Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы оценки и прогноза экологической обстановки на космодромах России 12
1.1. Космодром как источник загрязнения окружающей природной среды 12
1.2. Основные опасные и вредные факторы, возникающие в результате ракетно-космической деятельности 16
1.3. Современное состояние систем мониторинга окружающей природной среды на космодромах и возможное направление их развития 42
2. Теоретические основы метеорологического обеспечения работ по оценке и прогнозу экологической обстановки при пусках РКН 47
2.1. Выбор моделей и методик для расчета переноса и рассеяния продуктов сгорания компонентов ракетных топлив при штатных и аварийных пусках РКН 47
2.1.1. Выбор модели для штатных пусков РКН 47
2.1.2. Выбор методики прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при аварии РН на старте 57
2.2. Модели образования и эволюции факельного облака от ракетного двигателя при пуске РКН 61
2.3. Требования к метеорологическому обеспечению работ по оценке и прогнозу экологической обстановки на космодроме 76
2.4. Алгоритм численной типизации синоптических образований 81
3. Анализ результатов исследований и разработка предложений к структуре системы обеспечения экологической безопасности при пусках РКН 95
3.1. Характеристика исходных данных для оценивания повторяемостей синоптических ситуаций и классов устойчивости атмосферы 95
3.2. Распределение типов синоптических ситуаций 96
3.3. Распределение классов устойчивости атмосферы 96
3.4. Выделение однородных синоптико-климатических районов над территорией стран СНГ 101
4. Практическое применение полученных результатов при анализе и прогнозе экологической обстановки на космодромах и полигонах 112
4.1. Методика учета параметров атмосферы при оценке и прогнозе экологической обстановки при штатных пусках РКН 112
4.1.1. Подготовка и использование метеорологической информации для оценки экологической обстановки после штатного пуска РКН 112
4.1.2. Принятые допущения 113
4.1.3. Формулы для расчета концентрации загрязняющих веществ 116
4.1.4. Пример использования методики 117
4.1.5. Алгоритм подготовки метеорологической информации для прогноза экологической обстановки при штатных пусках РКН 120
4.2. Методика учета параметров атмосферы при аварийных ситуациях 121
4.2.1. Принятые допущения 122
4.2.2. Прогнозирование глубины зоны заражения СДЯВ, времени подхода зараженного воздуха к объекту и продолжительности поражающего действия СДЯВ 122
4.2.3. Примеры прогнозирования масштабов заражения СДЯВ при возможных авариях с тяжелыми ракето-носителями в районе СК при различных метеорологических условиях 122
4.3. Требования к системе мониторинга окружающей природной среды на космодроме 123
4.3.1. Цели и задачи мониторинга 123
4.3.2. Основные требования к системе мониторинга 126
4.4. Предложения к структуре автоматизированной системы мониторинга окружающей природной среды космодрома 131
Заключение 139
Список использованных источников 143
Приложения 151
- Основные опасные и вредные факторы, возникающие в результате ракетно-космической деятельности
- Модели образования и эволюции факельного облака от ракетного двигателя при пуске РКН
- Выделение однородных синоптико-климатических районов над территорией стран СНГ
- Предложения к структуре автоматизированной системы мониторинга окружающей природной среды космодрома
Введение к работе
Вооружение, военная техника и военные объекты считаются экологически безопасными, если их деятельность не представляет угрозы для личного состава, населения, окружающей природной среды и территорий даже с учетом возможности возникновения чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. Достижение экологической безопасности ракетно-космической деятельности (РКД) осуществляется по трем основным направлениям: предотвращение загрязнения окружающей природной среды; снижение масштабов (уровня) загрязнения природных объектов; ликвидация последствий загрязнения, очистки и восстановления природных ландшафтов в позиционных районах ракетно-космических и ракетных комплексов (РКК и PK), в районах падения отделяемых частей ракет носителей космического назначения (РКН), в районах дислокации частей наземного автоматизированного комплекса управления космическими аппаратами (НАКУ КА), в местах проведения поисково-эвакуационных работ с элементами ракетно-космического вооружения.
Вопросы безопасности РКК и их воздействий на природную среду впервые были поставлены в конце 1950-х годов. На начальном этапе их решения первоочередное внимание разработчиков РКК уделялось проблемам безопасности производств компонентов ракетных топлив (КРТ) и средств выведения космических объектов, непосредственно воздействующих на атмосферный воздух, почву, воду, биоту в районах химических производств, сборочных и стартовых комплексов, отчуждаемых территорий, которые выделялись под районы падения отделяемых частей ракет-носителей (РПОЧ РН). По мере интенсивного развития РКК, введения в строй новых космодромов и полигонов, увеличения числа запусков возникли новые проблемы, связанные с воздействием РКН на озоновый слой и фрагментов ракетно-космической техники на околоземное космическое пространство. В настоящее время значительно вырос интерес широкой общественности к проблеме обеспечения экологической безопасности РКД, что связано с остротой экологической ситуации во многих регионах страны, в том числе и имеющих отношение к этому направлению техногенных воздействий на природную среду. Такой интерес подогревался режимным характером производств и запусков РКН. Однако в последние годы многие данные по воздействию РКД на окружающую среду были рассекречены и в рамках специальных программ начаты работы по уменьшения и ликвидации последствий воздействий РКК на природные объекты. В серии НИР, выполненных институтами и организациями Росгидромета, Минприроды, Академии наук РФ, Минобороны РФ исследованы основные виды воздействий РКК на окружающую природную среду и выявлены те из них, которые требуют первоочередных усилий и внимания специалистов. К их числу следует отнести: локальные воздействия на окружающую природную среду при авариях на предприятиях, производящих ракетно-космическую технику, при транспортировке и хранении КРТ; загрязнение районов стартовых позиций и воздушного бассейна космодрома в ходе подготовки и проведения пусков РКН; разрушение озонового слоя в результате запусков тяжелых ракет-носителей; загрязнение почвы и растительности в РПОЧ РН остатками компонентов ракетных топлив и металлоконструкциями; загрязнение почвы, воды и растительности при взрывном уничтожении ракет; загрязнение околоземного космического пространства "космическим мусором ", т.е. обломками РН, КА и пылью техногенного происхождения. Из всех опасных и вредных экологических факторов, воздействующих на личный состав, население и окружающую природную среду в процессе эксплуатации космических средств, основную проблему представляют загрязнение среды остатками компонентов ракетных топлив и металлоконструкциями в РПОЧ РН и химические загрязнения атмосферного воздуха в районах стартовых позиций космодромов при пусках РКН.
Анализ данных, накопленных в результате многолетней эксплуатации космических средств, показал, что комплекс разработанных и внедренных технологий и организационно-технических мероприятий в основном обеспечивает безопасную в экологическом отношении транспортировку, хранение, заправку и слив КРТ из топливных баков РКН в случаях перенесения времени запуска. Однако в процессе эксплуатации РКН полностью нельзя исключить проливов КРТ и газовых выбросов химически вредных веществ при работе ракетных двигателей на этапе выведения РН. Именно с эксплуатацией ракетных двигателей (РД) связаны главные проблемы экологической безопасности космических средств. Достижение минимума негативных явлений и последствий для личного состава, населения и природных процессов на всех этапах создания и эксплуатации космических средств осуществляется в первую очередь за счет выбора соответствующих компонентов ракетных топлив, материалов и рабочих процессов в РД, методов испытаний и эксплуатации РКН, исключающих возможность возникновения аварийных ситуаций.
Воздействие РД на личный состав, население и окружающую природную среду зависит от типа двигателя (твердотопливный РД, жидкостной РД), от рода компонентов ракетного топлива, конструктивных характеристик РД, этапа выполнения полетного задания (запуск двигателя, начальный участок выведения, падение отделяемых частей РН с остатками КРТ, выведение на орбиту полезной нагрузки и т.д.). Экологическая нагрузка на окружающую природную среду после включения ракетной системы с данным РД в одну из космических программ определяется в основном частотой пусков; выбором типа ракеты (точнее жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) или ракетного двигателя на твердом топливе) и топлива для ЖРД; топографическим и географическим расположением пусковой площадки; удаленностью стартовой позиции от населенных пунктов; казарменных и жилых городков и экологически уязвимых зон /1,2/.
Для стартового комплекса определяющими факторами влияния на окружающую среду будут: локальные воздействия продуктов сгорания КРТ на атмосферный воздух; загрязнение поверхности Земли и водных объектов; акустическое воздействие и световые эффекты;
Масштабы этих воздействий определяются: назначением пусков РКН; частотой пусков; суммарным расходом топлива за 1 пуск.
По установившейся традиции пусковые площадки космодромов строились на значительных расстояниях от жилой зоны с разделением их друг от друга на десятки километров. Значительное химическое загрязнение атмосферного воздуха токсичными веществами, превышающее предельно допустимые концентрации (ПДК) в 10 и более раз при нормальных пусках РКН, возможны только при неблагоприятных метеорологических условиях. Однако тяжелые экологические последствия для окрулсающей среды происходят только при аварийных пусках РКН. При разрушении ракеты вследствие аварии двигателя или его топливной системы на взлете происходит сброс на поверхность Земли большого количества топлива и окислителя. Если авария происходит в первые секунды старта, все КРТ обрушивается на стенд, наземные сооружения, в котлован и там выгорает. Это приводит к полному разрушению стенда и образованию большого количества токсичных продуктов сгорания в приземном слое атмосферы. Вероятность возникновения аварийных ситуаций с РКН в нашей стране составляет около 0,076, а в США - около 0,085 /3, 4/, что следует учитывать при решении проблемы обеспечения экологической безопасности пусков, количество которых достигает нескольких десятков в год с каждого из космодромов России.
В связи с потенциально существующей экологической опасностью пусков РКН возникает проблема организации контроля за состоянием окружающей природной среды в позиционных районах космодромов, на трассах выведения РКН и в районах падения отделяемых частей ракет-носителей с целью обеспечения экологической безопасности личного состава, населения и природных объектов. Эта система должна обеспечивать охрану здоровья личного состава частей запуска и местного населения, а также соблюдение требований природоохранительного законодательства РФ в период эксплуатации космических средств как при нормальных пусках РКН, так и в аварийных ситуациях. Решение этой проблемы в целом возложено на экологическую службу РВСН и на экологические службы космодромов по конкретным направлениям их деятельности. Структура системы экологического обеспечения РВСН в настоящее время только формируется, что затрудняет решение проблемы обеспечения экологической безопасности пусков РКН. По существу пока решается лишь ограниченный круг задач, возложенных на системы экологического обеспечения РВСН и среди них: выполнение надзорных функций за соблюдением природоохранительного законодательства соединениями и воинскими частями в позиционных районах космодромов и в РПОЧ РН со стороны территориальных органов Госкомэкологии и экологической службы РВСН; проведение экологической паспортизации некоторых объектов; разработка нормативно - методических документов. Основная сложность становления нового направления обеспечения эксплуатации космических средств - обеспечения их экологической безопасности - связана с созданием системы мониторинга окружающей природной среды. Мониторинг, как система наблюдений, оценивания и прогнозирования экологической обстановки, не включает в себя элементы управления качеством окружающей природной среды на космодромах и в РПОЧ. Однако именно мониторинг дает необходимую информацию для такого управления, функции которого должны быть возложены на автоматизированные системы управления подготовки и пуска РКН и органы экологического контроля. Решению некоторых вопросов, связанных с организацией и проведением мониторинга окружающей природной среды на космодромах России для обеспечения экологической безопасности пусков РКН посвящена настоящая диссертационная работа.
Целью данной работы является разработка методик и алгоритма подготовки метеорологической информации для оценки и прогноза экологической обстановки при штатных и аварийных пусках ракет космического назначения.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач: проведение анализа опасных и вредных экологических факторов, возникающих при пусках ракет космического назначения; обоснование требований к системе мониторинга окружающей природной среды на космодромах для обеспечения экологической безопасности пусков РКН; разработка требований к алгоритмам подготовки метеоданных для оценки и прогноза экологической обстановки в районе космодрома; проведение типизации синоптической ситуации для оценки и прогноза экологической обстановки.
Под экологической обстановкой будем понимать совокупность параметров экологических факторов в конкретный момент (промежуток времени) в районе космодрома, на трассах выведения РКН и на орбитах полетов КА и в районах падения ОЧРН, оказывающих влияние на экологическую безопасность ракетно- космической деятельности.
Актуальность темы диссертационной работы определяется: принципиальной невозможностью создания ракетно-космических комплексов на уровне нулевого риска, исключающего возможность возникновения аварийных ситуаций при эксплуатации космических средств; существенным негативным воздействием на приземный слой атмосферы продуктов сгорания ракетных топлив, выбрасываемых из сопла ракетного двигателя и загрязняющих атмосферный воздух, особенно при неблагоприятных метеоусловиях; необходимостью создания на космодромах России систем экологического мониторинга для непрерывного наблюдения, оценивания экологической обстановки и ее краткосрочного прогнозирования при штатных и аварийных пусках РКН с целью предупреждения возникновения чрезвычайных ситуаций и высоких уровней загрязнения окружающей природной среды; необходимостью разработки информационного, математического и программного обеспечения для функционирования системы экологического мониторинга, построенного на принципах импактного локального мониторинга потенциально экологически опасного техногенного объекта. Система мониторинга окружающей природной среды на космодроме, как потенциально экологически опасном объекте, должна создаваться с учетом обеспечения ее работоспособности при нормальном режиме его функционирования и при возникновении чрезвычайных ситуаций. Следовательно, информационное, специальное математическое и программное обеспечение функционирования этой системы должно быть ориентированно на оба режима работы. Данная система должна иметь сопряжение с разрабатываемыми в настоящее время автоматизированной системой метеорологического обеспечения космодрома и автоматизированной системой подготовки и управления пуском РКН и строиться на основе создания автоматизированных рабочих мест специалистов экологической службы космодрома. Тесная координация систем экологического и метеорологического обеспечения космодрома необходима в связи с существенным влиянием метеорологических условий на распространение загрязняющих веществ в атмосфере. Поэтому метеорологическое обеспечение работ по оценке и прогнозу экологической обстановки, особенно в экстремальных ситуациях, имеет первостепенное значение.
Научная новизна работы заключается в применении ситуационного подхода при подготовке метеоданных для оценки и прогноза экологической обстановки на потенциально опасных гражданских и военных объектах.
Практическая значимость работы состоит: в разработке методик и алгоритма подготовки метеорологической информации для оценки и прогноза экологической обстановки на космодромах при штатных и аварийных пусках ракет - носителей; в разработке требований к системе мониторинга окружающей природной среды для оценки и прогноза экологической обстановки на космодроме; в разработке предложений к облику системы мониторинга окружающей природной среды на космодроме; в исследовании статистической структуры метеорологических величин в приземном слое атмосферы для северо-западного региона России с учетом типизации синоптических ситуаций.
Основные результаты работы докладывались на Международной конференции "Экологическая безопасность на пороге двадцать первого века", (г. Санкт-Петербург, 30-31 марта 1999 г.), на 5-й Международной конференции "Экология и развитие стран Балтийского региона" (г. Санкт-Петербург, 20-21 июня 2000 г.), на Всероссийской конференции "Экология и метеорологические проблемы больших городов и промышленных зон" (г. Санкт-Петербург, 1999 г.), на 4-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности" (г. Санкт-Петербург, 18 июля 1999 г.), на Всероссийской научной конференции "Метеорология на рубеже веков: итоги и перспективы развития" (г. Пермь, 20-21 сентября 2000 г.), на семинаре в Международной академии наук экологии, безопасности человека и природы, в экоцентре МО РФ и в ВИКУ им. А.Ф.Можайского.
По теме диссертационной работы имеются публикации: 6 статей и опубликованных тезисов докладов на Международных и Всероссийских конференциях и 4 отчета по НИР.
Основные опасные и вредные факторы, возникающие в результате ракетно-космической деятельности
В настоящее время на космодромах России существуют системы геофизического абиотического мониторинга окружающей природной среды, которые функционируют в системах метеорологического (геофизического) обеспечения повседневной деятельности космодромов и проведения летно- конструкторских испытаний (ЛКИ), опытно-конструкторских работ (ОКР) и плановых запусков РКН и КА. Эти системы существуют и развиваются в течение 40 с лишним лет.
До командований космодромов, штабов соединений и воинских частей, государственных комиссий и технического руководства по испытаниям и запуску РКН доводятся данные о фактической и прогностической метеорологической, гидрологической и гелиогеофизической обстановке, штормовые предупреждения и оповещения об опасных и особо опасных явлениях и процессах, а также рекомендации по учету влияния метеорологических, гидрологических и геофизических факторов на выполнение задач, решаемых воинскими частями и соединениями космодромов. Всего представляются данные почти о 50 параметрах атмосферы, литосферы, гидросферы и околоземного космического пространства /12,13,14/. Эти системы работают в режиме круглосуточного дежурства с четко установленным регламентом получения, обработки и представления информации должностным лицам космодрома. Основным недостатком систем метеорологического обеспечения космодромов является относительно низкий, по сравнению с гражданскими службами, уровень автоматизации работ. Но следует отметить, что в последние годы делаются попытки преодолеть этот недостаток в направлении внедрения автоматизированных рабочих мест, в частности, входящих в состав автономного пункта приема спутниковой информации "Сюжет-МЦ" /14/. Системы экологического мониторинга на космодромах пока практически отсутствуют, хотя экологические службы уже формируются /15,16/. Основной задачей экологических служб космодромов является обеспечение экологической безопасности при эксплуатации космических средств. Под экологической безопасностью РКД понимается состояние соединений и воинских частей РВСН и окружающей их среды, при котором обеспечивается исключение или сведение к минимуму неблагоприятного воздействия экологических факторов РКД на окружающую природную среду, население, личный состав, гражданские и военные объекты /16/. Некоторые элементы экологического мониторинга на космодромах все же присутствуют. Сюда входят наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха и состоянием промышленных сточных вод, ионизирующими излучениями и другими вредными физическими воздействиями, а также микроклиматом помещений, которые ведутся специальными службами, специально выделенными подразделениями, типа аварийно-спасательных групп, личным составом отдельных боевых постов, складов, хранилищ и суточными нарядами. Эти наблюдения регулярно проводятся на складах, в хранилищах КРТ, в монтажно-испытательных комплексах (МИК) и в районе стартовых позиций после пуска РКН. В районах падения ОЧРН наблюдения носят эпизодический характер.
Анализ источников загрязнения окружающей природной среды в результате пусков РКН, возникающих опасных и вредных экологических факторов, который был выполнен в работах /1, 2, 8-10, 16/ и нашел отображение в разделах 1.1 и 1.2 настоящей диссертационной работы, показывает, что при пусках РКН загрязнения окружающей природной среды не выходят за пределы зон с линейными размерами в несколько десятков км. В подавляющем большинстве случаев эти воздействия ограничиваются загрязнениями атмосферного воздуха, а проливы КРТ при заправке РКН поступают на станцию нейтрализации промышленных стоков, где и локализуются. Станция нейтрализации представляет собой комплекс сооружений и устройств, предназначенных для нейтрализации паров окислителя и горючего, промышленных стоков и выдачи продуктов нейтрализации на испарительную площадку, где происходит выпадение осадков и выпаривание воды /17/. Для нейтрализации промышленных стоков используются специальные емкости, а для улавливания паров окислителя и горючего - абсорберы. Таким образом, можно сделать вывод, что основным объектом загрязнения на космодроме является атмосферный воздух, а в качестве загрязнителя выступают компоненты ракетного топлива и окислителя, попадающие в атмосферу с продуктами сгорания от ракетных двигателей. Территория загрязнения, как правило, ограничивается позиционным районом космодрома.
Для РПОЧ РН основными объектами загрязнения являются почвы, грунтовые воды и растительность, а загрязнителями - металлоконструкции с остатками компонентов ракетных топлив, которые представляют собой фрагменты первой и второй ступеней РН. Действие загрязняющих веществ здесь ограничивается районами с площадью не более 0,3 - 0,5 квадратных км за один пуск. Следовательно, по пространственным масштабам на космодромах должен быть организован локальный экологический и геофизический мониторинг. Дополнительные экологические проблемы возникают с учетом воздействия на личный состав частей запуска физических факторов, а именно, шумов, возникающих при работе ракетного двигателя (РД) и высоких уровней ионизирующих электромагнитных излучений от радиокомплексов, входящих в наземную систему управления полетом на участке выведения. Уровень шума при старте ракеты достигает 150 дБА, что превышает гигиеническую норму шума для рабочих мест почти на 20 % , но продолжительность воздействия этого опасного фактора не выходит за пределы 15 секунд и это воздействие легко предупреждается посредством применения средств индивидуальной и коллективной защиты.
Воздействие электромагнитных излучений на личный состав ослабляется увеличением расстояния от СК до источников излучений (радиостанций и радиолокационных станций) и защитой рабочих мест от этих излучений.
В связи с тем, что основные экологические проблемы на космодроме возникают в районах стартовых комплексов, которые относятся к потенциально экологически опасным объектам, то этот вид локального мониторинга можно отнести к импактному мониторингу. Система импактного мониторинга должна обеспечивать: непрерывные систематические наблюдения за уровнями загрязнения объектов природной среды в районе космодрома; обнаружение повышенных уровней загрязнения в атмосфере, почве и в водных объектах; оценку уровней и масштабов химических и физических загрязнений при штатных и аварийных пусках РКН; контроль за динамикой изменения уровней загрязнения; оценку экологической опасности, возникшей в результате загрязнения окружающей природной среды и последствий этого загрязнения для личного состава и населения; прогноз изменений экологической обстановки под влиянием метеорологических условий; сбор, обобщение и передача командованию космодрома и штабам экологической информации по объектам космодрома и РПОЧ РКН. Особое внимание должно быть уделено оценке и прогнозу экологической обстановки при возникновении нештатных ситуаций на СК или на начальном участке выведения РКН. Это сопряжено с опасностью взрыва и соответствующими поражающими факторами (ударная волна, тепловое излучение огненного шара, осколочные воздействия фрагментов РН), время действия которых составляет несколько десятков секунд или длительным испарением сильно действующих ядовитых веществ, выброшенных в атмосферу, на подстилающую поверхность и на стартовую позицию. Поражающие факторы взрыва РКН незначительно зависят от метеоусловий, поэтому их рассмотрение можно опустить при решении вопросов планирования и организации мониторинга окружающей природной среды на космодроме. В то же время масштабы заражения воздуха и местности КРТ существенно зависят от состояния атмосферы, и учет ее параметров в момент аварии является обязательным условием при заблаговременном и оперативном прогнозировании масштабов заражения на случаи выбросов КРТ при авариях РКН в момент пуска.
Модели образования и эволюции факельного облака от ракетного двигателя при пуске РКН
Для определения изменения с высотой параметров термика в ненасыщенном и насыщенном воздухе /34-36/ получен ряд соотношений, позволяющих рассчитать характеристики факельного облака. В рамках теории вовлечения оценивается изменение характеристик каждого из термиков вплоть до уровня стабилизации, на котором скорость подъема и избыточная температура становятся равными нулю. При этом считается, что столб атмосферы, заполненный факельным облаком, образуется фактически мгновенно, а затем начинает подниматься вверх, увеличиваясь в размерах и охлаждаясь вследствие перемешивания с окружающим воздухом. Это предположение вполне уместно, поскольку в нижнем слое атмосферы факельное облако образуется в течение 10-12 секунд. Этот промежуток складывается из интервала времени работы РД на стартовом столе после его запуска (Л/,= 3-4 с) и времени набора высоты 400 м (Аt2 = 6-8 с). Высота 400 м представляет собой тот условный уровень, с которого поступающие со спутным следом от РН продукты сгорания КРТ загрязняют слой атмосферы 0-200 м. Для каждой из высот рассматривается суперпозиция (наложение) характеристик термиков, формирующих столб воздуха, содержащий продукты сгорания КРТ и сконденсированный водяной пар.
Время подъема каждого элементарного термика от высоты стабилизации, как показывают модельные расчеты /38/, составляет несколько десятков секунд (45-60 с). Поведение поднимающегося факельного облака, представляющего собой суперпозицию отдельных термиков, определяется параметрами среды.
На высоте 200 м ширина шлейфа от факельного облака через 45-60 с составляет около 1500 м при скорости ветра равной 5 м/с и 3000 м при скорости 10 м/с. "Растяжение" факельного облака вдоль оси х (направления ветра) происходит в результате сноса воздушным потоком поднимающихся термиков. Таким образом, анализируя результаты модельных расчетов изменения факельного облака от РД можно сделать следующие выводы: в пределах нижнего слоя атмосферы длина струи L изменяется от 200 до 220 м; превышение температуры газовой смеси относительно атмосферного воздуха на оси струи на расстоянии L от среза сопла составляет 60-65 С; ширина струи на конечном участке достигает для РД-253 16-18 м; высота подъема перегретых термиков от работающего РД изменяется в пределах 150-220 м в зависимости от состояния атмосферы. Приведенные формулы для расчетов характеристик струй с отрицательной плавучестью справедливы для участка набора РН высоты после ее отрыва от пускового стола. Но загрязнение слоя атмосферы начинается, когда ракета находится на пусковом столе и включается РД. Формирование спутного следа здесь зависит от планировки газоотводящего устройства ("лотка"), высоты пускового стола, угла поворота факела и траектории выходящей струи. Теоретически пока не получены зависимости характеристик горячей струи, движущейся по лотку. Однако натурные эксперименты позволяют сделать вывод, что заключение горячей струи в газовод практически не сказывается на составе и количестве загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу продуктов сгорания КРТ, а температура выходящих газов находится в пределах 50-60 С /39-43/, что близко к избытку температуры в струе с отрицательной плавучестью от РД стартующей ракеты. Следовательно, и в этом случае высота подъема факельного облака должна быть близка к 200 м. Таким образом, могут быть получены исходные данные для расчета загрязнения нижнего слоя атмосферы при штатных пусках РН, если известны химические характеристики КРТ и характеристики РД. Однако следует заметить, что при исследовании влияния на окружающую природную среду ракет с двигателями на химическом топливе большинство отечественных и зарубежных исследователей упрощают процедуры выполнения инженерных расчетов и в качестве исходных данных принимают следующие параметры формирования факельного облака в районе стартового комплекса /3,39,42-44/: высота подъема факельного облака, оказывающего влияние на загрязнение приземного слоя атмосферы после пуска РН при отсутствии ветра составляет для ракет легкого класса - 100 м, среднего класса - 200 м и тяжелого класса - 300 м; концентрация загрязняющих веществ в столбе атмосферы примерно постоянна для указанных слоев атмосферы и определяется сложным взаимодействием поднимающихся термиков (клубов загрязненного воздуха) и опускающейся спутной струи от РД; дальнейшее распространение продуктов сгорания ракетных топлив рассматривается на основе диффузных факельных моделей. Рассмотренные нормативные модели и методики расчета распространения примесей в атмосфере при штатных и аварийных пусках РКН позволяют сформулировать перечень требований к метеорологическому обеспечению работ по оценке и прогнозу экологической обстановки в районе космодрома. В число фактических и прогностических метеорологических величин должны быть включены: для модели Пасквилла-Гиффорда: скорость ветра на уровне флюгера; вертикальный градиент температуры воздуха в слое 0-120 м; тип устойчивости атмосферы; высота слоя перемешивания; для методики прогнозирования масштабов заражения СДЯВ при авариях: скорость ветра на уровне флюгера; тип устойчивости атмосферы; температура воздуха; для методики регулирования выбросов при неблагоприятных метеоусловиях: скорость ветра на уровне флюгера; типы устойчивости атмосферы. В связи с регулярными наблюден за уровнями загрязнения атмосферного воздуха предпочтение следует отдавать применению расчетных методов. Эти модели и методики расчета концентраций загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы целесообразно использовать прежде всего при разработке предупредительных мероприятий для снижения ущерба в случаях возникновения аварий и катастроф на старте и в нижнем километровом слое атмосферы.
Выделение однородных синоптико-климатических районов над территорией стран СНГ
Полученные статистические характеристики для типов синоптических ситуаций и классов устойчивости нижнего слоя тропосферы, строго говоря, подходят только для территории Архангельской области, т.к. именно для этого региона использовалась исходная выборка метеорологических величин, на основе которых оценивались статистические характеристики. Однако синоптические процессы имеют пространственные масштабы порядка 10J и более км, следовательно, с этой точки зрения возможности применения статистических характеристик вряд ли ограничивается только территорией Архангельской области. В связи с тем, что рассеивание примесей в атмосфере зависит от распределения коэффициента турбулентного обмена с высотой, а этот коэффициент связан с распределением метеовеличин в пограничном слое, кратко рассмотрим физические процессы, формирующие данный слой.
Планетарный пограничный слой атмосферы (атмосферный пограничный слой) и его приземный подслой формируются под влиянием процессов синоптического и мезомасштабов, а также притоков солнечной радиации, инфракрасной радиации от поверхности земли, теплофизических параметров почвы и шероховатости ее поверхности. Профили всех метеорологических величин в этом слое и коэффициент турбулентности взаимосвязаны и при установившемся состоянии определяются градиентом давления и указанными выше внешними факторами. Большинство внешних факторов в свою очередь связано с лапласианом и градиентом давления. Так, например, приток солнечной радиации к земной поверхности уменьшается при циклонических ситуациях из-за наличия облачности. В этих ситуациях преобладают состояния безразличного равновесия (класс устойчивости D) или слабо устойчивого равновесия (класс Е). Очень редко над рассматриваемым регионом встречаются неустойчивые состояния, особенно зимой(классы А,В,С). В то же время при малоградиентных полях достаточно велика повторяемость устойчивых состояний. Перечень таких связей можно продолжить, поэтому естественно предположить, что и для других территорий со сходным рельефом местности и характером подстилающей поверхности классы устойчивости атмосферы должны иметь тесную связь с типами синоптических ситуаций. На этом предположении о существовании связей между характеристиками устойчивости атмосферы и крупномасштабного процесса базируются практически все методики расчета загрязнения атмосферы, в том числе ОНД-86 и "ERA-US", а сами расчетные формулы не требуют привлечения детализированного представления параметров атмосферы. Кроме того, следует учитывать, что модельные представления параметров атмосферы ориентированы на получение сравнительно грубых оценок при имитационном моделировании последствии аварийных ситуации или на среде- и краткосрочные прогнозы уровней загрязнения атмосферы при принятии предварительных решений. При принятии решения непосредственно на пуск РКН используются фактические данные. В связи с этим попытаемся проследить, на какую территорию можно распространить найденные статистические связи, исходя из используемых в работе признаков степени сходства (схожести) синоптических ситуаций. Такой подход применялся, например, в работах Ю.В. Николаева /64/, В.А. Ременсона /65/, В.Д. Еникеевой /66/, А.И. Орлова и B.C. Фадеева /67/, В.И. Воробьева и B.C. Фадеева /68/, В.Д. Будового и других авторов /69/. Суть его заключается в климатическом районировании территории по данным некоторого набора признаков, составленных на основе статистических характеристик метеорологических величин и явлений погоды. В данной работе в качестве признаков для синоптико-климатического районирования территории использовались повторяемости каждого из 16 типов синоптических ситуаций. Они оценивались на основе календаря типов, составленного по данным двадцатипятилетних выборок (1964-1988 г.г.) приземных полей давления на основе методики, приложенной в п.2.4. Для зимнего и летнего сезонов было отобрано не менее 2000 полей давления. Они охватывали сеточную область, ограниченную 30 и 75 с.ш. и меридианами 20 и 180 в.д. За каждый срок наблюдений в узлах сетки размером 2,5 на 2,5 градусов определялись номера типов синоптических ситуаций. При этом исходный информационный массив представлялся на дискете в следующем виде: где ср,Л - географические координаты точки, переведенные в номера узлов (к=1,...,20 - число широтных кругов; 1=1,...,66 - число меридианов); / - порядковый номер записи в файле поля давления в 1320 точках. Исходные данные, представляемые в узлах географической сетки точек, затем интерполировались в прямоугольную сетку. Для внутренних узлов сетки рассчитывались признаки для определения типов синоптических ситуаций. По каждой точке рассчитывались векторы признаков (повторяемостей типов).
В результате типизации по каждому из сезонов года получен календарь типов, который представлен в виде информационного массива Этот массив записан на дискете за 25-летний период, начиная с 1 января 1964 г. по 31 декабря 1988 г. Данный каталог по форме похож на каталог макросиноптических процессов Вангенгейма-Гирса /69/, широко применяемый в практике долгосрочного прогнозирования погоды /70/. Однако между ними имеются существенные различия, которые сводятся к следующему: каталог макросиноптических процессов Вангенгейма-Гирса характеризует процессы, происходящие одновременно над большими регионами, а каталог синоптических объектов (КСО) относится к узлам географической сетки точек; каталог Вангенгейма-Гирса строится на основе субъективных оценок синоптиков, тогда как КСО основывается на результатах объективного анализа с использованием численных критериев при определении выбранных типов; каталог макроскопических процессов ориентирован на применение при долгосрочном прогнозировании, а КСО - при краткосрочном и среднесрочном прогнозировании и при разработке синоптико- климатических моделей атмосферы. Этот каталог построен, таким образом, для решения более широкого круга задач, чем каталог Вангенгейма-Гирса. Для зимнего и летнего сезонов по каждой точке сетки были оценены повторяемости (эмпирические вероятности) выбранных основных форм барического рельефа, которые определялись по формуле (3.1). Следующим шагом работы являлась задача определения квазиоднородных синоптико-климатических районов (ОСКР), которые в дальнейшем будем называть просто однородными синоптико-климатическими районами. Для их выделения воспользуемся хорошо развитым математическим аппаратом прикладного климатического районирования на основе методов иерархического кластер-анализа /65,71,72.73/.
Предложения к структуре автоматизированной системы мониторинга окружающей природной среды космодрома
В основу мониторинга окружающей природной среды в позиционном районе космодрома должен быть положен комбинированный подход, который заключается в объединении результатов расчетных методов оценки загрязнения окружающей природной среды по данным выбросов загрязняющих веществ от ракетных двигателей и других источников загрязнений с результатами непосредственных измерений параметров атмосферы, показателей качества сточных вод и уровней физических воздействий в различных точках космодрома.
В системе мониторинга должна использоваться разветвленная сеть стационарных постов с датчиками измерений уровней загрязнений и метеорологических параметров. Эти посты должны располагаться в различных точках технологической цепочки подготовки и пуска РКН, а также на складах и в хранилищах КРТ и других вредных и опасных веществ. В число информационно- измерительных систем должны входить средства для отбора проб воздуха и воды и средства для экспресс-анализа приоритетных загрязняющих веществ (газоанализаторы). Вся информация по каналам связи и с пульта специалиста- эколога должна поступать на ПЭВМ для ее обработки и дальнейшего использования при оценке и прогнозировании экологической обстановки.
Для аварийных ситуаций должна быть предусмотрена возможность экологического контроля окружающей природной среды с помощью подвижных средств на космодроме и за его пределами (автолаборатория типа "Атмосфера-2", вертолетная лаборатория). Автомобильная лаборатория может применяться при проведении подфакельных наблюдений и при эпизодическом обследовании позиционного района космодрома и прилегающей местности. Для эпизодического обследования РПОЧ РН должна использоваться вертолетная лаборатория. Специалисты-экологи, входящие в состав подвижных средств, образуют оперативную группу экологического района космодрома. Один из представителей этой группы должен включаться в состав аварийно-спасательной группы, обеспечивающей безопасность пусков РКН и проведение послепусковых операций. При оценке и прогнозе экологической обстановки должна использоваться текущая информация от поста наблюдений, расположенного вблизи стартового комплекса, с которого осуществляется пуск и набор типичных опасных метеорологических ситуаций, при которых формируются высокие уровни токсических веществ. Результаты метеорологических и аэрологических наблюдений представляются за последний час перед пуском. Метеорологические данные подлежат уточнению в течение последних 10 минут. Для расчета диффузии (распространения) примесей от ракетного двигателя при штатных пусках РКН используются данные о скорости и направлении ветра, температурной стратификации и турбулентном обмене в слое от поверхности земли до высоты 200 м, а также характеристики ракетного двигателя (двигателей) и компонентов ракетных топлив. Данные о двигателе и топливе должны вводиться базу данных заранее. Для прогнозирования масштабов зон заражения при авариях на стартовом комплексе и начальном участке выведения РН целесообразно применять специальные методики. Форма представления данных и способ хранения информации должны обеспечивать возможность оценки и прогноза экологической обстановки в реальном масштабе времени. При заблаговременном прогнозировании масштабов заражения на случай аварий на СК в качестве исходных данных рекомендуется принимать общее количество сильнодействующих ядовитых веществ (СДЯВ), содержащихся в компонентах ракетных топлив и метеорологические условия: скорость и направления ветра, температурную стратификацию. Для прогноза зон заражения непосредственно после аварии должны браться конкретные данные о количестве выброшенного (разлившегося) СДЯВ и фактические метеоусловия по наблюдениям ближайшего поста. Набор типичных метеорологических ситуаций должен быть определен заранее. Для каждой из таких ситуаций рассчитываются внешние границы зоны заражения по пороговой токсодозе при ингаляционном воздействии на организм человека. Эти данные хранятся на дискете. После получения данных с результатами метеонаблюдений, произведенных в момент аварии, Ъни сравниваются с имеющимся набором типичных опасных метеорологических ситуаций, и делается заключение о степени опасности образующегося облака СДЯВ для личного состава сил запуска, населения города, казарменных и жилых городков воинских частей космодрома.
При создании данной системы следует исходить из того факта, что система экологического мониторинга космодрома должна опираться в своей деятельности на уже существующую систему геофизического (метеорологического) мониторинга, т.к. общим для экологического и метеорологического обеспечения является объект изучения - окружающая среда. Разница лишь в том, что при метеорологическом обеспечении рассматриваются отношения в системе "окружающая природная среда - эксплуатация космических средств", а при экологическом обеспечении - "природно-антропогенная среда - эксплуатация космических средств". При этом в первом случае оцениваются и прогнозируются воздействия природной среды на космические средства, а во втором - как воздействия космических средств на окружающую природную среду, так и обратные действия загрязненного атмосферного воздуха, почвы и водных объектов на личный состав соединений и воинских частей запуска и местное население.
В связи с тем, что процессы переноса и рассеяния примесей в атмосфере зависят от быстро меняющихся метеорологических условий, системы метеорологического и экологического обеспечения космодромов должны взаимодействовать друг с другом. Это взаимодействие возможно в рамках разрабатываемых в настоящее время автоматизированных систем управления подготовкой и пуском РКН (АСУПП РКН) для космодромов. Прежде всего, такая система будет внедрена на 1-м государственном испытательном полигоне (1-й ГИП, г. Плесецк). Она строится на основе нескольких десятков автоматизированных рабочих мест (АРМ), объединенных в локальную информационную сеть. В состав данной сети предполагается включить АРМ начальников экологической и метеорологической служб космодрома. Вся необходимая метеорологическая и экологическая информация для обеспечения экологической безопасности пусков РКН должна поступать, по нашему мнению, от объединенной системы мониторинга окружающей природной среды космодрома.
