Старая тема про заправки и танкеры на орбите

[Штуцер]

Виртуальная инженерия - виртуальные проблемы.

[Kap]

Штуцер пишет:
Виртуальная инженерия - виртуальные проблемы.

А по существу есть что сказать? Например как это выпускники аграрных ВУЗов с хранением жидкого азота на станциях осеменения справляются, политехи с жидким кислородом в поликлиниках справляются, а для окончивших аэрокосы и прочие МАИ с физтехами хранение ЖК в вакууме вдруг "проблема". Про то что единственная на сегодняшний день контора способная разрабатывать внедрять новую РКТ в темпах 60х имеет в качестве генерального конструктора программиста скромно умолчим.

ЗЫ Да, а если форум почтовый сервер вдруг упадет в результате скажем ддоса - это тож будет виртуальная проблема?

[Seerndv]

Kap пишет:
А по существу есть что сказать? Например как это выпускники аграрных ВУЗов с хранением жидкого азота на станциях осеменения справляются, политехи с жидким кислородом в поликлиниках справляются, а для окончивших аэрокосы и прочие МАИ с физтехами хранение ЖК в вакууме вдруг "проблема".

- они в вакууме на околоземной орбите справляются?
Высококипящие и отработка всех действий на них , подсчёт дебета\ кредита, отработка методик, оценка результатов   и при этом использование имеющихся носителей - "Протона", "Ангары".

[Штуцер]

Kap пишет:
А по существу есть что сказать? Например как это выпускники аграрных ВУЗов с хранением жидкого азота на станциях осеменения справляются

По существу, после таких примеров, мне сказать нечего.
Физику- осеменителю виднее.

[Kap]

Seerndv пишет:
- они в вакууме на околоземной орбите справляются?

Справляются на Земле, где сложнее - воздух есть.

Штуцер пишет:
По существу, после таких примеров, мне сказать нечего.

Примеры намного ближе к обсуждаемым танкерам чем ваш бак с ксеноном на спутнике связи.

Штуцер пишет:
Физику- осеменителю виднее.

Вы как вроде бы инженер-КЛАшник ни каких конкретных "проблем" так и не назвали.

[Штуцер]

Kap пишет:
Вы как вроде бы инженер-КЛАшник

А Вы кто, позвольте поинтересоваться?

[Kap]

Штуцер пишет:
А Вы кто, позвольте поинтересоваться?

Русским же языком написал - физик. Работаю в том числе как программист. Вот только к теме танкеров это еще дальше чем спутник связи.

Еще раз, криогенное топливо само по себе тепло не вырабатывает (точнее может из-за орто-пара переходов, но не долго). Следовательно хранить теоретически можно даже без активного охлаждения - минимизировав приток тепла извне до равенства оттоку через излучение при заданной температуре. Но на практике зная что такое четвертая степень склонен согласится с Юрием Темниковым - охлаждать придется. Но мощность холодильника будет умеренная ибо у нас вокруг идеальный теплоизолятор, а пихать бак рядом с передатчиком и его СБ совсем не обязательно. Где проблемы-то? И не надо "нет ни каких проблем для тех кто не будет этим заниматься" - тем, кто занимается, вообще-то зарплату платят чтобы они проблемы решали а не жужали.

[Юрий Михайлович Темников]

Специалист подобен флюсу полнота его односторонняя-Козьма Прутков.Общался однажды с одним МАИшником.Вопрос был о торможении КК о достаточно протяженный спутник с помощью магнитного поля так вместо мм и см при взаимодействии как в генераторе или электромоторе  его понесло на супермощные  поля протяженностью в сотни км.Или по давлению ,товарищ просто не понимает что 10+30=40 а не 300атм.А так вроде весьма адекватный товарищ.

[Kap]

На ночь глядя прикинул теплоизолирующую способность плоского листа ЭВТИ в вакууме на околоземной. Поглощается 0.05*1367 = 68.35 Вт/м2. Поскольку у ЭВТИ две стороны и излучает она на обе - за нее уйдет только половина - 34.175 Вт/м2. Абсолютно черное тело при 60 К излучает 0.73 Вт/м2. Выводы:
1) Для естественного охлаждения бака с графитовым покрытием (заодно решается проблема быстрого растекания ваттов по всей площади - надо только слои графита правильно ориентировать) надо бы поставить еще несколько экранов, иначе форме и габаритам бака Фрейд обзавидуется.
2) Можно просто активно охлаждать. Если не подставлять солнце слишком много площади, мощность установки будет весьма умеренной - откачивать всего 30-40 Вт на каждый освещенный квадратный метр.
Да, у меня не учитывались "протечки" тепла при контакте ЭВТИ с другими конструкциями и листами ЭВТИ, но способы борьбы с ними общеизвестны - диэлектрики наше все.

Что до спутника в котором не стали понижать температурный диапазон, то я как программист прекрасно знаю почему систему шлифуют не до идеала, а до удовлетворения заказчика даже в "виртуальной инженерии".

[vlad7308]

Kap пишет:
На ночь глядя прикинул теплоизолирующую способность плоского листа ЭВТИ в вакууме на околоземной. Поглощается 0.05*1367 = 68.35 Вт/м2. Поскольку у ЭВТИ две стороны и излучает она на обе - за нее уйдет только половина - 34.175 Вт/м2.

неверно
при расчете излучения вы рассматриваете ЭВТИ как ЧТ с бесконечной теплопроводностью
а у ЭВТИ должна быть очень низкая теплопроводность

[Kap]

vlad7308 пишет:
неверно

Ну посмотрим.

vlad7308 пишет:
при расчете излучения вы рассматриваете ЭВТИ как ЧТ с бесконечной теплопроводностью
а у ЭВТИ должна быть очень низкая теплопроводность

Любое тело за сколько-нибудь большой промежуток времени излучит ровно столько сколько получило - термодинмическое равновесие, однако. Поправки серого тела к Стефану-Больцману влияют только на излучение при заданной температуре и равновесную температуру. Теплопроводность нас интересует только когда мы рассматриваем не стационарный случай - например Блок Д при полете к Луне на Н-1. В случае криогенного танкера, которому летать годами - прогреется при любой теплопроводности. Кстати, теплопроводность у ЭВТИ низкая удельная - с учетом толщины она в любом случае велика.

vlad7308 пишет:
при расчете излучения вы рассматриваете ЭВТИ как ЧТ с бесконечной теплопроводностью

Возможно непонимание из-за.

Kap пишет:
Абсолютно черное тело при 60 К излучает 0.73 Вт/м2.

Это не про ЭВТИ а уже сам бак за экраном из ЭВТИ. Считается абсолютно-черным только для оценки его теплового излучения сверху - чтобы понять стоит ли вообще заворачиваться пассивным охлаждением или проще будет активно холодильником откачать.

[Seerndv]

11:14, 16 марта 2015
 Lockheed Martin создаст трехэлементную дорогу для путешествий в глубокий космос
 

Изображение: lockheedmartin.com
Lockheed Martin запланировала создание аналога трансконтинентальной железной дороги для путешествий человека в глубоком космосе, сообщается в пресс-релизе на сайте компании. Система «дороги» включает три элемента: буксир Jupiter, грузовой контейнер Exoliner и робот-манипулятор. Для проектирования этих трех компонентов Lockheed Martin использует уже проверенные технологии, применяемые в космосе США и их партнерами.
 
Буксир представляет собой автоматический космический аппарат, который использует дизайн станции Maven (в настоящее время исследующей атмосферу Марса), направляющегося к Юпитеру аппарата Juno и межпланетной станции OSIRIS-REx, предназначенной для исследований астероида. Все три аппарата произведены Lockheed Martin Space Systems.
Как и Maven у Красной планеты, буксир сможет менять свою высоту и всегда будет находиться на орбите. Ожидается, что он станет использоваться для транспортировки контейнера Exoliner к МКС, а потенциально — в качестве промежуточных точек при полетах к небесным телам в далеком космосе (например, астероидам и Марсу). Последовательность из буксиров Jupiter, выстроенных на космической дороге, сможет, по словам Lockheed Martin, решить проблему транспортировки грузов в глубоком космосе.
 
Размеры грузового контейнера Exoliner сравнимы с таковыми у железнодорожного вагона, а при его создании Lockheed Martin собирается опираться на технологии, использованные при создании автоматического грузовика ATV (Automated Transfer Vehicle). Пять таких аппаратов для Европейского космического агентства создала французско-итальянская компания Thales Alenia Space.
Роботизированную руку-манипулятор Lockheed Martin уже имеет в своем распоряжении. При ее создании учитывался опыт использования аналогичных устройств на Международной космической станции (МКС) и в Space Shuttle (в частности, рука Canadarm2, изготовленная канадской компанией MDA Space Missions).
 


Изображение: lockheedmartin.com

Ожидается, что буксир Jupiter, грузовой контейнер и робот-манипулятор будут запущены в космос при помощи ракеты-носителя тяжелого класса Atlas V. Уже на орбите буксир доставит контейнер с полезной нагрузкой к МКС, пристыкует Exoliner к ней при помощи руки и вернется на более низкую орбиту для решения других задач, например различных манипуляций со спутниками.
 
При следующем запуске ракеты с Земли уже на орбите Jupiter забирает старый Exoliner (например, с мусором) и доставляет к МКС новый контейнер. Специалисты отмечают, что такая схема транспортировки будет дешевле существующих (в том числе с использованием российских «Союзов» или кораблей серии Dragon частной американской компании SpaceX).
Американская корпорация Lockheed Martin является одним из крупнейших в мире разработчиков и производителей военной и аэрокосмической техники. Основным ее заказчиком выступает Министерство обороны США. В компании работают около 120 тысяч человек, а объемы продаж корпорации за 2013 год составили 35,5 миллиарда долларов.- исходники
http://lockheedmartin.com/us/news/features/2015/crs2-deep-space-exploration.html 
http://lockheedmartin.com/content/dam/lockheed/data/corporate/documents/Jupiter%20CRS%20Factsheet%20Final.pdf

Спасибо http://lenta.ru/news/2015/03/16/lockheedmartin/   они не забывают в свой материал вставлять ссылки на исходники

А заправки?! - спросите вы.
Ну до буксира они уже дошли, ещё немного  
Дойдут.
Иначе картинка будет мало чем отличаться.:

[Настоящий Искандер]

Паром

[Seerndv]

Низкий временной КПД исследовательской и экспериментальной аппаратуры станции «Мир», определяемый тем, что одновременное проведение различных работ оказывается невозможным, и трудности, связанные с созданием и функционированием таких больших сооружений, как станции «Мир» или «Альфа», заставляют искать более эффективные идеи проектирования новых станций.
К трудностям создания и работы больших станций можно отнести громадные размеры ферменных конструкций, на которых размещены жилые и производственные помещения, заправочные станции, телескопы, солнечные батареи и транспортные корабли, что приводит к громадным моментам инерции и к трудностям ориентации таких сооружений. Слишком большая запрограммированность таких станций ограничивает возможности их развития и совершенствования производственной и исследовательской программ.
Включение производственных помещений в единую конструкцию приводит к возрастанию уровня микрогравитации в этих помещениях, что, скорее всего, скажется на качестве получаемой продукции и потребует ограничений на процессы ориентации и управления движением и на деятельность экипажа станции (например, это может привести к запрету бега на дорожках, необходимому для здоровья космонавтов). Для работы телескопов высокого класса требуется сверхточная ориентация, что, скорее всего, окажется невозможным в общей конструкции, даже если будет предусматриваться свобода угловых перемещений телескопов относительно конструкции станции.
Включение в состав такой единой конструкции заправочной станции (для заправки орбитальных и межпланетных аппаратов и кораблей, обслуживаемых орбитальной станцией), размещение заправочных емкостей, содержащих, как правило, самовоспламеняющиеся компоненты, сложные пневмо — и гидравлические схемы приема топлива от кораблей-заправщиков и заправки абонентов в общей конструкции станции представляются небезопасным и нежелательным. С другой стороны, все это естественно разместить рядом, чтобы можно было производить настройку, ремонт, испытания и обслуживание всех этих телескопов, технологических лабораторий, заводов, заправочных станций.
Эти трудности и противоречия можно устранить за счет использования схемы «станции-облака». Представим себе станцию, состоящую из нескольких автономных частей, например, базового жилого блока, астрофизической обсерватории, производственно-лабораторного модуля и заправочного модуля. Все части летают по одной орбите, не слишком удаляясь друг от друга, с тем чтобы расстояние от базового блока до каждого из них всегда находилось в выбранных пределах, например, составляло 10–50 километров. Для этого на каждой части нужно иметь систему измерения дальности и радиальной скорости относительно базового блока и двигательную установку с двигателями координатных перемещений.
Идея схемы совместного полета «облака» отдельных модулей достаточно простая. Скорость удаления или приближения уменьшается до минимума, определяющегося чувствительностью измерителей относительной скорости. Пусть это будет 1,5 сантиметра в секунду. Тогда расстояние от 10 до 50 километров (с учетом особенностей движения спутника на орбите) будет изменяться примерно за десять суток.
Когда расстояние от одного модуля до другого увеличится до 50 километров, на втором модуле выдается импульс, изменяющий знак относительной скорости, и модуль начинает сближаться с первым, доходит до своих 10 километров еще через десять суток и так далее. Если относительную скорость измерять с точностью порядка сантиметра в секунду (что вполне в возможностях современной радиолокационной техники при работе по активному приемнику-ответчику), то расход топлива на поддержание «облака» модулей станции в заданном относительном положении оказывается существенно меньшим, чем топливо, которое мы в любом случае обязаны тратить на компенсацию торможения станции атмосферой. Таким образом, телескоп, например, можно держать на расстоянии 10–50 километров сзади базового блока, производственный модуль на расстоянии 10–50 километров впереди, а заправочный модуль еще дальше впереди, на расстоянии, например, 60–100 километров.
Состав такой «станции-облака» может расширяться и меняться. Естественно было бы использовать базовый блок станции, где размещается дежурная смена космонавтов, и как геофизический модуль с аппаратурой экологического контроля, контроля состояния озонового слоя атмосферы, исследований природных ресурсов. Там же можно было бы разместить средства медицинских и биологических исследований.
На этом блоке должны быть несколько причалов для пилотируемых и грузовых кораблей и для орбитальных «автомобилей» — аппаратов, предназначенных для перелетов космонавтов между модулями станции для их обслуживания.
Эта идея была предложена мной в восьмидесятые годы, излагал я ее в курсе лекций для студентов в девяностые годы и долго считал, что будущее орбитальных станций именно за схемой «станция-облако». Сейчас у меня уже нет такой убежденности. Сегодня представляется целесообразным создавать специализированные станции как единые, включающие в себя механически связанные модули, а универсальные — в виде «станции-облака».
Например, специализированную астрофизическую станцию, включающую в себя ряд больших телескопов (допустим, с размерами телескопа «Хаббл»), можно все же попытаться создать в виде ряда механически соединенных карданных подвесов, в которых устанавливаются отдельные работающие по независимым программам телескопы, нацеливаемые на различные участки неба. Технические трудности, связанные с наличием в этой же конструкции жилого блока для бригады обслуживания из космонавтов, будут, по-видимому, немалые, но, возможно, их удастся преодолеть, а космонавтам на такой станции работать будет существенно проще, и топлива на перелеты между отдельными телескопами не потребуется. А универсальную станцию, включающую в себя и телескопы, и модули для технологических работ и исследований, и заправочную станцию, и строительную базу, строить с использованием схемы «станции-облака».
Я говорил об орбитальных станциях, размещаемых на относительно низких орбитах, с высотой порядка 400 километров. Но в принципе может оказаться целесообразным создание орбитальных станций на очень высоких орбитах, например, на геостационарной. Геостационарная орбита отличается тем, что она лежит в плоскости экватора, а период обращения спутника на этой орбите равен периоду вращения Земли вокруг собственной оси. То есть спутник на геостационарной орбите остается неподвижным относительно поверхности Земли.
База-станция на геостационарной орбите (ГСО) может оказаться необходимой для обслуживания автоматических геостационарных платформ, спутников связи, ретрансляторов телевидения и метеорологических спутников, размещаемых на ГСО, для размещения аппаратуры связи и ретрансляции телевидения, наблюдения поверхности Земли в интересах экологического контроля и исследования природных ресурсов, метеорологических наблюдений, астрофизических исследований в радио — и в некоторых других диапазонах. Она окажется необходимой в случае принятия решения о строительстве на ГСО солнечных орбитальных электростанций.
Создание базы на ГСО не выглядит сегодня насущной задачей, но развитие технических средств связи и ретрансляторов телевидения, появление многоцелевых платформ на геостационарной орбите может привести в будущем к выводу о необходимости создания базы на ГСО. Остальные цели (связь, телевидение, радиотелескопы) — попутные; если база будет создана, то логично использовать ее и для других задач, естественных для ГСО.
Можно отметить некоторые особенности базы на ГСО, отличающие ее от обычных низкоорбитальных станций.
Затраты энергии на доставку аппаратов на ГСО примерно такие же, как и при доставке на поверхность Луны. Поэтому доставка экипажа и грузов на базу будет обходиться очень дорого: в несколько раз дороже, чем при доставке грузов на низкоорбитальную станцию.
Отсутствие зонтика магнитного поля Земли, защищающего низкоорбитальные станции от опасных потоков солнечного космического излучения, возникающих при больших солнечных вспышках (такие вспышки на Солнце возникают до четырех раз в год).
Для возвращения экипажа на Землю нужно будет иметь спускаемый аппарат, предназначенный для движений в атмосфере при входе в нее примерно со второй космической скоростью.
В состав базы можно было бы включить: орбитальный блок, строительную платформу, заправочную станцию, орбитальный транспортный аппарат для перелетов космонавтов и доставки грузов к обслуживаем аппаратам и платформам.
Кроме того, в состав средств обеспечения работы базы должны входить транспортный пилотируемый корабль — для доставки экипажей на базу и для их возвращения, и грузовые транспортные корабли — для доставки грузов с низкой орбиты на базу.
При использовании современных одноразовых средств выведения на орбиту (исходя из стоимости выведения на низкую орбиту порядка 5000 долларов за килограмм) стоимость полета на базу корабля массой около семи тонн, с учетом массы двигательной установки с топливом, необходимой для возвращения на Землю, составит порядка нескольких миллионов долларов в зависимости от использованного носителя, плоскости орбиты выведения на промежуточную орбиту и компонентов, используемых в ракетной ступени для выведения корабля с промежуточной орбиты на ГСО. Это очень много. Поэтому нужно стремиться к минимальному составу экипажа на станции и к достаточно большому сроку вахты. Представляется логичным иметь в составе экипажа базы трех космонавтов со сроком работы каждой смены один год.
В жилом модуле базы, учитывая стоимость доставки грузов, следует ориентироваться на систему обеспечения жизнедеятельности экипажа, использующую для своего функционирования расходуемые материалы в виде заменяемых в процессе работы элементов оборудования. Обезвоженную пищу, белье, одежду придется доставлять грузовыми кораблями. Масса доставляемых пищи, белья и прочего может составить порядка 2–3 тонн в год при общем грузопотоке на базу порядка 15–20 тонн в год (напомним, что грузопоток на станцию «Мир» составляет 10–15 тонн в год). Основную часть грузопотока будет составлять оборудование для регламентных работ, приборы и агрегаты, требующие замены на обслуживаемых базой аппаратах, новое научное оборудование, топливо и тому подобное.
В варианте «облака» заправочная станция должна представлять собой самостоятельный автоматический космический аппарат. Поэтому она должна иметь в своем составе весь набор служебных систем, обеспечивающий ее существование: системы управления и ориентации (в том числе и радиолокатор для измерения дальности и радиальной скорости относительно основного блока базы, силовые гироскопы в качестве управляющих органов), связи, терморегулирования, электропитания, систем обеспечения жизнедеятельности, включаемых во время посещения их космонавтами.
Заправочная станции должна предусматривать как свою заправку от грузового корабля-заправщика, так и заправку от нее корабля обслуживания и, возможно, других аппаратов, которые будут к ней подходить на заправку. Ее пневмогидросхема заправки должна быть секционированной и включать в себя: емкости для компонентов, баллоны наддува, компрессорные установки и пневмогидроавтоматику.
Аппарат для перелетов между объектами обслуживания базы может представлять собой орбитальный корабль, способный работать как в пилотируемом режиме, так и в беспилотном. В беспилотном режиме корабль может использоваться для простейших операций обслуживания, таких, например, как операция заправки. Для более сложных операций, связанных с заменой или ремонтом приборов и оборудования обслуживаемого аппарата, в полет на этом корабле отправляется экипаж. В составе корабля обслуживания не нужно иметь спускаемый аппарат. Зато все остальное должно быть: аппаратура управления и связи, энергопитания с использованием солнечных батарей, системы терморегулирования и жизнеобеспечения, двигательная установка с маршевым и управляющими двигателями, стыковочный узел.
Кроме того, в нем должны быть установлены средства заправки обслуживаемых аппаратов: емкости для компонентов заправки, баллоны наддува, компрессорная установка (для перекачки газа наддува из баков заправляемой двигательной установки в ее баллоны) и пневмогидроавтоматика.
Естественно, что аппараты, которые станут клиентами базы на ГСО, должны будут унифицировать используемые компоненты, пневмогидросхемы своих двигательных установок (хотя бы в части заправки и обеспечения безопасности), стыковочные устройства.
Если принять ту же стоимость доставки топлива на низкую орбитальную станцию — 5000 долларов за килограмм, то переход к многоразовому кораблю МПК ГСО может сократить расходы на смену экипажа базы примерно вдвое. Но нужно еще принять во внимание расходы на полет пилотируемого транспортного корабля «Земля — орбита — Земля» и ту долю расходов на низкоорбитальную станцию обслуживания, которая будет отнесена на счет межорбитального пилотируемого корабля, так что выигрыш может оказаться не столь существенным.
Но будущее все же, наверное, за многоразовыми системами. И на них и нужно ориентироваться. А решительного сокращения транспортных расходов можно добиться только при последовательном применении принципа многоразовости, только при создании действительно экономичной многоразовой транспортной системы, обеспечивающей доставку грузов на низкую околоземную орбиту по цене примерно 100 долларов за килограмм.
Повторю, что на базу ГСО потребуется доставлять около 15–20 тонн грузов в год. Доставка этого количества грузов с помощью одноразовых грузовых кораблей обойдется примерно в 500 миллионов долларов (при такой же, как и в случае использования одноразового пилотируемого корабля, схеме оценки, то есть при работе в плоскости экватора). Поэтому и здесь возникает задача оценки целесообразности создания многоразового грузового транспортного корабля.

http://militera.lib.ru/explo/feoktistov_kp/07.html

[Seerndv]

Орбитальный модуль-заправщик

Авторы патента:

Буланов Вячеслав Васильевич (RU)
Шувалов Вячеслав Александрович (RU)
Иванов Виктор Михайлович (RU)
Успенский Георгий Романович (RU)



http://www.findpatent.ru/patent/230/2309092.html
© FindPatent.ru - патентный поиск, 2012-2015


Изобретение относится к специализированным космическим аппаратам, выполняющим дозаправку автономных космических аппаратов криоагентами (жидким азотом, жидким гелием) и компонентами топлива (жидким кислородом, сжиженным метаном, гидразином). Предлагаемый модуль имеет силовой каркас в форме шестигранной призмы. В состав модуля входят периферийные стыковочные устройства, подвижная ферменная конструкция, оснащенная дополнительными силовыми электроприводами и быстроразъемными фиксирующими устройствами. Ферма имеет незамкнутый внутренний объем, в котором размещены сменные криогенные и топливные емкости для хранения и транспортировки криоагентов и компонентов топлива. С использованием средств стыковки и подвижной ферменной конструкции, оснащенной криогенными и топливными емкостями, осуществляются многократные операции замены пустых емкостей из состава автономных КА на заправленные. Технический результат изобретения направлен на то, чтобы существенно расширить функциональные возможности орбитального модуля-заправщика, а также существенно уменьшить потери доставляемых компонентов (до 5-7% от их общей массы). 1 ил.


Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при орбитальной дозаправке автономных космических аппаратов компонентами топлива и криоагентами при реализации этими аппаратами различных орбитальных маневров и длительном (в течение нескольких лет) периоде эксплуатации.
Известен способ (пат. RU 2165869 С1, 08.08.2000) заправки жидким кислородом бака окислителя первой ступени ракеты-носителя, горизонтально расположенной на борту самолета-разгонщика воздушно-космической системы (ВКС), путем подачи жидкого кислорода в нижнюю часть бака и отвода паровой фазы при сообщении верхней части бака окислителя с дополнительной криогенной емкостью с жидким кислородом.
Данный способ заправки обеспечивает надежный запуск ЖРД первой ступени при десантировании ее с самолета-разгонщика. Однако наличие на борту самолета-разгонщика криогенной емкости с жидким кислородом, а также криогенного насоса, трубопроводов и арматуры, существенно усложняет конструкцию и функционирование ВКС.
Известен также способ (пат. RU 2197413 С1, 08.06.2001) заправки жидким кислородом бака окислителя ракеты-носителя ВКС, который включает заполнение перед стартом бака окислителя ракеты-носителя жидким кислородом. Термостатирование кислорода производят с использованием дополнительной криогенной емкости в процессе выведения ракеты-носителя на высоту воздушного старта. В качестве криогенного компонента этой емкости используют жидкий азот с начальной температурой, равной его температуре кипения при нормальном атмосферном давлении.
Данный способ позволяет улучшить эксплуатационные качества соответствующей системы, упростив ее оборудование и уменьшив потери кислорода при термостатировании.
Известны также другие способы и устройства (в т.ч. модульной схемы) заправки топливными компонентами баков ракет-носителей и орбитальных объектов (см. пат. RU 2197413 C1, RU 2241645 С2, RU 2215891 С2, US 4880187 A, US 4884770 А и др.).
Эффективная и экономичная система заправки описана в патенте RU 2208563 С2. В ней предусмотрено заполнение бака окислителя жидким кислородом наземными средствами заправки с последующей подачей в бак окислителя переохлажденного кислорода и переливом кислорода из бака в дополнительную криогенную емкость после заполнения бака, при поддержании в дополнительной криогенной емкости избыточного давления, соответствующего штатному давлению в баке окислителя.
Данная система заправки позволяет улучшить эксплуатационные качества ВКС за счет существенного упрощения технологии работ по подготовке воздушного старта ракеты-носителя при ее десантировании с самолета-разгонщика. При этом значительно уменьшается количество и вес оборудования, поскольку дополнительная криогенная емкость отстыковывается перед взлетом самолета-разгонщика. Это позволяет увеличить массу выводимого на орбиту полезного груза.
Для данного участка полета самолета-разгонщика вместе с ракетой-носителем характерно наличие силы тяжести, во многом определяющей прогнозируемое положение жидкого кислорода и парогазового объема в баке окислителя и создающей необходимые условия для надежного запуска жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) ступени.
Известные системы заправки обычно предполагают включение в свой состав следующего комплекса средств: силового каркаса, криогенных и топливных емкостей, системы энергоснабжения, системы газовых баллонов высокого давления, быстроразъемных стыковочных устройств, системы термостатирования, электроприводов, фиксирующих устройств.
Одним из недостатков перечисленных выше заправочных комплексов является обязательное использование при предварительной заправке бака окислителя жидким кислородом наземного заправочного оборудования с применением одного из возможных вариантов термостатирования этого бака до момента его десантирования в составе ракеты-носителя на основе подачи в бак окислителя переохлажденного кислорода, с переливом кислорода из этого бака в дополнительную криогенную емкость.
Другим недостатком является их ограниченные функциональные возможности, затрудняющие заправочные операции на орбите, где должна проводится дозаправка компонентами топлива и криогенными агентами как автоматических, так и пилотируемых космических аппаратов.
Целью предлагаемого изобретения является устранение отмеченных выше и других недостатков путем расширения функциональных возможностей заправочного устройства в виде орбитального модуля-заправщика, выполненного с возможностью дозаправки как автоматических, так и пилотируемых космических аппаратов, находящихся на своих рабочих орбитах. При этом операция дозаправки осуществляется в условиях невесомости и предполагает многократную дозаправку КА как компонентами топлива, так и криогенными агентами.
Поставленная цель достигается тем, что силовой каркас предлагаемого модуля-заправщика выполнен в виде объемной шестигранной призмы, имеющей в своем составе два торцевых стыковочных шпангоута, соединенных между собой с помощью шести углепластиковых штанг, на которых закреплены шесть однотипных панелей солнечной батареи, на обоих стыковочных шпангоутах установлены периферийные стыковочные устройства, каждое из которых оснащено тремя направляющими выступами; во внутреннем объеме объемной шестигранной призмы установлена форменная конструкция, выполненная из композиционных материалов и повторяющая конфигурацию объемной шестигранной призмы, во внутреннем объеме форменной конструкции установлены две криогенные и две топливные емкости, имеющие одинаковую конфигурацию и габаритные размеры, при этом форменная конструкция оснащена дополнительными электроприводами и фиксирующими устройствами и выполнена с возможностью ее возвратно-поступательного перемещения вместе с криогенными и топливными емкостями вдоль продольной оси орбитального модуля-заправщика, причем криогенные и топливные емкости оснащены активными разделителями фаз и теплоизолирующими экранами на основе экранно-вакуумной изоляции, кроме того, обе криогенные емкости оснащены дополнительными экранами, на цилиндрических оболочках которых установлены дополнительные трубопроводы, соединенные с системой термостатирования, при этом система термостатирования выполнена с возможностью прокачки газообразного гелия по внутреннему объему дополнительных трубопроводов.
В результате реализации стыковочных операций орбитального модуля-заправщика с автономными КА и замены с помощью ферменной конструкции, оснащенной дополнительными электроприводами и соответствующими фиксирующими устройствами, пустых емкостей на заправленные существенно расширяются функциональные возможности орбитального модуля-заправщика и при этом достигается высокая оперативность осуществления всей операции дозаправки и одновременно реализуются минимальные потери доставляемых компонентов в процессе их транспортировки.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется прилагаемым чертежом.
Предложенный орбитальный модуль-заправщик содержит жесткий силовой каркас, выполненный из продольных и поперечных элементов в виде объемной шестигранной призмы 1. На боковых гранях этой призмы закреплены панели солнечной батареи 2, обеспечивающие энергоснабжение бортовых служебных систем 3 и подпитку аккумуляторной батареи 4, от которой осуществляется электроснабжение дополнительных электроприводов 5. Эти дополнительные электроприводы 5 установлены на форменной конструкции 6 вместе с фиксирующими устройствами 7 и сменными заправленными криогенными емкостями 8, а также сменными заправленными топливными емкостями 9. Кроме того, на ферменной конструкции 6 установлены дополнительные фиксирующие устройства 10, реализующие фиксацию пустых криогенных емкостей 11 и пустых топливных емкостей 12, причем все криогенные и топливные емкости оснащены активными разделителями фаз 13, а также теплоизолирующими экранами 17. Кроме того, криогенные емкости 8 и 11 оснащены еще дополнительными экранами 18, которые охлаждаются газообразным гелием. На поперечных элементах каркаса объемной шестигранной призмы 1 с обоих торцов установлены стыковочные шпангоуты 14 и направляющие выступы 15, обеспечивающие жесткую стыковку с подобными стыковочными устройствами автономного КА. Ориентация объемной шестигранной призмы 1 при проведении стыковочных операций осуществляется бортовой системой ориентации с помощью батареи газовых баллонов высокого давления 16.
На прилагаемом чертеже в составе орбитального модуля-заправщика пустые криогенные емкости 11 и пустые топливные емкости 12 показаны условно пунктиром, поскольку в составе орбитального модуля-заправщика, во внутреннем объеме ферменной конструкции 6 при осуществлении стыковочных операций с автономным КА могут находиться либо заправленные криогенные емкости 8 и заправленные топливные емкости 9 при срабатывании фиксирующих устройств 7, либо пустые криогенные и топливные емкости 11 и 12 при срабатывании дополнительных фиксирующих устройств 10. Такое положение обусловлено тем, что орбитальный модуль-заправщик сначала забирает пустые криогенные и топливные емкости, которые штатно функционировали в составе автономного КА, а затем переправляет на борт этого КА заправленные криогенные и топливные емкости. Фактически заправленные и пустые емкости находятся одновременно на борту орбитального модуля-заправщика только в процессе осуществления повторной стыковки этого орбитального модуля-заправщика с автономным КА.
Работа предлагаемого орбитального модуля-заправщика осуществляется следующим образом.
Штатное функционирование орбитального модуля-заправщика предполагается в связке с орбитальной базовой платформой, в составе которой установлены криогенные и топливные резервуары, оснащенные аппаратурой, агрегатами термостатирования и заправки.
Именно из этих резервуаров осуществляется заправка криогенных и топливных компонентов в криогенные и топливные емкости 8 и 9, установленные на ферменной конструкции 6.
После заправки осуществляется расстыковка орбитального модуля-заправщика с базовой платформой и затем его орбитальный маневр к автономному КА, оснащенному таким же периферийным стыковочным устройством, что и орбитальный модуль-заправщик. С помощью направляющих выступов 15 и стыковочного шпангоута 14 осуществляется жесткая стыковка орбитального модуля-заправщика с аналогичным периферийным стыковочным устройством автономного КА. После стыковки с помощью дополнительных электроприводов 5 реализуется продольное перемещение ферменной конструкции 6 во внутренний объем автономного КА и с помощью фиксирующих устройств 10 производится захват пустых криогенных емкостей 11 и пустых топливных емкостей 12. По факту фиксации этих емкостей осуществляется с помощью дополнительных электроприводов 5 возврат ферменной конструкции 6 в исходное положение. Далее орбитальный модуль-заправщик осуществляет расстыковку с автономным КА и отход от него с помощью струйных сопел, питаемых от батареи газовых баллонов высокого давления 16, с последующим зависанием и разворотом орбитального модуля-заправщика на угол 180°. С помощью направляющих выступов 15 и стыковочного шпангоута 14 второго периферийного стыковочного устройства этого орбитального модуля-заправщика осуществляется его повторная жесткая стыковка с автономным КА.
Затем с помощью дополнительных электроприводов 5 реализуется продольное перемещение ферменной конструкции 6 во внутренний объем автономного КА и с помощью его фиксирующих устройств производится захват заправленных криогенных емкостей 8 и заправленных топливных емкостей 9. Затем с помощью дополнительных электроприводов 5 реализуется возврат ферменной конструкции 6 в исходное положение. После выполнения этой операции орбитальный модуль-заправщик осуществляет расстыковку с автономным КА и отход от него. Таким образом, осуществлена дозаправка автономного КА криоагентами и топливом путем оперативной замены пустых емкостей 11 и 12 на заправленные емкости 8 и 9.
Оснащение криогенных емкостей и топливных емкостей активными разделителями фаз 13 обеспечивает в полном объеме жидкими криоагентами (жидким азотом, жидким гелием) и жидкими топливными компонентами агрегаты, научную и служебную аппаратуру автономного КА в течение всего срока его активного функционирования.
При этом минимизируются потери доставляемых компонентов при транспортировке и передаче их на борт автономного КА. Проведенные оценочные расчеты по определению потерь криоагентов при их транспортировке и передаче на борт автономного КА с помощью предлагаемого орбитального модуля-заправщика показали, что они не превышают 5-7% от общей массы криоагентов. Для сравнения потери криоагентов при использовании традиционных средств дозаправки достигают 30-40% от их общей массы.
Орбитальный модуль-заправщик, содержащий силовой каркас, бортовые криогенные и топливные емкости, солнечную батарею, систему газовых баллонов высокого давления, быстроразъемные стыковочные устройства, систему термостатирования и электроприводы, при этом указанный силовой каркас выполнен в виде объемной шестигранной призмы, имеющей в своем составе два торцевых стыковочных шпангоута, соединенных между собой с помощью шести углепластиковых штанг, на каждой из которых закреплено по одной однотипной панели солнечной батареи, причем на обоих стыковочных шпангоутах установлены периферийные стыковочные устройства, каждое из которых оборудовано тремя направляющими выступами, а во внутреннем объеме указанной шестигранной призмы установлена ферменная конструкция, повторяющая конфигурацию этой призмы и выполненная из композиционных материалов, причем во внутреннем объеме ферменной конструкции установлены две криогенные и две топливные емкости, имеющие одинаковую конфигурацию и габаритные размеры, при этом ферменная конструкция оснащена дополнительными электроприводами и фиксирующими устройствами и выполнена с возможностью ее возвратно-поступательного перемещения вместе с криогенными и топливными емкостями вдоль продольной оси орбитального модуля-заправщика, при этом криогенные и топливные емкости оснащены активными разделителями фаз и теплоизолирующими экранами на основе экранно-вакуумной изоляции, причем обе криогенные емкости оснащены дополнительными экранами, на цилиндрических оболочках которых установлены дополнительные трубопроводы, соединенные с системой термостатирования, которая выполнена с возможностью прокачки газообразного гелия по внутреннему объему дополнительных трубопроводов.


http://www.findpatent.ru/patent/230/2309092.html
© FindPatent.ru - патентный поиск, 2012-2015

[Seerndv]

Однако как долго уже витает эта идея:

The concept of an orbital fuel depot, supplied from Earth in order to fuel missions to Mars and the like, is not especially new. Shown below is a concept from General Dyanamics from 1963, depicting a toroidal propellant depot. A torus is a rather poor shape for such a thing... not only is it heavier than an equivalent-mass spherical tank, it also has substantially more surface area. But the advantage of this configuration is that it would easily pack in excess payload space aboard a partially-loaded Nova launch vehicle. Dimensions weren't given, but maximum diameter would be less than 70 feet.

[Seerndv]

Особенностью нового газотурбовоза стала принципиально новая концепция экипировки и хранения газового топлива. Криогенная емкость выполнена в виде контейнера, имеющего стандартные габариты и монтажные размеры. Это позволяет осуществлять дозаправку емкости сжиженным газом как прежним способом, т.е. при нахождении ее непосредственно на локомотиве, так и ее заменой. В этом случае по прибытии локомотива в пункт оборота криогенный контейнер с помощью крана снимается с локомотива, а на его место устанавливается ранее заправленный сжиженным газом. Это сокращает время простоя локомотива для экипировки. Кроме того, контейнер может быть пополнен на газозаправочной станции. Криогенная емкость имеет геометрический объем 46 м3 и вмещает до 20 т сжиженного газа.

- может и для орбитальной заправки вариант такой подошёл бы.
С поправками, конечно.  

[vlad7308]

в смысле - замена бака вместо заправки?

[Seerndv]

Контейнером с имеющимся в нём баком - это по тексту.
Только патент на эту тему для буксиров вроде уже существует.

[Seerndv]

Apollo13 пишет: 
Inside ULA's Plan to Have 1,000 People Working in Space by 2045 

Apollo13 пишет: 
Было уже

http://www.ulalaunch.com/uploads/docs/Published_Papers/Commercial_Space/SSP_12_15_sowers.pdf 

- хоть это уже и было, но сама-то статья от June 29, 2016 02:55pm ET     
Значит свежаК!     

Inside ULA's Plan to Have 1,000 People Working in Space by 2045
By Leonard David, Space.com's Space Insider Columnist | June 29, 2016 02:55pm ET



United Launch Alliance (ULA) has devised a plan that could enable a robust space economy based on the refueling of spacecraft away fr om Earth.
Credit: ULA

GOLDEN, Colorado — A major American launch provider has outlined a plan that the company says will help enable a space economy based on refueling spacecraft in Earth orbit.
Dubbed the "Cislunar 1,000 Vision," the initiative foresees a self-sustaining economy that supports 1,000 people living and working in Earth-moon spaceroughly 30 years from now. The concept stems from an analysis and ongoing technical work by United Launch Alliance (ULA), a joint venture between Lockheed Martin and Boeing Co. that provides launches aboard Atlas and Delta rockets.
A central element of the plan involves the use of a souped-up Centaur rocket stage called ACES (Advanced Cryogenic Evolved Stage). This liquid oxygen/liquid hydrogen upper stage is designed to be reusable and can be refueled, perhaps by propellant made using water extracted from Earth's moonor asteroids. [Moon Base Visions: How to Build a Lunar Colony (Photos)]

Graphic depicting the basics of ULA's "Cislunar 1,000 Vision," a plan based on buying propellant sourced off Earth.
Credit: ULA

A road map to attain the Cislunar 1,000 Vision was detailed at the seventh joint meeting of the Space Resources Roundtable and the Planetary & Terrestrial Mining Sciences Symposium, which was held here from June 7 through June 9.
Mining the moon
"ACES is the innovation that we're bringing to bear on this idea, to start talking about lunar propellant and setting price points," said George Sowers, vice president of advanced programs for Colorado-based ULA. "What makes ACES unique is technology that we're currently developing called Integrated Vehicle Fluids."
Sowers told Space.com that the road map also includes a tanker called XEUS. XEUS will use a "kit" that augments an ACES stage, allowing the vehicle to land horizontally on the lunar surface and be stocked with moon-mined fuel for transport to a gravitationally stable "libration point" in the Earth-moon system known as L1.
The XEUS work is being done in collaboration with California-based Masten Space Systems, Sowers said.
"The basic technology has been in development for a number of years," he said. Work is underway to test the Integrated Vehicle Fluids concept at NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, along with demonstrations of various ACES features, Sowers added.



CRYOTE3 is a test bed based on a Centaur tank currently undergoing a series of tests at NASA's Marshall Space Flight Center in Alabama.
Credit: ULAEnter the Vulcan

ULA will solicit proposals for ACES' upper-stage engines, tapping the technologies of aerospace companies such as Aerojet Rocketdyne, XCOR Aerospace and Blue Origin. And the U.S. Air Force is supporting some ACES work under rocket propulsion system contracts, Sowers said.
"There's a lot of activity ongoing," he said, "and we're designing a Vulcan booster to accommodate the ACES upper stage."
Vulcan is ULA's next-generation launch system. [Vulcan Rocket: ULA Unveils New Modular Launch System (Video)]



A second-generation prototype of the Integrated Vehicle Fluids engine is an internal combustion engine that runs off hydrogen and oxygen gas, and powers a compressor and a generator. A third-generation flight-like version is now being designed, and should be tested next year, if current schedules hold.
Credit: ULA
 
"Once we have ACES flying, sometime in the early to mid-2020s, we would be in a position to utilize space-provided propellant," Sowers said.
Lowering the cost of spaceflight
Rocket fuel sourced off Earth could be a game changer for spaceflight, because it's very expensive to launch anything from Earth, Sowers said.
"I want to buy propellant in space," he said. "Once I have a reusable stage and can buy my fuel, then I have the potential to dramatically lower costs to go elsewh ere."
For example, a rocket could carry just enough fuel to get to low Earth orbit and then refuel its upper stage in space to get a payload to the much more distant geosynchronous transfer orbit.
"I can potentially do that whole mission cheaper if I can get propellant cheap enough in low Earth orbit," Sowers said.
As a customer, ULA is willing to pay about $1,360 per lb. ($3,000 per kilogram) for propellant in low Earth orbit. The going rate for fuel on the surface of the moon is $225 per lb. ($500 per kg), Sowers said. In talking withasteroid-mining experts, ULA would take delivery of propellant at L1 for $450 per lb. ($1,000 per kg), he said.
"Having a source of propellant in space benefits anybody going anywhere in space, to be honest," Sowers said. "What excites me is that, once you have the propellant capability going, you make a lot of other business plans look a lot better, be they on the moon, at L1, or other places."



ULA's reusable, refuelable Advanced Cryogenic Evolved Stage (ACES).
Credit: ULAFrom prospecting to utilization

Angel Abbud-Madrid, director of the Center for Space Resources at the Colorado School of Mines, is bullish on ULA's plan.
For several decades, three important elements have been considered essential to the development of space resources: finding a recoverable resource, developing the technology to recover it, and a customer, Abbud-Madrid told Space.com.
This third component has been the most challenging task for in-situ resource utilization (ISRU) advocates, Abbud-Madrid said.
"Up to now, governments have been the only customer in the business plan," he said. "The announcement made by ULA radically addresses this weak link by opening up new opportunities for space resources development."
For the first time, a major launch-service provider has seriously stepped forward as a true commercial client to purchase space resources, Abbud-Madrid said.
"ULA's detailed analysis of the water-based propellant market in cislunar [Earth-moon] space has established specific price points at various orbital destinations," Abbud-Madrid said.
This plan has reinvigorated the ISRU community by challenging it to re-evaluate all steps of the ISRU process — from prospecting to utilization — to meet these targets, he added.
A turning point?
"I think this is a turning point for ISRU," said Dale Boucher, CEO of Deltion Innovations Ltd. in Ontario, Canada. Deltion develops mining technologies and robotics for the resource sector and is a leader in investigating the promise of space mining.



Artist's illustration of ULA's XEUS tanker touching down on the moon. XEUS would transport fuel processed from very rich ice fields at the lunar poles.
Credit: ULA

"It is the first private industry customer declaring an interest in purchasing space-derived materials for commercial use," Boucher told Space.com. "They have provided quantities and price points. They are prepared to set quality metrics. This opens the door to negotiations for 'futures' types of speculative contracts for purchase of commodities, much like new gold mines do, or oil and gas."
The numbers that ULA provided, once crunched, are within the realm of typical terrestrial mining activities and can be used to generate realistic budgets and mine plans, Boucher said.
ULA's estimate that it will need the off-Earth propellant in the early 2020s follows a pattern seen in Earth-based mining, Boucher added.
"Typically, a mine will go from an idea to production in five to 10 years, spend billions to get it up and running, and expect a 10-year life," he said. "It all starts with a solid financing plan coupled to prospective customers."
For the most part, the only potential customers for space-based fuel have been space agencies. But their timelines keep shifting, their budgets keep getting reappropriated and the political will to enable this kind of activity "gets bogged down in bureaucratic zombie zones," Boucher said.
As for the ISRU impact, Boucher said, the ULA plan enables commercialization in deeper space and provides risk reductions for space-agency-sponsored missions.
The "next steps would be to evaluate the knowledge and technical gaps that must be addressed to close the case," he said. "This is not a science task; it is a commercial task."
During this process, Boucher said, it is conceivable that mission plans could be generated, feasibility studies performed, regulatory regimes examined and financing established.
"This puts a whole new perspective on commercial space mining," Boucher concluded.
Leonard David is the author of "Mars: Our Future on the Red Planet," to be published by National Geographic this October. The book is a companion to the National Geographic Channel six-part series coming in November. A longtime writer for Space.com, David has been reporting on the space industry for more than five decades. Follow us @Spacedotcom, Facebook orGoogle+. Originally published on Space.com.

Ибо речь идёт уже о рынке топлива на орбите