СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ВОДОЙ
AIRCRAFT WATER SUPPLY SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системам обеспечения летательных аппаратов. В частности, настоящее изобретение относится к системе обеспечения летательного аппарата водой, к применению системы обеспечения на летательном аппарате, к способу обеспечения летательного аппарата и к летательному аппарату, содержащему такую систему обеспечения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Современные летательные аппараты, в частности большие летательные аппараты или летательные аппараты с большой пассажировместимостью, могут нести большие количества воды для обеспечения различных систем, которые потребляют воду в процессе полета. Например, к таким системам относятся бортовые кухни, туалеты, умывальники и душевые. Вода, загружаемая на борт летательного аппарата, увеличивает его вес, в результате чего уменьшается эффективность его эксплуатации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является создание системы обеспечения летательного аппарата, которая уменьшает необходимые бортовые запасы воды.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения предлагается система обеспечения летательного аппарата, которая содержит парогенератор, предназначенный для производства водяного пара из водорода и кислорода, и использование полученного пара для обеспечения летательного аппарата водой. В системе обеспечения может использоваться кислород, содержащийся, например, в наружном воздухе. Кроме того, система обеспечения содержит смеситель, который предназначен для регулирования количества воды, подаваемой в парогенератор, для управления температурой или количеством получаемого водяного пара.
В качестве такого парогенератора может использоваться парогенератор, применяемый в процессах стерилизации паром или при регулировке температуры биореакторов, пищевых продуктов, упаковки, медицинских инструментов, тканей или производства чистой воды в фармацевтике.
Использование системы обеспечения, содержащей парогенератор, может быть эффективно для обеспечения летательного аппарата с высокой энергоемкостью, так что система может использоваться, например, в случаях, в которых требуется малый общий вес, повышенная эффективность или высокое быстродействие. Парогенератор, работающий на водороде и кислороде, может иметь высокий кпд, и его запуск может быть осуществлен в течение нескольких секунд. Установки, имеющие сравнительно небольшой вес и малые размеры, могут вырабатывать пар с высокой производительностью.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения система обеспечения содержит также устройство подачи, которое используется для подачи водорода и кислорода в парогенератор. В этом случае в парогенератор всегда будут подаваться достаточные количества исходных материалов.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения система обеспечения содержит также преобразователь энергии, который предназначен для преобразования энергии, содержащейся в водяном паре, вырабатываемом парогенератором, по меньшей мере в один вид энергии, выбранный из группы, содержащей электрическую энергию, механическую энергию или тепловую энергию.
Преобразователь энергии дает возможность использовать горячий водяной пар, вырабатываемый парогенератором, для производства других форм энергии. Например, в качестве преобразователя энергии может быть использована паровая турбина, которая приводится во вращение водяным паром и вырабатывает, например, электрическую или механическую энергию. Кроме того, можно использовать энергию водяного пара непосредственно или опосредованно для приведения в движение летательного аппарата путем использования пара для привода двигателя летательного аппарата или другого движителя.
Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения система обеспечения содержит также устройство управления для управления производством энергии или подачей исходных материалов в парогенератор, причем устройство управления также предназначено для подключения системы обеспечения при необходимости для обеспечения энергией двигателя летательного аппарата или для непосредственного осуществления движения летательного аппарата.
В результате система обеспечения может быть включена или подсоединена в случае необходимости, например, для обеспечения дополнительной тяговой мощности на этапе взлета летательного аппарата или, например, в качестве аварийного источника тяговой мощности в случае отказа движителя летательного аппарата. В этом случае дополнительно повышается безопасность летательного аппарата и снимается часть нагрузки с двигателей на этапе взлета. Таким образом, повышается безопасность на этапе взлета. Это дает также возможность увеличить срок службы силовой установки.
Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения в состав системы обеспечения входит устройство получения воды с водоотделителем, предназначенным для отделения воды от водяного пара, вырабатываемого парогенератором.
Водоотделитель дает возможность быстро и эффективно получать воду из водяного пара, в результате чего обеспечивается поддержание на борту запаса воды, достаточного для использования бортовыми потребителями.
Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения устройство получения воды содержит промежуточный резервуар для воды для временного хранения запаса воды.
В этом случае предотвращается возможная нехватка воды при увеличении ее расхода, поскольку всегда будет храниться достаточный запас пресной воды для того, чтобы компенсировать ее пиковый расход.
Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения система обеспечения содержит топливную батарею для обеспечения преобразователя энергии водяным паром или для выработки электрической энергии или тяговой мощности (например, за счет использования на выходе батареи системы преобразования энергии).
Например, топливная батарея или система топливной батареи может быть размещена рядом с парогенератором для поддержки его функции по производству водяного пара или обеспечения энергией силовых установок или потребителей электроэнергии на борту летательного аппарата. В этом случае обеспечивается резервирование систем обеспечения летательного аппарата, в результате чего повышается общая безопасность системы и улучшается обеспечение энергией и водой, которые будут всегда достаточны в условиях изменяющегося потребления.
Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения устройство подачи содержит по меньшей мере один водородный генератор для производства водорода или установку для производства кислорода.
В этом случае исходные материалы, подаваемые в парогенератор (водород и кислород), могут вырабатываться, по меньшей мере частично, непосредственно на борту летательного аппарата. Например, в качестве водородного генератора может использоваться установка риформинга, которая работает на керосине или другом авиационном топливе. В качестве установки получения кислорода может использоваться, например, бортовая система производства кислорода.
Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения устройство подачи предназначено для подачи кислорода из наружного воздуха или из устройства хранения запаса кислорода. Кроме того, устройство подачи предназначено для подачи водорода из устройства хранения запаса водорода. В случае силовой установки, работающей на водороде, в качестве устройства хранения запаса водорода может использоваться устройство хранения запаса водорода, которое обеспечивает водородом силовую установку. Поэтому в этом случае отпадает необходимость в дополнительном устройстве хранения запаса водорода. В качестве устройства хранения запаса кислорода может использоваться устройство хранения (например, являющееся частью системы обеспечения кислородом летательного аппарата), которое может быть легко и просто заменено в ходе технического обслуживания.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения система обеспечения содержит также смеситель для регулирования количества охлаждающего воздуха или воды, подаваемых в испаритель.
Использование смесителя дает возможность, например, устанавливать температуру пара или количество вырабатываемого пара, соответственно.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения такая система обеспечения используется на летательном аппарате для производства воды.
В этом варианте парогенератор может использоваться для получения пресной воды на борту летательного аппарата, в результате чего существенно уменьшается общее количество пресной воды, которое должен транспортировать летательный аппарат.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения такая система обеспечения используется на летательном аппарате для получения тяговой мощности летательного аппарата.
В этом случае, используя водород и кислород, можно получать энергию, которая используется для непосредственного приведения летательного аппарата в движение с высоким коэффициентом полезного действия.
В другом аспекте настоящего изобретения предлагается способ обеспечения летательного аппарата водой. Описанный способ содержит следующие стадии:
производство водяного пара из водорода и кислорода в парогенераторе, регулирование количества воды, подаваемого в парогенератор для управления температурой или количеством производимой воды, с помощью смесителя, и отделение воды от водяного пара, вырабатываемого в парогенераторе, в устройстве получения воды.
Способ может содержать также стадию осуществления движения летательного аппарата с помощью водяного пара, получаемого в парогенераторе.
В этом случае пар может непосредственно выбрасываться через силовую установку для получения тягового усилия или может непосредственно использоваться для привода двигателя летательного аппарата, так что в результате тяговое усилие создается паром опосредованно.
В другом аспекте настоящего изобретения предлагается летательный аппарат, в котором используется вышеописанная система обеспечения.
Ниже описываются предпочтительные типичные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на чертеж.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА
Чертеж - блок-схема, иллюстрирующая структуру системы обеспечения в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ТИПИЧНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На чертеже представлена блок-схема, иллюстрирующая работу системы обеспечения в соответствии с типичным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на чертеже, основными частями системы обеспечения являются устройство подачи (элементы 101-108), парогенератор 109 и преобразователь 116 энергии. Устройство подачи состоит из устройства 101 подачи наружного воздуха, устройства 102 хранения запаса кислорода и устройства 103 повышения содержания кислорода, причем указанные устройства соединены с парогенератором 109 с помощью линий 105, 106, 107, соответственно.
В качестве устройства 103 повышения содержания кислорода может использоваться, например, бортовая система получения кислорода, которая производит кислород во время полета. Также в состав устройства подачи может входить насос 130, который может обеспечивать повышение давления воздуха из устройства 101 подачи наружного воздуха перед тем, как он поступит в парогенератор 109. Естественно, насос 130 может быть установлен в другом месте в линиях 105-107. Также может использоваться несколько насосов 130 для обеспечения резервирования или повышения универсальности системы.
Также могут использоваться клапаны 123, которые регулируют поступление наружного воздуха, а также кислорода из устройства 102 хранения запаса кислорода или кислорода из устройства 103 повышения содержания кислорода (или из устройства получения кислорода). Клапаны 123 устанавливаются непосредственно на выходах устройств 101-103 (не показано). Также может использоваться трехходовой клапан 123, который устанавливается в точке соединения линий 105-107 и, соответственно, регулирует коэффициент смешения.
Необходимо иметь в виду, что устройства 101-103 подачи кислорода могут использоваться в любом нужном сочетании. Например, в одном типичном варианте осуществления изобретения может использоваться только устройство хранения запаса кислорода, в качестве которого служат баллоны со сжатым газом. В другом типичном варианте осуществления изобретения вместе с устройством 102 хранения запаса кислорода используется устройство 103 повышения концентрации кислорода. В этом случае обеспечивается резервирование, которое повышает безопасность системы и экономит ресурсы.
Кроме того, в состав устройства подачи входит водородный генератор для производства водорода или устройство 104 хранения запаса водорода. Оба устройства могут также использоваться совместно. В качестве устройства хранения запаса водорода может использоваться, например, баллон со сжатым водородом или резервуар с водородом, который также используется для обеспечения работы двигателей летательного аппарата. Система производства воды также может содержать, например, установку риформинга, которая вырабатывает водород из керосина. Однако возможно использование и других типов устройств получения водорода.
Кроме того, в линии 108, по которой водород подается в парогенератор, может быть установлен клапан 122 с внешним управлением.
В парогенератор 109 подается водород и кислород в газообразном виде и из этих газов вырабатывается горячий водяной пар. Затем водяной пар может быть подан по линии 113 через управляющий клапан 126 в преобразователь 116 энергии, в котором по меньшей мере часть энергии, содержащейся в водяном паре, преобразуется в другую форму энергии. Для этой цели может использоваться, например, паровая турбина, обеспечивающая обеспечение энергией электрической, гидравлической, механической или пневматической систем. Кроме того, пар, производимый парогенератором 109, может также использоваться для кондиционирования или увлажнения воздуха, подаваемого в кабину летательного аппарата или в какое-либо бортовое оборудование.
Парогенератор 109 также может быть подсоединен по линии 111 через управляющий клапан 124 к потребителю энергии или к двигательной установке 115 для непосредственного получения тягового усилия для летательного аппарата.
Кроме того, в состав системы обеспечения может входить система 110 топливной батареи, которая вырабатывает электроэнергию, воду и тепло. Вода, вырабатываемая системой 110 топливной батареи, может подаваться по линии 114 через клапан 127 в преобразователь 116 энергии в форме горячего водяного пара, для того чтобы поддерживать или улучшать работу парогенератора, или заменять его.
Кроме того, система 110 топливной батареи может быть подсоединена по линии 112 через клапан 125 к потребителю энергии или к движителю 115 летательного аппарата. В этом случае возможна подача водяного пара в силовую установку 115. Далее, электроэнергия, вырабатываемая системой 110 топливной батареи, может также передаваться к потребителю энергии или в силовую установку 115 летательного аппарата.
Кроме того, может использоваться устройство 129 управления для управления управляющими клапанами 122-128 и смесителем 132, или также парогенератором 109, или системой 110 топливной батареи. Устройство управления может использоваться для управления мощностью, вырабатываемой парогенератором 109 или системой 110 топливной батареи. Например, может регулироваться подача водорода и кислорода в парогенератор 109. Кроме того, устройство управления 129 может управлять подключением потребителей к парогенератору 109 или к системе 110 топливной батареи. Например, устройство управления может быть устроено таким образом, чтобы подключать при необходимости систему обеспечения для подачи энергии в двигатель летательного аппарата или для непосредственного использования в качестве источника тяги летательного аппарата.
Преобразователь энергии 116 соединяется по линии 117 через клапан 128, в качестве которого может использоваться клапан или переключатель, например, с потребителями энергии, системами и с силовой установкой 115 летательного аппарата.
Для получения воды из горячего пара, вырабатываемого парогенератором, может использоваться дроссельный регулятор, устройство охлаждения или аналогичные устройства вместе с водоотделителем 118 вместо газовой турбины 116 или вместе с ней. При этом отработавшие газы могут выпускаться по линии 119. Кроме того, для временного хранения запаса воды может использоваться устройство 120 промежуточного хранения воды, соединенное линией 131 с соответствующими потребителями 121 воды. Если вода используется в качестве питьевой, то при необходимости в нее могут добавляться минеральные вещества.
Также может использоваться смеситель 132, например, содержащий управляющий клапан, который может обеспечивать подачу воды в парогенератор 109 из резервуара 133 с водой вместе с наружным воздухом. В этом случае можно регулировать, например, температуру или количество вырабатываемого водяного пара.
Клапаны 122-128 и смеситель 132 соединены с устройством управления 129 (с обратной связью или без обратной связи), при этом может осуществляться независимое управление их работой. Работой клапанов 122-128, смесителя 132, парогенератора 109 и системы 110 топливной батареи можно управлять по соответствующим проводным линиям или по радио.
Парогенератор 109, работающий на водороде и кислороде, может содержать установку, в которой водород и кислород (или воздух) могут реагировать в контролируемых условиях для формирования водяного пара. Температура пара может быть получена в диапазоне от 200°С до 3300°С, например, путем добавления соответствующих количеств воды. Кроме того, для охлаждения горячего пара может дополнительно подаваться воздух.
Парогенератор 109 имеет очень высокий кпд и может быть запущен в течение нескольких секунд. Таким образом, небольшие и легкие установки могут использоваться для производства очень больших количеств пара. Водяной пар является побочным продуктом, который может быть сконденсирован в воду. Температура получаемого пара может регулироваться в широком диапазоне температур и может быть установлена в течение нескольких секунд с тепловым кпд порядка 95%.
Кроме того, в горячие газообразные продукты сгорания может впрыскиваться вода, которая, испаряясь, обеспечивает регулирование характеристик полученного водяного пара. В этом случае возможно очень быстрое установление необходимых характеристик пара. К достоинствам такого генератора горячего пара относятся:
высокая чистота пара, быстрое реагирование на управляющие воздействия, возможность регулирования характеристик и малые геометрические размеры.
Вместо чистого кислорода также может использоваться воздух или смесь воздуха с кислородом. Водяной пар, получаемый в парогенераторе 109 или в системе 110 топливной батареи, может использоваться для привода паровой турбины, которая, в свою очередь, может использоваться для получения необходимой формы энергии. В частности, могут быть получены формы энергии для обеспечения работы пневматических, электрических, гидравлических, механических, тепловых (обогрев) систем и тепловых насосов.
В этом случае кроме энергии производится вода, которая может быть использована в системах летательного аппарата. В результате меньшие количества воды необходимо транспортировать в полете, поскольку вода может вырабатываться непрерывно или по мере необходимости в процессе полета. Таким образом, обеспечивается полезное снижение взлетного веса летательного аппарата. Если для осуществления вышеописанного процесса используется воздух, то на борт должен быть загружен только запас водорода и оборудование системы подачи. В этом случае можно снизить общий вес на несколько сотен килограммов. В результате летательный аппарат может эксплуатироваться с большей эффективностью, причем вырабатываемая механическая энергия может одновременно использоваться для одной из систем летательного аппарата, указанных на чертеже, в результате чего повышается эффективность всей системы. Тяговое усилие для движения летательного аппарата также может вырабатываться с использованием этой энергии.
В частности, высокая интенсивность производства энергии дает возможность использования системы обеспечения в качестве кратковременного или долговременного источника энергии. Например, энергия может подаваться в силовые установки летательного аппарата. Также можно кратковременно использовать систему обеспечения для производства энергии в поддержку силовых установок на этапе взлета, когда летательному аппарату необходимо больше мощности, чем при полете в крейсерском режиме. Также система обеспечения может использоваться, например, при отказе силовой установки или на взлете для поддержки основной силовой установки. В этом случае мощность может обеспечиваться в форме тяговой мощности или в форме мощности, которая может поступать в силовую установку. Также возможно совместное использование с другими системами летательного аппарата.
Осуществление изобретения не ограничивается предпочтительными вариантами, показанными на чертеже. Напротив, можно себе представить множество вариантов, в которых используется описанное техническое решение и принцип изобретения, причем разные варианты могут иметь самые различные конфигурации.