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CN115304440B - 一种火星表面运载火箭推进剂原位制备一体化系统及方法 - Google Patents

一种火星表面运载火箭推进剂原位制备一体化系统及方法 Download PDF

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CN115304440B CN202211022113.2A CN202211022113A CN115304440B CN 115304440 B CN115304440 B CN 115304440B CN 202211022113 A CN202211022113 A CN 202211022113A CN 115304440 B CN115304440 B CN 115304440B
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Abstract

本发明公开了一种火星表面运载火箭推进剂原位制备一体化系统及方法。本发明利用火星大气中的二氧化碳制备甲烷推进剂，利用火星含水矿物质中的水电解制备液氧推进剂以及生命维持系统所需的氧气，与液氧甲烷运载火箭和火星探测任务需求的契合度高。本发明将液态甲烷制备过程的产物水输送至电解水系统，所以可使含水矿物质的开采量减少一半，即将火星二氧化碳中的氧元素作为液氧推进剂的重要来源。

Description

一种火星表面运载火箭推进剂原位制备一体化系统及方法
技术领域
本发明涉及火星探测技术领域，具体涉及一种火星表面运载火箭推进剂原位制备一体化系统及方法。
背景技术
火星推进剂原位制备是指勘探、获取和利用火星的天然资源在火星上原地制备运载火箭推进剂，是一种可持续性强和成本低的深空探测解决方案，能够有效降低对携带资源和地球补给的依赖，是实现地外载人探测和未来太空殖民等地外活动的关键技术手段。火星表面大气的主要成分是二氧化碳，占总量的95.32％，是最具潜力的火星推进剂原位制备原料。根据NASA计算，载人火星探测需要在16个月内生产7吨甲烷推进剂和23吨液氧推进剂，以及5吨氧气用于生命维持，共计35吨。
然而由于暂未有返回式的火星探索活动，所以火星表面推进剂原位制备仍然处于技术探索阶段，包括利用火星大气中的二氧化碳制备甲烷、煤油等碳氢燃料推进剂，但目前仍未有十分明确的技术方案。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中难以制备满足载人火星探测需要的推进剂原料的问题，并提供一种火星表面运载火箭推进剂原位制备一体化系统及方法。本发明利用火星大气中的二氧化碳制备液态甲烷推进剂，通过电解火星含水矿物质中的水来制备液氧推进剂，实现液态甲烷推进剂和液氧推进剂的同步高效制备。
本发明所采用的具体技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种火星表面运载火箭推进剂原位制备一体化系统，其包括液态甲烷制备管路、液氧制备管路、混合气管路、水汽管路、氢气管路和氧气管路；
所述液态甲烷制备管路依次连接二氧化碳捕集系统、Sabatier还原系统、Sabatier反应气分离系统和液态甲烷储罐；
所述液氧制备管路依次连接含水矿物质输送系统、水汽提取系统、电解水系统、氧气液化系统和液氧储罐；
所述混合气管路连接Sabatier反应气分离系统和Sabatier还原系统；
所述水汽管路连接Sabatier反应气分离系统和电解水系统；
所述氢气管路连接电解水系统和Sabatier还原系统；
所述氧气管路连接电解水系统和外部需氧设备；
所述二氧化碳捕集系统用于从火星大气中捕集二氧化碳，并输入Sabatier还原系统中作为原料；
所述Sabatier还原系统用于以二氧化碳和氢气作为原料，通过Sabatier还原反应生成甲烷和水；
所述Sabatier反应气分离系统用于对Sabatier还原系统输出的反应气进行组分分离，分离得到的未反应的二氧化碳和氢气混合物通过混合气管路返回至Sabatier还原系统重新作为原料，分离得到的甲烷以液态甲烷形式存储于液态甲烷储罐中，分离得到的水通过水汽管路进入电解水系统中；
所述含水矿物质输送系统用于将火星上采集的含水矿物输入水汽提取系统，由水汽提取系统提取其中的水分并输入电解水系统中；
所述电解水系统用于对水进行电解制取氢气和氧气，制取的氢气通过氢气管路输入Sabatier还原系统中作为原料，制取的氧气一路输入氧气液化系统进行液化后存储至液氧储罐中，另一路通过氧气管路输入外部需氧设备。
作为上述第一方面的优选，所述二氧化碳捕集系统包括二氧化碳液化管路、第一级间冷却器和第二级间冷却器；
所述第一级间冷却器和第二级间冷却器中均设有构成换热接触的第一通路和第二通路；
所述二氧化碳液化管路的入口端用于通入火星大气，出口端连接低温气液分离器；二氧化碳液化管路在入口端至出口端之间依次连接过滤器、电加热器、第一级间冷却器的第一通路、低温风机、第一级压缩机、第一级间冷却器的第二通路、第二级压缩机、第二级间冷却器的第一通路、水汽吸附器、二氧化碳冷凝器和低温气液分离器；
所述低温气液分离器的气相出口排空，液相出口通过输出管路连接第二级间冷却器的第二通路，第二级间冷却器的第二通路出口与所述液态甲烷制备管路连接。
作为上述第一方面的优选，所述Sabatier还原系统包括绝热的反应器壳体，反应器壳体内部的反应腔设有进气口和出气口；
所述反应腔通过环形的绝热分隔板分为高温反应区和梯度温度场反应区；
所述高温反应区内置有用于将Sabatier反应的原料气加热到初始反应温度的加热器，加热器表面涂敷有Sabatier反应催化剂；
所述梯度温度场反应区中沿进气方向依次设有第一金属多孔介质层、第二金属多孔介质层和第三金属多孔介质层，且第一金属多孔介质层、第二金属多孔介质层和第三金属多孔介质层的孔隙率递减，介质表面均涂敷有Sabatier反应催化剂；三层金属多孔介质层均通过贯通反应器壳体的平板式热管与外部火星大气构成换热，使三层金属多孔介质层中的Sabatier反应热能够传递至火星大气；
所述原料气从所述进气口通入后，依次流经高温反应区中的加热器表面以及梯度温度场反应区中的第一金属多孔介质层、第二金属多孔介质层和第三金属多孔介质层，再从所述出气口排出。
作为上述第一方面的优选，所述Sabatier反应气分离系统包括反应气分离管路、水汽冷凝器、预冷器、二氧化碳冷凝器和液态甲烷回流管路；
其中水汽冷凝器、预冷器和二氧化碳冷凝器中分别设有构成换热接触的第一通路和第二通路；
所述反应气分离管路的入口端用于通入Sabatier装置反应气，出口端接入液态甲烷储罐；反应气分离管路从入口端到出口端之间依次连接水汽冷凝器的第一通路、第一气液分离器、预冷器的第一通路、二氧化碳冷凝器的第一通路、第二气液分离器、甲烷液化冷箱中的换热管路、第三气液分离器和第一低温截止阀；水汽冷凝器和预冷器的第二通路均用于通入火星大气从而对第一通路进行冷却；甲烷液化冷箱上设有低温冷机，且低温冷机的冷头与甲烷液化冷箱中的换热管路构成换热接触，且冷头温度能液化流经换热管路的Sabatier装置反应气内的甲烷；
所述液态甲烷回流管路的入口端连接第三气液分离器和第一低温截止阀之间的反应气分离管路，出口端连接第二气液分离器和甲烷液化冷箱之间的反应气分离管路；液态甲烷回流管路从入口端到出口端之间依次连接第二低温截止阀、二氧化碳冷凝器的第二通路和第三低温截止阀。
作为上述第一方面的优选，所述氧气液化系统中预先利用火星大气的冷能对氧气进行预冷，然后通过低温冷机对氧气进行降温液化。
作为上述第一方面的优选，所述低温冷机为斯特林低温冷机。
作为上述第一方面的优选，所述水汽提取系统为微波加热装置，通过对含水矿物质进行微波加热的方式获取纯净水汽
作为上述第一方面的优选，所述电解水系统采用光催化辅助的电解水系统。
作为上述第一方面的优选，所述外部需氧设备为生命维持系统。
第二方面，本发明提供了一种利用上述第一方面任一方案所述系统的火星表面运载火箭推进剂原位制备方法，其包括：
S1、通过二氧化碳捕集系统富集火星大气并获取高纯的二氧化碳气体，随后将二氧化碳通过液态甲烷制备管路输送至Sabatier还原系统；
S2、通过含水矿物质输送系统将火星表面的含水矿物质输送至水汽提取系统，由水汽提取系统从含水矿物质中提取水汽，并将其输送至电解水系统；
S3、电解水系统对水进行电解，制取氢气和氧气，氢气通过氢气管路输送至Sabatier还原系统中，氧气分为两条输出，一条通过液氧制备管路输送至氧气液化系统并由氧气液化系统将氧气液化后存储至液氧储罐，另一条通过氧气管路输送至生命维持系统；
S4、Sabatier还原系统利用二氧化碳捕集系统输送的二氧化碳气体和电解水系统传输的氢气作为原料，在催化剂的作用下通过Sabatier反应生成甲烷和水，生成包含甲烷、水汽、二氧化碳和氢气四种组分的反应气，反应气输送至Sabatier反应气分离系统中对四种组分进行分离，其中分离的二氧化碳和氢气返回Sabatier还原系统中，与二氧化碳捕集系统输送的二氧化碳气体和电解水系统传输的氢气混合重新作为原料气，而分离得到的甲烷以液态甲烷形式存储于液态甲烷储罐中，分离得到的水通过水汽管路进入电解水系统中与水汽提取系统提取的水一起进行电解。
本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：提出了一种火星表面运载火箭推进剂原位制备一体化系统，可以实现运载火箭所需推进剂的同步制备；利用火星大气中的二氧化碳制备甲烷推进剂，利用火星含水矿物质中的水电解制备液氧推进剂以及生命维持系统所需的氧气，与液氧甲烷运载火箭和火星探测任务需求的契合度高；根据计算，每通过还原反应获取1kg甲烷，对应的产物水即可通过电解获取2kg氧气，本发明将液态甲烷制备过程的产物水输送至电解水系统，所以可使含水矿物质的开采量减少一半，即将火星二氧化碳中的氧元素作为液氧推进剂的重要来源。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果做进一步说明，以充分的了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为一种火星表面运载火箭推进剂原位制备一体化系统的结构示意图；
图2为二氧化碳捕集系统的一种优选方式示意图；
图3为Sabatier还原系统的一种优选方式示意图；
图4为Sabatier反应气分离系统的一种优选方式示意图。
图中附图标记为：液态甲烷制备管路1、液氧制备管路2、二氧化碳/氢气混合管路3、水汽管路4、氢气管路5、氧气管路6、二氧化碳捕集系统7、Sabatier还原系统8、Sabatier反应气分离系统9、生命维持系统10、液态甲烷储罐11、含水矿物质开采系统12、水汽提取系统13、电解水系统14、氧气液化系统15、液氧储罐16。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件或者是间接连接即存在中间元件。相反，当元件为称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
如图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种火星表面运载火箭推进剂原位制备一体化系统，其组成元件包括液态甲烷制备管路1、液氧制备管路2、二氧化碳/氢气混合管路3、水汽管路4、氢气管路5、氧气管路6、二氧化碳捕集系统7、Sabatier还原系统8、Sabatier反应气分离系统9、生命维持系统10、液态甲烷储罐11、含水矿物质开采系统12、水汽提取系统13、电解水系统14、氧气液化系统15、液氧储罐16。该系统中可利用火星大气中的二氧化碳制备液态甲烷推进剂，通过电解火星含水矿物质中的水来制备液氧推进剂，实现液态甲烷推进剂和液氧推进剂的同步高效制备。
整个系统中，各子系统是通过液态甲烷制备管路1、液氧制备管路2、混合气管路3、水汽管路4、氢气管路5和氧气管路6来连接，从而实现协同工作的。其中，液态甲烷制备管路1依次连接二氧化碳捕集系统7、Sabatier还原系统8、Sabatier反应气分离系统9和液态甲烷储罐11。液氧制备管路2依次连接含水矿物质输送系统12、水汽提取系统13、电解水系统14、氧气液化系统15和液氧储罐16。混合气管路3连接Sabatier反应气分离系统9和Sabatier还原系统8。水汽管路4连接Sabatier反应气分离系统9和电解水系统14。氢气管路5连接电解水系统14和Sabatier还原系统8。氧气管路6连接电解水系统14和外部需氧设备。外部需氧设备可以是火星上需要好氧的任意设备，在本实施例中外部需氧设备为火星上的生命维持系统10。
上述一体化系统中除管路和存储罐体之外的各子系统，是实现该一体化系统功能的关键。下面分别对各自的功能和配合关系进行描述。
二氧化碳捕集系统7用于从火星大气中捕集二氧化碳，并输入Sabatier还原系统8中作为原料。由于火星大气中95％以上的组分是二氧化碳，因此二氧化碳捕集系统7可以利用火星大气为原料，以吸附法、冷冻法等方式从中获取二氧化碳。
Sabatier还原系统8用于以二氧化碳和氢气作为原料，通过Sabatier还原反应生成甲烷和水。Sabatier还原系统8是一种在航天设备中常见的装置，其能够通过Sabatier还原反应来制取甲烷。Sabatier还原系统8理论上可采用任意的Sabatier反应装置来实现。
Sabatier反应气分离系统9用于对Sabatier还原系统8输出的反应气进行组分分离，分离得到的未反应的二氧化碳和氢气混合物通过混合气管路3返回至Sabatier还原系统8重新作为原料，分离得到的甲烷以液态甲烷形式存储于液态甲烷储罐11中，分离得到的水通过水汽管路4进入电解水系统14中。Sabatier反应气分离系统9中对于不同组分的分离，可以利用不同组分之间的液化温度差异来进行逐级分离。
含水矿物质输送系统12用于将火星上采集的含水矿物输入水汽提取系统13，由水汽提取系统13提取其中的水分并输入电解水系统14中。含水矿物质输送系统12可以采用任意的传送设备，而且其前端可以连接含水矿物质采集装置。水汽提取系统13优选采用微波加热装置，通过对含水矿物质进行微波加热的方式获取纯净水汽。
电解水系统14用于对水进行电解制取氢气和氧气，制取的氢气通过氢气管路5输入Sabatier还原系统8中作为原料，制取的氧气一路输入氧气液化系统15进行液化后存储至液氧储罐16中，另一路通过氧气管路6输入生命维持系统10。
在本发明中，电解水系统14可以是任意现有技术中的电解水制取氢气和氧气的装置。考虑到电解水的效率，可以在传统装置基础上配置光催化等辅助系统，充分利用太阳能提升系统运行效率，即电解水系统14可采用光催化辅助的电解水系统。
在本发明中，氧气液化系统15中预先利用火星大气的冷能对氧气进行预冷，然后通过低温冷机对氧气进行降温液化。具体采用的低温冷机优选为采用体积小、质量轻的斯特林低温冷机。当然，在氧气降温液化过程中也可以辅助进行加压，以提高液化效率。
上述火星表面运载火箭推进剂原位制备一体化系统的运行流程如下：
(1)二氧化碳捕集系统7富集火星大气并获取高纯的二氧化碳气体，随后将二氧化碳通过液态甲烷制备管路1输送至Sabatier还原系统8。
(2)Sabatier还原系统8包含三条输入，分别为二氧化碳捕集系统7输送的二氧化碳气体、电解水系统14传输的氢气和Sabatier反应气分离系统9输送的二氧化碳和氢气的混合气，随后二氧化碳和氢气在催化剂的作用下生成甲烷和水，由于Sabatier反应的转化率受温度影响，所以二氧化碳和氢气不会完全反应，Sabatier还原系统8输送至Sabatier反应气分离系统9的反应气包含甲烷、水汽、二氧化碳和氢气四种物质。
(3)Sabatier反应气分离系统9进行反应气分离，随后将未反应的二氧化碳和氢气通过二氧化碳/氢气混合管路3输送至Sabatier还原系统8进行再次反应，将水汽通过水汽管路4输送至电解水系统14进行电解，将甲烷以液态甲烷形式输送至液态甲烷储罐11进行存储。
(5)含水矿物质输送系统12开采火星表面的含水矿物质，初步处理后将其输送至水汽提取系统13，水汽提取系统13采用微波加热等方式处理含水矿物质，获取纯度符合要求的水汽，并将其输送至电解水系统14。
(6)电解水系统14包含两条输入，分别为水汽提取系统13输送的矿物质提取水和Sabatier反应气分离系统9输送的产物水，随后水会电解为氢气和氧气，氢气通过氢气管路5输送至Sabatier还原系统8参与还原反应，氧气分为两条输出，一条通过液氧制备管路2输送至氧气液化系统15，另一条通过氧气管路6输送至生命维持系统10。
(7)氧气液化系统15将电解水系统14提供的氧气完成液化，并将液氧输送至液氧储罐16进行存储。
另外在本发明的另一优选实施例中，进一步提供了一种二氧化碳捕集系统7的具体实现方式，如图2所示，其组成元件包括过滤器7-2、电加热器7-3、第一级间冷却器7-4、低温风机7-5、第一级压缩机7-6、第二级压缩机7-7、第二级间冷却器7-8、水汽吸附器7-9、二氧化碳冷凝器7-10、低温气液分离器7-11和输出管路7-12。各组成元件之间的连接关系如下：
第一级间冷却器7-4和第二级间冷却器7-8中均设有构成换热接触的第一通路和第二通路。
二氧化碳液化管路7-1的入口端用于通入火星大气，出口端连接低温气液分离器7-11；二氧化碳液化管路7-1在入口端至出口端之间依次连接过滤器7-2、电加热器7-3、第一级间冷却器7-4的第一通路、低温风机7-5、第一级压缩机7-6、第一级间冷却器7-4的第二通路、第二级压缩机7-7、第二级间冷却器7-8的第一通路、水汽吸附器7-9、二氧化碳冷凝器7-10和低温气液分离器7-11。
低温气液分离器7-11的气相出口排空，液相出口通过输出管路7-12连接第二级间冷却器7-8的第二通路，第二级间冷却器7-8的第二通路出口与所述液态甲烷制备管路1连接。
上述各设备的选型可根据实际需要调整，在本实施例中，过滤器优选采用静电除尘设备，第一级压缩机7-6和第二级压缩机7-7可采用容积式压缩机，且第二级压缩机7-7出口压力应高于二氧化碳的三相点压力。低温气液分离器7-11可采用离心式气液分离器。第一级间冷却器7-4和第二级间冷却器7-8可采用气-气板式换热器。二氧化碳冷凝器7-10可采用翅片管式换热器，其冷源可以是低于二氧化碳冷凝温度的夜间火星大气，或者在火星大气温度高于二氧化碳冷凝温度时亦可采用其他低温工质进行辅助。
基于上述二氧化碳捕集系统7进行火星表面二氧化碳连续捕集的具体方法如下：
依次启动电加热器7-3、低温风机7-5、第一级压缩机7-6、第二级压缩机7-7和低温气液分离器7-11，使火星大气在低温风机7-5的作用下进入二氧化碳液化管路7-1，首先流经过滤器7-2去除灰尘等杂质变成纯净原料气，随后依次进入电加热器7-3和第一级间冷却器7-4的第一通路进行预热。特别需要注意的是，电加热器7-3仅在系统启动时开启，在稳定运行后由第一级间冷却器7-4提供预热所需的热量，电加热器3可以无需开启。预热完成后的原料气在低温风机7-5牵引下进入第一级压缩机7-6中完成第一次增压，形成一次增压原料气。增压完成后的一次增压原料气温度会急剧上升，高温的一次增压原料气进入第一级间冷却器7-4的第二通路，与第一级间冷却器7-4的第一通路中未预热的原料气进行换热冷却后，再进入第二级压缩机7-7进行第二次增压，得到二次增压原料气。增压完成后的二次增压原料气温度又会急剧上升，高温的二次增压原料气进入第二级间冷却器7-8的第一通路，与第二级间冷却器7-8的第一通路中流入的液态二氧化碳进行换热冷却，得到温度维持在273.15K以上的原料气继续进入二氧化碳液化管路7-1中的水汽吸附器7-9去除水汽，得到高纯二氧化碳原料气。高纯二氧化碳原料气继续进入二氧化碳冷凝器7-10中对二氧化碳进行液化，但此时进队二氧化碳进行液化，二氧化碳原料气中可能还有部分液化温度较低的杂质气如氮气和氩气等尚未液化，因此自二氧化碳冷凝器7-10流出的是。气液两相混合物进入低温气液分离器7-11进行气液分离，杂质气直接排出，液态二氧化碳则通过输出管路7-12输入第二级间冷却器7-8的第二通路，与二次增压原料气换热后重新汽化，进入液态甲烷制备管路1中用于进行后续的Sabatier反应。
水汽吸附器7-9中可填充的吸附剂为三氧化二铝等对水有强吸附能力的吸附剂。但水汽吸附器7-9运行一段时间后可能会出现吸附饱和，可临时进行停机，更换水汽吸附器7-9或者对内部吸附介质进行加热再生。
另外需要注意的是，进入液态甲烷制备管路1的二氧化碳气体，如果压力没有达到后续反应要求，则需要进行增压，具体增压方式属于现有技术。
另外在本发明的另一优选实施例中，进一步提供了一种Sabatier还原系统8的具体实现方式，如图3所示，其组成元件包括Sabatier反应器外壳8-1、绝热材料8-2、Sabatier反应器内壳8-3、加热器8-9、绝热分隔板8-10、第一金属多孔介质层8-11、第二金属多孔介质层8-12、第三金属多孔介质层8-13、平板式热管。
Sabatier还原系统8包括绝热的反应器壳体，反应器壳体内部的反应腔设有进气口和出气口。反应器绝热壳体由Sabatier反应器外壳8-1和Sabatier反应器内壳8-3内外嵌套而成，且内外壳夹层中填充有绝热材料8-2。反应腔通过环形的绝热分隔板8-10分为高温反应区8-4和梯度温度场反应区8-5。绝热材料8-2可采用真空绝热板。对于整个反应腔而言，由于高温反应区8-4的温度较高，所以此处的Sabatier反应具有较高的反应速率。但温度过高会导致反应的转化率下降，因此后续需要通过设置梯度温度场反应区8-5来提高反应转化率。
高温反应区8-4内置有用于将Sabatier反应的原料气加热到初始反应温度的加热器8-9，加热器8-9表面涂敷有Sabatier反应催化剂。加热器8-9可采用以太阳能作为热源的加热器。
梯度温度场反应区8-5中沿进气方向依次设有第一金属多孔介质层8-11、第二金属多孔介质层8-12和第三金属多孔介质层8-13，且第一金属多孔介质层8-11、第二金属多孔介质层8-12和第三金属多孔介质层8-13的孔隙率递减，介质表面均涂敷有Sabatier反应催化剂；三层金属多孔介质层均通过贯通反应器壳体的平板式热管与外部火星大气构成换热，使三层金属多孔介质层中的Sabatier反应热能够传递至火星大气。
在该反应腔中，原料气从进气口通入后，依次流经高温反应区8-4中的加热器8-9表面以及梯度温度场反应区8-5中的第一金属多孔介质层8-11、第二金属多孔介质层8-12和第三金属多孔介质层8-13，再从出气口排出。
上述平板式热管包括顺次连接的平板式热管蒸发段8-6、平板式热管绝热段8-7和平板式热管冷凝段8-8，平板式热管蒸发段8-6位于梯度温度场反应区8-5中且与第一金属多孔介质层8-11、第二金属多孔介质层8-12、第三金属多孔介质层8-13连接并构成换热接触，平板式热管冷凝段8-8位于反应器壳体外部并接触火星大气，平板式热管绝热段8-7贯通穿过反应器壳体且两端分别连接平板式热管蒸发段8-6和平板式热管冷凝段8-8。
为了尽可能提高换热效率，平板式热管在梯度温度场反应区8-5中呈环形布置，平板式热管蒸发段8-6环绕包裹于三层金属多孔介质层的外周。而且，平板式热管蒸发段8-6与第一金属多孔介质层8-11、第二金属多孔介质层8-12和第三金属多孔介质层8-13的连接位置可进一步填充有用于消除接触热阻的导热介质。
本发明中，第一金属多孔介质层8-11、第二金属多孔介质层8-12和第三金属多孔介质层8-13
在上述第一金属多孔介质层8-11、第二金属多孔介质层8-12和第三金属多孔介质层8-13中，每一层金属多孔介质层都以金属多孔介质作为金属骨架，然后在金属骨架表面附着Sabatier反应催化剂，Sabatier反应热可以通过多孔的金属骨架快速传递至平板热管负热蒸发段。具体的金属骨架和催化剂的形式不限。作为本发明实施例的一种较佳实现方式，各金属多孔介质层可采用导热性好、熔点高的泡沫铜作为金属骨架，且泡沫铜表面涂覆的Sabatier反应催化剂均可采用Ru基催化剂，Ru基催化剂有利于降低Sabatier反应启动温度。由于金属多孔介质的空间导热能力随孔隙率减小而增加，因此孔隙率越低，热传导能力越高，从而通过平板式热管散掉的热量越多，金属多孔介质层的自身温度也就越低。所以，第一金属多孔介质层8-11、第二金属多孔介质层8-12和第三金属多孔介质层8-13三者可以形成沿原料气流动方向温度逐渐降低的梯度温度场，第一金属多孔介质层8-11、第二金属多孔介质层8-12和第三金属多孔介质层8-13三者的反应速率逐渐降低，但Sabatier反应的转化率却逐渐提高。
需要说明的是，三层金属多孔介质层中的具体孔隙率并不限制，三者满足孔隙率逐渐降低的要求即可，各自的具体孔隙率可根据实际的反应情况进行优化设计。
基于上述Sabatier反应器的火星表面二氧化碳加氢甲烷化过程具体如下：
将原料气从所述进气口通入反应器壳体内部的反应腔中，首先在高温反应区8-4中通过加热器8-9将原料气加热升温至Sabatier反应启动温度，从而在加热器8-9表面涂敷的Sabatier反应催化剂作用下发生还原反应，使部分原料气转化为甲烷和水。此时高温反应区8-4中的Sabatier反应速率较高，但原料气的转化速率较低。
然后将部分转化的原料气继续通入梯度温度场反应区8-5中，依次流经孔隙率递减的第一金属多孔介质层8-11、第二金属多孔介质层8-12和第三金属多孔介质层8-13，在介质表面涂敷的Sabatier反应催化剂作用下继续进行三级转化并释放反应热。在该原料气穿过梯度温度场反应区8-5的过程中，原料气首先与高孔隙率金属多孔介质8-11接触，在金属骨架表面催化剂的作用下，原料气继续进行转化并释放反应热，由于孔隙率较高，所以高孔隙率金属多孔介质8-11所处的区域温度较高；随后与中间孔隙率金属多孔介质8-12接触，在金属骨架表面催化剂的作用下，原料气继续进行转化并释放反应热，由于孔隙率适中，所以中间孔隙率金属多孔介质8-12所处的区域温度继续降低；最后与低孔隙率金属多孔介质8-13接触，在金属骨架表面催化剂的作用下，原料气继续进行转化并释放反应热，由于孔隙率较低，所以低孔隙率金属多孔介质8-13所处的区域温度较较低。高孔隙率金属多孔介质8-11、中间孔隙率金属多孔介质8-12、低孔隙率金属多孔介质8-13所处的区域形成了温度逐渐降低的温度场，可以完成高反应速率到高转化率的高效过渡。而且在反应过程中，第一金属多孔介质层8-11、第二金属多孔介质层8-12、第三金属多孔介质层8-13中的反应热均通过平板式热管传递至反应器壳体外部的火星大气中；最终从出气口收集转化完毕的反应气物料。
另外在本发明的另一优选实施例中，进一步提供了一种Sabatier反应气分离系统9的具体实现方式，如图4所示，其组成元件包括反应气分离管路9-1、水汽冷凝器9-2、第一气液分离器9-3、预冷器9-4、二氧化碳冷凝器9-5、第二气液分离器9-6、甲烷液化冷箱9-7、低温冷机9-8、第三气液分离器9-9、第一低温截止阀9-10、液态甲烷回流管路9-12、第二低温截止阀9-13、第三低温截止阀9-11。
其中水汽冷凝器9-2、预冷器9-4和二氧化碳冷凝器9-5中分别设有构成换热接触的第一通路和第二通路；
反应气分离管路9-1的入口端用于通入Sabatier装置反应气，出口端接入液态甲烷储罐11。反应气分离管路9-1从入口端到出口端之间依次连接水汽冷凝器9-2的第一通路、第一气液分离器9-3、预冷器9-4的第一通路、二氧化碳冷凝器9-5的第一通路、第二气液分离器9-6、甲烷液化冷箱9-7中的换热管路、第三气液分离器9-9和第一低温截止阀9-10；水汽冷凝器9-2和预冷器9-4的第二通路均用于通入火星大气从而对第一通路进行冷却；甲烷液化冷箱9-7上设有低温冷机9-8，且低温冷机9-8的冷头与甲烷液化冷箱9-7中的换热管路构成换热接触，且冷头温度能液化流经换热管路的Sabatier装置反应气内的甲烷。
液态甲烷回流管路9-12的入口端连接第三气液分离器9-9和第一低温截止阀9-10之间的反应气分离管路9-1，出口端连接第二气液分离器9-6和甲烷液化冷箱9-7之间的反应气分离管路9-1。液态甲烷回流管路9-12从入口端到出口端之间依次连接第二低温截止阀9-13、二氧化碳冷凝器9-5的第二通路和第三低温截止阀9-11。
其中上述各组成元件的选型和具体形式可根据实际需要调整，在本实施例中，低温冷机9-8采用斯特林型低温冷机，第一气液分离器9-3、第二气液分离器9-6、第三气液分离器9-9均可采用离心式气液分离器。水汽冷凝器9-2和预冷器9-4采用翅片管式换热器。二氧化碳冷凝器9-5采用液-液板式换热器。甲烷液化冷箱9-7中的换热管路采用盘管形式与低温冷机9-8的冷头衔接，且两者之间填充导热介质。
基于上述Sabatier反应气分离系统9，具体对Sabatier装置的反应气进行组分分离液化的过程如下：
实时监测火星大气温度，在火星大气温度能够冷凝反应气中的二氧化碳时采用第一运行模式对Sabatier装置反应气进行分离液化，在火星大气温度无法冷凝反应气中的二氧化碳时采用第二运行模式对Sabatier装置反应气进行分离液化。
其中第一运行模式如下：
S11、启动第一气液分离器9-3、第二气液分离器9-6、低温冷机9-8、第三气液分离器9-9，打开第一低温截止阀9-10，关闭第二低温截止阀9-13和第三低温截止阀9-11；通过风机将火星大气分别输入水汽冷凝器9-2的第二通路和预冷器9-4的第二通路，进而为各自的第一通路提供冷量；
S12、将来自Sabatier装置的原始反应气输入反应气分离管路9-1中，通过调节输入水汽冷凝器9-2的第二通路的火星大气流量，使得原始反应气中的水汽在流经水汽冷凝器9-2的第一通路过程中吸收火星大气的冷能完成液化，从而变为不低于273.15K的第一气液两相混合物；第一气液两相混合物继续进入第一气液分离器9-3中分离回收液态水后，得到仅包含二氧化碳、甲烷和氢气三种物质的第一剩余反应气；
S13、将第一剩余反应气继续通入预冷器9-4的第一通路，通过调节输入预冷器9-4的第二通路的火星大气流量，使得第一剩余反应气中的二氧化碳吸收火星大气的冷量后液化，从而变为第二气液两相混合物；第二气液两相混合物继续通过二氧化碳冷凝器9-5的第一通路进入第二气液分离器9-6中分离回收液态二氧化碳，得到仅包含甲烷和氢气两种物质的第二剩余反应气；
S14、将第二剩余反应气继续通入甲烷液化冷箱9-7，通过控制低温冷机9-8的冷头温度，使得第二剩余反应气中的甲烷与冷头换热后液化，从而变为第三气液两相混合物；第三气液两相混合物继续进入第三气液分离器9-9中分离液态甲烷和氢气，氢气直接排出回收，而液态甲烷则存储至液态甲烷储罐11中；
其中第二运行模式如下：
S21、启动第一气液分离器9-3、第二气液分离器9-6、低温冷机9-8、第三气液分离器9-9，打开第一低温截止阀9-10、第二低温截止阀9-13和第三低温截止阀9-11；通过风机将火星大气分别输入水汽冷凝器9-2的第二通路和预冷器9-4的第二通路，进而为各自的第一通路提供冷量；
S22、将来自Sabatier装置的原始反应气输入反应气分离管路9-1中，通过调节输入水汽冷凝器9-2的第二通路的火星大气流量，使得原始反应气中的水汽在流经水汽冷凝器9-2的第一通路过程中吸收火星大气的冷能完成液化，从而变为不低于273.15K的第一气液两相混合物；第一气液两相混合物继续进入第一气液分离器9-3中分离回收液态水后，得到仅包含二氧化碳、甲烷和氢气三种物质的第一剩余反应气；
S23、将第一剩余反应气继续通入预冷器9-4的第一通路，通过调节输入预冷器9-4的第二通路的火星大气流量，使得第一剩余反应气降温至接近火星大气的温度后进入二氧化碳冷凝器9-5的第一通路中，继续吸收二氧化碳冷凝器9-5的第二通路中的液态甲烷冷量后完成二氧化碳液化，从而变为第二气液两相混合物；第二气液两相混合物继续进入第二气液分离器9-6中分离回收液态二氧化碳，得到仅包含甲烷和氢气两种物质的第二剩余反应气；
S24、将第二剩余反应气与液态甲烷回流管路9-12中吸热汽化的甲烷混合后，继续通入甲烷液化冷箱9-7中，通过控制低温冷机9-8的冷头温度，使得第二剩余反应气中的甲烷与冷头换热后液化，从而变为第三气液两相混合物；第三气液两相混合物继续进入第三气液分离器9-9中分离液态甲烷和氢气，氢气直接排出回收，而液态甲烷部分通过液态甲烷回流管路9-12回流至二氧化碳冷凝器9-5的第二通路中用于液化二氧化碳，剩余部分液态甲烷直接存储至液态甲烷储罐11中。
最后，本发明中还提供了一种利用如图1所示一体化系统的火星表面运载火箭推进剂原位制备方法，其包括如下步骤：
S1、通过二氧化碳捕集系统7富集火星大气并获取高纯的二氧化碳气体，随后将二氧化碳通过液态甲烷制备管路1输送至Sabatier还原系统8；
S2、通过含水矿物质输送系统12将火星表面的含水矿物质输送至水汽提取系统13，由水汽提取系统13从含水矿物质中提取水汽，并将其输送至电解水系统14；
S3、电解水系统14对水进行电解，制取氢气和氧气，氢气通过氢气管路5输送至Sabatier还原系统8中，氧气分为两条输出，一条通过液氧制备管路2输送至氧气液化系统15并由氧气液化系统15将氧气液化后存储至液氧储罐16，另一条通过氧气管路6输送至生命维持系统10；
S4、Sabatier还原系统8利用二氧化碳捕集系统7输送的二氧化碳气体和电解水系统14传输的氢气作为原料，在催化剂的作用下通过Sabatier反应生成甲烷和水，生成包含甲烷、水汽、二氧化碳和氢气四种组分的反应气，反应气输送至Sabatier反应气分离系统9中对四种组分进行分离，其中分离的二氧化碳和氢气返回Sabatier还原系统8中，与二氧化碳捕集系统7输送的二氧化碳气体和电解水系统14传输的氢气混合重新作为原料气，而分离得到的甲烷以液态甲烷形式存储于液态甲烷储罐11中，分离得到的水通过水汽管路4进入电解水系统14中与水汽提取系统13提取的水一起进行电解。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种火星表面运载火箭推进剂原位制备一体化系统，其特征在于，包括液态甲烷制备管路（1）、液氧制备管路（2）、混合气管路（3）、水汽管路（4）、氢气管路（5）和氧气管路（6）；
所述液态甲烷制备管路（1）依次连接二氧化碳捕集系统（7）、Sabatier还原系统（8）、Sabatier反应气分离系统（9）和液态甲烷储罐（11）；
所述液氧制备管路（2）依次连接含水矿物质输送系统（12）、水汽提取系统（13）、电解水系统（14）、氧气液化系统（15）和液氧储罐（16）；
所述混合气管路（3）连接Sabatier反应气分离系统（9）和Sabatier还原系统（8）；
所述水汽管路（4）连接Sabatier反应气分离系统（9）和电解水系统（14）；
所述氢气管路（5）连接电解水系统（14）和Sabatier还原系统（8）；
所述氧气管路（6）连接电解水系统（14）和外部需氧设备；
所述二氧化碳捕集系统（7）用于从火星大气中捕集二氧化碳，并输入Sabatier还原系统（8）中作为原料；
所述Sabatier还原系统（8）用于以二氧化碳和氢气作为原料，通过Sabatier还原反应生成甲烷和水；
所述Sabatier反应气分离系统（9）用于对Sabatier还原系统（8）输出的反应气进行组分分离，分离得到的未反应的二氧化碳和氢气混合物通过混合气管路（3）返回至Sabatier还原系统（8）重新作为原料，分离得到的甲烷以液态甲烷形式存储于液态甲烷储罐（11）中，分离得到的水通过水汽管路（4）进入电解水系统（14）中；
所述含水矿物质输送系统（12）用于将火星上采集的含水矿物输入水汽提取系统（13），由水汽提取系统（13）提取其中的水分并输入电解水系统（14）中；
所述电解水系统（14）用于对水进行电解制取氢气和氧气，制取的氢气通过氢气管路（5）输入Sabatier还原系统（8）中作为原料，制取的氧气一路输入氧气液化系统（15）进行液化后存储至液氧储罐（16）中，另一路通过氧气管路（6）输入外部需氧设备；
所述二氧化碳捕集系统（7）包括二氧化碳液化管路（7-1）、第一级间冷却器（7-4）和第二级间冷却器（7-8）；
所述第一级间冷却器（7-4）和第二级间冷却器（7-8）中均设有构成换热接触的第一通路和第二通路；
所述二氧化碳液化管路（7-1）的入口端用于通入火星大气，出口端连接低温气液分离器（7-11）；二氧化碳液化管路（7-1）在入口端至出口端之间依次连接过滤器（7-2）、电加热器（7-3）、第一级间冷却器（7-4）的第一通路、低温风机（7-5）、第一级压缩机（7-6）、第一级间冷却器（7-4）的第二通路、第二级压缩机（7-7）、第二级间冷却器（7-8）的第一通路、水汽吸附器（7-9）、二氧化碳冷凝器（7-10）和低温气液分离器（7-11）；
所述低温气液分离器（7-11）的气相出口排空，液相出口通过输出管路（7-12）连接第二级间冷却器（7-8）的第二通路，第二级间冷却器（7-8）的第二通路出口与所述液态甲烷制备管路（1）连接；
所述Sabatier还原系统（8）包括绝热的反应器壳体，反应器壳体内部的反应腔设有进气口和出气口；
所述反应腔通过环形的绝热分隔板（8-10）分为高温反应区（8-4）和梯度温度场反应区（8-5）；
所述高温反应区（8-4）内置有用于将Sabatier反应的原料气加热到初始反应温度的加热器（8-9），加热器（8-9）表面涂敷有Sabatier反应催化剂；
所述梯度温度场反应区（8-5）中沿进气方向依次设有第一金属多孔介质层（8-11）、第二金属多孔介质层（8-12）和第三金属多孔介质层（8-13），且第一金属多孔介质层（8-11）、第二金属多孔介质层（8-12）和第三金属多孔介质层（8-13）的孔隙率递减，介质表面均涂敷有Sabatier反应催化剂；三层金属多孔介质层均通过贯通反应器壳体的平板式热管与外部火星大气构成换热，使三层金属多孔介质层中的Sabatier反应热能够传递至火星大气；
所述原料气从所述进气口通入后，依次流经高温反应区（8-4）中的加热器（8-9）表面以及梯度温度场反应区（8-5）中的第一金属多孔介质层（8-11）、第二金属多孔介质层（8-12）和第三金属多孔介质层（8-13），再从所述出气口排出；
所述Sabatier反应气分离系统（9）包括反应气分离管路（9-1）、水汽冷凝器（9-2）、预冷器（9-4）、二氧化碳冷凝器（9-5）和液态甲烷回流管路（9-12）；
其中水汽冷凝器（9-2）、预冷器（9-4）和二氧化碳冷凝器（9-5）中分别设有构成换热接触的第一通路和第二通路；
所述反应气分离管路（9-1）的入口端用于通入Sabatier装置反应气，出口端接入液态甲烷储罐（11）；反应气分离管路（9-1）从入口端到出口端之间依次连接水汽冷凝器（9-2）的第一通路、第一气液分离器（9-3）、预冷器（9-4）的第一通路、二氧化碳冷凝器（9-5）的第一通路、第二气液分离器（9-6）、甲烷液化冷箱（9-7）中的换热管路、第三气液分离器（9-9）和第一低温截止阀（9-10）；水汽冷凝器（9-2）和预冷器（9-4）的第二通路均用于通入火星大气从而对第一通路进行冷却；甲烷液化冷箱（9-7）上设有低温冷机（9-8），且低温冷机（9-8）的冷头与甲烷液化冷箱（9-7）中的换热管路构成换热接触，且冷头温度能液化流经换热管路的Sabatier装置反应气内的甲烷；
所述液态甲烷回流管路（9-12）的入口端连接第三气液分离器（9-9）和第一低温截止阀（9-10）之间的反应气分离管路（9-1），出口端连接第二气液分离器（9-6）和甲烷液化冷箱（9-7）之间的反应气分离管路（9-1）；液态甲烷回流管路（9-12）从入口端到出口端之间依次连接第二低温截止阀（9-13）、二氧化碳冷凝器（9-5）的第二通路和第三低温截止阀（9-11）。
2.如权利要求1所述的火星表面运载火箭推进剂原位制备一体化系统，其特征在于，所述氧气液化系统（15）中预先利用火星大气的冷能对氧气进行预冷，然后通过低温冷机对氧气进行降温液化。
3.如权利要求2所述的火星表面运载火箭推进剂原位制备一体化系统，其特征在于，所述低温冷机为斯特林低温冷机。
4.如权利要求1所述的火星表面运载火箭推进剂原位制备一体化系统，其特征在于，所述水汽提取系统（13）为微波加热装置，通过对含水矿物质进行微波加热的方式获取纯净水汽。
5.如权利要求1所述的火星表面运载火箭推进剂原位制备一体化系统，其特征在于，所述电解水系统（14）采用光催化辅助的电解水系统。
6.如权利要求1所述的火星表面运载火箭推进剂原位制备一体化系统，其特征在于，所述外部需氧设备为生命维持系统（10）。
7.一种利用如权利要求1~6任一所述系统的火星表面运载火箭推进剂原位制备方法，其特征在于，包括：
S1、通过二氧化碳捕集系统（7）富集火星大气并获取高纯的二氧化碳气体，随后将二氧化碳通过液态甲烷制备管路（1）输送至Sabatier还原系统（8）；
S2、通过含水矿物质输送系统（12）将火星表面的含水矿物质输送至水汽提取系统（13），由水汽提取系统（13）从含水矿物质中提取水汽，并将其输送至电解水系统（14）；
S3、电解水系统（14）对水进行电解，制取氢气和氧气，氢气通过氢气管路（5）输送至Sabatier还原系统（8）中，氧气分为两条输出，一条通过液氧制备管路（2）输送至氧气液化系统（15）并由氧气液化系统（15）将氧气液化后存储至液氧储罐（16），另一条通过氧气管路（6）输送至生命维持系统（10）；
S4、Sabatier还原系统（8）利用二氧化碳捕集系统（7）输送的二氧化碳气体和电解水系统（14）传输的氢气作为原料，在催化剂的作用下通过Sabatier反应生成甲烷和水，生成包含甲烷、水汽、二氧化碳和氢气四种组分的反应气，反应气输送至Sabatier反应气分离系统（9）中对四种组分进行分离，其中分离的二氧化碳和氢气返回Sabatier还原系统（8）中，与二氧化碳捕集系统（7）输送的二氧化碳气体和电解水系统（14）传输的氢气混合重新作为原料气，而分离得到的甲烷以液态甲烷形式存储于液态甲烷储罐（11）中，分离得到的水通过水汽管路（4）进入电解水系统（14）中与水汽提取系统（13）提取的水一起进行电解。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107744722A (zh) * 2017-11-14 2018-03-02 西安交通大学 基于太阳能驱动的二氧化碳捕集与回收再利用系统及方法
WO2019149435A1 (de) * 2018-02-01 2019-08-08 Siemens Aktiengesellschaft Rohrreaktor und verfahren zum betreiben eines rohrreaktors

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5128003A (en) * 1991-10-17 1992-07-07 United Technologies Corporation Method for the conversion of carbon dioxide and hydrogen to variable methane and oxygen ratios
US5505824A (en) * 1995-01-06 1996-04-09 United Technologies Corporation Propellant generator and method of generating propellants
US8710106B2 (en) * 2010-07-29 2014-04-29 Precision Combustion, Inc. Sabatier process and apparatus for controlling exothermic reaction
CN101920791A (zh) * 2010-08-27 2010-12-22 苏州大学 载人飞船密闭舱室内二氧化碳浓度控制系统及其控制方法
CN102141336A (zh) * 2011-03-25 2011-08-03 东南大学 烟气中二氧化碳捕集液化与氮气生产的装置与方法
CN102175070A (zh) * 2011-03-25 2011-09-07 东南大学 液化分离烟气中二氧化碳的装置及方法
DE102016213668A1 (de) * 2016-07-26 2018-02-01 Thyssenkrupp Ag Verfahren und Anlage zur Herstellung von Alkoholen oder Kohlenwasserstoffen
US10479739B2 (en) * 2017-05-04 2019-11-19 Honeywell International Inc. Integrated system for oxygen recovery for deep space mission
JP7410653B2 (ja) * 2018-05-21 2024-01-10 ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド 電気化学式二酸化炭素変換器及び液体再生器
CN108709367A (zh) * 2018-05-22 2018-10-26 中石化宁波工程有限公司 一种二氧化碳的液化装置及使用方法
CN208269505U (zh) * 2018-05-29 2018-12-21 国电环境保护研究院 一种烟气碳捕集系统的二氧化碳液化装置
EP3666375A1 (de) * 2018-12-13 2020-06-17 Siemens Aktiengesellschaft Rohrreaktor und verfahren zum betreiben eines rohrreaktors
CN112501632A (zh) * 2020-11-26 2021-03-16 北京星途探索科技有限公司 基于太阳能电解水的轨控发动机系统的研究
CN115304440B (zh) * 2022-08-25 2023-05-16 北京航天试验技术研究所 一种火星表面运载火箭推进剂原位制备一体化系统及方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107744722A (zh) * 2017-11-14 2018-03-02 西安交通大学 基于太阳能驱动的二氧化碳捕集与回收再利用系统及方法
WO2019149435A1 (de) * 2018-02-01 2019-08-08 Siemens Aktiengesellschaft Rohrreaktor und verfahren zum betreiben eines rohrreaktors

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