DE19902231B4

DE19902231B4 - Passivation of liquids in space

Info

Publication number: DE19902231B4
Application number: DE19902231A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. Schwarting
Original assignee: EADS Space Transportation GmbH
Current assignee: ArianeGroup GmbH
Priority date: 1999-01-21
Filing date: 1999-01-21
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2019-01-22
Also published as: DE19902231A1

Abstract

Verfahren zur Ableitung von Flüssigkeiten aus einem Raumflugkörper in den Weltraum, bei dem die Flüssigkeit aus dem flüssigen in den dampfförmigen Zustand überführt und anschließend in Dampfform an den Weltraum abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfung der Flüssigkeit mittels Membranpervaporation erfolgt, wobei über eine Wärmequelle, die auf der katalytischen Zersetzung von Hydrazin basiert, zusätzliche Verdampfungswärme zugeführt wird.method for draining liquids from a spacecraft into space where the liquid from the liquid in the vaporous Condition transferred and subsequently is released in vapor form to space, characterized in that the evaporation the liquid by means of membrane perforation, using a heat source based on the catalytic Decomposition of hydrazine based, additional heat of vaporization is supplied.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ableitung von Flüssigkeiten aus einem Raumflugkörper in den Weltraum, bei dem die Flüssigkeit aus dem flüssigen in den dampfförmigen Zustand überführt und anschließend in Dampfform an den Weltraum abgegeben wird. Ferner betrifft sie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The The invention relates to a method for draining liquids from a spacecraft into space where the liquid from the liquid in the vaporous Condition transferred and then in Vapor form is released into space. It also affects one Implementation device of such a process.

Raketenstufen müssen nach Beendigung ihrer Mission passiviert werden, das heißt, es muß eine vollständige Entleerung der Treibstofftanks, die üblicherweise Hydrazin oder Hydrazin-Derivate enthalten, erfolgen. Dieses ist unter anderem wichtig, um das Risiko einer Explosion, ausgelöst beispielsweise durch einen Meteoriteneinschlag, auszuschließen. Im Falle einer solchen Explosion würden kleine, nicht mehr zu kontrollierende Schrottpartikel freigesetzt und möglicherweise wieder in eine stabile Umlaufbahn zurückgeführt werden, und zwar auch dann, wenn sich der Flugkörper bzw. die Raketenstufe selbst bereits auf einer Wiedereintrittsbahn zur Erde befunden haben sollte. Partikel jeglicher Art aber sind grundsätzlich schon allein deshalb zu vermeiden, weil durch sie bei wiederkehrenden Orbitalbahnen eine ständige Kollisionsgefahr gegeben ist.rocket stages have to passivated upon completion of their mission, that is, they must be completely drained of the fuel tanks, which are usually Contain hydrazine or hydrazine derivatives. This is Among other things, important to the risk of an explosion caused by, for example to exclude a meteor impact. In the case of one Explosion released small, no longer controllable scrap particles and possibly be returned to a stable orbit, even if the missile or the rocket stage itself is already on a reentry path should have been to earth But particles of any kind are fundamentally beautiful to be avoided simply because by recurring them Orbital orbits a constant There is a risk of collision.

Üblicherweise erfolgte die Passivierung durch einfaches Versprühen oder Ablassen der Treibstoffrestmengen in das umgebende Vakuum des Weltraums. Dies führte generell zu mehr oder weniger großen und entsprechend langlebigen Partikeln von Treibstoff-Eis. Für wiederkehrende Orbitalbahnen, wie sie beispielsweise vom Space-Shuttle oder auch von der geplanten zukünftigen internationalen Raumstation ISS genutzt werden, wurde deshalb aus Sicherheitsgründen vorgeschlagen, Partikelgrößen von höchstens 10 Mikrometern zuzulassen, wobei diese Partikel eine maximale Lebensdauer von bis zu einem Jahr aufweisen dürfen. Bei dem derzeit angewandten Standardverfahren für die Passivierung von zur Erde zurückkehrenden Flugkörpern, insbesondere ausgebrannten Raketenstufen, werden daher unter Ausnutzung des Effektes der Verdampfungskühlung Treibstoff-Eispartikel mit Größen von einigen zehn bis hundert Mikrometern gebildet. Die Lebensdauer dieser Partikel hängt von ihrer Größe sowie der Intensität und Dauer der Sonneneinstrahlung ab.Usually the passivation was carried out by simply spraying or draining the remaining fuel into the surrounding vacuum of space. This generally resulted in more or less great and correspondingly long-lasting particles of fuel ice. For recurring Orbital orbits, such as those from the space shuttle or from the planned future international space station ISS was therefore used security suggested particle sizes of at the most Allow 10 microns, these particles have a maximum lifespan of up to one year. With the currently applied Standard procedure for the passivation of missiles returning to earth, in particular burned-out rocket stages are therefore taking advantage of the effect evaporative cooling Fuel ice particles with sizes of a few tens to hundreds of micrometers. The lifespan of this Particle hangs of their size as well the intensity and duration of sun exposure.

Auf der anderen Seite sind bereits verfahren bekannt, die der Abgabe von Abfallwärme an die Umgebung dienen und bei denen mittels einer Verdampfereinheit diese Abfallwärme über den Wärmeentzug durch Verdampfungsenthalpie an den Weltraum abgegeben wird. So ist aus der DE 38 10 128 C1 ein verfahren der eingangs genannten Art bekannt geworden, bei dem nach Art eines Kühlsystems so lange Wärme abgeführt wird, wie ein Vorrat eines verdampfbaren Mediums zur Verfügung steht, und bei dem die vorhandene Wärmemenge darüber entscheidet, welche Menge an Flüssigkeit verdampft wird. Daneben ist aus der DE 25 06 489 B2 ein selbstentleerender Flüssigkeitsbehälter für Raumfahrzeuge bekannt geworden, der nach dem Prinzip der Kapillar-Kondensation arbeitet. Bei diesem bekannten Verfahren handelt es sich um ein System zur Abscheidung von Flüssigkeiten aus Dämpfen und somit nicht um einen Verdampfungsvorgang.On the other hand, processes are already known which serve to give off waste heat to the environment and in which, by means of an evaporator unit, this waste heat is released to space by means of heat removal by enthalpy of vaporization. So is from the DE 38 10 128 C1 a method of the type mentioned has become known, in which heat is dissipated in the manner of a cooling system for as long as a supply of an evaporable medium is available, and in which the amount of heat available decides what amount of liquid is evaporated. Next to it is from the DE 25 06 489 B2 a self-draining liquid container for spacecraft has become known, which works on the principle of capillary condensation. This known method is a system for separating liquids from vapors and therefore not an evaporation process.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß es eine rasche und vollständige Entleerung von Tanks, insbesondere von Treibstofftanks, ermöglicht und daß dabei jede Gefährdung anderer Raumflugkörper durch freigesetzte Treibstoff- oder sonstige Flüssigkeits-Eispartikel ausgeschlossen ist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.task the invention is a method of the type mentioned above train that there is a quick and complete Emptying of tanks, especially fuel tanks, enables and that any threat other spacecraft through Released fuel or other liquid ice particles excluded is. Furthermore, it is an object of the invention to provide a device for execution to provide such a method.

Die Erfindung löst die erste Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Lösung der weiteren Aufgabe erfolgt durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3.The Invention solves the first task by a method with the features of the claim 1. The solution the further task is carried out by a device with the features of claim 3.

Bei dem verfahren nach der Erfindung wird jedes von Eispartikeln ausgehende Risiko zuverlässig allein dadurch ausgeschlossen, daß ein Entstehen derartiger Partikel von vornherein vermieden wird. Dies geschieht, indem die Freisetzung von Treibstoffen oder auch von anderen Flüssigkeiten, wie beispielsweise Wasser aus einer Verdampfungskühlung oder aus Abfällen, in kontrollierter Weise mittels Pervaporation über eine Membran erfolgt. Da zugleich über eine Wärmequelle zusätzliche Verdampfungswärme zugeführt wird, wird stets eine hinreichende Wärmemenge bereitgestellt, um die Tanks vor einem beginnenden Einfrieren zuverlässig und vollständig entleeren zu können.at the method according to the invention is based on ice particles Risk reliable excluded only in that an emergence of such Particle is avoided from the outset. This is done by the Release of fuels or other liquids, such as for example water from evaporative cooling or from waste, in in a controlled manner by means of pervaporation over a membrane. There at the same time about a source of heat additional Heat of vaporization supplied a sufficient amount of heat is always provided to Empty the tanks reliably and completely before freezing begins to be able to.

Die zur Verdampfung größerer Flüssigkeitsmengen benötigte Verdampfungswärme wird dabei mittels eines thermisch geregelten Prozesses bereitgestellt. Es erfolgt die Wärmeerzeugung durch die Zersetzung von Hydrazin über einen geeigneten Katalysator. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Hydrazintank entleert werden soll. In diesem Fall steht, so lange noch Hydrazin zur Verdampfung im Tank vorhanden ist, auch die erforderliche Wärmemenge durch die katalytische Zersetzung bereit. Danach ist der Tank passiviert, d.h. er ist entleert und sogar evakuiert und ist somit auch nicht mehr explosionsgefährdet. Die gemäß der Erfindung über eine mikroporöse Membran verlaufende Verdampfung erzeugt lediglich Dampfpartikel, deren Größe in etwa mit der Größenordnung der Membranporen korreliert ist.The heat of vaporization required to evaporate larger quantities of liquid is provided by means of a thermally controlled process. The heat is generated by the decomposition of hydrazine over a suitable catalyst. This is particularly advantageous if a hydrazine tank is to be emptied. In this case, as long as hydrazine is still available for evaporation in the tank, the required amount of heat is available due to the catalytic decomposition. The tank is then passivated, ie it is emptied and even evacuated and is therefore no longer at risk of explosion. The evaporation running according to the invention over a microporous membrane fung only generates vapor particles whose size is roughly correlated with the size of the membrane pores.

Der Werkstoff der für die Verdampfung eingesetzten Membranen ist dabei jeweils der zu verdampfenden Flüssigkeit in der weise angepaßt, daß ein Kontaktwinkel bei der Benetzung eingehalten wird. Die Membranfläche mit ihrer Porengrößenverteilung und Porendichte entscheidet in Verbindung mit dem bestehenden Druckgefälle beiderseits der Membran über die pro Zeiteinheit in den Weltraum abgegebene Dampfmenge.Of the Material for the evaporation of the membranes used is in each case too evaporating liquid adapted in the way the existence Contact angle is observed when wetting. The membrane surface with their pore size distribution and pore density decides in connection with the existing pressure drop on both sides the membrane over the amount of steam emitted into space per unit of time.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die Figur zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Pervaporations-Passivierungsvorrichtung für Flüssigkeiten im Weltraum. Diese Vorrichtung besteht aus einem zylindrischen, mit Dampfaustrittsöffnungen versehenen Gehäuse 1, in dem ein Katalysatorbett 2 angeordnet ist, das von einer ebenfalls zylindrischen Pervaporationsmembran 3 umgeben ist. An jeder der beiden Stirnseiten des Gehäuses 1 bzw. des von der Membran 3 gebildeten Innenzylinders ist ein Einlaßventil 4, 5 für die zu passivierende Flüssigkeit, im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels Hydrazin (N₂H₄) , vorgesehen.The invention will be explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment shown in the drawing. The figure shows the basic structure of a pervaporation passivation device for liquids in space. This device consists of a cylindrical housing provided with steam outlet openings 1 in which a catalyst bed 2 is arranged, which is also cylindrical pervaporation membrane 3 is surrounded. On each of the two end faces of the housing 1 or that of the membrane 3 formed inner cylinder is an inlet valve 4 . 5 for the liquid to be passivated, in the case of the exemplary embodiment described here, hydrazine (N ₂ H ₄ ).

Für die Verdampfung des Hydrazins oder auch beliebiger anderer mitgeführter Flüssigkeiten wird eine entsprechende Menge an Verdampfungsenergie benötigt. Diese wird zunächst der zurückbleibenden Flüssigkeit entzogen, welche sich daraufhin bis zum Erreichen ihres Gefrierpunktes abkühlt. Die entnommene Wärmemenge entstammt dabei der Wärmekapazität der Flüssigkeit bzw. nach Erreichen des Gefrierpunktes und, bei isothermem Verlauf, aus der Erstarrungswärme. Danach, bei weiterer Abkühlung des sich bildenden Eises, entstammt sie aus dessen Wärmekapazität. Die auf diese Weise insgesamt verfügbare Wärmemenge entscheidet über die maximal zu verdampfende Menge an Flüssigkeit.For the evaporation of hydrazine or any other liquids carried along a corresponding amount of evaporation energy is required. This will first the remaining liquid withdrawn, which then until their freezing point is reached cools. The amount of heat removed comes from the heat capacity of the liquid or after reaching freezing point and, if the course is isothermal, from the heat of solidification. Then, with further cooling of the ice that forms, it comes from its heat capacity. The on this way overall available heat decides on the maximum amount of liquid to be evaporated.

Im Falle der Verdampfung von Hydrazin sind nur etwa vier Prozent aus der Flüssigkeit verdampfbar, wenn die entsprechende Verdampfungsenergie der Wärmekapazität der Flüssigkeit zwischen 20°C und ihrem Erstarrungspunkt bei 1,4°C entnommen wird. Deshalb ist vorgesehen, daß über eine Wärmequelle zusätzliche Verdampfungswärme zugeführt wird. Bei dem Hypergol-Treibstoff Hydrazin wird diese Wärme dadurch erzeugt, daß das Hydrazin in einer exothermen Reaktion auf einem Katalysator aus Edelmetall unter Freisetzung von Wärme zu Ammoniak, Wasserstoff und Stickstoff umgesetzt wird. Die Hydrazinverdampfung muß in einem Temperaturbereich durchgeführt werden, in dem nicht das Risiko einer thermischen Zersetzung des Hydrazins besteht, deshalb muß sie unterhalb von etwa 60 bis 70°C erfolgen.in the In case of vaporization of hydrazine, only about four percent are off the liquid vaporizable if the corresponding vaporization energy is the heat capacity of the liquid between 20 ° C and its freezing point at 1.4 ° C is removed. Therefore it is provided that additional heat sources Heat of vaporization is fed. With the hypergol fuel hydrazine, this heat becomes produces that Hydrazine in an exothermic reaction on a catalyst made of precious metal releasing heat is converted to ammonia, hydrogen and nitrogen. The hydrazine evaporation must in performed in a temperature range in which there is no risk of thermal decomposition of the Hydrazine exists, so it must below about 60 to 70 ° C respectively.

Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine Wärmequelle verwendet, die auf der katalytischen Zersetzung von Hydrazin basiert und die mit einer automatischen Temperaturregelung versehen ist, durch die die Temperatur unterhalb eines Maximums von etwa 60°C gehalten wird. Sinkt die Temperatur auf einen Wert, der wesentlich unterhalb von 60°C liegt, so wird das in der Figur obere, als Pyroventil ausgebildete Ventil 4 geöffnet und es wird über eine mit dem Treibstofftank verbundene Leitung Hydrazin auf das Katalysatorbett 2 des Membranverdampfers gefördert. Die insgesamt einströmende Hydrazinmenge wird dabei über einen Durchflußbegrenzer reguliert. Auf der Verdampferseite befindliches Hydrazin wird nunmehr über die Pervaporations-Membran 3 in das Vakuum der Umgebung hinein verdampft. Dabei kühlt sich die vorhandene Flüssigkeitsmenge entsprechend der Verdampfungsmenge ab.In the exemplary embodiment described here, a heat source is used which is based on the catalytic decomposition of hydrazine and which is provided with an automatic temperature control, by means of which the temperature is kept below a maximum of approximately 60 ° C. If the temperature drops to a value which is substantially below 60 ° C, the valve in the upper part, designed as a pyrovalve, becomes 4 opened and it is via a line connected to the fuel tank hydrazine on the catalyst bed 2 the membrane evaporator promoted. The total inflowing amount of hydrazine is regulated via a flow limiter. Hydrazine on the evaporator side is now over the pervaporation membrane 3 evaporates into the surrounding vacuum. The amount of liquid present cools down in accordance with the amount of evaporation.

Unterhalb von etwa 10°C fällt der Dampfdruck des Hydrazins stark ab, zugleich droht die Gefahr einer Vereisung. Deshalb stoppt nunmehr ein thermomechanisches Ventil 5 die weitere Hydrazinzufuhr. Da das System sich unterhalb der vorgegebenen Betriebstemperatur von etwa 60°C befindet, hat gleichzeitig mit der Hydrazin-Einspeisung die Wärmequelle ihren Betrieb aufgenommen und stellt bis zum Erreichen der Maximaltemperatur von etwa 60°C Wärme für die weitere Verdampfung des Hydrazins bereit. Dann drosselt das als thermomechanisches Ventil ausgebildete Ventil 5 die Zufuhr des Hydrazins bzw. stellt diese vollständig ab.Below about 10 ° C the vapor pressure of the hydrazine drops sharply, at the same time there is a risk of icing. Therefore, a thermomechanical valve now stops 5 the further hydrazine supply. Since the system is below the specified operating temperature of around 60 ° C, the heat source started operating simultaneously with the hydrazine feed and provides heat for further vaporization of the hydrazine until the maximum temperature of around 60 ° C is reached. Then the valve, designed as a thermomechanical valve, throttles 5 the supply of the hydrazine or completely shuts it off.

Das gesamte Verdampfungssystem befindet sich somit in einem temperaturabhängigen Verdampfungsintervall zwischen 10°C und 60°C. In diesem Bereich ist eine quasi-kontinuierliche Verdampfung gewährleistet, die so lange fortdauert, bis das Tanksystem entleert ist und das Vakuum des Weltraums Zugriff auf das Innere des Treibstoffsystems erhält. Aus der noch vorhandenen Restwärmekapazität des Flugkörpers bzw. der Raketenstufe ist dann noch die weitere Verdampfung von Restmengen möglich.The entire evaporation system is thus in a temperature-dependent evaporation interval between 10 ° C and 60 ° C. Quasi-continuous evaporation is ensured in this area, that continues until the tank system is empty and that Vacuum of space access to the interior of the fuel system receives. Out the remaining heat capacity of the missile or the rocket stage is the further evaporation of residual amounts possible.

Claims

Method for discharging liquids from a spacecraft into space, in which the liquid is converted from the liquid to the vapor state and then released into space in vapor form, characterized in that the evaporation of the liquid takes place by means of membrane perforation, using a heat source , which is based on the catalytic decomposition of hydrazine, additional heat of vaporization me is fed.

Method according to claim 1, characterized in that by means of a thermomechanically controlled valve ( 4 ) the temperature is kept below a maximum of about 60 ° C by stopping the supply of hydrazine.

Device for carrying out the method according to one of claims 1 to 2, consisting of a housing provided with outlet openings for the steam and an interior space arranged therein, into which the liquid to be evaporated can be introduced via a controllable valve, characterized in that the interior space ( 2 ) from a membrane ( 3 ) is enclosed.

Device according to claim 3 for the discharge of hydrazine (N ₂ H ₄ ), characterized in that the interior ( 2 ) is formed by a catalyst bed for the thermal decomposition of the hydrazine.

Device according to claim 4, characterized in that a temperature-dependent control ( 4 . 5 ) the hydrazine supply is provided, by means of which the arrangement can be operated in an evaporation interval between 10 ° C and 60 ° C.