Энергетическая установка космического аппарата с электрохимическим генератором

Изобретение относится к системам энергообеспечения космических аппаратов, содержащих как ракетные двигатели (РД), так и электрохимические генераторы (ЭХГ) с топливными элементами. Предлагаемая энергетическая установка включает в себя ЭХГ, РД и соединенные с ними системы хранения и подачи углеводородного горючего и кислорода. В установку введены последовательно соединенные риформер парциального окисления и разделитель газов с выходными магистралями по очищенному и неочищенному водороду. Кроме того, введен пусковой водородный буфер, подключенный к ЭХГ. Вход риформера подключен к системам хранения и подачи углеводородного горючего и кислорода. Выходная магистраль разделителя газов по очищенному водороду подключена к пусковому водородному буферу и к ЭХГ, а выходная магистраль по неочищенному водороду соединена с РД. Последний использует неочищенный водород в составе горючего. Техническим результатом изобретения является создание адаптированной для длительных космических полетов энергодвигательной установки, объединенной не только по окислителю (О₂), но и по горючему, в качестве которого используются традиционные для РД углеводороды или спирты. 1 ил.

 

Изобретение относится космической технике и может использоваться в системах энергообеспечения перспективных космических аппаратов (КА), содержащих как ракетные двигатели для создания тяги, так и электрохимические генераторы (ЭХГ) с топливными элементами (ТЭ) для обеспечения КА электроэнергией и теплом.

В последнее время при разработке космических систем (в частности, многоразовых систем, а также систем, предназначенных для длительной работы в космосе) часто используются объединенные энергетические установки, в которых за счет общих компонентов топлива (кислорода и водорода) обеспечивается работа не только ракетных двигателей (РД), но и бортовой системы энергообеспечения КА. Основным элементом таких систем является электрохимический генератор (ЭХГ) с кислородо-водородными топливными элементами (ТЭ). Высокая степень интегрированности объединенных «энергодвигательных» установок КА, а также возможность использовать воду как средство долговременного хранения энергии с высокой удельной плотностью делает целесообразным использование подобных технических решений для КА, предназначенных для дальних космических полетов [1] (аналог).

Общим недостатком подобных технических решений является то, что далеко не во всех КА целесообразно использовать в качестве горючего РД водород, необходимый для работы ЭХГ. Использование в качестве основного горючего на борту КА водорода связано с целым рядом проблем, таких как габаритно-весовые характеристики систем хранения, ресурс хранения, взрывобезопасность и т.д.

Более близким к предлагаемому техническому решению является комическая энергосистема, в которой общим компонентом топлива для РД и ЭХГ является лишь кислород. Горючим же для РД являются, например, традиционные углеводороды или спирты [2] (прототип). В таких энергосистемах водород для ЭХГ хранится в отдельных блоках хранения, не связанных с РД. Однако количество водорода, хранимого на борту для нужд ЭХГ, неизмеримо меньше, чем требуется для работы РД. Системы хранения водорода в этом случае достаточно компактны, от них не требуется большой ресурс хранения водорода, и они сравнительно безопасны.

Недостатком прототипа является то, что:

- на борту КА приходится использовать два различных типа горючего (жидкое - для РД и водород - для ЭХГ). Это в целом усложняет систему топливоснабжения КА и управление ее работой;

- подобные гибридные системы топливоснабжения перестают себя оправдывать при длительных космических полетах, когда ЭХГ работает долго и требуются значительные количества водорода. В этом случае гибридные системы приобретают те же недостатки, что и системы, принятые за аналог [1].

Задачей предлагаемого технического решения является, таким образом, разработка объединенной системы энергообеспечения КА, включающей РД, работающие на жидком горючем, и ЭХГ с кислородо-водородными ТЭ, и объединенными не только по окислителю (O₂), но и по горючему, в качестве которого используются традиционные для РД углеводороды или спирты. Кроме того, задачей технического решения является разработка схемы энергодвигательной установки, адаптированной для длительных космических полетов с использованием традиционных видов ракетного топлива.

Задача решается тем, что в энергетической установке космического аппарата с электрохимическим генератором, включающей ракетный двигатель и соединенную с ним систему хранения и подачи углеводородного горючего, электрохимический генератор, а также систему хранения и подачи кислорода, соединенную как с ракетным двигателем, так и с электрохимическим генератором, состав энергетической установки дополнен последовательно соединенными риформером парциального окисления и разделителем газов с выходными магистралями по очищенному и неочищенному водороду, также пусковым водородным буфером, подключенным к электрохимическому генератору, при этом вход риформера парциального окисления подключен к системам хранения и подачи углеводородного горючего и кислорода, выходная магистраль разделителя газов по очищенному водороду подключена к пусковому водородному буферу и к электрохимическому генератору, а выходная магистраль разделителя газов по неочищенному водороду соединена с ракетным двигателем, использующим неочищенный водород в качестве горючего.

Суть данного изобретения заключается в том, что хотя РД и ЭХГ «энергодвигательной» установки КА работают на различном горючем (углеводородах и водороде соответственно), исходное топливо у них общее - это горючее РД. Водород же, необходимый для работы ЭХГ, получают на борту КА из горючего РД (углеводородов или спиртов) путем его риформинга (преобразования). При этом используется так называемое парциальное окисление горючего РД, в результате которого из углеводорода (или спирта) получают газовую смесь, состоящую в основном из окиси углерода и водорода [3]. После выделения водорода из этой смеси его направляют в ЭХГ, а оставшиеся газы (содержащие часть водорода, окись углерода и некоторые примеси) используют в качестве горючего для РД. При этом водородосодержащую газовую смесь, направляемую в РД, целесообразно использовать для поджига основного горючего в процессе запуска РД. Это обусловлено тем, что водород имеет минимальную среди других горючих энергию воспламенения от электрической искры [3].

Схема предлагаемой энергетической установки дана на чертеже, где обозначено:

1 - ракетный двигатель; 2 - электрохимический генератор (ЭХГ); 3 - система хранения и подачи (СхиП) углеводородного горючего; 4 - система хранения и подачи (СхиП) кислорода; 5 - пусковой водородный буфер; 6 - риформер парциального окисления; 7 - разделитель газов; 8 - выход риформера по очищенному водороду; 9 - выход риформера по неочищенному водороду.

Следует подчеркнуть, в данной схеме ЭХГ (2) обеспечивается водородом от разделителя газов (7) и лишь во время запуска работает от пускового водородного буфера. Габаритно-весовые характеристики пускового водородного буфера (5) при этом незначительны.

В данной установке ракетный двигатель РД (1) соединен со СХиП углеводородного горючего (3) и со СХиП кислорода (4). Последняя соединена также с ЭХГ (2), к которому подключен также пусковой водородный буфер (5). Вход его подключен к выходной магистрали разделителя газов (7) по очищенному водороду (8). Выходная магистраль разделителя газов (7) по неочищенному водороду (9) подключена к ракетному двигателю (1).

Вход разделителя газов (7) подключен к выходу риформера парциального окисления (6), который в свою очередь соединен со СХиП углеводородного горючего (3) и СХиП кислорода (4).

Работает данная установка следующим образом. Углеводородное горючее и кислород поступают в РД (1) КА из СХиП углеводородного горючего (3) и СХиП кислорода (4) соответственно.

Одновременно данные компоненты топлива поступают и в риформер парциального окисления (6), где происходит химическая реакция, в результате которой образуется газовая смесь, содержащая окись углерода и водород. Эта смесь направляется в разделитель газов (7), где из нее выделяется чистый водород. По выходной магистрали (8) последний направляется в пусковой водородный буфер (5), где пополняет запас газа, израсходованного в процессе запуска системы, и поступает в ЭХГ (2).

Оставшаяся газовая смесь из разделителя газов (7) по его выходной магистрали с неочищенным водородом (9) поступает в РД (1).

Таким образом, использование парциального окисления углеводородов (или спиртов) позволяет обеспечить работу ЭХГ без хранения на борту КА значительных количеств водорода. Это повышает интегрированность системы топливоснабжения КА, улучшает ее габаритно-весовые параметры и повышает взрывобезопасность полетов. Расширяются также возможности использования традиционных ракетных горючих для дальних космических полетов.

Литература

1. «Использование электролизеров и ТЭ для космических полетов» AIAA-99-4609, США, 1999 г.

2. Н.С.Лидоренко, Г.Ф.Мучник «Электрохимические генераторы». - М.: Электроиздат, 1982 г., стр.336.

3. «Водород. Свойства, получение, хранение...». Справочник под ред. Д.Ю.Гамбурга. - М.: Химия, 1989 г.

Энергетическая установка космического аппарата с электрохимическим генератором, включающая в себя ракетный двигатель и соединенную с ним систему хранения и подачи углеводородного горючего, электрохимический генератор, а также систему хранения и подачи кислорода, соединенную как с ракетным двигателем, так и с электрохимическим генератором, отличающаяся тем, что в нее введены последовательно соединенные риформер парциального окисления и разделитель газов с выходными магистралями по очищенному и неочищенному водороду, а также пусковой водородный буфер, подключенный к электрохимическому генератору, при этом вход риформера парциального окисления подключен к системам хранения и подачи углеводородного горючего и кислорода, выходная магистраль разделителя газов по очищенному водороду подключена к пусковому водородному буферу и к электрохимическому генератору, а выходная магистраль разделителя газов по неочищенному водороду соединена с ракетным двигателем, использующим неочищенный водород в качестве горючего.