CN111226031A - 空间推进系统 - Google Patents
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Abstract
空间推进系统(1)，具有减小的大小，特别为小型化卫星应用而设计，但可以根据目标运载器的各种大小容易进行缩放，并且空间推进系统包括：燃烧室(10)，以下述方式实现：具有圆柱形壁(13)的圆柱形容器(11)，第一端(12)，至少设置有用于燃烧剂、燃料和/或它们的混合物的喷射导管(15)，用于根据与所述圆柱壁相切的方向喷射，以在燃烧室(10)中产生螺旋形燃烧路径，可能有的用于燃料或燃烧剂的附加垂直喷射导管(16)；以及相反端(14)，设置有排气导管(19)，根据与所述圆柱形壁(13)相切的方向布置，以接收和引导所述螺旋形路径，其中，在圆柱形壁的情况下，在其内部具有催化材料的沉积物，用于加速燃烧；以及超声波喷嘴(20)，其连接到排放导管(19)，用于排放燃烧室内的燃烧产物。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间推进系统，其类型特别适用于一系列小型空间卫星，在具体情况下，为小型化人工卫星，已知为术语“微卫星(microsatellite)”(10到100kg)，“纳米卫星(nanosatellites)”(1到10kg)和“皮卫星(picosatellites)”(100克到1kg)，其可以由低载荷发射器绕行，并且可需要推进系统，以纠正其位置和进行轨道改变，以及延长低轨道停留时间。
背景技术
可以使用推进系统于其上的卫星的示例是由加利福尼亚州立理工大学(CalPoly)和斯坦福大学为代表制造的CubeSat类的卫星，其提供的大小为边长为10cm的立方体，并且重量介于1.0kg至1.5kg之间，其可以单独使用，也可以在“低”地球轨道中成簇(星座)使用，其最大高度为700km，但甚至低于160km，由于地球大气的干扰，其经常可以快速轨道衰减。
重要的是要强调，如今，纳米-皮卫星沿着主有效载荷(经常是宏卫星)的释放轨道行进，并且它们基本上配备有用于定位的系统而不是推进系统，以便允许最佳搭配。这是由于纳米卫星的减小的大小使得难以创造大小非常小的有效推进系统。
然而，这不意味本发明受限于将结合具有减小大小的卫星和空间探测器使用，而是其甚至可以用于具有任何大小的航天器、用于宇航员进行舱外活动的装置的MMU(人工操纵单元)等的辅助或紧急推进装置。
适用于上述目的的推进系统的示例是已知的。美国专利No.5,932,940 A描述了一种用于卫星的高度计检查或用于诸如探测器之类的空间物体的推进系统，该推进系统包括诸如设有压缩机的气体微型涡轮机的旋转构件。
旋转部分的存在和气体燃料的使用，尽管它们可满足小型化卫星领域的一些需求，但使卫星结构复杂化并倾向于增加其整体重量，而没有其相应的自主性增益。
其他推力系统提供使用加压的液态惰性气体，但自主性受限且性能低下。
甚至已经提出电气系统，其中，在粒子带电荷的情况下，例如由于霍尔效应，实现粒子加速。这些系统需要较少量的推进流体，并且它们不需要运动部分，但是经常产生很低程度的推力。
作为对照的特征，基于化学的推进系统是已知的，其中，所需能量借助于燃料与氧化剂之间的燃烧反应获得。在这种情况下，可获得的推力没有限制，但必需的是在运载器的有效载荷中包括甚至确定量的燃料和燃烧剂以及相关的限制系统。
此外，出于明显的原因，如果与其被使用的卫星的大小相比，特别感到需要一种具有尽可能高的能量效率但是可以产生一定程度的推力的推进系统。
“Electrolysis Propulsion for Small-Scale Spacecraft”(Zeledon，R.A康奈尔大学，部分满足博士学位的学位的论文，2015年5月)分析了带有分离电解系统的水推进系统的潜力，但它使用具有电(火花)燃烧点火系统的低效率燃烧室。
利用水电解作为燃料和氧源的推进系统的其他示例在美国专利N.US 3,490,235A；N.US 4,345,729 A和N.US 3,517,508A中有所描述。
发明内容
本发明的技术问题在于提供一种推进系统，以允许避免相对于现有技术所提及的缺点。
该问题通过所附权利要求1中限定的推进系统解决；在所附的从属权利要求中限定本发明的其他细节。
本发明的基本思想在于，将其间不同技术与在其内圆柱表面上设有用于加速燃烧反应的催化沉积的情况下具有螺旋内部运动以及在这种燃烧的排放处具有喷嘴产生推力的腔室的燃烧室相结合。
意味着该方案可以与燃料和燃烧剂的任何组合一起使用，其可以分开地喷射到燃烧室中或一起以混合物的形式喷射，以适于在燃烧室中反应。
为了控制有效载荷，燃烧剂可以是纯氧，以压缩气体的形式提供，或者可以通过电解将其分解的分子，例如以水的形式提供。
在本发明的优选示例中，其可以包括水箱和电解系统，用于将水分为氢气和氧气，然后将其在上述燃烧室中重新结合。
电解系统，以重力或以再循环泵操作，可以与箱分离或集成在箱中，因此能够提供氢气和氧气的气态混合物，其可以直接喷射到燃烧室中。
进一步意味着，甚至其他化合物也可以用作燃料，例如碳氢化合物。一个优选的版本提供了压缩甲烷的使用。
由此产生大小减小的推进系统，该推进系统特别设计用于小型化卫星，但是可以根据目标运载器的各种大小轻松缩放。
该推进系统可以使微型卫星独立，然后可以执行自主的轨道改变，延长其操作寿命，在其间创建相互协作的卫星群；它们可以延伸探月器和/或深空的任务目标；他们可以根据临时需要改变沿轨道的位置；他们可以在低空工作以获得更好的分辨率等。
附图说明
在下文中，将根据一些优选的实施方式示例来描述本发明，这些实施方式示例是通过示例的方式提供的，而不是出于限制的目的，参考附图，其中：
图1示出了根据本发明的空间推进系统的第一实施方式示例的功能方案；
图2示出了图1的推进系统的部件、燃烧室的透视图；
图3示出了图2的燃烧室的平面图；
图4示出了图2的燃烧室的另一透视图；以及
图5示出了根据本发明1至4的空间推进系统的第二实施方式示例的功能方案。
具体实施方式
通过参考附图，将空间推进系统整体标记为1。该空间推进系统包括用于分解液态水的电解系统2，在容器3中运输，该容器分为两个分支，分别用于气态的氢和氧。
电解系统的容器3可构成对于推进系统可用的唯一水箱，并且该解决方案适用于最小大小的卫星，而对于其他较大大小的解决方案和有效载荷，可以提供向容器3供给的附加箱。
电解系统2则包括阳极4和阴极5，布置在容器3的相应分支附近或内侧，其经受由电池6产生的电压，所述电池转而可以由空间运载器上已有的光伏系统充电。
这意味着电池6只是可以使用的各电能中的电能的可能示例。
气态的氧和氢泡分别在箱3的分别分支中位于阳极4和阴极5处。然后，它们供给大小减小的分别的氧箱7和分别的氢箱8，这是因为推进流体的保存是在液态水的形式下实现的，其中，氢和氧占据最小的空间而不需要复杂的限制系统。
已知的是，水应至少稍微分解在离子中，以允许电流通过。为此，它将包括足够量的电解质，例如酸或溶解盐。
上述箱不是严格必需的，但是如果需要比电解系统的生产能力更高的气体喷射，或者需要对于具有比简单电解过程产生的压力更高的压力的流动，或者需要获得由推进系统1的即时反应，则它们可以是有用的。
它还包括燃烧室10，该燃烧室以螺旋形的内部运动燃烧气态的氢和氧，以增加试剂和产物的停留时间，从而允许在很小的体积中的高燃烧效率。
燃烧室10包括沿纵向轴线延伸的圆柱形容器11，在该圆柱形容器处具有第一平坦端12，有两个喷射导管，通过其喷射氧和氢。燃烧室10还具有从所述第一端12延伸到第二端14的圆柱形壁13，其中，设置有排放喷嘴。
特别地，提供了第一喷射导管15，其设置成相切于室10的圆柱形壁并布置成平行于第一端12的平面。第一喷射导管15的位置布置成使得其向其间发生反应的氧和氢施加螺旋形运动。
此外，提供第二喷射导管16，该第二喷射导管垂直于室10的圆柱形壁，并且它布置成平行于第一端12的平面。第二喷射导管16的位置布置成使得在室10中的入口位于第一导管15的入口附近，使得喷射通过第一导管15的气态流与喷射通过第二导管16的气态流相交。
在本示例中，第一喷射导管15由气态氧供给，而第二导管16由气态氢供给。
考虑到可用的氧和氢是从水电解中提取的，因此它们具有准确的所需化学计量比。然而，箱7、8的置入可能需要相应的氧阀17和氢阀18的存在。
已知的是，由于两种水组分之间的摩尔比，气态氧在流动中的重量流率是气态氢的重量流率的八倍。
因此，第一喷射导管15利用螺旋线向通过两种气体混合而产生的气态流施加螺旋路径，该螺旋线在燃烧室10的整个延伸范围内一直展开到其第二排放端14，大大延长燃烧反应的路径，甚至反应气体的相关停留时间。
圆柱形容器12的圆柱形壁13在其内表面上可显示催化材料的沉积物，其产生氧和氢之间燃烧反应的加速。优选地，催化材料主要包括铂。
由于催化材料，引发氢氧化反应的温度降低。在该装置的优选形式中，这种降低，以及燃烧路径的延长，允许燃烧反应的点火伴随着火焰的产生而无需外部点火干预。
可替代地，该装置可设置有用于在燃烧室10中使点火火花闪烁的装置。
在每种情况下，这意味着燃烧室构成单件，并且燃烧室仅具有必需的开口以喷射和排放。
因此，该燃烧室利用流体动力学和化学(催化)，以将燃烧的停留时间增加到最大，并将化学动力学的时间减少到最小。这些解决方案允许通过同时减小其大小来简化燃烧室的构造。
根据一个变型，燃烧室10可以由燃料和燃烧剂的不同组合供给，其可以适应不同的情况和推进要求，例如用于具有比之前所讨论的人造卫星(微卫星，纳米卫星和皮卫星)更大的大小的卫星和空间运载器。
在运载器大小较大的情况下，它们可以在通过压缩获得的液相或超临界条件下分开运输燃料和燃烧剂。这些运载器不仅可包括卫星，还可包括空间运载器和发射器。
典型的燃烧剂可以是氧，而燃料可以是像甲烷的碳氢化合物。
提供供给液体(或超临界)燃料和燃烧剂的解决方案也是可能的；对于第一种，可以提及液态氢、煤油、甲醇或乙醇，四氧化二氮(肼)，而对于第二种，则可以涉及液态氧、过氧化氢、硝酸等硝酸化合物。
通过使用第一喷射导管15(即切向喷射导管)，方便地将需要较大流动范围(表示为单位时间质量)的燃烧剂或燃料喷射到燃烧室10中，而需要较小流动范围的燃烧剂或燃料则通过第二喷射导管16(即垂直喷射导管)喷射，以使它们的组合在燃烧室中反应，在燃烧室10的内圆柱表面附近形成具有螺旋形状的路径。
在燃烧室10的所述第二端14处，推进系统包括亚超音速喷嘴20，作为燃烧室10的排放，其中排放导管19将亚超音速喷嘴切向地连接到燃烧室10的圆柱形壁，并且其布置成平行于第二端14的平面。排放导管19的位置布置成使得其接收上述反应气体流(在开始的示例中是水蒸气)的螺旋运动。
通向排放导管19的这样流动的方向是正确的方向，以使回路的这一点中的压降最小。
超声波喷嘴20的形状配置为使存在于燃烧室10内的热气体的膨胀最优化，由此可以获得任务目标所需的推力。
根据所描述的内容，重要的是要强调，液态水的运输涉及非常小的体积，就安全性而言，它不需要任何精细的设备，并且不需要具有特定技术特征的箱。
另外，用于将水分为气态的氢和氧的电解过程需要少量的能量，即使很小的大小，也可以借助于太阳能电池容易地获得。
气态的氢和氧是性能最高的一对燃料/燃烧剂；电解过程会将水按照最佳化学计量比分为氧和氢，这在名义上提供最佳性能，仅从反应室流出的水蒸气为随后产物。
除此之外，催化沉积以及燃烧室内的螺旋流体动力学运动，允许简化点火系统，甚至完全消除点火系统，以及将燃烧室所需的最小大小减小到最小，以便具有有效的燃烧。
初步分析检测，为了获得10N的推力，小于13mm的推进系统的整体大小，带有一个微型喷嘴，允许以非常小的大小获得高推力。
参照图5，示意性地说明和描述了推进系统，其中，在燃烧室10中有一个单一的切向喷射导管，用15表示。然后，基于卫星或运载器的操作需求，可以向其供给适当选择的燃料-燃烧剂混合物。
在该示例中，喷射导管15由放置在水箱30内部的电解器2供给；电解器2被电力供给并在箱30内产生气态H2和O2。
通过卫星或运载器的旋转，产生的气体保持与液态水的分离，然后将以正确的化学计量比例已经预混合的气体，通过单个喷射导管15引入燃烧室10中。
预混合气体的点火可以借助于电火花进行，或者借助于催化作用(例如，室内壁上的铂)自发进行。如前面的示例中那样，催化作用可以借助于火花支持点火。
对于上述推进系统，本领域技术人员为了满足附加的和/或适应情况的需要，可以引入一些附加的修改和变型，但是，所有这些修改和变型都在如所附权利要求书所限定的本发明的保护范围内。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种空间推进系统(1)，包括：
·燃烧室(10)，其以下述方法实现：具有圆柱形壁(13)的圆柱形容器(11)，至少设置有用于燃烧剂、燃料和/或其混合物的喷射导管(15)的第一端(12)，用以根据与所述圆柱形壁相切的方向喷射以在燃烧室(10)中产生螺旋形燃烧路径，可能有的用于燃料或燃烧剂沿垂直于所述圆柱形壁的方向的附加喷射导管(16)，和相反端(14)，其设置有排放导管(19)，所述排放导管布置成根据相切于所述圆柱形壁(13)的方向，使得接收并引导所述螺旋路径；和
·超音速喷嘴(20)，其连接到所述排放导管(19)，用于排放燃烧室中的燃烧产物。
2.根据权利要求1所述的空间推进系统(1)，其中，圆柱形壁在其内部具有催化材料的沉积物，用以加速燃烧反应。
3.根据权利要求1所述的空间推进系统(1)，包括：电解系统(2)，其由电源(6)供给，用于将水分为氧和氢，以及用于分别将它们在切向喷射导管中和附加喷射导管中喷射。
4.根据权利要求1所述的空间推进系统(1)，包括：水箱(30)，其上关联有电解系统(2)，该电解系统由电源(6)供给，用于将水分为氧和氢，以及用于将它们分别在切向喷射导管和附加喷射导管中喷射。
5.根据权利要求1所述的空间推进系统(1)，包括：水箱(30)，该水箱在其内部具有电解系统(2)，该电解系统由电源(6)供给，用于将水分为氧和氢，以及用于在切向喷射导管中将它们以混合物喷射。
6.根据权利要求3或4所述的推进系统(1)，其中，所述电解系统(2)分别供给氧箱(7)和氢箱(8)，所述氧箱和氢箱通过合适的阀(17、18)连接到燃烧室。
7.根据权利要求6所述的推进系统(1)，其中，所述电解系统(2)具有两个分支，分别具有阳极(4)和阴极(5)，用于分开鼓泡气态的氧和氢。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的推进系统(1)，其中，所述电源包括电池(6)。
9.根据权利要求1所述的推进系统(1)，其中，所述燃烧室(10)包括圆柱形容器(11)，在其处具有第一平坦端(12)，所述第一平坦端具有两个喷射导管(15、16)，其中第一导管相切于并平行于所述第一端(12)。
10.根据权利要求9所述的推进系统(1)，其中，第二喷射导管(16)垂直于燃烧室(10)的圆柱形壁(13)，平行于第一端(12)的平面，第二喷射导管(16)的位置布置成使得燃烧室(10)中的入口靠近第一导管(15)的入口，使得喷射通过第一导管(15)的气态流与喷射通过第二导管(16)的气态流相交。
11.根据权利要求1所述的推进系统(1)，包括：用于所述燃烧剂、燃料和/或其混合物的点火的装置，包括催化材料的沉积物。
12.根据权利要求1所述的推进系统(1)，包括：用于所述燃烧剂、燃料和/或其混合物的点火的装置，包括用于使点火火花闪烁的装置。
13.根据权利要求2或11所述的推进系统(1)，其中，所述催化材料的沉积物主要包括铂。
14.根据权利要求1所述的推进系统(1)，其中，所述燃烧室(10)构成单件，并且燃烧室仅具有必需的开口以喷射和排放。
Claims (12)
1.一种空间推进系统(1)，包括：
·燃烧室(10)，其以下述方法实现：具有圆柱形壁(13)的圆柱形容器(11)，至少设置有用于燃烧剂、燃料和/或其混合物的喷射导管(15)的第一端(12)，用以根据与所述圆柱形壁相切的方向喷射以在燃烧室(10)中产生螺旋形燃烧路径，可能有的用于燃料或燃烧剂沿垂直于所述圆柱形壁的方向的附加喷射导管(16)，和相反端(14)，其设置有排放导管(19)，所述排放导管布置成根据相切于所述圆柱形壁(13)的方向，使得接收并引导所述螺旋路径，其中，圆柱形壁在其内部具有催化材料的沉积物，用以加速燃烧反应；和
·超音速喷嘴(20)，其连接到所述排放导管(19)，用于排放燃烧室中的燃烧产物。
2.根据权利要求1所述的空间推进系统(1)，包括：电解系统(2)，其由电源(6)供给，用于将水分为氧和氢，以及用于分别将它们在切向喷射导管中和附加喷射导管中喷射。
3.根据权利要求1所述的空间推进系统(1)，包括：水箱(30)，其上关联有电解系统(2)，该电解系统由电源(6)供给，以将水分为氧和氢，以及用于将它们分别在切向喷射导管中和附加喷射导管中喷射。
4.根据权利要求1所述的空间推进系统(1)，包括：水箱(30)，该水箱在其内部具有电解系统(2)，该电解系统由电源(6)供给，以将水分为氧和氢，以及用于在切向喷射导管中将它们以混合物喷射。
5.根据权利要求2或3所述的推进系统(1)，其中，所述电解系统(2)分别供给氧箱(7)和氢箱(8)，所述氧箱和氢箱通过合适的阀(17、18)连接到燃烧室。
6.根据权利要求5所述的推进系统(1)，其中，所述电解系统(2)具有两个分支，分别具有阳极(4)和阴极(5)，用于分开鼓泡气态的氧和氢。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的推进系统(1)，其中，所述电源包括电池(6)。
8.根据权利要求1所述的推进系统(1)，其中，所述燃烧室(10)包括圆柱形容器(11)，在其处具有第一平坦端(12)，所述第一平坦端具有两个喷射导管(15、16)，其中第一导管相切于并平行于所述第一端(12)。
9.根据权利要求8所述的推进系统(1)，其中，第二喷射导管(16)垂直于燃烧室(10)的圆柱形壁(13)，平行于第一端(12)的平面，第二喷射导管(16)的位置布置成使得燃烧室(10)中的入口靠近第一导管(15)的入口，使得喷射通过第一导管(15)的气态流与喷射通过第二导管(16)的气态流相交。
10.根据权利要求1所述的推进系统(1)，其中，所述催化材料的沉积物主要包括铂。
11.根据权利要求1所述的推进系统(1)，其中，所述催化材料的沉积物配置成使得允许燃烧反应的点火伴随着火焰的发展，而没有潜在的外部点火干预。
12.根据权利要求1所述的推进系统(1)，其中，所述燃烧室(10)构成为单件，并且燃烧室仅具有必需的开口以喷射和排放。
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