專利名稱:三原子氫的就地生產(chǎn)、穩(wěn)定和濃縮的制作方法
對相關(guān)申請的交叉參考本申請是由John M.Humphrey等于2004年11月15日提交的名稱為“三原子氫的就地生產(chǎn)、穩(wěn)定和濃縮(IN-SITU TRI-ATOMIC HYDROGENPRODUCTION，STABILIZATION AND CONCENTRATION)”，序列號為No.10/988,655的美國專利申請的部分繼續(xù)申請。
發(fā)明背景(1)發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種用于高比沖量火箭和吸氣式推進(jìn)系統(tǒng)的三原子氫的生產(chǎn)、穩(wěn)定和濃縮的系統(tǒng)和方法。
(2)現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟(jì)的空間探索要求比沖量的實質(zhì)性的提高，因為作為空間經(jīng)濟(jì)探索的關(guān)鍵，單級任務(wù)依賴于LOX/LH2推進(jìn)系統(tǒng)的容量。圖1和圖2示出了系列比沖量值的可達(dá)到的有效載荷(payload)分?jǐn)?shù)和需要的理想δV之間的關(guān)系，并與多項重要任務(wù)的需求相比較。圖1使用了0.1的結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)((非有效載荷結(jié)構(gòu)的重量和殘余推進(jìn)劑重量)/有用推進(jìn)劑重量)，所述結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)0.1被認(rèn)為在所列任務(wù)中是可以達(dá)到的，且圖2使用了結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)0.2，所述結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)0.2被認(rèn)為對于可回收的單級地球到低地球軌道(LEO)任務(wù)更具現(xiàn)實性。
在研究所使用的任務(wù)參數(shù)中，使用比沖量為460秒以及結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)為0.1的LOX/LH2的單級火箭，對于地球同步衛(wèi)星放置和回收，達(dá)到約6％的有效載荷分?jǐn)?shù)，對于可消耗的LEO或可回收的LEO到月球軌道航天飛機，達(dá)到約3％的有效載荷分?jǐn)?shù)。這樣的LOX/LH2火箭無法達(dá)到對于可回收的橫穿火星的送入軌道任務(wù)來說任何有用的有效載荷。然而，比沖量從460秒增加到600秒，上述任務(wù)中的有效載荷分?jǐn)?shù)從6％/3％/0％分別增加到15％/10％/3％，比沖量增加到900秒，有效載荷分?jǐn)?shù)增加到相當(dāng)可觀的30％/26％/18％。如圖2所示，對于作為所有更加深遠(yuǎn)空間任務(wù)基礎(chǔ)的可回收單級到軌道任務(wù)來說，LOX/LH2遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到有用的有效載荷。然而從750秒到900秒的比沖量值可以達(dá)到12％和20％之間的有效載荷分?jǐn)?shù)。
原子氫多年來就是火箭推進(jìn)劑化學(xué)家的虛幻目標(biāo)。原子氫具有高于2000秒的理論比沖量，但是在原子氫的生產(chǎn)和儲存上的挑戰(zhàn)還有待解決。三原子氫提供了一種達(dá)到相當(dāng)大的原子氫性能改進(jìn)優(yōu)勢的潛在途徑。依靠第三個氫原子的結(jié)合能，三原子氫釋放的能量釋放最多可以為原子氫能量釋放的1/3。然而，由于比沖量與T/M(推進(jìn)氣體滯流溫度/分子量)的平方根成比例，因此三原子氫應(yīng)當(dāng)具有1000秒左右的比沖量潛力。
經(jīng)濟(jì)的空間探索要求比沖量至少為600秒、更多要求750秒或以上的高推力推進(jìn)系統(tǒng)的本發(fā)明和商業(yè)化。三原子氫提供了在這個范圍內(nèi)的潛比沖量，并將給人類空間探索帶來巨大突破。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的目的是提供一種三原子氫的生產(chǎn)、穩(wěn)定和濃縮的系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種三原子氫的生產(chǎn)、穩(wěn)定和濃縮的方法。
上述目的通過本發(fā)明的系統(tǒng)和方法獲得。
根據(jù)本發(fā)明，一種三原子氫的生產(chǎn)、穩(wěn)定和濃縮的系統(tǒng)大致包括仲氫(所述仲氫具有方向相反的質(zhì)子自旋)形式的液態(tài)氫源，將仲氫和全部具有同樣質(zhì)子自旋的第三氫原子結(jié)合以形成全部具有同樣凈磁性取向的H3的裝置，以及利用連續(xù)磁場保持磁性取向的裝置。
進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明，一種三原子氫的生產(chǎn)、穩(wěn)定和濃縮的方法大致包括步驟提供一種仲氫(所述仲氫具有方向相反的質(zhì)子自旋)形式的液態(tài)氫源，將仲氫和全部具有同樣質(zhì)子自旋的第三氫原子結(jié)合以形成全部具有同樣凈磁性取向的H3，以及利用連續(xù)磁場保持磁性取向。
三原子氫的就地生產(chǎn)、穩(wěn)定和濃縮的系統(tǒng)和方法的其它細(xì)節(jié)及其所附的其它目的和優(yōu)點在下面的詳細(xì)描述和附圖中進(jìn)行闡述，在其中相似的引用數(shù)字表示相似的元件。



圖1為結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)為0.1時的δV與有效載荷分?jǐn)?shù)和Isp之間的關(guān)系曲線；圖2為結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)為0.2時的δV與有效載荷分?jǐn)?shù)和Isp之間的關(guān)系曲線；圖3為三原子氫的生產(chǎn)、穩(wěn)定和濃縮的系統(tǒng)的示意圖。
優(yōu)選實施方案詳述本發(fā)明涉及一種用于高比沖量火箭和空氣吸氣式推進(jìn)系統(tǒng)的三原子氫的生產(chǎn)、穩(wěn)定和濃縮的系統(tǒng)和方法，以及一種由所述方法和系統(tǒng)生產(chǎn)的推進(jìn)劑。
圖3示出了生產(chǎn)、穩(wěn)定和濃縮三原子氫的系統(tǒng)10。系統(tǒng)10包括液態(tài)氫罐12，所述液態(tài)氫以液態(tài)形式被保存足夠長時間以使得氫分子轉(zhuǎn)變?yōu)槠鋬蓚€氫原子的質(zhì)子自旋方向相反的仲氫。泵14使液態(tài)氫通過管道系統(tǒng)或流動系統(tǒng)循環(huán)到并通過旋轉(zhuǎn)罐16。盡管渦流分離更為普遍，但本發(fā)明使用離心分離方法使得分離過程中的與磁場相關(guān)的流動中斷減到最少。徑向加速度等于半徑乘以(轉(zhuǎn)動速度(弧度/秒))2。
旋轉(zhuǎn)罐16優(yōu)選具有多個擋板18以延長液態(tài)氫通過旋轉(zhuǎn)罐16的傳輸時間，并且更重要的是，迫使液態(tài)氫在通過旋轉(zhuǎn)罐16的通道上的流動偏離中線。旋轉(zhuǎn)罐16的設(shè)計，如尺寸和自旋速度，依賴于H2和H3的密度差別。因為兩種液體間的顯著密度差別，旋轉(zhuǎn)罐16因而能提供液態(tài)三原子氫和雙原子氫的離心分離。因為三原子氫密度更大，故其能在外圍被提取?？墒褂帽绢I(lǐng)域任何公知的適合方法旋轉(zhuǎn)罐16。
氣態(tài)氫流20在進(jìn)入非均勻磁流場24前，通過射頻電場離解器如射頻振蕩器中的電弧22。有時優(yōu)選使用射頻振蕩器進(jìn)行氣體離解和電離，因為這種方法不會從任何電極引入材料。然而，在某些情況下，振蕩射頻電場會干擾流動分離磁場。在這些情況下，優(yōu)選的方法可以是簡單的放電。所用的電壓應(yīng)當(dāng)高到足以使氫電離和離解，以使得磁場能選擇質(zhì)子自旋。
電弧22既離解氫分子也使單獨的氫原子電離。非均勻磁流場24通過氫原子的質(zhì)子自旋來分離電離的和離解的氫原子。
相似自旋質(zhì)子的第一氫流26因而產(chǎn)生，然后通過通道27被注入液態(tài)氫流中。相反自旋質(zhì)子的第二氫流28通過出口30被簡單地排出。如圖3所示，質(zhì)子的自旋方向可以用從通道27到旋轉(zhuǎn)罐16的連續(xù)磁場保持。在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方案中，連續(xù)磁場可由通過環(huán)繞液態(tài)氫管道的低溫冷卻電線圈的直流電流或等效的方法產(chǎn)生。由通過環(huán)繞該管道的線圈的直流電流產(chǎn)生的磁場產(chǎn)生了連續(xù)的磁場來保持三原子氫離子的方向。如果需要，也可以使用其它方法。
使氫離子分散并進(jìn)入液態(tài)氫流的目的是通過與氫分子的碰撞來冷卻氫離子，然后促進(jìn)氫離子與液態(tài)氫分子聯(lián)合而形成H3+。注入的H+和新形成的H3+離子本身的排斥力阻礙了這一冷卻過程中相似離子的相互作用。
注入點(通道27)的下游，液態(tài)氫流經(jīng)過帶負(fù)電荷的柵極32。帶負(fù)電荷的柵極32被置于離H+注入點(通道27)的下游足夠遠(yuǎn)離以允許H3+離子與液態(tài)H2達(dá)到熱平衡。帶負(fù)電荷的柵極32的目的是將H3+離子轉(zhuǎn)變?yōu)樵诹黧w的低溫溫度下穩(wěn)定的液態(tài)H3分子。
本發(fā)明的一個關(guān)鍵特征在于使用仲氫與全部具有同樣的質(zhì)子自旋方向的第三氫原子結(jié)合形成全部具有同樣凈磁性取向的液態(tài)H3分子，所述凈磁性取向的方向通過連續(xù)磁場來保持。由于由此產(chǎn)生的液態(tài)H3分子全部由兩個具有相反自旋方向的氫原子(即仲氫)和全部具有由磁場保持的同樣自旋方向的一個氫原子組成，因此，所得到的液態(tài)H3分子應(yīng)當(dāng)磁性相斥，并因此比具有無規(guī)取向磁矩的H3分子的混合物更穩(wěn)定。本發(fā)明的方法用于生產(chǎn)H3分子，所述H3分子在液態(tài)氫溫度下具有長期穩(wěn)定性，被用作火箭單推進(jìn)劑或者用作火箭或空氣吸氣式推進(jìn)應(yīng)用中的放熱燃料。
旋轉(zhuǎn)罐16基于兩種液體濃度的差別從液態(tài)H2中濃縮出液態(tài)H3。這是因為旋轉(zhuǎn)罐16擔(dān)當(dāng)了一種離心分離機的作用。濃縮的H3從旋轉(zhuǎn)罐16的外圍被逐漸排出從而被提取并被存儲在儲液罐34中以用作推進(jìn)劑。儲液罐34優(yōu)選其周圍還具有連續(xù)的磁場。連續(xù)磁場可以通過將線圈36環(huán)繞儲液罐34并保持直流電流通過線圈36來產(chǎn)生，使得分子以其第三原子自旋方向排列，從而使得H3保持長時間的穩(wěn)定性。降低存儲溫度能進(jìn)一步提高長期H3穩(wěn)定性。
液態(tài)氫(H2)在溫度約20K左右沸騰。保持H3的溫度接近OK可理想地增長其半衰期，并直接地支持了H3分子的普通第三質(zhì)子自旋結(jié)構(gòu)和磁場的保持。與用于生產(chǎn)液態(tài)氫相同的冷卻系統(tǒng)可被用于保持所需要的溫度。
熱分解是將液態(tài)H3用作推進(jìn)劑的基準(zhǔn)方法。當(dāng)被用作火箭的單推進(jìn)劑時，液態(tài)H3可被注入熱壓室內(nèi)，在該室中，H3分子的分解和H2分子的重組將產(chǎn)生一股低分子量排出產(chǎn)物的熱流。當(dāng)被用在高性能空氣吸氣式應(yīng)用中時，如沖壓式噴氣發(fā)動機和超音速燃燒沖壓噴氣發(fā)動機中，H3分子分解為H2+H和熱H原子與空氣的快速燃燒在目前難以達(dá)到的條件下有利于更高的比沖量和持久燃燒。
本發(fā)明提供了一種方法和系統(tǒng)，通過生產(chǎn)、濃縮、儲存以及最終推進(jìn)分解三原子氫來應(yīng)對用于空間推進(jìn)器和高性能空氣吸氣式推進(jìn)器應(yīng)用的更高比沖量推進(jìn)劑的需求。
權(quán)利要求
1.一種用于生產(chǎn)、穩(wěn)定和濃縮三原子氫的系統(tǒng)，包括仲氫形式的液態(tài)氫源；將所述仲氫和每個原子都具有同樣質(zhì)子自旋的第三氫原子結(jié)合以形成全部具有相同凈磁性取向的液態(tài)H3分子的裝置；以及利用連續(xù)磁場來保持所述液態(tài)H3分子中所述磁性取向的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的系統(tǒng)，其中所述仲氫源包括含有液態(tài)氫的罐，液態(tài)氫以液態(tài)形式被保存足夠長時間以使得氫分子轉(zhuǎn)變?yōu)樗鲋贇湫问?，所述液態(tài)氫流流經(jīng)的管道系統(tǒng)以及用于使所述液態(tài)氫流循環(huán)通過所述管道系統(tǒng)的泵。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的系統(tǒng)，還包括用于濃縮所述液態(tài)H3分子的裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的系統(tǒng)，其中所述濃縮裝置包括旋轉(zhuǎn)罐，其中所述旋轉(zhuǎn)罐中具有延長所述液態(tài)氫通過所述旋轉(zhuǎn)罐的傳輸時間并迫使液態(tài)氫在通過旋轉(zhuǎn)罐的通道上偏離中線的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的系統(tǒng)，其中所述傳輸時間延長和迫使裝置包括多個流體擋板。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的系統(tǒng)，其中所述結(jié)合裝置包括提供氣態(tài)氫氣流的裝置，在所述氣態(tài)氫中離解氫分子和電離單個氫原子的裝置，以及通過其質(zhì)子自旋分離電離氫原子的裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的系統(tǒng)，其中所述離解裝置包括電弧，以及所述分離裝置包括在所述氣態(tài)氫流周圍產(chǎn)生磁流場的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的系統(tǒng)，其中所述結(jié)合裝置還包括將相似自旋質(zhì)子的第一流注入所述液態(tài)氫流內(nèi)的裝置，以及排出相反自旋質(zhì)子的第二流的裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求
8所述的系統(tǒng)，還包括位于所述注入裝置下游的將H3離子轉(zhuǎn)變?yōu)镠3分子的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求
9所述的系統(tǒng)，其中所述轉(zhuǎn)變裝置包括帶負(fù)電荷的柵極。
11.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的系統(tǒng)，還包括用于儲存濃縮的液態(tài)H3分子的儲液罐和產(chǎn)生使分子以其第三原子自旋方向排列的磁場的裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的系統(tǒng)，其中所述液態(tài)氫流流經(jīng)管道系統(tǒng)，并且所述磁性取向保持裝置包括產(chǎn)生環(huán)繞部分所述管道系統(tǒng)的磁場的裝置。
13.一種生產(chǎn)、穩(wěn)定和濃縮三原子氫的方法，包括以下步驟提供仲氫形式的液態(tài)氫源；將所述仲氫和全部具有同樣質(zhì)子自旋的第三氫原子結(jié)合以形成全部具有相同凈磁性取向的液態(tài)H3分子；和利用連續(xù)磁場來保持所述磁性取向。
14.根據(jù)權(quán)利要求
13所述的方法，還包括使所述液態(tài)氫流循環(huán)通過管道系統(tǒng)到旋轉(zhuǎn)罐，并在所述旋轉(zhuǎn)罐中濃縮液態(tài)氫H3分子。
15.根據(jù)權(quán)利要求
14所述的方法，其中所述濃縮步驟包括使所述液態(tài)氫流通過延長液態(tài)氫流通過旋轉(zhuǎn)罐的傳輸時間并迫使液態(tài)氫流在所述液態(tài)氫流通過所述旋轉(zhuǎn)罐時偏離中線的裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求
13所述的方法，其中所述結(jié)合步驟包括提供氣態(tài)氫流，將所述氫通過電弧以離解氫分子并使單獨的氫原子電離，以及通過其質(zhì)子的自旋磁分離所述電離的氫原子。
17.根據(jù)權(quán)利要求
16所述的方法，其中所述結(jié)合步驟還包括將相似自旋質(zhì)子的第一流注入所述液態(tài)氫流，并排出相反自旋質(zhì)子的第二流。
18.根據(jù)權(quán)利要求
13所述的方法，其中所述保持步驟包括產(chǎn)生環(huán)繞所述液態(tài)氫流經(jīng)的部分管道的磁場。
19.根據(jù)權(quán)利要求
13所述的方法，還包括將所述結(jié)合的液態(tài)氫流和所述第三氫原子通過帶負(fù)電荷的柵極使得H3+離子轉(zhuǎn)變?yōu)樗鲆簯B(tài)H3分子，并將濃縮的液態(tài)H3分子儲存在儲液罐中。
20.根據(jù)權(quán)利要求
19所述的方法，還包括施加磁場于所述儲液罐中，使得液態(tài)H3分子以其第三原子自旋的方向排列，和降低所述儲液罐中的儲存溫度。
21.一種推進(jìn)劑，包括具有以第三原子自旋方向排列的所述分子的液態(tài)H3分子。
22.一種形成推進(jìn)劑的方法，包括提供仲氫形式的液態(tài)氫源；將所述液態(tài)氫流通過流動系統(tǒng)；將具有相似自旋質(zhì)子的氫離子注入到所述液態(tài)氫流；保持所述質(zhì)子的自旋方向；將所述液態(tài)氫中的H3+離子轉(zhuǎn)變?yōu)樵诘蜏販囟认路€(wěn)定的液態(tài)H3分子；從液態(tài)H2中濃縮出液態(tài)H3分子；和提取液態(tài)H3分子并儲存液態(tài)H3分子以用作推進(jìn)劑。
23.根據(jù)權(quán)利要求
22所述的方法，還包括通過提供氣態(tài)氫流，將所述氣態(tài)氫流通過電弧使得氫分子離解以及單獨的氫原子電離，并通過質(zhì)子自旋分離電離的氫原子而形成所述具有相似自旋質(zhì)子的所述氫離子。
24.根據(jù)權(quán)利要求
23所述的方法，所述分離步驟包括給所述電離的氫原子施加磁場。
25.根據(jù)權(quán)利要求
24所述的方法，還包括通過出口排出相反自旋質(zhì)子的流。
26.根據(jù)權(quán)利要求
22所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)變步驟包括將所述液態(tài)氫流通過帶負(fù)電荷的柵極，其中所述濃縮步驟包括將液態(tài)氫流通過具有多個擋板的旋轉(zhuǎn)罐，以使液態(tài)氫通過旋轉(zhuǎn)罐的傳輸時間延長并迫使流動的液態(tài)氫在所述液態(tài)氫通過所述旋轉(zhuǎn)罐時偏離中線。
專利摘要
一種生產(chǎn)、穩(wěn)定和濃縮三原子氫的系統(tǒng)，包括仲氫形式的液態(tài)氫源，液態(tài)氫流流經(jīng)的管道系統(tǒng)，用于將仲氫形式的液態(tài)氫和全部具有相同質(zhì)子自旋的第三氫原子結(jié)合以形成全部具有凈磁性取向的H
文檔編號C06D5/00GKCN1796269SQ200510131573
公開日2006年7月5日 申請日期2005年11月14日
發(fā)明者J·M·漢弗萊, E·J·布里特, S·E·羅特, H·H·維蘭 申請人:聯(lián)合工藝公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan