Особенности анализа рисков возникновения чрезвычайной ситуации при запуске космических объектов

Язык труда и переводы:
УДК:
504.05
Дата публикации:
30 декабря 2021, 02:17
Категория:
Секция 09. Космонавтика и устойчивое развитие общества (концепции, проблемы, решения)
Авторы
Татаринов Виктор Викторович
МГТУ им. Н.Э. Баумана, ФГБУ ВНИИ ГОЧС
Рожко Олег Игоревич
ФГБУ ВНИИ ГОЧС
Аннотация:
Рассмотрены общие подходы к анализу рисков возникновения чрезвычайной ситуации при запуске космических объектов. На примере ряда пусков ракет космического назначения сформулировано заключение о безопасности трассы запуска и районов падения отделяющихся частей ракеты-носителя (ракеты космического назначения), обладающее достаточной степенью общности. Проведенные оценки могут служить базисом повышения безопасности запусков космических объектов для населения, проживающего в зонах потенциальной опасности.
Ключевые слова:
ракета-носитель, отделяющаяся часть, трасса пуска, точки падения, безопасность населения
Основной текст труда

Трассы пусков ракеты космического назначения (РКН), районы падения отделяющихся частей (ОЧ) РКН и прилегающие к ним территории являются зонами потенциальной опасности в связи с возможностью отказа РКН на активном участке полета и падения аварийного изделия или его фрагментов по трассе полета [1–7].

Падение ОЧ РКН, включая падение несгоревших фрагментов разгонных блоков (блоков выведения) в заблаговременно предусмотренные по трассе запуска космического аппарата (КА) районы падения (РП) ОЧ РКН, являющееся неотъемлемой частью технологического процесса полета РКН для выведения КА, в то же время представляет достоверную опасность для населения и объектов, находящихся в границах этих РП и повышенную на прилегающих территориях [8, 9]. Таким образом, зоны трасс пусков и РП ОЧ РКН могут рассматриваться как потенциально опасные производственные объекты, к которым применимы принципы анализа риска опасных производственных объектов.

Проектирование новых трасс пусков и РП ОЧ РКН предусматривает выполнение мероприятий по обеспечению приемлемой безопасности населения, прежде всего за счет выбора мест размещения РП ОЧ и прохождения трассы пуска.

Алгоритм оценки безопасности для конкретной трассы пуска включает следующие основные этапы.

1. Построение аварийной зоны трассы. Аварийная зона трассы (АЗТ) аппроксимируется полигоном, образованным линиями, ограничивающими зону максимального (с заданной вероятностью) прогнозируемого бокового разброса точек падения РКН в случае аварии.

Исходными данными для построения АЗТ является таблица характеристик аварийной трассы, включающая координаты, дальности падения, максимальные (с заданной вероятностью) продольные и боковые размеры зоны рассевания точек падения РКН и ее фрагментов на земной поверхности при аварийном выключении ДУ в различные моменты полета. Прогнозируемые размеры зоны рассеивания точек падения в продольном и боковом направлении в зависимости от времени наступления отказа определяются предприятием-разработчиком РКН.

АЗТ рассчитывается путем интерполяции последовательности точек левой и правой линий, ограничивающих зону рассеивания точек падения аварийной РКН, и объединения этих линий в объект типа «полигон». Для предварительных оценок границы зон падения аварийной РКН ограничиваются линями, огибающими районы падения ОЧ.

2. Предварительный картографический анализ. Полученная АЗТ наносится на цифровую карту для предварительного картографического анализа. В ходе анализа определяются наземные объекты различного типа, которые попадают в АЗТ и, таким образом, являются потенциальными объектами риска. Картографический анализ проводится с использованием программного обеспечения на базе технологий ГИС. Проводятся количественные оценки числа и характеристик объектов, находящихся в АЗТ. На основании данных об этих объектах делается предварительный качественный вывод о потенциальной опасности или безопасности трассы.

3. Оценка вероятности отказа РКН и плотности распределения отказов по времени полета. Оценивается вероятность отказа на активном участке полета РКН. По результатам проектных проработок или/и на основании анализа статистики отказов РКН строится плотность распределения отказов по времени и с учетом зависимости дальности падения от времени аварийного включения двигателей рассчитывается плотность распределения расчетных дальностей падения аварийной РКН.

4. Расчет плотности распределения точек падения аварийной РКН. Рассчитывается сетка значений плотности распределения точек падения аварийной РКН в системе координат аварийной трассы пуска с заданным шагом по дальности и в боковом направлении. Полученная сетка накладывается на заданный слой географической карты, содержащий, например, полигональные населенные пункты. С помощью процедур пространственного анализа для каждого объекта рассчитываются элементарные площадки пересечения объекта с сеткой и средние значения плотности распределения для площадок, которые используются для оценки вероятности попадания объекта в зону поражения. Кроме того, для каждого объекта дополнительно могут рассчитываться: средняя удаленность объекта от точки старта, средняя боковая удаленность от трассы, площадь или длины (для линейных и площадных объектов карты) участков пересечений объектов и АЗТ.

Район падения отработавшей третьей ступени ракеты-носителя расположен в акватории Северного Ледовитого Океана примерно в 350 км от Северного полюса и примерно в 800 км от северного побережья Канады. Падение ОЧ не представляет опасности для окружающей среды, поскольку ОЧ практически полностью сгорает в атмосфере.

Район затопления фрагментов разгонного блока «Фрегат». Рассмотрим применение предлагаемого подхода на примере затопления несгоревших фрагментов разгонного блока (РБ) «Фрегат».

Зона падения несгоревших фрагментов отработавшего РБ «Фрегат», входящего в состав РКН, расположена в акватории Атлантического Океана со стороны восточного побережья Южной Америки в акватории морского пространства, подведомственного юрисдикции Аргентины, Уругвая, Бразилии. Для конструктивных и материаловедческих особенностей элементов разгонного блока характерно разрушение на мелкие составляющие и практически полное сгорание при прохождении плотных слоев атмосферы с дальнейшим затоплением оставшихся незначительных фрагментов. Происходит полное выгорание остатков топлива. Падение ОЧ РБ «Фрегат» не представляет опасности для судоходства, рыбного промысла и окружающей среды.

Рсчеты показывают, что распределение объектов риска и рисков по различным трассам существенно не равномерно.

Заключение о безопасности трассы запуска и районов падения отделяющихся частей ракет космического назначения с космодрома для выведения космических аппаратов на орбиту содержит:

  • перечень и характеристики населенных пунктов, природных и антропогенных наземных объектов на территориях, прилегающих к трассам пусков и районам падения отделяющихся частей ракеты космического назначения при запусках с космодрома в соответствующем диапазоне наклонений орбит;
  • характеристики и расположение районов падения отделяющихся частей ракет космического назначения (с учетом результатов рекогносцировочных работ);
  • перечень и характеристики основных поражающих факторов в районы падения отделяющихся частей;
  • перечень и характеристики основных поражающих факторов при авариях ракеты-носителя на активном участке полета;
  • оценка вероятностей падения ракеты-носителя на характерных участках полета;
  • оценки показателей риска для населения на территориях, прилегающих к районам падения отделяющихся частей ракет космического назначения;
  • оценки показателей риска для природных и антропогенных наземных объектов на территориях, прилегающих к районам падения отделяющихся частей ракет космического назначения;
  • оценки показателей риска для населения на территориях по трассам пусков ракет космического назначения;
  • оценки показателей риска для природных и антропогенных объектов на территориях по трассам пусков ракет космического назначения .
  • основные результаты и выводы по рассмотренным трассам запуска КА.

В работе решены следующие задачи:

  • разработаны исходные данные по расположению и характеристикам населенных пунктов, объектов инфраструктуры и охраняемых природных объектов по трассовым участкам полета ракеты космического назначения при запуске космического объекта на орбиту;
  • определены перечни и характеристики основных поражающих факторов при возникновении аварийных ситуаций ракет космического назначения на участке активного полета по трассе выведения космического объекта, а также в районах падения отделяющихся частей этих ракет;
  • оценены показатели риска попадания аварийной ракеты космического назначения в объекты инфраструктуры (промышленные и хозяйственные), в охраняемые природные объекты и другие объекты;
  • оценены показатели риска для населения, находящегося по трассе пуска и в районах падения отделяющихся частей ракеты космического назначения;
  • сформулированы основные результаты и выводы по рассмотренным трассам запуска космических объектов.

Показано, что территории по трассам пусков характеризуются, как правило, низкой плотностью населения и слабо развитой инфраструктурой, что создает предпосылки для обеспечения безопасности проведения пусков ракет космического назначения.

Проведенные оценки позволяют сделать выводы и рекомендации для повышения безопасности запусков космических объектов.

Литература
  1. Ehrenfreund P., Peter N., Billings L. Building long-term constituencies for space exploration: the challenge of raising public awareness and engagement in the United States and in Europe // Acta Astronautica. 2010. Vol. 67 (3–4). Pp. 502–512. DOI: 10.1016/j.actaastro.2010.03.002
  2. Patton J. Atlas Emergency Detection System (EDS) // AIAA SPACE 2007 Conference & Exposition. 2007. P. 6127. DOI: 10.2514/6.2007-6127
  3. Capristan F.M., Alonso J.J. Range Safety Assessment Tool (RSAT): An analysis environment for safety assessment of launch and reentry vehicles // 52nd Aerospace Sciences Meeting. 2014. P. 0304. DOI: 10.2514/6.2014-0304
  4. Tao Z., Wang G., Semanek J., Williams A., Schwartz J.L. Assessing factors that affect the safety of space launch and reentry operations in the National Airspace System // AIAA Space. 2016. P. 5322. DOI: 10.2514/6.2016-5322
  5. Nield G.C., Sloan J., Council S., Dunlap M. FAA safety approvals in commercial space transportation // New Space. 2016. Vol. 4 (3). Pp. 133–137. DOI: 10.1089/space.2016.0002
  6. Rising J.M., Leveson N.G. Systems-theoretic process analysis of space launch vehicles // Journal of Space Safety Engineering. 2018. Vol. 5 (3–4). Pp. 153–183. DOI: 10.1016/j.jsse.2018.06.004
  7. Kattakuri V., Panchal J.H. Spacecraft failure analysis from the perspective of design decision-making // ASME 2019 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. American Society of Mechanical Engineers Digital Collection. 2019, August. DOI: 10.1115/DETC2019-98420
  8. Агапов И.В., Шатров Я.Т. Учет показателей безопасности при выборе трасс пусков ракет-носителей и районов падения их отделяющихся частей // Космонавтика и ракетостроение. 1999. № 15. C. 49.
  9. Шатров Я. Т., Агапов И. В. Оценка рисков возникновения чрезвычайных ситуаций по трассам пусков ракет космического назначения. // Актуальные проблемы регулирования природной и техногенной безопасности в XXI веке. 2005. С. 364-367.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.