June 1st, 2012

тайконавт

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ RU 2451631 C1 (ч1)

(54) СПОСОБ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ-НАКОПИТЕЛЕЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к космическим транспортным системам, их энергообеспечению, способам доставки грузов в космос и организации грузообмена между космическими аппаратами. Способ энергообеспечения космических аппаратов-накопителей включает захват и ускорение атмосферного воздуха и грузов, передачу накопленных веществ на другие космические аппараты, компенсацию потерь скорости космического аппарата-накопителя от захвата и ускорения атмосферного воздуха, грузов и аэродинамического сопротивления. Энергоснабжение космического аппарата-накопителя обеспечивают полностью или частично за счет использования химической, кинетической и тепловой энергий поступающих грузов. Химическая энергия обеспечивается в случае, когда грузы поступают в виде окислителя и горючего, продукты окисления передаются на другие космические аппараты для дальнейшего использования и/или переработки. Кинетическая энергия в виде тормозного импульса обеспечивается при обмене грузами космическими аппаратами-накопителями в случае встречного их движения или при поступлении грузов, доставленных суборбитальными ракетами. Тепловая энергия обеспечивается при торможении поступающих в космический аппарат-накопитель грузов и воздуха и из теплоаккумулирующих веществ, передаваемых с других космических аппаратов. Для безотходного многократного использования в космическом аппарате-накопителе организуется система межорбитального круговорота грузов-энергоносителей по восстановлению химической и тепловой энергий на спутниковых энергостанциях, расположенных на более высоких орбитах, и кинетической энергии при помощи межорбитальных буксиров, аппаратов-накопителей, аппаратов-заправщиков и других космических аппаратов, обращающихся на более высоких орбитах, с которыми космический аппарат-накопитель производит обмен грузами. Достигается уменьшение массогабаритной характеристики энергоустановки.

Изобретение относится к космическим транспортным системам, их энергообеспечению, способам доставки грузов в космос и грузообмена между космическими аппаратами.

Начавшаяся индустриализация космоса означает постепенный перенос производства различных изделий и энергии с Земли в космическое пространство. Это требует наличия гораздо более дешевых способов транспортировки материалов и оборудования с Земли на низкую околоземную орбиту, с нее в дальний космос, а так же обратного потока с Луны и астероидов на низкую околоземную орбиту. Практикуемые технологии не способны обеспечить полномасштабную индустриализацию внеземного пространства. Существенное снижение удельных затрат на доставку грузов в космос с одновременным обеспечением экологической безопасности грузопотока таким образом является важной проблемой космонавтики.

Существует группа технических решений обозначенной проблемы.


Collapse )

...
(продолжение см. ч2)

тайконавт

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ RU 2451631 C1 (ч2)

... (см. часть 1)

В ином варианте при организации межорбитального кругооборота лития и поставках с Земли фтора, фактическая энергоемкость фтора при окислении им лития из бортовых запасов КАН достигает величины в 32,3 МДж/кг. С учетом тормозного тепла, дополнительно выделяемого фтором, это в итоге обеспечивает энергию в 59,6 МДж/кг, преобразование которой в электрическую форму дает 42,2 МДж/кг при потребности тросового двигателя в энергии объемом не выше 32 МДж/кг. Избыток составляет 10,2 МДж/кг. Если условия эксплуатации КАН не требуют значительных энергозатрат на преодоление аэродинамического сопротивления, то избыток может быть израсходован на поставку дополнительных грузов в диапазоне 0,32-0,64 кг на каждый 1 кг фтора.

Способ, предусматривающий разложение продуктов химической реакции, то есть регенерацию топлива, и организацию межорбитального кругооборота продуктов разложения и синтеза, дает возможность вместо дефицитного бериллия и неудобного в обращении фтора использовать более доступные и удобные вещества, например, такие как алюминий и кислород. Тогда при межорбитальном кругообороте алюминия энергоемкость груза из кислорода при его использовании на орбитальной энергостанции КАН будет равна 34,9 МДж/кг, а при межорбитальном кругообороте кислорода и поставках с Земли алюминия энергоемкость металлического горючего равна 31 МДж/кг. Здесь наряду с тепловой энергией, выделяемой при относительном торможении грузов в КАН, создается энергетический ресурс и для попутного вывода с Земли любых других грузов с невыгодной низкой энергоемкостью. Однако использование избытка энергии, выделяемой грузами, в спутниковой энергостанции лучше всего осуществлять на основе других более эффективных веществ.

Поставки с Земли водорода при его окислении фтором из бортовых запасов КАН дают выделение энергии в размере 270 МДж на каждый 1 кг водорода. Дополнительно к этой величине прибавляется тепло объемом 27,3 МДж/кг, что поднимает удельную величину энергоснабжения почти до 300 МДж/кг. Такой избыток энергии дает возможность при поставках в КАН водорода на каждый 1 его килограмм дополнительно транспортировать с Земли еще 8,29 килограммов любых других веществ без учета использования тепла, выделяемого в камере приема грузов. С использованием этого ресурса масса попутных грузов может возрасти до 16,58 кг на 1 кг груза в виде водорода. Замена фтора кислородом не существенно уменьшает производство энергии для двигательной установки КАН - генерация энергии снижается до 119,5 МДж на 1 кг водорода, что с учетом рекуперации тепла, выделяемого при приеме попутных грузов, дает массу попутных грузов в 7,18 кг на 1 кг груза в виде водорода. Допустима и замена кислорода литием - энергоемкость водорода в этом случае снижается до удовлетворительной величины в 90,7 МДж/кг.


Collapse )

Вместе с тем, при сохранении значения энергетической поддержки РН для большинства случаев использования топлива менее калорийного, чем бериллий-кислород или литий-фтор, значительные результаты обеспечиваются другим, более расширенным вариантом энергоснабжения КАН - использованием бросового тепла, выделяемого в камере приема грузов. Как уже отмечалось, грузы, нагревшиеся при относительном торможении в камере, продвигаются в теплообменный отдел камеры, оснащенный тепловыми аккумуляторами. Отбор тепла от вещества, захваченного КАН, производится так, что по мере остывания его при продвижении сквозь батарею тепловых аккумуляторов используются теплонакапливающие вещества со все более низкой температурой фазового перехода. Скрытая теплота плавления (и/или парообразования) теплоаккумулирующих веществ затем используется для выработки электроэнергии в парогазовых установках (КПД=0,6). Тепло от относительного торможения грузов в КАН дает 27,17 МДж/кг (для круговой скорости на высоте 120 км), что после трансформации дает 16,3 МДж/кг электроэнергии и с избытком покрывает дефицит энергопотребления ЭДТС без помощи солнечных энергостанций или суборбитальных РН с дополнительным горизонтальным разгоном.

Здесь такие топливные пары, как бериллий-кислород и литий-фтор способны полностью обеспечить КАН энергией для выполнения работы по их доставке в орбитальные хранилища. Другие же виды топлива, если их не используют с вышеуказанными топливными парами, требуют дополнительной подпитки энергией из других источников. Когда в качестве промежуточного или переходного варианта в качестве вспомогательного источника используют солнечную энергостанцию, то по сравнению с прототипом масса и площадь светоприемных панелей энергостанции многократно сокращается. Применение в качестве груза-энергоносителя топлива алюминий-азот сокращает потребность в использовании солнечной энергии в 3,4 раза, топлива бор-азот сокращает потребность в 4,3 раза, топлива литий-водород в 4,9 раз, пары водород-кислород в 6,3 раза, водород-фтор сокращает потребность в 6,6 раз, топливо кремний-кислород дает сокращение в 9 раз, пара алюминий-кислород обеспечивает сокращение в 12,7 раз, а топливо бор-кислород снижает потребление солнечной энергии в 30,8 раза по сравнению с прототипом при выполнении равного объема работы по доставке грузов в орбитальные хранилища.

... (см. продолжение ч3)

тайконавт

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ RU 2451631 C1 (ч3)

... (см. часть 2)

Как уже отмечалось, ранее вместо энергетической подпитки от вспомогательной солнечной энергостанции выгодно использовать дополнительный разгон грузов в горизонтальном направлении суборбитальными РН. Для ряда грузов-энергоносителей достаточно будет сообщения им поперечной скорости в диапазоне от 2000 до 3000 м/с.

Следующим этапом в реализации предлагаемого способа энергоснабжения КАН может считаться переход к использованию дополнительной энергии солнечной или ядерной энергостанций, размещенных на других космических аппаратах, обращающихся на более высоких орбитах, с которыми КАН производит обмен грузами. В предлагаемом способе энергообеспечения КАН, грузами, передаваемыми от КАН в орбитальные хранилища, в большей части являются разнообразные химические соединения элементов с фтором, кислородом, хлором, азотом и углеродом, что удобно для длительного хранения и для использования в качестве конструкционных материалов, в том числе в системах радиационной защиты. Однако во многих случаях космическим потребителям требуются не окисленные элементы, например, кремний и алюминий, а так же кислород и водород в несвязанном виде. Причем потребности в той или иной группе веществ, полученных в результате химического разложения их соединений, так же неодинаковы. Например, разложение окиси бериллия ради получения кислорода приводит к накоплению в орбитальных хранилищах излишков металлического бериллия, притом, что он необходим для обеспечения транспортных операций в КАН. Таким образом, следующий этап реализации способа закономерно вытекает из потребностей космического производства и транспорта. Поток грузов от КАН к космическим аппаратам-потребителям и орбитальным хранилищам в виде продуктов экзотермических реакций дополняется встречным потоком грузов от космических аппаратов в сторону КАН в виде компонентов топлива, готовых к энерговыделению в КАН.

Замкнутый кругооборот используется для энергетической подпитки процессов аккумуляции грузов вместо солнечных преобразователей энергии при использовании различных малокалорийных топливных пар, например, таких как вышеперечисленные алюминий-азот, бор-азот, литий-водород, водород-кислород, водород-фтор, кремний-кислород, алюминий-кислород, бор-кислород. А регенерация таких эффективных зарядов топлива, как бериллий-кислород и литий-фтор используется для энергообеспечения перемещений межорбитальных буксиров на предельно низких высотах.

Collapse )

Преимущество энергоснабжения КАН с комбинированной ДУ по способу, описанному в двух подвариантах, состоит в том, что во-первых, решается проблема аэродинамического сопротивления троса на малых высотах, а во-вторых, достижимо очень малое соотношение массы КАН и массы захватываемого груза - для рассмотренного диапазона межорбитальных маневров между 100 и 1000 км, масса КАН может быть всего лишь в 15 раз больше массы захватываемого груза-энергоносителя. Обозначенное соотношение масс, скорее всего, имеет пока теоретический интерес из-за сложностей аккумуляции тормозного тепла при малых массах теплоаккумулирующих веществ и больших тормозных ускорениях КАН - тормозной импульс от захвата груза в перигее доходит до 551 м/с, а перегрузки достигают 56 g (при длине трека из захватываемого груза около 8000 м), но при многовитковом поэтапном захвате грузов с соответственно меньшими перегрузками и/или меньших диапазонах высот, обеспечивающем более приемлемое соотношение масс в 30-100 единиц (для грузов из слабо испаряющихся и тугоплавких материалов), имеет уже практическую значимость и показывает преимущество заявляемого способа перед аналогами и прототипом.

Таким образом, реализуемая в предлагаемом способе возможность использования грузов в качестве энергоносителей позволяет снизить удельные затраты на доставку грузов в космос, сократить массу и габариты энергоустановки, а организация межорбитального кругооборота веществ-энергоносителей позволяет повысить безопасность и экономическую эффективность.


Формула изобретения

Способ энергообеспечения космических аппаратов-накопителей, включающий захват и ускорение атмосферного воздуха и грузов, находящихся на пути движения аппарата-накопителя, предварительно выброшенных суборбитальными и космическими аппаратами, передачу накопленных веществ на другие космические аппараты, компенсацию потерь скорости космического аппарата-накопителя от захвата и ускорения атмосферного воздуха, грузов и аэродинамического сопротивления использованием питаемых энергией от спутниковой энергостанции двигательных установок, как реактивного типа с расходом части поступающего груза или воздуха, так и электродинамического, на основе тросового двигателя-генератора, образующего вертикальную спутниковую систему, отличающийся тем, что

энергоснабжение космического аппарата-накопителя обеспечивают полностью или частично за счет использования химической, кинетической и тепловой энергий поступающих грузов:

Collapse )
собрат, белые негры

Опубликована международная заявка по третьему изобретению - PCT/RU2011/000002




1. (WO2012070978) METHOD FOR THE ENERGY PROVISION OF SPACECRAFT TANKS

Latest bibliographic data on file with the International Bureau

Pub. No.: WO/2012/070978 International Application No.: PCT/RU2011/000002
Publication Date: 31.05.2012 International Filing Date: 11.01.2011
Chapter 2 Demand Filed: 19.09.2011
IPC:
B64G 1/42 (2006.01), B64G 1/40 (2006.01)

Applicants: MAIBORODA, Alexander Olegovich [RU/RU]; (RU)
Inventors: MAIBORODA, Alexander Olegovich; (RU)
Priority Data:
2010147704 22.11.2010 RU
Title (EN) METHOD FOR THE ENERGY PROVISION OF SPACECRAFT TANKS
(FR) PROCÉDÉ D'ALIMENTATION ÉLECTRIQUE D'ENGINS-ACCUMULATEURS SPATIAUX
(RU) СПОСОБ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ-НАКОПИТЕЛЕЙ
Abstract: front page image
(EN)The invention relates to the energy provision of space transport systems and to the organization of a load flow between spacecraft in planetary orbits. The method comprises a spacecraft tank trapping and accelerating atmospheric air and loads located in the trajectory of movement thereof. The loads are transported beforehand to said trajectory by corresponding spacecraft, including suborbital spacecraft, and are then transferred to other spacecraft. Velocity losses of the spacecraft tank due to the trapping and accelerating of atmospheric air, loads and to aerodynamic drag are compensated for by a propulsion unit. The propulsion unit may use reactive engines - with consumption of part of the incoming load - or electrodynamic cable systems. Operation of the propulsion unit of the spacecraft tank is ensured by a supply of load energy carriers using atmospheric gases. Furthermore, an interorbital circulation system of said load energy carriers, with recovery of the energy thereof in other spacecraft for repeated use in a spacecraft tank, is established. The invention is directed towards reducing specific waste in the transporting of loads into space with an accompanying improvement in the overall mass characteristics of the spacecraft tank energy unit and an increase in the ecological safety of the load flow.
(FR)L'invention se rapporte à l'alimentation électrique de systèmes de transport spatiaux ainsi qu'à l'organisation du flux de charges entre des engins spatiaux en orbite autour de la planète. Le procédé comprend la prise et l'accélération par l'engin spatial-accumulateur de l'air de l'atmosphère et des charges se trouvant sur sa trajectoire de déplacement. Les charges sont préalablement acheminées sur cette trajectoire par des engins spatiaux correspondants et notamment suborbitaux, puis sont transmises à d'autres engins spatiaux. La compensation des pertes de vitesse de l'engin spatial-accumulateur dues à la prise et à l'accélération de l'air atmosphérique, aux charges et à la résistance aérodynamique se fait à l'aide d'une installation motrice. L'installation motrice peut comprendre des moteurs à réaction utilisant une partie de la charge entrante ou des systèmes de câbles électrodynamiques. Le fonctionnement de l'unité motrice de l'engin spatial accumulateur se fait par l'alimentation en charges-vecteurs d'énergie en utilisant les gaz atmosphériques. L'invention concerne également l'organisation d'un système de circulation inter-orbitale de ces charges-vecteurs d'énergie avec une restauration de leur énergie sur d'autres engins spatiaux en vue d'une utilisation répétée dans l'engin spatial accumulateur. La présente invention permet de réduire les coûts spécifiques lors de l'acheminement de charges dans l'espace tout en améliorant simultanément les caractéristiques de masse et d'encombrement de l'installation énergétique de l'engin spatial-accumulateur et en augmentant la sécurité écologique du flux de charges.
(RU)Изобретение относится к энергообеспечению космических транспортных систем и организации грузопотока между космическими аппаратами (КА) на орбитах вокруг планеты. Способ включает захват и ускорение КА-накопителем атмосферного воздуха и грузов, находящихся на траектории его движения. Грузы предварительно доставляют на эту траекторию соответствующими, в том числе суборбитальными КА, а затем передают на другие КА. Компенсация потерь скорости КА-накопителя от захвата и ускорения атмосферного воздуха, грузов и аэродинамического сопротивления осуществляется двигательной установкой (ДУ). ДУ могут использовать реактивные двигатели - с расходом части поступающего груза или электродинамические тросовые системы. Работа ДУ КА- накопителя обеспечивается поставкой грузов-энергоносителей с применением атмосферных газов. При этом организуется система межорбитального круговорота этих грузов-энергоносителей, с восстановлением их энергии на других КА для повторного использования в КА-накопителе. Изобретение направлено на снижение удельных затрат по доставке грузов в космос при сопутствующих улучшении массогабаритных характеристик энергоустановки КА- накопителя и повышении экологической безопасности грузопотока.
Designated States: AE, AG, AL, AM, AO, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BH, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CL, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DO, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, GT, HN, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KM, KN, KP, KR, KZ, LA, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LY, MA, MD, ME, MG, MK, MN, MW, MX, MY, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PE, PG, PH, PL, PT, RO, RS, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, ST, SV, SY, TH, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, ZA, ZM, ZW.
African Regional Intellectual Property Org. (ARIPO) (BW, GH, GM, KE, LR, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW)
Eurasian Patent Organization (EAPO) (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM)
European Patent Office (EPO) (AL, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV, MC, MK, MT, NL, NO, PL, PT, RO, RS, SE, SI, SK, SM, TR)
African Intellectual Property Organization (OAPI) (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG).
Publication Language: Russian (RU)
Filing Language: Russian (RU)