Система для извлечения, хранения и использования атмосферного газа для применения в качестве реактивного рабочего тела - RU2613078C2

Чертежи

Показать все 8 чертежа(ей)

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к системе для извлечения и последующего хранения и использования атмосферного газа для применения в качестве реактивного рабочего тела в транспортном средстве и, в частности, к такой системе для извлечения атмосферного СО₂ из марсианской атмосферы для использования в качестве рабочего тела в транспортном средстве для исследования Марса, двигательной системе, включающей такую систему, и транспортному средству, включающему такую двигательную систему.

Уровень техники

[0002] Для цели исследования поверхности Марса были предложены и разработаны разнообразные формы транспортных средств. Один тип такого транспортного средства представляет собой колесную тележку, известную как «ровер» («вездеход»), которая, высадившись на посадочной площадке, переезжает по поверхности планеты и периодически останавливается для проведения научных экспериментов. Транспортное средство этого типа имеет преимущество в том, что оно имеет привод от электрических двигателей, и энергия для приведения транспортного средства в движение может быть собрана с использованием солнечных батарей, смонтированных на верхней части транспортного средства. Недостаток транспортного средства этого типа заключается в том, что оно является относительно медленным, и поэтому, перемещаясь по поверхности планеты, может исследовать только очень малую долю поверхности планеты. Кроме того, экстремальная топография поверхности Марса, включающая горы, ущелья и обширные области с большими камнями, делает бóльшую часть поверхности Марса непроходимой для такого колесного исследовательского транспортного средства.

[0003] Транспортное средство еще одного типа, которое было предложено для исследования поверхности Марса, представляет собой летающее транспортное средство, известное как «хоппер» («прыгун»). В транспортном средстве этого типа используют принцип реактивного движения для взлета с поверхности планеты и перелета в еще одно место на поверхности планеты в большом «прыжке». Такие «прыжки» могут включать дистанции перелета летательного аппарата на десятки километров через поверхность планеты, и тем самым транспортное средство этого типа имеет преимущество в способности передвигаться гораздо дальше, чем может колесное транспортное средство. Оно также имеет то преимущество, что в полете от одного местоположения до следующего ему не мешают естественные топологические особенности, такие как упомянутые выше. Однако транспортное средство «хоппер» имеет тот недостаток, что для совершения «прыжка» требуется реактивное топливо. Если бы топливо нужно было взять с летательным аппаратом с земли, то запас топлива, необходимого для успешной миссии исследования Марса, предусматривающей множество «прыжков», был бы очень тяжелым, и поэтому транспортирование такого большого количества топлива с Земли было бы исключительно дорогостоящим. В альтернативном варианте для снижения затрат на выполнение этой задачи могло бы быть предусмотрено меньшее количество топлива, но это означало бы, что транспортное средство «хоппер» было бы способно выполнить небольшое число прыжков, значительно ограничивая диапазон действия транспортного средства и/или полезную продолжительность исследовательской миссии.

Сущность изобретения

[0004] Поэтому цель настоящего изобретения состоит в создании системы для генерирования реактивного рабочего тела для такого транспортного средства и двигательной системы и транспортного средства, включающих такую систему, которая в значительной мере ослабляет или преодолевает вышеупомянутые проблемы. Более конкретно целью настоящего изобретения является создание системы для извлечения, хранения и использования газа из окружающей атмосферы в качестве реактивного рабочего тела и двигательной системы и транспортного средства, включающих такую систему.

[0005] Соответственно этому, настоящее изобретение представляет систему для извлечения и распределения атмосферного газа для применения в качестве реактивного рабочего тела в транспортном средстве, включающую компрессор, предназначенный для засасывания и сжатия атмосферного газа, первый и второй баки-хранилища, предназначенные для хранения сжиженного атмосферного газа из компрессора, причем каждое хранилище имеет впускной трубопровод для подачи в него сжиженного атмосферного газа, причем впускной трубопровод первого бака-хранилища сообщается по текучей среде с компрессором, причем второй бак-хранилище имеет нагреватель, действующий для нагревания сжиженного атмосферного газа в нем, чтобы преобразовывать его в газ высокого давления, причем второй бак-хранилище включает выпускной трубопровод, сообщающийся по текучей среде с первым баком-хранилищем для подачи газа высокого давления в первый бак-хранилище, и регулирующий клапан в указанном выпускном трубопроводе, и причем первый бак-хранилище включает выпускной трубопровод для вытекания жидкости из первого бака-хранилища под давлением, созданным газом из второго бака-хранилища.

[0006] Предпочтительно система дополнительно включает сжижающий теплообменник, размещенный ниже по потоку относительно компрессора, для сжижения сжатого газа из компрессора.

[0007] Регулирующий клапан в выпускном трубопроводе второго бака-хранилища предпочтительно включает регулирующий клапан Джоуля-Томсона.

[0008] Теплообменник предпочтительно размещен в выпускном трубопроводе второго бака-хранилища, ниже по потоку относительно регулирующего клапана.

[0009] Нагреватель второго бака-хранилища предпочтительно представляет собой электрический нагреватель, хотя нагреватель второго бака-хранилища может включать радиоизотопный нагревательный элемент.

[0010] Предпочтительный вариант осуществления изобретения дополнительно включает множество компрессоров в последовательном соединении, предназначенные для засасывания и сжатия атмосферного газа. Предпочтительно предусмотрены три компрессора, и в предпочтительном варианте исполнения один из компрессоров представляет собой ротационный компрессор, и один из компрессоров представляет собой поршневой компрессор.

[0011] Впускные трубопроводы первого и второго баков-хранилищ предпочтительно могут регулироваться независимо с помощью соответственных питающих клапанов.

[0012] Выходной трубопровод первого бака предпочтительно включает клапан для регулирования потока текучей среды из первого бака.

[0013] Предпочтительный вариант исполнения может включать третий бак-хранилище для хранения сжиженного атмосферного газа, подаваемого из компрессора, причем указанный третий бак-хранилище имеет впускной трубопровод для подведения в него сжиженного атмосферного газа.

[0014] Третий бак-хранилище может включать нагреватель, действующий для нагревания сжиженного атмосферного газа в нем, чтобы преобразовывать его в газ высокого давления, и причем впускной трубопровод третьего бака-хранилища может регулироваться независимо с помощью питающего клапана.

[0015] Впускной трубопровод второго и/или третьего бака-хранилища может сообщаться по текучей среде с компрессором.

[0016] Впускной трубопровод второго и/или третьего бака-хранилища может сообщаться по текучей среде с выпускным трубопроводом из первого бака-хранилища через клапан так, что второй и/или третий бак-хранилище может в регулируемом режиме заполняться из первого бака-хранилища.

[0017] По меньшей мере один из баков-хранилищ предпочтительно включает клапан предельного давления, рассчитанный на открывание, когда давление внутри бака превышает предварительно заданное значение.

[0018] Настоящее изобретение также представляет двигательную систему для полета транспортного средства для исследования поверхности планеты, включающую маршевый реактивный двигатель и множество двигателей малой тяги РСУ (реактивной системы управления), и систему для извлечения и распределения атмосферного газа для использования в качестве реактивного рабочего тела, как описано выше, причем выпускной трубопровод первого бака-хранилища сообщается по текучей среде с маршевым реактивным двигателем через регулирующий клапан для подачи сжиженного атмосферного газа из первого бака-хранилища в маршевый реактивный двигатель для использования в нем в качестве реактивного рабочего тела.

[0019] Маршевый реактивный двигатель может включать выхлопное сопло и перегреватель, предназначенный для преобразования подводимого в него сжиженного атмосферного газа в перегретый газ для выброса через выхлопное сопло в качестве реактивного рабочего тела транспортного средства, чтобы создать реактивную тягу для подъема.

[0020] Перегреватель предпочтительно включает термический конденсатор для переноса теплоты на подаваемый в него сжиженный атмосферный газ, и нагревательное устройство, предназначенное для нагревания термического конденсатора.

[0021] Двигатели малой тяги РСУ предпочтительно сообщаются по текучей среде с маршевым реактивным двигателем для подачи газа высокого давления в двигатели малой тяги РСУ для использования в качестве реактивного рабочего тела.

[0022] В альтернативном варианте двигатели малой тяги РСУ могут сообщаться по текучей среде с одним из второго или третьего баков-хранилищ для подведения газа высокого давления к двигателям малой тяги РСУ для использования в качестве реактивного рабочего тела.

[0023] Кроме того, в дополнение выпускной трубопровод первого бака-хранилища может сообщаться по текучей среде с вторичным перегревателем, предназначенным для преобразования сжиженного атмосферного газа, подводимого в него из первого бака-хранилища, в перегретый газ, причем вторичный перегреватель сообщается по текучей среде с двигателями малой тяги РСУ для подведения газа высокого давления в двигатели малой тяги РСУ для использования в качестве реактивного рабочего тела.

[0024] По меньшей мере один из баков-хранилищ может включать датчик уровня жидкости и управляющее устройство, соединенное с указанным датчиком, причем управляющее устройство предназначено для закрывания впускного питающего клапана данного или каждого бака-хранилища, когда датчик уровня жидкости определяет, что бак заполнен сжиженным атмосферным газом до предварительно заданного уровня.

[0025] Управляющее устройство также может быть выполнено с возможностью управления компрессором, чтобы останавливать его, когда данный или каждый датчик уровня определяет, что уровень жидкости в данном или каждом баке-хранилище достиг предварительно заданного уровня.

[0026] Второй и/или третий бак-хранилище может включать температурный датчик и/или датчик давления, и система может включать управляющее устройство, соединенное с указанным датчиком, причем управляющее устройство может быть предназначено для управления нагревателем соответствующего бака-хранилища в зависимости от зарегистрированной температуры и/или давления, детектированных датчиком(ами).

[0027] Двигательная система может дополнительно включать один или более датчиков положения транспортного средства, и управляющее устройство, соединенное с данным или каждым датчиком положения и с двигателями малой тяги РСУ, предназначенное для приведения в действие одного или более из двигателей малой тяги РСУ в зависимости от сигналов, посылаемых данным или каждым датчиком положения.

[0028] Управляющее устройство может быть соединено с регулирующим клапаном, связанным с каждым двигателем малой тяги РСУ, и может быть предназначено для открывания соответствующего клапана, чтобы позволить газу высокого давления выходить через соответственный двигатель малой тяги РСУ, в зависимости от сигналов, поступающих от данного или каждого датчика положения.

[0029] Настоящее изобретение также представляет способное к полету транспортное средство для исследования поверхности планеты, включающее двигательную систему, как описанную выше.

Краткое описание чертежей

[0030] Теперь предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны только в порядке примера, с привлечением сопроводительных чертежей, на которых:

[0031] фигура 1 показывает схематический вид системы извлечения и распределения реактивного рабочего тела согласно первому варианту осуществления изобретения;

[0032] фигура 2 показывает схематический вид маршевого прыжкового реактивного двигателя для применения в двигательной системе и исследовательском транспортном средстве согласно одному варианту осуществления изобретения;

[0033] фигура 3 показывает схематический вид системы извлечения и распределения реактивного рабочего тела согласно второму варианту осуществления изобретения;

[0034] фигура 4 показывает схематический вид системы извлечения и распределения реактивного рабочего тела согласно третьему варианту осуществления изобретения;

[0035] фигура 5а показывает схематический вид системы извлечения и распределения реактивного рабочего тела согласно четвертому варианту осуществления изобретения;

[0036] фигура 5b показывает схематический вид альтернативной конструкции системы извлечения и распределения реактивного рабочего тела согласно четвертому варианту осуществления изобретения, показанному на фигуре 5а;

[0037] фигура 6 показывает схематический вид системы извлечения и распределения реактивного рабочего тела согласно пятому варианту осуществления изобретения; и

[0038] фигура 7 показывает схематический вид системы извлечения и распределения реактивного рабочего тела согласно шестому варианту осуществления изобретения.

Вариант(ы) осуществления изобретения

[0039] С обращением теперь к фигуре 1 показана система 1 извлечения и распределения реактивного рабочего тела согласно первому варианту осуществления изобретения для применения в марсианском исследовательском транспортном средстве типа «хоппер» и включает бак-хранилище 2 для СО₂ под низким давлением (далее называемый «LP-баком») и бак-хранилище 4 для СО₂ под высоким давлением (далее называемый «HP-баком»). Представлена серия компрессоров 6, 8, 10, которые предназначены для засасывания и сжатия газа из окружающей атмосферы и подачи его в сжижающий теплообменник 12, который охлаждает сжатый атмосферный газ с образованием жидкости. (Система согласно изобретению предназначена для применения на Марсе, где атмосфера на 95% состоит из СО₂, и поэтому для целей простоты описания «атмосферный газ» далее будет описываться как СО₂, хотя должно быть понятно, что изобретение не ограничивается применением только такого атмосферного газа).

[0040] Сжижающий теплообменник 12 соединен с LP- и НР-баками 2, 4 посредством питающего трубопровода (трубы) 14. Питающий трубопровод 14 разделен на две секции, причем первая секция 14а подает сжиженный СО₂ из сжижающего теплообменника 12 в LP-бак 2, и вторая секция 14b подает сжиженный СО₂ в НР-бак 4. Каждая из первой и второй секций 14а, 14b питающего трубопровода включает соответствующий клапан 16, 18, действующий для открывания или закрывания доступа в LP- и НР-баки 2, 4 из питающего трубопровода 14.

[0041] НР-бак 4 включает нагревательное устройство 20, действующее для нагревания содержимого НР-бака 4. НР-бак также включает подающий трубопровод (трубу) 22, выходящий из НР-бака 4 через клапан «Джоуля-Томсона» (или «JT»-клапан) 24, через теплообменник 26 и входящий в верхнюю часть LP-бака 2. JT-клапан 24 может регулироваться для контроля потока текучей среды через него.

[0042] Питающий трубопровод (труба) 28 реактивной системы управления («RCS», РСУ) ответвляется от подающего трубопровода 22 и затем разделяется дополнительно на отдельные питающие трубопроводы (трубы) 30, каждый из которых ведет к одному из множества реактивных двигателей 32 малой тяги реактивной системы управления. Каждый питающий трубопровод 30 включает регулирующий клапан 34 для индивидуального управления подачей СО₂ к соответствующим двигателям 32 малой тяги РСУ.

[0043] Питающий трубопровод (труба) 36 маршевого реактивного двигателя выходит из дна LP-бака 2 и включает регулирующий клапан 38. Питающий трубопровод 36 маршевого реактивного двигателя ведет к маршевому «прыжковому» реактивному двигателю 40 (не показан на фигуре 1, но схематически иллюстрирован на фигуре 2 и разъяснен ниже).

[0044] Система 40 маршевого прыжкового реактивного двигателя схематически показана на фигуре 2 и включает питающий трубопровод 36 из LP-бака 2, который соединен с перегревателем 42 для подачи в него жидкого СО₂. Перегреватель 42 включает термический конденсатор 44 (например, массу металла, такого как бериллий) и нагревательное устройство 46, предназначенное для нагревания термического конденсатора 44 до высокой температуры. Нагревательное устройство 46 может включать любое пригодное устройство, такое как электрический нагреватель или радиоизотопный нагревательный элемент (RHU, РИТ). Реактивное сопло 48 соединено с перегревателем 42 для истечения газообразного СО₂ из маршевого реактивного двигателя 40. При применении нагревательное устройство 46 нагревает термический конденсатор 44 до высокой температуры, и при открывании регулирующего клапана 38 жидкий СО₂ подается из LP-бака 2 по питающему трубопроводу 36 и в перегреватель 42 (смотри стрелку «А»). В перегревателе 42 жидкий СО₂ контактирует с термическим конденсатором 42 и мгновенно образует перегретый газ, который выходит из перегревателя 42 в виде струи из сопла 48 (смотри стрелку «В»), тем самым создавая реактивную тягу для запуска транспортного средства «хоппер» с поверхности Марса.

[0045] Теперь будет описана работа системы 1 извлечения и распределения реактивного рабочего тела согласно первому варианту осуществления изобретения со ссылкой на фигуру 1. Во-первых, компрессоры 6, 8, 10 действуют для засасывания и сжатия атмосферного СО₂ (смотри стрелку «С»). В показанном варианте исполнения иллюстрирована трехступенчатая компрессорная система, предпочтительно включающая начальный ротационный компрессор 6, за которым следуют два поршневых компрессора 8, 10, хотя другие конфигурации компрессорных систем предполагаются входящими в пределы области изобретения. Компрессоры и на самом деле любой имеющий электрической привод компонент описанной далее системы 1 могут снабжаться электрической энергией от солнечных батарей (не показаны) или от аккумулятора (не показан), заряжаемого солнечными батареями, или, в альтернативном варианте, электрическая энергия может вырабатываться радиоизотопным термоэлектрическим генератором (RTG) (не показан). Солнечные батареи имеют преимущество в снабжении бесплатной и неограниченной энергией, но затруднение состоит в необходимости зарядки аккумулятора в течение периода времени для применения ночью, тогда как RTG имеет преимущество в более высокой выходной мощности и в отсутствии ограничения на дневное и ночное применение. Атмосферное давление СО₂, засасываемого в систему 1, составляет около 600 Па, и он выходит из конечного компрессора 10 под давлением около 2 МПа.

[0046] Затем сжатый СО₂ подается в сжижающий теплообменник 12, который охлаждает сжатый СО₂ до температуры около 200-260К (-73÷-13°С) и тем самым сжижает газообразный СО₂. При начале работы системы 1 оба из клапанов 16, 18 на баках открыты, и JT-клапан 24 и регулирующие РСУ-клапаны 34 закрыты. Поэтому жидкий СО₂ подается через питающий трубопровод 14 и затем через обе из первой и второй секций 14а, 14b питающего трубопровода для заполнения жидким СО₂ обоих LP- и НР-баков 2, 4 соответственно. Как только меньший по объему НР-бак 4 заполняется жидким СО₂ (что может быть зарегистрировано подходящим датчиком уровня - не показан), клапан 18 для НР-бака 4 закрывается для прекращения дальнейшей подачи жидкого СО₂ в него, и система продолжает заполнять жидким СО₂ более крупный LP-бак 2. Как только LP-бак 2 заполняется жидким СО₂ (что также может быть зарегистрировано подходящим датчиком уровня - не показан), клапан 16 для LP-бака 2 закрывается для прекращения дальнейшей подачи в него жидкого СО₂.

[0047] По завершении вышеуказанного процесса система 1 извлечения и распределения реактивного рабочего тела затем полностью загружена жидким СО₂ и готова начинать операцию взлета транспортного средства, как описано далее. Приводится в действие нагревательное устройство 20 для нагревания НР-бака 4 и тем самым нагревания содержащегося в нем жидкого СО₂. Это заставляет СО₂ переходить в газообразное состояние внутри НР-бака 4, повышая давление в нем от около 2 МПа до около 7 МПа. Параллельно нагревательное устройство 46 начинает нагревать термический конденсатор 44 в перегревателе 42 системы 40 маршевого реактивного двигателя.

[0048] После этого открывается JT-клапан 24 для возможности поступления газообразного СО₂ под высоким давлением в LP-бак 2 через теплообменник 26. Когда газообразный СО₂ проходит через теплоизолированный JT-клапан 24, он расширяется и поэтому охлаждается, и теплообменник 26 обеспечивает то, что газообразный СО₂ под высоким давлением остается холодным для снижения тепловой нагрузки на LP-бак 2, когда СО₂ под высоким давлением проходит в LP-бак 2. То есть если бы газообразный СО₂ под высоким давлением, поступающий в LP-бак 2, был горячим, он мог бы нагревать жидкий СО₂ уже внутри LP-бака 2 и обусловливать переход его в газообразное состояние, что нежелательно. Как только JT-клапан 24 открывается, и газообразный СО₂ под высоким давлением подается в него из НР-бака 4, сила тяжести заставляет газообразный СО₂ под высоким давлением оставаться наверху LP-бака 2 и жидкий СО₂ оставаться в донной части LP-бака 2, причем высоконапорный газообразный СО₂ оказывает высокое давление на жидкий СО₂. Затем открывается регулирующий клапан 38, и жидкий СО₂ вытесняется, вытекая в питающий трубопровод (трубу) 36 у дна LP-бака 2 под давлением, оказываемым на жидкий СО₂ газообразным СО₂ под высоким давлением, который подается из НР-бака 4. Затем жидкий СО₂ протекает через питающий трубопровод 36 в маршевый реактивный двигатель 40 и создает подъемную реактивную тягу для транспортного средства «хоппер», как описано выше со ссылкой на фигуру 2.

[0049] Когда транспортное средство «хоппер» взлетает под действием силы маршевого реактивного двигателя 40, ориентация транспортного средства «хоппер» отслеживается надлежащими датчиками (не показаны), и управляющее устройство (не показано) приводит в действие двигатели 32 малой тяги РСУ для совершения любых корректировок положения транспортного средства «хоппер», которые могут потребоваться. Двигатели 32 малой тяги РСУ срабатывают при открывании соответствующего регулирующего РСУ-клапана 34, который обеспечивает подачу газообразного СО₂ под высоким давлением непосредственно из НР-бака 4, через питающий трубопровод (трубу) 28 в двигатель 32 малой тяги РСУ. Эта конструкция является в особенности преимущественной, поскольку нет необходимости в отдельном нагревательном устройстве для преобразования жидкого СО₂ в газообразный СО₂ для индивидуальных двигателей малой тяги РСУ, так как СО₂, подаваемый в двигатели 32 малой тяги РСУ, уже находится в газообразном состоянии под высоким давлением из НР-бака 4, пригодном для высвобождения непосредственно через двигатели 32 малой тяги РСУ для регулирования положения.

[0050] Вышеописанная система обеспечивает то преимущество, что имеет место малое или никакое снижение давления, под которым жидкий СО₂ вытесняется из LP-бака 2 в питающий трубопровод 36, поскольку, когда уровень жидкого СО₂ в LP-баке 2 снижается, дополнительное пространство в LP-баке 2 заполняется СО₂ под высоким давлением из НР-бака 4, и тем самым давление в LP-баке 2 поддерживается на постоянном уровне. Это значит, что течение жидкого СО₂ в маршевый реактивный двигатель 40 является постоянным на всем протяжении «прыжкового» полета транспортного средства, и поэтому реактивная тяга, создаваемая маршевым реактивным двигателем 40 во время прыжка, является постоянной для данного открывания регулирующего клапана 38 (хотя сила тяги может регулироваться дросселированием регулирующего клапана 38). Этим преодолевается проблема, которая возникала бы при отсутствии НР-бака 4, если бы LP-бак 2 нагревался бы непосредственно для создания газообразного СО₂ для вытеснения жидкого СО₂ из донной части бака в питающий трубопровод 36. В таком варианте исполнения, когда уровень жидкого СО₂ в LP-баке 2 снижается, падало бы результирующее давление газообразного СО₂ в LP-баке 2, приводя к падению величины расхода потока жидкого СО₂ в маршевый реактивный двигатель 40 через питающий трубопровод (трубу) 38 в конце прыжка, и тем самым мощность маршевого реактивного двигателя 40 транспортного средства «хоппер» не была бы единообразной в ходе «прыжкового» полета, делая управление полетом более затруднительным и укорачивая продолжительность полета.

[0051] Хотя это не показано на фигуре 1, как LP-бак 2, так и НР-бак 4 предпочтительно оснащены тепловой изоляцией для защиты их от колебаний температуры окружающей среды на Марсе. Кроме того, система 1 предпочтительно могла бы включать тепловой выключатель (не показан), соединенный с температурным датчиком, нагревательным устройством и/или радиатором (не показан) на каждом баке 2, 4, чтобы поддерживать температуру каждого бака на оптимальном уровне, например, для предохранения соответствующего бака от слишком сильного охлаждения в ночное время (во избежание затвердевания сохраняемого в нем жидкого СО₂) и слишком сильного нагревания в дневное время (во избежание перехода жидкого СО₂ в нем в газообразное состояние, когда это нежелательно). В случае НР-бака 4 такие тепловой выключатель и температурный датчик могли бы быть соединены с нагревательным устройством 20.

[0052] Когда система 1 включает хранение и распределение газа высокого давления, предпочтительно был бы предусмотрен предохранительный клапан предельного давления (не показан) для предотвращения опасности взрыва, если бы давление в любой части системы превысило предварительно заданный уровень. Такой клапан предельного давления мог бы быть предусмотрен на верху НР-бака 4 для сброса избыточного высоконапорного газообразного СО₂ из системы 1, когда нагревание жидкого СО₂ в НР-баке 4, как описано выше, наиболее вероятно приводило бы к чрезмерному давлению газа в системе 1.

[0053] На фигуре 3 показана и далее будет описана система 51 извлечения и распределения реактивного рабочего тела согласно второму варианту осуществления изобретения. Признаки, общие с системой 1 первого варианта осуществления изобретения, показанного на фигурах 1 и 2, остаются с теми же кодовыми номерами позиций. Система 51 отличается от системы 1 первого варианта осуществления изобретения тем, что вместо одного НР-бака 4 предусмотрены два НР-бака 54а, 54b. Каждый НР-бак 54а, 54b соединен с питающим трубопроводом 14 соответствующей секцией 56, 58 впускного трубопровода через соответствующий клапан 60, 62. Каждый НР-бак 54а, 54b включает соответствующее нагревательное устройство 64, 66, действующее для нагревания содержимого бака.

[0054] Первый НР-бак 54а соединен с LP-баком 2 подающим трубопроводом 22 через JT-клапан 24 и теплообменник 26, согласно описанной выше системе первого варианта осуществления изобретения. Однако первый НР-бак 54а не соединен с двигателями 32 малой тяги РСУ. Вместо этого с двигателями 32 малой тяги РСУ соединен только второй НР-бак 54b через питающий трубопровод 28 и индивидуальные питающие трубопроводы 30, которые ответвляются от питающего трубопровода 28, каждый из которых ведет к одному из двигателей 32 малой тяги РСУ через регулирующий клапан 34 для индивидуального регулирования подачи СО₂ к соответствующим двигателям 32 малой тяги РСУ. Второй НР-бак 54b не соединен с LP-баком 2.

[0055] Теперь со ссылкой на фигуру 3 будет описана работа системы 51 второго варианта осуществления изобретения, хотя, во избежание повторения, не будут опять описаны этапы, идентичные этапам, уже описанным выше со ссылкой на систему 1 первого варианта осуществления изобретения.

[0056] Компрессоры 6, 8, 10 действуют для засасывания и сжатия атмосферного СО₂ (смотри стрелку «С»), который затем подается в сжижающий теплообменник 12, который сжижает газообразный СО₂, как описано ранее. В начале работы системы 51 клапан 16 LP-бака и клапаны 60, 62 обоих НР-баков 54а, 54b открыты, и JT-клапан 24 и регулирующие РСУ-клапаны 34 закрыты. Поэтому жидкий СО₂ подается через питающий трубопровод 14 и затем как через первую секцию 14а впускного трубопровода для заполнения LP-бака 2, так и через каждые секции 56, 58 впускных трубопроводов НР-баков для заполнения НР-баков 54а, 54b, соответственно, жидким СО₂. Как только меньшие по объему НР-баки 54а, 54b заполняются жидким СО₂ (что может быть детектировано подходящим датчиком уровня - не показан), клапаны 60, 62 закрываются для прекращения дальнейшего поступления в них жидкого СО₂, и система продолжает заполнять жидким СО₂ более крупный LP-бак 2. Как только LP-бак 2 заполнится жидким СО₂ (что также может быть определено подходящим датчиком уровня - не показан), клапан 16 для LP-бака 2 закрывается для прекращения дальнейшей подачи в него жидкого СО₂.

[0057] Как только система 51 полностью загружается жидким СО₂, операция взлета транспортного средства может быть начата приведением в действие нагревательных устройств 64, 66 обоих НР-баков 54а, 54b для нагревания жидкого СО₂ в них и перевода его в газ высокого давления. Параллельно нагревательное устройство 46 начинает нагревать термический конденсатор 44 в перегревателе 42 маршевого реактивного двигателя 40.

[0058] После этого открывается JT-клапан 24 для возможности поступления газообразного СО₂ под высоким давлением из первого НР-бака 54а в LP-бак 2 через теплообменник 26, чтобы оказывать высокое давление на жидкий СО₂ в нем. Затем открывается регулирующий клапан 38, чтобы жидкий СО₂ мог протекать в маршевый реактивный двигатель 40, как описано ранее.

[0059] Когда транспортное средство «хоппер» взлетает под действием силы маршевого реактивного двигателя 40, любое необходимое корректирование положения обеспечивается двигателями 32 малой тяги РСУ при открывании соответствующего регулирующего РСУ-клапана 34. Это позволяет подводить газообразный СО₂ под высоким давлением непосредственно из второго НР-бака 54b через питающий трубопровод 28 к двигателям 32 малой тяги РСУ. Как и для системы 1 первого варианта осуществления изобретения, это является преимущественным в том, что нет необходимости в отдельном нагревательном устройстве для преобразования жидкого СО₂ в газообразный СО₂ для индивидуальных двигателей 32 малой тяги РСУ, так как газообразный СО₂ под высоким давлением подается в двигатели 32 малой тяги РСУ непосредственно из второго НР-бака 54b.

[0060] Будет понятно, что в системе 51 второго варианта осуществления изобретения первый НР-бак 54а только создает высоконапорный газообразный СО₂ для того, чтобы вытеснять жидкий СО₂ в маршевый реактивный двигатель 40, и второй НР-бак 54b создает высоконапорный газообразный СО₂ только для двигателей 32 малой тяги РСУ. Поэтому каждый НР-бак 54а, 54b имеет единственное конкретное назначение, означающее, что каждый может быть меньшим по объему, чем одиночный НР-бак 4, необходимый в системе 1 первого варианта осуществления изобретения, и каждый может независимо регулироваться сообразно эксплуатационным требованиям системы для каждого бака и его конкретной функции безотносительно к требуемому функционированию другого из НР-баков 54а, 54b.

[0061] Система 71 извлечения и распределения реактивного рабочего тела согласно третьему варианту осуществления изобретения показана на фигуре 4, в которой признаки, общие с системой 1 первого варианта осуществления изобретения, показанной на фигурах 1 и 2, сохраняют те же кодовые номера позиций. Система 71 отличается от системы 1 первого варианта осуществления изобретения тем, что питающий трубопровод 14 не разделяется на две секции 14а, 14b для соответствующей подачи в LP- и НР-баки 2, 4, но вместо этого питающий трубопровод 14 ведет только к LP-баку 2 через одиночный регулирующий клапан 72. Кроме того, от LP-бака 2 к НР-баку 4 проходит сифонный трубопровод (труба) 74 через сифонный клапан 76.

[0062] В системе с этой альтернативной конфигурацией только LP-бак 2 заполняется жидким СО₂ из сжижающего теплообменника 12 через питающий трубопровод 14, когда открыт регулирующий клапан 72. Когда первоначально заполняется LP-бак 2, открывается сифонный клапан 76, и жидкий СО₂ поступает через сифонный трубопровод 74 в НР-бак 4, тем самым с одновременным заполнением НР-бака 4 жидким СО₂. Как только НР-бак 4 заполняется (что может быть детектировано подходящим датчиком - не показан), сифонный клапан 76 закрывается, и LP-бак 2 продолжает заполняться жидким СО₂. Как только LP-бак 2 заполнится жидким СО₂, регулирующий клапан 72 закрывается. После этого работа системы 71 является такой же, как описано ранее со ссылкой на систему 1 первого варианта осуществления изобретения.

[0063] Система 81 извлечения и распределения реактивного рабочего тела согласно четвертому варианту осуществления изобретения показана на фигуре 5а, в которой признаки, общие с системой 1 первого варианта осуществления изобретения, показанной на фигурах 1 и 2, сохраняют те же кодовые номера позиций. Система 81 отличается от системы 1 первого варианта осуществления изобретения тем, что убран питающий РСУ-трубопровод 28, который ответвляется от подающего трубопровода 22. Вместо этого альтернативный питающий РСУ-трубопровод (труба) 82 выходит из LP-бака 2 вблизи его основания и проходит до второго перегревателя 84 через клапан 86. Выходной трубопровод (труба) 88 проходит от перегревателя 84 к индивидуальным питающим трубопроводам 30, каждый из которых ведет к одному из двигателей 32 малой тяги РСУ через регулирующий клапан 34, согласно системе 1 первого варианта осуществления изобретения.

[0064] При применении LP- и НР-баки 2, 4 системы 81 заполняются жидким СО₂, как и в первом варианте осуществления изобретения. Когда должна быть начата операция взлета транспортного средства, нагревательное устройство 20 НР-бака 4 приводится в действие для нагревания жидкого СО₂ в нем и перевода его в газ высокого давления, и параллельно нагревательное устройство 46 начинает нагревать термический конденсатор 44 в перегревателе 42 системы 40 маршевого реактивного двигателя. Однако вслед за этим также приводится в действие нагревательное устройство (не показано) во втором перегревателе 84 для нагревания термического конденсатора (не показан) в нем.

[0065] После этого открывается JT-клапан 24, чтобы газообразный СО₂ под высоким давлением мог поступать из НР-бака 4 в LP-бак 2 и оказывать высокое давление на жидкий СО₂ в нем, и затем открывается регулирующий клапан 38, чтобы жидкий СО₂ мог протекать в маршевый реактивный двигатель 40 для создания основной реактивной тяги для транспортного средства, как описано ранее. Однако когда во время взлета и полета транспортного средства требуется регулирование положения, открывается клапан 86, чтобы жидкий СО₂ мог протекать из LP-бака 2 во второй перегреватель 84, где он переходит в газообразное состояние, как в перегревателе 42 маршевого реактивного двигателя 40. После этого открывается соответствующий регулирующий РСУ-клапан 34, чтобы перегретый газообразный СО₂ мог протекать через выходной трубопровод 88 через питающий трубопровод 30 и наружу через двигатель 32 малой тяги РСУ. Поэтому в этом варианте осуществления изобретения НР-бак 4 только поставляет газообразный СО₂ для цели создания давления в LP-баке 2, чтобы вытеснять жидкий СО₂ в нем для протекания в маршевый реактивный двигатель 40 и в двигатель 32 малой тяги РСУ, и газообразный СО₂ для создания реактивной тяги как в маршевом двигателе 40, так и в двигателях 32 малой тяги РСУ генерируется соответствующим перегревателем 42, 84, переводящим в газообразное состояние жидкий СО₂, подводимый из LP-бака 2. Однако система 81 по-прежнему обеспечивает описанное выше преимущество в том, что течение жидкого СО₂ к маршевому реактивному двигателю 40 (и также к двигателям 32 малой тяги РСУ) является постоянным на протяжении всей продолжительности «прыжкового» полета транспортного средства.

[0066] Вариант системы 91 для извлечения и распределения реактивного рабочего тела, альтернативный четвертому варианту осуществления изобретения, показан на фигуре 5b, в которой признаки, общие с системой 81 первой версии, показанной на фигуре 5а, сохраняют те же кодовые номера позиций. Система 91 отличается от системы 81 первой версии четвертого варианта осуществления изобретения тем, что убран одиночный второй перегреватель 84, который подает переведенный в газообразное состояние СО₂ во все двигатели 32 малой тяги РСУ, и вместо этого между каждым РСУ-клапаном 34 и соответствующим двигателем 32 малой тяги предусмотрено множество вторичных перегревателей 92. При применении, когда требуется корректирование положения во время взлета и полета транспортного средства, открывается клапан 86, чтобы жидкий СО₂ мог протекать из LP-бака 2 через выходной трубопровод 82 к регулирующим РСУ-клапанам 34. Затем, когда открывается соответствующий регулирующий РСУ-клапан 34, жидкий СО₂ протекает в соответствующий перегреватель 92, который переводит в газообразное состояние жидкий СО₂, который затем выходит из двигателя 32 малой тяги РСУ для выполнения необходимого корректирования положения. Поэтому в этой альтернативе четвертого варианта осуществления изобретения НР-бак 4 только производит газообразный СО₂ с целью создания давления в LP-баке 2, чтобы вытеснять жидкий СО₂ из него для течения в маршевый реактивный двигатель 40 и двигатели 32 малой тяги РСУ. Газообразный СО₂ для создания силы тяги в маршевом реактивном двигателе 40 генерируется, как описано ранее. Однако газообразный СО₂ для создания силы тяги в двигателях малой тяги РСУ генерируется индивидуальными перегревателями 92, переводящими в газообразное состояние жидкий СО₂, подводимый из LP-бака 2, причем один перегреватель 92 связан с каждым индивидуальным двигателем 32 малой тяги РСУ. Однако система 91 по-прежнему обеспечивает описанное выше преимущество в том, что течение жидкого СО₂ к маршевому реактивному двигателю 40 и к двигателям 32 малой тяги РСУ является постоянным на протяжении всей продолжительности «прыжкового» полета транспортного средства.

[0067] Система 101 извлечения и распределения реактивного рабочего тела согласно пятому варианту осуществления изобретения показана на фигуре 6, в которой признаки, общие с системой 1 первого варианта осуществления изобретения, показанной на фигурах 1 и 2, сохраняют те же кодовые номера позиций. Следует отметить, что система 101, показанная на фигуре 6, также иллюстрирует маршевый реактивный двигатель 40, соединенный с питающим трубопроводом 36 из LP-бака 2. Система 101 отличается от системы 1 первого варианта осуществления изобретения тем, что убран питающий РСУ-трубопровод 28, который ответвляется от подающего трубопровода 22, и тем самым НР-бак 4 только подает газообразный СО₂ в LP-бак 2. РСУ-система снабжается газообразным СО₂ от подводящего РСУ-трубопровода 102, который проходит от перегревателя 42 маршевого реактивного двигателя 40 к каждому из индивидуальных питающих РСУ-трубопроводов 30.

[0068] При применении система 101 действует для заполнения LP- и НР-баков 2, 4 жидким СО₂, согласно описанной выше системе 1 первого варианта осуществления изобретения. Подобным образом в процессе запуска маршевый реактивный двигатель 40 работает согласно системе 1 первого варианта осуществления изобретения. Однако когда во время взлета/полета требуется корректирование положения транспортного средства, открывается соответствующий регулирующий РСУ-клапан 34, и газообразный СО₂ под высоким давлением подается через перегреватель 42 маршевого реактивного двигателя 40 через подающий РСУ-трубопровод 102 на соответствующий двигатель 32 малой тяги РСУ.

[0069] Система 111 извлечения и распределения реактивного рабочего тела согласно шестому варианту осуществления изобретения показана на фигуре 7, в которой признаки, общие с системой 1 первого варианта осуществления изобретения, показанной на фигурах 1 и 2, сохраняют те же кодовые номера позиций. Система 111 отличается от системы 1 первого варианта осуществления изобретения тем, что убран питающий РСУ-трубопровод 28, который ответвляется от подающего трубопровода 22. Вместо этого предусмотрен второй выпускной трубопровод 113 НР-бака 4, который проходит к РСУ-системе. Поэтому первый выпускной трубопровод НР-бака 4, а именно подающий трубопровод 22, поставляет газообразный СО₂ в LP-бак 2, и второй, отдельный выпускной трубопровод 113 подает газообразный СО₂ в каждый из индивидуальных питающих РСУ-трубопроводов 30.

[0070] При применении система 111 действует для заполнения LP- и НР-баков 2, 4 жидким СО₂, согласно описанной выше системе 1 первого варианта осуществления изобретения. Подобным образом в процессе запуска маршевый реактивный двигатель 40 работает согласно системе 1 первого варианта осуществления изобретения. Однако когда во время взлета/полета требуется корректирование положения транспортного средства, открывается соответствующий регулирующий РСУ-клапан 34, и газообразный СО₂ под высоким давлением подается непосредственно из НР-бака 4 через второй выпускной трубопровод 113 на соответствующий двигатель 32 малой тяги РСУ независимо от течения СО₂ через подающий трубопровод 22.

[0071] Предполагается, что признак описанного выше шестого варианта осуществления изобретения, в котором НР-бак 4 включает два отдельных выпускных трубопровода 22, 113, независимо подающих газообразный СО₂ в LP-бак 2 и двигатели 32 малой тяги РСУ, соответственно, мог бы быть равным образом применим к другим вариантам осуществления изобретения, описанным ранее, например, в третьем варианте осуществления изобретения, показанном на фигуре 4.

[0072] Будет понятно, что все варианты осуществления изобретения представляют преимущества, описанные выше со ссылкой на первый вариант осуществления изобретения, в том, что имеет место малое или никакое снижение давления, с которым жидкий СО₂ вытесняется из LP-бака 2 в питающий трубопровод 36, поскольку, когда уровень жидкого СО₂ в LP-баке 2 падает, дополнительное пространство в LP-баке 2 заполняется газом СО₂высокого давления из НР-бака 4/54а, тем самым поддерживая единообразное течение жидкого СО₂ к маршевому реактивному двигателю 40 во время «прыжкового» полета транспортного средства.

[0073] Хотя это не показано на фигурах 3-7, как в отношении первого варианта осуществления изобретения, LP-бак 2 и НР-бак 4/54а предпочтительно оснащены тепловой изоляцией для защиты их от колебаний температуры окружающей среды. Кроме того, по разъясненным выше соображениям системы 51, 71, 81, 91, 101, 111 предпочтительно могли бы включать тепловой выключатель (не показан), соединенный с температурным датчиком, нагревательным устройством и/или радиатором (не показан) на каждом баке 2, 4, 54а, 54b.

[0074] Все варианты осуществления изобретения предполагаются содержащими систему управления (не показана), включающую одно или более управляющих устройств, которые могут действовать для управления разнообразными функциями вышеописанных компонентов. Например, управление компрессорами, впускными и выпускными клапанами баков, клапаном 38 основного питающего трубопровода для подачи жидкого СО₂ на маршевый реактивный двигатель 40 и клапанами 34 контроля положения. Кроме того, в дополнение с данным или каждым управляющим устройством в системе могли бы быть соединены датчики (не показаны), такие как датчики уровня заполнения бака для выдачи выходного сигнала для контроля работы компрессоров и впускных клапанов, датчики температуры и/или давления в НР-баках для нагревателя, регулирования работы системы двигателей малой тяги РСУ и JT-клапана и датчики положения для корректирования работы РСУ-системы. Кроме того, температурные датчики на всех из баков, соединенные с тепловым выключателем и нагревателями и/или радиаторами для обеспечения того, что температуры баков остаются на оптимальном уровне и не становятся слишком холодными в ночное время или слишком горячими в течение дня.

[0075] Хотя это не показано на фигурах 3-7, как в отношении первого варианта осуществления изобретения, предохранительный клапан предельного давления (не показан) был бы предпочтительно предусмотрен для предотвращения опасности взрыва, если бы давление в любой части системы превысило предварительно заданный уровень. Такой клапан предельного давления мог бы быть размещен на верху НР-бака 4, 54а, 54b для сброса избыточного высоконапорного газообразного СО₂ из системы.

[0076] Следует отметить, что разнообразные варианты осуществления изобретения, описанные выше и показанные на сопроводительных чертежах, представляют собой только примеры изобретения, и разнообразные модификации и вариации предполагаются входящими в пределы области изобретения, определяемой приведенными ниже пунктами патентной формулы. Кроме того, любые комбинации описанных выше невзаимоисключающих признаков предполагаются попадающими в пределы области изобретения. Например, система, показанная на фигуре 4, где НР-бак 4 заполняется по сифонному трубопроводу 74 из LP-бака 2, могла бы быть модифицирована включением признаков варианта исполнения, показанного на фигуре 3, так, что один или более сифонных трубопроводов питали бы два НР-бака, причем один бак соединен с LP-баком 2 для подачи в него сжатого газа, чтобы вытеснять из него сжиженный атмосферный газ, и другой НР-бак связан с двигателями 32 малой тяги РСУ для подведения к ним газа высокого давления.

[0077] Дополнительной вариацией изобретения, не показанной на сопроводительных фигурах, но предполагаемой в пределах области изобретения, могла бы быть комбинация вариантов исполнения, показанных на фигурах 4 и 6, которая могла бы включать НР-бак 4, заполняемый сжиженным атмосферным газом через сифонный трубопровод 74 из LP-бака 2, но причем выпускной трубопровод 22 НР-бака 4 был бы соединен только с LP-баком 2 для подачи в него сжатого газа, чтобы вытеснять сжиженный атмосферный газ из него, и двигатели 32 малой тяги РСУ получали бы газ высокого давления из перегревателя 42 маршевого реактивного двигателя 40.

Реферат

Группа изобретений относится к двигательным системам транспортных средств, использующим внешние ресурсы космической среды. Система включает в себя компрессоры (6, 8, 10) для засасывания и сжатия атмосферного газа, первый (2) и второй (4) баки-хранилища сжиженного (например, в теплообменнике (12)) газа. Баки (2) и (4) через впускные трубопроводы (14а, 14b) сообщаются с компрессорами. Бак (4) имеет нагреватель (20) для преобразования сжиженного газа в газ высокого давления и сообщается, через регулирующий клапан (24) и трубопровод (22), с баком (2). Из последнего жидкость вытесняется через выпускной трубопровод (36). Получаемое жидкое топливо может применяться как в космических летательных аппаратах, так и в средствах для исследования поверхности планеты с атмосферой. Техническим результатом группы изобретений является расширение возможностей, в т.ч. увеличения длительности осуществления космических исследовательских программ. 3 н. и 26 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула