[发明专利]一种火星表面运载火箭推进剂原位制备一体化系统及方法

权利要求书

1.一种火星表面运载火箭推进剂原位制备一体化系统，其特征在于，包括液态甲烷制备管路（1）、液氧制备管路（2）、混合气管路（3）、水汽管路（4）、氢气管路（5）和氧气管路（6）；

所述液态甲烷制备管路（1）依次连接二氧化碳捕集系统（7）、Sabatier还原系统（8）、Sabatier反应气分离系统（9）和液态甲烷储罐（11）；

所述液氧制备管路（2）依次连接含水矿物质输送系统（12）、水汽提取系统（13）、电解水系统（14）、氧气液化系统（15）和液氧储罐（16）；

所述混合气管路（3）连接Sabatier反应气分离系统（9）和Sabatier还原系统（8）；

所述水汽管路（4）连接Sabatier反应气分离系统（9）和电解水系统（14）；

所述氢气管路（5）连接电解水系统（14）和Sabatier还原系统（8）；

所述氧气管路（6）连接电解水系统（14）和外部需氧设备；

所述二氧化碳捕集系统（7）用于从火星大气中捕集二氧化碳，并输入Sabatier还原系统（8）中作为原料；

所述Sabatier还原系统（8）用于以二氧化碳和氢气作为原料，通过Sabatier还原反应生成甲烷和水；

所述Sabatier反应气分离系统（9）用于对Sabatier还原系统（8）输出的反应气进行组分分离，分离得到的未反应的二氧化碳和氢气混合物通过混合气管路（3）返回至Sabatier还原系统（8）重新作为原料，分离得到的甲烷以液态甲烷形式存储于液态甲烷储罐（11）中，分离得到的水通过水汽管路（4）进入电解水系统（14）中；

所述含水矿物质输送系统（12）用于将火星上采集的含水矿物输入水汽提取系统（13），由水汽提取系统（13）提取其中的水分并输入电解水系统（14）中；

所述电解水系统（14）用于对水进行电解制取氢气和氧气，制取的氢气通过氢气管路（5）输入Sabatier还原系统（8）中作为原料，制取的氧气一路输入氧气液化系统（15）进行液化后存储至液氧储罐（16）中，另一路通过氧气管路（6）输入外部需氧设备；

所述二氧化碳捕集系统（7）包括二氧化碳液化管路（7-1）、第一级间冷却器（7-4）和第二级间冷却器（7-8）；

所述第一级间冷却器（7-4）和第二级间冷却器（7-8）中均设有构成换热接触的第一通路和第二通路；

所述二氧化碳液化管路（7-1）的入口端用于通入火星大气，出口端连接低温气液分离器（7-11）；二氧化碳液化管路（7-1）在入口端至出口端之间依次连接过滤器（7-2）、电加热器（7-3）、第一级间冷却器（7-4）的第一通路、低温风机（7-5）、第一级压缩机（7-6）、第一级间冷却器（7-4）的第二通路、第二级压缩机（7-7）、第二级间冷却器（7-8）的第一通路、水汽吸附器（7-9）、二氧化碳冷凝器（7-10）和低温气液分离器（7-11）；

所述低温气液分离器（7-11）的气相出口排空，液相出口通过输出管路（7-12）连接第二级间冷却器（7-8）的第二通路，第二级间冷却器（7-8）的第二通路出口与所述液态甲烷制备管路（1）连接；

所述Sabatier还原系统（8）包括绝热的反应器壳体，反应器壳体内部的反应腔设有进气口和出气口；

所述反应腔通过环形的绝热分隔板（8-10）分为高温反应区（8-4）和梯度温度场反应区（8-5）；

所述高温反应区（8-4）内置有用于将Sabatier反应的原料气加热到初始反应温度的加热器（8-9），加热器（8-9）表面涂敷有Sabatier反应催化剂；

所述梯度温度场反应区（8-5）中沿进气方向依次设有第一金属多孔介质层（8-11）、第二金属多孔介质层（8-12）和第三金属多孔介质层（8-13），且第一金属多孔介质层（8-11）、第二金属多孔介质层（8-12）和第三金属多孔介质层（8-13）的孔隙率递减，介质表面均涂敷有Sabatier反应催化剂；三层金属多孔介质层均通过贯通反应器壳体的平板式热管与外部火星大气构成换热，使三层金属多孔介质层中的Sabatier反应热能够传递至火星大气；

所述原料气从所述进气口通入后，依次流经高温反应区（8-4）中的加热器（8-9）表面以及梯度温度场反应区（8-5）中的第一金属多孔介质层（8-11）、第二金属多孔介质层（8-12）和第三金属多孔介质层（8-13），再从所述出气口排出；

所述Sabatier反应气分离系统（9）包括反应气分离管路（9-1）、水汽冷凝器（9-2）、预冷器（9-4）、二氧化碳冷凝器（9-5）和液态甲烷回流管路（9-12）；

其中水汽冷凝器（9-2）、预冷器（9-4）和二氧化碳冷凝器（9-5）中分别设有构成换热接触的第一通路和第二通路；

所述反应气分离管路（9-1）的入口端用于通入Sabatier装置反应气，出口端接入液态甲烷储罐（11）；反应气分离管路（9-1）从入口端到出口端之间依次连接水汽冷凝器（9-2）的第一通路、第一气液分离器（9-3）、预冷器（9-4）的第一通路、二氧化碳冷凝器（9-5）的第一通路、第二气液分离器（9-6）、甲烷液化冷箱（9-7）中的换热管路、第三气液分离器（9-9）和第一低温截止阀（9-10）；水汽冷凝器（9-2）和预冷器（9-4）的第二通路均用于通入火星大气从而对第一通路进行冷却；甲烷液化冷箱（9-7）上设有低温冷机（9-8），且低温冷机（9-8）的冷头与甲烷液化冷箱（9-7）中的换热管路构成换热接触，且冷头温度能液化流经换热管路的Sabatier装置反应气内的甲烷；

所述液态甲烷回流管路（9-12）的入口端连接第三气液分离器（9-9）和第一低温截止阀（9-10）之间的反应气分离管路（9-1），出口端连接第二气液分离器（9-6）和甲烷液化冷箱（9-7）之间的反应气分离管路（9-1）；液态甲烷回流管路（9-12）从入口端到出口端之间依次连接第二低温截止阀（9-13）、二氧化碳冷凝器（9-5）的第二通路和第三低温截止阀（9-11）。