FIRE AND EXPLOSION SAFETY IMPROVEMENT DURING THE LAUNCH VEHICLE WORKED-OFF STAGES WITH LIQUID PROPULSION ENGINE OPERATION

The parts separating in flight, in particular worked-off stages with unused liquid propellant residues components in tanks is one of the major problems related to launch vehicles (LV) with liquid-propellant engines launches. This problem results in: a) the necessity of economic entities territories vast areas providing for the cosmodrome on a permanent or temporary basis, these areas being exposed to fire impact in case of the stage falling and explosion that in taiga impact areas results in problems arising when addressing a number of political, social, economic, organizational and technical issues (nowadays 19 millions hectares territory is allocated for impact areas in Russia, in 2015 Russia realized 29 LV launches with 86 worldwide); b) potential risk for the functioning space systems because of the existence of the LV upper stages with unused propellant residues that remains in the insertion orbits and represent bulk explosive space debris (nowadays 1682 spent upper stages with a total weight of 2705 tons are orbiting the Earth, including 821 stages with a mass of 1189 tons are orbiting at an altitude up to 2000 km). The above issues lead to the necessity of carrying out of the high-volume set of studies and design and construction works implemented by the engineers of LV aimed at the stages fire and explosion safety improvement in relevant areas of the environment. This complex of works includes works on propellant expenditure in tanks management algorithm developing, introducing separate propellant filling in tanks for each LV launch, works on propellant residues quantity in stages tanks reduction at the time of engine cutoff, the impact areas quantity and territories reducing, etc. If there is an intensive launch program of advanced LV of "Angara", "Soyuz" families from Vostochny cosmodrome, the fire and explosion safety issues become more relevant in comparison with the similar problems arising on LV launches from Baikonur cosmodrome. This difference results from the fact that the impact areas of Baikonur cosmodrome are mostly situated in desert and steppe regions, while the impact areas of Vostochny cosmodrome are mostly situated in taiga forest regions with the high fire hazard. In addition, there is a requirement-strengthening tendency of international organizations to reduce pollution of near-Earth space environment protected areas based on the results of aerospace activities. The proposed approach presupposes the abandoning a traditional approach to fire and explosion risk addressing. To solve the referred task, the technology of liquid propellant residues in stage tanks and feed lines almost total extraction is proposed on the basis of these residues convective gasification that practically solves the problem of fire and explosion safety, moreover, the obtained energy resources are targeted to improve launch vehicles performance characteristics including: a) the increase of launched payload mass, b) the range of placing orbits widening, c) LV launch cost decreasing by means of amount of after launch work in the impact areas reduction (search, scrapping, storage, remove to stages fragments disposal places, work for soil neutralization, returning the territory to its original state). The suggested technical solution for LV stages fire and explosion safety ensuring is realized by the installation of the active onboard de-orbiting system of the worked-off stages providing extra propellant reserves for getting by heat carriers (up to 15 % from the propellant residues in tanks mass), this system structure elements (up to 5 % from the mass of "dry" stage structure), the additional autonomous control system over the lower stage.

пожаровзывобезопасность, ракета-носитель, отработавшая ступень, остатки топлива, газификация, район падения, fire and explosion safety, launch vehicle, worked-out stages, propellant residues, gasification, fall areas

1. Руководство по организации безопасной эксплуатации космических средств российского космического агентства (РОБЭКС-99). - М. : РКА, 1999. - 195 с.

2. Экологические проблемы и риски воздействий ракетно-космической те ники на окружающую природную среду : справ. пособие / Под общ. ред. В. В. Адушкина, С. И. Козлова, А. В. Петрова. - М. : Анкил, 2000. - 640 с.

3. Кондратьев А. Д., Кречетов П. П., Королева Т. В. Обеспечение экологической безопасности при эксплуатации районов падения отделяющихся частей ракет-носителей. - М.: Пеликан, 2007. - 80 с.

4. Шатров Я. Т. Обеспечение экологической безопасности ракетно-космической деятельности : учеб.-метод. пособие. Ч. 2: Экономические и производственные аспекты. Экологический мониторинг. Методические под оды, методики и результаты оценок экологической безопасности средств выведения. - Королев : ЦНИИМаш, 2010. - 222 с.

5. Руссо М. Космическая экология. URL: http://polit.ru/article/2014/07/11/sk_space_debris (дата обращения: 14.02.2016).

6. Anselmo L., Pardini C. Ranking upper stages in low Earth orbit for active removal // ActaAstronautica. - 2016.-Vol. 122. -P. 19-27. DOI: 10.1016/j.actaastro.2016.01.019.

7. СердюкВ. К. Проектирование средств выведения космических аппаратов : учеб. пособие / Под ред. А. А. Медведева. - М. : Машиностроение, 2009. - 504 с.

8. Бахвалов Ю. О., Абросимов Ю. В., Азаров А. В. и др. Новые подходы к вопросам проектирования и экспериментальной отработки космической те ники // Научно-те нические разработки КБ "Салют" 2012-2013 гг. / Под общ. ред. Ю. О. Бахвалова. - М. : Машиностроение, 2014. - Вып. 4. - С. 4-6.

9. Куренков В. И. Основы проектирования ракет-носителей. Выбор основных проектных характеристик и формирование конструктивного облика : учеб. пособие / Под ред. А. Н. Кирилина. - Самара : Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2011. - 458 с.

10. Website of SpaceX. URL: www.spacex.com (дата обращения: 13.02.2016).

11. Чернокульский А. В., Мохов И. И., Школьник И. М. Риск пожароопасности в различных регионах России и его возможные изменения в XXI веке по модельным расчетам. URL: http://www.my-shared.ru/slide/361923 (дата обращения: 17.02.2016).

12. Космодром "Восточный" на карте, планы космодрома. URL: http://vostokdrom.ru/map (дата обращения: 17.02.2016).

13. Кац А. Л., Гусев В. Л., Шабунина Т. А. Методические указания по прогнозированию пожарной опасности в лесах по условиям погоды. - М. : Гидрометеоиздат, 1975. - 16 с.

14. Шерстюков Б. Г. Оценки потенциальной горимости лесов в России по месячным метеорологическим данным. URL: http://downloads.igce.ru/publications/pemem/PEMEM25/14_Sherstyu-kov_B_G.pdf (дата обращения: 14.02.2016).

15. Суйменбаев Б. Т. Экологическая безопасность эксплуатации ракетно-космических комплексов. - Алматы : Гига трейд, 2009. - 240 с.

16. Разработка структуры и подготовка исходных данных для базы данных СЭМК в соответствии с требованиями уполномоченных органов РК и РФ : отчет о НИР / НТЦ "Экон-ЦНИИМаш". - М., 2005.

17. Update of the IADC space debris mitigation guidelines. IADC-11-02. Beijing, May 2014.

18. Гайкович А. И. Основы теории проектирования сложных технических систем. - СПб. : НИЦ МОРИНТЕХ, 2001. - 432 с.

19. Диксон Дж. Проектирование систем: изобретательство, анализ и принятие решений / Пер. с англ. - М. :Мир, 1969.-440 с.

20. Patera R. P. et al. Controlled deorbit of the Delta IV upper stage for the DMSP-17 mission // Proceedings of the 2nd IAASS Conference "Space Safety in a Global World", 14-16 May 2007. - USA, Chicago, 2007.

21. Ariane-5. Data relating to Fight VA205 by Hugues Lanteri. Kourou, March 2012. URL: http://space-airbusds.com/media/document/flight-va205_atv3.pdf (дата обращения: 15.02.2016).

22. Takase K. et al. Successful demonstration for upper stage controlled re-entry experiment by H-IIB launch vehicle // Mitsubishi Heavy Industries Technical Review. - 2011. - Vol. 48, No. 4. - P. 11-16.

23. Шатров Я. Т., Баранов Д. А., ТрушляковВ. И., КуденцовВ. Ю. Определение направлений разработки методов, технических решений и средств снижения техногенного воздействия на окружающую среду для реализации на борту космических средств выведения // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С. П. Королева (национального исследовательского университета). - 2011. - № 1(25). - С. 38-48.

24. Трушляков В. И., Лемперт Д. Б., Белькова М. Е. Исследование возможности использования газогенерирующих составов для повышения эффективности жидкостных ракет // Физика горения и взрыва. - 2015. - Т. 51, № 3. - С. 48-54. DOI: 10.15372/FGV20150307.

25. Makarov Yu., Shatrov Ya., Baranov D., Trushlyakov V. Self-contained onboard LV stage disposal system based on energy resources unexpended after space craft orbital insertion // Proceedings of the 65th International Astronautical Congress, 29 September - 3 Ortober 2014. - Canada, Toronto, 2014. - IAC-14.A6.P.28.

26. Пат. 2456217 С2 Российская Федерация. МПКB64G 1/40, B64G 1/24. Способ управления ракетами космического назначения / Трушляков В. И., Куденцов В. Ю., Шатров Я. Т. -№ 2010113169/11; заявл. 05.04.2010; опубл. 20.07.2012, Бюл. № 20.

27. Лемперт Д. Б., Трушляков В. И., Зарко В. Е. Оценка массы пиротехнической смеси для сжигания головного обтекателя космической ракеты // Физика горения и взрыва.-2015.-Т. 51, № 5.- С. 121-125. DOI: 10.15372/FGV20150514.

28. Добровольский М. В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования : учеб. для вузов / Под ред. Д. А. Ягодникова. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. - 488 с.