. Изобретение относится к космонавтике, а более конкретно к энергетическим системам, обеспечивающим . функционирование различных устройств для исследования планет с атмосферой
Известна термодинамическая машина предназначенная для получения полезной механической работы в циклическом процессе испарения и конденсации газа. Машина содержит камеру для .газообразного рабочего тела, пароконденсатную емкость, связанную с камерой через управляемый клапан, а также механический генератор мощности.
Недостатком известной термодинамической машины является то, что в условиях земной атмосферы для замыкания ее термодинамического цикла требуется дополнительное охлаждение, на что может быть затрачена энергия, прев Дающая полезнзпо механическую работу.
Наиболее близким техническим решением из известных является термоди- .намическая машина (ТМ), содержащая корпус, связанные с корпусом аэростатические оболочки переменного объема для основного, форсажного и вспомогательного рабочих тел с последовательно убывающими температурами конденсации, баллоны высокого давления форсажного и вспомогательного рабочи тел, сообщенные через управляемые клапаны с соответствующими оболочками, и аэромеханические генераторы мощности, установленные на внешней. поверхности корпуса.
Будучи поставлена в термодинамическое взаимодействие с атмосферой планеты Венера, обладающей уникальными теплофизическими свойствами, данная машина совершает в этой атмосфере челночные, восходяще-нисходящие движения за счет проявления инверсии основного (ОРТ) и конденсации вспомогательного (ВРТ) рабочих тел. Явление инверсии заключается в непостоянстве потребного количества рабочего тела (газа) для создания уравновешивающей подъемной силы на разных высотах.
Конденсация ВРТ (воды) в области критических высот (около 39 км) обеспечивает при сливе конденсата в баллон высокого давления (БВД), переход ТМ от восходящего к нисходящему движению. Движение обращается при выпуске перегретого водяного пара в аэростатическую оболочку (АО) ВРТ из БВД у поверхности планеты.
В процессе восходяще-нисходящих движений набегающий атмосферный поток задействует аэромеханические генераторы мощности, которая преобразуясь, например в электричество, питает различную аппаратуру или приводы.
Кроме того, челночные движения позволяют проводить исследования атмосферы в широком диапазоне высот.
Форсажное рабочее тело. (ФРТ), будучи подано из БВД в соответствующую АО, позволяет интенсифицировать подъем ТМ за счет создгния дополнительно подъемной силы и увеличить предельную высоту полета ТМ.
Недостатком известной ТМ является невозможность интенсификации нисходящего движения в заданном диапазоне высот (до критической для ФРТ), так как ФРТ не может сконденсироваться в этом диапазоне и уменьшить тем самым подъемную силу АО. Ввиду этого снижается мощность, вырабатываемая в каждом цикле челночных движений ТМ.
Целью изобретения является увеличение вырабатываемой полезной мощности за счет интенсификации восходященисходящих движений ТМ в атмосфере планеты при заданной максимальной высоте ее полета.
Указанная цель достигается тем, что в известной ТМ, содержащей корпус связанные с корпусом АО переменного объема для ОРТ, ФРТ и ВРТ с последовательно убывающими температурами конденсации, БВД, ФРТ и ВРТ, сообщенные через управляемые клапаны с АО, и аэромеханические генераторы , установленные на АО, аэростатическая оболочка ВРТ сообщена с аэростатической оболочкой ФРТ через управляемиш сливной клапан, баллоны высокого давления сообщены друг с другом через управляемый перепускной клапан, а.в качестве ФРТ использовано вещество с высокой растворимостью его газовой фазы в жидкой фазе ВРТ.
В качестве ОРТ, ВРТ и ФРТ могут быть использованы соответственно газообразный гелий, вода и аммиак (NHj)
Кроме того, в предпочтительном варианте исполнения АО ВРТ размещена над АО ФРТ, а БВД ФРТ - над баллоном
ВРТ при вертикальной ориентации продольной оси корпуса ТМ.
Суть изобретения состоит в использовании высокой растворимости газообразного ФРТ в жидкости ВРТ для удале ния значительной части ФРТ из его АО при сливе ВРТ через эту АО в области критических и закритических высот.
На фиг. 1 представлена компоновочная схема ТМ, включенная в состав научно-исследовательской мобильной венерианской станции; на фиг. 2 схема образования и сепарации водного раствора аммиака; на фиг. 3 диаграммы распределения масс рабочих тел при подъеме (а) и снижении (б) ТМ
ТМ содержит жесткий корпус 1, с ; которым связана АО ОРТ 2, выполненная в виде веретенообразного сильфона, заполненного гелием 3. В корпусе 1 установлена гофрированная сфера А, разделенная гофрированной перегородкой (мембраной) 5 на полости ВРТ 6 (сверху) и ФРТ 7 (снизу); части сферической оболочки и мембрана образуют соответствующие АО переменного объема. Внутреннее пространство корпуса 1 сообщено с атмосферой,.через окна присоединенной массы 8. АО могут быть изготовлены из тонкого листа (0,08-0,1 мм) жаропрочной стали.
BHjrrpH корпуса 1 размещены также БВД ВРТ 9 и БВД ФРТ 10, сообщенные друг с другом и с соответствующими АО магистралями с управляемыми клапанами (условно не показаны), а также ряд систем, например приборная гондола 11, аккумуляторы, связанные через электропреобразователи с аэромеханическими генераторами 12, установленными на корпусе, система управления ТМ и др. БВД могут изготавливаться из титана и расчитаны на давление л/400 ати.
Корпус pi может быть снабжен опорной штангой с манипулятором 13, гайдропом 14 и подвесом 15. В носовой части ТМ размещен под радиопрозрачным обтекателем 16 приемопередатчик 17, связанный кабелем 18 с приборами и системой управления.
Для выработки дополнительной полезной в магистралях подачи водяного пара и аммиака из БВД в АО могут быть установлены специальные турбогенераторы 19 и 20.
Аэромеханические генераторы 12 н гут представлять собой воздушные винты с роторами, вращающими электрогенераторы.
На фиг. 2 условно показаны гидравлические связи между АО и БВД. Магистрали 21 и 22 связывают по газовому тракту БВД 9 и 10 с полостями .АО 6 и 7. В магистралях предусмотрены управляемые клапаны 23 и 24 для выпуска ВРТ и ФРТ в АО. Полость АО 6 сообщена с полостью АО 7 через сливной управляемый клапан 25 (для повышения эффективности kacboiieHHfl воды аммиаком может быть предусмотрено распылительное устройство). Полость АО 7 сообщена с БВД 10 через управляемый клапан 26 (для лучшей организации слива насыщенного водяного раствора NHj в БВД может быть предусмотрен специальный коллектор сбора на входе магистрали клапана . 26). Наконец, БВД 9 и 10 сообщены друг с другом через перепускной клапан 27.
ТМ работает следующим образом.
У поверхности планеты (Венеры) все АО заполнены соответствзгющими рабочими телами в газовой фазе. ОРТ вместе с ФРТ обеспечивают образование уравновешивающей аэростатической силы (АС) до заданной (максимальной) высоты полета и находятся все время в газообразном состоянии. ВРТ обеспечивает образование избыточной АС до критической высоты, после которой оно из газообразного состояния переходит в жидкость, оставаясь в качестве полезного груза для ТМ и связанной с ней научно-исследовательской станции.
Процесс восходящего движения происходит в ускоренном режиме при избыточной АС, образуемой ЗРТ (перегретьм паром).
По достижении максимальной высоты подъема ( км) и полного перехода водяного пара в жидкость (окончание
процесса конденсации) вода дросселируется (вспрыскивается) через сливной клапан 27 в АО 7 с аммиаком, что вызывает переход ТМ в режим нисходящего движения вследствие уменьшения
объема АО (образования водного раствора аммиака) и уменьшения АС.
Ко91денсация ВРТ происходит на за-1 критической высоте и может быть npo-j
должена в режиме ожидания на максимальной высоте дрейфа.
Во время снижения слив конденсата происходит прямым дренажем из АО ВРТ через АО ФРТ в верхний и нижний БВД (фиг. 2) при открытых клапанах 25, 26 и 27, а перекрытие верхнего клапана на 26 БВД 10 осуществляется на высоте не ниже критической .., ( км).
При дальнейшем снижении и подогреве (внешней средой) обоих БВД происходит разделение (сепарация) газообразной (аммиак) и жидкой (вода) фаз смеси .
При давлении в обоих БВД, равном ата (его можно выбрать и другим) , температуры кипения составляют К для воды и К для аммиака, что соответствует высотам в атмосфере Венеры от до км Этот интервал высот является практически приемлемым для сепарации водно-аммиачной смеси.
По окончании сепарации (клапан 27 до этого момента открыт) и перехода аммиака из БВД 9 (где остается вода) в БВД 10 движение до поверхности планеты продолжается при закрытом клапане 27.
Восходящее движение ТМ может быть возобновлено наполнением АО ФРТ аммиаком и АО ВРТ перегретым паром после окончания парообразования и откры тия клапаноЕ 23 и 24 (фиг. 2).
Диаграммы распределения потребных масс гелия Hh)f , аммиака A(h)Kj и воды (h)4ijq , а также эпюры избыточнБпс (h) (горизонтальные штриховые линии) и недостающих ДАг(Ь) (вертикальные штриховые линии) АС при подъеме и снижении представлены на фиг. 3 а и б соответственно. Там же обозначены заправочные .запасы компонентов ( (Ч НдОКак видно из диаграммы, восходящее движение ТМ происходит в присутствии избыточных АС, обуславливаемых не только ВРТ (область 23, эпюра +АГ(Ь)К.(,, но и .в силу инверсии ОРТ (область 29, эпюр АгСЮце ) и ФРТ (область 30, эпюра d Аг(Ь).((д.) . При этом суммарная избыточная АС равна
.и АГ(Ь)(h) (Ь).н, +Ar(h) снижении в силу уравновешенной массы конденсата ВРТ (Ar(h) недостающей массы ФРТ (область 31, -Аг (h) |ijf(x ) и избыточной массы ОРТ CiAr(h)) суммарная недостающая АС будет равна
2Аг(Ь)(Ь)ццд +AAr(h).He .
Величины ДАг(Ь) зависят от заправляемых запасов ФРТ и ВРТ 9 и 10 и имеют ограничения, в основном, . по массам емкостей для них,
В процессе челночных движений ТМ (станции) можно проводить различные научные исследования венерианской среды, в том числе осуществляя геофизические эксперименты на поверхности планеты (при посредстве штанги 13 с манипулятором) и передавая (принимая) информацию на спутник: или Землю с помощью радиосрёдств (17) при подъеме на максимальную высоту. При этом используется энергия, вырабатываемая аэромеханическими генераторами 12.
ТМ, используемая в качестве силовой (тяговой) установки, обеспечивает практически неограниченную длительность полета аэростатического летательного аппарата с аэродинамической механизацией по высотноглубинной пилообразной траектории.
В силу принципиально простого решения вопросов, связанных с энергетической проблемой, а также проблемами шума-и загрязнения окрзпкающей среды такой летательный аппарат в земных условиях, если будут найдены необходимые ОРТ, ВРТ и ФРТ, может явиться дешевым, надежным и комфортабельным (отсутствие традиционной винто-моторной группы) воздушным транспортом.
Таким образом, применение данного изобретения позволит интенсифицировать процесс челночных движения ТМ при сохранении максимально достижимых высот полета (определяемых ФРТ) что даст возможность увеличить выход полезной энергии, а значит, в конечном счете, расширить рамки и повысить отдачу комплексных программ исследования планет с атмосферами (подобных Венере и, возможно, Сатурну, Юпитеру).
П
0«2. а
50
39
д) Сни/кение 29
ОРТ
(,)«в
1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ МАШИНА, преимущественно для работы в условиях планеты Венера, содержащая корпус, связанные с корпусом аэростатические оболочки переменного объема для основного, форсажного и вспомогательного рабочих тел с последовательно убывающими температурами конденсации, баллоны высокого давления форсажного и вспомогательных рабочих тел, сообщенные через управляемые клапаны с соответствующими оболочками, и аэромеханические генераторы мощности, установленные на внешней поверхности корпуса, отличающаяся тем, что, с целью увеличения вьфабатываемой полезной мощности за счет интенсификации восходяще-нисходящих движений машины в атмосфере планеты при заданной максимальной высоте Ci:com Kf,g 13 . ЛЗ «КЛйОТБКд / ее полета, в ней аэростатическая оболочка вспомогательного рабочего тела сообщена с аэростатической оболочкой форсажного рабочего.тела через управляемый сливной клапан,, баллоны высокого давления сообщены друг с другом через управляемый перепускной клапан, а в качестве форсажного рабочего тела использовано вещество с высокой растворимостью его газовой фазы в жидкой фазе вспомогательного рабочего тела. 2.Машина по п.1, отличающая с я тем, что в качестве форсажного и вспомогательного рабочих тел использованы соответственно аммиin ак и вода, а аэростатическая оболочка для основного рабочего тела заполнена газообразным гелием. 3.Машина по п.1, отличающая с я тем, что аэростатическая оболочка вспомогательного рабочего тела размещена над аэростатической vl оболочкой форсажного рабочего тела, а баллон высокого давления форсажноN9 го рабочего тела - над баллоном выО 00 сокого давления вспомогательного рабочего тела при вертикальной ориентации продольной оси корпуса мяшины.
