Электролизная ракетная двигательная установка и способ её эксплуатации


F02K99/00 - Реактивные двигательные установки (размещение и крепление реактивных двигательных установок на наземных транспортных средствах или транспортных средствах вообще B60K; размещение и крепление реактивных двигательных установок на судах B63H; управление положением в пространстве, направлением и высотой полета летательного аппарата B64C; размещение и крепление реактивных двигательных установок на летательных аппаратах B64D; установки, в которых энергия рабочего тела распределяется между реактивными движителями и движителями иного типа, например воздушными винтами F02B,F02C; конструктивные элементы реактивных двигателей, общие с газотурбинными установками, воздухозаборники и управление топливоподачей в воздушно-реактивных двигателях F02C)

Владельцы патента RU 2673640:

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

Изобретение относится к двигательным установкам (ДУ) космических аппаратов и может быть использовано в кислородно-водородных двигательных установках с электролизным производством этих газов на космическом аппарате (КА). Электролизная ракетная двигательная установка включает электролизер воды с мембраной, разделяющей его внутреннюю полость на кислородную и водородную камеры, выходы которых соединены магистралями с заправочными клапанами с баллонами кислорода и водорода, которые, в свою очередь, соединены магистралями с электроклапанами со входом двигателя, а также блоки подачи воды и электропитания, подключенные к электролизеру, блок управления, электрически связанный с установленными на электролизере датчиками давления и температуры и с электроклапанами, в нее введены две дополнительные магистрали с электроклапанами, которые соединяют выходы кислородной и водородной камер со входом двигателя, при этом проходные сечения дополнительных магистралей и электроклапанов, установленных на них, выбраны таким образом, чтобы при выпуске газов в двигатель снижение давлений кислорода и водорода в камерах электролизера проходило с одинаковым темпом. Способ эксплуатации электролизной ракетной двигательной установки включает подачу электрического тока и воды в электролизер, контроль давления и температуры в нем, подключение кислородной и водородной камер электролизера к соответствующим баллонам, заполнение упомянутых баллонов до заданного давления, их отключение от выходов кислородной и водородной камер электролизера, а затем подключение в заданный момент времени к двигателю и включение зажигания двигателя, после отключения тока электролизера выходы кислородной и водородной камер одновременно подключают к двигателю, и при работающем зажигании двигателя производят сброс остаточных количеств кислорода и водорода из камер электролизера в двигатель до величины давления в электролизере, равного давлению насыщенного водяного пара при рабочей температуре электролизера. Изобретение обеспечивает повышение безопасности работы двигательной установки за счет снижения давления газов в электролизере после прекращения его работы. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Группа изобретений относится к двигательным установкам (ДУ) космических аппаратов, и может быть использовано в кислородно-водородных двигательных установках с электролизным производством этих газов на космическом аппарате (КА).

К аналогам данного предложения можно отнести патент RU 2215891 от 10.11.2003, МПК: F02K 11/00 (2006.01), а также схему двигательной установки, приведенную в статье А.С. Гуртов и др., «Кислородно-водородная двигательная установка на основе электролиза воды и ЖРДМТ на компонентах Н2+O2 для системы управления МКА», Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, №3(19), 2009, с. 49-58.

В этих установках кислород и водород, производимые в электролизере высокого давления на борту КА, накапливаются в соответствующих баллонах, из которых они в нужное время поступают в газовый ракетный двигатель и создают тягу.

Недостатком этих установок является то, что после завершения накопления газов в баллонах, электролизер в нерабочем обесточенном состоянии остается под тем же давлением, что и газы в баллонах.

По аналогичной схеме работает и солнечная ракетная кислородно-водородная двигательная установка импульсного действия, принятая за прототип устройства и способа эксплуатации (RU 2310768 от 20.11.2007, МПК: F02K 11/00, B64G 1/40 (2006.01).

Она включает в себя электролизер воды с одной или несколькими газоразделительными мембранами, разделяющими его внутреннюю полость на кислородную и водородную камеры, насос для циркуляции газо-водяной смеси в замкнутом водородном контуре, газоотделитель водорода в этом контуре, причем газовые выходы электролизера и газоотделителя соединены магистралями с заправочными клапанами с баллонами кислорода и водорода, которые, в свою очередь, соединены магистралями с электроклапанами со входом двигателя, а также блоки подачи воды и электропитания, подключенные к электролизеру. Не описан, но подразумевается блок управления, электрически связанный с установленными на электролизере датчиками давления и температуры и с электроклапанами.

Способ эксплуатации этой установки включает подачу электрического тока и воды в электролизер, контроль давления и температуры в нем, подключение кислородной и водородной камер электролизера к соответствующим баллонам, заполнение упомянутых баллонов до заданного давления, их отключение от выходов кислородной и водородной камер электролизера, а затем подключение в заданный момент времени к двигателю и включение зажигания двигателя.

Недостатком этой установки и способа ее эксплуатации является то, что после окончания наработки газов и заполнения баллонов электролизер также остается под высоким давлением газов. В данном описании под электролизером понимается устройство, на выходе которого имеются газообразные водород и кислород, т.е. агрегаты для отделения этих газов от жидкости - сепараторы, если они необходимы, входят в состав электролизера. Электролизер воды любого типа состоит из емкостей водорода и кислорода, разделенных тонкими газозапорными мембранами. В емкостях находятся электроды - анод и катод, электролит - вода или раствор щелочи, а также нарабатываемые газы. Электролит может либо циркулировать в контуре, либо находиться в пористой матрице между мембраной и электродами. Мембраны токопроводны и проницаемы для жидкости, и слабопроницаемы для газа. Газопроницаемость мембраны обусловлена диффузией газов, и пропорционально зависит от перепада парциальных давлений каждого газа, абсолютной температуры и толщины мембраны, и не зависит от плотности тока электролиза. Диффузия приводит к взаимному «загрязнению» газов, в нарабатываемом кислороде появляется примесь водорода, а в водороде - примесь кислорода. С увеличением тока электролиза процентное содержание примесей в газах уменьшается, поскольку наработка новых газов растет, а скорость диффузии остается прежней. На практике, при работе электролизера на расчетном режиме взаимное загрязнение газов не превышает 0,5-1% по объему, и не является опасным. Однако при останове электролизера без снижения давления, когда подача тока прекращается, новые порции газов не нарабатываются, а диффузия через мембрану продолжается с той же скоростью, причем диффундирует не только свободный газ, но и газ, растворенный в электролите или воде. При этом через небольшое время после останова, порядка десятка минут, происходит взаимное смешение газов, находившихся по разные стороны мембраны, и содержание водорода в кислороде достигает 5-10%, что превышает минимальную концентрацию водорода для воспламенения смеси - 4%. Указанная особенность работы электролизера под давлением относится как к наземным, так и к космическим электролизерам, но в невесомости дело осложняется еще и тем, что газы не разделяются с жидкостью, а находятся в ней в виде пузырей.

Задача настоящего изобретения состоит в снижении давления газов в электролизере после прекращения его работы так, чтобы не возникало опасной смеси газов из-за диффузии, при этом снижение давления газов должно происходить без потери этих газов.

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение безопасности работы двигательной установки.

Технический результат достигается тем, что в электролизную ракетную двигательную установку, включающую электролизер воды с мембраной, разделяющей его внутреннюю полость на кислородную и водородную камеры, выходы которых соединены магистралями с заправочными клапанами с баллонами кислорода и водорода, которые, в свою очередь, соединены магистралями с электроклапанами со входом двигателя, а также блоки подачи воды и электропитания, подключенные к электролизеру, блок управления, электрически связанный с установленными на электролизере датчиками давления и температуры и с электроклапанами, введены две дополнительные магистрали с электроклапанами, которые соединяют выходы кислородной и водородной камер со входом двигателя, при этом проходные сечения дополнительных магистралей и электроклапанов, установленных на них, выбраны таким образом, чтобы при выпуске газов в двигатель снижение давлений кислорода и водорода в камерах электролизера проходило с одинаковым темпом.

Технический результат достигается также тем, что в способе эксплуатации электролизной ракетной двигательной установки, включающем подачу электрического тока и воды в электролизер, контроль давления и температуры в нем, подключение кислородной и водородной камер электролизера к соответствующим баллонам, заполнение упомянутых баллонов до заданного давления, их отключение от выходов кислородной и водородной камер электролизера, а затем подключение в заданный момент времени к двигателю и включение зажигания двигателя, после отключения тока электролизера выходы кислородной и водородной камер одновременно подключают к двигателю, и при работающем зажигании двигателя производят сброс остаточных количеств кислорода и водорода из камер электролизера в двигатель до величины давления в электролизере, равного давлению насыщенного водяного пара при рабочей температуре электролизера.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема предлагаемой электролизной ракетной двигательной установки.

Она включает в себя электролизер 1, состоящий из кислородной камеры 2, водородной камеры 4, мембраны 3, датчиков температуры 5 и давления 6, баллонов водорода 9 и кислорода 13, двигателя 11, заправочных магистралей водорода 16 и кислорода 17 с заправочными клапанами подачи водорода 7 и кислорода 15 в баллоны 9, 13, магистрали выдачи водорода 18 с клапаном выдачи 10, магистрали выдачи кислорода 19 с клапаном выдачи 12 в двигатель 11, а также включает дополнительные магистрали 20 и 21 с электроклапанами 8 и 14 для подачи водорода и кислорода из электролизера 1 напрямую в двигатель 11. Кроме того, в состав установки входят не показанные на чертеже блоки подачи воды и электропитания в электролизер и блок управления, связанный со всеми датчиками и клапанами.

Предложенная установка работает следующим образом.

В исходном состоянии все клапаны закрыты, электролизер 1 выключен. По команде блока управления (на чертеже не показан) электролизер 1 подключают к блокам подачи воды и электропитания (на чертеже не показаны), открывают заправочные клапаны 7 и 15 заправочных магистралей 16 и 17 подачи газов в баллоны 9, 13, и электролизные газы - водород и кислород заполняют баллоны 9 и 13. В процессе работы электролизера блок управления контролирует его температуру по датчику 5 и давление по датчику 6. При достижении заданного давления в баллонах 9 и 13 электролизер отключают от блока электропитания и заправочные клапаны 7 и 15 закрывают. Эти два клапана могут быть либо электрическими, и закрываться по команде блока управления, либо механическими (обратными). В последнем случае они закрываются самостоятельно после остановки потока газов. После этого с помощью блока управления открывают электроклапаны 8 и 14 на дополнительных магистралях 20 и 21 и направляют водород и кислород из газовых камер: водородной 4 и кислородной 2 электролизера 1 в двигатель 11 и включает зажигание двигателя. В процессе выдачи газов блок управления контролирует давление в электролизере 1 с помощью датчика давления 6. Для того, чтобы давление водорода в камере 4 и давление кислорода в камере 2 снижались с примерно одинаковой скоростью, и между этими камерами не возникало существенного перепада давлений, при проектировании установки выбирают соответствующие диаметры проходных сечений магистрали водорода 20 и клапана 8, а также магистрали 21 и клапана 14. Эти сечения зависят от объемов камер 4 и 2. Для более точного выравнивания давлений водорода и кислорода в составе электролизера обычно применяется специальный регулятор. Когда давление газов в камерах 4 и 2 электролизера 1 упадет до величины давления насыщенного водяного пара при рабочей температуре электролизера, блок управления закрывает электроклапаны 8 и 14. Зависимость давления пара от температуры должна быть заранее введена в память блока управления.

После этого в камерах 2 и 4 электролизера 1 из газов остается практически только водяной пар, давление которого будет постепенно снижаться по мере охлаждения электролизера 1. Этот водяной пар является консервационным газом при хранении электролизера между циклами его работы.

Например, в электролизере щелочного типа при рабочей температуре 70°С и концентрации щелочи 30%, давление водяного пара составляет 20 кПа. Значит, клапаны 8 и 14 должны закрываться при достижении этого давления по датчику 6.

Предложенное устройство и способ позволяют повысить пожаро-взрывобезопасность установки за счет удаления водорода и кислорода из электролизера по окончании его работы, и полностью утилизировать наработанные электролизные газы в двигателе.

1. Электролизная ракетная двигательная установка, включающая электролизер воды с мембраной, разделяющей его внутреннюю полость на кислородную и водородную камеры, выходы которых соединены магистралями с заправочными клапанами с баллонами кислорода и водорода, которые, в свою очередь, соединены магистралями с электроклапанами со входом двигателя, а также блоки подачи воды и электропитания, подключенные к электролизеру, блок управления, электрически связанный с установленными на электролизере датчиками давления и температуры и с электроклапанами, отличающаяся тем, что в нее введены две дополнительные магистрали с электроклапанами, которые соединяют выходы кислородной и водородной камер со входом двигателя, при этом проходные сечения дополнительных магистралей и электроклапанов, установленных на них, выбраны таким образом, чтобы при выпуске газов в двигатель снижение давлений кислорода и водорода в камерах электролизера проходило с одинаковым темпом.

2. Способ эксплуатации электролизной ракетной двигательной установки, включающий подачу электрического тока и воды в электролизер, контроль давления и температуры в нем, подключение кислородной и водородной камер электролизера к соответствующим баллонам, заполнение упомянутых баллонов до заданного давления, их отключение от выходов кислородной и водородной камер электролизера, а затем подключение в заданный момент времени к двигателю и включение зажигания двигателя, отличающийся тем, что после отключения тока электролизера выходы кислородной и водородной камер одновременно подключают к двигателю, и при работающем зажигании двигателя производят сброс остаточных количеств кислорода и водорода из камер электролизера в двигатель до величины давления в электролизере, равного давлению насыщенного водяного пара при рабочей температуре электролизера.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к космической технике, а именно к аммиачным корректирующим двигательным установкам с электротермическими микродвигателями, устанавливаемым на меневрирующих малых космических аппаратах.

Изобретение относится к ракетной технике и может быть применено для запуска ЖРД. Жидкостной ракетный двигатель содержит блок управления, камеру, турбонасосный агрегат, содержащий установленные на валу турбину, насосы окислителя и горючего и газогенератор, установленный на нем и соединенный газоводом с камерой, запальные устройства на камере сгорания и газогенераторе, электрогенератор, установленный на валу турбонасосного агрегата, соединенный силовыми кабелями с средством интенсификации горения, при этом в качестве средства интенсификации горения применены СВЧ-излучатели, установленные на поверхности камеры и/или газогенератора.

Изобретение относится к космической технике и может использоваться для корректировки орбиты обитаемых космических аппаратов (КА). Импульсная реактивная двигательная установка космического аппарата включает твердополимерный электролизер воды, вход водородной полости которого гидравлически связан с герметичным резервуаром с водой, имеющим штуцер наддува, газожидкостной сепаратор, подключенный к выходу водородной полости электролизера и связанный с ее входом байпасной гидромагистралью, на которой установлен насос, баллон для хранения водорода и реактивный двигатель, соединенные пневмомагистралью с клапаном, а также управляемый источник тока, подключенный к электролизеру.
Ракетный двигатель содержит камеру сгорания, причем в камеру сгорания подается боран, или силан, или фосфин, или герман, или другие гидриды, имеющие положительную энтальпию образования из простых веществ, или их смесь при температуре, обеспечивающей самоподдерживающийся характер реакции термического разложения указанных веществ за счет тепла экзотермической реакции.
Ракетный двигатель содержит камеру сгорания с соплом. В камеру сгорания подают жидкий металл и воду.
Ракетный двигатель содержит камеру сгорания с соплом, в которую под давлением подается газообразный, или жидкий, или расплавленный гидрид и вода или антифриз на основе воды, или водяной пар.
Ракетный двигатель содержит камеру сгорания с соплом. В камеру сгорания подается расплавленного гидрида бериллия 40,81±20% и 59,19±20% кислорода или компоненты в следующем соотношении: диборана 10,10%, гидрида бериллия 24,16%, азотной кислоты 23,0% и метана 42,74%.
Ракетный двигатель содержит камеру сгорания, в которую под давлением подается смесь борана и аммиака, или раствор или эмульсия борана в жидком аммиаке. Компоненты подаются в следующем соотношении: диборан 44,8±10%, аммиак 55,2±10%.
Ракетный двигатель содержит камеру сгорания, в которую под давлением подается смесь борана и гидразина, или раствор или эмульсия борана в жидком гидразине. Компоненты подаются в следующем соотношении: диборан 46,33±10%, гидразин 53,67±10%.

Изобретение относится к области ракетных двигателей, в частности к ракетным двигателям с центральным телом с вихревым процессом горения, и может быть использовано в ракетно-космической технике.

Изобретение относится к космической технике. Космический аппарат (КА) содержит два телескопа, закрепленных на опорных узлах верхнего пояса фермы, и модуль служебных систем.

Группа изобретений относится к ракетно-космической технике. Способ термостатирования бортовой аппаратуры полезного груза (ПГ), размещенного внутри головного обтекателя (ГО) космической головной части (КГЧ) ракеты космического назначения (РКН), включает вдув термостатирующей среды во внутреннее пространство ГО, ее перетекание вдоль ГО с последующим истечением из него.

Изобретение относится к наземным электротехническим испытаниям космических аппаратов. Способ заключается в проведении заряда и разряда аккумуляторных батарей (АБ) с активным термостатированием и контролем температуры штатных АБ и в хранении их без проведения термостатирования.

Изобретение относится к управлению ориентацией космического аппарата (КА) с солнечными батареями (СБ). Способ включает ориентацию первой оси КА на центр Земли путем разворотов относительно второй и третьей осей по информации с прибора ориентации на Землю, а также ориентацию панелей СБ на Солнце путем разворота КА относительно первой оси до совмещения второй оси КА с плоскостью Солнце - КА - Земля по информации с прибора ориентации на Солнце (ПОС).

Изобретение относится к управлению ориентацией космического аппарата (КА) с солнечными батареями (СБ). Способ включает ориентацию первой оси КА на центр Земли путем его разворотов вокруг второй и третьей осей по информации с прибора ориентации на Землю.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при создании связных (телекоммуникационных) космических аппаратов (КА) для бесконтактного неразрушающего контроля качества полупроводниковых фотопреобразователей (ФП) солнечных батарей (БС).

Изобретение относится к средствам увода с орбиты выработавших свой ресурс или отказавших автоматических космических аппаратов (КА). Устройство содержит контейнер (1) с надувной конструкцией в виде эластичной оболочки (2), механизм ее крепления к контейнеру, выталкивания и раскрытия.

Группа изобретений относится к ракетной технике. В первом варианте космической головной части (КГЧ), включающей переходной отсек для крепления головного обтекателя и полезную нагрузку, на внутренней поверхности переходного отсека посредством узлов крепления размещены отделяемые части разделяемых плат электросоединителей и бортовая аппаратура.

Изобретение относится к спутниковым системам наблюдения Земли. Способ включает перевод спутника с кратной геосинхронной орбиты на близкую по высоте компланарную квазисинхронную орбиту с малой периодичностью наблюдения заданного района Земли.
Изобретение относится к системам автоматической стыковки космических аппаратов (КА). Устройство автоматической стыковки КА в операциях орбитального обслуживания содержит штырь на обслуживающем КА и коническое гнездо на обслуживаемом КА.

Изобретение относится к области космической техники. Способ подачи топлива из бака в камеру сгорания жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) космического аппарата (КА) включает вытеснение топлива из сжимающей полости, образованной эластичной перегородкой бака, внешним механическим давлением газа на поверхность эластичной перегородки до полного освобождения бака от топлива.

Изобретение относится к двигательным установкам космических аппаратов и может быть использовано в кислородно-водородных двигательных установках с электролизным производством этих газов на космическом аппарате. Электролизная ракетная двигательная установка включает электролизер воды с мембраной, разделяющей его внутреннюю полость на кислородную и водородную камеры, выходы которых соединены магистралями с заправочными клапанами с баллонами кислорода и водорода, которые, в свою очередь, соединены магистралями с электроклапанами со входом двигателя, а также блоки подачи воды и электропитания, подключенные к электролизеру, блок управления, электрически связанный с установленными на электролизере датчиками давления и температуры и с электроклапанами, в нее введены две дополнительные магистрали с электроклапанами, которые соединяют выходы кислородной и водородной камер со входом двигателя, при этом проходные сечения дополнительных магистралей и электроклапанов, установленных на них, выбраны таким образом, чтобы при выпуске газов в двигатель снижение давлений кислорода и водорода в камерах электролизера проходило с одинаковым темпом. Способ эксплуатации электролизной ракетной двигательной установки включает подачу электрического тока и воды в электролизер, контроль давления и температуры в нем, подключение кислородной и водородной камер электролизера к соответствующим баллонам, заполнение упомянутых баллонов до заданного давления, их отключение от выходов кислородной и водородной камер электролизера, а затем подключение в заданный момент времени к двигателю и включение зажигания двигателя, после отключения тока электролизера выходы кислородной и водородной камер одновременно подключают к двигателю, и при работающем зажигании двигателя производят сброс остаточных количеств кислорода и водорода из камер электролизера в двигатель до величины давления в электролизере, равного давлению насыщенного водяного пара при рабочей температуре электролизера. Изобретение обеспечивает повышение безопасности работы двигательной установки за счет снижения давления газов в электролизере после прекращения его работы. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх