Бортовая электролизная установка космического аппарата


 

C25B1/04 - Электролитические способы; электрофорез; устройства для них (электродиализ, электроосмос, разделение жидкостей с помощью электричества B01D; обработка металла воздействием электрического тока высокой плотности B23H; обработка воды, промышленных и бытовых сточных вод или отстоя сточных вод электрохимическими способами C02F 1/46; поверхностная обработка металлического материала или покрытия, включающая по крайней мере один способ, охватываемый классом C23 и по крайней мере другой способ, охватываемый этим классом, C23C 28/00, C23F 17/00; анодная или катодная защита C23F; электролитические способы получения монокристаллов C30B; металлизация текстильных изделий D06M 11/83; декоративная обработка текстильных изделий местной

Владельцы патента RU 2525350:

Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" (RU)

Изобретение относится к оборудованию космических аппаратов (КА) и, в частности, к их энергодвигательным системам. Электролизная установка КА включает в себя твердополимерный электролизер, подключенный к системе электропитания КА, и систему водоснабжения. Последняя содержит циркуляционный насос, кислородный и водородный контуры циркуляции воды. Каждый из контуров включает в себя соответствующую полость электролизера и газоотделитель в виде центробежного сепаратора. Сепараторы соединены с общим электроприводом постоянного тока циркуляционного насоса. Этот электропривод подключен к системе электропитания КА последовательно с электролизером. Кислородный контур снабжен входной водяной магистралью с клапаном и в нем установлен теплообменник, подключенный к системе терморегулирования КА. Техническим результатом изобретения является стабилизация режима работы электролизера и повышение надежности бортовой электролизной установки. 1 ил.

 

Изобретение относится к космической технике и может использоваться в системах энергоснабжения космических аппаратов (КА).

Аналогом предлагаемого технического решения является электролизная установка (ЭЛУ) солнечной ракетной кислородно-водородной двигательной установки (патент RU 2310768 С2, 20.11.2007, МПК F02K 11/00 (2006.01), B64G 1/40 (2006.01)), в которой твердополимерный (ТП) электролизер воды используется для получения компонентов топлива кислородно-водородного ракетного двигателя импульсного действия. Данная ЭЛУ предназначена для работы в невесомости, поэтому в ней применяется принудительная система водоснабжения (СВС) электролизера. Вода в электролизные ячейки (ЭЯ) подается насосом, обеспечивающим циркуляцию в замкнутой контуре, включающем, кроме самого насоса, также водородные полости ЭЯ и газоотделитель водорода. Таким образом используется катодная СВС ЭЯ, что позволяет на выходе электролизера получить газообразный кислород без жидкой воды («A water-based propulsion system for advanced spacecraft» Journal AIAA (American Institute of Aeronautics and Astronautics) (USA). Guidance, Navigation, and Control Conference. San Jose: AIAA 2006, pg 426-438). Это исключает необходимость в газоотделителе кислорода и упрощает конструкцию ЭЛУ.

Недостатками такой ЭЛУ являются недостатки, характерные для катодной СВС ТП электролизера в целом:

- ограничения по плотности тока и, как следствие, необходимость в большем количестве ЭЯ для обеспечения заданной производительности ЭЛУ по газам;

- большая вероятность прогорания мембраны (по сравнению с анодной СВС), поскольку степень гидратации мембраны в этом режиме минимальна. Для мембран типа Нафион такой режим часто приводит к обезвоживанию и локальному перегреву.

Для космических ЭЛУ, рассчитанных на длительную автономную работу без техобслуживания, эти недостатки значительны, особенно в данном случае, когда от работы электролизера зависит работа двигательной установки всего КА.

Более приемлемой для КА длительного действия является принятая за прототип ТП ЭЛУ с анодной СВС, используемая в аналогичной схеме ракетной двигательной установки (патент RU 2215891 С2, 10.11.2003, МПК F02K 11/00 (2006.01)). Бортовая электролизная установка космического аппарата включает твердополимерный электролизер, подключенный к системе электропитания аппарата, систему водоснабжения, состоящую из кислородного и водородного контуров циркуляции воды, каждый из которых включает в себя соответствующую полость электролизера, циркуляционный насос и газоотделитель с магистралями выдачи газов, причем кислородный контур снабжен входной магистралью для воды с клапаном. В данном случае вода подается в анодную (кислородную) полость ЭЯ, то есть туда, где идет ее разложение («A water-based propulsion system for advanced spacecraft» Journal AIAA (American Institute of Aeronautics and Astronautics) (USA). Guidance, Navigation, and Control Conference. San Jose: AIAA 2006, p. 426-438). Это обеспечивает комфортный тепловой режим для мембраны ячеек и их максимальную насыщенность водой. Степень гидратации мембраны в этом случае почти на порядок больше, чем при катодном СВС. Соответственно, существенно снижается вероятность прогорания ЭЯ и повышается надежность работы установки в целом.

К недостаткам данной ЭЛУ можно отнести:

- необходимость в двух циркуляционных контурах СВС с двумя насосами и газоотделителями снижает механическую надежность ЭЛУ;

- отсутствие охлаждения воды в кислородном контуре СВС сокращает допустимую длительность непрерывной работы электролизера;

- необходимость контролировать работу агрегатов ЭЛУ с помощью бортовой системы управления, отслеживающей работу всей автоматики КА.

В этом случае неполадки в самой системе управления (например, при воздействии радиации) могут нарушить работу электролизера и привести к нештатной ситуации на борту КА.

Задача данного предложения - снизить вероятность нарушения номинального рабочего режима электролизера, то есть стабилизировать его работу и тем самым повысить надежность бортовой ЭЛУ, не усложняя при этом ее конструкции.

Техническим результатом изобретения является стабилизация режима работы электролизера и повышение надежности бортовой электролизной установки.

Технический результат достигается за счет того, что в бортовую электролизную установку космического аппарата, включающую твердополимерный электролизер, подключенный к системе электропитания аппарата, систему водоснабжения, состоящую из циркуляционного насоса, кислородного и водородного контуров циркуляции воды, каждый из которых включает в себя соответствующую полость электролизера и газоотделитель с магистралями выдачи газов, причем кислородный контур снабжен входной магистралью для воды с клапаном, введен теплообменник, подключенный к системе терморегулирования космического аппарата и установленный в кислородном контуре системы водоснабжения, при этом газоотделители выполнены в виде центробежных сепараторов, которые подсоединены к общему электроприводу постоянного тока, представляющему собой циркуляционный насос, подключенный к системе электропитания космического аппарата последовательно с электролизером.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1), на котором представлена структурная схема предлагаемой установки.

СВС твердополимерного электролизера (1) имеет два циркуляционных контура: водородный контур, состоящий из входной гидромагистрали электролизера (8) и его выходной гидромагистрали (10), а также кислородный контур с входной гидромагистралью электролизера (7), на которой установлен теплообменник (5), подключенный к системе терморегулирования (СТР) КА выходной гидромагистралью электролизера (9), а также входной магистралью для воды (6) с клапаном (16), по которой пополняются запасы воды от бортовой СВС. Гидромагистрали водородного контура (8) и (10) соединяют водородную полость электролизера (1) с центробежным сепаратором (4) с пневмомагистралью для выдачи водорода (12). Гидромагистрали (7) и (9) кислородного контура СВС объединяют кислородную полость электролизера (1) с центробежным сепаратором (3) с пневмомагистралью для выдачи кислорода (11). Оба сепаратора (3) и (4) подключены к общему электроприводу постоянного тока (2), представляющего собой циркуляционный насос (на фиг.1 не показан) кислородного и водородного контура. Одна из клемм электропитания этого привода подключена (линия (13) к питающей клемме электролизера (1) противоположной полярности. Оставшиеся клеммы электропитания привода (2) и электролизера (1) подключены к бортовой системе электропитания (СЭП) линиями (14) и (15) соответственно.

Работает установка следующим образом.

На входной магистрали для воды (6) открывают клапан (16) и заполняют кислородный контур СВС электролизера (1) водой от бортовой СВС КА. В дальнейшем клапан (16) может либо оставаться открытым и будет осуществляться непрерывное пополнение запаса воды в СВС, либо может закрываться и пополнение запаса воды будет периодическим по мере ее выработки.

После заполнения кислородного контура от СЭП КА подают электропитание и в электролизере (1) начинается разложение воды на газы. Образующаяся при этом водогазовая смесь благодаря работающим сепараторам (3) и (4) циркулирует по контурам СВС.

В водородном контуре водоводородная смесь из водородной полости электролизера (1) по гидромагистрали (10) попадает в сепаратор (4), где пузырьки водорода отделяются от жидкой воды и по пневмомагистрали (12) выдаются потребителю. Оставшаяся вода по гидромагистрали (8) возвращается в электролизер (1).

В кислородном контуре водокислородная смесь из кислородной полости электролизера (1) по гидромагистрали (9) поступает в сепаратор (3), где пузырьки кислорода выделяются из воды и газ выдается потребителю по пневмомагистрали (11). Оставшаяся вода возвращается в электролизер (1) по гидромагистрали (7). При этом она проходит через теплообменник (5) и охлаждается (в процессе электролиза происходит нагревание воды в кислородной полости ЭЯ).

В схеме электропитания ЭЛУ по одной клемме электролизера (1) и электропривода (2) с противоположной полярностью соединены внутренней линией (13), а оставшиеся свободными клеммы этих агрегатов внешними линиями (14) и (15) подключаются к СЭП КА, то есть электроснабжение ЭЛУ осуществляется одновременно через электролизер (1) и электропривод (2). В этом случае ток электролиза определяет одновременно режим работы сепараторов, то есть интенсивность охлаждения электролизера. В результате сепараторы, главным образом сепаратор (3), компенсируют случайные отклонения в работе электролизера по току или температуре.

Суть предложения заключается в следующем. Благодаря тому что электролизер и побудитель расхода в его СВС (сепаратор с приводом) включены последовательно в общую цепь электропитания, в схеме образуется отрицательная обратная связь между основными рабочими характеристиками ТП электролизера - током и температурой электролиза. Как известно, такая связь существенно повышает устойчивость работы систем, поскольку любое отклонение одного из рабочих параметров от номинального значения система стремится компенсировать сама, даже без внешнего управления.

Например, случайный рост тока электролиза, приводящий, естественно, к нагреву электролизера (что способствует дальнейшему росту тока) одновременно усиливает и работу электропривода сепараторов, что увеличивает расход воды в кислородном контуре электролизера, где при анодной СВС выделяется основное тепло, и усиливает теплоотвод из него.

Кроме того, надежность такой системы выше, чем у прототипа, благодаря использованию одного, а не двух электромоторов, а также из-за наличия в СВС теплообменника. Последнее позволяет увеличить допустимую длительность непрерывной работы электролизера и, при необходимости, ускорить его выход на рабочий режим за счет опережающего нагрева воды в кислородном контуре СВС.

При работе на высоких давлениях, что целесообразно для изделий ракетно-космической техники, предлагаемую электролизную установку предпочтительно разместить в общем прочном корпусе с соответствующими порталами для подключения к бортовым системам КА.

Бортовая электролизная установка космического аппарата, включающая твердополимерный электролизер, подключенный к системе электропитания аппарата, систему водоснабжения, состоящую из циркуляционного насоса, кислородного и водородного контуров циркуляции воды, каждый из которых включает в себя соответствующую полость электролизера и газоотделитель с магистралями выдачи газов, причем кислородный контур снабжен входной магистралью для воды с клапаном, отличающаяся тем, что в нее введен теплообменник, подключенный к системе терморегулирования космического аппарата и установленный в кислородном контуре системы водоснабжения, при этом газоотделители выполнены в виде центробежных сепараторов, которые подсоединены к общему электроприводу постоянного тока, представляющему собой циркуляционный насос, подключенный к системе электропитания космического аппарата последовательно с электролизером.



 

Похожие патенты:
Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Способ получения магнетита включает окисление железа при проведении электролиза.
Изобретение относится к области технологии изготовления металлооксидных анодов на основе титана с электрокаталитическим покрытием и может быть использовано в различных областях прикладной электрохимии при электролизе растворов широкого диапазона минерализации.

Изобретение относится к электродной промышленности и предназначено для использования при изготовлении графитированных изделий, в частности касается процесса пропитки различными веществами для устранения пористости.

Заявленное изобретение относится к способу электролиза водных растворов хлористого водорода или хлорида щелочного металла. В процессе электролиза хлорида щелочного металла предложено использование катода, потребляющего кислород, для чего процесс протекает при высоком избытке кислорода.

Изобретение относится к водородной энергетике. Технический результат состоит в получении водорода разложением воды с увеличением частоты периодического воздействия напряженностей электрических полей на воду.

Изобретение относится к области химии. Реактор 1 для получения водорода содержит корпус 2, патрубок 10 для подачи воды, патрубок 11 для выхода водорода и патрубок 12 для удаления продуктов реакции водного окисления.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности, в системах производства топлива для транспорта и в стационарных энергоустановках. Способ преобразования солнечной энергии в химическую и аккумулирования ее в водородсодержащих продуктах включает производство биомассы с использованием солнечной энергии, которую подвергают реакции парокислородной каталитической конверсии с получением продуктов реакции, содержащих водород и диоксид углерода.
Изобретение относится к способу активации катода в электролитической ячейке для получения хлората щелочного металла. Способ включает стадию, в которой проводят электролиз электролита, содержащего хлорид щелочного металла, в электролитической ячейке, в которой размещены по меньшей мере один анод и по меньшей мере один катод.
Изобретение относится к способу изготовления материала электрода для электрохимического получения водорода, который заключается в том, что на поверхность электрода наносят порошкообразную композицию Fe-C и осуществляют синтез нанокристаллических элементов Fe-C со средним размером в пределах 10-15 нм обработкой лазерными импульсами с длиной волны 1-1,5 мкм при плотности излучения 107-109 Вт/см2, скорости сканирования лазером 8-15 см/с, частоте импульсов 33-60 кГц в вакууме или в среде аргона, не доводя при этом процесс до плавления и появления карбида железа Fe3C.

Изобретение относится к энергетике, к системе энергоснабжения космических аппаратов и напланетных станций. Электрохимическая система энергоснабжения космического аппарата с замкнутым по воде рабочим циклом включает электролизер воды и кислородо-водородный генератор, гидравлически связанные друг с другом через резервуар сбора воды и пневматически сообщающиеся с баллонами хранения водорода и кислорода, последний из которых соединен с системой обеспечения жизнедеятельности космического аппарата пневмомагистралью с запорным элементом, металло-водородный аккумулятор, имеющий штуцер для водорода, через который он соединен с баллоном хранения водорода пневмомагистралью с запорным элементом.

Изобретение относится к пневмогидравлической системе подачи компонентов топлива реактивной двигательной установки космического аппарата. Топливный бак содержит герметичный корпус, выполненный из двух полусфер с входным и выходным штуцерами и элементами внешнего крепления.

Изобретение относится к аэрокосмической технике, а именно к летательным аппаратам (ЛА). ЛА содержит корпус, реактивные двигатели, блок управления подачи, воспламенения и истечения топлива, блок симметричных конусообразных камер сгорания, два блока выхлопных сопел, блок симметричных изогнутых выхлопных труб с оконечностью.

Изобретение относится к двигательным системам космических аппаратов. Предлагаемая ионная двигательная установка (ДУ) включает в себя источник рабочего тела, выполненный в виде системы хранения и подачи изотопа алюминия 27 с источником паров (ИП) данного изотопа.

Изобретение относится к летательным аппаратам, а именно к летательным пусковым установкам (ЛПУ). ЛПУ содержит связку баков, крепежные средства, крыло, двигатель, полезную нагрузку.

Группа изобретений относится к космической технике, в частности к перемещению в межпланетном пространстве с использованием ресурсов космоса, и может быть использована для ударного воздействия на опасные космические объекты (ОКО).

Изобретение относится к ракетной технике. Блок тяги жидкостного ракетного двигателя содержит раму, камеру сгорания с соплом и устройство защиты блока тяги, имеющее донные экраны.

Изобретение относится к ракетно-космической технике. Двигательная установка включает криогенный бак с экранно-вакуумной теплоизоляцией, расходный клапан, бустерный насос, трубопровод питания, камеру сгорания двигателя и заборное устройство криогенного бака, содержащее нижнее днище криогенного бака, накопитель капиллярного типа с теплообменником под сеточным разделителем и дроссельное устройство.

Изобретение относится к реактивной технике. Покрытие мультипликатора инжекторного ускорителя состоит из плоских, скругленных по углам пластин, изготовленных из легкого, прочного, жаростойкого сплава металла, размерами от 30 мм до 70 мм, толщиной от 3 мм до 5 мм.

Изобретение относится к воздушно-космической технике. Летательный аппарат состоит из жестко связанных с корпусом блока управления, двух реактивных двигателей, двух изогнутых и повернутых в разные стороны выхлопных труб для выхода воспламененного топлива, выходящего также и через выхлопное сопло, размещенной впереди этого сопла камеры сгорания с конусообразным выступом впереди.

Изобретение относится к области космической техники, а более конкретно к способам космического захоронения радиоактивных отходов и космическим аппаратам (КА) с электроракетной двигательной установкой для транспортировки на орбиты захоронения в дальний космос радиоактивных отходов (РАО).

Изобретение относится к измерительным приборам космического аппарата (КА) и может использоваться для высокоточного определения малого приращения скорости поступательного движения КА.
Наверх