УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ ВОДЯНОГО ПАРА НА ЛУНЕ
WATER VAPOR PRODUCER ON THE MOON

Область техники
Изобретение относится к космической технике, а именно к устройствам получения воды из реголита со льдом на поверхности Луны для снабжения ракетных двигателей и лунных обитаемых станций.
Уровень техники
Известно устройство для получения воды изо льда и снега (Патент №2164578). Установка содержит контейнер для размещения льда и/или снега с заправочной горловиной, снабженной крышкой, устройство подвода тепловой энергии и паропровод. Контейнер и крышка выполнены теплоизолированными, стенки контейнера выполнены заодно с теплопроводом, охватывающим контейнер по его периметру и являющимся конденсатором, устройство подвода тепловой энергии к стенкам контейнера включает в себя образующие фокусирующий солнечный коллектор концентратор солнечной энергии и контурную тепловую трубу, причем указанные труба и концентратор размещены в жестком корпусе на раме с опорой с возможностью вращения в азимутальной и зенитальной плоскостях для обеспечения заданного положения концентратора солнечной энергии по направлению к солнцу. Контурная тепловая труба включает в себя приемник солнечной энергии, размещенный в фокусе концентратора солнечной энергии, представляющего собой отражательную поверхность для приема солнечных лучей и направления их в сторону приемника солнечной энергии, конденсатопровод и указанный паропровод и размещенную вне фокуса концентратора солнечной энергии теплоизолированную компенсационную камеру, полость которой заполнена незамерзающим жидкостным теплоносителем и сообщена с входным, являющимся паропроводом, и выходным, являющимся конденсатопроводом, каналами теплопровода. Приемник солнечной энергии представляет собой корпус из теплопроводного материала, в котором размещен испаритель теплоносителя, выполненный в виде капиллярного насоса.
Данное устройство не предназначено для получения воды из грунта со льдом и имеет относительно небольшую мощность, т.к. источником энергии для плавления льда является солнечная энергия, приходящая на относительно небольшую и ограниченную поверхность солнечного концентратора.
Известна также передвижная установка для получения воды из снега и льда (а.с. СССР №1388524, регистрационный номер заявки СССР 3986765 от 06.12.1985 г.), включающая загрузочный бункер, паровой котел, камеру таяния, внутри которой размещены трубки с форсунками для подачи пара, получаемого в паровом котле, а также система подачи топлива, воздуха в паровой котел и удаления отработанных газов.
Основным недостатком установки является применение парового котла, что требует постоянной подачи топлива для его использование, что чрезвычайно дорого на поверхности Луны.
Наиболее подробно рассмотрены способы получения воды на поверхности Луны в работе (П.П. Ананьев, О.М. Грилин, А.В. Плотникова, Ю.В. Смирнова «Технологии извлечения воды из грунтов космических природных объектов» УДК 330.15.91, 2013 г.
Недостатком работы является отсутствие предложений по устройствам для реализации способов получения воды и водяного пара на поверхности Луны.
Наиболее близким аналогом является проект установки на лунной поверхности для производства кислорода фирмы "Карботек" (г. Хьюстон, США) В качестве исходного материала предполагается использовать породы, обогащенные ильменитом. В установке происходит процесс экстракции при температурах от 700 до 1200°С и давлении 10 атм. Установка должна иметь массу 400 т, из которых 45 т приходится на энергетическую установку мощностью 5 МВт для поддержания процесса экстракции. Такой "кислородный завод" на лунной поверхности должен давать 1000 т кислорода в год.
Предлагается "передвигать" весь комплекс со скоростью 6 км/ч при глубине обработки грунта до 1 м. Принцип работы установки заключается в нагревании массы исходного грунта (от солнечного коллектора) до 700° при давлении до 10 атм.
-5
-1
Недостатком проекта является то обстоятельство, что даже на экваторе Луны в середине лунного дня поверхность нагревается только до температуры 130-150°. Поэтому потребуется использование сложных солнечных коллекторов с большой поверхностью чтобы обеспечит выполнение заданных технологических процессов при температурах 700°С. Большие поверхности для сброса тепла потребует и установка мощностью в 5 МВт. Перемещение столь сложной, с большими габаритами и тяжелой (400 т) конструкции по неподготовленной лунной поверхности может привести к аварии (может просто застрять). В описании не уточняется, как обеспечивается герметичность реактора при давлении 10 атм. и непрерывной подаче грунта. Из-за низкой теплопроводности лунного грунта (0.3⋅10ккал (см⋅К), т.е. в 10 раз хуже воздуха) его прогрев до столь высоких температур займет очень много времени, что снижает производительность получения воды из смеси газов кислорода и водорода. Устройство не позволяет получать воду непосредственно изо льда, который с достаточной достоверностью в настоящее время обнаружен на поверхности Луны.
Раскрытие сущности изобретения
Впервые сведения об обнаружении воды на Луне были опубликованы в 1978 году советскими исследователями в журнале «Геохимия». Факт был установлен в результате анализа образцов, доставленных зондом «Луна-24» в 1976 году. Доля воды найденной в образце грунта составила 0.1%. Индийский аппарат «Чандранаян-1», в 2008 году, не только подтвердил, что водный лед присутствует на поверхности Луны, но и что некоторые ее области состоят на 20-30% изо льда.
В 2009 году специалисты NASA с помощью радаров зонда (Chandrayaan-1) индийского космического агентства (Indian Space Research Organization) открыли под слоем грунта залежи воды на Луне. На сравнительно небольшом участке в районе северного полюса нашего естественного спутника они обнаружили 40 кратеров, заполненных льдом. Диаметры кратеров от 2 до 15 километров. Воды в них не менее 600 миллионов тонн. Таким образом, за 25 лет исследований догадки о наличии воды на лунных полюсах из смелой гипотезы превратились в многократно подтвержденный факт.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение является освоение Луны и других планет путем обеспечения добычи воды или водяного пара для снабжения лунной станции и дозаправки рабочим телом на поверхности Луны ракет, например, с многоразовым ядерным ракетным двигателем.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение возможности добычи пара воды из грунта Луны, путем его испарения из смеси с грунтом (реголитом) и последующей конденсации пара воды у потребителя благодаря использованию печи с наклонными колосниками, обогреваемыми теплоносителем от энергетической установки, например, ядерной, на входе в которую имеется устройство накопления и подготовки (измельчения) грунта, а на выходе канал с фильтром, для отвода пара воды и газов.
Для достижения технического результата предложено устройство получения водяного пара на луне содержащее бункер приема грунта, имеющий по меньшей мере две емкости приема, энергетическую установку, устройства отвода газов и отработанного грунта, емкости приема грунта последовательно механически соединены с по меньшей мере двумя устройствами подготовки грунта, вакуумными затворами, барабанами накопителями в герметичных корпусах, пластинчатыми дозаторами подачи грунта, вакуумными затворами и печью с наклонными колосниками с углом наклона от 17 до 55 градусов, при этом устройство расположено на опорах через виброприводы, печь имеет в верхней части обогреваемый газоотводной канал с фильтром и предельным клапаном, а в нижней части патрубок отвода отожженного грунта с вакуумным затвором и присоединенной мобильной емкостью для приема и транспортировки отожженного грунта.
В предпочтительном варианте:
стенки печи и колосников выполнены двойными с зазором для протекания теплоносителя;
одна из опор, напротив нижней точки колосников, имеет винтовой домкрат с электроприводом.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:
Грунт в печь подается непрерывно;
Обработанный и отожженный грунт из печи поступает в мобильные емкости для дальнейшего использования в качестве строительного материала (цемента).
2
2
Таким образом, устройство можно использовать сразу для получения нескольких полезных продуктов: пара воды, строительного материала (типа цемент) и газов (N, Н и пр.) для производства, например, удобрений лунных парников.
Краткое описание чертежа
На фигуре показана принципиальная схема предлагаемого стационарного устройства:
1 - бункер приема грунта с емкостями «А» и «Б»;
2 - устройства подготовки грунта (сетки, дробилка, мельница);
3 - вакуумный затвор бункера загрузки А и Б;
4 - привод цилиндра барабана накопителя А и Б;
5 - корпус барабана накопителя А и Б;
6 - пластинчатый дозатор подачи грунта А и Б;
7 - вакуумный затвор барабана накопителя А и Б (задвижка);
8 - каналы подачи грунта;
9 - патрубок подвода теплоносителя к печи (от ЯЭУ);
10 - корпус печи;
11 - зазор для прохода теплоносителя;
12 - провальные и не провальные наклонные колосники;
13 - виброприводы;
14 - мобильные емкости для приема отожженного грунта;
15 - винтовой домкрат;
16 - вакуумный затвор мобильной емкости;
17 - опоры печи;
18 - патрубок отвода теплоносителя от печи (к ЯЭУ);
19 - газовый фильтр (циклон, рукавный);
20 - обогреваемый пароотводящий канал печи;
21 - предельный клапан перепуска газа и пара.
Осуществление изобретения
Предложено стационарное устройство, содержащее бункер приема 1 грунта с емкостями «А» и «Б» в которые лунный грунт (реголит) подается отдельными погрузчиками. Из бункера 1 поочередно из емкости «А», затем из емкости «Б», и наоборот, грунт подается в устройства подготовки 2 (сетки, дробилки, мельницы) и затем через поочередно открываемые вакуумные затворы 3 подготовленный по фракционному размеру грунт подается в барабаны накопители 5. При вращении барабанов накопителей внутри герметичных корпусов, грунт ссыпается в пластинчатые дозаторы 6, которые в зависимости от своей скорости вращения обеспечивают заданную скорость подачи грунта в печь. Грунт в печь подается непрерывно и по каналам подачи 8 грунта попадает на провальные и не провальные наклонные колосники 12, расположенные рядами одни под другими. Угол наклона колосников 12 выбирается несколько большим, чем угол самоторможения (равновесия) данного типа лунного подготовленного грунта. Движение грунта осуществляется только вниз под действием силы тяжести Т=mg⋅sin β.
На частицы грунта действует сила трения W=mg⋅f⋅cosβ и, в случае ускоренного движения, сила инерции Pu=m⋅а.
Уравнение движения будет: mg⋅sinβ=mg⋅f⋅cosβ+ma
Считается, что коэффициент трения скольжения f не зависит от скорости и от веса частиц грунта mg. Тогда для движения с постоянной скоростью частиц грунта (любых по величине) а=0 уравнение движения примет вид:
mg⋅sinβ=mg⋅f⋅cosβ или f=tgβ
Угол наклона поверхности колосников β, тангенс которого равен f (угол трения частиц грунта), называют углом равновесия.
Из материала «Основы теории и расчеты средств механизации перемещения грузов» Лекция №8, тема: «Основы теории самотечного транспорта» можно найти минимальные углы равновесия различных материалов:
песок
40°-45°
уголь по стальным листам
17°-25°
угольная пыль по стальному листу
45°
руда по стальным листам
35°-55°
кремний порошковый
35°-45°
известь гашеная в порошке обожженная
30°-50° (в движении 15°-25°)
Разброс в параметрах угла равновесия достаточно большой, поэтому в состав предлагаемого устройства на одну из трех опор, расположенной напротив нижней части колосников, включен винтовой домкрат с электроприводом. С помощью домкрата можно дистанционно менять угол наклона печи и следовательно колосников в широких пределах ±20°.
Грунт, двигаясь вниз по колосникам 12, прогревается и, находящийся в его составе лед (снег) тает и испаряется. Задвижки 7, 16 (затворы) сверху и снизу печи создают герметичный паровой объем для ускорения прогрева частиц грунта. Пар с газами, проходя через фильтр 19, например, типа циклон, очищается от пыли и через предельный клапан, поддерживающий заданное давление в печи, например 0.5-1 атм., отводится для дальнейшего использования потребителю. Все опоры печи снабжены виброприводами 13, которые периодически включаются и очищают элементы конструкции от возможных отложений, передавая вибрацию. Мобильные емкости 14 через вакуумный затвор 16 соединяются с печью для приема и дальнейшего транспортирования потребителю отработанного отожженного грунта.
2
2
Обработанный и отожженный грунт из печи поступает в мобильные емкости 14 для дальнейшего использования в качестве строительного материала (цемента). Таким образом, техническим результатом может быть получение сразу нескольких полезных продуктов: пара воды, строительного материала (типа цемент) и газов (N, Н и пр.) для производства, например, удобрений лунных парников.
В качестве базовых размеров и массы предлагаемого устройства нужно выбрать допустимые для транспортировки на Луну с помощью современных ракетоносителей полезные грузы: масса до 3 тонн, габариты 4×4×4 м.
Стенки печи и колосники выполняются сварными и двухстенными в зазоре между стенками которых, протекает теплоноситель от энергетической установки, например литий, олово или вакуумное масло.
Черными стрелками на фиг. показано направление движения грунта, светлыми - пара и газов, серыми теплоносителя от энергоустановки.
Предложенное устройство получения пара воды из грунта по фигуре представляет из себя стационарное устройство, содержащее бункер приема грунта с емкостями «А» и «Б» 1 в которые лунный грунт (реголит) подается отдельными погрузчиками для возможности непрерывного поступления реголита, количество емкостей приема бункера 1 может быть больше, при этом аналогично увеличивается и количество других конструктивных элементов расположенных от емкостей 1 до печи 10, Из бункера поочередно из емкости «А», затем из емкости «Б», и наоборот, грунт подается в устройства подготовки (сетки, дробилки, мельницы) 2 и затем через поочередно открываемые вакуумные затворы бункера загрузки 3 (задвижка с приводом) подготовленный по фракционному размеру грунт подается в барабаны накопители 5. Корпус барабана накопителя 5 приварен к бункеру приема грунта 1. С помощью привода цилиндра барабана накопителя 4 осуществляется вращение барабанов накопителей внутри герметичных корпусов, благодаря чему, грунт ссыпается в пластинчатые дозаторы 6, которые в зависимости от своей скорости вращения обеспечивают заданную скорость подачи грунта в печь. Грунт в печь подается непрерывно и регулируется вакуумным затвором барабана накопителя 7. По каналам подачи грунта 8, соединяющиеся сварными швами с корпусом печи 10 с двумя стенками (рубашкой), грунт попадает на провальные и не провальные наклонные колосники 12, расположенные рядами одни под другими. Угол наклона колосников 12 выбирается несколько большим, чем угол самоторможения (равновесия) данного типа лунного подготовленного грунта. Корпус печи 10 жестко крепится к трем опорам 17, выполненные в виде ферменной конструкции. В состав предлагаемого устройства на одну из трех опор печи 17, расположенной напротив нижней части колосников 12, включен винтовой домкрат 15 с электроприводом. С помощью винтового домкрата можно дистанционно менять угол наклона печи и следовательно колосников в широких пределах ±20°.
Далее, грунт двигаясь вниз по колосникам 12, прогревается и, находящийся в его составе лед (снег) тает и испаряется. Задвижки сверху и снизу печи создают герметичный паровой объем для ускорения прогрева частиц грунта. Пар с газами, проходя по обогреваемому пароотводящему каналу печи 20 через газовый фильтр 19, например типа циклон, очищается от пыли и через предельный клапан 21, поддерживающий заданное давление в печи, например 0.5-1 атм., отводится для дальнейшего использования потребителю. Все опоры печи 17 снабжены виброприводами 13, которые периодически включаются и очищают элементы конструкции от возможных отложений, передавая вибрацию. Мобильные емкости 14 через вакуумный затвор 16 соединяются с печью для приема и дальнейшего транспортирования потребителю отработанного отожженного грунта.
Корпус печи 10 обогревается теплоносителем от энергетической установки, циркулирующим в зазоре для прохода теплоносителя 11 между двумя стенками корпуса печи 10. Предлагаемое устройство имеет патрубок подвода 9 и патрубок отвода 18 теплоносителя, (например, жидкого металла или газа), циркулирующего от энергетической установки.
Основным источником энергии для предлагаемого стационарного устройства может служить двухконтурная ядерная энергетическая установка (ЯЭУ) с жидкометаллическим теплоносителем во втором контуре. Устройство должно располагаться в непосредственной близости от энергетической установки и соединяться с ней двумя трубопроводами подачи теплоносителя и кабелем подачи электропитания.
Стационарное положение устройства исключает возможность аварии, связанной с перемещением по поверхности Луны: опрокидывание, буксование, потеря связи и пр. Доставка грунта к печи и удаление отожженного грунта (цемента) возможно многочисленными устройствами, аварии с которыми не приведет к остановки работы предлагаемого устройства и прекращению получения пара воды для потребителя.
Для производства 280 кг воды в час по данным Commercial Lunar Propellant Architecture A Collaborative Study of Lunar Propellant Production требуется ядерный реактор с мощностью 2.8 мегаватт - 2 МВт по электрической компоненте и 800 кВт по тепловой мощности. Исходя из этих данных, для испарения 1 кг воды из реголита необходимо 2.86 кВт час тепловой энергии. Предлагаемое устройство тепловой мощностью 1 МВт будет производить 8 391.6 кг водяного пара (воды) в сутки.
3
3
Удельный вес лунного реголита (грунта) зависит от его химического и минералогического состава. Он изменяется в широких пределах от 2.3 до более чем 3.2 г/см (Costes и др., 1970; Duke и др., 1970; Hey wood, 1971; Cadenhead и др., 1972; 1974; Caden head, Jones, 1972; Carrier и др., 1973а; 1973b; Cadenhead, Stetter, 1975; Horai, Winkler, 1976; 1980). В бункер приема грунта объемом 5 м поместится как минимум 11.5 тонн грунта при среднем содержании воды 10% (1.15 тонны). При заполнении бункер приема грунта 8 раз в сутки установка будет производить кроме 8 тонн воды еще и около 80 тонн строительного материала (цемента) в сутки.
Таким образом, предлагаемое устройство с энергетической установкой тепловой мощностью 3.8 МВт (отбор тепла на предлагаемое устройство около 1 МВт) и электрической мощностью 1 МВт (аналог «Ядерная энергодвигательная установка мегаваттного класса» материал Википедии) с содержанием льда в реголите 10% будет производить более 3000 тонн воды в год. Такое количество достаточно для обеспечения деятельности лунной станции и заправки ракеты с ядерным двигателем для полета к Марсу.