CN105416583A - 水空两栖太阳能动力飞船 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水空两栖太阳能动力飞船，其特征在于：可以在水面上、天空里使用的太阳能动力飞船，可以做为民用、军事运输机械，水空两栖航空母舰，及超大型的航天发射中转站；利用自然界清洁无污染的太阳能而不再依靠化石燃料的飞行器。所使用的太阳能是基于发明专利太空太阳能基站（申请号：2015108331435）产生的聚焦太阳能，飞船可设置传统能源做为备用能源。此太空太阳能基站可以设置在地球初始轨道、同步轨道、太阳同步轨道乃至于月球正表面上。太阳能接收装置为飞船顶面上的反射聚光单元或蒸汽发生器，飞船的动力系统采用一炉多机共用主管道模式，在其中一台或多台汽轮机及其中一台蒸汽发生器故障或维护时，大大减少对系统的影响。
Description
技术领域
本发明名称为：水空两栖太阳能动力飞船，属于新能源运输技术领域。
技术背景
能源是人类活动的物质基础，人类社会的发展与能源息息相关，随着人类文明的发展，能源的消耗越来越多，随着地球上有限能源的减少，世界面临着严重的能源问题。传统的船舶、飞机多数以消耗化石燃料为主，对环境污染很大。同时大量消耗化石燃料，也使能源问题日益严重，因此对新能源的利用就显得尤其重要。
发达国家实际早在上世纪50年代就开始尝试进行核动力火箭及飞船的研究，但核能发动机研究面临很多问题，直到现在也没能研究出实用的核能推力发动机，唯一成果是推力很小的核能离子火箭，可以在行星探测器上使用。我国也有相关项目，据估计真正意义上的核动力飞船至少要21世纪50年代后才能研究出来，到时至少要完成对核聚变的完全控制才行。核动力是利用可控核反应来获取能量，从而得到动力、热量和电能；核能在反应堆中被转化为热能，热能将水变为蒸汽推动汽轮发电机组发电。核能有一个重要的优点——非常清洁。能量高度集中，燃料费用低廉，综合经济效益好；1公斤铀-235或钚-239提供的能量在理论上相当于2300吨无烟煤；在现阶段的实际应用中，1公斤天然铀可代替20—30吨煤。但是核动力系统非常庞大、投资高、技术难大，制约着其的发展。
对于人类来说最普通、最常见的能源是太阳能，它是人类赖以生存的最关键因素之一。而目前对于太阳能的利用，主要是将自然光用作于发电或者为热水器提供能源。而众所周知在太阳光聚焦后将产生高温，而发明专利太空太阳能基站（申请号：2015108331435）提供了一种方法，通过在太空中设置的柔性可以折叠材料制成的反光镜，通过此反光镜将太阳光聚焦，并反射到终端设备上，此聚焦的太阳光携带有大量的热能，完全可以作为飞船的动力源，此种动力源与船体分离的方式，大大的减少了飞船本身的重量。制约此太阳能动力飞船最主要的因素是飞船与太阳能基站之间的联系与控制，相对于目前的卫星发展技术来说可以在地球初始轨道、同步轨道、太阳同步轨道设置多个太空太阳能基站，此基站能够提供聚焦的太阳能，也能够作为中转装置反射其他的太阳能基站提供的聚焦太阳能；也可以将太阳能基站安装到月球正面，由此更能稳定可靠的提供聚焦后的太阳能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以在水面上、天空使用的两栖太阳能动力飞船，利用自然界清洁无污染的太阳能而不再依靠化石燃料的飞行器。为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。
一种水空两栖太阳能动力飞船，其特征在于，本发明所使用的太阳能是基于发明专利太空太阳能基站（申请号：2015108331435）产生的聚焦太阳能，为安全航行此飞船能够同时接收多个太空太阳能基站提供的太阳能；此太空太阳能基站可以设置到地球初始轨道、同步轨道、太阳同步轨道乃至于月球正面上，若聚焦后的太阳能不能直接到达飞船的接收装置，则经过设置在地球同步轨道上的太阳能基站作为中转，将月球上获得的聚焦太阳能反射到飞船的接收装置上，此接收装置为飞船顶面上的反射聚光单元或者蒸汽发生器。为保证飞船的可靠性还设置有传统能源系统的备用能源，在太阳能能源失效后投入使用，保证飞船安全着陆。
为实现上述目的，本发明提供的水空两栖太阳能动力飞船，其特点是。
（1）采用纯太阳能作为动力源，设置有传统能源系统作为备用紧急能源，在失去太阳能能源规定时间内能及时投入使用。
（2）采用封闭运行的汽轮机组作为能源转化的中间设备，将太阳能转换为飞船垂直提升及水平推动的机械能。
（3）飞船的动力系统采用一炉多机共用环形主管道模式，在其中一台或多台汽轮机、其中一台蒸汽发生器及一组蒸汽管道故障或维护时，对整个系统的影响降低到最小化。
（4）为减轻飞船的整体重量，环形蒸汽管道作为飞船主体的支撑与连接材料。
（5）飞船设置有自动补水设施，即在高空飞行时可以吸收云层中的水蒸气、水珠、冰粒，经过净化设施补充到冷却水水箱中。
（6）本飞船可以作为中小型民用、军事运输机械，水空两栖航空母舰，及超大型的航天发射的中转站。
附图说明
下面结合附图来对本发明进一步说明。
图1是本发明的俯视图。
图2是本发明的侧视图。
图3是本发明的后视图。
图4是本发明的动力系统图。
图5是本发明蒸汽管道作为主体结构的俯视与侧视图。
图6是本发明的螺旋桨区大样图。
图7是本发明的蒸汽管道保温大样图。
图8是本发明蒸气发生器的大样图。
图9是本发明阀门组的原理图。
附图标记说明：101—船体，102—蒸汽发生器，103—尾翼，104—螺旋桨，105—风冷散热器，106—太阳能接收器；201—船体，202—蒸汽发生器，203—尾翼，204—螺旋桨，205—风冷散热器，206—太阳能接收器，207—飞船着陆腿，208—蒸汽管道；301—船体，302—蒸汽发生器，303—尾翼，304—螺旋桨，305—风冷散热器，306—太阳能接收器，307—飞船着陆腿，208—蒸汽管道；401-1—蒸汽发生器（一），401-2—蒸汽发生器（二），402-1—蒸汽发生器出口阀门组（一），402-2—蒸汽发生器出口阀门组（二），403—内环蒸汽管道，404—内环蒸汽管道分段阀门组（一），405—内环蒸汽管道分段阀门组（二），406-1—外环蒸汽管道（一）进口阀门组（一），406-2—外环蒸汽管道（一）进口阀门组（二），407-1—外环蒸汽管道（二）进口阀门组（一），407-2—外环蒸汽管道（二）进口阀门组（二），408—外环蒸汽管道（一），409—外环蒸汽管道（二），410-1—外环蒸汽管道（一）分段阀门组，411-1—外环蒸汽管道（二）分段阀门组，412-1—外环蒸汽管道（一）出口阀门组，413-1—外环蒸汽管道（二）出口阀门组，414-1—汽轮机组，414-2—汽轮机组进口蒸汽管道，414-2—汽轮机组进口阀门组，416-1—凝结水集水器（一），416-2—凝结水集水器（二），417-1—凝结水泵（一），417-2—凝结水泵（二），418—冷却水管道，419—冷却水箱，420—冷却水，421-1—补水泵（一），421-2—补水泵（二），422-1—除氧器（一），422-2—除氧器（二），423-1—给水泵（一），423-2—给水泵（二），424-1—给水泵（一）出口阀门组，424-2—给水泵（二）出口阀门组，425—给水管道，426-1—给水阀门组（一），426-2—给水阀门组（二），427—汽轮机组蒸汽管道，428—汽水分离器，429—高压汽轮机，430—低压汽轮机，431—凝汽器，432—变速器，433—螺旋桨，434—风冷散热器，435—冷却水泵，436—凝结水出口阀门组，437—补水风机，438—净化装置；501—内环蒸汽管道，502-1—外环蒸汽管道（一），502-2—外环蒸汽管道（二），503—内环蒸汽管道连接杆，504—外环与内环蒸汽管道连接杆，505—蒸汽发生器出口阀门组（一），506—蒸汽发生器出口阀门组（二），507—内环蒸汽管道进口，508—内环蒸汽管道进口，509—外环蒸汽管道（一）进口阀门组，510—外环蒸汽管道（一）进口，511—外环蒸汽管道（二）进口阀门组，512—外环蒸汽管道（二）进口，513—外环蒸汽管道（二）进口阀门组，514—外环蒸汽管道（二）进口，515—外环蒸汽管道（一）出口阀门组，516—外环蒸汽管道（一）出口，517—内环蒸汽管道分段阀门组（一），518—内环蒸汽管道分段阀门组（二），518—外环蒸汽管道连接杆；601—螺旋桨，602—框架，603—风冷散热器；701—蒸汽管道，702—保温材料，703—隔热垫，704—抱箍，705—管道连接杆；801—蒸汽发生器壳体，802—太阳能受热面，803—导热片，804—隔热衬垫，805—蒸汽出口，806—补水口，807—水；V1—阀门组（一），V2—阀门组（二），901—主调节阀，902—常开截止阀，903—常开截止阀，904—常闭旁通调节阀，905—常开截止阀，906—常开截止阀。
具体实施方式
下面，参照附图，对根据本发明提供的水空两栖太阳能动力飞船的实施方式进行详细说明；本实施方案中：外环蒸汽管道2套，内环蒸汽管道1套，蒸汽发生器2台，汽轮机组10套，给水补水除氧设备2套；但实际中外环蒸汽管道不限于2套，内环蒸汽管道不限于1套，蒸汽发生器不限于2台，汽轮机组不限于10套，给水补水除氧设备不限于2套。
图1~图3中示出了本发明构成的水空两栖太阳能动力飞船的俯视图、侧视图、后视图。可以看出飞船包括了三大部分：船体、太阳能接收装置、能源转换系统、提升推进装置，船体（101）作为飞船的主体。太阳能接收装置，可以直接使用蒸汽发生器(102)直接接收来自太空基站的聚焦太阳能，也可以通过飞船自身安装的反射聚光单元（106）作为中转，反射到蒸汽发生器(102)；反射聚光单元（106）可以设置到蒸汽发生器(102)的正下方，当照射到蒸汽发生器(102)偏移出其的受热面（802）时，通过聚光单元（106）反射到蒸汽发生器(102)下方的受热面（802）。能源转换系统主要由蒸汽发生器(102)将太阳能转换为蒸汽能，通过汽轮机组装换为动力能供提升推进装置；提升推进装置由尾翼（103）及螺旋桨（104）组成，尾翼（103）主要是为飞船提供水平推力及飞船航行方向的控制，螺旋桨（104）主要是提供提升力，此螺旋桨（104）能小范围的改变螺旋桨（104）轴线与船体轴线的角度。
图4中示出了本发明构成的水空两栖太阳能动力飞船的动力系统图，本实施例包括2台蒸汽发生器（401-1、401-2）、3个蒸汽管道环（403、408、409）、10套汽轮机组（414-1）、2套给水补水除氧设备。每套汽轮机组包括蒸汽管道（427）、汽水分离器（428）、高低压汽轮机（429、430），凝汽器（431）、变速器（432）、螺旋桨（433）及散热器（434）、冷却水泵（435）；对于尾翼（103）的两套汽轮机组加装有发电机，为整个飞船提供电力。2套给水补水除氧设备包括凝结水集水器（416-1、416-2）、凝结水泵（417-1、417-2）、冷却水箱（419）、补水泵（421-1、421-2）、除氧器（422-1、422-2）、给水泵（423-1、423-2）；通过凝结水集水器（416-1、416-2）将所有投入运行的汽轮机组（414-1）连接成一个环网，使得飞船的动力系统成为一个闭环封闭式的能源转换系统，有效的节约水蒸汽流失。飞船设置有自动补水设施（437），即在高空飞行时可以吸收云层中的水蒸气、水珠、冰粒，经过净化装置（438）净化后补充到冷却水水箱（419）中。
通过内环蒸汽管道经阀门组的控制可以将2个蒸汽发生器与任意1个外环蒸汽管道连接在一起，可以组成独立的两套系统，并且两套系统均能任意分配相应的汽轮机组（414-1、414-2）；对于外环蒸汽管道（408、409）可以采用分段阀门组（410-1、411-1）进行分段运行处理，即在部分外环蒸汽管道或者蒸汽机组故障时切出，不影响其它部分的运行。蒸汽发生器与外环蒸汽管道组合运行模式有。
（1）蒸汽发生器（401-1、401-2）及外环蒸汽管道环（408、409）一用一备模式（共4种组合，8种方式实现）：蒸汽发生器出口阀门组（一）（402-1）打开，蒸汽发生器出口阀门组（二）（402-2）关闭，内环蒸汽管道分段阀门组（404、405）打开与关闭均可；若外环蒸汽管道环（一）（408）备用，则外环蒸汽管道（二）进口阀门组（一）（407-1）打开，或者外环蒸汽管道（二）进口阀门组（二）（407-2）打开（内环蒸汽管道分段阀门组（404、405）任意一个打开）；另外的3中组合、6种方式原理相同，这里不做重复说明。
（2）蒸汽发生器（401-1、401-2）二用及外环蒸汽管道环（408、409）一用一备模式（共2种组合，4种方式实现）：蒸汽发生器出口阀门组（402-1、402-2）打开，内环蒸汽管道分段阀门组（404、405）打开与关闭均可；若外环蒸汽管道环（一）（408）备用，则外环蒸汽管道（二）进口阀门组（407-1、207-2）任意一个打开（内环蒸汽管道分段阀门组（404、405）任意一个打开），或者外环蒸汽管道（二）进口阀门组（407-1、407-2）打开（内环蒸汽管道分段阀门组（404、405）关闭）；另外的1中组合、2种方式原理相同，这里不做重复说明。
（3）蒸汽发生器（401-1、401-2）一用一备及外环蒸汽管道环（408、409）二用模式（共2种组合，12种方式实现）：若蒸汽发生器（一）（401-1）备用，则蒸汽发生器出口阀门组（一）（402-1）关闭，蒸汽发生器出口阀门组（二）（402-2）打开，实现方式一：内环蒸汽管道分段阀门组（404、405）任意一个打开，外环蒸汽管道（一）进口阀门组（406-1、406-2）任意一个打开，外环蒸汽管道（二）进口阀门组（407-1、407-2）任意一个打开；实现方式二：内环蒸汽管道分段阀门组（404、405）关闭，外环蒸汽管道（一）进口阀门组（二）（406-2）打开，外环蒸汽管道（二）进口阀门组（二）（407-2）打开。蒸汽发生器（二）（401-2）备用的实现方式原理相同，这里不做重复说明。
（4）蒸汽发生器（401-1、401-2）及外环蒸汽管道环（408、409）均投入使用模式（共1种组合，10种方式实现）。实现方式一：内环蒸汽管道分段阀门组（404、405）关闭，共5中运行方式，外环蒸汽管道（一）进口阀门组（406-1、406-2）任意一个或者两个打开，外环蒸汽管道（二）进口阀门组（407-1、407-2）任意一个或者两个打开。实现方式二：内环蒸汽管道分段阀门组（404、405）任意一个或者两个打开，共5中运行方式，外环蒸汽管道（一）进口阀门组（406-1、406-2）任意一个或者两个打开，外环蒸汽管道（二）进口阀门组（407-1、407-2）任意一个或者两个打开。
图5中示出了本发明构成的水空两栖太阳能动力飞船的蒸汽管道作为主体结构的俯视图与侧视图；将两个外环蒸汽管道（502-1、502-2）与内环蒸汽管道（501）通过连接杆（503、504）连接成一个整体，通过此方式能够大大减少飞船的重量。
图6中示出了本发明构成的水空两栖太阳能动力飞船的螺旋桨区大样图，在螺旋桨（601）洞口采用沟槽式凹凸面作为风冷式散热器（603），在螺旋桨（601）运转是时洞口通过高速气流，将传递到风冷式散热器（603）上的蒸汽能余热带走，并使剩余水蒸气凝结为水，经凝结水集水器（416-1、416-2）循环使用。
图7中示出了本发明构成的水空两栖太阳能动力飞船的的蒸汽管道保温大样图，为提高系统的热效率减少热量损失，对所有蒸汽管道（701）加保温措施，保温层（702）厚度根据管径确定；对于有连接杆（705）的蒸汽管道（701）为减少热量损失在蒸汽管道与抱箍（704）之间加装隔热垫（703）。
图8中示出了本发明构成的水空两栖太阳能动力飞船的蒸汽发生器大样图，由蒸汽发生器壳体（801）、太阳能受热面（802）、隔热衬垫（803）组成；蒸汽发生器壳体（801）上有蒸汽出口（805及补水口（806），在聚焦太阳能照射到蒸汽发生器受热面（802），其温度升高，并通过导热片（803）将温度传递到蒸汽发生器内部，使得内部的水（807）变成水蒸气，在气压超过蒸汽出口(805)的压力限制时排出蒸汽发生器，当蒸汽发生器内部的水（807）不足时通过补水口（806）补水。
图9中示出了本发明构成的水空两栖太阳能动力飞船阀门组的两种原理图，V2阀门组由两个常开截止阀（902、903）及一个主调节阀（901）组成，在V2阀门组运行时主要调节主调节阀（901）的开度，截止阀（902、903）常开；在主调节阀（901）故障或者维护时截止阀（902、903）关闭。V1阀门组在V2阀门组的基础上增加2个常开截止阀（905、906）一个常闭旁通调节阀（904），主要是在主调节阀（901）故障或者维护时打开旁通调节阀（904），由此来提高系统的可靠性。对于本实施例中蒸汽发生器出口阀门组（402-1、402-2）及给水阀门组（426-1、426-2）采用V1形式阀门组。其余的阀门组采用V2形式阀门组，根据使用功能也可以采用V1形式阀门组。
Claims (10)
1.一种水空两栖太阳能动力飞船，其特征在于，是一种可以在水面上、天空里使用的两栖太阳能动力飞船，利用自然界的清洁无污染的太阳能而不再依靠化石燃料的飞行器；
所使用的太阳能是基于发明专利太空太阳能基站（申请号：2015108331435）产生的聚焦太阳能，为保证飞船的可靠性还设置有传统能源系统的备用能源，在太阳能能源失效后投入使用，保证飞船安全着陆；其特点是：
（1）采用纯太阳能作为动力源，设置有传统能源系统作为备用紧急能源，在失去太阳能能源规定时间内能及时投入使用；
（2）采用封闭运行的汽轮机组作为能源转化的中间设备，将太阳能转换为飞船垂直提升及水平推动的机械能；
（3）飞船的动力系统采用一炉多机共用环形主管道模式，在其中一台或多台汽轮机、其中一台蒸汽发生器及一组蒸汽管道故障或维护时，对整个系统的影响降低到最小化；
（4）为减轻飞船的整体重量，环形蒸汽管道作为飞船主体的支撑与连接材料；
（5）飞船设置有自动补水设施，即在高空飞行时可以吸收云层中的水蒸气、水珠、冰粒，经过净化装置补充到冷却水水箱中；
（6）飞船可以作为中小型民用、军事运输机械，水空两栖航空母舰，及超大型的航天发射的中转站。
2.根据权利要求1所述的水空两栖太阳能动力飞船，其特征在于，此飞船能够同时接收多个太空太阳能基站提供的太阳能；此太空太阳能基站可以设置到地球初始轨道、同步轨道、太阳同步轨道乃至于月球正面上，若聚焦后的太阳能不能直接到达飞船的接收装置，则经过设置在地球同步轨道上的太阳能基站作为中转，将月球上获得的聚焦太阳能反射到飞船的接收装置上。
3.根据权利要求1、2所述的水空两栖太阳能动力飞船，其特征在于，飞船船体上方包含太阳能反射聚光单元，能够独立接收来自太空中的太阳能，并将其进一步聚焦反射到蒸汽发生器上；蒸汽发生器可以直接接收来自太空的太阳能，也能同时接收经过飞船聚光单元中转后的太阳能。
4.根据权利要求1所述的水空两栖太阳能动力飞船，其特征在于，本实施例采用2套外环蒸汽管道将若干汽轮机组连接在一起，采用1套内环蒸汽管道将2台蒸汽发生器及外环蒸汽管道联系在一起；为减轻飞船的整体重量，内环蒸汽管道及外环蒸汽管道通过连接杆连接在一起作为飞船主体的支撑与连接材料；实际中根据飞船的规模及结构，外环蒸汽管道不限于2套，内环蒸汽管道不限于1套，蒸汽发生器不限于2台，汽轮机组不限于10套。
5.根据权利要求1、4所述的水空两栖太阳能动力飞船，其特征在于，2套外环蒸汽管道、1套内环蒸汽管道、2台蒸汽发生器，共有如下4种运行模式：（1）蒸汽发生器及外环蒸汽管道环一用一备模式，此运行模式共4种组合，8种方式实现；（2）蒸汽发生器二用及外环蒸汽管道环一用一备模式，此运行模式共2种组合，4种方式实现；（3）蒸汽发生器一用一备及外环蒸汽管道环二用模式，此运行模式共2种组合，12种方式实现；（4）蒸汽发生器及外环蒸汽管道环均投入使用模式，此运行模式共1种组合，10种方式实现。
6.根据权利要求1、5所述的水空两栖太阳能动力飞船，其特征在于，运行模式之间的切换及汽轮机组的投入切出均是通过阀门组的关合来实现，阀门组V2采用主调节阀与其两边的2个常开截止阀组成，可自动调节主调节阀的开度，在主调节阀运行时截止阀常开，在主调节阀故障或者维护时截止阀关闭；为在主调节阀故障或者维护时不影响系统的运行使用阀门组V1，阀门组V1再阀门组V2的基础上增加1个常闭旁通调节阀、2个常开截止阀，在主调节阀故障或者维护时打开常闭旁通调节阀；调节阀、截止阀能自动、手动控制，动力可以采用电动、气动、液压启动，必要的时候也能够通过手动打开。
7.根据权利要求1所述的水空两栖太阳能动力飞船，其特征在于，飞船安装有气泵，用于吸取云层中的水蒸气、水珠、冰粒，并经过净化装置补充到冷却水水箱中。
8.根据权利要求1所述的水空两栖太阳能动力飞船，其特征在于，飞船尾翼部分的两个汽轮机组分别安装有一台发电机，每台发电机均能满足整个飞船的电力需求；也可以独立设置2台汽轮机组及发电机，并经过阀门组分别接到2个外环蒸汽管道上；螺旋桨能小范围的改变螺旋桨轴线与船体轴线的角度，尾翼能改变其的水平角度，以此控制飞船的航行方向。
9.根据权利要求1所述的水空两栖太阳能动力飞船，其特征在于，在飞船螺旋桨洞口区域采用沟槽式凹凸面作为风冷式散热器，在螺旋桨运转时洞口通过高速气流，将传递到风冷式散热器上的蒸汽能余热带走，并使水蒸气凝结为水。
10.根据权利要求1所述的水空两栖太阳能动力飞船，其特征在于，蒸汽发生器采用容易升温、导热性能好的金属物质，在聚焦太阳能照射到蒸汽发生器受热面，其温度升高，并通过导热片将温度传递到蒸汽发生器内部，使得内部的水变成水蒸气，在气压超过蒸汽出口设置的压力限制时排出蒸汽发生器，当蒸汽发生器内部的水不足时自动通过补水口补水。
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