RU2591131C1

RU2591131C1 - Method for production of rocket fuel in conditions of space flight

Info

Publication number: RU2591131C1
Application number: RU2015114780/11A
Authority: RU
Inventors: Игорь Николаевич Глухих; Андрей Николаевич Щербаков
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2015-04-20
Publication date: 2016-07-10

Abstract

FIELD: space.

SUBSTANCE: invention relates to space rocket systems and can be used in designing orbital filling complex (PCD). Method includes delivery on PCD of water and obtaining from it by electrolysis hydrogen and oxygen. Said gases are pre-cooled in contact with cold surface of PCD, then compressed and repeatedly cooled and liquefied by throttling and collected in form of liquid fuel components. Water electrolysis processes and compression are performed in turn, pneumatically isolating electrolytic cell from obtained gases. During first compression, hydrogen is first compressed using an electrochemical method, and then said hydrogen is used for isothermic compressed of oxygen. After oxygen liquefaction, hydrogen used for compression thereof before throttling is cooled with obtained liquid oxygen to temperature below inversion temperature at given pressure.

EFFECT: technical result is improved manufacturability of liquid rocket fuel, longer storage life on PCD, higher reliability and service life of PCD as a whole.

1 cl

Description

Изобретение относится к космической технике и может использоваться при создании перспективного орбитального заправочного комплекса (ОЗК).The invention relates to space technology and can be used to create a promising orbital refueling complex (OZK).

Орбитальный заправочный комплекс для осуществления дальних космических экспедиций является альтернативой созданию ракет-носителей сверхтяжелого класса, доставляющих необходимый для экспедиции запас топлива с Земли. Проект орбитальной заправки разрабатывался еще Вернером фон Брауном в 1950-х годах для лунной программы. При этом предполагалось накапливать на орбите топливо, доставляемое с Земли порциями носителями более легких классов.An orbital refueling complex for carrying out long-distance space missions is an alternative to the creation of super-heavy carrier rockets that deliver the fuel reserve necessary for the expedition from Earth. The orbital refueling project was developed by Werner von Braun in the 1950s for the lunar program. In this case, it was supposed to accumulate in orbit fuel delivered from the Earth in portions by carriers of lighter classes.

Более выгодно, однако, производить топливо прямо на орбите, для чего использовать электролиз воды, доставляемой с Земли. Питание электролизера при этом осуществляется от солнечных батарей орбитального комплекса (орбитальной станции). В результате получаются водород и кислород, которые в космосе являются наиболее эффективным ракетным топливом (РТ). По такому принципу работают, например, реактивные двигательные установки, предназначенные для небольших аппаратов (патенты RU 2215891 от 10.11.2003, МПК: F02K 11/00 (2006.01), и RU 2310768 от 20.11.2007, МПК: F02K 11/00 (2006.01), B64G 1/40 (2006.01)). Запас газообразного топлива в них, однако, ограничен рабочим давлением электролизера и габаритами газовых емкостей, в результате такие установки способны работать лишь в импульсном режиме.However, it is more profitable to produce fuel directly in orbit, for which it is necessary to use the electrolysis of water delivered from the Earth. In this case, the electrolyzer is powered by solar panels of the orbital complex (orbital station). The result is hydrogen and oxygen, which in space are the most efficient rocket fuel (RT). For example, jet propulsion systems designed for small vehicles work on this principle (patents RU 2215891 dated November 10, 2003, IPC: F02K 11/00 (2006.01), and RU 2310768 dated November 20, 2007, IPC: F02K 11/00 (2006.01 ), B64G 1/40 (2006.01)). The stock of gaseous fuel in them, however, is limited by the working pressure of the electrolyzer and the dimensions of the gas tanks, as a result of such installations are able to work only in a pulsed mode.

Для использования водорода и кислорода в качестве РТ более крупных объектов необходимо сжижать газы, и здесь, в принципе, можно пользоваться традиционными схемами, применяемыми в наземных криогенных установках.To use hydrogen and oxygen as RTs of larger objects, it is necessary to liquefy gases, and here, in principle, one can use traditional schemes used in ground-based cryogenic installations.

Наиболее эффективным способом здесь является адиабатическое расширение предварительно компримированного и охлажденного газа в детандере: в этом случае газ, расширяясь, дополнительно совершает работу и охлаждается сильнее («Элементарный учебник физики» под ред. Г.С. Ландсберга, т. 1 «Механика. Теплота. Молекулярная физика», М.:, изд. «Наука», 1985 г., § 304 « Сжижение газов в технике», с. 556-558; «Сжижение газов». Яндекс. Словари. БСЭ. 1969-1978 гг.). Недостатком традиционных методов сжижения, использующих компрессоры и детандеры, является большая масса соответствующих установок, сложность их обслуживания и относительно небольшой ресурс основных "динамических" агрегатов. В космосе это делает подобные способы сжижения газов трудноприменимыми.The most effective way here is the adiabatic expansion of the pre-compressed and cooled gas in the expander: in this case, the gas, expanding, additionally performs work and cools more strongly ("Elementary Physics Textbook" edited by G.S. Landsberg, vol. 1 "Mechanics. Heat Molecular Physics ", Moscow: publishing house" Science ", 1985, § 304" Liquefaction of gases in technology ", pp. 556-558;" Liquefaction of gases. Yandex. Dictionaries. TSB. 1969-1978 ) The disadvantage of traditional liquefaction methods using compressors and expanders is the large mass of the corresponding plants, the complexity of their maintenance and the relatively small resource of the main "dynamic" units. In space, this makes such methods of liquefying gases difficult to apply.

В условиях космического полета более целесообразно применять пассивные методы сжижения газов с минимальным использованием динамических агрегатов. Для охлаждения водорода и кислорода (как низкого, так и высокого давления) целесообразно использовать холод конструкций, расположенных на теневой стороне орбитального комплекса (температура конструкций там может достигать 100-150 K). Более глубокое охлаждение достигается при дросселировании охлажденного газа высокого давления (эффект Джоуля-Томсона). Подобная методика используется и в криогенном ОЗК, описанном в (Notardonato W, Johnson W, Swanger A, McQuade W. 2012 In-space propellant production using water. In Proc. AIAA SPACE 2012 Conference and Exposition, number AIAA 2012-5288, 11-13 September 2012, Pasadena, CA). Данный способ производства РТ в условиях космического полета принят за прототип. Способ производства ракетного топлива в условиях космического полета включает доставку на орбитальный комплекс воды с Земли, ее разложение электротоком с раздельным получением водорода и кислорода, затем предварительное охлаждение этих газов при контакте с холодной поверхностью конструкции орбитального комплекса, компримирование водорода и кислорода с их повторным охлаждением тем же способом, сжижение кислорода путем его дросселирования, а также сбор полученных газов.In space flight conditions it is more expedient to use passive methods of gas liquefaction with minimal use of dynamic aggregates. To cool hydrogen and oxygen (both low and high pressure) it is advisable to use the cold of structures located on the shadow side of the orbital complex (the temperature of structures there can reach 100-150 K). Deeper cooling is achieved by throttling a chilled high-pressure gas (Joule-Thomson effect). A similar technique is used in the cryogenic OZK described in (Notardonato W, Johnson W, Swanger A, McQuade W. 2012 In-space propellant production using water. In Proc. AIAA SPACE 2012 Conference and Exposition, number AIAA 2012-5288, 11- September 13, 2012, Pasadena, CA). This method of production of RT in space flight is taken as a prototype. A method of producing rocket fuel in space flight involves delivering water from the Earth to the orbital complex, decomposing it with an electric current with separate production of hydrogen and oxygen, then pre-cooling these gases in contact with the cold surface of the orbital complex structure, compressing hydrogen and oxygen with their repeated cooling in the same way, liquefying oxygen by throttling it, as well as collecting the resulting gases.

Здесь применяется многокаскадное охлаждение электролизных газов, при этом для кислорода и водорода схемы охлаждения существенно различаются.Here, multi-stage cooling of electrolysis gases is used, while the cooling schemes for oxygen and hydrogen differ significantly.

Для сжижения кислорода после его предварительного охлаждения и компримирования используются только две ступени охлаждения в теплообменниках-радиаторах и окончательное дросселирование с последующим сбором жидкого окислителя. Простота схемы объясняется сравнительно высокими температурами кипения (90 K) и инверсии (900 K) кислорода.To liquefy oxygen after its preliminary cooling and compression, only two cooling stages are used in heat exchangers-radiators and final throttling followed by collection of a liquid oxidizer. The simplicity of the circuit is explained by the relatively high boiling points (90 K) and inversion (900 K) of oxygen.

Схема сжижения водорода гораздо сложнее, поскольку его температура кипения гораздо ниже (20 K), а низкая температура инверсии (200 K) требует также глубокого охлаждения газа перед его окончательным дросселированием с ожижением. Здесь после предварительного охлаждения и компримирования газа используются 4 ступени охлаждения, две из которых включают высокооборотные турбодетандеры. Только после этого охлажденный до 40 K водород дросселируют и получают двухфазную капельно-газовую смесь. Ее направляют в криоемкость, откуда оставшийся газообразным водород возвращается в начало технологической цепочки. При этом в этой цепочке отсутствует орто-пара-конвертер водорода, что не позволяет рассчитывать на сколько-нибудь длительный срок хранения жидкого ракетного горючего (И.В. Рожков и др. «Получение жидкого водорода», Изд. Химия, М:, 1967 г., стр. 46, а также справочник «Водород, получение, хранение…» под ред. Ю.Д. Гамбурга, М.: Химия, 1989 г., стр. 57).The hydrogen liquefaction scheme is much more complicated, since its boiling point is much lower (20 K), and the low inversion temperature (200 K) also requires deep cooling of the gas before its final throttling with liquefaction. Here, after preliminary cooling and gas compression, 4 cooling stages are used, two of which include high-speed turbo-expanders. Only after that, the hydrogen cooled to 40 K is throttled and a biphasic gas-gas mixture is obtained. It is sent to cryogenic capacity, from where the remaining gaseous hydrogen returns to the beginning of the technological chain. At the same time, there is no ortho-para-hydrogen converter in this chain, which does not allow one to count on any longer shelf life of liquid rocket fuel (I.V. Rozhkov et al. “Production of liquid hydrogen”, Khimiya Publishing House, M :, 1967 G., p. 46, as well as the reference book “Hydrogen, receipt, storage ...” under the editorship of Yu.D. Hamburg, Moscow: Chemistry, 1989, p. 57).

Сложность использованной схемы получения ракетного горючего, наличие в ней турбодетандеров и является основным недостатком прототипа. Кроме того, описанный способ не предусматривает длительного хранения полученного горючего (жидкого водорода), что необходимо для надежного функционирования ОЗК.The complexity of the used rocket fuel production scheme, the presence of turbo expanders in it, is the main disadvantage of the prototype. In addition, the described method does not provide for long-term storage of the resulting fuel (liquid hydrogen), which is necessary for the reliable functioning of the OZK.

Задачей данного предложения является разработка технологически простого и надежного «космического» способа производства РТ с более длительным сроком хранения и с достаточно высокой плотностью энергии. При этом желательно, чтобы способ был пригодным для использования в ближайшее время, т.е. он должен опираться на уже существующие технологии.The objective of this proposal is to develop a technologically simple and reliable "space" method of manufacturing RT with a longer shelf life and with a sufficiently high energy density. It is desirable that the method be suitable for use in the near future, i.e. he must rely on existing technologies.

Техническим результатом разработки является упрощение технологии производства, увеличение ресурса ОЗК, снижение его массогабаритных характеристик, увеличение срока хранения РТ на борту комплекса и повышение надежности орбитального заправочного комплекса в целом.The technical result of the development is to simplify the production technology, increase the OZK resource, reduce its weight and size characteristics, increase the shelf life of the RT on board the complex and increase the reliability of the orbital refueling complex as a whole.

Технический результат достигается тем, что в способе производства ракетного топлива в условиях космического полета, включающем доставку на орбитальный комплекс воды с Земли, ее разложение электротоком с раздельным получением водорода и кислорода, предварительное охлаждение этих газов при контакте с холодной поверхностью конструкции орбитального комплекса, компримирование водорода и кислорода с их повторным охлаждением тем же способом, сжижение кислорода путем его дросселирования, сбор полученных газов, процессы электролиза воды и компримирования полученных при этом водорода и кислорода осуществляют поочередно, пневматически изолируя электролизер от полученных газов, при этом компримируют водород и кислород последовательно - сначала электрохимическим способом сжимают водород, а затем этим водородом изотермически сжимают кислород.The technical result is achieved in that in a method for producing rocket fuel in space flight, including delivering water to the orbital complex from the Earth, its decomposition by electric current with separate production of hydrogen and oxygen, preliminary cooling of these gases in contact with the cold surface of the orbital complex structure, hydrogen compression and oxygen with their re-cooling in the same way, liquefying oxygen by throttling it, collecting the resulting gases, water electrolysis processes and The hydrogen and oxygen obtained in this case are primed one by one, pneumatically isolating the electrolyzer from the obtained gases, while hydrogen and oxygen are compressed sequentially - hydrogen is first compressed by the electrochemical method and then oxygen isothermally compressed by this hydrogen.

Суть данного предложения в следующем.The essence of this proposal is as follows.

Модифицирована наиболее проблематичная стадия технологического процесса производства топлива - компримирование электролизных газов (водорода и кислорода) до высокого давления. В обоих случаях для этого используется электрохимический процесс, без громоздких, энергозатратных механических компрессоров высокого давления. Это повышает ресурс соответствующей холодильной установки и снижает ее массогабаритные характеристики.The most problematic stage of the fuel production process has been modified - compression of electrolysis gases (hydrogen and oxygen) to high pressure. In both cases, an electrochemical process is used for this, without bulky, energy-consuming high-pressure mechanical compressors. This increases the life of the respective refrigeration unit and reduces its overall dimensions.

Предложенный способ позволяет получать ракетное топливо без сжижения водорода, что на порядок сложнее, чем сжижение кислорода. При этом электрохимическая компрессия водорода дает возможность получить газообразный водород с плотностью жидкого (при давлении около 700 атм). В этом случае плотность энергии в баллоне с водородом при давлении 700 атм будет примерно такой же, что и в криогенном блоке, где поддерживается температура 20 K. Технология же хранения газа гораздо проще, а срок хранения значительно больше. Одновременно с производством газообразного ракетного горючего высокой плотности производится также и жидкий окислитель, при этом эти технологические процессы взаимно связаны.The proposed method allows to obtain rocket fuel without liquefying hydrogen, which is an order of magnitude more complicated than liquefying oxygen. In this case, the electrochemical compression of hydrogen makes it possible to obtain gaseous hydrogen with a liquid density (at a pressure of about 700 atm). In this case, the energy density in the hydrogen cylinder at a pressure of 700 atm will be approximately the same as in the cryogenic block, where the temperature is maintained at 20 K. The gas storage technology is much simpler, and the shelf life is much longer. At the same time as the production of gaseous high-density rocket fuel, a liquid oxidizer is also being produced, and these processes are interconnected.

Реализовать данный способ можно следующим образом. Доставленную с Земли на орбитальный комплекс воду направляют в твердополимерный электролизер для ее разложения электротоком с раздельным получением водорода и кислорода. Затем полученные газы охлаждают, используя холод конструкций космического аппарата. При этом кислород охлаждают до минимальной температуры, которую можно получить таким образом (около 150 K), а водород - лишь на несколько десятков градусов, до температуры 20-70°C, приемлемой для электрохимического компрессора водорода (ЭКВ). Компримирование водорода здесь осуществляется, как и в электролизере, за счет протонной проводимости твердополимерной мембраны (Electrochemical hydrogen compressor - Wikipedia). Необходимо отметить, что опытный экземпляр такого компрессора достиг давления 700 атм, при котором плотность газообразного водорода близка к плотности жидкого («Hydrogen - А Competitive Energy Storage Medium To Enable the Large Scale Integration of Renewable Energies», Seville, 15-16 November 2012, HyET Electrochemical Hydrogen Compression, http://www.iphe.net/docs/Events/Seville_11-12/V).Implement this method as follows. Water delivered from the Earth to the orbital complex is sent to a solid polymer electrolyzer for its decomposition by electric current with separate production of hydrogen and oxygen. Then, the resulting gases are cooled using the cold of the spacecraft structures. In this case, oxygen is cooled to the minimum temperature that can be obtained in this way (about 150 K), and hydrogen - only a few tens of degrees, to a temperature of 20-70 ° C, acceptable for an electrochemical hydrogen compressor (EEC). Here, hydrogen is compressed, as in the electrolyzer, due to the proton conductivity of the solid polymer membrane (Electrochemical hydrogen compressor - Wikipedia). It should be noted that a prototype of such a compressor reached a pressure of 700 atm, at which the density of hydrogen gas is close to the density of liquid ("Hydrogen - A Competitive Energy Storage Medium To Enable the Large Scale Integration of Renewable Energies", Seville, November 15-16, 2012, HyET Electrochemical Hydrogen Compression, http://www.iphe.net/docs/Events/Seville_11-12/V).

Порцию газов, предназначенных для производства ракетного топлива, собирают в промежуточных емкостях, которые пневматически изолируют от твердополимерного электролизера (последний при этом может отключаться или переключаться на заполнение других таких же емкостей). Затем собранный водород направляют в ЭКВ, выход которого подключен к устройству, компримирующему наработанный кислород. Питание ЭКВ, как и электролизера, осуществляется от солнечных батарей КА или от его бортовой системы электроснабжения. При повышении давления на выходе ЭКВ кислород сжимается водородом и дополнительно охлаждается тем же способом, что и ранее. Компримирование кислорода может проводиться, например, в цилиндре с подвижным поршнем (компенсаторе перепада давления) или в устройствах сильфонного типа.A portion of the gases intended for the production of rocket fuel is collected in intermediate containers, which are pneumatically isolated from the solid polymer electrolyzer (the latter can be switched off or switched to fill other containers of the same type). Then the collected hydrogen is sent to the ECV, the output of which is connected to a device that compresses the accumulated oxygen. The power supply of the ECV, like the electrolyzer, is carried out from the solar panels of the spacecraft or from its onboard power supply system. With increasing pressure at the outlet of the ECB, oxygen is compressed by hydrogen and additionally cooled in the same way as before. Oxygen can be compressed, for example, in a cylinder with a movable piston (differential pressure compensator) or in bellows-type devices.

Если используется изобарный электролизер (т.е. давления водорода и кислорода одинаковы), объем водорода всегда вдвое больше объема кислорода. По этой причине при сжатии кислорода водородом в замкнутом объеме конечное давление газов будет втрое выше их начального давления. Например, при достигнутом в настоящее время рабочем давлении электролизеров 100 атм кислород можно сжать таким образом до давления 300 атм. Таким способом можно получить кислород, охлажденный до температуры порядка 150 K и с давлением несколько сотен атмосфер. Этого более чем достаточно, чтобы при последующем дросселировании (например, с использованием пористой преграды) превратить его в жидкость, т.е. получить жидкий окислитель для ракетного двигателя.If an isobaric electrolyzer is used (i.e., the pressures of hydrogen and oxygen are the same), the volume of hydrogen is always twice that of oxygen. For this reason, when oxygen is compressed by hydrogen in a closed volume, the final gas pressure will be three times higher than their initial pressure. For example, with the current working pressure of electrolysis cells of 100 atm, oxygen can be compressed in this way to a pressure of 300 atm. In this way, oxygen cooled to a temperature of about 150 K and with a pressure of several hundred atmospheres can be obtained. This is more than enough to turn it into a liquid during subsequent throttling (for example, using a porous barrier), i.e. get a liquid oxidizer for a rocket engine.

Если используются дифференциальные электролизные ячейки (WO 0137359 A2, 25.05.2001; US 6585869 B2, 01.07.2003; WO 0227070 A2, 04.04.2002), начальный объем кислорода перед сжатием можно сделать меньше половинного объема водорода и давление компримированного кислорода будет выше на тройную величину начального перепада давления. Например, при начальном давлении водорода 100 атм, а кислорода - 150 атм конечное давление сжатых газов приблизится к 450 атм.If differential electrolysis cells are used (WO 0137359 A2, 05/25/2001; US 6585869 B2, 07/01/2003; WO 0227070 A2, 04/04/2002), the initial volume of oxygen before compression can be made less than half the volume of hydrogen and the pressure of compressed oxygen will be three times higher value of the initial pressure drop. For example, with an initial pressure of hydrogen of 100 atm and oxygen of 150 atm, the final pressure of compressed gases will approach 450 atm.

После сжижения порции кислорода водород высокого давления, который применялся для сжатия кислорода, направляется в соответствующие баллоны (при необходимости он может быть еще дополнительно компримирован электрохимическим способом). В результате, помимо жидкого окислителя будет получена порция газообразного ракетного горючего (водорода) с плотностью, близкой к плотности жидкого, но с более длительным сроком хранения. Постоянное наличие на борту орбитального комплекса запаса газообразного водорода высокого давления позволяет также использовать его для корректирующих двигателей самого космического аппарата.After liquefying a portion of oxygen, high-pressure hydrogen, which was used to compress oxygen, is sent to the corresponding cylinders (if necessary, it can be additionally compressed using an electrochemical method). As a result, in addition to the liquid oxidizing agent, a portion of gaseous rocket fuel (hydrogen) with a density close to the density of the liquid, but with a longer shelf life will be obtained. The constant presence on board the orbital complex of a stock of high-pressure gaseous hydrogen also allows its use for the corrective engines of the spacecraft itself.

Claims

A method for the production of rocket fuel in space flight, including the delivery of water from the Earth to the orbital complex, its decomposition by electric current with separate production of hydrogen and oxygen, preliminary cooling of these gases in contact with the cold surface of the structure of the orbital complex, compression of hydrogen and oxygen with their repeated cooling in the same way, the liquefaction of oxygen by throttling it and collecting the resulting gases, characterized in that the processes of water electrolysis and compression obtained In this case, hydrogen and oxygen are carried out alternately, pneumatically isolating the electrolyzer from the obtained gases, while compressing hydrogen and oxygen sequentially - first, hydrogen is compressed by the electrochemical method, and then oxygen isothermally compressed by this hydrogen.