Однокомпонентная топливная система - RU2226523C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к области систем с однокомпонентным топливным составом, например, для сообщения движения космическим летательным аппаратам, для аварийных систем реактивных истребителей или систем аварийного генерирования газов для подводных лодок.

Сообщение космическому летательному аппарату движения определяется как то, которое необходимо для ориентирования (стабилизация положения в пространстве) и позиционирования (коррекция орбиты, включая уход с орбиты) космического летательного аппарата после его доставки на требуемую орбиту ракетой-носителем. Оно совершенно отдельно и отлично от тяги ракеты-носителя. Необходимость в сообщении космическому летательному аппарату движения возникает после его отделения от ракеты-носителя и прекращается в конце его полезного срока службы. Обычно причиной прекращения полезной работы космического летательного аппарата является истощение запаса топлива.

Типичными требованиями для стабилизации положения в пространстве и коррекции орбиты являются очень слабая тяга (типично - 0,1 Н), пульсирующий режим работы для стабилизации положения в пространстве, непрерывный режим работы для коррекции орбиты и точное и многократное функционирование и надежная работа без утечек. Для ухода с орбиты тяга должна быть более сильной.

Тяга в этой области применения наряду с другими генерируется так называемыми двигателями реактивной системы управления на однокомпонентном топливе, в которых топливо каталитическим или тепловым способом разлагается на горячие газы, которые затем расширяются, выходя из сопел. В настоящее время в качестве однокомпонентных топлив традиционно используются перекись водорода и гидразин. Они обеспечивают получение удельной тяги, составляющей 1872 и 2266 м/с соответственно, при степени расширения 50, нулевом окружающем давлении, давлении в камере 1 МПа и химическом равновесии выходного потока.

Обе системы, однако, имеют некоторые недостатки. Перекись водорода отличается нестабильностью и самораспадом. Недостатками гидразина являются его токсичность и горючесть.

Эти качества используемых в настоящее время однокомпонентных топлив требуют высокого уровня (и, следовательно, дорогостоящих) требований к производству, транспортировке, хранению, обращению и утилизации.

Аналогичные проблемы возникают в аварийных системах реактивных истребителей (аварийный пуск двигателя после срыва пламени) и подводных лодок (продувка балласта в аварийной ситуации путем генерирования газа).

Одной из целей настоящего изобретения является получение однокомпонентного топливного состава для сообщения движения космическому летательному аппарату и для других вариантов применения, указанных выше, который не имеет этих недостатков систем известного уровня техники. Еще одной целью является получение стабильного, чистого, менее токсичного и/или менее горючего однокомпонентного топливного состава. Также целью является получение однокомпонентного топливного состава для сообщения движения космическому летательному аппарату, который мог бы способствовать ослаблению требований и, таким образом, уменьшению затрат и времени на подготовку запуска.

Настоящее изобретение основано на неожиданном обнаружении того, что известные твердые высокоэнергетические окислители, такие, как нитроформат гидразина и динитрамид аммония, при растворении в воде обеспечивают получение жидкой однокомпонентной топливной системы, имеющей удельную тягу, которая могла бы сравниться с удельной тягой известных однокомпонентных топлив, но не имеющей их недостатков.

Соответственно, изобретение направлено на растворение нитроформата гидразина и/или динитрамида аммония в воде и/или низшем алканоле в качестве однокомпонентного топливного состава, в особенности для сообщения движения космическому летательному аппарату. Количество воды и/или низшего алканола в системе должно быть таким, чтобы система была жидкой, что определяет низший уровень количества воды. С другой стороны, в системе должно присутствовать достаточное количество нитроформата гидразина и/или динитрамида аммония для обеспечения получения требуемой тяги. Соответственно, количество нитроформата гидразина и/или динитрамида аммония составляет от 25 до 95 вес.% состава. Из-за природы сообщения движения космическому летательному аппарату эта удельная тяга двигательной системы должна быть как можно более высокой для увеличения срока службы спутника.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения используется нитроформат гидразина, растворенный в воде. В другом варианте осуществления двигательной системы согласно изобретению дополнительно может использоваться некоторое количество органического растворителя, например низшего алканола, такого, как метанол, этанол, пропанол или бутанол. Было обнаружено, что это увеличивает удельную тягу однокомпонентного топлива. Количество алканола в растворе составляет предпочтительно от 0 до 70 вес.%, тогда как метанол и/или этанол предпочтительны.

Особенно предпочтительная система состоит из 25-75 вес.% нитроформата гидразина, 5-50 вес.% воды и от 0 (более предпочтительно 5) до 25 вес.% низшего алканола.

Согласно изобретению, также возможно включение других добавок в топливную систему, включая (но не ограничиваясь ими) вещества, повышающие растворимость, вещества, понижающие давление пара, и вещества, способствующие повышению характеристик.

В другом варианте настоящее изобретение направлено на получение способа ориентирования и позиционирования космического летательного аппарата после его доставки на нужную орбиту ракетой-носителем с использованием двигательной системы, основанной на однокомпонентных двигателях реактивной системы управления, в которой описанное выше однокомпонентное топливо используется для сообщения движения.

Нитроформат гидразина и динитрамид аммония являются известными высокоэнергетическими твердыми окислителями.

Использование нитроформата гидразина в качестве ингредиента высокоэффективных комбинаций топлива для ракетных двигателей описано, например, в заявке на европейский патент №350136. Способ получения нитроформата гидразина также описан в публикации WO-A 9410104 международной заявки. Динитрамид аммония также является известным веществом, получение которого описано, например, в публикации WO-A 9424073 международной заявки.

Однокомпонентные топлива, соответствующие изобретению, могут использоваться обычным способом для сообщения движения космическому летательному аппарату в существующих системах, при этом следует отметить, что благодаря характеристикам системы возможны менее строгие требования, относящиеся к хранению, транспортировке и обращению. Кроме того, в объем патентной защиты настоящего изобретения входит использование однокомпонентной топливной системы в качестве аварийного топлива реактивных истребителей и систем аварийного генерирования газов для подводных лодок.

Описание чертежа

Фигура демонстрирует сравнение удельной тяги разных топливных систем.

Было произведено сравнение удельной тяги разных однокомпонентных топливных систем, соответствующих настоящему изобретению, со значениями, относящимися к водному раствору динитрамида аммония и нитроформата гидразина при содержании 50 вес.% воды. В таблице и на фигуре удельная тяга дана при степени расширения 50 и давлении в камере 1 МПа, нулевом окружающем давлении и химическом равновесии выходного потока.

Как можно видеть в таблице, 50-процентные смеси окислителей и воды имеют пониженные характеристики по сравнению с перекисью водорода и гидразином. Это снижение характеристик может быть допустимым с точки зрения снижения стоимости вследствие упрощения производственного процесса, транспортировки, хранения, обращения и утилизации. Кроме того, при увеличении количества растворенного окислителя характеристики могут повышаться. Если добавлено топливо, такое, как низшие алканолы, возможно получение характеристик, которые равны характеристикам гидразина и даже превышают их.

На прилагаемой фигуре показаны значения удельной тяги для разных составов из нитроформата гидразина и воды с использованием разных концентраций, динитрамида аммония и воды с использованием разных концентраций и для комбинации нитроформата гидразина, этанола и воды.

Реферат

Изобретение относится к области однокомпонентных топливных составов для сообщения движения и/или генерирования газа. Предложен однокомпонентный топливный состав для сообщения движения и/или генерирования газа, содержащий раствор из нитроформата гидразина (HNF) и/или динитрамида аммония (ADN) в воде и/или растворителе. Предложен способ ориентирования и позиционирования космического летательного аппарата после доставки на нормальную орбиту ракетой-носителем посредством использования двигательной системы космического летательного аппарата, основанной на однокомпонентных двигателях реактивного управления, в котором для сообщения движения используют указанный выше однокомпонентный топливный состав. Изобретение направлено на создание стабильного, чистого, менее токсичного однокомпонентного топливного состава для сообщения движения космическому летательному аппарату. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Формула