专利名称:三原子氢的就地生产、稳定和浓缩的制作方法
对相关申请的交叉参考本申请是由John M.Humphrey等于2004年11月15日提交的名称为“三原子氢的就地生产、稳定和浓缩(IN-SITU TRI-ATOMIC HYDROGENPRODUCTION，STABILIZATION AND CONCENTRATION)”，序列号为No.10/988,655的美国专利申请的部分继续申请。
发明背景(1)发明领域本发明涉及一种用于高比冲量火箭和吸气式推进系统的三原子氢的生产、稳定和浓缩的系统和方法。
(2)现有技术经济的空间探索要求比冲量的实质性的提高，因为作为空间经济探索的关键，单级任务依赖于LOX/LH2推进系统的容量。图1和图2示出了系列比冲量值的可达到的有效载荷(payload)分数和需要的理想δV之间的关系，并与多项重要任务的需求相比较。图1使用了0.1的结构分数((非有效载荷结构的重量和残余推进剂重量)/有用推进剂重量)，所述结构分数0.1被认为在所列任务中是可以达到的，且图2使用了结构分数0.2，所述结构分数0.2被认为对于可回收的单级地球到低地球轨道(LEO)任务更具现实性。
在研究所使用的任务参数中，使用比冲量为460秒以及结构分数为0.1的LOX/LH2的单级火箭，对于地球同步卫星放置和回收，达到约6％的有效载荷分数，对于可消耗的LEO或可回收的LEO到月球轨道航天飞机，达到约3％的有效载荷分数。这样的LOX/LH2火箭无法达到对于可回收的横穿火星的送入轨道任务来说任何有用的有效载荷。然而，比冲量从460秒增加到600秒，上述任务中的有效载荷分数从6％/3％/0％分别增加到15％/10％/3％，比冲量增加到900秒，有效载荷分数增加到相当可观的30％/26％/18％。如图2所示，对于作为所有更加深远空间任务基础的可回收单级到轨道任务来说，LOX/LH2远远不能达到有用的有效载荷。然而从750秒到900秒的比冲量值可以达到12％和20％之间的有效载荷分数。
原子氢多年来就是火箭推进剂化学家的虚幻目标。原子氢具有高于2000秒的理论比冲量，但是在原子氢的生产和储存上的挑战还有待解决。三原子氢提供了一种达到相当大的原子氢性能改进优势的潜在途径。依靠第三个氢原子的结合能，三原子氢释放的能量释放最多可以为原子氢能量释放的1/3。然而，由于比冲量与T/M(推进气体滞流温度/分子量)的平方根成比例，因此三原子氢应当具有1000秒左右的比冲量潜力。
经济的空间探索要求比冲量至少为600秒、更多要求750秒或以上的高推力推进系统的本发明和商业化。三原子氢提供了在这个范围内的潜比冲量，并将给人类空间探索带来巨大突破。
发明概述因此，本发明的目的是提供一种三原子氢的生产、稳定和浓缩的系统。
本发明的另一个目的是提供一种三原子氢的生产、稳定和浓缩的方法。
上述目的通过本发明的系统和方法获得。
根据本发明，一种三原子氢的生产、稳定和浓缩的系统大致包括仲氢(所述仲氢具有方向相反的质子自旋)形式的液态氢源，将仲氢和全部具有同样质子自旋的第三氢原子结合以形成全部具有同样净磁性取向的H3的装置，以及利用连续磁场保持磁性取向的装置。
进一步地，根据本发明，一种三原子氢的生产、稳定和浓缩的方法大致包括步骤提供一种仲氢(所述仲氢具有方向相反的质子自旋)形式的液态氢源，将仲氢和全部具有同样质子自旋的第三氢原子结合以形成全部具有同样净磁性取向的H3，以及利用连续磁场保持磁性取向。
三原子氢的就地生产、稳定和浓缩的系统和方法的其它细节及其所附的其它目的和优点在下面的详细描述和附图中进行阐述，在其中相似的引用数字表示相似的元件。
图1为结构分数为0.1时的δV与有效载荷分数和Isp之间的关系曲线；图2为结构分数为0.2时的δV与有效载荷分数和Isp之间的关系曲线；图3为三原子氢的生产、稳定和浓缩的系统的示意图。
优选实施方案详述本发明涉及一种用于高比冲量火箭和空气吸气式推进系统的三原子氢的生产、稳定和浓缩的系统和方法，以及一种由所述方法和系统生产的推进剂。
图3示出了生产、稳定和浓缩三原子氢的系统10。系统10包括液态氢罐12，所述液态氢以液态形式被保存足够长时间以使得氢分子转变为其两个氢原子的质子自旋方向相反的仲氢。泵14使液态氢通过管道系统或流动系统循环到并通过旋转罐16。尽管涡流分离更为普遍，但本发明使用离心分离方法使得分离过程中的与磁场相关的流动中断减到最少。径向加速度等于半径乘以(转动速度(弧度/秒))2。
旋转罐16优选具有多个挡板18以延长液态氢通过旋转罐16的传输时间，并且更重要的是，迫使液态氢在通过旋转罐16的通道上的流动偏离中线。旋转罐16的设计，如尺寸和自旋速度，依赖于H2和H3的密度差别。因为两种液体间的显著密度差别，旋转罐16因而能提供液态三原子氢和双原子氢的离心分离。因为三原子氢密度更大，故其能在外围被提取。可使用本领域任何公知的适合方法旋转罐16。
气态氢流20在进入非均匀磁流场24前，通过射频电场离解器如射频振荡器中的电弧22。有时优选使用射频振荡器进行气体离解和电离，因为这种方法不会从任何电极引入材料。然而，在某些情况下，振荡射频电场会干扰流动分离磁场。在这些情况下，优选的方法可以是简单的放电。所用的电压应当高到足以使氢电离和离解，以使得磁场能选择质子自旋。
电弧22既离解氢分子也使单独的氢原子电离。非均匀磁流场24通过氢原子的质子自旋来分离电离的和离解的氢原子。
相似自旋质子的第一氢流26因而产生，然后通过通道27被注入液态氢流中。相反自旋质子的第二氢流28通过出口30被简单地排出。如图3所示，质子的自旋方向可以用从通道27到旋转罐16的连续磁场保持。在本发明的一种优选实施方案中，连续磁场可由通过环绕液态氢管道的低温冷却电线圈的直流电流或等效的方法产生。由通过环绕该管道的线圈的直流电流产生的磁场产生了连续的磁场来保持三原子氢离子的方向。如果需要，也可以使用其它方法。
使氢离子分散并进入液态氢流的目的是通过与氢分子的碰撞来冷却氢离子，然后促进氢离子与液态氢分子联合而形成H3+。注入的H+和新形成的H3+离子本身的排斥力阻碍了这一冷却过程中相似离子的相互作用。
注入点(通道27)的下游，液态氢流经过带负电荷的栅极32。带负电荷的栅极32被置于离H+注入点(通道27)的下游足够远离以允许H3+离子与液态H2达到热平衡。带负电荷的栅极32的目的是将H3+离子转变为在流体的低温温度下稳定的液态H3分子。
本发明的一个关键特征在于使用仲氢与全部具有同样的质子自旋方向的第三氢原子结合形成全部具有同样净磁性取向的液态H3分子，所述净磁性取向的方向通过连续磁场来保持。由于由此产生的液态H3分子全部由两个具有相反自旋方向的氢原子(即仲氢)和全部具有由磁场保持的同样自旋方向的一个氢原子组成，因此，所得到的液态H3分子应当磁性相斥，并因此比具有无规取向磁矩的H3分子的混合物更稳定。本发明的方法用于生产H3分子，所述H3分子在液态氢温度下具有长期稳定性，被用作火箭单推进剂或者用作火箭或空气吸气式推进应用中的放热燃料。
旋转罐16基于两种液体浓度的差别从液态H2中浓缩出液态H3。这是因为旋转罐16担当了一种离心分离机的作用。浓缩的H3从旋转罐16的外围被逐渐排出从而被提取并被存储在储液罐34中以用作推进剂。储液罐34优选其周围还具有连续的磁场。连续磁场可以通过将线圈36环绕储液罐34并保持直流电流通过线圈36来产生，使得分子以其第三原子自旋方向排列，从而使得H3保持长时间的稳定性。降低存储温度能进一步提高长期H3稳定性。
液态氢(H2)在温度约20K左右沸腾。保持H3的温度接近OK可理想地增长其半衰期，并直接地支持了H3分子的普通第三质子自旋结构和磁场的保持。与用于生产液态氢相同的冷却系统可被用于保持所需要的温度。
热分解是将液态H3用作推进剂的基准方法。当被用作火箭的单推进剂时，液态H3可被注入热压室内，在该室中，H3分子的分解和H2分子的重组将产生一股低分子量排出产物的热流。当被用在高性能空气吸气式应用中时，如冲压式喷气发动机和超音速燃烧冲压喷气发动机中，H3分子分解为H2+H和热H原子与空气的快速燃烧在目前难以达到的条件下有利于更高的比冲量和持久燃烧。
本发明提供了一种方法和系统，通过生产、浓缩、储存以及最终推进分解三原子氢来应对用于空间推进器和高性能空气吸气式推进器应用的更高比冲量推进剂的需求。
权利要求
1.一种用于生产、稳定和浓缩三原子氢的系统，包括仲氢形式的液态氢源；将所述仲氢和每个原子都具有同样质子自旋的第三氢原子结合以形成全部具有相同净磁性取向的液态H3分子的装置；以及利用连续磁场来保持所述液态H3分子中所述磁性取向的装置。
2.根据权利要求
1所述的系统，其中所述仲氢源包括含有液态氢的罐，液态氢以液态形式被保存足够长时间以使得氢分子转变为所述仲氢形式，所述液态氢流流经的管道系统以及用于使所述液态氢流循环通过所述管道系统的泵。
3.根据权利要求
1所述的系统，还包括用于浓缩所述液态H3分子的装置。
4.根据权利要求
3所述的系统，其中所述浓缩装置包括旋转罐，其中所述旋转罐中具有延长所述液态氢通过所述旋转罐的传输时间并迫使液态氢在通过旋转罐的通道上偏离中线的装置。
5.根据权利要求
4所述的系统，其中所述传输时间延长和迫使装置包括多个流体挡板。
6.根据权利要求
1所述的系统，其中所述结合装置包括提供气态氢气流的装置，在所述气态氢中离解氢分子和电离单个氢原子的装置，以及通过其质子自旋分离电离氢原子的装置。
7.根据权利要求
6所述的系统，其中所述离解装置包括电弧，以及所述分离装置包括在所述气态氢流周围产生磁流场的装置。
8.根据权利要求
6所述的系统，其中所述结合装置还包括将相似自旋质子的第一流注入所述液态氢流内的装置，以及排出相反自旋质子的第二流的装置。
9.根据权利要求
8所述的系统，还包括位于所述注入装置下游的将H3离子转变为H3分子的装置。
10.根据权利要求
9所述的系统，其中所述转变装置包括带负电荷的栅极。
11.根据权利要求
1所述的系统，还包括用于储存浓缩的液态H3分子的储液罐和产生使分子以其第三原子自旋方向排列的磁场的装置。
12.根据权利要求
1所述的系统，其中所述液态氢流流经管道系统，并且所述磁性取向保持装置包括产生环绕部分所述管道系统的磁场的装置。
13.一种生产、稳定和浓缩三原子氢的方法，包括以下步骤提供仲氢形式的液态氢源；将所述仲氢和全部具有同样质子自旋的第三氢原子结合以形成全部具有相同净磁性取向的液态H3分子；和利用连续磁场来保持所述磁性取向。
14.根据权利要求
13所述的方法，还包括使所述液态氢流循环通过管道系统到旋转罐，并在所述旋转罐中浓缩液态氢H3分子。
15.根据权利要求
14所述的方法，其中所述浓缩步骤包括使所述液态氢流通过延长液态氢流通过旋转罐的传输时间并迫使液态氢流在所述液态氢流通过所述旋转罐时偏离中线的装置。
16.根据权利要求
13所述的方法，其中所述结合步骤包括提供气态氢流，将所述氢通过电弧以离解氢分子并使单独的氢原子电离，以及通过其质子的自旋磁分离所述电离的氢原子。
17.根据权利要求
16所述的方法，其中所述结合步骤还包括将相似自旋质子的第一流注入所述液态氢流，并排出相反自旋质子的第二流。
18.根据权利要求
13所述的方法，其中所述保持步骤包括产生环绕所述液态氢流经的部分管道的磁场。
19.根据权利要求
13所述的方法，还包括将所述结合的液态氢流和所述第三氢原子通过带负电荷的栅极使得H3+离子转变为所述液态H3分子，并将浓缩的液态H3分子储存在储液罐中。
20.根据权利要求
19所述的方法，还包括施加磁场于所述储液罐中，使得液态H3分子以其第三原子自旋的方向排列，和降低所述储液罐中的储存温度。
21.一种推进剂，包括具有以第三原子自旋方向排列的所述分子的液态H3分子。
22.一种形成推进剂的方法，包括提供仲氢形式的液态氢源；将所述液态氢流通过流动系统；将具有相似自旋质子的氢离子注入到所述液态氢流；保持所述质子的自旋方向；将所述液态氢中的H3+离子转变为在低温温度下稳定的液态H3分子；从液态H2中浓缩出液态H3分子；和提取液态H3分子并储存液态H3分子以用作推进剂。
23.根据权利要求
22所述的方法，还包括通过提供气态氢流，将所述气态氢流通过电弧使得氢分子离解以及单独的氢原子电离，并通过质子自旋分离电离的氢原子而形成所述具有相似自旋质子的所述氢离子。
24.根据权利要求
23所述的方法，所述分离步骤包括给所述电离的氢原子施加磁场。
25.根据权利要求
24所述的方法，还包括通过出口排出相反自旋质子的流。
26.根据权利要求
22所述的方法，其中所述转变步骤包括将所述液态氢流通过带负电荷的栅极，其中所述浓缩步骤包括将液态氢流通过具有多个挡板的旋转罐，以使液态氢通过旋转罐的传输时间延长并迫使流动的液态氢在所述液态氢通过所述旋转罐时偏离中线。
专利摘要
一种生产、稳定和浓缩三原子氢的系统，包括仲氢形式的液态氢源，液态氢流流经的管道系统，用于将仲氢形式的液态氢和全部具有相同质子自旋的第三氢原子结合以形成全部具有净磁性取向的H
文档编号C06D5/00GKCN1796269SQ200510131573
公开日2006年7月5日 申请日期2005年11月14日
发明者J·M·汉弗莱, E·J·布里特, S·E·罗特, H·H·维兰 申请人:联合工艺公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan