Электролизная ракетная двигательная установка и способ её эксплуатации

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.