Software & Systems

Программный комплекс моделирования обстановки в чрезвычайной ситуации (ЧС) при аварийном спуске с орбиты космического аппарата (КА) с ядерной энергетической установкой предназначен для оценки риска радиоактивного загрязнения местности в результате неконтролируемого схода этого КА с орбиты Земли.

Программный комплекс построен по блочно-модульному принципу и включает следующие основные компоненты:

-    баллистический блок,

-    блок расчета нуклидного состава ядерного топлива на момент разрушения ядерной энергетической установки,

-    блок моделирования разрушения КА в верхних слоях атмосферы,

-    блок расчета параметров гравитационного оседания частиц,

-    блок расчета сноса частиц воздушными потоками и струйными течениями вне приземного слоя атмосферы,

-    блок расчета переноса частиц в приземном слое атмосферы,

-    блок оценки радиоактивного загрязнения местности.

Структура программного комплекса приведена на рисунке и отражает функциональные связи, определенные в соответствии с концепцией построения системы предупреждения и ликвидации ЧС космического характера [1].

Программный комплекс изначально разрабатывался для информационной поддержки принятия решений по оценке обстановки ЧС, вызванной неуправляемым спуском с орбиты КА с ядерной энергетической установкой, и предназначался для использования в ситуационном центре. В чрезвычайной ситуации данные расчета параметров движения КА и определения нуклидного состава топлива, данные о возможном составе фрагментов и образующихся при разрушении КА мелкодисперсных частиц поступают в ситуационный центр от взаимодействующих организаций в соответствии с разработанными в [1] предложениями. Расчеты в блоках 1–3 при этом не проводятся, эти блоки предназначены для обеспечения исходными данными блоков 4–7.

Блочно-модульный принцип построения программного комплекса позволяет моделировать обстановку для решения широкого круга задач, среди которых можно выделить исследовательские и прикладные задачи прогнозирования обстановки в ЧС, учебные задачи.

В каждой из выделенных групп задач действуют определенные допущения и ограничения.

В последнее время интерес к вопросам безопасности ядерной космической энергетики значительно возрос в связи с работами, ведущимися по перспективным программам освоения космического пространства [2, 3].

В этой связи ведется доработка программного комплекса для проведения исследовательских задач, а также для подготовки специалистов по мониторингу и прогнозированию техногенных ЧС подобного вида [4].

В качестве примера рассмотрим простейший вариант оценки обстановки, которая в данном случае проводится в учебных целях для отработки действий оперативных дежурных смен центров управления в кризисных ситуациях, направленных на выработку решений по предупреждению и ликвидации рассматриваемой ЧС. Специфика решаемой задачи в том, что в условиях ограниченного времени на сбор исходных данных из зоны возможной ЧС большая часть исходных данных для проведения расчетов вводится в ЭВМ из БД, содержащей справочную информацию, полученную из различных источников, в том числе и на основе ранее проведенных тренировок. Соответственно, для учебных целей состав программного комплекса сокращен до отдельной прикладной программы, устанавливаемой на АРМ оценки обстановки в ЧС, вызванной неуправляемым спуском с орбиты КА с ядерной энергетической установкой на борту.

Вводимые оператором данные для работы прикладной программы делятся на данные справочного характера и данные, задаваемые пользователем. Справочные данные включают в себя: ro (кг/м3) – плотность ядерного вещества; ro (j) (кг/м3) – распределение плотности воздуха по слоям атмосферы (j=1,10); с – коэффициент лобового сопротивления частицы; w(j)=w1(j), w2(j) (км/с) – распределение скорости ветра по слоям атмосферы, где w1(j) – зональная составляющая скорости w(j), w2(j) – меридиональная составляющая скорости w (j).

Вводимые пользователем данные: М (кг) – масса радиоактивного вещества на КА; L (км) – протяженность зоны разрушения КА.

Программа предусматривает выбор пользователем одного из четырех вариантов разрушения КА в зависимости от преобладания частиц следующих размеров:

-    малого (0–100 мкм);

-    среднего (100–400 мкм);

-    крупного (400–700 мкм);

-    сверхкрупного (700–1000 мкм).

Учитываются также географическая широта местности и время года.

Алгоритм расчета радиоактивного загрязнения местности в результате неконтролируемого входа в атмосферу Земли КА с ядерной энергетической установкой на борту в обобщенном виде может быть следующим.

Шаг 1. Ввод исходных данных для расчета.

Шаг 2. Моделирование размеров частиц путем генерирования последовательности чисел, распределенных по логнормальному закону в диапазоне 1–1000 мкм по принятии гипотезы о логарифмически нормальном распределении размеров (диаметров) радиоактивных частиц.

Шаг 3. Определение количества мелких (N1), средних (N2), крупных (N3) и сверхкрупных (N4) частиц соответственно.

Шаг 4. Определение массового содержания (M1…M4) частиц для указанной размерности (N1… N4) и их вклад в общую массу M радиоактивного вещества ядерной энергетической установки с учетом плотности частиц.

Шаг 5. Расчет времени оседания T, а также времени t(j) прохождения частиц в каждом j-м слое атмосферы для каждой группы частиц. Расчеты проводятся по моделям гравитационного оседания частиц, что согласуется с основными положениями, принятыми в [5].

Шаг 6. Расчет зонального и меридионального сноса ∆x(j), ∆y(j) при прохождении каждой частицей j-го слоя атмосферы с учетом распределения скорости ветра по высоте, а также итогового зонального и меридионального сноса частиц ветровыми потоками за полное время оседания T.

Шаг 7. Расчет площади радиоактивного загрязнения (S1–S4) частицами каждой группы.

Шаг 8. Определение уровня радиоактивного загрязнения на площадях S1...S4: µ1=M1/S1, µ2=M2/S2, µ3=M3/S3, µ4=M4/S4.

Шаг 9. Вывод результатов расчетов:

-    количественные доли (N1/N, N2/N, N3/N, N4/N) частиц каждой группы;

-    массовые доли (M1/M, M2/M, M3/M, M4/M) частиц каждой группы;

-    абсолютные массы (M1, M2, M3, M4) частиц каждой группы;

-    границы зонального ∆x и меридионального ∆y сносов частиц каждой группы;

-    площади радиоактивного загрязнения местности (S1, S2, S3, S4) частицами каждой группы;

-    общая площадь радиоактивного загрязнения (S=S1+S2+S3+S4);

-    уровни радиоактивного загрязнения местности (µ1=M1/S1, µ2=M2/S2, µ3=M3/S3, µ4=M4/S4) для каждой площади.

Алгоритм реализован в виде программного продукта на языке С++. Данная программа имеет простой интерфейс и не требует специальной подготовки пользователя, работает в интерактивном режиме и снабжена вспомогательными меню для выбора элементов при вводе данных. Необходимые комментарии расположены на рабочих панелях.

Литература

1. Ширшов В.Е. Предложения в проект концепции создания единой системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций космического характера // Двойные технологии. 2000. № 3.

2. Карасев П.А. Ядерные энергетические установки в космосе // Атомная стратегия. № 30. 2007.

3. Андреев П.В., Васильковский В.А. Космическая ядерная энергетика: прошлое, настоящее, будущее // АтомПРЕССА. 2007. № 15.

4. Яковлев О.В., Запорожец С.А. Анализ риска возникновения чрезвычайных ситуаций при эксплуатации космических аппаратов с ядерными энергетическими источниками на борту // Проблемы анализа риска. 2008. Т. 5. № 1.

5. Павлов В.В. Радиоактивные выпадения при разрушении космических ЯЭУ. М.: Энергоатомиздат, 1988.