасности делались на основании исследований, проведенных на малоразмерных облаках пожаро-взрывоопасной смеси и предусматривали, как правило, ее полную флегматизацию.
     Для исследования условий аварийных проливов криокомпонентов и возможных путей снижения их последствий требовалось проведение широкого круга работ на макете газовода по исследованию образования и рассеивания облаков взрывоопасных паров при проливах жидкого водорода, условий предотвращения образования взрывчатой смеси компонентов, изучения влияния ограничения пространства стенками макета старта на интенсивность аварийных взрывов и условий снижения последствий аварии за счет использования флегматизаторов.
     При создании экспериментальной установки была разработана модель аварии, связанная с проливом жидкого водорода, которая содержала следующие предпосылки:
     - в результате разрушающего воздействия нарушается целостность системы жидкого водорода;
     - происходит пролив водорода, испарение и смешение его паров с воздухом и образование пожаро-взрывоопасного облака;
     - происходит воспламенение и взрывное сгорание неоднородной воздушно-водородной смеси, образование волн сжатия;
     - взрывные волны оказывают воздействие на ракету и, если их величина достаточно велика, это может привести к дальнейшему разрушению систем.
     Необходимо было учитывать, что на процесс сгорания воздушно-водородной смеси в сооружении и на увеличение интенсивности волн сжатия будет оказывать влияние наличие препятствий на пути распространения пламени, загромождения объема, а также ограничение пространства воздушно-водородной смеси стенками газовода.
     На основании работ, проведенных на экспериментальной базе, получены следующие результаты. Коллектор профилактической продувки обеспечивает в отсеке конуса двигательной установки полное замещение воздуха на азот за 11 мин. при расходе азота 0,6 кг/с и за 7 мин. - при расходе 1,2 кг/с. Коллектор аварийной продувки конуса двигательной установки обеспечивает продувку отсека за 5 мин. при расходе азота 15 кг/с и за 3 мин. - при расходе 21 кг/с.
     Первые продувки по вентиляции двигательного отсека выявили неудовлетворительную организацию азотной продувки в отсеке по расположению и диаметрам отверстий в коллекторах профилактической и аварийной продувок. После доработок коллектора профилактической продувки в двигательный отсек отдув отсека происходит за 5 мин. при расходе азота 0,6 кг/с и за 3 мин. - при расходе 1,2 кг/с. Оценена эффективность различных вариантов доработки коллектора аварийной продувки в двигательном отсеке, был выбран коллектор, обеспечивающий минимальное время продувки отсека за 45 с при начальном расходе азота 7,5 кг/с.
     Уточнены экспериментальные данные по максимальному забросу давления в отсеках конуса двигательной установки и двигательном отсеке при аварийной продувке. По результатам проведенных замеров установлено, что величина избыточного давления не превышает величины 0,25 атм.
     При натекании в отсек водорода с расходом 3 г/с штатная комбинация газоанализаторов обеспечивает обнаружение не менее 6 газоанализаторов из 8 в конусе двигательной установки и не менее 1 из 3 - в двигательном отсеке. При натекании кислорода с расходом 80 г/с обнаружение составляет не менее, чем 2 газоанализатора из 8 в конусе двигательной установки и не менее, чем одного - при натекании кислорода с расходом 60 г/с в двигательном отсеке. Выявлено, что для двигательного отсека и конуса двигательной установки аварийные продувки с расходом до 15 кг/с не создают акустических помех в работе газоанализаторов, расположенных на штатных местах.
     Показано, что при струйном натекании в отсек кислорода и водорода проявляется значительная неравномерность концентрационных полей, которая определяется, в основном, геометрией отсека и соотношением расходов натекающего компонента и газа продувки. Подтверждено наличие застойной зоны в районе третьей плоскости, что вызвало доработку коллектора профилактической продувки. Выявлена оптимальная комбинация точек контроля в конусе двигательной установки при натекании водорода до 2,3 г/с. Разработан и опробован метод поиска натеканий по данным газового анализа.
     Экспериментально установлено, что штатная аппаратура газового анализа обеспечивает обнаружение опасных концентраций водорода и кислорода, т.е. отклонение в показателях не превышает основной погрешности.
     Принятый алгоритм работы обеспечивает управление продувками при натекании водорода в отсек конуса двигательной установки до 36 г/с, исключающее заброс концентрации выше предельно допустимой при задержке срабатывания исполнительных средств не более 5 с, в двигательном отсеке - не более 1 с. При натекании кислорода с расходом до 480 г не наблюдается забросов концентрации выше допустимого уровня - 5 %, в двигательном отсеке при задержке 5 с кратковременный заброс составляет 7 %.
     Любая из штатных точек контроля в отсеке конуса двигательной установки при установке в них пожарного извещателя обеспечивает 100 %-е обнаружение возгорания водорода при длине факела пламени более 1 метра - укорочение пламени до 0,5 метра снижает вероятность обнаружения. Пламя длиной менее 0,5 м (верхнее и нижнее положения) в районе третьей плоскости не обнаруживается ни в одной точке контроля, что повлекло за собой модернизацию пожарных извещателей.
     Средства подачи хладона обеспечивают полную флегматизацию натеканий кислорода с расходом не менее 1 килограмм в отсек конуса двигательной установки при средней концентрации водорода в отсеках 20 % за время не более 2 секунды с момента подачи хладона в коллектор.
     Сброс азота из хвостового отсека, блоков А и дренажей магистрали агрегата гидропитания и турбогенераторной системы, выбросы гелия из сопел двигателей, имеющие место до начала выбросов непрореагировавшего водорода, не приводили к существенной баллистировке воздушной среды в объеме стендового пускового устройства и газовода модели старта. Концентрация кислорода не опускалась ниже 15 %, что обеспечивало нормальное горение зажигательного устройства.
     При штатном включении системы дожигания выбросов непрореагировавшего водорода обеспечивается надежное, без возникновения ударно-волнового воздействия, воспламенение и горение выбросов водорода. На режиме останова двигателей имел место охват пламенем ракеты до верхней части конуса двигательной установки вследствие отсутствия эжекции на данном режиме. Указанный эффект уменьшался при увеличении расхода продувки двигателя азотом и полностью исчезал при расходе азота, соответствующем 4 кг/с на двигатель, отсутствие охвата не наблюдалось и при включении воды, имитирующей охлаждение лотка старта. Показано, что снижение содержания кислорода в объеме стендового пускового устройства до 3-5 % предварительным заазочиванием, уменьшение количества зажигательных устройств до одного и уменьшение длины факела не привело для модели 1:10 к ухудшению характеристик воспламенения и догорания выбросов непрореагировавшего водорода при штатной циклограмме работы системы дозаправки.
     Включение системы дожигания выбросов непрореагировавшего водорода через 2 с после начала выброса водорода с модельным расходом, соответствующим 7 кг/с натурного расхода на один двигатель, привело к взрывному возгоранию водородно-воздушной смеси в стендовом пусковом устройстве с образованием (даже для крупномасштабной модели) избыточного давления на днище конуса двигательной установки 0,021 атм., и на стенках стендового пускового устройства - до 0,031 атм. При подаче воды давление понижалось до 0,01 МПа.
     Температура факелов системы дожигания выбросов непрореагировавшего водорода снижалась при подаче воды в стендовое пусковое устройство. При этом на всех режимах выбросов непрореагировавшего водорода предварительное включение системы дожигания или штатное включение системы обеспечивало безударное воспламенение выбросов. Характер воспламенения не изменился даже при уменьшении количества зажигательного устройства до четырех и одного.
     Испытания подтвердили надежность и эффективность выбранного метода нейтрализации заданных по циклограмме выбросов водорода и обоснованность разработанной структуры и схемы системы дожигания выбросов непрореагировавшего водорода. Показано, что ограничение пространства стенками оказывает заметное влияние на избыточное давление в образующейся при горении водородно-воздушных смесей волне сжатия, воздействующей на ракету. Показано, что в случае воспламенения с некоторой задержкой после начала пролива жидкого водорода, когда водород успевает достаточно хорошо перемешаться с воздухом, а облако водородно-воздушной смеси - достичь значительных размеров, сгорание смеси происходит чрезвычайно энергично и проникающее избыточное давление может существенно превышать допустимое значение. Показано, что в случае инициирования до момента начала пролива сгорание смеси происходит в спокойном режиме без образования волн сжатия с заметной амплитудой. Доказано, что для обеспечения надежного воспламенения образующейся при проливе неоднородной низкотемпературной воздушно-водородной смеси необходимо использование источника инициирования достаточной интенсивности (факела водородно-воздушных горелок), в частности системы дожигания выбросов непрореагировавшего водорода.
     Созданная бортовая система пожаро-взрывопредупреждения с ее сетью газоанализаторов, пожарных оповещателей, аппаратурным составом бортовой автоматики и средствами профилактики с запасами фреона имеет достаточно большую массу. При производной по массе порядка 0.95, это - практически прямая потеря массы полезного груза.
     Дальнейшее совершенствование системы требует более широкого и глубокого исследования. Существует ряд направлений. Все они подчинены желанию достичь малой конструктивной массы системы. Например, снять эту систему с борта и разместить ее на стартовом сооружении, при этом отбор газовой среды из контролируемых полостей производить через сеть капиллярных легких трубопроводов дистанционно. Аналогично располагать и средства подавления аварийной ситуации. В предстартовый момент заполнять опасные полости флегматизирующим составом или нейтральным газом с земли.
     Существует направление, которое связано просто с организацией аэрации контролируемых отсеков, тонные естественной вентиляцией всех застойных зон и отсеков полностью, однако существует оценка, что в этом случае процесс контроля за реальной средой в отсеке будет весьма затруднен. Будет создана, по сути, ситуация, трудно поддающаяся расчету. Но надо исследовать. Эту систему можно сделать более простой и надежной.
     В ракетной технике было достаточно много случаев, когда компоненты топлива подбирались на борту и токсичные, и взрывоопасные, и легко воспламеняющиеся, но всегда в процессе разработки и эксплуатации вырабатывались меры и системы, которые приводили эти компоненты в разряд деловых. Так будет с водородом. Водород не может быть в технике драконом - это очень перспективное горючее для всех видов транспорта.

Далее...