Система хранения и подачи иода
IODINE STORAGE AND SUPPLY SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД), в частности к системам хранения и подачи в них рабочего тела.
Конструкция системы хранения и подачи рабочего тела (СХП РТ) в стационарные ЭРД зависит от того, в каком состоянии это рабочее тело хранится. Например, инертный газ ксенон, как правило, хранится в газообразном состоянии при высоком давлении. При этом СХП РТ содержит баллон высокого давления, ресивер, теплообменник, клапаны, редуктор, датчики давления и температуры [Островский В.Г., Сухов Ю.И. «Разработка, создание и эксплуатация ЭРД и ЭРДУ в ОКБ-1 - ЦКБЭМ - НПО «Энергия» - РКК «Энергия» (1958-2011)» Ракетно-космическая техника. Труды РКК "Энергия". Сер. ХII. Вып. 3-4, 2011 г. С. 119-120].
Ввиду небольшой плотности газа и большого количества арматуры недостатком такой СХП РТ является ее большая масса и габариты.
Другим аналогом предполагаемого изобретения является электроракетная двигательная установка (ЭРДУ) [(«Электроракетная двигательная установка и способ ее эксплуатации», патент RU 2308610, МПК: F03H 1/00 (2006.01), опубл. 20.10.2007)], более 90% рабочего тела которой составляет иод. В этой ЭРДУ СХП выполнена в виде содержащей иод емкости, снабженной нагревателем и соединенной трубопроводом с анодом ЭРД.
К недостаткам аналога относятся большие потери энергии для испарения всей массы иода в емкости, которая может составлять сотни килограмм. Кроме того, при работе в космосе при микрогравитации иод будет перемещаться по объему емкости, не прижимаясь к ее стенкам. При этом передача тепла от нагревателя будет происходить излучением, значительно снизив свою эффективность, т.е. КПД.
В системе хранения и подачи иода, принятой за прототип, [«Система хранения и подачи иода» патент RU, №2557789 МПК: F03H 1/00 (2006.01), F02K 99/00 (2009.01) опубл. 27.07.2015], содержащей снабженную нагревателем цилиндрическую емкость с иодом, которая сообщена с электроракетным двигателем трубопроводом с клапаном, на днище внутри цилиндрической емкости со стороны трубопровода установлена пористая шайба, контактирующая с кристаллическим иодом, причем цилиндрическая емкость со стороны, противоположной трубопроводу, содержит фланец и подпружиненный относительно него поршень, контактирующий с другой стороны с кристаллическим иодом, при этом нагреватель снабжен электрической изоляцией, контактирующей снаружи с днищем емкости со стороны трубопровода.
К недостаткам прототипа можно отнести отсутствие ресивера, что приводило к значительным колебаниям расхода иода, и большое удаление зоны испарения иода от нагревателя, что приводило к его перегреву и непроизводительному повышению мощности нагревателя.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение КПД СХП иода при работе ЭРДУ в космическом пространстве и повышение стабильности расхода иода.
Техническим результатом изобретения является то, что можно увеличить КПД СХП за счет подвода тепла непосредственно в зону испарения иода, а также значительно повысить стабильность расхода иода в ЭРД за счет введения ресивера, расположенного непосредственно за зоной испарения иода.
Технический результат достигается тем, что в системе хранения и подачи иода, содержащей сообщенную с электроракетным двигателем трубопроводом, включающим клапан и нагреватели, цилиндрическую емкость с иодом со стороны, противоположной трубопроводу, снабженную загрузочным фланцем и подпружиненным относительно него поршнем, контактирующим с другой стороны с кристаллическим иодом, цилиндрическая емкость, со стороны трубопровода, содержит дополнительный нагреватель и ресивер, при этом дополнительный нагреватель установлен в полостях непересекающихся трубок, герметично вмонтированных в цилиндрическую поверхность емкости и размещенных, по крайней мере, в одной плоскости, перпендикулярной оси цилиндрической емкости, причем к наружным стенкам трубок, со стороны цилиндрической емкости, заполненной иодом, прикреплена металлическая сетка, при этом ресивер образован днищем цилиндрической емкости, со стороны трубопровода, и наружными стенками трубок с металлической сеткой, причем наружная цилиндрическая поверхность емкости между трубками и поршнем снабжена тепловым экраном и резьбой.
Сущность изобретения заключается в том, что зона испарения иода в цилиндрической емкости максимально приближена к поверхности испаряемого иода, увеличивая КПД системы, а расположенный за ней ресивер сглаживает колебания расхода иода в двигатель, при этом наружная цилиндрическая поверхность емкости между трубками и поршнем, снабженная тепловым экраном и резьбой, позволяет поддерживать основную массу иода в твердом состоянии.
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1, фиг. 2).
На фиг. 1 представлен общий вид СХП иода, которая состоит из цилиндрической емкости 1 с днищем 2, герметично соединенным трубопроводом 3, снабженным клапаном 4, с электроракетным двигателем. Цилиндрическая емкость 1 со стороны, противоположной трубопроводу 3, содержит загрузочный фланец 5 и подпружиненный относительно него пружиной 6 составной поршень 7. Фторопластовый поршень 8, имеющий центральное отверстие, плотно зажат между герметично соединенным со шпилькой 9 диском 10 и стаканом 12 гайкой 11, образуя составной поршень 7. Шпилька 9 служит также для того, чтобы после работы СХП на нее навинтить ручку, с помощью которой можно вытянуть из цилиндрической емкости 1 составной поршень 7 для последующей загрузки порции иода. Диаметр поршня 8 и наружный диаметр стакана 12 выполнены по скользящей посадке с внутренним диаметром цилиндрической емкости 1. При этом стакан 12 составного поршня 7 служит для исключения его перекоса при перемещении в цилиндрической емкости 1 и исключению попадания иода за поршневую зону 13. Для удаления воздуха из поршневой зоны 13 в составном поршне 7 образовано калиброванное отверстие 14. Уменьшению воздушного объема в поршневой зоне 13 к загрузочному фланцу 5 прикреплена вставка 15, обеспечивающая также центровку пружины 6.
Цилиндрическая емкость 1, со стороны трубопровода, содержит дополнительный нагреватель 17 и ресивер 16. При этом дополнительный нагреватель 17 установлен в трубки 18, герметично вмонтированные в цилиндрическую поверхность емкости 1, перпендикулярно ее оси. Причем к стенкам трубок 18, со стороны цилиндрической емкости 1, заполненной кристаллическим иодом 20, прикреплены 1-3 слоя металлической сетки 19, при этом ресивер 16 образован днищем 2 цилиндрической емкости 1 (со стороны трубопровода 3) и стенками трубок 18 с металлической сеткой 19. Цилиндрическая емкость 1, герметизируется с помощью прокладки 21. Причем наружная цилиндрическая поверхность емкости между трубками 18 и составным поршнем 7 снабжена тепловым экраном 22 и резьбой 23, увеличивающим поверхность сброса тепла, что способствует сохранению основной массы кристаллического иода в твердом состоянии, и испарению иода только на поверхности сетки 19, исключая его испарение в объеме 20 цилиндрической емкости 1. При этом на днище 2 цилиндрической емкости 1 установлен нагреватель 24 в изоляторе 25.
СХП иода работает следующим образом.
В цилиндрической емкости 1 демонтируют загрузочный фланец 5 с вставкой 15, пружину 6 и составной поршень 7. Засыпают кристаллический иод в полость 20 цилиндрической емкости 1, и вставляют пружину 6 и составной поршень 7. Надавливая загрузочным фланцем 5, сжимают пружину 6 и прокладку 21. Герметизируют цилиндрическую емкость 1 с помощью прокладки 21, и закрепляют на ней загрузочный фланец 5. Герметично соединяют цилиндрическую емкость 1 через трубопровод 3 и клапан 4 с электроракетным двигателем (ЭРД), расположенным в вакуумной камере (на фиг. 1 не показаны). Откачивают воздух из вакуумной камеры и затем, открыв клапан 4 цилиндрической емкости 1, из полостей поршневой зоны 13, ресивера 16 и полости, содержащей кристаллический иод 20. После чего закрывают клапан 4 и включают дополнительный нагреватель 17 и нагреватель 24. Нагревают днище 2 (до температуры 85-90°С), трубку 3, клапан 4, а также стенки трубки 18 с металлической сеткой 19 и прилегающий к ней слой иода до температуры, не превышающей (100-110)°С. При этом происходит испарение слоя кристаллического иода 20, примыкающего к металлической сетке 19, и заполнение паром иода объема ресивера 16. Открывают клапан 4, при этом пар иода через клапан 4 поступает в трубопровод 3 и затем в электроракетный двигатель. По мере уменьшения объема кристаллического иода 20 под действием пружины 6 происходит перемещение составного поршня 7, прижимающего иод 6 к поверхности металлической сетки 19, заполняя объем ресивера 16 и стабилизируя режим испарения иода. При этом управлять расходом иода можно, изменяя мощность дополнительного нагревателя 17, что приводит к изменению температуры сетки 19 в зоне испарения иода в зависимости от тока разряда ЭРД.
Таким образом, сохранив преимущества прототипа: подача иода при любом расположении цилиндрической емкости 1 в условиях гравитации и микрогравитации и повышение КПД за счет расхода энергии только на испарение небольшого слоя иода, а не всего иода, масса которого может составлять сотни килограмм, можно увеличить КПД СХП за счет подвода тепла непосредственно в зону испарения иода, а также значительно повысить стабильность расхода иода в ЭРД за счет введения ресивера, расположенного непосредственно за зоной испарения иода.