DE60204088T2

DE60204088T2 - Selbständiges Arbeitsgasversorgungssystem, Nutzung eines solchen Systems zur Unterdrucksetzung eines Behälters, mit solche einem System ausgerüsteter Rakentenwerfer

Info

Publication number: DE60204088T2
Application number: DE2002604088
Authority: DE
Inventors: Etienne Sturm
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2022-07-24
Also published as: EP1286038A1; DE60204088D1; EP1286038B1; FR2828550A1; FR2828550B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft selbständige Arbeitsdruckgasversorgungssysteme und insbesondere Bordsysteme zur Unterdrucksetzung von Treibstoffbehältern, insbesondere für Trägerraketenstufen mit kryotechnischen Triebwerken.
Ein derartiges System wird von US 3,803,858 offenbart, die als das den neuesten Stand der Technik offenbarende Dokument betrachtet wird.
Tatsächlich wird als Beispiel in den kryotechnischen Trägerraketenstufen, in denen das Triebwerk ein Gemisch aus gasförmig gemachtem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff verbrennt, die Unterdrucksetzung des Behälters für flüssigen Sauerstoff herkömmlicherweise aus Gründen der Masse und der Zuverlässigkeit mittels eines unabhängigen Heliumspeichers umgesetzt. Wenn eine erneute Erhitzung durch das kryotechnische Triebwerk technisch oder wirtschaftlich nicht realisierbar ist, wird das Helium bei Umgebungstemperatur und sehr hohem Druck (der 400 bar übersteigt) gespeichert, was keine geringen Heliumspeicherkapazitäten auf Kosten von Massen und Volumina gestattet, die in Bezug auf einen Tieftemperaturspeicher erheblich gesteigert sind.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, ein einfaches, leichtes und zuverlässiges selbständiges Arbeitsdruckgasversorgungssystem bereitzustellen, das eine Steigerung der Speicherkapazität in hohem Maße ermöglicht.
Zu diesem Zweck stellt die Erfindung ein System bereit, umfassend:

– eine Arbeitsgasquelle bei einer Tieftemperatur, in der Regel kleiner als 200 K,
– eine Leitung, um einen Nutzkreis mit Arbeitsgas zu versorgen, wobei die Leitung ein vorderes Ende, das mit der Gasquelle verbunden werden kann, und einen Zwischenabschnitt aufweist,
– einen Austauscher mit Heißgasdurchlauf, der mit dem Zwischenabschnitt der Leitung in Wärmeaustauschbeziehung steht,
– mindestens eine Verbrennungsstoffgasquelle und mindestens eine Treibstoffgasquelle,
– mindestens ein Katalysatorbett, das von einem Gemisch der Verbrennungsstoff- und Treibstoffgase aus diesen Quellen gespült wird, um die Heißgase zu erzeugen, die den Austauscher durchlaufen und zum erneuten Erhitzen des Arbeitsgases dienen.

Die vorliegende Erfindung hat zur weiteren Aufgabe die Anwendung eines solchen Systems, um einen Fluidbehälter unter Druck zu setzen.
Die Erfindung hat schließlich zur weiteren Aufgabe eine Trägerraketenstufe mit kryotechnischem Triebwerk, das mit mindestens einem Treibstoffbehälter versehen ist, der zur Unterdrucksetzung des Treibstoffbehälters mit der Arbeitsgasversorgungsleitung eines solchen Systems verbunden ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen hervor, die zu Veranschaulichungszwecken, jedoch keineswegs einschränkend gegeben sind und in Verbindung mit den angehängten Zeichnungen dargebracht werden. Es zeigen:
die 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Systems zur Unterdrucksetzung eines Treibstoffbehälters eines kryotechnischen Triebwerks;
die 2 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems.
In der folgenden Beschreibung und in den Zeichnungen weisen identische oder ähnliche Elemente dieselben Bezugsziffern, gegebenenfalls Zeichen auf.
In der Ausführungsform, die in der 1 schematisch dargestellt ist, wird zur Unterdrucksetzung mindestens eines Behälters 1 für Treibstoff, in der Regel flüssiger Sauerstoff, mindestens eines kryotechnischen Triebwerks 2 einer Trägerraketenstufe in flüssiger Form in mindestens einem Behälter an Bord 3 gespeichertes Helium verwendet und mittels einer Leitung 4 zum Treibstoffbehälter 1 befördert. Das Helium im Behälter 3 ist überkritisch bei einer Tieftemperatur kleiner als 100 K, die in der Regel zwischen 4 und 90 K umfasst, und bei einem Druck kleiner als 250 bar, in der Regel zwischen 1 bar und 220 bar.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst die Leitung 4 einen Zwischenabschnitt 5, der durch ein Austauschergehäuse 6 hindurchläuft, den, in der Regel im Gegenstrom zum Heliumstrom in der Leitung 4, ein Strom von Heißgasen 7 durchläuft.
Diese Heißgase 7 werden durch katalytische Verbrennung eines Gemischs aus Treibstoff- und Verbrennungsstofffluida, die in einer Quelle 9 dieser Fluida enthalten sind, in mindestens einem Katalysatorbett 8 erhalten.
Spezifischer ausgedrückt umfasst die Quelle 9 in der Regel mindestens zwei separate Gasbehälter, der eine, 10, enthält den Treibstoff, in der Regel ein niederes Alkyl, vorzugsweise Methan, oder gasförmiger Wasserstoff, der andere, 11, enthält den Verbrennungsstoff, in der Regel gasförmiger Sauerstoff. Der Katalysator 8 ist in der Regel auf Basis von Platin und/oder gegebenenfalls Palladium oder Rhodium, vorteilhafterweise auf Aluminiumoxidträgern in der Form von Kugeln oder Schaum mit Makroporen. Alternativ dazu kann eine Verbrennungsstoff- und/oder Treibstoffentnahme aus den Treibstoffbehältern zur Speisung des kryotechnischen Triebwerks 2 in Betracht gezogen werden.
In der Ausführungsform, die in der 1 dargestellt ist, ist der Katalysator 8 in einem unabhängigen Katalysatorgehäuse 12 angeordnet, dessen Heißgasauslass mit dem Heißgaseinlass des Austauschers 6 verbunden ist. In der Ausführungsform der 2 ist der Katalysator 8 direkt in mindestens einem Teil des Austauschers 6 angeordnet, der zum Zwischenabschnitt 5 der Arbeitsgasversorgungsleitung 4 konzentrisch ist. In dieser 2 werden die Ventilsystems 13, 14, 15 zur Reglung des Helium-, des Treibstoff- und des Verbrennungsstoffstroms dargestellt, die jeweils von einem Behälter 3 für überkritisches Helium, in der Regel bei 20 bar und bei einer Temperatur von 8 K, einem Behälter für Sauerstoff 11, in der Regel bei 200 bar und 300 K, und einem Behälter für Methan 10, in der Regel bei 200 bar und 300 K, kommen, wobei die Quelle des Gemischs der Verbrennungsstoff- und Treibstoffgase durch einen kleinen Behälter 16 für 5 Liter Helium bei 100 bar und 300 K komplettiert wird, um die Leitungssysteme der Verbrennungsstoff- und Treibstoffgase und der Heißgase nach der Verbrennung zu spülen.
Das System, das beschrieben wurde, ermöglicht das Dosieren der Ströme der Treibstoff- und Verbrennungsstoffgase, um Heißgase aus einer katalytischen Verbrennung bei einer gemäßigten, nicht zu hohen Temperatur zu erhalten, in der Regel zwischen 300 K und 1100 K je nach der Temperatur des im Behälter 3 gespeicherten Heliums.
Obgleich die Erfindung in Verbindung mit bestimmten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern für Modifizierungen und Abwandlungen, die dem Fachmann offensichtlich sind, innerhalb des Schutzumfangs der nachfolgenden Ansprüche geeignet.

Claims

Selbständiges Arbeitsdruckgasversorgungssystem, umfassend: – eine Quelle (3) dieses Gases bei einer Temperatur kleiner als 200 K; – eine Leitung (4), um einen Nutzkreis (1, 2) mit Arbeitsgas zu versorgen, wobei die Leitung ein vorderes Ende, das mit der Arbeitsgasquelle (3) verbunden werden kann, und einen Zwischenabschnitt (5) aufweist; und gekennzeichnet durch: – einen Austauscher (6) mit Heißgasdurchlauf, der mit dem Zwischenabschnitt (5) der Gasleitung (4) in Wärmeaustauschbeziehung steht; – mindestens eine Verbrennungsstoffgasquelle (11) und mindestens eine Treibstoffgasquelle (10); und – mindestens ein Katalysatorbett (8), das von einem Gemisch der Verbrennungsstoff- und Treibstoffgasen aus diesen Quellen (11, 10) gespült wird, um die Heißgase (7) zu erzeugen, die den Austauscher (6) durchlaufen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstoff ein niederes Alkyl ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstoff Wasserstoff ist.
System nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsstoff Sauerstoff ist.
System nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (8) mindestens ein Metall enthält, das aus der Gruppe gewählt wird, die Platin, Palladium und Rhodium umfaßt.
System nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibstoff- und Verbrennungsstoffgasquellen Gasflaschen (10, 11) sind.
System nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas Helium ist.
System nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Helium von der Quelle bei einer Temperatur zwischen 4 und 90 K ist.
Anwendung eines Systems nach einem der obigen Ansprüche, um einen Fluidbehälter (1) unter Druck zu setzen.
Trägerraketenstufe, umfassend ein kryotechnisches Triebwerk (2), das mit einem Treibstoffbehälter (1) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstoffbehälter (1) mit einer Arbeitsgasversorgungsleitung (4) eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 8 verbunden ist.