CN112501632A - 基于太阳能电解水的轨控发动机系统的研究 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太阳能电解水的气氢气氧轨控发动机系统，包括太阳能供电模块、电解水模块、气氢气氧存储模块、甲烷和水生成模块、气氢、气氧、甲烷发动机模块。本发明用于太空飞行的轨控发动机，利用太阳能电池产生的电能，经过控制器和逆变器的处理，对水进行电解，生成氢气和氧气。氧气可以提供给航天员呼吸，产生的二氧化碳再和氢气在高温高压下产生水和甲烷；水进入水箱循环使用，甲烷和氢气作为燃料、氧气作为氧化剂进入燃烧室，形成对发动机的推进剂。该系统安全、环保，可以形成大推力(大于1000N)、高比冲(4000m/s)，为人类能够长期安全可靠在星际航行奠定基础，为空间站、大型卫星在轨飞行，大幅度减少推进剂补给奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及轨控发动机系统，特别是一种基于太阳能电解水的氢氧及甲烷的轨控发动机系统。
背景技术
目前在空间应用的发动机基本都是常规常温推进剂。采用常规常温推进剂的姿控、轨控发动机排出羽流造成的污染问题已成为影响卫星与航天飞机可靠运行的主要原因，主要表现为：污染沉积物造成太阳电池矩阵功率降低，卫星光学系统图像失真变形，热控涂层表面反射率和发射率降低等。同时因常规常温推进剂比冲低，导致航天器寿命受到了较大影响。而且推进剂本身就是危险化学品，阿波罗13氧气罐爆炸导致任务失败。因此推进剂清洁无污染、高密度比冲、易于存储、安全是空间转移发动机的首选。但因新型清洁推进剂都是低温推进剂，难以长时间存储、存在安全隐患等原因，应用较少。解决新型清洁推进剂的长期存储问题、提高安全性、进一步提高密度比冲是空间推进器研究的重点。
氢氧发动机比冲远远高于其他推进剂，且无毒无污染、清洁环保，是空间推进系统首选发动机。但因液氢易挥发、难长时间存储、密度低、易于泄漏产生安全问题等原因，成为氢氧发动机难于在太空应用的瓶颈问题。通过利用太阳能电解水产生氢气和氧气、混合燃烧产生动力，不仅继承了氢氧发动机的高比冲、清洁无污染的特性，还具备了易于存储、高密度比冲、存储安全的优势。用水生成推进剂，属于常温推进剂，易于保存，不存在安全问题，可以实现生活用水和推进剂用水二合一。水的密度远高于液氢液氧的组合密度，相比液氢液氧发动机的密度比冲，提高三倍，为所有推进剂中密度比冲最高。基于太阳能电解水技术的新型轨控发动机系统一旦研制成功将颠覆空间推进系统，在月球、火星等星球，广泛存在水或冰，为人类能够长期安全可靠在星际航行奠定物资基础，为空间站长期在轨飞行，大幅度减少携带推进剂重量奠定了基础。
电解水所需能量可取自宇宙空间，如太阳能。氢氧轨控发动机优选混合比范围为富氢，电解富余氧气可供航天员呼吸之用。氢气可以和航天员呼出的二氧化碳反应生成甲烷和水，甲烷提供发动机燃料，水可以再循环利用。空间站水资源在最大程度上得以合理的循环利用。因此太阳能电解水大推力氢氧轨控发动机具有很好的工程应用价值。目前空间站的氧气采用的就是电解水生成的氧气，电解水技术在空间站应用成熟。因此基于太阳能电解水技术的气氢气氧发动机系统的研制有良好的技术基础，重点突破气氢气氧的大推力和高比冲问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：基于空间站生保系统的气氢/气氧(气氧/甲烷)复合式发动机推进系统设计技术。以往空间站生保系统电解水制得氧气和氢气，氧气供航天员呼吸产生二氧化碳。为了防止氧元素丢失，通常再将氢气和二氧化碳反映产生水和甲烷，其中水可以循环使用，甲烷作为废气排到太空。本系统将甲烷作为轨控发动机推进剂继续使用，使得能源得以最大限度利用。并且通过合理选取不同反应物之间的比例关系，实现电解水、人体呼吸和轨控发动机所构成系统供需总体平衡。
本发明的技术解决方案是：基于太阳能电解水的轨控发动机系统，其特征在于包括太阳能供电模块、电解水模块、气氢气氧存储模块、甲烷和水生成模块、气氢、气氧、甲烷发动机模块，其中
电解水模块，包括电解槽开关、电解槽、气体流量反馈电路、气体压力反馈电路和电解槽温控电路；电解槽对水进行电解，生成氢气和氧气，气体流量反馈电路根据电解出来的氢气和氧气的流量进行调节，控制电解槽开关，从而调节电解槽出氢气和氧气的流量。气体压力反馈电路通过出来的氢气和氧气压力反馈来控制电解槽，进而调节氢气和氧气的压力。电解槽温控电路控制电解槽的温度，确保电解的正常进行。水箱提供电解用水，利用水泵和反向活门确保水顺利进入电解槽内。
气氢气氧存储模块，包括氢气气液分离装置、循环水泵、氢气反向活门、氧气反向活门、氢气传感器、氢气瓶、氧气瓶。氢气气液分离装置将电解生成的氢气与水进行分离，得到的水通过循环水泵进入电解槽继续使用，而纯净的氢气经过反向活门进入氢气瓶中。氢气传感器可以监测氢气是否泄漏，并控制电解槽开关，一旦泄漏将停止电解。电解槽电解水得到的氧气，经过反向活门进入氧气瓶中进行存储待用。
甲烷和水生成模块，包括航天员呼出的二氧化碳收集器、氢气和二氧化碳反应高温高压装置、反向活门和甲烷气瓶。航天员吸收了氧气，呼出二氧化碳，二氧化碳和氢气在高温高压装置中反应生成甲烷和水，水经水泵和反向活门流回水箱重复利用，甲烷经过反向活门进入甲烷气瓶中。
气氢、气氧、甲烷发动机模块，包括氢气减压活门、氧气减压活门、甲烷减压活门、氢气电动气动活门、氧气电动气动活门、甲烷电动气动活门、换热器开关电路、换热器、发动机。氢气、氧气和甲烷经过各自的减压活门和气动活门进入发动机，进行燃烧提供动力。发动机的温度由换热器开关电路和换热器调节。
所述的基于太阳能电解水的轨控发动机的推力为1000N，比冲为4000m/s。
所述的气氢气氧发动机模块中氢氧发动机的氢气和氧气混合比为4∶1。
所述的高压氧气瓶、高压氢气瓶或高压甲烷瓶的额定存储气瓶气压为5MPa。
所述的降压后的氢气、氧气和甲烷在发动机内的气压为0.8MPa。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)基于空间站生保系统的气氢/气氧(气氧/甲烷)复合式发动机推进系统设计技术。以往空间站生保系统电解水制得氧气和氢气，氧气供航天员呼吸产生二氧化碳。为了防止氧元素丢失，通常再将氢气和二氧化碳反映产生水和甲烷，其中水可以循环使用，甲烷作为废气排到太空。本系统将甲烷作为轨控发动机推进剂继续使用，使得能源得以最大限度利用。并且通过合理选取不同反应物之间的比例关系，实现电解水、人体呼吸和轨控发动机所构成系统供需总体平衡。
(2)气氢/气氧(气氧/甲烷)复合式水冷发动机设计，推力1000N。
(3)首次实现化学推进剂比冲发动机超过4000m/s。
(4)高空太阳能电解水技术的轨控发动机可以实现太空飞行中途加水，不必在地球出发时就携带大量的推进剂。为太空、星际、载人登月、载人等火星提供洁净能源新思路。
(5)电解水采用固体聚合物电解，能够产生高压气氢和气氧，达到7MPa，所以氢气和氧气进入氢气气瓶和氧气气瓶无需增压装置。
附图说明
图1为本发明基于太阳能电解水的轨控发动机系统结构图。
具体实施方式
针对采用常规常温推进剂的姿控、轨控发动机排出羽流造成的污染问题已成为影响卫星与航天飞机可靠运行的主要原因，主要表现为：污染沉积物造成太阳电池矩阵功率降低，卫星光学系统图像失真变形，热控涂层表面反射率和发射率降低等。氢氧发动机比冲远远高于其他推进剂，且无毒无污染、清洁环保，是空间推进系统首选发动机。但因液氢易挥发、难长时间存储、密度低、易于泄漏产生安全问题等原因，成为氢氧发动机难于在太空应用的瓶颈问题。本发明提出一种基于太阳能电解水的轨控发动机系统，该系统通过电解水产生氢气和氧气，富氢燃烧，氧气提供航天员呼吸；航天员呼出的二氧化碳与氢气在高温高压下产生甲烷和水；甲烷和氢气、氧气进入发动机燃烧，水进入水箱循环利用。这样，可以产生大推力、高比冲的轨控发动机，降低从地面携带推进剂的重量。
基于太阳能电解水的轨控发动机系统，其特征在于包括太阳能供电模块、电解水模块、气氢气氧存储模块、甲烷和水生成模块、气氢、气氧、甲烷发动机模块。太阳能供电模块为系统提供可靠的电力。电解水模块实现水的电解，产生氢气和氧气。气氢气氧存储模块将电解水模块产生的氢气和氧气存储到高压气瓶内待用。氧气送航天员呼吸模块将电解水产生的氧气送给航天员系统，供航天员呼吸。航天员呼出的二氧化碳和氢气反应生成甲烷和水模块将航天员呼出的二氧化碳和氢气反应，在高温高压下生成甲烷和水，甲烷将进入发动机燃烧，水则经过水泵和反向活门进入水箱循环使用。气氢、气氧和甲烷发动机模块则是氢气、氧气和甲烷进入发动机燃烧室燃烧，提供轨控发动机的推进剂供给，发动机则配有换热器，通过换热器开关来控制发动机的温度，确保发动机在太空的环境下保持工作温度。
下面根据附图对本发明系统进行详细说明。
基于太阳能电解水的轨控发动机系统，其特征在于包括太阳能供电模块、电解水模块、气氢气氧存储模块、甲烷和水生成模块、气氢、气氧、甲烷发动机模块，其中，太阳能供电模块提供系统的各种电能，电解水模块电解水产生氢气和氧气，氢气和氧气存储到气氢气氧存储模块待用；氧气送给航天员呼吸模块将氧气输送给航天员，航天员呼吸消耗氧气产生二氧化碳；二氧化碳和氢气反应模块则在高温高压下生成甲烷和水，水重新进入水箱循环利用，甲烷则和氢气、氧气进入轨控发动机的燃烧室进行燃烧，推进发动机系统。
(1)太阳能供电模块。
太阳能供电模块如图1所示。太阳能帆板1、控制器2、蓄电池3和逆变器4等将太阳能转化成电能，存储在蓄电池内，经过逆变器4的处理成为系统可以使用的电能。连接电解槽开关5和换热器开关31，控制电解槽6和发动机33的温度。
(2)电解水模块。
电解水模块如图1所示，5为电解槽开关，6为电解槽，7为气体流量反馈电路，8为气体压力反馈电路，9为电解槽温控电路，10为水箱，11为水泵，12为水箱反向活门。电解槽温控电路9保持电解槽6的电解温度，气体流量反馈电路7和气体压力反馈电路8根据电解槽6的氢气和氧气的出口流量和压力反馈控制电解槽开关5，以确保电解槽6的氢气和氧气的流量和压力保持需要的状态。水箱10为电解槽6提供水，经过水泵11和反向活门12进入电解槽6中。电解水采用固体聚合物电解，能够产生高压气氢和气氧，达到7MPa，所以氢气和氧气进入氢气气瓶18和氧气气瓶19无需增压装置。
(3)气氢气氧存储模块。
气氢气氧存储模块如图1所示，13为氢气气液分离装置，14为循环水泵，15为氢气反向活门，16为氧气反向活门，17为氢气传感器，18为氢气瓶，19为氧气瓶。电解槽6对水进行电解，生成氢气和氧气，氢气气液分离器13在微重力下对氢气进行气液分离，分离后的水进入电解槽6循环使用，纯净的氢气经过氢气反向活门15进入氢气瓶18，管路外装有氢气传感器17，监测氢气是否泄漏，一旦泄漏及时控制电解槽开关5，立即停止电解。电解产生的氧气经过氧气反向活门16进入氧气瓶19存储待用。
(4)甲烷和水生产模块。
甲烷和水生产模块如图1所示，20为航天员呼出的二氧化碳收集器，21为氢气和二氧化碳反应高温高压装置，22为甲烷反向活门，23为甲烷增压装置，24为甲烷气瓶，34水泵，35为反向活门。航天员吸收了氧气，呼出二氧化碳，二氧化碳和氢气在高温高压装置21中反应生成甲烷和水，水经过水泵34和反向活门35流回水箱10重复利用，甲烷经过反向活门22和增压装置23进入甲烷气瓶24中。
(5)气氢、气氧、甲烷发动机模块。
25为氢气减压活门，26为氧气减压活门，27为甲烷减压活门，28为氢气电动气动活门，29为氧气电动气动活门，30为甲烷电动气动活门，31为换热器开关电路，32为换热器，33为发动机。氢气、氧气和甲烷经过各自的减压活门25、26、27和气动活门28、29、30)进入发动机33，进行燃烧提供动力。发动机33的温度由换热器开关电路31和换热器32调节。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.基于太阳能电解水的轨控发动机系统，其特征在于包括太阳能供电模块、电解水模块、气氢气氧存储模块、甲烷和水生成模块、气氢、气氧、甲烷发动机模块，其中，太阳能供电模块，包括太阳能帆板(1)、控制器(2)、蓄电池(3)、逆变器(4)；太阳能帆板(1)吸收太阳能，控制器(2)将太阳能转化成电能，并存储在蓄电池(3)中，逆变器(4)则把蓄电池(3)的电能转化成为系统可以利用的电能。
电解水模块，包括电解槽开关(5)、电解槽(6)、气体流量反馈电路(7)、气体压力反馈电路(8)和电解槽温控电路(9)、水箱(10)、水泵(11)和水箱反向活门(12)；电解槽(6)对水进行电解，生成氢气和氧气，气体流量反馈电路(7)根据电解出来的氢气和氧气的流量进行调节，控制电解槽开关(5)，从而调节电解槽(6)出氢气和氧气的流量。气体压力反馈电路(8)通过出来的氢气和氧气压力反馈来控制电解槽(6)，进而调节氢气和氧气的压力。电解槽温控电路(9)控制电解槽的温度，确保电解的正常进行。水箱(10)提供电解槽(6)中的水，经过水泵(11)和水箱单向活门(12)进入电解槽(6)。
气氢气氧存储模块，包括氢气气液分离装置(13)、循环水泵(14)、氢气反向活门(15)、氧气反向活门(16)、氢气传感器(17)、氢气瓶(18)、氧气瓶(19)。氢气气液分离装置(13)将电解生成的氢气与水进行分离，得到的水通过循环水泵(14)进入电解槽(6)继续使用，而纯净的氢气经过反向活门(15)进入氢气瓶(18)中。氢气传感器(17)可以监测氢气是否泄漏，并控制电解槽开关(5)，一旦泄漏将立即停止电解。电解槽(6)电解水得到的氧气，经过氧气反向活门(16)进入氧气瓶(19)中进行存储待用。
甲烷和水生成模块，包括航天员呼出的二氧化碳收集器(20)、氢气和二氧化碳反应高温高压装置(21)、甲烷反向活门(22)、甲烷增压装置(23)和甲烷气瓶(24)。航天员吸收了氧气，呼出二氧化碳，二氧化碳和氢气在高温高压装置(21)中反应生成甲烷和水，水经水泵(34)和反向活门(35)流回水箱(10)重复利用，甲烷经过反向活门(22)和增压装置(23)进入甲烷气瓶(24)中。
气氢、气氧、甲烷发动机模块，包括氢气减压活门(25)、氧气减压活门(26)、甲烷减压活门(27)、氢气电动气动活门(28)、氧气电动气动活门(29)、甲烷电动气动活门(30)、换热器开关电路(31)、换热器(32)、发动机(33)。氢气、氧气和甲烷经过各自的减压活门(25、26、27)和气动活门(28、29、30)进入发动机，进行燃烧提供动力。发动机(33)的温度由换热器开关电路(31)和换热器(32)调节。
2.根据权利要求1所述的基于太阳能电解水的轨控发动机系统，其特征在于：所述的气氢气氧发动机(33)推力1000N，比冲为4000m/s，室压0.8MPa，氢氧混合比为4∶1。
3.根据权利要求1或2所述的基于太阳能电解水的轨控发动机系统，其特征在于：所述的高压氧气瓶(19)或高压氢气瓶(18)的额定存储气压为5MPa。
4.根据权利要求1或2所述的基于太阳能电解水的轨控发动机系统，其特征在于：所述的降压后的氧气或降压后的氢气或降压后的甲烷的气压为0.8MPa。
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