8.5 О ликвидации зарядов рдтт после завершения срока службы ракеты
Конструктор РДТТ при разработке должен предусматривать рекомендуемые способы его утилизации (ликвидации) после истечения назначенного срока службы ракеты [30].
Эти вопросы не обсуждались при создании вышерассмотренных БРПЛ.
Время не стоит на месте, и наступила необходимость ликвидации БРПЛ РСМ-52, а следовательно, и зарядов твёрдого топлива [12]. Сама по себе ликвидация такого высококонцентрированного источника тепловой энергии, как крупногабаритный заряд РДТТ, является сложной научно-технической задачей.
Вместе с тем разработчикам предоставляется редкая возможность в процессе работ по ликвидации оценить и осмыслить состояние зарядов, представляющих собой конструкцию из полимерной композиции, свыше 20 лет находившейся под воздействием различных нагрузок.
В 2000 году ГРЦ «КБ им. академика В.П. Макеева» в кооперации с ПО «ЗМЗ» и ФНПЦ «АЛТАЙ» по контракту, заключенному с «Агентством по уменьшению угрозы» Министерства обороны США, начал работы по ликвидации твёрдотопливных баллистических ракет РСМ-52.
В ПО «ЗМЗ» осуществляется разборка ракеты на ступени, расснаряжение твёрдотопливных вспомогательных двигателей, а ФНПЦ «АЛТАЙ» проводит сжигание всех твёрдотопливных зарядов. Заряды маршевых двигателей I, II, III ступеней сжигаются без соплового блока с истечением продуктов горения через фланец заднего днища корпуса. Всего по состоянию на конец 2009 года ликвидировано более 160 маршевых двигателей.
В процессе проведения этих работ создана и внедрена технология сжиганий как единого научно-производственного процесса, включающего в себя системы: технологической подготовки, организации и проведения сжиганий; эксплуатационной и экологической безопасности; управления качеством.
Эта технология сжиганий РДТТ без соплового блока позволяет минимизировать факторы риска и гарантировать качество и безопасность работ. Сжигание маршевых РДТТ БРПЛ РСМ-52 без сопла проводится на открытом стенде ФНПЦ «АЛТАЙ» (рисунки 8.1, 8.2).
Экологическая безопасность стенда обеспечивается за счёт использования системы водного орошения струи продуктов сгорания и осаждения вредных компонентов (хлористый водород HCl и оксид алюминия Al2O3) в рабочей зоне стенда, а также вторичной нейтрализации полученных технологических стоков.
Орошение продуктов сгорания в темпе испытания (рисунок 8.3) проводится с помощью ряда кольцевых коллекторов, расположенных вдоль струи продуктов сгорания. Стоки отводятся в накопительный бассейн и нейтрализуются с помощью гашеной извести. Полученная при этом технически чистая вода возвращается в систему стенда, а твёрдая фаза, содержащая оксид алюминия, идет на дальнейшую переработку.
Оценки, проведенные Институтом водных и экологических проблем СО РАН, показали, что при соблюдении технологии сжигания РДТТ и экологически благоприятных метеоусловиях риск для населения г. Бийска и экосистем оценивается как весьма низкий.
Система эксплуатационной безопасности предусматривает в процессе подготовки каждого сжигания проведение анализа факторов риска с целью исключения возможности возникновения аварийных ситуаций при проведении работ. Топлива, используемые в зарядах маршевых двигателей БРПЛ РСМ-52, являются недетонационноспособными в аварийных ситуациях, связанных с нерасчётным ростом внутрикамерного давления. Но взрывной эффект простого разрушения корпуса как сосуда высокого давления может быть значительным. Расчётные оценки показывают, что тротиловый эквивалент разрушения работающего РДТТ может достигнуть несколько десятков килограмм тринитротолуола даже без учета опасности инициирования (при разрушении заряда) термических превращений топлива типа объёмного горения. Такой эффект может привести к серьезным повреждениям стапельной оснастки и стенда в целом. Поэтому задача предварительной оценки работоспособности заряда перед его сжиганием является практически очень значимой. Первая отечественная БРПЛ РСМ-52 на твёрдом топливе безотказно прослужила приблизительно 20 лет. При этом первоначально установленные гарантийные сроки (ГС) по зарядам твёрдого топлива были превышены почти вдвое. Поэтому реальное техническое состояние твёрдотопливных зарядов перед их ликвидацией представляет значительный практический интерес.
Опыт эксплуатации зарядов твёрдого топлива за пределами ГС ограничен, заряды первых твёрдотопливных ракет сухопутного (РТ-2, РТ-2П) и опытной твёрдотопливной морской ракеты морского базирования (РСМ-45) были ликвидированы методом огневых стендовых испытаний РДТТ без проведения детальной оценки их технического состояния. Вместе с тем чрезвычайно важен набор статистического материала по зарядам, прошедшим длительную эксплуатацию как для организации их безопасного и безаварийного сжигания, так и для учета этих данных в новых разработках.
Заряды РДТТ относятся к неконтролируемым в процессе эксплуатации элементам ракетных комплексов, а результаты выборочных летных и стендовых испытаний, проводимых по программам подтверждения или продления сроков эксплуатации, лишь подтверждают их работоспособность на момент проведения испытаний, не давая информации для прогнозных оценок изменения свойств топлив и материалов в процессе длительной эксплуатации.
При разработке РДТТ поведение заряда на период ГС прогнозируется на базе критериев и гипотез, постулирующих на длительное время те или иные закономерности поведения как твёрдого топлива, так и изготавливаемых на его основе зарядов. Как правило, исходные данные для такого прогноза получены в условиях форсированных режимов нагружения и ограниченного времени испытаний. Объективность таких прогнозов на этапе опытно-конструкторских работ проверить не удается. В связи с чем для прогнозирования длительных физических процессов (миграционных, диффузионных, релаксационных, микроструктурных) при отработке новых поколений РДТТ и установлении продленных сроков для уже действующих, становится характерным использование тех же методических проработок, что и при создании первых поколений РДТТ.
Ошибки прогнозирования могут приводить к занижению или завышению сроков эксплуатации, а в ряде случаев и к отказам РДТТ при эксплуатации.
Проведение ряда работ на снятых с эксплуатации РДТТ позволяет уточнить методологию прогнозирования новых сроков эксплуатации и обеспечить преемственность принципов конструирования новых поколений РДТТ по всем целевым функциям отработки:
расходно-энергетическим параметрам;
прочности и механической надёжности;
эксплуатационной безопасности.
Любую из выходных характеристик заряда можно представить в виде:
где Х0 – начальное значение Х;
случайные временные
функции векторов внешних и внутренних
параметров заряда, а также условий
хранения, ограниченные функционалами,
регламентированными конструкторской
документацией на заряд;
t – время эксплуатации в пределах ГС.
Если t ≤ tг (tг – гарантийный срок, устанавливаемый при разработке), то необходимо, чтобы
где Gдоп – область допустимых значений Xi для всех i-х контролируемых характеристик.
При ОКР это условие долговечности проверяется при форсированных испытаниях по соотношениям:
а) на образцах топлива:
при
(не исследуется);
б) на зарядах в составе РДТТ:
при
.
Здесь
режимы нагружения при форсированных
испытаниях,
длительность испытаний.
Базовые функции F1 и F2 принимаются на основе температурно-временных аналогий (диффузионных, напряженного состояния и др.).
Изменение характеристик зарядов при эксплуатации носит случайный характер и в теоретическом плане может быть формализовано на основе марковского случайного процесса с дискретными состояниями и непрерывным временем. Однако идентификация параметров такого процесса по опытным данным представляет серьезную методическую проблему из-за ограниченности статистической информации. В период работ по ликвидации зарядов целесообразно проведение дополнительных экспериментов для набора опытных данных по техническому состоянию зарядов. Важность таких работ отмечают американские специалисты в статье «Проблемы безопасной демилитаризации российских РДТТ» [41], изучая вопросы безопасности ликвидации РДТТ ракет РТ-23УТТХ (SS-24), произведенных в Советском Союзе и частично оставшихся на Украине после его распада. По их мнению, «твёрдотопливные двигатели… ввиду особенностей рецептуры топлив, представляют сложную проблему с точки зрения оценки их безопасности. Эти двигатели следует рассматривать как потенциально опасные в обращении с ними. Поскольку эти двигатели хранились долгое время, то результаты старения топлива еще более усложняют возможность оценки их безопасного функционирования». Опыт работ содружества ГРЦ «КБ им. академика В.П. Макеева» и ФНПЦ «АЛТАЙ» показал возможность безопасной ликвидации зарядов маршевых РДТТ ракеты РСМ-52 (SS-N-20), не менее сложной, чем ракета РТ-23УТТХ (SS-24).
В состав исследовательских работ за пределами ГС (для накопления статистического материала) могут входить:
неразрушающий контроль сплошности заряда;
визуальный осмотр и обмер геометрии канала зарядов;
пенетрация открытых поверхностей заряда;
препарация для определения физико-механических, баллистических, теплофизических, взрывчатых характеристик топлива, а также показателей его термостабильности;
анализ газовой среды в свободном объёме РДТТ после эксплуатации;
стендовый наддув;
анализ внутрибаллистических параметров начального участка (~ 1–2 с) при сжигании без сопла (ввиду разгара фланца заднего днища далее зависимость внутрикамерного давления от времени малоинформативна в плане рассматриваемой задачи).
Работы, проведенные на зарядах маршевых РДТТ ракеты РСМ-52 (при продлении сроков их эксплуатации), показывают, что длительная эксплуатация оказывает неравнозначное влияние на характеристики твёрдых топлив. Действительно, физико-химическая структура топлив, теплофизические и взрывчатые характеристики, показатели термической стойкости, внутрибаллистические параметры (а следовательно, скорость горения) остаются практически неизменными в течение исследованных сроков эксплуатации. Наиболее сильно изменяются механические характеристики, что определяется с достаточной точностью по результатам пенетрации и препарации. В прилегающих к каналу и корпусу РДТТ зонах заряда могут происходить неоднородные и нестационарные изменения механических свойств, обусловленные термоокислительными и диффузионными процессами. Именно по механическим свойствам топлив проводится прогнозирование возможности (или невозможности) продления срока эксплуатации данного класса зарядов РДТТ. Для многих таких зарядов высокий исходный уровень механической надёжности позволяет их эксплуатировать даже при значительных изменениях механических характеристик.
Результаты экспериментальных исследований, проведенных с зарядами маршевых РДТТ БРПЛ РСМ-52 после приблизительно 20 лет их реальной эксплуатации, подтверждают правильность технических решений по двигателям, зарядам и топливам, заложенных при проектировании и отработке (под руководством Генерального конструктора академика В.П. Макеева [21]), а также позволяют минимизировать факторы риска при ликвидации зарядов методом сжигания в составе РДТТ без сопла.