Система хранения и подачи иода

Предлагаемое изобретение относится к области электроракетных двигателей, в частности к системам хранения и подачи в них рабочего тела (иода). В системе хранения и подачи иода, содержащей снабженную нагревателем цилиндрическую емкость с иодом, которая сообщена с электроракетным двигателем трубопроводом с клапаном, на днище внутри цилиндрической емкости со стороны трубопровода установлена пористая шайба, контактирующая с кристаллическим иодом, причем цилиндрическая емкость со стороны, противоположной трубопроводу, содержит фланец и подпружиненный относительно него поршень, контактирующий с другой стороны с кристаллическим иодом, при этом нагреватель снабжен электрической изоляцией, контактирующей снаружи с днищем емкости со стороны трубопровода. Причем в системе подачи иода поршень выполнен составным в виде наружного стакана, контактирующего с цилиндром емкости, и вставленного в него внутреннего стакана, при этом днища стаканов обращены в разные стороны и между его днищами установлена пружина. Изобретение направлено на обеспечение стабильной подачи иода при любом расположении цилиндрической емкости в условиях гравитации и микрогравитации. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области систем хранения и подачи иода с заданным расходом в установки различного назначения, в частности в электроракетные двигатели (ЭРД).

Конструкция системы хранения и подачи рабочего тела (СХП РТ) в стационарные ЭРД зависит от того, в каком состоянии это рабочее тело хранится. Например, инертный газ ксенон, как правило, хранится в газообразном состоянии при высоком давлении. В таком случае СХП РТ содержит баллон высокого давления, ресивер, теплообменник, клапаны, редуктор, датчики давления и температуры [Островский В.Г., Сухов Ю.И. «Разработка, создание и эксплуатация ЭРД и ЭРДУ в ОКБ-1 - ЦКБЭМ - НПО «Энергия» - РКК «Энергия» (1958-2011)» под редакцией и при участии Соколова Б.А. Ракетно-космическая техника. Труды РКК "Энергия". Сер.XII. Вып.3-4, 2011 г., стр.119-120].

Ввиду небольшой плотности газа и большого количества арматуры недостатком такой СХП РТ является ее большая масса и габариты.

При использовании металлического рабочего тела габаритные размеры баков с рабочим телом могут быть уменьшены за счет большой плотности металла. Например, в работе [Островский В.Г., Сухов Ю.И. «Разработка, создание и эксплуатация ЭРД и ЭРДУ в ОКБ-1 - ЦКБЭМ - НПО «Энергия» - РКК «Энергия» (1958-2011)» под редакцией и при участии Соколова Б.А. Ракетно-космическая техника. Труды РКК "Энергия". Сер.XII. Вып.3-4, 2011 г., стр.81] приведен вариант пневмогидросхемы на рабочем теле ртути. СХП ртути состоит из баков, разделенных с помощью гибкой перегородки на две герметичные емкости. Одна из емкостей сообщается через пневмоблок и арматуру с газовым баллоном, заполненным азотом, а другая заполнена ртутью и через электропневмоклапан и фильтр гидравлически связана с магистралью, к которой через электромагнитные дроссели подключены ЭРД. Однако от применения ртути отказались вследствие ее токсичности. Другие металлические рабочие тела, например, висмут, имеют высокие температуры фазовых переходов, что значительно усложняет СХП РТ и увеличивает интенсивность конденсации их на поверхности КА.

За прототип предлагаемого изобретения принята электроракетная двигательная установка (ЭРДУ) [Патент RU 2308610. Электроракетная двигательная установка и способ ее эксплуатации Островский В.Г. 20.10.2007], более 90% рабочего тела которой составляет иод. В этой ЭРДУ СХП выполнена в виде содержащей иод емкости, снабженной нагревателем и соединенной трубопроводом с анодом ЭРД.

К недостаткам прототипа относятся большие потери энергии для испарения всей массы иода в емкости, которая может составлять сотни килограмм. Кроме того, при работе в космосе при микрогравитации иод будет перемещаться по объему емкости, не прижимаясь к ее стенкам. При этом передача тепла от нагревателя будет происходить излучением, значительно снизив свою эффективность, т.е. КПД.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение КПД СХП иода при работе ЭРДУ в космическом пространстве.

Задача решается следующим образом.

В системе хранения и подачи иода, содержащей снабженную нагревателем цилиндрическую емкость с иодом, которая сообщена с электроракетным двигателем трубопроводом с клапаном, на днище внутри цилиндрической емкости со стороны трубопровода установлена пористая шайба, контактирующая с кристаллическим иодом, причем цилиндрическая емкость со стороны, противоположной трубопроводу, содержит фланец и подпружиненный относительно него поршень, контактирующий с другой стороны с кристаллическим иодом, при этом нагреватель снабжен электрической изоляцией, контактирующей снаружи с днищем емкости со стороны трубопровода.

Причем в системе подачи иода поршень выполнен составным в виде наружного стакана, контактирующего с цилиндром емкости, и вставленного в него внутреннего стакана, при этом днища стаканов обращены в разные стороны и между его днищами установлена пружина.

На фиг.1 представлен общий вид СХП иода, которая состоит из цилиндрической емкости 1 с днищем 2, герметично соединенным трубопроводом 3, снабженным клапаном 4, с электроракетным двигателем. Цилиндрическая емкость 1 со стороны, противоположной трубопроводу 3, содержит фланец 5 и подпружиненный относительно него поршень. Поршень выполнен составным в виде наружного стакана 6 с днищем 7, контактирующего с внутренней цилиндрической поверхностью емкости 1, и вставленного в него внутреннего стакана 8 с днищем 9, при этом днища стаканов 7 и 9 обращены в разные стороны и между ними установлена пружина 10. Днище наружного стакана 7 контактирует с кристаллическим иодом 11. Причем на днище 2 внутри емкости 1 установлена пористая шайба 12, контактирующая с кристаллическим иодом 11, при этом нагреватель 13 снабжен электрической изоляцией 14, контактирующей с днищем 2 снаружи цилиндрической емкости 1 и окруженной радиационными экранами 15. На фиг.2 показано положение стаканов 6 и 8 в конце работы СХП. Пространство между стаканами 6 и 8 и цилиндрической емкостью 1 минимальное.

СХП иода работает следующим образом.

В цилиндрической емкости 1 демонтируют фланец 5 и поршни 6 и 8 с пружиной 10. Засыпают кристаллический иод 11 в цилиндрическую емкость и вставляют наружный стакан 6 поршня днищем 7, обращенным к иоду 11. В полость наружного стакана 6 вставляют внутренний стакан 8 с пружиной 10, установленной между обращенными в разные стороны днищами 7 и 9 стаканов 6 и 8. Надавливая на днище 9 внутреннего стакана 8 фланцем 5, сжимают пружину 19. Герметизируют цилиндрическую емкость 1 и закрепляют на ней загрузочный фланец 5. Включают нагреватель 13 и нагревают днище 2, пористую шайбу 12 и прилегающий к ней слой иода до температуры (100-110)°C, а также клапан 4 и трубопровод 3. При этом происходит испарение слоя кристаллического иода, примыкающего к пористой шайбе 12. Открывают клапан 4, при этом пар иода через клапан 4 поступает в трубопровод 3 и затем в электроракетный двигатель. По мере уменьшения объема кристаллического иода 11 под действием пружины 10 происходит перемещение наружного стакана 6 поршня, прижимающего иод 11 к поверхности пористой шайбы 12, стабилизируя режим испарения иода. При этом при полном опорожнении цилиндрической емкости 1 внутренний стакан 8 остается прижатым к фланцу 5, а наружный стакан 6 под действием пружины 10 выдвигается до упора в пористую шайбу 12, оставляя минимальным объем между стаканами 6, 8 и фланцем 5. При этом управлять расходом иода можно либо с помощью стандартного расходомера, либо оттарировав расход по подведенной мощности.

Таким образом, обеспечивается стабильная подача иода при любом расположении цилиндрической емкости 1 в условиях гравитации и микрогравитации. Кроме того, значительно повышается КПД за счет расхода энергии только на испарение небольшого слоя иода, а не всего иода, масса которого может составлять десятки и сотни килограмм, а также передачей тепла от нагревателя за счет теплопроводности и снижением его потерь с помощью радиационных экранов 15.

1. Система хранения и подачи иода, содержащая снабженную нагревателем цилиндрическую емкость с иодом, которая сообщена с электроракетным двигателем трубопроводом с клапаном, отличающаяся тем, что на днище внутри цилиндрической емкости со стороны трубопровода установлена пористая шайба, контактирующая с кристаллическим иодом, при этом цилиндрическая емкость со стороны, противоположной трубопроводу, содержит фланец и подпружиненный относительно него поршень, с другой стороны контактирующий с кристаллическим иодом, причем нагреватель снабжен электрической изоляцией, контактирующей снаружи с днищем емкости со стороны трубопровода.

2. Система хранения и подачи иода по п.1, отличающаяся тем, что поршень выполнен составным в виде наружного стакана, контактирующего с цилиндром емкости, и вставленного в него внутреннего стакана, при этом днища стаканов обращены в разные стороны и между его днищами расположена пружина.