КАТАЛИЗАТОР, ГАЗОГЕНЕРАТОР И ТОЛКАТЕЛЬ С УЛУЧШЕННОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ СПОСОБНОСТЬЮ И КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТЬЮ
CATALYST, GAS GENERATOR AND A PUSHER WITH IMPROVED THERMAL ABILITY AND CORROSION RESISTANCE

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ракетные двигательные системы на однокомпонентном топливе, которые используют катализаторы, чтобы энергично вызывать реакцию ракетного топлива в горячие газы, обеспечивают преимущества в отношении стоимости и надежности, что привело системы на однокомпонентном топливе к доминированию в околоземных и разведочных полетах над системами на двухкомпонентном топливе. Гидразин, однокомпонентное ракетное топливо, наиболее широко применяемое в настоящее время, является токсичным и должен находиться в закрытых контейнерах, вызывая тем самым косвенные затраты, связанные с необходимостью специального наземного оборудования и процедур и, как следствие, приостановки других мероприятий по подготовке к запуску, чтобы избежать опасности в отношении готовящего запуск персонала во время операций загрузки ракетного топлива космического корабля. Кроме того, проблемы, связанные с опасностью случайного токсичного воздействия, в большой степени предотвращаются применением однокомпонентного ракетного топлива в тактических и стратегических системах.
Некоторое число низкотоксичного однокомпонентного ракетного топлива было разработано, чтобы обойти ограничения гидразина и, в некоторых случаях, обеспечить улучшенные параметры относительно гидразина. Многие из этих однокомпонентных ракетных топлив работают при температуре пламени, существенно превышающей температуру пламени гидразина и возможности современных катализаторов, используемых в традиционных каталитических газогенераторах и толкателях. Ряд этих современных однокомпонентных ракетных топлив, например закись азота, пероксиды и ионные жидкости, такие как ракетные топлива на основе динитрамида аммония и нитрата гидроксиламмония, производят коррозионные и/или высокоокислительные промежуточные соединения или продукты, так что данные толкатели, каталитические газогенераторы и, особенно, катализаторы должны быть устойчивы к повреждению этими промежуточными соединениями или продуктами. Катализаторы, газогенераторы и толкатели, используемые сейчас в системах с однокомпонентным топливом, обычно демонстрируют ограниченную возможность срока службы вследствие разрушения по разным причинам.
Соответственно, сохраняется необходимость обеспечить новые и пригодные катализаторы для однокомпонентного ракетного топлива.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данный раздел приведен, чтобы ознакомить в упрощенной форме с набором идей, которые дополнительно описываются ниже в подробном описании. Данный раздел не предназначен определять ключевые признаки заявляемого объекта изобретения и не предназначен для использования в качестве помощи при определении объема заявляемого объекта изобретения.
В одном варианте осуществления раскрывается катализатор. Данный катализатор включает в себя носитель, содержащий оксид гафния и до равной части по массе оксид циркония, причем объединенные оксид гафния и оксид циркония составляют, по меньшей мере, 50% масс. носителя, и данный катализатор дополнительно включает в себя активный металл на поверхности данного носителя.
В одном варианте осуществления данный активный металл представляет собой один металл из, по меньшей мере, родия, рутения, палладия, осмия, иридия или платины.
В одном варианте осуществления данный носитель представляет собой оксид гафния на, по меньшей мере, 99% масс.
В одном варианте осуществления данный носитель дополнительно содержит стабилизатор.
В одном варианте осуществления данный стабилизатор содержит оксид церия или оксид иттрия или любую их комбинацию.
В одном варианте осуществления данный носитель имеет плотность больше чем 50% от теоретического максимума.
В одном варианте осуществления данный активный металл составляет от 0,1% масс до 50% масс. в расчете на полную массу катализатора.
2
2
В одном варианте осуществления площадь поверхности катализатора составляет от 0,05 м/г до 40 м/г.
В одном варианте осуществления раскрывается газогенератор. Данный газогенератор включает в себя корпус, определяющий пространство внутри данного корпуса, катализатор в данном пространстве внутри корпуса, где данный катализатор содержит носитель, содержащий оксид гафния и, по меньшей мере, один активный металл на поверхности данного носителя, вход ракетного топлива в данный корпус и выход продукта реакции из корпуса. Катализатор может содержать единственный, предпочтительно пористый элемент или множество элементов, таких как частицы, которые позволяют приток и отток газа и жидкости.
В одном варианте осуществления носитель газогенератора дополнительно содержит оксид циркония до равной части по массе с оксидом гафния.
В одном варианте осуществления носитель газогенератора дополнительно содержит стабилизатор. В одном варианте осуществления данный стабилизатор может быть оксидом церия или оксидом иттрия или обоими.
В одном варианте осуществления носитель газогенератора может содержать стабилизатор, выбранный из оксида церия, оксида иттрия или обоих из них. В этом варианте осуществления носитель может содержать оксид гафния или оксид гафния с оксидом циркония до равной массы с оксидом гафния.
В одном варианте осуществления к данному выходу корпуса присоединяется сопло.
В одном варианте осуществления катализатор образует слой частиц в данном корпусе. В этом варианте осуществления носитель катализатора может дополнительно содержать стабилизатор. Данный стабилизатор может включать в себя оксид церия, оксид иттрия или оба из них. Данные частицы могут иметь максимальный размер от 0,5 мм до 2,0 мм.
В одном варианте осуществления раскрывается способ промотирования реакции ракетного топлива в продукты реакции, содержащие газ. Данный способ включает в себя контакт ракетного топлива с катализатором, где катализатор содержит носитель, содержащий оксид гафния и, по меньшей мере, один активный металл на поверхности данного носителя, и превращение данного ракетного топлива в один или более газообразных продуктов при контакте с данным катализатором.
В одном варианте осуществления ракетное топливо содержит окислитель, выбранный из группы, состоящей из кислорода, нитрата гидроксиламмония, нитрата аммония, перхлората аммония, перхлората лития, динитрамида аммония и нитрата гидроксиэтилгидразиния или любой их комбинации.
В одном варианте осуществления ракетное топливо содержит горючее, выбранное из группы, состоящей из водорода, глицина, бетаина, углеводородов, спиртов, нитрата триэтаноламина, тринитрата трис(2-аминоэтил)амина, нитрата гидразиния и нитрата гидроксиэтилгидразиния или любой их комбинации.
В одном варианте осуществления ракетное топливо содержит химическое соединение, такое как гидразин, закись азота или пероксид, которое энергично разлагается с образованием газообразного продукта.
В одном варианте осуществления газообразный продукт из газогенератора может направляться через сопло, генерируя тягу.
В одном варианте осуществления ракетное топливо содержит окислитель, горючее и воду.
В одном варианте осуществления обеспечиваются катализатор, каталитический газогенератор и толкатель, вызывающие энергичную реакцию ракетного топлива, с улучшенной стойкостью к высокотемпературному разрушению и спеканию, придавая тем самым улучшенные характеристики и увеличенный срок службы.
В одном варианте осуществления обеспечиваются катализатор, каталитический газогенератор и толкатель, вызывающие энергичную реакцию ракетного топлива, с пониженной чувствительностью к повреждению тепловым ударом, обеспечивая, таким образом, улучшенные характеристики и увеличенный срок службы.
В одном варианте осуществления обеспечиваются катализатор, каталитический газогенератор и толкатель, вызывающие энергичную реакцию ракетного топлива, с улучшенной стабильность фазы катализатора, обеспечивая, таким образом, улучшенные характеристики и увеличенный срок службы.
В одном варианте осуществления обеспечиваются катализатор, каталитический газогенератор и толкатель, которые имеют улучшенную изготавливаемость в отношении физических параметров, связанных с улучшенным удерживанием каталитического металла катализатором и внутри слоя катализатора.
В одном варианте осуществления обеспечиваются катализатор, каталитический газогенератор и толкатель, которые обеспечивают улучшенные свойства обрабатываемости, так что данные катализаторы легко могут быть сформированы в желаемые формы или геометрии частиц, обеспечивая тем самым улучшенное средство изготовления, особенно связанное с улучшенной плотностью упаковки и консистенцией слоев гранулированного катализатора.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предшествующие аспекты и многие из сопутствующих преимуществ данного изобретения станут легче восприниматься и одновременно станут более понятными посредством ссылки на последующее подробное описание, взятое вместе с сопровождающими чертежами, где:
фиг.1 представляет собой схематичное изображение, показывающее газогенератор согласно одному варианту осуществления данного изобретения; и
фиг.2 представляет собой схематичное изображение, показывающее толкатель согласно одному варианту осуществления данного изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
2
2
Раскрывается катализатор, который включает в себя носитель и активный металл, нанесенный на данный носитель. Носитель содержит оксид гафния. Оксид гафния также известен как оксид гафния (IV) или диоксид гафния. Химическая формула оксида гафния HfO. В некоторых приложениях параметры катализатора улучшаются, когда плотность достигает теоретического максимума, причем теоретическая плотность носителя, по меньшей мере, 97% является предпочтительной. Предпочтительная площадь поверхности на единицу объема катализатора находится в интервале от 0,05 до 40 м/г.
Носитель может иметь любую форму, включая таблетки, цилиндрические стержни, округлые дробины, нерегулярные, сформированные в виде матрицы, такой как соты или решетки, и подобные, но не ограничиваясь ими. Катализатор включает в себя, по меньшей мере, один или более активных металлов на поверхности носителя. Активным металлом является, по меньшей мере, один металл из "платиновой" группы металлов. Платиновая группа металлов включает родий, рутений, палладий, осмий, иридий и платину. Процентное содержание активного металла или металлов может меняться от 0,1% масс. до 50% масс. в расчете на полную массу катализатора, причем содержание от 5% до 30% подходит для большинства приложений.
2
2
3
2
Носитель используется для поддерживания активного металла или металлов. В одном варианте осуществления носитель может представлять собой, по существу, 100% оксид гафния или оксид гафния с дополнительными компонентами. Дополнительные компоненты, такие как оксид церия и/или оксид иттрия или оба, могут быть включены в носитель оксид гафния, чтобы улучшить устойчивость к тепловому удару, химическому воздействию, механические свойства, одно или более из вышеуказанных. Оксид церия также известен как оксид церия (IV) или диоксид церия. Химическая формула СеО. Оксид иттрия также известен как оксид иттрия (III) и имеет химическую формулу YO. Когда дополнительные компоненты, такие как оксид церия или оксид иттрия или оба, добавляют в носитель оксид гафния по вышеуказанным причинам, дополнительные компоненты могут называться стабилизаторами, и катализатор может называться "стабилизированным" катализатором. В случаях, когда стабилизатор изменяет фазовое распределение носителя, величина фазовой стабилизации может меняться с количеством добавленного стабилизатора, причем лучшие параметры катализатора обычно достигаются при фазовой стабилизации от 70% до 100%. Кроме того, часть оксида гафния может быть замещена оксидом циркония до равного количества по массе, чтобы снизить стоимость и массу катализатора. Оксид циркония также известен как диоксид циркония и имеет химическую формулу ZrO.
Чтобы получить оксидно-гафниевый носитель высокой теоретической плотностью, гафнийсодержащий носитель может изготавливаться посредством способа, известного как горячее изостатическое прессование. Можно сделать ссылку на многочисленные патенты, такие как патенты США №№ 4952353; и 5080841, оба из которых включены сюда посредством ссылки. Альтернативным способом получения оксидно-гафниевого носителя является спекание. Спекание также является хорошо известным способом получения продуктов из порошкообразных материалов. Порошкообразные материалы нагревают в печи выше температуры Таммана данных материалов. Нагрев продолжают до тех пор, пока частицы не начнут слипаться друг с другом. В горячем изостатическом прессовании или спекании к оксиду гафния могут быть добавлены дополнительные компоненты оксид церия, и/или оксид иттрия, и/или оксид циркония.
После получения оксидно-гафниевого носителя активный металл может быть нанесен на поверхность данного носителя различными методами. Может быть сделана ссылка на патент США № 4348303, который включен сюда посредством ссылки. В одном варианте осуществления активный металл наносят на носитель путем пропитки носителя раствором соли металла или путем распыления раствора соли металла на носитель. Например, иридий можно наносить сначала на носитель путем образования трихлорида иридия или тетрахлорида иридия и затем путем растворения данной соли, например, в спирте. Рутений можно наносить на носитель путем образования трихлорида рутения или тетрахлорида рутения и также путем растворения данной соли в спирте. Родий можно наносить на носитель путем образования и последующего растворения хлорида родия. Подходящие концентрации раствора соли могут быть большими, до 10% масс. соли в расчете на объединенную массу соли и растворителя. Однако 5% масс. растворы соли также являются подходящими. После пропитки носителя раствором соли или распыления на носитель раствора соли носитель можно сушить путем вращения в барабане в горячем воздухе. Нанесение раствора соли металла с последующей сушкой можно выполнять множество раз. После сушки соль остается на поверхности носителя, но данную соль металла еще необходимо превратить в оксид металла. В зависимости от используемого металла носитель можно нагревать до температуры свыше 500-600°F (260-316°С), чтобы окислить и активировать металл. Содержание металла обычно варьирует от 0,1% до 50%. Высокое содержание металла является предпочтительным для максимальной эффективности и срока службы катализатора, а варианты осуществления с низким содержанием металла могут быть использованы для снижения расходов в случаях, когда максимальная реакционная способность и срок службы не требуются.
В одном варианте осуществления оксидно-гафниевый катализатор с одним или более активными металлами применим для ускорения реакции ракетного топлива и, особенно, однокомпонентного топлива. Стабилизированный оксидно-гафниевый катализатор с одним или более активными металлами также является пригодным. Однокомпонентным ракетным топливом обычно называют композиции, которые могут содержаться в одном баке для хранения в противоположность двухкомпонентному топливу. Однокомпонентное ракетное топливо может быть газообразным или жидким и может включать в себя одно химическое соединение или смесь химических соединений, такую как объединение горючего и окислителя, и, необязательно, одного или более охладителей или растворителей, таких как вода. Реакция однокомпонентного ракетного топлива является экзотермической с получением больших объемов газов. Так как реакция является сильно экзотермической, данная реакция обычно является самоподдерживающейся после начала. Реакция ракетного топлива с получением газообразных продуктов имеет множество применений. Газ, генерируемый путем реакции ракетного топлива, может быть использован для обеспечения движущей силы, или для работы турбины для генерации электроэнергии, или для работы других механических систем.
Когда однокомпонентное ракетное топливо обеспечено в виде одного химического соединения, оно может включать гидразин. Гидразиновые ракетные топлива включают в себя 100% гидразин, симметричный диметилгидразин, несимметричный диметилгиразин и монометилгидразин, но не ограничиваются ими. Другие однокомпонентные ракетные топлива с единственным химическим соединением включают в себя пероксид водорода и газообразную или жидкую закись азота, но не ограничиваются ими.
Однокомпонентное ракетное топливо также может быть образовано в виде смеси одного или более однокомпонентных ракетных топлив с единственным химическим соединением, как указано выше, возможно с добавлением разбавителей, стабилизаторов и других модификаторов, например однокомпонентное ракетное топливо на основе пероксида водорода обычно включает в себя воду, чтобы стабилизировать его при хранении.
Однокомпонентное ракетное топливо может альтернативно содержать окислитель и горючее, и, необязательно, один или более разбавителей или растворителей, таких как вода, аммиак или гелий (для газообразных однокомпонентных ракетных топлив).
Типичные окислители включают в себя кислород и неорганические или органические нитраты, такие как нитрат гидроксиламмония, динитрат аминогуанидина, нитрат гуанидина, нитрат аммония, динитрамид аммония или нитрат гидроксиэтилгидразиния, но не ограничиваются ими. Производные нитрата гидроксиламмония также могут быть использованы в качестве окислителя, включая N-метил, N-этил, О-метил или О-этил производные нитрата гидроксиламмония, но не ограничиваясь ими.
В некоторых случаях предназначенные для хранения под давлением или при низкой температуре однокомпонентные ракетные топлива могут быть образованы из компонентов, которые не находятся в той же фазе при окружающих атмосферных условиях, как, например, смесь закиси азота и метанола.
Типичное горючее включает водород, углеводороды, глицин, бетаин, спирты и амины и нитраты аминов, такие как нитрат триэтаноламмония, гидроксиламин, нитрат диметилгидроксиламмония, нитрат диэтилгидроксиламмония, диэтилгидроксиламин, динитрат триэтилендиамина, динитрат диэтилентриамина, динитрат этилендиамина, нитрат метиламмония, нитрат диметиламмония, нитрат триметиламмония, нитрат метилгидразиния, нитрат этилендигидразиния, нитрат гидразиния, формиат гидразиния, ацетат гидразиния, карбазат гидразиния, аминоацетат гидразиния, нитрат триаминогуанидиния, карбогидразид, нитрат карбогидразида, динитрат карбогидразида, мочевину, формамид, N-метилформамид, N,N-диметилформамид, нитрат гуанидия, динитрат 1,4-бис-кубандиаммония, соль 3-нитро-1,2,4-триазол(5)он гидразиния, соль 3-нитро-1,2,4-триазол(5)он аммония, N-метил-2-пирролидон, производные азеридина, производные азетана и их комбинации, но не ограничивается ими.
Вышеприведенные перечни окислителей и горючих подразумеваются не исчерпывающими, а только типичными. Дополнительные ракетные топлива, которые могут быть использованы с раскрываемыми здесь катализаторами, могут быть найдены в патентах США №№ 6984273; 5648052; 5485722; 4047988; и 5223057, все из которых определенно включены сюда посредством ссылки.
Катализатор может быть заключен в каталитической камере и использоваться в качестве газогенератора, как изображено на фиг.1. Обычно в газогенератор 100 (или каталитический реактор) подается ракетное топливо из бака для хранения (не показан). В системах с однокомпонентным ракетным топливом один бак для хранения может служить для хранения окислителя, горючего и растворителя. Однако в других вариантах осуществления множество баков для хранения может быть использовано, чтобы содержать окислитель, горючее и растворитель до смешения снаружи или внутри газогенератора 100. Газогенератор 100 включает в себя закрытый корпус 101 для удерживания слоя 102 катализатора внутри закрытого корпуса 101. Закрытый корпус 101 может быть цилиндрическим. Внутренние стенки корпуса 101 могут быть защищены изолятором 112, предпочтительно керамическим, таким как оксид алюминия, чтобы снизить теплоперенос к корпусу 101. Индивидуальные частицы катализатора в слое 102 катализатора могут быть сформированы в форме таблеток, которые предпочтительно плотно упакованы внутри корпуса 101 и удерживаются пористой пластиной 106, прикрепленной к корпусу 101. Опорная пластина 106 содержит отверстия, которые являются достаточно узкими, чтобы удерживать гранулы катализатора, в то же время обеспечивая достаточно большую полную открытую площадь, позволяющую поток образующихся газообразных продуктов реакции сквозь нее в направлении выхода 114. Опорная пластина 106 может быть сделана из тугоплавкого металла или комбинации металлов, включая ниобий, молибден, тантал, вольфрам и рений, но не ограничиваясь ими. Покрытие, такое как иридий, может быть нанесено на тугоплавкий металл опорной пластины 106. Ракетное топливо может подаваться в слой 102 катализатора через один или множество впрыскивающих элементов 104, соединенных с одним или множеством мест 116 впрыскивания, которые могут быть образованы в виде щелей или отверстий, которые являются достаточно тонкими, чтобы предотвратить попадание гранул катализатора в слой 102 катализатора, но с достаточной полной площадью, чтобы впускать поток ракетного топлива без избыточного перепада давления. В одном варианте осуществления один или более впрыскивающих элементов 104 могут проникать в слой 102 катализатора, так что ракетное топливо впрыскивают на некотором расстоянии от внутренних стенок крепления инжектора и/или корпуса 101. Ракетное топливо реагирует при контакте с катализатором 102 с получением газообразных продуктов, которые покидают слой 102 катализатора через отверстия в опорной пластине 106 и направляются через выход 114. Выход 114 может соединяться с одним из множества устройств, таких, что данный газ используется для получения реактивной силы или работы. Например, газы могут направляться в камеру для хранения и затем выходить через один или более клапанов для получения реактивной тяги для вывода на орбиту спутников, космических зондов, средств выведения, ракет или любых других типов летательных аппаратов. В другом примере газы могут направляться в турбину, которая, в свою очередь, соединена с генератором для получения электрической энергии. В других вариантах осуществления газы, выходящие из газогенератора 100, могут соединяться с механическими устройствами, такими как компрессоры, насосы и подобное. Конкретное применение или нагрузка не ограничиваются в данном изобретении.
Альтернативно, газогенератор 100 может непосредственно присоединяться к соплу 110, как изображено на фиг.2. В данной конфигурации газогенератора 100 и сопла 110 данное устройство может рассматриваться в качестве автономного толкателя для получения реактивной тяги для вывода на орбиту спутников, космических зондов, средств выведения, ракет или любых других типов летательных аппаратов.
Фиг.1 и 2 представляют собой только схематичные рисунки, изображающие газогенератор и толкатель, показывающие основные компоненты газогенератора и толкателя. Следует понимать, что компоненты, опущенные из газогенератора и толкателя на фиг.1 и 2, будут хорошо известны специалисту в данной области техники. Например, можно сделать ссылку на патенты США №№ 5648052; 4352782; и 4069664, включенные сюда посредством ссылки. Также следует понимать, что параметры промотирования реакции газогенератора 100, описанного выше, могут быть приспособлены путем замены и/или комбинации любого числа частиц или элементов катализаторов, изготовленных согласно любой геометрии или размеру, без изменения реализованных здесь принципов изобретения.
ПРИМЕРЫ
Нижеследующее суммирует ряд тестов, выбранных из большего объема тестов, выполненных Aerojet между 20 июня 2010 г. и 7 апреля 2011 г. в качестве части продолжающейся внутренней программы исследований и разработок, которые представлены здесь как примеры, демонстрирующие применение данного изобретения.
Тест 1 - Aerojet проводил тестирование срока службы катализатора известного уровня техники, содержащего приблизительно 5% иридия, нанесенного на стабилизированный оксид циркония. Тестирование содержало загрузку катализатора в тяжеловесный тестовый толкатель и работу в запрещенном режиме работы до колебания давления внутри толкателя, известного специалистам в данной области техники как "колебание давления камеры", которое увеличивает повреждение, происходящее с катализатором, превышающее 75% давления камеры по амплитуде. Это происходило приблизительно после 30 минут суммарного времени горения.
Тест 2 - Aerojet проводил тест срока службы, который был идентичен во всех отношениях тесту 1, за исключением того, что тестовый толкатель загружали оксидно-гафниевым катализатором, содержащим приблизительно 5% иридия, изготовленным согласно настоящему изобретению, который достигал приблизительно 53 минут суммарного времени горения до появления таких же критериев окончания теста.
Тест 3 - Aerojet проводил тест срока службы, в котором модифицированный тестовый толкатель загружали катализатором, идентичным катализатору, использованному в тесте 2, который достигал приблизительно 56 минут суммарного времени горения до появления таких же критериев окончания теста.
Тест 4 - Aerojet проводил тест срока службы, который был идентичен во всех отношениях тесту 3, за исключением того, что тестовый толкатель загружали оксидно-гафниевым катализатором, стабилизированным оксидом церия, содержащим приблизительно 5% иридия, изготовленным согласно настоящему изобретению, который достигал приблизительно 146 минут суммарного времени горения до появления таких же критериев окончания теста.
Тест 5 - Aerojet проводил тест срока службы, в котором дополнительно модифицированный тестовый толкатель загружали катализатором, идентичным катализатору, использованному в тесте 4, который достигал приблизительно 285 минут суммарного времени горения до появления таких же критериев окончания теста.
Тест 6 - Aerojet проводил тест срока службы, который был идентичен во всех отношениях тесту 5, за исключением того, что тестовый толкатель загружали оксидно-гафниевым катализатором, стабилизированным оксидом иттрия, содержащим приблизительно 5% иридия, изготовленным согласно настоящему изобретению, и данный толкатель работал при пониженном внутреннем давлении, который достигал приблизительно 689 минут суммарного времени горения до появления таких же критериев окончания теста.
Хотя были раскрыты и описаны иллюстративные варианты осуществления, будет понятно, что здесь могут быть сделаны различные изменения без отклонения от сущности и объема данного изобретения.