БОРТОВАЯ ЭЛЕКТРОЛИЗНАЯ УСТАНОВКА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
SPACECRAFT ONBOARD ELECTROLYSIS UNIT

Изобретение относится к космической технике и может использоваться в системах энергоснабжения космических аппаратов (КА).
Аналогом предлагаемого технического решения является электролизная установка (ЭЛУ) солнечной ракетной кислородно-водородной двигательной установки (патент RU 2310768 С2, 20.11.2007, МПК F02K 11/00 (2006.01), B64G 1/40 (2006.01)), в которой твердополимерный (ТП) электролизер воды используется для получения компонентов топлива кислородно-водородного ракетного двигателя импульсного действия. Данная ЭЛУ предназначена для работы в невесомости, поэтому в ней применяется принудительная система водоснабжения (СВС) электролизера. Вода в электролизные ячейки (ЭЯ) подается насосом, обеспечивающим циркуляцию в замкнутой контуре, включающем, кроме самого насоса, также водородные полости ЭЯ и газоотделитель водорода. Таким образом используется катодная СВС ЭЯ, что позволяет на выходе электролизера получить газообразный кислород без жидкой воды («A water-based propulsion system for advanced spacecraft» Journal AIAA (American Institute of Aeronautics and Astronautics) (USA). Guidance, Navigation, and Control Conference. San Jose: AIAA 2006, pg 426-438). Это исключает необходимость в газоотделителе кислорода и упрощает конструкцию ЭЛУ.
Недостатками такой ЭЛУ являются недостатки, характерные для катодной СВС ТП электролизера в целом:
- ограничения по плотности тока и, как следствие, необходимость в большем количестве ЭЯ для обеспечения заданной производительности ЭЛУ по газам;
- большая вероятность прогорания мембраны (по сравнению с анодной СВС), поскольку степень гидратации мембраны в этом режиме минимальна. Для мембран типа Нафион такой режим часто приводит к обезвоживанию и локальному перегреву.
Для космических ЭЛУ, рассчитанных на длительную автономную работу без техобслуживания, эти недостатки значительны, особенно в данном случае, когда от работы электролизера зависит работа двигательной установки всего КА.
Более приемлемой для КА длительного действия является принятая за прототип ТП ЭЛУ с анодной СВС, используемая в аналогичной схеме ракетной двигательной установки (патент RU 2215891 С2, 10.11.2003, МПК F02K 11/00 (2006.01)). Бортовая электролизная установка космического аппарата включает твердополимерный электролизер, подключенный к системе электропитания аппарата, систему водоснабжения, состоящую из кислородного и водородного контуров циркуляции воды, каждый из которых включает в себя соответствующую полость электролизера, циркуляционный насос и газоотделитель с магистралями выдачи газов, причем кислородный контур снабжен входной магистралью для воды с клапаном. В данном случае вода подается в анодную (кислородную) полость ЭЯ, то есть туда, где идет ее разложение («A water-based propulsion system for advanced spacecraft» Journal AIAA (American Institute of Aeronautics and Astronautics) (USA). Guidance, Navigation, and Control Conference. San Jose: AIAA 2006, p. 426-438). Это обеспечивает комфортный тепловой режим для мембраны ячеек и их максимальную насыщенность водой. Степень гидратации мембраны в этом случае почти на порядок больше, чем при катодном СВС. Соответственно, существенно снижается вероятность прогорания ЭЯ и повышается надежность работы установки в целом.
К недостаткам данной ЭЛУ можно отнести:
- необходимость в двух циркуляционных контурах СВС с двумя насосами и газоотделителями снижает механическую надежность ЭЛУ;
- отсутствие охлаждения воды в кислородном контуре СВС сокращает допустимую длительность непрерывной работы электролизера;
- необходимость контролировать работу агрегатов ЭЛУ с помощью бортовой системы управления, отслеживающей работу всей автоматики КА.
В этом случае неполадки в самой системе управления (например, при воздействии радиации) могут нарушить работу электролизера и привести к нештатной ситуации на борту КА.
Задача данного предложения - снизить вероятность нарушения номинального рабочего режима электролизера, то есть стабилизировать его работу и тем самым повысить надежность бортовой ЭЛУ, не усложняя при этом ее конструкции.
Техническим результатом изобретения является стабилизация режима работы электролизера и повышение надежности бортовой электролизной установки.
Технический результат достигается за счет того, что в бортовую электролизную установку космического аппарата, включающую твердополимерный электролизер, подключенный к системе электропитания аппарата, систему водоснабжения, состоящую из циркуляционного насоса, кислородного и водородного контуров циркуляции воды, каждый из которых включает в себя соответствующую полость электролизера и газоотделитель с магистралями выдачи газов, причем кислородный контур снабжен входной магистралью для воды с клапаном, введен теплообменник, подключенный к системе терморегулирования космического аппарата и установленный в кислородном контуре системы водоснабжения, при этом газоотделители выполнены в виде центробежных сепараторов, которые подсоединены к общему электроприводу постоянного тока, представляющему собой циркуляционный насос, подключенный к системе электропитания космического аппарата последовательно с электролизером.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1), на котором представлена структурная схема предлагаемой установки.
СВС твердополимерного электролизера (1) имеет два циркуляционных контура: водородный контур, состоящий из входной гидромагистрали электролизера (8) и его выходной гидромагистрали (10), а также кислородный контур с входной гидромагистралью электролизера (7), на которой установлен теплообменник (5), подключенный к системе терморегулирования (СТР) КА выходной гидромагистралью электролизера (9), а также входной магистралью для воды (6) с клапаном (16), по которой пополняются запасы воды от бортовой СВС. Гидромагистрали водородного контура (8) и (10) соединяют водородную полость электролизера (1) с центробежным сепаратором (4) с пневмомагистралью для выдачи водорода (12). Гидромагистрали (7) и (9) кислородного контура СВС объединяют кислородную полость электролизера (1) с центробежным сепаратором (3) с пневмомагистралью для выдачи кислорода (11). Оба сепаратора (3) и (4) подключены к общему электроприводу постоянного тока (2), представляющего собой циркуляционный насос (на фиг.1 не показан) кислородного и водородного контура. Одна из клемм электропитания этого привода подключена (линия (13) к питающей клемме электролизера (1) противоположной полярности. Оставшиеся клеммы электропитания привода (2) и электролизера (1) подключены к бортовой системе электропитания (СЭП) линиями (14) и (15) соответственно.
Работает установка следующим образом.
На входной магистрали для воды (6) открывают клапан (16) и заполняют кислородный контур СВС электролизера (1) водой от бортовой СВС КА. В дальнейшем клапан (16) может либо оставаться открытым и будет осуществляться непрерывное пополнение запаса воды в СВС, либо может закрываться и пополнение запаса воды будет периодическим по мере ее выработки.
После заполнения кислородного контура от СЭП КА подают электропитание и в электролизере (1) начинается разложение воды на газы. Образующаяся при этом водогазовая смесь благодаря работающим сепараторам (3) и (4) циркулирует по контурам СВС.
В водородном контуре водоводородная смесь из водородной полости электролизера (1) по гидромагистрали (10) попадает в сепаратор (4), где пузырьки водорода отделяются от жидкой воды и по пневмомагистрали (12) выдаются потребителю. Оставшаяся вода по гидромагистрали (8) возвращается в электролизер (1).
В кислородном контуре водокислородная смесь из кислородной полости электролизера (1) по гидромагистрали (9) поступает в сепаратор (3), где пузырьки кислорода выделяются из воды и газ выдается потребителю по пневмомагистрали (11). Оставшаяся вода возвращается в электролизер (1) по гидромагистрали (7). При этом она проходит через теплообменник (5) и охлаждается (в процессе электролиза происходит нагревание воды в кислородной полости ЭЯ).
В схеме электропитания ЭЛУ по одной клемме электролизера (1) и электропривода (2) с противоположной полярностью соединены внутренней линией (13), а оставшиеся свободными клеммы этих агрегатов внешними линиями (14) и (15) подключаются к СЭП КА, то есть электроснабжение ЭЛУ осуществляется одновременно через электролизер (1) и электропривод (2). В этом случае ток электролиза определяет одновременно режим работы сепараторов, то есть интенсивность охлаждения электролизера. В результате сепараторы, главным образом сепаратор (3), компенсируют случайные отклонения в работе электролизера по току или температуре.
Суть предложения заключается в следующем. Благодаря тому что электролизер и побудитель расхода в его СВС (сепаратор с приводом) включены последовательно в общую цепь электропитания, в схеме образуется отрицательная обратная связь между основными рабочими характеристиками ТП электролизера - током и температурой электролиза. Как известно, такая связь существенно повышает устойчивость работы систем, поскольку любое отклонение одного из рабочих параметров от номинального значения система стремится компенсировать сама, даже без внешнего управления.
Например, случайный рост тока электролиза, приводящий, естественно, к нагреву электролизера (что способствует дальнейшему росту тока) одновременно усиливает и работу электропривода сепараторов, что увеличивает расход воды в кислородном контуре электролизера, где при анодной СВС выделяется основное тепло, и усиливает теплоотвод из него.
Кроме того, надежность такой системы выше, чем у прототипа, благодаря использованию одного, а не двух электромоторов, а также из-за наличия в СВС теплообменника. Последнее позволяет увеличить допустимую длительность непрерывной работы электролизера и, при необходимости, ускорить его выход на рабочий режим за счет опережающего нагрева воды в кислородном контуре СВС.
При работе на высоких давлениях, что целесообразно для изделий ракетно-космической техники, предлагаемую электролизную установку предпочтительно разместить в общем прочном корпусе с соответствующими порталами для подключения к бортовым системам КА.