[发明专利]基于太阳能电解水的轨控发动机系统的研究

说明书

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。

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