При проведении стендовых огневых испытаний мощных ЖРД, работающих на углеводородном горючем (керосине) и жидком кислороде, возникает необходимость ограничения вредного воздействия на окружающую природную среду. В НПО "Энергомаш" такие испытания проводятся на стендах закрытого типа, расположенных в непосредственной близости от жилых кварталов г. Химки. Последнее обстоятельство обусловило исключительно жесткие требования к обеспечению экологической безопасности, как при проведении огневых испытаний ракетных двигателей, так и при выполнении работ, связанных с эксплуатацией топливных систем в испытательном комплексе: при транспортировке компонентов ракетного топлива (КРТ), заправке, технологической обработке топливопроводов, очистке сточных вод.

Известно, что наземные испытания ЖРД большой мощности (тяга двигателя РД-170 на земле равна 740 тс) относятся к процессам, в которых огромная энергия высвобождается в относительно короткий промежуток времени, что может оказывать существенное воздействие на окружающую природную среду и население. Так, при работе двигателя РД-170 темп выброса продуктов сгорания ракетного топлива составляет примерно 2,4 т/с, а всего за время испытания (t = 140 с) в атмосферу выбрасывается около 340 т. При этом выхлопная струя двигателя генерирует аэродинамический шум, исходный уровень которого составляет по расчету 180...200 дБА. Звуковое давление шума при отсутствии инженерных средств защиты может вызывать болевые ощущения в органах слуха и приводить к травматическим последствиям. Одновременно с этим струя двигателя оказывает интенсивное ослепляющее воздействие.

Проливы КРТ не вызывают высокую экологическую опасность. Углеводородное горючее относится к слабо опасным веществам 4-й группы, а возможные проливы и выбросы аэрозолей горючего, надежно локализуются типовыми устройствами (поддоны, ловушки) и устраняются известными методами экологических технологий, используемых при работе с нефтепродуктами и их отходами.

Ограничимся рассмотрением специфических методов подавления шума, очистки и рассеивания в атмосфере массовых выбросов продуктов сгорания ракетного топлива при огневых испытаниях на стендах закрытого типа, а также особенностей устройства и эксплуатации уникальных природоохранных сооружений.

На стенде закрытого типа испытуемый двигатель устанавливается в закрытой бронекамере, а выхлопная струя отводится от сопла по газодинамическому тракту (ГДТ) к устройствам газоочистки, шумоглушения и гидрогашения кинетической и тепловой энергии истекающих продуктов сгорания.

Природоохранная функция сооружений стенда при проведении огневых испытаний ЖРД состоит в следующем. Бронекамера, оснащенная водными и газовыми системами локализации и непрерывного удаления возможных проливов КРТ, обеспечивает взрыво- и пожаробезопасность в нештатных ситуациях, надежную защиту от взрывной волны.

Сверхзвуковая выхлопная струя, преобразованная в выхлопном диффузоре в дозвуковую, отводится к дожигателю, где в нее впрыскивается расчетное количество воды и жидкого О2 для дожигания выхлопных газов. За дожигателем в выхлопную струю снова впрыскивается вода. В результате образуется парогазожидкостная смесь с температурой 120 °С, истекающая через многоканальный насадок в гидрогаситель.

При взаимодействии с водяными струями резко снижается скорость потока, а первичный аэродинамический шум двигателя трансформируется во вторичный, исходящий от парогазожидкостной струи. В гидрогасителе струя взаимодействует в кольцевой камере с массой оборотной воды, вследствие чего происходит окончательное "гашение" основной части ее кинетической и тепловой энергии. Затем охлажденные до температуры 95 °С и очищенные продукты сгорания выбрасываются в атмосферу со скоростью истечения из устья трубы 30...47 м/с. Вследствие рассеивания в атмосфере остаточные концентрации загрязняющих веществ, содержащихся в продуктах сгорания, снижаются до нормативных уровней, обеспечивающих экологическую безопасность для окружающей природной среды и населения.

Уровень аэродинамического шума снижается до нормального значения для жилой зоны 60...70 дБА на расстоянии 500 м от стенда. Полностью подавляется световое излучение от факела двигателя.

Основная роль в снижении до нормативного уровня химического воздействия на окружающую природную среду и население отводится дожигателю выхлопных газов. Предусмотрено удаление (путем дожигания) из состава продуктов сгорания окиси углерода, опасной для окружающей природной среды и людей, а также водорода, взрывоопасного в смеси с кислородом.

Оптимальное отношение массы впрыскиваемой воды к массе выхлопных газов определяется, исходя из необходимости снижения начальной температуры выхлопных газов на выходе из кормового диффузора и входе в дожигатель до уровня 1600...2000К, при котором обеспечивается высокая скорость протекания газофазных реакций окисления СО и Н2 при минимальном синтезе окиси азота (NО). В ходе исследований установлено, что указанное оптимальное отношение находится в пределах от 0,7 до 1,0.

Расход жидкого О2 выбирается таким, чтобы обеспечивалось полное дожигание окиси углерода и водорода. К примеру, при работе двигателя РД-170 на основном режиме выброс окиси углерода составляет 750...830 кг/с, а расход жидкого кислорода на дожигание составляет 800 кг/с.

Дожигание выхлопных газов снижает исходную концентрацию окиси углерода на основном режиме работы двигателя РД-170 с 32 до 2...3 объёмных %. Выброс в атмосферу окиси углерода из трубы рассеивания с такой остаточной концентрацией составляет 33...47 кг/с, а нормативный (предельно допустимый выброс - ПДВ) составляет 50 кг/с.

В процессе эксплуатации стендов закрытого типа было установлено, что в продуктах сгорания за дожигателем кроме СО и окислов азота содержатся примеси и других загрязняющих веществ, в том числе несгоревшие углеводороды и сажа. Их присутствие существенно влияет на суммарную токсичность выбросов в атмосферу и показатель эффективности очистки продуктов сгорания.

Одной из основных токсических примесей в продуктах сгорания, выбрасываемых в атмосферу, является окись азота, которая при температуре окружающей атмосферы медленно окисляется кислородом воздуха в двуокись азота (NО2), относящуюся к веществам второго класса опасности. Предельно допустимая концентрация NО2 в воздухе рабочей зоны составляет 5 мг/м3, для атмосферного воздуха - 0,085 мг/м3.

Как показали специальные экспериментальные исследования, основным источником образования и поступления двуокиси азота в атмосферу при испытаниях двигателей РД-170 является топливная окись азота. По результатам анализа проб продуктов сгорания, отобранных за дожигателем, удельный выход окислов азота (в пересчёте на NO2) составляет 2,5... 3,7 кг/с при ПДВ, равном 3 кг/с. Снижение остаточных концентраций в выбросах до нормативных уровней в атмосферном воздухе достигается, в основном, путем рассеивания.

При контроле качества атмосферного воздуха в период проведения огневых испытаний ЖРД изменения фоновых концентраций SO2 в воздухе не выявлено.

Отдельную группу загрязняющих веществ представляют продукты неполного сгорания и пиролиза ракетного горючего: несгоревших углеводородов, сажи, а также микропримесей: полициклических ароматических углеводородов, в том числе 3,4-бензпирена (С20Н12). Их образование представляет проблему, не решенную до настоящего времени.

Экспериментально установлено, что сажеобразование при горении углеводородного топлива происходит только тогда, когда в горючей смеси содержится значительный избыток горючего. Даже небольшие локальные зоны горения богатых смесей в ГДТ могут оказать существенное влияние на сажеобразование. Сажа образуется при температуре 1750...1800К, а в продуктах сгорания двигателя (на срезе сопла) она может появиться из пристеночного слоя.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) углеводородов в атмосферном воздухе не установлена. Вместе с тем сажа, образующаяся из этих углеводородов, относится к экологически опасным веществам (3-й класс опасности). ПДК в воздухе рабочей зоны - 4 мг/м3, в атмосферном воздухе - 0,15 мг/м3.

Основная масса сажи (до 90 %) улавливается оборотной водой в гидрогасителе, а остальная, в составе парогазожидкостной смеси, выбрасывается в атмосферу. Выброс сажи в атмосферу составляет 0,3... 0,4 кг/с (ПДВ сажи - 0,42 кг/с). Благодаря этому атмосферный воздух сажей не загрязняется, а для почвы она не является загрязняющим веществом.

Еще одним важным экологическим аспектом огневых испытаний ЖРД является образование полициклического ароматического углеводорода 3,4-бензпирена, относящегося к числу наиболее биологически опасных веществ (первый класс опасности) и являющегося явно выраженным канцерогеном. 3,4-бензпирен сорбируется на поверхности частиц сажи.

Учитывая потенциальную опасность этого вещества, в НПО "Энергомаш" совместно с Институтом биофизики в 1989-1990 гг. были проведены специальные исследования, в результате которых было установлено, что концентрация 3,4-бензпирена в атмосферном воздухе при проведении испытаний двигателей РД-170 составляет менее 0,1 ПДК для атмосферного воздуха.

На основании данных многолетнего мониторинга качества атмосферного воздуха, проводимого экоаналитическими лабораториями НПО "Энергомаш", а также по результатам специальных исследований, проведенных в 1996-1997 гг. для оценки влияния огневых испытаний двигателей РД-170 и РД-180 на санитарно-гигиеническую обстановку в санитарно-защитной зоне испытательных стендов и прилежащем районе города, федеральным управлением "Медбиоэкстрем" при Минздраве РФ в 1997 г. было принято решение о снятии ряда ограничений на проведение испытаний ЖРД при направлениях ветра, бывших ранее запретными.