Комбинированный электрохимический ракетный двигатель

Изобретение относится к области космонавтики и космической техники, а именно к двигателям космических аппаратов для длительных орбитальных и межорбитальных полетов, а также для полетов к Луне и планетам. Комбинированный электрохимический ракетный двигатель выполнен для работы на компонентах топлива «перекись водорода (окислитель) и углеводородное горючее» и содержит последовательно соединенные: камеру каталитического разложения окислителя; электрохимический генератор, выполненный в виде электрохимического реактора на базе высокотемпературных топливных элементов с преобразователем тока и модуля конверсии углеводородного горючего; и электрический ракетный двигатель, причем питание электрического ракетного двигателя осуществляется от преобразователя тока электрохимического генератора. Между электрохимическим реактором электрохимического генератора и электрическим ракетным двигателем дополнительно выполнена камера дожигания. Электрохимический реактор и модуль конверсии углеводородного горючего конструктивно объединены в электрохимический реактор с внутренней конверсией углеводородного горючего. Изобретение обеспечивает повышение эффективности (удельного импульса) ракетного двигателя. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области космонавтики и космической техники, а именно к двигателям космических аппаратов.

В настоящее время известно несколько типов ракетных двигателей для космических аппаратов. Так, наибольшее развитие получили жидкостные ракетные двигатели на высокоэффективных химических топливах (например, «водород+кислород»), в которых разгон продуктов сгорания осуществляется газодинамическими силами. Такие двигатели имеют ограниченные значения удельного импульса, определяемые температурой и давлением в камере сгорания, на уровне до 450 с.

Известны [1] гибридные электрохимические ракетные двигатели. Эти двигатели занимают промежуточное положение между высокоэффективными жидкостными ракетными двигателями и электрическими (электродуговыми) ракетными двигателями. В них используются двухкомпонентные химические топлива (например, «водород+кислород»), которые предварительно подогреваются электрическим током. Соответственно, такой двигатель выполнен в виде последовательно соединенных модуля подогрева топлива, конструктивно подобного электродуговому ракетному двигателю, и камеры сгорания с реактивным соплом. Такие электрохимические двигатели обеспечивают получение удельного импульса на уровне от 600 до 1400 с.

Несмотря на преимущество известных электрохимических ракетных двигателей по сравнению с жидкостными ракетными двигателями, их основным недостатком является необходимость наличия на борту космического аппарата дополнительного мощного источника электрической энергии, например, ядерной энергоустановки.

Целью изобретения является повышение эффективности (удельного импульса) ракетного двигателя до уровня известных электрохимических ракетных двигателей и выше без использования дополнительного источника энергии.

Указанная цель достигается тем, что комбинированный электрохимический ракетный двигатель, работающий на топливе «перекись водорода (окислитель)+углеводородное горючее», содержит последовательно соединенные: камеру каталитического разложения окислителя; электрохимический генератор, выполненный в виде электрохимического реактора на базе высокотемпературных топливных элементов с преобразователем тока, и модуля конверсии углеводородного горючего; и электрический ракетный двигатель, например, электродуговой ракетный двигатель. Для дополнительного повышения температуры продуктов сгорания топлива, между электрохимическим реактором электрохимического генератора и электрическим ракетным двигателем дополнительно выполнена камера дожигания ракетного топлива, в которую подается необходимое количество окислителя и горючего. При этом электрохимический реактор и модуль конверсии могут быть конструктивно объединены в одно устройство - электрохимический реактор с внутренней конверсией углеводородного горючего.

На чертеже представлена схема двигателя.

Комбинированный электрохимический ракетный двигатель состоит из камеры каталитического разложения окислителя 1, электрохимического генератора 2, камеры дожигания 3 и электродугового ракетного двигателя 4. Электрохимический генератор 2 состоит из электрохимического реактора 5 с преобразователем тока 6 и модуля конверсии углеводородного горючего 7. Электрохимический реактор 5 выполнен на базе высокотемпературных топливных элементов, работающих на компонентах применяемого ракетного топлива: окислитель - перекись водорода Н₂О₂, горючее - углеводородное, типа керосина.

Двигатель работает следующим образом. В камеру каталитического разложения 1 подается окислитель, и осуществляется реакция его каталитического разложения:

2Н₂O₂=Н₂O+O₂

с выделением тепла. При этом температура продуктов разложения достаточна для работы высокотемпературных топливных элементов, а также пароводяной конверсии углеводородного горючего. Продукты разложения поступают затем в электрохимический генератор 2, в который также подается углеводородное горючее. В модуле конверсии 7 происходят сепарация продуктов разложения на кислород и водяной пар и реакции конверсии углеводородного горючего с водяным паром, например:

СН₄+Н₂O=СО+3Н₂

CH₄+2Н₂O=CO₂+4Н₂

С₃Н₈+Н₂O=3СО+7Н₂

C₃H₈+6Н₂O=3CO₂+10Н₂

С₆Н₁₄+12Н₂O=6CO₂+19Н₂

СО+Н₂O=CO₂+Н₂

и другие [2], с образованием синтез-газа, содержащего свободный водород. Кислород и синтез-газ затем поступают в электрохимический реактор 5.

Для снижения сложности, массы и габаритов конструкции, модуль конверсии 7 и электрохимический реактор 5 могут быть выполнены в виде единого устройства - электрохимического реактора с внутренней конверсией, в которое подаются продукты разложения окислителя и углеводородное горючее.

В результате электрохимической реакции между водородосодержащим синтез-газом, полученным в ходе реакций конверсии, и кислородом, содержащимся в продуктах разложения окислителя, происходящей в топливных элементах, вырабатывается электрический ток. Продукты реакции из реактора 5 с температурой около 1000 К далее подаются в камеру дожигания 3, в которую при необходимости также могут подаваться в необходимом количестве горючее и окислитель. Продукты сгорания из камеры дожигания 3 поступают в электродуговой ракетный двигатель 4. Электрическая энергия, вырабатываемая в электрохимическом реакторе 5, подается от электрохимического генератора 2 к электродуговому ракетному двигателю 4 через преобразователь 6. После дальнейшего разогрева продуктов сгорания в электродуговом ракетном двигателе 4 они истекают через сопло электродугового ракетного двигателя 4, создавая тягу. Вместо электродугового ракетного двигателя в составе комбинированного электрохимического ракетного двигателя также может быть использован электрический ракетный двигатель другого типа, например, сильноточный магнитоплазмодинамический ракетный двигатель, в этом случае ускорение продуктов сгорания в нем осуществляется не только газодинамическими, но и электромагнитными силами.

В зависимости от режима работы двигателя могут изменяться расходы горючего и окислителя, подаваемых в камеру дожигания, а также электрическая мощность электрохимического генератора. Кроме питания электроэнергией электрического ракетного двигателя, может осуществляться питание вырабатываемой электроэнергией бортовых потребителей космического аппарата.

Комбинированный электрохимический ракетный двигатель данной конструкции может найти применение в качестве двигателя космических аппаратов для длительных - от нескольких суток до нескольких лет - орбитальных и межорбитальных полетов, а также для полетов к Луне и планетам. Одним из преимуществ такого двигателя, по сравнению с применяемыми в настоящее время в этих целях жидкостными ракетными двигателями на высококипящих компонентах топлива (например, «азотная кислота+гидразин» или «азотная кислота+несимметричный диметилгидразин»), является относительно низкая токсичность топлива. Это обеспечивает его высокую экологическую и эксплуатационную безопасность, при более высоком уровне удельного импульса.

Источники информации

1. С.Д.Гришин, Л.В.Лесков. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1989 г. - 216 с., стр.173-174.

2. Н.В.Коровин. Топливные элементы и электрохимические установки. - М.: Издательство МЭИ, 2005 г. - 280 с., стр.75.

1. Комбинированный электрохимический ракетный двигатель, отличающийся тем, что выполнен для работы на компонентах топлива «перекись водорода (окислитель) и углеводородное горючее», и содержит последовательно соединенные: камеру каталитического разложения окислителя; электрохимический генератор, выполненный в виде электрохимического реактора на базе высокотемпературных топливных элементов с преобразователем тока, и модуля конверсии углеводородного горючего; и электрический ракетный двигатель, причем питание электрического ракетного двигателя осуществляется от преобразователя тока электрохимического генератора.

2. Комбинированный электрохимический ракетный двигатель по п.1, отличающийся тем, что между электрохимическим реактором электрохимического генератора и электрическим ракетным двигателем дополнительно выполнена камера дожигания ракетного топлива.

3. Комбинированный электрохимический ракетный двигатель по п.1, отличающийся тем, что электрохимический реактор и модуль конверсии углеводородного горючего конструктивно объединены в электрохимический реактор с внутренней конверсией углеводородного горючего.