Патент на изобретение №2296113

(54) СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НА ЛУНЕ

(57) Реферат:

Изобретение относится к производству твердого ракетного топлива на луне. Предложен способ производства твердого ракетного топлива космического аппарата на луне, включающий получение тонкоизмельченного вулканизата из шин, получение металлического порошка из очищенного от вулканизата металлокорда, изготовление из лунных пород селитры или перхлората для твердого ракетного топлива, подачу полученного тонкоизмельченного вулканизата, металлического порошка и изготовленной селитры или перхлората в смесительный участок, их перемешивание и подачу полученной смеси в форму с получением шашки или полой цилиндрической секции твердого ракетного топлива. Изобретение направлено на создание способа изготовления твердого ракетного топлива для космического аппарата в лунных условиях, отвечающего современным требованиям к топливу, с одновременной утилизацией изношенных шин. Использование лунных криогенных температур и солнечной энергии обеспечивает минимальное энергопотребление способа с возможностью крупносерийного производства ракетного топлива на луне при минимизированной себестоимости и возможностью осуществления возвратных рейсов космических аппаратов на землю или на другие планеты солнечной системы. 5 ил.

Предлагаемый “Способ производства ракетных топлив” относится к области космических технологий и предназначен для его реализации с использованием благоприятных природно-климатических условий на Луне, а также с использованием лунных пород и ландшафтов, с вписанием в рельеф местности автономных производственных участков по основным технологическим переделам, связанным транспортно-энергетическими коммуникациями с единой энергосиловой установкой, например тепловой электростанцией.

Следует отметить, что еще во второй половине 20 века учеными и инженерами СССР (1, с.38) был разработан проект комплексной установки жизнеобеспечения, переработки лунных пород с использованием солнечной энергии, получением воды, кислорода и жидкого ракетного топлива для выполнения стартов с лунной поверхности (1, с.4). В США, примерно в это время, был разработан проект крупной лунной установки по производству жидкого азота и кислорода из лунных пород производительностью 1000 т/год с собственной массой установки 400 т, включая 45 т энергетической установки мощностью 5 мегаватт, и сотрудники Вашингтонского университета рассчитали возможность получения 40 т водорода из поверхностных фракций лунного грунта, при его содержании до 5 грамм в тонне грунта (1, с.39), чем обусловлена необходимость переработки 200 тысяч тонн в год, что даже на Земле потребовало бы производительности порядка 1000 тонн в сутки и немалых капитальных затрат, судя по опыту золотодобывающей промышленности, ввиду чего лунный водород по его себестоимости может стать поистине “золотым”.

Надо также отметить, что в настоящее время “усиленно муссируется” возможность извлечения из лунных грунтов “He₃“, запасы которого оцениваются в “космических масштабах”, однако надо также учитывать и “космические масштабы” необходимой переработки грунтов и некоторые “лунные аспекты” техпроцесса извлечения газообразных “H₂” и “He₃” с шестикратным снижением силы тяжести грунтов, что обусловит поистине в “космические габариты” сепарирующих аппаратов или пылеосаждающих устройств, а по себестоимости “He₃” может превзойти и рыночные цены “на драгоценные металлы”.

Следует также признать, что газообразное или жидкое ракетные топлива дают сравнительно малую реактивную тягу ввиду малости их молекулярных масс, чем обусловлены значительные габариты и вес ЖРД, например, в составе служебного отсека “АППОЛО”, диаметром и длиной порядка 4 метров, его вес превышает 22 тонны, а основной ракетный двигатель системы аварийного спасения на твердом топливе весит 2,16 т при диаметре 0,66 м и обеспечивает тягу 70 тонн, сообщая командному отсеку космическое ускорение 90 м/сек², превосходящему “земное” почти в 8 раз (1, с.44…50).

По опубликованным данным (2, с.381) твердотопливный реактивный двигатель (ТТРД) челнока “СПЭЙС-ШАТТЛ” работает на смеси 70% аммонийной селитры, 16% алюминия, 11% синтетического каучука и порядка 3% других веществ, но производство такого топлива даже в земных условиях оказалось настолько дорогостоящим, что многомиллиардные космические проекты США “сошли на нет”, оказавшись “не по карману миллиардерам”.

Однако СССР “пошел своим путем” и на “Московском мехзаводе” был изготовлен челнок “БУРАН”, прошедший “натурные испытания” и совершивший в автоматическом режиме “мягкую посадку”, чем засвидетельствованы немалые научно-технические достижения как “ММЗ”, так и СССР, передавший “эстафету” РФ, продолжающей освоение космического пространства наряду с успешным производством ракетных стратегических комплексов, например, “ТОПОЛЬ” и многих других с запланированным освоением Луны с КНР.

С учетом “рыночных отношений” в РФ поставлена задача достижения достаточной обороноспособности и освоения лунных ресурсов не ценой громадных капвложений, а высокотехнологичными решениями и “интеллектом”

Техническим результатом изобретения является изготовление твердого ракетного топлива для космического аппарата в лунных условиях, отвечающего современным требованиям к топливу, с одновременной утилизацией изношенных авто и тракторных шин.

Технический результат достигается в способе производства твердого ракетного топлива космического аппарата на луне, включающем получение тонкоизмельченного вулканизата из шин, получение металлического порошка из очищенного от вулканизата металлокорда, изготовление из лунных пород селитры или перхлората для твердого ракетного топлива, подачу полученного тонкоизмельченного вулканизата, металлического порошка и изготовленной селитры или перхлората в смесительный участок, их перемешивание и подачу полученной смеси в форму с получением шашки или полой цилиндрической секции твердого ракетного топлива, при этом тонкоизмельченный вулканизат из шин получают путем их замораживания на участке замораживания шин, размещенном в корытообразной впадине с пологоарочным навесом, дробления и тонкого измельчения на участке, расположенном в перекрытом куполообразным теплоизолированным покрытием приямке и включающем двустороннюю ударную дробильную установку с дробящими плитами, снаружи которых осесимметрично закреплены толкающие штоки встречно расположенных пневмоцилиндров, и двухроторный измельчитель, при этом замороженные шины подвешивают в ударной дробильной установке на гибкой связке осесимметрично между дробящими плитами, раздельно подают в подпоршневые объемы пневмоцилиндров водород и кислород при их стехиометрическом соотношении 5:1 с получением гремучего газа, взрывают его синхронными электроискровыми импульсами и под двусторонним ударным воздействием дробящих плит получают дробленый вулканизат, который подают в двухроторный измельчитель, где получают тонкоизмельченный вулканизат; металлический порошок получают из очищенного от вулканизата металлокорда путем подачи его на брикетирование и затем в огнеупорный тигль, размещенный в заглубленном приямке, перекрытом куполом с отверстием для свободного попадания солнечных лучей на зеркальный отражатель с регулируемым углом наклона и направления отраженных лучей на встречно расположенный зеркальный отражатель, связанный с первым жесткой тягой, обеспечивающей синхронное изменение углов наклона и фокусирование отраженных лучей на металлокордовом брикете для его разогрева, расплавления металлокордового брикета с использованием электронагневателя, размещенного на поверхности тигля, подачи полученного металлического расплава через щелевое отверстие в дне тигля на вращающийся ротор, отбрасывающий мелкодробимые капли расплава на встречно вращаемый ротор, сбрасывающий полученный мелкодисперсные капли расплава в ванну с охлаждающей водой или раствором щелочи, расположенную между роторами, с получением в ней закристаллизованного металлического порошка; селитру или перхлорат для твердого ракетного топлива изготавливают из лунных пород на участке, оснащенном цилиндрическим аппаратом со съемной светопрозрачной крышкой и коническим днищем, заглубленным в приямок и оснащенным внешним донным электронагревателем, теплоизолированным снаружи тонковолокнистой минеральной ватой и перекрытием приямка, и шарнирно закрепленным одним или двумя зеркальными отражателями с регулируемыми углами их наклона.

Не претендуя “на истину в последней инстанции” полагаю, что предложенный “Способ производства ракетных топлив” (далее по тексту “СПРТ”) отвечает современным требованиям и позволяет решить поставленные задачи с минимальными капзатратами и при минимизированной себестоимости производства ракетных топлив с использованием уникальных и благоприятных лунных условий, включающих “глубокий вакуум”, ночные температуры до 100°К и дневные до 400°К с широким применением “даровой” солнечной энергии на основных технологических пределах “СПРТ”, например, при получении металлопорошков, а также при плавлении и производстве селитры из лунных пород или перхлоратов, с переработкой изношенных авто и тракторных шин, раздельным получением тонкоизмельченного вулканизата и металлокорда и их использованием в качестве компонентов ТТРД при предварительном замораживании шин на лунном складе с использованием лунных криогенных температур и переводом вулканизата из упруговязкого в хрупкое состояние, за счет его “остеклования” до 50% и более (по технологическому регламенту) с последующим его хрупким дроблением и тонким измельчением при минимальных энергозатратах, а на заморозку шин на Земле расход жидкого азота до 1 кг на 1 кг вулканизата с остеклованием на 200°К до 15% (3, с.102) со стоимостью криогенных машин 1…5 миллионов долларов США и рыночной ценой вулканизата 3…5 тысяч долларов за 1 кг в измельченом виде, при высоком уровне удельных энергозатрат (1, с.30…45).

Поскольку в РФ уже “в полный рост” проблема “избавления от вредных веществ” для предотвращения экологических катастроф, а громадные запасы и свалки неутилизированных шин “растут быстрее грибов и даже гробов”, следует учитывать, что шины являются “минами замедленного действия” (1, с.25…30) и могут уже “в обозримом будущем” превзойти “Чернобыль” и отравить всякую жизнь как на суше, так и в водоемах, включая и океаны, а поэтому утилизация шин на Луне решает “двуединую задачу” при минимизированных капитальных и эксплуатационных затратах на ТТДР, которые несопоставимы с капвложениями и затратами в земных условиях.

Следует также признать, что на межпланетных полетах необходимо транспортировать и ТТРД на возвратные рейсы, а для производства ТТРД на Луне в качестве “попутного груза” можно транспортировать только изношенные шины в сплющенном виде, например, посредством гидроупаковщиков типа “ЭНКОРЭ” (1, с.68) для существенного уменьшения их габаритов и при использовании промежуточных стартов, с межпланетных станций на околоземных орбитах и оптимальных траекторий космических аппаратов, транспортные расходы будут минимальными, что позволит минимизировать себестоимость производства ТТРД на Луне с применением СПРТ.

С учетом того факта, что на лунных поверхностях накопились слои пыли толщиной до 10 метров (3, с.35), производственные автономные участки СПРТ надо рассосредотачивать с использованием естественных “складок местности”, например, “лунных кратеров” и центральным расположением ТЭЦ мощностью до 1 мегаватт, при максимальном использовании на участках солнечной энергии посредством ее концентрации с помощью зеркальных систем или солнечных батарей, а производственные и жилые помещения должны быть надежно теплоизолированы тонковолокнистой минватой или минераловатными матами плотностью до 100 кг/м³ с высокой теплостойкостью.

В соответствии с изложенными предпосылками и общей концепцией СПРТ, на фиг.1 показан участок замораживания сплющенных шин 1 с их одно- или многоярусным штабелированием, например, в корытообразной впадине 3 с защитой от пыли пологоарочным навесом с “зеркальным внешним покрытием”, например светоотражающей пленкой 2, и подачей шин 1 вильчатым аккумуляторным погрузчиком на участок дробления и тонкого измельчения (фиг.2), размещений в приямке 12 с арочным покрытием 9 и оснащенный ударной дробильной установкой 1, между жесткими дробящими и осесимметричными плитами которой осесимметрично и на гибкой подвеске размещается дробимая шина или связка сплющенных шин, а снаружи к плитам осесимметрично закреплены концы толкающих штоков ударных пневмоцилиндров, которые неподвижно и осесимметрично закреплены на опорной станине приемного бункера дробленого вулканизата, под щелевым отверстием которого размещен двухроторный измельчитель 7 с бункер-питатетелем 8, которым тонкоизмельченный вулканизат подается в норию 10, затем в транспортер шнековый 11 и последним на промежуточный склад или в смесительный участок (фиг.4), а дробильная установка заключена в герметично закрываемой камере с вытяжным зонтом 2 с отсасывающим вентилятором 3 и трубопроводом 4, подающим, например, пары воды в конденсатный бак 5, установленный над электролизером 6. Работает участок дробления и измельчения так: раздельной подачей из электролизера 6 водорода и кислорода в стехиометрическом их соотношении в подпоршневые объемы пневмоцилиндров дробильной установки 1; полученные порции гремучего газа одномоментно взрываются синхронными электроискровыми импульсами или порции других углеводородных топлив, с преобразованием энергии взрывных волн в мощную кинетическую энергию, передаваемую толкающими поршнями и штоками пневмоцилиндров дробящим плитам, которыми и наносятся мощные встречные и ударные воздействия вулканизату дробимых шин, падающему в приемный бункер, а очищенный от вулканизата металлокорд на гибкой связке подается на брикетирование или на склад. Мелкодробленый вулканизат через донное щелевое отверстие приемного бункера подается соосно в двухроторный измельчитель 7 и тонкоизмельченный вулканизат поступает в бункер-питатель 8, а затем норией 10 и шнековым транспортером 11 на склад.

Брикетированный металлокорд подается в участок металлургии (фиг.5), размещенный в приямке со ступенями 12, накрытом куполом 1 с центральным отверстием 2 для свободного удаления углекислого газа и попадания солнечных лучей, показанных стрелками, на зеркальный отражатель 5 с регулируемым углом наклона шарнирной телескопической опорой 6, а за счет жесткой тяги 4 встречно расположенный зеркальный отражатель 3 получает синхронное с отражателем 5 регулирование угла наклона с фокусированием солнечных лучей на брикете или алюминиевой заготовке 7 в огнеупорном тигле 8 с падением расплавленной струи металла через донное отверстие в тигле 8 на быстровращаемый ротор 10 малого диаметра, отбрасывающий брызги металла на встречно расположенный и вращаемый ротор 11 большого диаметра, которым мелко диспергируемые капли металла сбрасываются в ванну 13, например, с охлаждающей водой, расположенную между роторами 10 и 11, а мелкодисперсный металлопорошок подается на склад или в смесительный участок для существенного повышения реактивной тяги ТТРД. Технологические параметры техпроцесса получения металлопорошков (2, с.64), а для его реализации в ночные часы огнеупорный тигель 8 имеет внешний электронагреватель 9 с тонковолокнистой минераловатной теплоизоляцией и объемной крышкой.

Поскольку минералогический состав лунных пород обеспечивает получение различных селитр и перхлоратов на Луне (2, с.60…65), на фиг.5 показан участок их расплавления с последующей подачей в смесительный участок ТТДР и представлен цилиндрическим аппаратом 1 с полусферической прозрачной крышкой, например, из теплостойкого стеклопластика, с цилиндрическим корпусом 3 и коническим днищем 4, размещенным в приямке с его теплоизоляцией посредством перекрытия 12 с минераловатным утеплением, и шарнирным закреплением на нем зеркальных отражателей 8 с помощью телескопических опор 9, обеспечивающих регулирование их углов наклона с направлением солнечных лучей, показанных стрелками, на корпус 3 для разогревания указанных компонентов ТТРД и их плавлением в коническом днище, оснащенном электроиндукционным нагревателем 6 с его теплоизоляцией тонковолокнистой минватой 5 с подачей электротока от центральной ТЭЦ мощностью до 50 кВт и выдачей расплава через донный патрубок центробежным насосом 10 в смесительный участок на фиг.4, оснащенный транспортирующим шнеком 1 с электроприводом 2, смонтированных на бункер-питателе 4 тонкоизмельченого вулканизата, имеющим, например, плоский шибер для регулируемой подачи его в трехшнековый смеситель 7 (Патент РФ №2115551 от 19.11.97) при синхронной подаче в его корпус 14 патрубком 6 расплавленных (жидких) компонентов с заданным их соотношением по техрегламенту и оснащением смесителя 7 электроприводом 8 с трансмиссионной передачей 9 вращения на ведомый шкив 10 и на пару встречно вращаемых шестерен 17 двух параллельных верхних шнеков 12 и на ведомую шестерню 11 донного шнека 13, а корпус 14 имеет электрообогреватель 16 с внешней теплоизоляцией 15 из тонковолокнистой минваты с подачей гомогенной смеси компонентов ТТРД донным шнеком 13 через патрубок 18 в форму 20 с дном 21 для получения шашек, а при оснащении формы осесимметричным пуансоном 19 полых цилиндрических секций ТТРД с их подачей из помещения смесительного участка 24 в смежный или отдельно стоящий многоярусный склад готовой продукции 23 с арочным тепло- и светоизолированным покрытием.

Поскольку расчет экономической эффективности представляет пока еще слишком “многофакторную задачу” и скорее всего “преждевременный”, полагаемся на компетентность государственных экспертов ФИПС, которая сможет объективно оценить все преимущества производства ТТРД с использованием уникально благоприятных лунных природных и климатических условий, включая наличие естественных криогенных температур, позволяющих успешно решать “двуединую задачу” утилизации шин с получением топливного компонента ТТРД и других с использованием лунных минералов при возможности использования “бесплатной” солнечной энергии с минимумом энергозатрат.

Список литературы

1. Шевченко В.В. Лунная база – проект XXI века, Итоги науки и техники, сер. Исследование космического пространства, том 30, М, ВИНИТИ, 1989, с.1-107.

2. Ракетостроение, т.3, М., 1997 г.

3. Кулинич Д.Д. Слово о ракетном топливе, М, 1989.

Формула изобретения

Способ производства твердого ракетного топлива космического аппарата на луне, включающий получение тонкоизмельченного вулканизата из шин, получение металлического порошка из очищенного от вулканизата металлокорда, изготовление из лунных пород селитры или перхлората для твердого ракетного топлива, подачу полученного тонкоизмельченного вулканизата, металлического порошка и изготовленной селитры или перхлората в смесительный участок, их перемешивание и подачу полученной смеси в форму с получением шашки или полой цилиндрической секции твердого ракетного топлива, при этом тонкоизмельченный вулканизат из шин получают путем их замораживания на участке замораживания шин, размещенном в корытообразной впадине с пологоарочным навесом, дробления и тонкого измельчения на участке, расположенном в перекрытом куполообразным теплоизолированным покрытием приямке и включающем двустороннюю ударную дробильную установку с дробящими плитами, снаружи которых осесимметрично закреплены толкающие штоки встречно расположенных пневмоцилиндров, и двухроторный измельчитель, при этом замороженные шины подвешивают в ударной дробильной установке на гибкой связке осесимметрично между дробящими плитами, раздельно подают в подпоршневые объемы пневмоцилиндров водород и кислород при их стехиометрическом соотношении 5:1 с получением гремучего газа, взрывают его синхронными электроискровыми импульсами и под двусторонним ударным воздействием дробящих плит получают дробленый вулканизат, который подают в двухроторный измельчитель, где получают тонкоизмельченный вулканизат; металлический порошок получают из очищенного от вулканизата металлокорда путем подачи его на брикетирование и затем в огнеупорный тигль, размещенный в заглубленном приямке, перекрытом куполом с отверстием для свободного попадания солнечных лучей на зеркальный отражатель с регулируемым углом наклона и направления отраженных лучей на встречно расположенный зеркальный отражатель, связанный с первым жесткой тягой, обеспечивающей синхронное изменение углов наклона и фокусирование отраженных лучей на металлокордовом брикете для его разогрева, расплавления металлокордового брикета с использованием электронагневателя, размещенного на поверхности тигля, подачи полученного металлического расплава через щелевое отверстие в дне тигля на вращающийся ротор, отбрасывающий мелкодробимые капли расплава на встречно вращаемый ротор, сбрасывающий полученный мелкодисперсные капли расплава в ванну с охлаждающей водой или раствором щелочи, расположенную между роторами, с получением в ней закристаллизованного металлического порошка; селитру или перхлорат для твердого ракетного топлива изготавливают из лунных пород на участке, оснащенном цилиндрическим аппаратом со съемной светопрозрачной крышкой и коническим днищем, заглубленным в приямок и оснащенным внешним донным электронагревателем, теплоизолированным снаружи тонковолокнистой минеральной ватой и перекрытием приямка, и шарнирно закрепленным одним или двумя зеркальными отражателями с регулируемыми углами их наклона.

РИСУНКИ