PL241329B1 - Hydrogen peroxide rocket engine - Google Patents

Hydrogen peroxide rocket engine Download PDF

Info

Publication number
PL241329B1
PL241329B1 PL431858A PL43185819A PL241329B1 PL 241329 B1 PL241329 B1 PL 241329B1 PL 431858 A PL431858 A PL 431858A PL 43185819 A PL43185819 A PL 43185819A PL 241329 B1 PL241329 B1 PL 241329B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
hydrogen peroxide
heating coil
filling
decomposition
rocket engine
Prior art date
Application number
PL431858A
Other languages
Polish (pl)
Other versions
PL431858A1 (en
Inventor
Zbigniew Gut
Paweł SURMACZ
Paweł Surmacz
Original Assignee
Siec Badawcza Lukasiewicz Inst Lotnictwa
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siec Badawcza Lukasiewicz Inst Lotnictwa filed Critical Siec Badawcza Lukasiewicz Inst Lotnictwa
Priority to PL431858A priority Critical patent/PL241329B1/en
Publication of PL431858A1 publication Critical patent/PL431858A1/en
Publication of PL241329B1 publication Critical patent/PL241329B1/en

Links

Landscapes

  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Feeding, Discharge, Calcimining, Fusing, And Gas-Generation Devices (AREA)

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest silnik rakietowy, wykorzystujący zjawisko termicznego rozkładu nadtlenku wodoru, posiadający: korpus (1), wewnątrz którego znajduje się komora rozkładu nadtlenku wodoru, układ wtrysku (5) nadtlenku wodoru do komory rozkładu, dyszę wylotową (6), znajdującą się po drugiej stronie komory rozkładu względem układu wtrysku (5), spiralę grzewczą (3) znajdującą się wewnątrz korpusu (1) w komorze rozkładu i pomiędzy układem wtrysku (5) a dyszą wylotową (6), wkładkę izolacyjną (4), umieszczoną pomiędzy spiralą grzewczą (3) a ścianą korpusu (1), charakteryzujący się tym, że posiada dodatkowo: wypełnienie (2) umieszczone w komorze rozkładu w korpusie (1) w przestrzeni ograniczonej spiralą grzewczą (3), które jest wykonane z przepuszczalnego dla cieczy i gazów materiału o rozbudowanym polu powierzchni, mającego strukturę pianki o otwartych porach albo strukturę podłużnych, otwartych i prostych kanałów albo strukturę proszku albo ich dowolnej kombinacji.The subject of the application is a rocket engine using the phenomenon of thermal decomposition of hydrogen peroxide, having: a body (1) inside which there is a hydrogen peroxide decomposition chamber, a system for the injection (5) of hydrogen peroxide into the decomposition chamber, an outlet nozzle (6) located on the other on the side of the distribution chamber in relation to the injection system (5), the heating coil (3) inside the body (1) in the distribution chamber and between the injection system (5) and the outlet nozzle (6), an insulating insert (4) placed between the heating coil ( 3) and the wall of the body (1), characterized by the fact that it additionally has: a filling (2) placed in the decomposition chamber in the body (1) in a space limited by a heating spiral (3), which is made of a material permeable to liquids and gases with having an open pore foam structure or a longitudinal, open and straight channel structure, or a powder structure or any combination thereof.

Description

PL 241 329 B1PL 241 329 B1

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest silnik rakietowy, zasilany nadtlenkiem wodoru, działający w oparciu o rozkład termiczny jednoskładnikowego materiału pędnego.The present invention relates to a rocket engine fueled with hydrogen peroxide, operating on the thermal decomposition of a single-component propellant.

W stanie techniki znane są różnego rodzaju silniki rakietowe, które zwykle są zasilane materiałem pędnym jedno- lub dwuskładnikowym. Wśród jednoskładnikowych materiałów pędnych/paliw występuje nadtlenek wodoru (H2O2), który podczas rozkładu generuje duże ilości gorących gazów - wystarczające do napędzania silników rakietowych, np. silników korekcyjnych satelitów. Szczególnie przydatne jest zastosowanie stężonego nadtlenku wodoru (zwanego HTP - High Test Peroxide), który w porównaniu z innym popularnym materiałem pędnym, tj. N2H4 - hydrazyną, nie jest wysoce toksyczny.Various types of rocket motors are known in the art, which are usually powered by a one-component or two-component propellant. Among monocomponent propellants / fuels is hydrogen peroxide (H2O2), which generates large amounts of hot gas during decomposition - sufficient to power rocket motors, e.g. satellite correction motors. Particularly useful is the use of concentrated hydrogen peroxide (called HTP - High Test Peroxide), which is not highly toxic compared to another popular propellant, N2H4 - hydrazine.

W stanie techniki znane są różnego rodzaju konstrukcje, w których w silniku rakietowym rozkład nadtlenku wodoru jest prowadzony w stosunkowo niskiej temperaturze przy obecności katalizatora w ramach tzw. rozkładu katalitycznego. Przykładowe rozwiązanie tego typu zostało przedstawione w koreańskim zgłoszeniu patentowym KR20100066613, wedle którego nadtlenek wodoru jest kierowany do strefy wypełnionej kulkami, które to kule są pokryte na powierzchni warstwą materiału działającego jako katalizator reakcji rozkładu H2O2. Ten sam dokument opisuje również korzystne modyfikacje takiego rozwiązania, jakim jest zastosowanie kulek o otwartych porach, dzięki czemu znacznie zwiększa się powierzchnia takiego złoża katalitycznego i w efekcie reakcja rozkładu zachodzi znacznie szybciej, umożliwiając opracowanie silnika rakietowego z stosunkowo dużą mocą przy zachowaniu niewielkich rozmiarów. Niestety, takie silniki rakietowe mają dużą wadę - materiał katalityczny ulega w szybkim tempie degradacji i przy szczególnie długim czasie eksploatacji - może zupełnie stracić swą zdolność do inicjowania reakcji rozkładu H2O2 przy dość niskich temperaturach. Wobec tego pożądane byłoby zapewnienie silnika na H2O2 o takiej konstrukcji, która w miarę upływu czasu zachowywałaby swoje właściwości i nie ulegała degradacji.In the state of the art, various types of structures are known, in which the decomposition of hydrogen peroxide in a rocket engine is carried out at a relatively low temperature in the presence of a catalyst within the so-called catalytic decomposition. An exemplary solution of this type is presented in the Korean patent application KR20100066613, according to which hydrogen peroxide is directed to a zone filled with spheres, which spheres are covered on the surface with a layer of material acting as a catalyst for the decomposition of H2O2. The same document also describes advantageous modifications of such a solution, which is the use of open-pore balls, thanks to which the surface of such a catalytic bed is significantly increased and, as a result, the decomposition reaction takes place much faster, enabling the development of a rocket engine with relatively high power while maintaining a small size. Unfortunately, such rocket engines have a big disadvantage - the catalytic material degrades quickly and with a particularly long operating time - can completely lose its ability to initiate the H2O2 decomposition reaction at relatively low temperatures. Accordingly, it would be desirable to provide an H2O2 engine with a design that maintains its properties and does not degrade over time.

Jednym ze znanych rozwiązań w tej dziedzinie jest zastosowanie silnika na nadtlenek wodoru, w którym reakcja rozkładu byłaby inicjowana termicznie, poprzez podgrzanie H2O2 do temperatury rozkładu. Zostało to zaproponowane podczas konferencji 7th EUROPEAN CONFERENCE FOR AERONAUTICS AND SPACE SCIENCES (EUCASS) w artykule o tytule „Possibility of Using Thermal Decomposition of Hydrogen Peroxide For Low Thrust Propulsion System Application” (DOI:10.13009/EUCASS2017-626). Wedle proponowanego rozwiązania, zamiast stosowania katalizatora, w silniku rakietowym umieszcza się spiralę grzewczą i układ natryskujący na nią nadtlenek wodoru. Po zetknięciu się z rozgrzaną spiralą następuje rozkład H2O2 i wytworzenie dużej ilości gorących gazów, które ulatując poprzez dyszę mogą generować pożądany ciąg. O ile takie rozwiązanie jest obiecujące z punktu widzenia długiego okresu eksploatacji takiego silnika, to niesie ze sobą wiele wyzwań technicznych, z uwagi na trudności w projektowaniu silnika takiego typu. Pomimo coraz doskonalszych programów do przeprowadzania numerycznych analiz różnych zjawisk, wyniki z obliczeń dot. cyfrowych modeli takich silników mocno odbiegają od wyników badań prototypów. Co więcej, zaprojektowanie dobrze współpracujących ze sobą układu natryskującego H2O2, spirali grzewczej i komory, w której ma zachodzić reakcja rozkładu, jest zadaniem bardzo trudnym, a przy źle zaprojektowanym silniku tego typu - możliwe są straty materiału pędnego, który nie uległ rozpadowi wewnątrz silnika. Z uwagi na niską przydatność modeli cyfrowych - konstruktorzy są w istocie zmuszeni do żmudnego procesu badań w oparciu o prototypy, dla każdej modyfikacji projektu.One of the known solutions in the art is the use of a hydrogen peroxide engine in which the decomposition reaction would be initiated thermally by heating H2O2 to the decomposition temperature. This was proposed at the 7 th EUROPEAN CONFERENCE FOR AERONAUTICS AND SPACE SCIENCES (EUCASS) conference in an article entitled "Possibility of Using Thermal Decomposition of Hydrogen Peroxide For Low Thrust Propulsion System Application" (DOI: 10.13009 / EUCASS2017-626). According to the proposed solution, instead of using a catalyst, a heating coil and a system spraying hydrogen peroxide are placed in the rocket engine. Upon contact with the heated spiral, H2O2 decomposes and a large amount of hot gases is produced which, escaping through the nozzle, can generate the desired draft. While such a solution is promising from the point of view of the long service life of such an engine, it presents many technical challenges due to the difficulties in designing an engine of this type. Despite more and more perfect programs for performing numerical analyzes of various phenomena, the results of calculations concerning digital models of such engines differ significantly from the results of prototype tests. Moreover, it is a very difficult task to design a well-coordinated H2O2 spraying system, a heating coil and a chamber in which the decomposition reaction is to take place, and with a poorly designed engine of this type - it is possible to lose propellant that has not broken down inside the engine. Due to the low usefulness of digital models - designers are in fact forced to a tedious research process based on prototypes for each design modification.

Wobec powyższego, pożądane byłoby opracowanie silnika rakietowego, który byłby zasilany ekologicznym paliwem, byłby łatwy w projektowaniu i charakteryzowałby się długą żywotnością - silnik o takich cechach jest przedmiotem niniejszego wynalazku.Accordingly, it would be desirable to develop a rocket engine that runs on clean fuel, is easy to design, and has a long service life - an engine having such characteristics is the subject of the present invention.

Silnik rakietowy, wykorzystujący zjawisko termicznego rozkładu nadtlenku wodoru, posiadający: - korpus, wewnątrz którego znajduje się komora rozkładu nadtlenku wodoru, - układ wtrysku nadtlenku wodoru do komory rozkładu, w którym występuje zawirowywacz, - dyszę wylotową, znajdującą się po drugiej stronie komory rozkładu względem układu wtrysku, - spiralę grzewczą, znajdującą się wewnątrz korpusu w komorze rozkładu i pomiędzy układem wtrysku a dyszą wylotową,A rocket engine using the phenomenon of thermal decomposition of hydrogen peroxide, having: - a body inside which there is a hydrogen peroxide decomposition chamber, - a system for the injection of hydrogen peroxide into the decomposition chamber, in which there is a swirler, - an outlet nozzle on the other side of the decomposition chamber with respect to injection system, - a heating coil located inside the body in the distribution chamber and between the injection system and the outlet nozzle,

- wkładkę izolacyjną, umieszczoną pomiędzy spiralą grzewczą a ścianą korpusu, posiadający dodatkowo:- an insulating insert, placed between the heating coil and the body wall, additionally having:

- wypełnienie umieszczone w komorze rozkładu w korpusie w przestrzeni ograniczonej spiralą grzewczą, które jest wykonane z przepuszczalnego dla cieczy i gazów materiału o rozbudowanym polu powierzchni, mającego strukturę pianki o otwartych porach,- a filling placed in the decomposition chamber in the body in a space limited by a heating spiral, which is made of a liquid and gas-permeable material with an extended surface area, having an open-pored foam structure,

PL 241 329 B1 przy czym wnętrze korpusu silnika jest zasadniczo osiowosymetryczne, przy czym spirala grzewcza jest typu grzałki elektrycznej, przy czym wypełnienie ma porowatość z zakresu 75%-95%, charakteryzuje się tym, że wypełnienie ma postać pianki o otwartych porach wykonanej z materiału ceramicznego ewentualnie z dodatkiem pianki o otwartych porach wykonanej z metalu lub stopu metali.The interior of the motor housing is substantially axially symmetrical, the heating coil is of the electric heater type, the filling has a porosity in the range of 75% -95%, the filling is in the form of an open-pored foam made of ceramic, possibly with the addition of an open-pored foam made of metal or metal alloy.

Korzystnie, wypełnienie jest utworzone z kilku pianek o różnych porowatościach i o różnych rozmiarach porów.Preferably, the filling is made of several foams with different porosities and different pore sizes.

Korzystnie, spirala grzewcza jest umieszczona w odstępie od wkładki izolacyjnej, przy czym w przestrzeni pomiędzy spiralą grzewczą a wkładką izolacyjną umieszczone jest wypełnienie.Preferably, the heating coil is spaced apart from the insulating insert, the filling being arranged in the space between the heating coil and the insulating insert.

Korzystnie, silnik posiada podwójną spiralę grzewczą, utworzoną przez spiralę wewnętrzną i zewnętrzną i gdzie w odstępie pomiędzy spiralą wewnętrzną a zewnętrzną jest umieszczone wypełnienie.Preferably, the motor has a double heating coil formed by an inner and outer helix and where the filling is disposed at a distance between the inner and outer helix.

Korzystnie, materiał ceramiczny wchodzący w skład wypełnienia jest wybrany z grupy obejmującej: ZrO2, AI2O3, SiO2, SiC, SiC/Al2O3/SiO2, Al2O3/SiO2, Al2O2/SiO2/grafit.Preferably, the ceramic material of the filler is selected from the group consisting of: ZrO2, Al2O3, SiO2, SiC, SiC / Al2O3 / SiO2, Al2O3 / SiO2, Al2O2 / SiO2 / graphite.

Korzystnie, metal lub stop metali wchodzący w skład wypełnienia jest wybrany z grupy obejmującej: nikiel, NiFeCrAI, Inconel, NiCrAI, Monel, FeCrAI.Preferably, the metal or metal alloy in the filler is selected from the group consisting of: Nickel, NiFeCrAI, Inconel, NiCrAI, Monel, FeCrAI.

Wynalazek zostanie teraz bliżej przedstawiony w korzystnym przykładzie wykonania w nawiązaniu do załączonych rysunków, na których:The invention will now be illustrated in more detail in a preferred embodiment with reference to the attached drawings, in which:

Fig. 1 przedstawia schemat silnika rakietowego według pierwszego przykładu wykonania,Fig. 1 shows a diagram of a rocket engine according to the first embodiment,

Fig. 2 przedstawia schemat silnika rakietowego według drugiego przykładu wykonania, zaśFig. 2 is a schematic diagram of a rocket motor according to the second embodiment, and Fig

Fig. 3 przedstawia porównanie rozkładu temperatury w silniku znanym ze stanu techniki (powyżej) z silnikiem według jednego z przykładów wykonania wynalazku (poniżej).Fig. 3 shows a comparison of the temperature distribution in a prior art engine (above) with an engine according to one embodiment of the invention (below).

Korzystny przykład wykonania wynalazkuA preferred embodiment of the invention

Wykaz oznaczeń numerycznych:List of numerical designations:

- korpus silnika rakietowego z komorą rozkładu nadtlenku wodoru- rocket engine body with a hydrogen peroxide decomposition chamber

- wypełnienie/materiał o strukturze pianki z otwartymi porami (skrótowo - materiał piankowy)- filling / material with a foam structure with open pores (short - foam material)

- grzałka elektryczna/spirala grzewcza- electric heater / heating coil

- izolacja termiczna/wkładka izolacyjna- thermal insulation / insulating insert

- układ wtrysku- injection system

- dysza- nozzle

Silnik rakietowy, według wynalazku, posiada trzy główne elementy:The rocket engine according to the invention has three main components:

- korpus 1, w którym występuje komora rozkładu - w niej zachodzi reakcja rozkładu nadtlenku wodoru, gdzie korpus korzystnie ma osiowosymetryczną budowę,- body 1, in which there is a decomposition chamber - the reaction of decomposition of hydrogen peroxide takes place in it, where the body preferably has an axisymmetric structure,

- dyszę 6, przez którą gorące gazy powstałe w wyniku rozkładu H2O2 kierowane są na zewnątrz silnika rakietowego, oraz- a nozzle 6 through which hot gases from the decomposition of H2O2 are directed outside the rocket engine, and

- układ wtrysku 5, do wtryskiwania nadtlenku wodoru do komory rozkładu w korpusie 1.injection system 5, for injecting hydrogen peroxide into the decomposition chamber in the body 1.

Kolejnym elementem jest grzałka elektryczna 3, która jest umieszczona w korpusie 1 wewnątrz komory rozkładu i której rolą jest uzyskiwanie i podtrzymywanie wystarczająco wysokiej temperatury, by mogła zajść reakcja termicznego rozkładu nadtlenku wodoru. Grzałka elektryczna 3 ma korzystnie postać spirali o geometrii zbliżonej do odcinka rury/pierścienia (por. Fig. 1).Another element is an electric heater 3 which is placed in the body 1 inside the decomposition chamber and whose role is to obtain and maintain a sufficiently high temperature for the thermal decomposition of hydrogen peroxide to take place. The electric heater 3 is preferably in the form of a spiral with a geometry similar to that of a pipe / ring section (cf. Fig. 1).

Aby zabezpieczyć ściany korpusu 1 przed przegrzaniem, w szczególności podczas wstępnego rozgrzewania spirali grzewczej 3, wewnątrz komory rozkładu w obszarze pomiędzy grzałką elektryczną 3 a ścianą korpusu 1 umieszczona jest wkładka izolacyjna 4, np. z materiału ceramicznego.In order to protect the walls of the body 1 against overheating, in particular during the pre-heating of the heating coil 3, an insulating insert 4, e.g. made of ceramic material, is placed inside the decomposition chamber in the area between the electric heater 3 and the wall of the body 1.

Kluczowym elementem silnika według wynalazku jest dodatkowe wypełnienie 2, np. o strukturze pianki z otwartymi porami, umieszczone zasadniczo wewnątrz grzałki elektrycznej 3. Materiał piankowy 2 może być wykonany z porowatych materiałów metalowych lub ceramicznych, które mają strukturę pianki o otwartych porach, umożliwiających swobodny przepływ płynu (zwłaszcza - gazu) przez taki materiał piankowy 2. Korzystnie, porowatość materiału piankowego 2 jest rzędu 75%-95%. Zastosowanie materiału piankowego 2 jest szczególnie korzystne z punktu widzenia wynalazku, ponieważ umożliwia równomierny rozkład temperatury wewnątrz komory rozkładu w korpusie 1.A key element of the engine according to the invention is an additional packing 2, e.g. with an open-pored foam structure, placed substantially inside the electric heater 3. The foam material 2 can be made of porous metal or ceramic materials that have an open-pored foam structure allowing free passage. fluid (especially gas) through such foam material 2. Preferably, the porosity of the foam material 2 is in the order of 75% -95%. The use of foam material 2 is particularly advantageous in view of the invention as it allows the temperature to be uniformly distributed inside the decomposition chamber in the body 1.

Co więcej, poprzez użycie wypełnienia 2 o dużej porowatości i o otwartych porach, które dodatkowo może ulec rozgrzaniu pod wpływem rozgrzewającej się grzałki elektrycznej, gwarantuje się, że wtryskiwany (poprzez układ wtrysku 5) nadtlenek wodoru wejdzie w kontakt z powierzchnią na tyle gorącą, by zainicjować termiczny rozkład H2O2. Niesie to ze sobą ogromną korzyść pod kątem osiągnięciaMoreover, by using a filling 2 with high porosity and open pores, which may additionally be heated by a heating electric heater, it is ensured that the hydrogen peroxide injected (through the injection system 5) comes into contact with the surface hot enough to initiate thermal decomposition of H2O2. This has a tremendous benefit in terms of achievement

PL 241 329 B1 wysokiej mocy silnika rakietowego, przy zachowaniu jego niewielkich rozmiarów (zwłaszcza - zapewnienie niewielkiej długości korpusu 1) a jednocześnie - ułatwienie projektowania takich silników, gdyż znika problem nierównomiernego przebiegu reakcji rozkładu wewnątrz komory rozkładu w korpusie silnika 1. Przez to, że spirala grzewcza 3 i materiał piankowy 2 wypełniają na pewnym odcinku praktycznie całą wolną przestrzeń wewnątrz komory rozkładu, reakcja rozkładu termicznego może zachodzić równomiernie i cały nadtlenek wodoru ulegnie rozkładowi jeszcze przed ujściem przez dyszę 6 (takie ryzyko marnowania materiału pędnego mogło występować przy źle zaprojektowanych silnikach na H2O2, w których reakcja termicznego rozkładu wywoływana byłaby tylko spiralą grzewczą, bez żadnego materiału piankowego). Różnicę w rozkładzie temperatury w komorze rozkładu w korpusie 1, pomiędzy silnikiem wyposażonym tylko w spiralę grzewczą 3 a silnikiem wyposażonym w spiralę grzewczą 3 i materiał piankowy 2 zobrazowano na Fig. 3, gdzie u góry widać pierścieniowy zarys gorącej spirali grzewczej 3, ze znacznie chłodniejszym obszarem w środku, zaś na dole widać kołowy zarys materiału piankowego 2 otoczonego spiralą grzewczą 3, które są dosyć równomiernie rozgrzane (po prawej stronie Fig. 3 widać ‘barwne’ oznaczenie skali temperatury w °C).Due to the fact that the design of such engines is easier to design, the problem of uneven decomposition reactions inside the decomposition chamber in the engine body 1 disappears. the heating coil 3 and the foam material 2 fill practically all the free space inside the decomposition chamber over a certain distance, the thermal decomposition reaction can take place evenly and all hydrogen peroxide will decompose even before it leaves the nozzle 6 (such a risk of wasting propellant could occur with poorly designed engines on H2O2, in which the thermal decomposition reaction would be caused only by a heating spiral, without any foam material). The difference in the temperature distribution in the decomposition chamber in the body 1, between the motor equipped only with a heating coil 3 and the motor equipped with a heating coil 3 and foam material 2 is illustrated in Fig. 3, where at the top you can see the annular outline of the hot heating coil 3, with a much cooler the area in the middle and at the bottom shows the circular outline of the foam material 2 surrounded by the heating coil 3, which are quite evenly heated (on the right-hand side of Fig. 3 you can see the 'color' marking of the temperature scale in ° C).

Warunkiem doboru konkretnego typu materiału, z którego powinien zostać wykonany materiał piankowy 2, są odpowiednia wytrzymałość mechaniczna i termiczna, jak również odpowiednio wysoka przewodność cieplna, gwarantująca krótki czas wstępnego rozgrzewania. W niektórych przykładach wykonania, odpowiednią grupą materiałów na materiał piankowy 2 są porowate materiały ceramiczne, podczas gdy w innych przykładach wykonania, odpowiednią grupą materiałów są porowate materiały z metalu. W jeszcze innych przykładach wykonania, korzystne jest zastosowanie materiału piankowego 2 utworzonego z kilku różnych materiałów, np. z różnych materiałów ceramicznych, z różnych metali, albo z zestawu materiałów ceramicznych i metalowych.The condition for the selection of a specific type of material from which the foam material 2 should be made is appropriate mechanical and thermal strength, as well as sufficiently high thermal conductivity, guaranteeing a short pre-heating time. In some embodiments, a suitable group of materials for the foam material 2 is porous ceramics, while in other embodiments, a suitable group of materials is porous metal materials. In still other embodiments, it is preferable to use a foam material 2 made of several different materials, e.g. different ceramics, different metals, or a set of ceramic and metal materials.

W przykładach wykonania wynalazku, w których wykorzystuje się wypełnienie 2 wykonane częściowo lub całkowicie z jednego lub kilku metalu/stopu metali, korzystnie wybiera się metal/stop(-y) metali się z grupy obejmującej: nikiel, NiFeCrAI, Inconel, NiCrAI, Monel, FeCrAI.In embodiments of the invention where the packing 2 is used partially or completely from one or more metal / metal alloys, the metal / metal alloy (s) are preferably selected from the group consisting of: nickel, NiFeCrAI, Inconel, NiCrAI, Monel, FeCrAI.

W przykładach wykonania wynalazku, w których wykorzystuje się wypełnienie 2 wykonane częściowo lub całkowicie z jednego lub kilku materiału(-ów) ceramicznego(-ych), korzystnie materiał(-y) ceramiczny(-e) wybiera się z grupy obejmującej: ZrO2, AI2O3, SO2, SiC, SiC/Al2O3/SiO2, Al2O3/SiO2, Al2O2/SiO2/grafit.In embodiments of the invention where a packing 2 made partially or entirely of one or more ceramic material (s) is used, preferably the ceramic material (s) is selected from the group consisting of: ZrO2, Al2O3 , SO2, SiC, SiC / Al2O3 / SiO2, Al2O3 / SiO2, Al2O2 / SiO2 / graphite.

Wedle drugiego korzystnego przykładu wykonania wynalazku, przedstawionego schematycznie na Fig. 2, korzystne jest zastosowanie podwójnej spirali grzewczej 3, tj. spirali grzewczej o geometrii przypominającej geometrię rury umieszczonej w drugiej rurze z odstępem między nimi (innymi słowy występują spirala wewnętrzna i zewnętrzna). W tym przykładzie wykonania materiał piankowy 2 występuje w dwóch strefach - pomiędzy spiralą wewnętrzną a zewnętrzną i w przestrzeni pośrodku spirali wewnętrznej.According to the second preferred embodiment of the invention, schematically illustrated in Fig. 2, it is advantageous to use a double heating coil 3, i.e. a pipe geometry heating spiral arranged in the second pipe with a spacing therebetween (in other words, there is an inner and an outer helix). In this embodiment, the foam material 2 is present in two zones - between the inner and outer helix and in the space in the center of the inner helix.

W jeszcze innych przykładach wykonania, korzystne jest oddalenie spirali grzewczej 3 od izolacji termicznej 2 i wypełnienie przestrzeni między nimi materiałem piankowym 2.In still other exemplary embodiments, it is advantageous to distance the heating coil 3 from the thermal insulation 2 and to fill the space between them with foam material 2.

Chociaż w powyższych przykładach wykonania wskazano, iż szczególnie korzystnym jest zastosowanie materiału o strukturze pianki z otwartymi porami, to nie należy traktować tego zawężająco, gdyż w niektórych przykładach wykonania korzystne jest zastosowanie materiałów o innego typu strukturze, które również charakteryzują się rozbudowanym polem powierzchni. Przykładowymi materiałami o rozbudowanym polu powierzchni są:While it has been indicated in the above embodiments that it is particularly advantageous to use an open pore foam material, this should not be considered restrictive, as in some embodiments it is preferable to use materials with a different type of structure which also have an extensive surface area. Examples of materials with an extensive surface area are:

- materiały posiadające podłużne, proste kanały, np. o przekroju kołowym lub heksagonalnym, - materiały o strukturze gąbczastej, o otwartych porach - o naprzemiennym rozkładzie porów i elementów struktury,- materials with straight longitudinal channels, e.g. circular or hexagonal, - materials with a spongy structure, with open pores - with an alternating distribution of pores and structural elements,

- proszki (oczywistym jest, że przy zastosowaniu proszków może być konieczne zastosowanie dodatkowych elementów, które uniemożliwiałyby ubywanie takiego proszku z silnika, np. sit).- powders (it is obvious that when using powders it may be necessary to use additional elements that would prevent the loss of such powder from the engine, e.g. sieves).

Szczególnie korzystnym jest zastosowanie materiału o strukturze piany o otwartej porowatości struktury gąbczastej o regularnym i naprzemiennym rozkładzie porów o stałej, określonej średnicy. Zastosowane elementy porowate mogą być jedną pianką o określonej porowatości albo można zastosować kilka pianek o różnej porowatości. Taka struktura wymusza kontakt nadtlenku wodoru z gorącą ścianą i dobrze rozprowadza ciepło, dostarczone przez grzałkę. Proponowane rozwiązanie jest więc nie tylko wymiennikiem ciepła ale również rozwinięciem powierzchni dla reakcji powierzchniowej termicznego rozkładu nadtlenku wodoru.It is particularly advantageous to use a foam-like material with an open porosity of a spongy structure with a regular and alternating pore distribution with a constant, defined diameter. The used porous elements can be one foam with a defined porosity, or several foams with different porosities can be used. This structure forces the hydrogen peroxide to contact the hot wall and distributes the heat provided by the heater well. The proposed solution is therefore not only a heat exchanger but also a surface expansion for the surface reaction of thermal decomposition of hydrogen peroxide.

Claims (6)

PL 241 329 B1PL 241 329 B1 Podczas pracy silnika według wynalazku, nadtlenek wodoru jest dostarczany do komory poprzez układ wtrysku 5 (korzystnie - obejmujący wtryskiwacz), w którym korzystnie występuje otwór dostosowany do planowanego/przewidywanego możliwego natężenia przepływu masowego oraz zawirowywacz. W wyniku kontaktu nadtlenku wodoru z gorącą powierzchnią spirali grzewczej 3 oraz z rozgrzanym materiałem piankowym 2 następuje inicjacja termicznego rozkładu H2O2. W zaproponowanym rozwiązaniu, materiał piankowy 2 jest nośnikiem strumienia ciepła, pochodzącego z elementu grzewczego i stanowi idealny prekursor do inicjacji termicznego rozkładu nadtlenku wodoru. Zainicjowany proces rozkładu nadtlenku wodoru jest podtrzymywany przez stały dopływ ciepła z grzałki. Nadtlenek wodoru, który uległ rozkładowi i przekształcił się w mieszaninę gorących gazów, uchodzi następnie z korpusu silnika 1 poprzez dyszę 6, generując ciąg, wykorzystywany np. to korekcji ustawienia satelity na orbicie.During operation of the engine according to the invention, the hydrogen peroxide is supplied to the chamber via an injection system 5 (preferably - including an injector) which preferably has an orifice adapted to the planned / anticipated possible mass flow rate and a swirler. As a result of contact of hydrogen peroxide with the hot surface of the heating coil 3 and with the heated foam material 2, thermal decomposition of H2O2 is initiated. In the proposed solution, the foam material 2 is the carrier of the heat flux from the heating element and is an ideal precursor to initiate the thermal decomposition of hydrogen peroxide. The initiated process of decomposition of hydrogen peroxide is sustained by a constant flow of heat from the heater. The hydrogen peroxide, which has decomposed and transformed into a mixture of hot gases, then escapes from the body of the engine 1 through the nozzle 6, generating a thrust, used, for example, to correct the position of the satellite in orbit. Wykorzystanie w praktyce zjawiska termicznego rozkładu nadtlenku wodoru umożliwia stosowanie lżejszych i tańszych konstrukcji silników rakietowych, zwłaszcza silników korekcyjnych, gdyż nie istniałaby konieczność instalowania w układzie złoża katalitycznego, które jest silnie podatne na zatrucie oraz w przypadku srebra (i nadtlenku wodoru o najwyższej klasie stężenia), stapianie się. Co więcej, ze względu na brak czułego na degradację katalizatora istnieje możliwość zastosowania takiego rozwiązania w długim okresie eksploatacji.The practical use of the phenomenon of thermal decomposition of hydrogen peroxide enables the use of lighter and cheaper rocket engine designs, especially correction engines, as there would be no need to install a catalytic bed in the system, which is highly susceptible to poisoning, and in the case of silver (and hydrogen peroxide of the highest concentration class) , fusing. Moreover, due to the lack of a catalyst sensitive to degradation, it is possible to use such a solution in a long period of operation. Zastrzeżenia patentowePatent claims 1. Silnik rakietowy, wykorzystujący zjawisko termicznego rozkładu nadtlenku wodoru, posiadający:1. Rocket engine using the thermal decomposition of hydrogen peroxide, having: - korpus (1), wewnątrz którego znajduje się komora rozkładu nadtlenku wodoru,- body (1), inside which there is a hydrogen peroxide decomposition chamber, - układ wtrysku (5) nadtlenku wodoru do komory rozkładu, w którym występuje zawirowywacz, - dyszę wylotową (6), znajdującą się po drugiej stronie komory rozkładu względem układu wtrysku (5),- hydrogen peroxide injection system (5) into the decomposition chamber, in which there is a swirler, - an outlet nozzle (6), located on the other side of the decomposition chamber in relation to the injection system (5), - spiralę grzewczą (3), znajdującą się wewnątrz korpusu (1) w komorze rozkładu i pomiędzy układem wtrysku (5) a dyszą wylotową (6),- a heating coil (3) located inside the body (1) in the distribution chamber and between the injection system (5) and the outlet nozzle (6), - wkładkę izolacyjną (4), umieszczoną pomiędzy spiralą grzewczą (3) a ścianą korpusu (1), posiadający dodatkowo:- an insulating insert (4), placed between the heating coil (3) and the body wall (1), additionally having: - wypełnienie (2) umieszczone w komorze rozkładu w korpusie (1) w przestrzeni ograniczonej spiralą grzewczą (3), które jest wykonane z przepuszczalnego dla cieczy i gazów materiału o rozbudowanym polu powierzchni, mającego strukturę pianki o otwartych porach, przy czym wnętrze korpusu (1) silnika jest zasadniczo osiowosymetryczne, przy czym spirala grzewcza (3) jest typu grzałki elektrycznej, przy czym wypełnienie (2) ma porowatość z zakresu 75%-95%, znamienny tym, że wypełnienie (2) ma postać pianki o otwartych porach wykonanej z materiału ceramicznego ewentualnie z dodatkiem pianki o otwartych porach wykonanej z metalu lub stopu metali.- filling (2) placed in the decomposition chamber in the body (1) in the space limited by the heating coil (3), which is made of a liquid and gas-permeable material with an extended surface area, having an open-pored foam structure, the interior of the body ( 1) of the engine is essentially axisymmetric, the heating coil (3) being of the electric heater type, the filling (2) having a porosity in the range of 75% -95%, characterized in that the filling (2) is an open-pored foam made of of ceramic material, possibly with the addition of an open-pored foam made of metal or metal alloy. 2. Silnik rakietowy według zastrz. 1, znamienny tym, że wypełnienie (2) jest utworzone z kilku pianek o różnych porowatościach i o różnych rozmiarach porów.2. A rocket engine as claimed in claim 1; 3. A method as claimed in claim 1, characterized in that the filling (2) is made of several foams with different porosities and different pore sizes. 3. Silnik rakietowy według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że spirala grzewcza (3) jest umieszczona w odstępie od wkładki izolacyjnej (4), przy czym w przestrzeni pomiędzy spiralą grzewczą (3) a wkładką izolacyjną (4) umieszczone jest wypełnienie (2).3. A rocket engine as claimed in claim 1; A method as claimed in claim 1 or 2, characterized in that the heating coil (3) is spaced apart from the insulating insert (4), the filling (2) being arranged in the space between the heating coil (3) and the insulating insert (4). 4. Silnik rakietowy według zastrz. 1, 2 albo 3, znamienny tym, że posiada podwójną spiralę grzewczą (3), utworzoną przez spiralę wewnętrzną i zewnętrzną i gdzie w odstępie pomiędzy spiralą wewnętrzną a zewnętrzną jest umieszczone wypełnienie (2).4. A rocket engine as claimed in claim 1; A heating element as claimed in any one of claims 1, 2 or 3, characterized in that it has a double heating coil (3) formed by an inner and an outer helix and wherein the filling (2) is placed at a distance between the inner and outer helix. 5. Silnik rakietowy według zastrz. 1,2, 3 albo 4, znamienny tym, że materiał ceramiczny wchodzący w skład wypełnienia (2) jest wybrany z grupy obejmującej: ZrO2, AI2O3, SO2, SiC, SiC/Al2O3/SiO2, Al2O3/SiO2, Al2O2/SiO2/grafit.5. A rocket engine as claimed in claim 1; 1, 2, 3 or 4, characterized in that the ceramic material included in the filling (2) is selected from the group consisting of: ZrO2, Al2O3, SO2, SiC, SiC / Al2O3 / SiO2, Al2O3 / SiO2, Al2O2 / SiO2 / graphite . 6. Silnik rakietowy według zastrz. 5, znamienny tym, że metal lub stop metali wchodzący w skład wypełnienia (2) jest wybrany z grupy obejmującej: nikiel, NiFeCrAI, Inconel, NiCrAI, Monel, FeCrAI.A rocket engine as claimed in claim 1; The method of claim 5, characterized in that the metal or metal alloy constituting the filling (2) is selected from the group consisting of: nickel, NiFeCrAI, Inconel, NiCrAI, Monel, FeCrAI.
PL431858A 2019-11-20 2019-11-20 Hydrogen peroxide rocket engine PL241329B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL431858A PL241329B1 (en) 2019-11-20 2019-11-20 Hydrogen peroxide rocket engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL431858A PL241329B1 (en) 2019-11-20 2019-11-20 Hydrogen peroxide rocket engine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL431858A1 PL431858A1 (en) 2021-05-31
PL241329B1 true PL241329B1 (en) 2022-09-12

Family

ID=76133006

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL431858A PL241329B1 (en) 2019-11-20 2019-11-20 Hydrogen peroxide rocket engine

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL241329B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PL443172A1 (en) * 2022-12-16 2024-06-17 Sieć Badawcza Łukasiewicz-Instytut Lotnictwa Rocket engine catalytic bed

Also Published As

Publication number Publication date
PL431858A1 (en) 2021-05-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Essa et al. Development and testing of an additively manufactured monolithic catalyst bed for HTP thruster applications
JP5362919B2 (en) A generator that generates and dissipates heat using the thermoelectric effect and two chemical reactions, an exothermic reaction and an endothermic reaction, respectively.
US20040151663A1 (en) Partial oxidation reactor
JP2006508785A (en) Chemical microreactor and method
PL241329B1 (en) Hydrogen peroxide rocket engine
US10190540B2 (en) Fuel supply system, scramjet engine and method for operating the same
EP3009636B1 (en) Fuel supply system, jet engine and manufacturing method of fuel supply system
Huh et al. Fabrication of a liquid monopropellant microthruster with built-in regenerative micro-cooling channels
JP2020033280A (en) Method for manufacturing methane and manufacturing system
Beutien et al. Cordierite-based catalytic beds for 98% hydrogen peroxide
JP6805741B2 (en) Rocket injector
KR100554086B1 (en) Gas supplying apparatus of carbon nanotubes synthesizing system
JP5376132B2 (en) Catalytic decomposition thruster for spacecraft
BRPI0412821B1 (en) REFORMER MODULE
JP2018178809A (en) Regenerative cooler of ramjet engine and manufacturing method of the same
JP5250873B2 (en) Catalytic decomposition thruster for spacecraft
US9493252B2 (en) Long life thruster
US3300139A (en) Thermal-structural system
US20060147859A1 (en) Post-combustion device
JP2009257155A (en) Monopropellant thruster
JP5492078B2 (en) Operation method of ruthenium catalytic reactor
Wang et al. Experimental investigation on transpiration cooling of ammonium carbonate in porous composite structure at high-temperature
JP2003286003A (en) Reformer
US20240165576A1 (en) Temperature uniformized heat-exchange-type catalyst reactor
JP6574273B2 (en) Two-stage catalyst thruster