Розробка системи контролю шкідливих речовин в процесі запуску аерокосмічних апаратів

Назарчук М.А., Іванець О.Б.

(Національний авіаційний університет,Київ)

Розробка системи контролю шкідливих речовин в процесі запуску аерокосмічних апаратів

В роботі проведений аналіз шкідливих речовин, що виділяються в процесі запуску ракетоносіїв. Данний аналіз став передумовою для розробки автоматизованої системи газового контролю який дозволяє підвищити рівень безпеки персоналу, що контролює процес запуску. В роботі представлений склад системи контролю та обґрунтовані основні функції які вона має виконувати в процесі її експлуатації.

Невпинно розвивається світова космічна галузь і Україна в цьому питання відіграє не останю роль. Проте які в медалі є дві сторони, так і космічна галузь має свої плюси і мінуси. Зокрема, серед мінусів яскравим прикладом є застосування ракетного топлива, складові якого під час згорання перетворюються в небезпечні речовини, які згубно діють на організм людини. Тому в останні роки гостро постає питання захисту персоналу від шкідливого впливу продуктів згорання ракетного палива, особливо при невдалих запусках, які можуть завершитись непоправними наслідками.

Основною метою виконання робіт є розробка та виготовлення комплекту засобів автоматизованого управління та обробки інформації системи газового контролю СК, призначеного для збору і обробки вимірювальної та діагностичної інформації від газоаналізаторів ГК-4 і газоаналізаторів СФГ-М, видачі сигналів на включення аварійної вентиляції.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні основні задачі:

1. Проаналізувати види ракетного топлива, що застосовується.

2. Визначити вплив продуктів згорання ракетного топлива на організм людини.

3. Розробити систему газового контролю, яка фіксуватиме рівень шкідльвих речовин в повітрі приміщень.

Рідке паливо включає в себе два компоненти - окислювач і пальне. В якості окислювача використовуються кисень (O ₂)_, азотна кислота (HNO ₃₎ і чотириокис азоту (N ₂ O _4). В якості пального використовуються гас, етиловий спирт (C ₂ H ₅ OH), несиметричний диметил гідрозін (НДМГ, H ₂ NN (CH ₃) ₂) і водень (H ₂). Найкращим паливом, з точки зору екологічної безпеки, є водень у вигляді пального і кисень у вигляді окислювача, так як ці речовини абсолютно не токсичні і в процесі горіння в камері згоряння не дають ніяких шкідливих продуктів згоряння. Але при виборі палива враховуються не тільки екологічні вимоги, але й конструктивні особливості ракет та інших літальних апаратів. Для конструкторів важлива щільність палива і температура його кипіння і плавлення. З цієї точки зору водень як паливо зовсім не ідеальний, тому що він вибухонебезпечний і займає великий обсяг з-за своєї малої щільності. Самий конструктивно зручний вид палива це НДМГ і азотна кислота. У рухових установках ракет-носіїв, що запускаються з космодрому, використовується двокомпонентне рідке ракетне паливо, одним з компонентів рідкого ракетного палива є несиметричний диметилгідразин, який є одним з найбільш токсичних компонентів ракетного палива й інакше називається "гептил". При вдиханні парів можливий кашель, біль у грудній клітці, хрипота і почастішання дихання, нудота, кроветеча носа та вух; у великих концентраціях може наступити втрата свідомості. Тому актуальною задачею є розробка системи автоматизованого контролю за вмістом небезпечних речовин, що виділяються в процесі згорання ракетного палива.

Комп’ютеризована система автоматизованого керування (КСАК) має наступний склад:

- Автоматизоване робоче місце оператора СГК СК (АРМ СГК СК), розташоване на командному пункті (КП) - шафа ПЕОМ;

- Місцеві автоматизовані робочі місця оператора СГК СК (МАРМ СГК СК), розташовані в кожному контрольованому споруді (ГП-1, ДП-6, ГП-7);

- Програмовані логічні контролери, розташовані в кожному контрольованому споруді (ГП-1, ДП-6, ГП-7);

- Комплект кабелів, у тому числі технологічних;

- Комплект експлуатаційних документів.

КСАК забезпечує виконання таких основних функцій:

а) обробку вимірювальної інформації (концентрацій парів окислювача, пального, об'ємної частки кисню) і діагностичної інформації, поступаю-щей від газоаналізаторів ГК-4 (по інтерфейсу RS-485) і від газоаналізаторів СФГ-М (по інтерфейсу RS-485 через блоки БУС-4Т-01 і за допомогою уніфікованогоного токового сигналу 4-20 мА);

б) автоматичну видачу на систему вентиляції сигналу «Включення вентиляції» при досягненні змісту вимірюваних компонентів палива 1 гранично допустима концентрація (ГДК) і вище або об'ємної частки кисню нижче 19%.

КСАК забезпечує виконання таких додаткових функцій:

а) час запізнення видачі сигналів на включення аварійної вентиляції не більше 1 секунди після отримання вимірювальної інформації;

б) автоматичний безперервний контроль справності обладнання КСАУ;

в) відображення результатів автоматичного тестового контролю обладнання, одержуваних від СГК при включенні з відображенням результатів контролю й справності активного обладнання;

г) відображення інформації про стан та режим роботи пристроїв системи в графічній і цифровій формі по кожному контрольованому приміщенню (контур приміщення із зазначенням розташування в ньому точок контролю з індикацією значень концентрацій парів КТ і об'ємної частки кисню в цифровій формі в кожній точці контролю; відображення інформації про стан сигналізаторів, світлових і звукових сигналів, стан устаткування - "включений", "вимкнений", "відмова") в кожному приміщенні;

д) протоколювання роботи СГК , ведення баз даних інформації, вивод інформації на принтер;

е) контроль цілісності ланцюгів кабельної мережі, що входить до КСАУ;

ж) локалізацію несправності обладнання КСАУ з точністю до одного блоку;

з) контроль електричної стикування обладнання КСАУ.

Час приведення КСАУ в працездатний стан з моменту по-дачі електроживлення має становити не більше 5 хвилин.

Для практичної реалізації даної системи використовуються шафи програмованих логічних компонентів (ШПЛК), які розміщуються в приміщеннях, в яких здійснюється контроль за запуском ракетоносіїв. Данні шафи з комплексом датчиків які розташовані в окремих модулях приміщення є однією з головних частин системи контролю. На рис. 1 представлена схема розміщення ШПЛК відносно приміщення, в якому здійснюється контроль шкідливих речовин. Так при виявленні шкідливих речовин у кількості 1 ГДК та наявністю кисню у кількості менше 19% система датчиків фіксують данні значення, передають до програмованих логічних компонентів, які обробляють дану інформацію та посилають сигнал на пульт управління та на систему увімкнення вентиляції. Це дає змогу попередити отруєння персоналу, який здійснює обслуговування та експлуатацію в приміщеннях запуску ракет-носіїв.

Рис. 1. Система розміщення шафи програмованих логічних компонентів

При розробці КСАУ повинна бути реалізована наступна ідеологія побудови і принцип дії КСАУ:

- Контроль роботи СГК СК здійснює АРМ СГК СК;

- Збір, обробку вимірювальної та діагностичної інформації, видачу сигналів на включення вентиляції, контроль справності блоків СГК, здійснюють програмовані логічні контролери (ПЛК);

- Пристрої вводу/виводу встановлюються на кожен канал прийому/передачі сигналів від апаратури СКГ СК.

АРМ СГК СК забезпечує:

- Контроль виконання ПЛК алгоритмів роботи системи;

- Графічне відображення інформації в реальному масштабі часу;

- Ведення і зберігання локальних баз даних;

- Обробку запитів та надання даних суміжним системам;

- Цілісність оперативних і додаткових даних у процесі їх збору, зберігання і обробки запитів.

Надійність КСАУ та її складових частин характеризується такими значеннями показників надійності:

- Середнє напрацювання на відмову не менше 10000 годин;

- Призначений ресурс не менше 30000 годин;

- Термін експлуатації - 15 років;

- Середній час відновлення працездатного стану системи - не більше 30 хвилин.