ES2943659T3 - A method for using air and helium in low pressure tube transport systems - Google Patents

A method for using air and helium in low pressure tube transport systems Download PDF

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ES2943659T3
ES2943659T3 ES18924874T ES18924874T ES2943659T3 ES 2943659 T3 ES2943659 T3 ES 2943659T3 ES 18924874 T ES18924874 T ES 18924874T ES 18924874 T ES18924874 T ES 18924874T ES 2943659 T3 ES2943659 T3 ES 2943659T3
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Alexandre Neophytou
Michael Sarin
Alexandre Zisa
Spencer John Baldwin
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  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Abstract

Se describe un método para mantener una composición gaseosa dentro de un tubo (que forma parte de un sistema de transporte tubular para transportar pasajeros o cargas a través de una cápsula), donde el tubo se dispone a lo largo de una ruta predeterminada. El método comprende: (a) bombear el tubo a una presión que está por debajo de la presión atmosférica hasta que el tubo se vacía sustancialmente; (b) identificar un valor de potencia predeterminado; (c) identificar un primer porcentaje, x, de helio basado en el valor de potencia predeterminado identificado en (b) y una tasa de fuga asociada con el tubo; (d) mantener, dentro de cada tubo en la pluralidad de tubos sustancialmente al vacío, una composición gaseosa, una composición gaseosa que comprende una mezcla de un primer porcentaje, x, de helio y un segundo porcentaje, (100-x), de aire. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)A method of keeping a gaseous composition within a tube (part of a tubular transportation system for transporting passengers or cargo via a capsule) is disclosed, wherein the tube is arranged along a predetermined route. The method comprises: (a) pumping the tube at a pressure that is below atmospheric pressure until the tube is substantially emptied; (b) identifying a predetermined power value; (c) identifying a first percentage, x, of helium based on the predetermined power value identified in (b) and a leak rate associated with the tube; (d) maintaining, within each tube in the plurality of substantially vacuum tubes, a gaseous composition, a gaseous composition comprising a mixture of a first percentage, x, of helium and a second percentage, (100-x), of air. (Automatic translation with Google Translate, without legal value)

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Un método para usar aire y helio en sistemas de transporte de tubos de baja presiónA method for using air and helium in low pressure tube transport systems

Sector de la técnicaTechnical sector

La presente invención se refiere, en general, al campo del transporte de tubos. Más específicamente, la presente invención se relaciona con un método para usar aire y helio en sistemas de transporte de tubos de baja presión. The present invention relates generally to the field of tube transport. More specifically, the present invention relates to a method for using air and helium in low pressure tube transport systems.

Estado de la técnicastate of the art

El reciente esfuerzo por desarrollar un nuevo modo de transporte eficiente y de alta velocidad, que Elon Musk denominó Hyperloop, comenzó en 2013 con el lanzamiento de su libro blanco técnico. Un equipo de científicos de Space-X y Tesla escribió este documento para definir las ventajas técnicas y los requisitos de ingeniería para construir un dispositivo de este tipo.The recent effort to develop a new, high-speed and efficient mode of transportation, which Elon Musk dubbed the Hyperloop, began in 2013 with the release of his technical white paper. A team of scientists from Space-X and Tesla wrote this paper to define the technical advantages and engineering requirements for building such a device.

Esencialmente, el Hyperloop es un sistema donde se hace levitar una cápsula en un tubo a baja presión (y, a su vez, baja densidad de aire). La levitación reduce, sustancialmente, la fricción del suelo. La baja densidad del aire reduce, sustancialmente, la resistencia del aire.Essentially, the Hyperloop is a system where a capsule is levitated in a tube at low pressure (and, in turn, low air density). Levitation substantially reduces ground friction. The low air density substantially reduces air resistance.

El libro blanco proponía una cápsula soportada por aeroesquís que viajaba dentro de un tubo de vacío, 100 Pascal (Pa) absolutos, y propulsada por motores de inducción lineal. Se colocó un compresor de aire en la punta de la cápsula para proporcionar aire a las almohadillas de esquí y mejorar la capacidad de velocidad de la cápsula. La inclusión de un compresor grande mejoró la velocidad de la cápsula, pero requirió un gran conjunto de baterías para alimentarlo durante el viaje de Hyperloop. Además, tomó un espacio valioso del compartimento de pasajeros y agregó una complejidad significativa. Varios grupos se dieron cuenta de inmediato del libro blanco y comenzaron a desarrollar el sistema propuesto en el libro blanco.The white paper proposed a capsule supported by hover skis traveling inside a vacuum tube, 100 Pascal (Pa) absolute, and powered by linear induction motors. An air compressor was attached to the nose of the pod to provide air to the ski pads and improve the pod's speed capability. The inclusion of a large compressor improved the speed of the capsule, but required a large set of batteries to power it during the hyperloop journey. Additionally, it took up valuable space from the passenger compartment and added significant complexity. Several groups took immediate notice of the white paper and began to develop the system proposed in the white paper.

Algunos equipos de diseño involucrados en dicho desarrollo se alejaron del concepto de los aeroesquís, ya que requería una distancia entre el esquí y el tubo de solo 0,05-0,1 cm (0,020"-0,040"), lo que dificultaría mantener una conducción suave mientras se adaptan las tolerancias de instalación y tubo. Un reemplazo de los aeroesquís fue un sistema basado en Maglev (levitación magnética). Tal sistema Maglev eliminaría la necesidad de un compresor, reduciendo de este modo el tamaño/peso de la cápsula, y proporcionaría a los desarrolladores la ventaja adicional de un mayor espacio y una menor vibración.Some design teams involved in such development moved away from the aeroski concept, as it required a ski-to-tube clearance of only 0.05-0.1 cm (0.020"-0.040"), which would make it difficult to maintain a smooth ride while fitting tube and installation tolerances. A replacement for the skis was a system based on Maglev (magnetic levitation). Such a Maglev system would eliminate the need for a compressor, thereby reducing the size/weight of the capsule, and would provide developers with the added benefit of more headroom and less vibration.

Sin embargo, la eliminación del compresor en el diseño abrió paso a otro problema importante en tales sistemas de transporte basados en tubos. En el diseño original como se ha descrito en el libro blanco de Musk, el compresor sirve como un componente importante para mejorar la velocidad de la cápsula, donde dicha mejora no se debe al empuje proporcionado para empujar la cápsula hacia abajo del tubo sino a la reducción en el área delantera efectiva de la cápsula. En el diseño de Musk, el compresor proporcionó una segunda trayectoria para dirigir el aire desde la parte delantera de la cápsula hacia la parte trasera de la cápsula, añadiendo a la región anular entre la cápsula y el tubo. La relación entre este espacio anular y el área total del tubo, conocida como relación de derivación, es un predictor clave del estrangulamiento. Una vez que la cápsula alcanza una velocidad donde se produce estrangulamiento en el área de derivación, la cápsula actuaría como un enorme émbolo, creando una especie de efecto de jeringa. En ese punto clave, conocido como el límite de Kantrowitz (o límite K), la inmensa resistencia debido a la larga columna de aire en la parte delantera de la cápsula que se empuja requiere mucha más energía y potencia para superarla. Superar el estrangulamiento o límite K, y lograr una reducción significativa en los efectos del límite K es una preocupación tecnológica clave.However, the elimination of the compressor in the design opened up another major problem in such tube-based conveying systems. In the original design as described in Musk's white paper, the compressor serves as an important component to improve the velocity of the capsule, where said improvement is not due to the thrust provided to push the capsule down the tube but to the reduction in the effective front area of the capsule. In Musk's design, the compressor provided a second path to direct air from the front of the capsule to the rear of the capsule, adding to the annular region between the capsule and tube. The ratio of this annular space to the total area of the tube, known as the bypass ratio, is a key predictor of throttling. Once the pod reaches a speed where throttling occurs in the bypass area, the pod would act like a huge plunger, creating a kind of syringe effect. At that key point, known as the Kantrowitz limit (or K-limit), the immense resistance due to the long column of air in front of the capsule being pushed requires much more energy and power to overcome. Overcoming the throttling or K limit, and achieving a significant reduction in the effects of the K limit is a key technology concern.

Ahora se presenta una exposición con respecto a los problemas asociados con la resistencia y el fenómeno del flujo estrangulado. La figura 1 muestra un esquema de un vehículo (también denominado vaina o cápsula) dentro de un tubo (Fuente: consulte el artículo de Chin et al. titulado "Open-Source Conceptual Sizing Models for the Hyperloop Passenger Pod", del 5 al 9 de enero de 2015).A discussion is now presented regarding the problems associated with resistance and the phenomenon of choked flow. Figure 1 shows a schematic of a vehicle (also called a pod or pod) inside a tube (Source: see Chin et al. article titled "Open-Source Conceptual Sizing Models for the Hyperloop Passenger Pod", 5-9 January 2015).

La resistencia es principalmente la contribución de dos componentes: resistencia de presión y resistencia de fricción. La resistencia de presión es la presión ejercida cuando el vehículo avanza y empuja el aire. La resistencia de fricción es la fuerza viscosa ejercida por el aire que fluye alrededor de la superficie del vehículo. La resistencia viene dada por la siguiente ecuación:Resistance is mainly the contribution of two components: pressure resistance and friction resistance. Pressure resistance is the pressure exerted when the vehicle moves forward and pushes the air. Frictional resistance is the viscous force exerted by air flowing around the surface of the vehicle. The resistance is given by the following equation:

Figure imgf000002_0001
Figure imgf000002_0001

donde:where:

ptubo= Presión en el tubo, absoluta; V¿aina = Velocidad de la vaina al cuadrado; ptubo= Pressure in the tube, absolute; pod = pod velocity squared;

Svaina= Área de superficie de la vaina; y Spod= surface area of the pod; and

donde Cd es el coeficiente de resistencia que incluye la resistencia por presión y la resistencia debido a los efectos de la fricción.where C d is the coefficient of resistance that includes the pressure resistance and the resistance due to the effects of friction.

En ECN 1, la resistencia es proporcional a la densidad. En consecuencia, reducir la densidad tiene un efecto sustancial en la resistencia y, a su vez, en la potencia de propulsión. Esto puede obtenerse con un tubo de baja presión. En ECN 1, la resistencia es proporcional al cuadrado de la velocidad. Así, la resistencia aumenta rápidamente con el aumento de la velocidad.In ECN 1, resistance is proportional to density. Consequently, reducing density has a substantial effect on drag and, in turn, propulsion power. This can be achieved with a low pressure tube. In ECN 1, resistance is proportional to the square of speed. Thus, resistance increases rapidly with increasing speed.

Reducir la densidad alrededor del vehículo es una idea histórica que se aplicó por primera vez en el campo de la aeronáutica. Los aviones vuelan a gran altura donde experimentan baja densidad y, por tanto, baja resistencia. En un tubo de baja presión, el entorno se controla para reducir la densidad. Sin embargo, reducir la presión es solo una de las diferentes opciones para reducir la densidad (otras opciones son aumentar la temperatura y usar gases ligeros). Por lo tanto, en un tubo de baja presión, se espera que la resistencia se reduzca sustancialmente debido a la densidad mucho más baja, incluso a altas velocidades (esto es cierto hasta una cierta velocidad límite).Reducing the density around the vehicle is a historical idea that was first applied in the field of aeronautics. Aircraft fly at high altitudes where they experience low density and therefore low drag. In a low pressure tube, the environment is controlled to reduce the density. However, reducing the pressure is only one of several options to reduce the density (other options are increasing the temperature and using light gases). Therefore, in a low pressure tube, the resistance is expected to be substantially reduced due to the much lower density, even at high speeds (this is true up to a certain limiting speed).

Un fenómeno de flujo no deseado se produce cuando el vehículo alcanza una alta velocidad subsónica. El aire que fluye alrededor del vehículo en el espacio de derivación de la figura 1 se estrangula. Esto da como resultado un gran aumento de presión en la parte delantera del vehículo. A su vez, la resistencia aumenta y la potencia de propulsión necesaria se hace mayor. Ahora se proporciona una descripción del fenómeno físico del flujo estrangulado donde la física clave se relaciona con la velocidad del sonido.An unwanted flow phenomenon occurs when the vehicle reaches a high subsonic speed. The air flowing around the vehicle in the bypass space of Figure 1 is throttled. This results in a large increase in pressure at the front of the vehicle. In turn, the resistance increases and the necessary propulsive power becomes greater. A description of the physical phenomenon of choked flow is now provided where the key physics relates to the speed of sound.

A medida que el vehículo se mueve hacia delante, empuja el aire en la parte delantera, lo que aumenta la presión corriente arriba. Ya que la parte trasera del vehículo todavía está a baja presión, se crea una diferencia de presión. Las ondas de presión que viajan desde la parte trasera del vehículo hasta la parte delantera del vehículo comunican el estado de presión corriente abajo hacia delante e informan sobre la diferencia de presión, como un resorte. En reacción, la masa de aire en la parte delantera del vehículo escapa a través del espacio de derivación. Siempre que escape suficiente aire hacia atrás, se crea un equilibrio y las presiones permanecen relativamente bajas. Por lo tanto, la cantidad de flujo de aire debe compensar la diferencia de presión entre la parte delantera y la trasera. Entonces, existe un equilibrio. Este mecanismo de equilibrio se ilustra en la figura 2.As the vehicle moves forward, it pushes the air in front of it, which increases the pressure upstream. Since the rear of the vehicle is still under low pressure, a pressure difference is created. The pressure waves traveling from the rear of the vehicle to the front of the vehicle communicate the pressure status downstream to the front and report the pressure difference, like a spring. In reaction, the air mass at the front of the vehicle escapes through the bypass space. As long as enough air escapes back, an equilibrium is created and the pressures remain relatively low. Therefore, the amount of airflow must compensate for the difference in pressure between the front and the rear. So there is a balance. This balancing mechanism is illustrated in figure 2.

Sin embargo, cuando el vehículo alcanza una velocidad alta, el flujo de aire se acelera en el espacio de derivación y puede alcanzar la velocidad del sonido. Por lo tanto, el flujo de aire en la derivación se vuelve tan rápido como las ondas de presión en la dirección opuesta. Como resultado, las ondas de presión no pueden retroceder contra el flujo de aire y nunca alcanzan la ubicación corriente arriba. En consecuencia, la información del estado de presión corriente abajo ya no puede llegar a través del punto de flujo sónico y comunicar la diferencia de presión a la parte delantera de la cápsula. El aire corriente arriba no está bien informado de la diferencia de presión y la cantidad correcta de aire ya no fluye hacia la región de baja presión detrás de la cápsula. Este escenario de estrangulamiento se representa en la figura 3. Se acumula una columna de aire en la parte delantera del vehículo y aumenta la presión corriente arriba. Este flujo de estrangulamiento se denomina límite de Kantrowitz. El resultado es que la presión corriente arriba aumenta sustancialmente debido al movimiento del vehículo que actúa como un gran émbolo y, por consiguiente, aumenta la resistencia. En consecuencia, el requisito de energía para mantener la velocidad del vehículo llega a ser muy alto. However, when the vehicle reaches a high speed, the airflow is accelerated in the bypass space and can reach the speed of sound. Therefore, the airflow in the bypass becomes as fast as the pressure waves in the opposite direction. As a result, the pressure waves cannot go back against the airflow and never reach the upstream location. Consequently, the downstream pressure state information can no longer come through the sonic flow point and communicate the pressure difference to the front of the capsule. The upstream air is not well informed of the pressure difference and the correct amount of air is no longer flowing into the low pressure region behind the capsule. This throttling scenario is depicted in Figure 3. A column of air builds up in front of the vehicle and upstream pressure builds. This choking flow is called the Kantrowitz limit. The result is that the upstream pressure increases substantially due to the movement of the vehicle which acts as a large piston and consequently increases the resistance. Consequently, the energy requirement to maintain the speed of the vehicle becomes very high.

La figura 4 representa una gráfica de resistencia frente a la velocidad del vehículo que identifica la velocidad crítica del vehículo que delimita el escenario de equilibrio de presión representado en la figura 2 y el escenario de flujo estrangulado representado en la figura 3.Figure 4 depicts a drag vs. vehicle speed graph identifying the critical vehicle speed that delimits the pressure equilibrium scenario depicted in Figure 2 and the choked flow scenario depicted in Figure 3.

Por tanto, una física clave es dejar que las ondas de presión alcancen la parte delantera del vehículo, donde las ondas de presión deben ser más rápidas que el flujo de aire en el espacio de derivación. Debería observarse que este fenómeno se produce si el espacio de derivación es pequeño, debido a que el flujo de aire se acelera incluso más en pequeñas secciones. Desafortunadamente, para aplicaciones de ingeniería, el tamaño del vehículo debe maximizarse para alojar pasajeros o carga. En otras palabras, el tamaño del espacio de derivación debe minimizarse. La pregunta, por tanto, es: ¿cómo de rápido puede ir un vehículo con un pequeño tamaño de derivación?So a key physics is to let the pressure waves reach the front of the vehicle, where the pressure waves must be faster than the airflow in the bypass space. It should be noted that this phenomenon occurs if the bypass space is small, because the airflow is accelerated even more in small sections. Unfortunately, for engineering applications, the size of the vehicle must be maximized to accommodate passengers or cargo. In other words, the size of the derivation space must be minimized. The question therefore becomes: how fast can a vehicle go with a small bypass size?

Formalmente, puede definirse una velocidad máxima del vehículo a la que se produce un flujo de estrangulamiento. Esta velocidad máxima ha sido estudiada en el artículo mencionado anteriormente de Chin et al. (2015). la figura 5, extraída del artículo de Chin et al. (2015), muestra una gráfica de la relación del área de derivación (derivación/tubo) frente al número de Mach del flujo de aire de derivación. La figura 5 demuestra que, para un tamaño de vehículo razonable (área de derivación inferior al 50 % del área del tubo), la velocidad máxima del vehículo es de aproximadamente Mach 0,25. Esto corresponde a 300 km/h. Esto es claramente inaceptable para un sistema de transporte tan novedoso.Formally, a maximum vehicle speed can be defined at which a throttling flow occurs. This maximum speed has been studied in the previously mentioned article by Chin et al. (2015). Figure 5, taken from the article by Chin et al. (2015), shows a graph of the ratio of the bypass area (bypass/tube) versus the Mach number of the bypass airflow. Figure 5 demonstrates that for a reasonable vehicle size (bypass area less than 50% of the tube area), the maximum vehicle speed is approximately Mach 0.25. This corresponds to 300 km/h. This is clearly unacceptable for such a new transportation system.

Hay varias maneras de solucionar este problema. Una solución señalada en el libro blanco de Elon Musk es usar un compresor axial en la parte delantera de la cápsula. Tal diseño se representa en el artículo de Chin et al., mencionado anteriormente, que se reproduce en la figura 6(A). En el escenario representado en la figura 6(A), el compresor fuerza una porción de aire hacia una trayectoria interior dentro del vehículo en lugar de ir solo por el espacio de derivación. El efecto es aumentar drásticamente el área de derivación neta para el flujo de aire y, por tanto, evitar la aceleración y el fenómeno de estrangulamiento a baja velocidad del vehículo. La figura 6(B) representa una curva de resistencia (como se indica en el artículo de Chin et al., mencionado anteriormente) que muestra que la velocidad máxima del vehículo es Ma = 0,6 antes del fenómeno de estrangulamiento. Esto corresponde a 600 km/h. Si bien el aumento de la velocidad es interesante, todavía está lejos de velocidades más altas (como una velocidad objetivo de 1.000 km/h, por ejemplo).There are several ways to fix this problem. One solution noted in Elon Musk's white paper is to use an axial compressor at the front of the capsule. Such a design is depicted in the article by Chin et al., mentioned above, which is reproduced in Figure 6(A). In the scenario depicted in Figure 6(A), the compressor forces a portion of air into an interior path within the vehicle instead of only going through the bypass space. The effect is to dramatically increase the net bypass area for airflow and thus prevent acceleration. and the phenomenon of choking at low speed of the vehicle. Fig. 6(B) represents a resistance curve (as indicated in the article by Chin et al., mentioned above) showing that the maximum speed of the vehicle is Ma = 0.6 before the throttling phenomenon. This corresponds to 600 km/h. While the speed increase is interesting, it is still far from higher speeds (like a target speed of 1,000 km/h, for example).

El inconveniente del enfoque representado en las figuras 6(A)-(B) es que la instalación de un compresor presenta un coste significativo, complejidad en el diseño del vehículo y cuestiones de seguridad. En cuanto a la seguridad, un fallo del motor no contenido (UERF) donde la pala del compresor puede romperse y dañar el propio vehículo, el tubo y otros vehículos, e inducir grandes restricciones en el desarrollo de dicho sistema de transporte.The drawback of the approach depicted in Figures 6(A)-(B) is that installing a compressor presents significant cost, vehicle design complexity, and safety concerns. Regarding safety, an uncontained engine failure (UERF) where the compressor blade can break and damage the vehicle itself, the tube and other vehicles, and induce great restrictions in the development of said transport system.

Otra solución es reducir el entorno del tubo a una presión extremadamente baja, como se menciona en el libro blanco de Elon Musk mencionado anteriormente. Podría esperarse que a presiones de tubo lo suficientemente bajas, el espacio entre las moléculas de gas se volvería tan distante que fluirían alrededor de la cápsula sin estrangularse. En el caso de que todavía hubiera un efecto de estrangulamiento, el aumento de resistencia y la potencia para empujar la columna de aire a esta densidad de aire tan baja serían insignificantes. A una presión extremadamente baja, debajo de 0,1 Pa-1 Pa, el aire ya no puede considerarse como un continuo físico, como en la dinámica de fluidos clásica, pero debe tratarse con la teoría del flujo molecular. Se espera que en este régimen de flujo, no se produzca el fenómeno de estrangulamiento o tenga una menor repercusión. Y aunque exista, la presión sería tan baja que la resistencia podría ser insignificante.Another solution is to reduce the tube environment to extremely low pressure, as mentioned in Elon Musk's white paper mentioned above. It might be expected that at low enough tube pressures, the space between the gas molecules would become so far apart that they would flow around the capsule without being throttled. In the event that there was still a throttling effect, the increase in drag and power to push the air column at this very low air density would be negligible. At extremely low pressure, below 0.1 Pa-1 Pa, air can no longer be considered as a physical continuum, as in classical fluid dynamics, but must be treated with molecular flow theory. It is expected that in this flow regime, the strangulation phenomenon will not occur or have less repercussions. And even if it does exist, the pressure would be so low that the resistance might be negligible.

El inconveniente de esta segunda solución es que los requisitos de potencia, coste y diseño de ingeniería para mantener una presión extremadamente baja en un volumen tan grande pueden ser tremendos. El requisito de potencia de la bomba para mantener el vacío aumenta de manera exponencial a medida que la presión del tubo objetivo desciende por debajo de 100 Pa. Se vuelve tremendo cuando va por debajo de 1 Pa. Sin embargo, el límite entre la dinámica de fluidos clásica y el flujo molecular, no se ha demostrado claramente en dichos sistemas de transporte. Así, el esfuerzo se centró en modelar la dinámica del flujo frente a la presión para encontrar la presión clave por debajo de la que se podrían lograr altas velocidades y baja resistencia.The drawback of this second solution is that the power, cost, and engineering design requirements to maintain extremely low pressure in such a large volume can be tremendous. The pump's power requirement to maintain a vacuum increases exponentially as the target tube pressure drops below 100 Pa. It becomes tremendous when it goes below 1 Pa. However, the limit between the dynamics of Classical fluids and molecular flow, has not been clearly demonstrated in such transport systems. Thus, effort was focused on modeling flow dynamics vs. pressure to find the key pressure below which high speeds and low drag could be achieved.

Se usó la dinámica de fluidos computacional (CFD) para explorar este problema. Una dificultad en el modelado CFD es que los intervalos de baja presión que necesitaban ser modelados estaban más allá de la mecánica de flujo continuo normal y, así, los modelos de ordenador estándar se forzaron para brindar resultados confiables. Peor aún, el nivel de vacío (presión del tubo) que se requería necesitaría sistemas de bombas de vacío muy grandes y consumiría mucha energía. Así, se hizo una compensación para explorar intervalos de presión de 1-10 Pascales absolutos, que se pensó que eran lo suficientemente bajos como para proporcionar un límite de Kantrowitz, pero también lo suficientemente altos como para que los sistemas de bomba de vacío fueran económicos.Computational fluid dynamics (CFD) was used to explore this problem. One difficulty in CFD modeling is that the low pressure intervals that needed to be modeled were beyond normal continuous flow mechanics and thus standard computer models were stretched to give reliable results. Worse yet, the level of vacuum (tube pressure) that was required would require very large vacuum pump systems and would consume a lot of energy. Thus, a tradeoff was made to explore pressure ranges of 1-10 Pascals absolute, which were thought to be low enough to provide a Kantrowitz limit, but also high enough to make vacuum pump systems economical. .

Varias dificultades con los modelos de CFD se hicieron evidentes rápidamente: (1) este intervalo de presión está en una región de flujo de transición entre flujo continuo y molecular; ya que se deben usar diferentes herramientas de modelado en cada región, se volvió problemático obtener datos confiables a través de esa región de presión, (2) era necesario hacer muchas suposiciones que aún no se habían verificado; así, sería necesario desarrollar un aparato de prueba para validar los modelos informáticos, y (3) actualmente no hay ordenadores disponibles en el campo comercial con la capacidad de procesamiento ultra alta necesaria para manejar la complejidad de una cápsula en movimiento dentro de un tubo. Esto lleva a otra suposición no comprobada: si la validez de modelar una cápsula fija con aire en movimiento a su alrededor, en lugar de una cápsula en movimiento a través del aire inmóvil dentro del tubo, es precisa. Probar la validez de esta suposición requeriría nuevamente un aparato de prueba.Several difficulties with CFD models quickly became apparent: (1) this pressure range is in a region of transitional flow between continuous and molecular flow; since different modeling tools must be used in each region, it became problematic to obtain reliable data across that pressure region, (2) it was necessary to make many assumptions that had not yet been verified; thus, it would be necessary to develop a test apparatus to validate the computer models, and (3) there are currently no commercially available computers with the ultra-high processing power necessary to handle the complexity of a moving capsule inside a tube. This leads to another untested assumption: whether the validity of modeling a stationary capsule with moving air around it, rather than a capsule moving through stationary air inside the tube, is accurate. Testing the validity of this assumption would again require a test apparatus.

El esfuerzo por encontrar la presión teórica y económica que permitiera altas velocidades y baja resistencia se convirtió en el foco de atención de diversos grupos de desarrollo. Estaba claro que con cierta presión los fenómenos de estrangulamiento serían insignificantes. Esto se demuestra con naves que vuelan en presiones de órbitas cercanas a la tierra, cerca y más allá de la región de transición al flujo molecular, que experimentan casi resistencia cero. Por debajo de este punto de presión clave y con una geometría particular de tubo/cápsula, existiría la capacidad de tener alta velocidad y baja resistencia.The effort to find the theoretical and economic pressure that would allow high speeds and low drag became the focus of various development groups. It was clear that with some pressure the throttling phenomena would be negligible. This is demonstrated by spacecraft flying in near-Earth orbit pressures, near and beyond the transition region to molecular flow, experiencing almost zero drag. Below this key pressure point and with a particular tube/capsule geometry, there would be the ability to have high velocity and low drag.

Los enfoques de la técnica anterior han sugerido el uso de hidrógeno para lograr esta mejora de velocidad. En tales sistemas de la técnica anterior, un tubo que opera a presión atmosférica (o ligeramente superior) y tiene al menos las siguientes desventajas:Prior art approaches have suggested the use of hydrogen to achieve this speed improvement. In such prior art systems, a tube that operates at atmospheric pressure (or slightly higher) and has at least the following disadvantages:

1) el volumen estandarizado de hidrógeno (u otro gas de diámetro pequeño) necesario para llenar un tubo de 4 metros de diámetro, tal vez de 100 a 500 km de largo, a presión atmosférica está significativamente más allá de cualquier construcción actual. Sin embargo, esta técnica preferente opera en 1/1.000 a 1/10.000 de una atmósfera y, así, la masa de gas necesaria es también 1/1000 a 1/10.000 menos por kilómetro,1) the standardized volume of hydrogen (or other small diameter gas) needed to fill a 4 meter diameter tube, perhaps 100 to 500 km long, at atmospheric pressure is significantly beyond any current construction. However, this preferred technique operates at 1/1,000 to 1/10,000 of an atmosphere, and thus the mass of gas required is also 1/1,000 to 1/10,000 less per kilometer,

2) no se describe ningún método que sugiera cómo reemplazar el aire dentro del tubo con hidrógeno, y2) no method is described to suggest how to replace the air inside the tube with hydrogen, and

3) aunque el hidrógeno no es inflamable por encima del 75 % de concentración, se produce un problema de seguridad distinto en el caso de una ruptura del tubo que introducirá aire en el tubo y tiene el potencial de crear relaciones inflamables o explosivas. Se debe planificar un evento de rotura de tubo y puede esperarse en algún momento debido a un terremoto, daños debidos a operaciones o incluso sabotaje.3) Although hydrogen is not flammable above 75% concentration, a separate safety concern occurs in the event of a tube rupture which will introduce air into the tube and has the potential to create flammable or explosive relationships. A tube rupture event must be planned for and can be expected at some point. moment due to an earthquake, damage due to operations or even sabotage.

Otra técnica anterior, una publicación de patente alemana, el documento DE 2054063 A1, desvela un sistema de tránsito masivo de pasajeros y contenedores de alta velocidad que usa helio. Sin embargo, la publicación de patente alemana, al igual que los actuales sistemas de transporte basados en tubos, no utiliza una mezcla de aire y helio, donde la composición de cada gas en la mezcla se determina dinámicamente para optimizar la resistencia. Asimismo, la publicación de patente alemana, al igual que los actuales sistemas de transporte basados en tubos, no utiliza una mezcla de aire y helio, donde la composición de cada gas se determina dinámicamente en función de la velocidad deseada de la cápsula.Another prior art, a German patent publication, DE 2054063 A1, discloses a high-speed passenger and container mass transit system using helium. However, the German patent publication, like current tube-based transport systems, does not use a mixture of air and helium, where the composition of each gas in the mixture is determined dynamically to optimize resistance. Also, the German patent publication, like current tube-based transport systems, does not use a mixture of air and helium, where the composition of each gas is determined dynamically based on the desired speed of the capsule.

Otra técnica anterior, el documento DE 22 13210 A1, devela un método para mantener una composición gaseosa dentro de un tubo, que comprende las etapas de bombear el tubo a una presión que esté por debajo de la presión atmosférica hasta que el tubo se vacíe sustancialmente e identificar un valor de potencia predeterminado.Another prior art, DE 22 13210 A1, discloses a method for maintaining a gaseous composition inside a tube, comprising the steps of pumping the tube at a pressure that is below atmospheric pressure until the tube is substantially emptied and identifying a predetermined power value.

Cualesquiera que sean los méritos precisos, características y ventajas de las referencias citadas anteriormente y los sistemas de la técnica anterior mencionados anteriormente, ninguno de los mismos logra o cumple los fines de la presente invención.Whatever the precise merits, features, and advantages of the above-cited references and the aforementioned prior art systems, none of them achieve or fulfill the purposes of the present invention.

Objeto de la invenciónObject of the invention

En una realización, la presente invención proporciona un método para mantener una composición gaseosa dentro de un tubo, siendo el tubo parte de un sistema de transporte tubular para transportar uno o más pasajeros o una o más cargas mediante una cápsula, estando el tubo dispuesto a lo largo de al menos una ruta predeterminada, comprendiendo el método: (a) bombear el tubo a una presión que está por debajo de la presión atmosférica hasta que el tubo esté sustancialmente vacío; (b) identificar un valor de potencia predeterminado; (c) identificar un primer porcentaje, x, de helio basándose en el valor de potencia predeterminado identificado en (b) y una tasa de fuga asociada con el tubo; y (e) mantener, dentro de cada tubo en la pluralidad de tubos sustancialmente vacíos, una composición gaseosa, comprendiendo la composición gaseosa una mezcla de un primer porcentaje, x, de helio y un segundo porcentaje, (100-x), de aire.In one embodiment, the present invention provides a method of maintaining a gaseous composition within a tube, the tube being part of a tubular transportation system for transporting one or more passengers or one or more cargo via a capsule, the tube being arranged to along at least one predetermined route, the method comprising: (a) pumping the tube at a pressure that is below atmospheric pressure until the tube is substantially empty; (b) identifying a predetermined power value; (c) identifying a first percentage, x, of helium based on the predetermined power value identified in (b) and a leak rate associated with the tube; and (e) maintaining, within each tube in the plurality of substantially empty tubes, a gaseous composition, the gaseous composition comprising a mixture of a first percentage, x, of helium and a second percentage, ( 100-x), of air. .

En otra realización, la presente invención proporciona un método para mantener una composición gaseosa dentro de un tubo, siendo el tubo parte de un sistema de transporte tubular para transportar uno o más pasajeros o una o más cargas mediante una cápsula, estando el tubo dispuesto a lo largo de al menos una ruta predeterminada, comprendiendo el método: (a) bombear el tubo a una presión que está por debajo de la presión atmosférica hasta que el tubo esté sustancialmente vacío; (b) identificar un valor de potencia predeterminado; (c) identificar una velocidad de cápsula deseada; (d) identificar un primer porcentaje, x, de helio basándose en el valor de potencia predeterminado identificado en (b) y la velocidad de cápsula deseada identificada en (c) y una tasa de fuga asociada con cada tubo; (e) mantener, dentro de cada tubo en la pluralidad de tubos sustancialmente vacíos, una composición gaseosa, comprendiendo la composición gaseosa una mezcla de un primer porcentaje, x, de helio y un segundo porcentaje, (1o0-x), de aire.In another embodiment, the present invention provides a method for maintaining a gaseous composition within a tube, the tube being part of a tubular transportation system for transporting one or more passengers or one or more cargo by means of a capsule, the tube being arranged to along at least one predetermined route, the method comprising: (a) pumping the tube at a pressure that is below atmospheric pressure until the tube is substantially empty; (b) identifying a predetermined power value; (c) identifying a desired capsule velocity; (d) identifying a first percentage, x, of helium based on the predetermined power value identified in (b) and the desired capsule velocity identified in (c) and a leak rate associated with each tube; (e) maintaining, within each tube in the plurality of substantially empty tubes, a gaseous composition, the gaseous composition comprising a mixture of a first percentage, x, of helium and a second percentage, ( 1o0-x), of air.

En otra realización más, la presente invención proporciona un método para mantener una composición gaseosa dentro de un tubo, siendo el tubo parte de un sistema de transporte tubular para transportar uno o más pasajeros o una o más cargas mediante una cápsula, estando el tubo dispuesto a lo largo de al menos una ruta predeterminada, comprendiendo el método: (a) bombear el tubo a una presión que está por debajo de la presión atmosférica hasta que el tubo esté sustancialmente vacío; (b) para cada una de una pluralidad de relaciones de derivación y una pluralidad de relaciones de fuga, almacenar, en memoria, datos representativos de un primer intervalo de potencias totales, un segundo intervalo de porcentajes de helio y un tercer intervalo de presiones de los tubos, representando cada potencia total en el intervalo de potencias totales un valor de potencia que es función de una primera potencia para bombear cada tubo hasta el estado sustancialmente vacío y una segunda potencia para superar la resistencia aerodinámica en cada tubo; (c) identificar un valor de potencia predeterminado; (d) identificar una velocidad de cápsula deseada; (e) identificar un primer porcentaje, x, de helio basándose en los datos almacenados en (b) correspondientes al valor de potencia predeterminado identificado en (c), la velocidad deseada de la cápsula identificada en (d) y una tasa de fuga asociada con cada tubo; y (f) mantener, dentro de cada tubo en la pluralidad de tubos sustancialmente vacíos, una composición gaseosa, comprendiendo la composición gaseosa una mezcla de un primer porcentaje, x, de helio y un segundo porcentaje, (100-x), de aire.In yet another embodiment, the present invention provides a method for maintaining a gaseous composition within a tube, the tube being part of a tubular transportation system for transporting one or more passengers or one or more cargo via a capsule, the tube being arranged along at least one predetermined route, the method comprising: (a) pumping the tube at a pressure that is below atmospheric pressure until the tube is substantially empty; (b) for each of a plurality of bypass ratios and a plurality of leak ratios, storing, in memory, data representative of a first range of total powers, a second range of helium percentages, and a third range of helium pressures. the tubes, each total power in the total power range representing a power value that is a function of a first power to pump each tube to the substantially empty state and a second power to overcome aerodynamic drag in each tube; (c) identifying a predetermined power value; (d) identifying a desired capsule velocity; (e) identifying a first percentage, x, of helium based on the data stored in (b) corresponding to the predetermined power value identified in (c), the desired capsule velocity identified in (d) and an associated leak rate with each tube; and (f) maintaining, within each tube in the plurality of substantially empty tubes, a gaseous composition, the gaseous composition comprising a mixture of a first percentage, x, of helium and a second percentage, ( 100-x), of air. .

Descripción de las figurasDescription of the figures

La figura 1 representa un esquema de un vehículo (también conocido como vaina o cápsula) dentro de un sistema de transporte basado en tubos.Figure 1 represents a schematic of a vehicle (also known as a pod or capsule) within a tube-based delivery system.

La figura 2 representa el mecanismo de equilibrio donde cuando las ondas de presión alcanzan la parte delantera del vehículo, la cantidad correcta de flujo de aire se escapa a la parte trasera del vehículo.Figure 2 represents the balancing mechanism where when the pressure waves reach the front of the vehicle, the correct amount of airflow escapes to the rear of the vehicle.

La figura 3 representa el fenómeno de estrangulamiento que se produce cuando las ondas de presión de la parte trasera del vehículo no llegan a la parte delantera del vehículo.Figure 3 represents the throttling phenomenon that occurs when the pressure waves from the rear of the vehicle do not reach the front of the vehicle.

La figura 4 representa una gráfica de resistencia frente a la velocidad del vehículo que identifica la velocidad crítica del vehículo que delimita el escenario de equilibrio de presión representado en la figura 2 y el escenario de flujo estrangulado representado en la figura 3.Figure 4 represents a graph of resistance against the speed of the vehicle that identifies the critical speed. of the vehicle that delimits the pressure equilibrium scenario represented in figure 2 and the choked flow scenario represented in figure 3.

La figura 5 representa una gráfica de la relación del área de derivación (derivación/tubo) frente al número de Mach del flujo de aire de derivación.Figure 5 depicts a graph of the ratio of bypass area (bypass/tube) versus Mach number of bypass airflow.

La figura 6(A) representa un escenario donde se usa un compresor axial en la parte delantera de la cápsula en un sistema de transporte basado en tubos.Figure 6(A) depicts a scenario where an axial compressor is used at the front of the capsule in a tube-based transport system.

La figura 6(B) representa la resistencia aerodinámica en función de la velocidad del vehículo en el escenario de la figura 6(A).Figure 6(B) represents the aerodynamic resistance as a function of vehicle speed in the scenario of Figure 6(A).

La figura 7 representa la Tabla 2 que muestra las características distintivas de los gases de peso más ligero, de los cuales el helio y el hidrógeno tienen las densidades más bajas.Figure 7 depicts Table 2 showing the distinctive characteristics of the lightest weight gases, of which helium and hydrogen have the lowest densities.

La figura 8 representa la Tabla 3 que muestra una lista de las entradas de la velocidad del sonido para diversos gases.Figure 8 represents Table 3 showing a list of speed of sound entries for various gases.

La figura 9 representa la Tabla 4 que muestra la trayectoria libre de medio para diferentes moléculas.Figure 9 depicts Table 4 showing the medium-free path for different molecules.

La figura 10 representa una vista de la malla 2D usada en las presentes simulaciones.Figure 10 represents a view of the 2D mesh used in the present simulations.

La figura 11 representa la Tabla 5 que compara la densidad del aire con la del helio a 100 Pa.Figure 11 represents Table 5 that compares the density of air with that of helium at 100 Pa.

La figura 12 representa una gráfica que muestra el coeficiente de resistencia de la simulación en 2D para aire y helio.Figure 12 represents a graph showing the drag coefficient of the 2D simulation for air and helium.

La figura 13 investiga el efecto de la densidad representando gráficamente la resistencia real de una cápsula 3D frente a la velocidad de la cápsula.Figure 13 investigates the effect of density by plotting the actual drag of a 3D capsule against the velocity of the capsule.

La figura 14 representa una gráfica que ilustra la reducción de potencia basada en el uso de gas liviano.Figure 14 represents a graph illustrating power reduction based on the use of light gas.

La figura 15 representa los resultados de los estudios de CFD que comparan las velocidades máximas alcanzables en el límite K debido a las variaciones en las mezclas de helio y aire.Figure 15 represents the results of CFD studies comparing the maximum speeds achievable at the K limit due to variations in helium and air mixtures.

La figura 16 representa la identificación de una velocidad de cápsula dado un requisito de potencia para una combinación específica de aire y helio.Figure 16 represents the identification of a capsule velocity given a power requirement for a specific combination of air and helium.

La figura 17 ilustra una comparación de resistencia frente a velocidad, en el límite de Kantrowitz, unas gráficas para cuatro presiones de tubo básicas de 1-1000 Pa junto con porcentajes de helio en el aire.Figure 17 illustrates a comparison of resistance vs. velocity, in the Kantrowitz limit, graphs for four basic tube pressures from 1-1000 Pa together with percentages of helium in air.

La figura 18 ilustra una gráfica de potencia frente a velocidad donde se revisan los requisitos de potencia para diversas presiones y diversas mezclas de aire-helio para identificar los intervalos operativos óptimos.Figure 18 illustrates a power vs. speed graph where power requirements for various pressures and various air-helium mixes are reviewed to identify optimum operating ranges.

La figura 19 ilustra una gráfica de resistencia frente a velocidad, igual que la figura 17, pero para una relación de derivación más baja de 0,208.Figure 19 illustrates a resistance vs. velocity plot, the same as Figure 17, but for a lower tap ratio of 0.208.

La figura 20 ilustra una gráfica de potencia frente a velocidad, igual que la figura 18, pero para la relación de derivación más baja de 0,208.Figure 20 illustrates a graph of power vs. velocity, the same as Figure 18, but for the lower tap ratio of 0.208.

La figura 21 ilustra una comparación de dos ejemplos de relación de derivación no limitantes usados en la presente divulgación, junto con un ejemplo de cálculo de cómo se calcula la relación de derivación en cada instancia. La figura 22 ilustra que el helio en el sistema de derivación baja (0,208) permite velocidades en comparación con la región de derivación alta (0,489) para ciertas mezclas gaseosas de helio y aire.Figure 21 illustrates a comparison of two non-limiting tap ratio examples used in the present disclosure, along with a calculation example of how the tap ratio is calculated in each instance. Figure 22 illustrates that helium in the low bypass system (0.208) allows velocities compared to the high bypass region (0.489) for certain helium-air gas mixtures.

La figura 23 ilustra una tabla que representa la carga de volumen a 50 slm/km por porcentaje de helio.Figure 23 illustrates a table representing the volume charge at 50 slm/km by percentage of helium.

La figura 24 ilustra una tabla que representa la carga de volumen a 5 slm/km por porcentaje de helio.Figure 24 illustrates a table representing the volume charge at 5 slm/km by percentage of helium.

La figura 25 representa una gráfica de la potencia de la bomba (en kW) frente al porcentaje de helio para diversas presiones.Figure 25 represents a graph of the power of the pump (in kW) against the percentage of helium for various pressures.

Las figuras 26A-C muestran un sumario de los requisitos de potencia (kW) para equilibrar la resistencia aerodinámica a presiones de 1000 Pa, 100 Pa y 10 Pa, respectivamente, para diversas velocidades de cápsula frente a porcentajes de helio y aire.Figures 26A-C show a summary of the power (kW) requirements to balance drag at pressures of 1000 Pa, 100 Pa, and 10 Pa, respectively, for various capsule velocities versus percentages of helium and air.

La figura 27 representa una gráfica de la potencia total (en kW) (combinando la potencia de bombeo y la potencia aerodinámica) frente al porcentaje de helio para diversas velocidades a 100 Pa.Figure 27 represents a graph of the total power (in kW) (combining pumping power and aerodynamic power) against the percentage of helium for various speeds at 100 Pa.

Las figuras 28A-C representan un ejemplo no limitante de este tipo, donde se realiza el mismo análisis que en las figuras 25-27 para una fuga de 5 slm/km.Figures 28A-C represent a non-limiting example of this type, where the same analysis is carried out as in figures 25-27 for a leakage of 5 slm/km.

La figura 29 ilustra cómo estas gráficas representadas en las figuras 25-27 pueden combinarse para proporcionar puntos de operación óptimos para la potencia (coste) y las relaciones de helio-aire.Figure 29 illustrates how these plots depicted in Figures 25-27 can be combined to provide optimum operating points for power (cost) and helium-air ratios.

La figura 30 representa una gráfica de los coeficientes de difusión para diversos gases en el aire.Figure 30 represents a graph of diffusion coefficients for various gases in air.

La figura 31 representa una primera implementación que incluye un conjunto de tanques de helio fijados uniformemente a lo largo de la longitud del tubo, donde se inyecta helio con válvulas controladas que se abren o cierran para mantener el nivel deseado de helio.Figure 31 depicts a first implementation including a set of helium tanks fixed uniformly along the length of the tube, where helium is injected with controlled valves that open or close to maintain the desired helium level.

La figura 32 representa una segunda implementación que incluye tanques de helio integrados en los vehículos. La figura 33 representa un enfoque que combina los enfoques de las figuras 31 y 32.Figure 32 represents a second implementation that includes helium tanks integrated into the vehicles. Figure 33 represents an approach that combines the approaches of Figures 31 and 32.

La figura 34 representa una realización del método de la presente invención para mantener una composición gaseosa dentro de un tubo que forma parte de un sistema de transporte tubular en donde el porcentaje de helio se identifica basándose en un valor de potencia predeterminado y una tasa de fuga asociada con cada tubo.Figure 34 represents an embodiment of the method of the present invention for maintaining a gaseous composition inside a tube that is part of a tubular transport system where the percentage of helium is identified based on a predetermined power value and a leak rate. associated with each tube.

La figura 35 representa otra realización del método de la presente invención para mantener una composición gaseosa dentro de un tubo que forma parte de un sistema de transporte tubular en donde el porcentaje de helio se identifica basándose en un valor de potencia predeterminado, una velocidad de cápsula deseada y una tasa de fuga asociada con cada tubo.Figure 35 represents another embodiment of the method of the present invention for maintaining a gaseous composition within a tube that is part of a tubular transport system where the percentage of helium is identified based on a predetermined power value, a capsule speed desired and a leak rate associated with each tube.

La figura 36 representa otra realización más del método de la presente invención para mantener una composición gaseosa dentro de un tubo que forma parte de un sistema de transporte tubular en donde el porcentaje de helio se identifica basándose en los datos almacenados correspondientes a un valor de potencia predeterminado, una velocidad de cápsula deseada y una tasa de fuga asociada con cada tubo. Figure 36 represents yet another embodiment of the method of the present invention for maintaining a gaseous composition within a tube that is part of a tubular transport system where the percentage of helium is identified based on stored data corresponding to a power value. preset, a desired capsule velocity and leak rate associated with each tube.

Descripción detallada de la invenciónDetailed description of the invention

Si bien la presente invención se ilustra y describe en una realización preferente, el dispositivo puede producirse en muchas configuraciones, formas y materiales diferentes. En los dibujos se representa, y se describirá en detalle en el presente documento, una realización preferente de la invención, con el entendimiento de que la presente divulgación se debe considerar como un ejemplo de los principios de la invención y las especificaciones funcionales asociadas para su construcción y no pretende limitar la invención a la realización ilustrada. Los expertos en la materia imaginarán muchas otras variaciones posibles dentro del alcance de la presente invención.Although the present invention is illustrated and described in a preferred embodiment, the device can be produced in many different configurations, shapes, and materials. A preferred embodiment of the invention is depicted in the drawings, and will be described in detail herein, with the understanding that the present disclosure is to be regarded as exemplary of the principles of the invention and associated functional specifications for its use. construction and is not intended to limit the invention to the illustrated embodiment. Those skilled in the art will envision many other possible variations within the scope of the present invention.

Como se ha observado en los antecedentes, los esfuerzos recientes para aumentar la velocidad de la cápsula se han centrado en reducir la presión del tubo o mejorar la relación de derivación con el uso de un compresor. Como se ha mencionado anteriormente, una presión de tubo reducida tiene mérito en algún nivel de vacío clave, pero tiene el precio de aumentos sustanciales en la capacidad y el coste de la bomba de vacío. Agregar un compresor en la parte delantera de la cápsula tiene algo de mérito, pero solo aumenta marginalmente la velocidad y también es costoso y complejo.As noted in the background, recent efforts to increase capsule velocity have focused on reducing tube pressure or improving bypass ratio with the use of a compressor. As mentioned above, reduced tube pressure has merit at some key vacuum level, but comes at the price of substantial increases in vacuum pump capacity and cost. Adding a compressor to the front of the capsule has some merit, but it only marginally increases speed and is also expensive and complex.

La presente invención supera los escollos asociados con la técnica anterior usando una mezcla de aire y helio (en diversas relaciones que se describirán más adelante) para modificar las propiedades del fluido, tal como la velocidad del sonido, que permite alcanzar altas velocidades del vehículo con una potencia de propulsión aceptable. Las ventajas de usar una mezcla de aire y helio incluyen obtener diferentes propiedades del fluido, tal como, densidad reducida, mayor velocidad del sonido y mayor trayectoria molecular libre. Estas diferentes propiedades de los fluidos pueden reducir sustancialmente la resistencia al avance del vehículo y la potencia de propulsión necesaria.The present invention overcomes the pitfalls associated with the prior art by using a mixture of air and helium (in various ratios to be described later) to modify fluid properties, such as speed of sound, allowing high vehicle speeds to be achieved with acceptable propulsion power. The advantages of using a mixture of air and helium include obtaining different fluid properties, such as reduced density, higher speed of sound, and longer free molecular path. These different fluid properties can substantially reduce the vehicle's rolling resistance and required propulsion power.

Debería observarse que tener una densidad más baja (por un factor de siete) tiene un efecto sustancial y directo en la potencia de resistencia y propulsión. La resistencia es directamente proporcional a la densidad (y cualquier medio para reducir la densidad es útil en un escenario de transporte basado en tubos), por eso los aviones vuelan a gran altura (baja densidad) y por eso se consideran los tubos de baja presión (baja densidad). La presente invención observa otra forma de alcanzar baja densidad, es decir, usando gases ligeros en lugar de aire estándar. Además, la presente invención va más allá de simplemente reducir la densidad debido a que también aprovecha la mayor velocidad del sonido y la mayor trayectoria molecular libre como posibles formas de contrarrestar el límite de Kantrowitz.It should be noted that having a lower density (by a factor of seven) has a substantial and direct effect on drag and propulsion power. Drag is directly proportional to density (and any means to reduce density is useful in a tube-based transportation scenario), which is why airplanes fly at high altitude (low density) and why tubes are considered low-pressure. (low density). The present invention looks at another way of achieving low density, ie using light gases instead of standard air. In addition, the present invention goes beyond simply reducing density by also taking advantage of the increased speed of sound and free molecular path as possible ways to counteract the Kantrowitz limit.

La presente invención describe la mezcla de diferentes gases que son más ligeros que el aire, donde estos gases tienen un diámetro molecular más pequeño. Existen numerosos gases que cumplen el requisito de una molécula de gas más pequeña que el aire. El objeto de esta solicitud de patente es el uso de helio, que tiene propiedades atractivas que pueden ser explotadas en los sistemas de transporte basados en tubos. Aunque, el aire en el tubo podría reemplazarse completamente por helio, esto podría ser difícil de lograr. En cambio, la presente invención desvela el uso de una mezcla de aire y helio en diversas relaciones (que se analiza en detalle más adelante en la presente solicitud de patente), que todavía tiene propiedades interesantes, mientras que también proporciona una implementación a un coste más bajo (en comparación con los sistemas de la técnica anterior descritos anteriormente y en comparación con los sistemas equivalentes que usan solo helio).The present invention describes the mixture of different gases that are lighter than air, where these gases have a smaller molecular diameter. There are numerous gases that meet the requirement for a gas molecule smaller than air. The subject of this patent application is the use of helium, which has attractive properties that can be exploited in tube-based transport systems. Although, the air in the tube could be completely replaced by helium, this could be difficult to achieve. Instead, the present invention discloses the use of a mixture of air and helium in various ratios (discussed in detail later in this patent application), which still has interesting properties, while also providing cost effective implementation. lower (compared to prior art systems described above and compared to equivalent systems using helium only).

Debería observarse que el coste asociado con la sustitución total o parcial del aire por otros gases puede ser razonable. Ya que la presión es baja, alrededor de 100 Pa en aplicaciones estándar, la cantidad de gas inyectado en el tubo debe permanecer baja. La Tabla 1 a continuación muestra la masa de gas en el tubo para una mezcla de aire y helio en diferentes porcentajes.It should be noted that the cost associated with substituting all or part of air for other gases may be reasonable. Since the pressure is low, around 100 Pa in standard applications, the amount of gas injected into the tube must remain low. Table 1 below shows the mass of gas in the tube for a mixture of air and helium in different percentages.

TABLA 1TABLE 1

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La tabla 1 demuestra que la cantidad de helio a inyectar en un tubo de 10 km es baja, ya sea considerando helio puro o una mezcla de helio y aire. A 100 Pa, todo el tubo de 10 km podría llenarse con helio puro a un coste actual de menos de $300 (~$14,00/kg He). Sin embargo, no es posible mantener un contenido de helio del 100 % en un tubo soldado grande debido a la fuga de aire del exterior del tubo. La intención de esta técnica es definir los porcentajes óptimos de helio y aire que reducen la resistencia al avance en el tubo. Table 1 shows that the amount of helium to be injected into a 10 km tube is low, whether considering pure helium or a mixture of helium and air. At 100 Pa, the entire 10 km tube could be filled with pure helium at a current cost of less than $300 (~$14.00/kg He). However, it is not possible to maintain 100% helium content in a large welded tube due to air leakage from outside the tube. The intention of this technique is to define the optimal percentages of helium and air that reduce drag in the tube.

Algunas de las ventajas de la presente invención se enumeran a continuación. Los gases que son más ligeros que el aire tienen una densidad más baja, una velocidad de sonido más alta y una trayectoria de medio libre más alta. Esto ofrece al menos tres ventajas, simultáneamente. La primera ventaja es la posibilidad de reducir significativamente la densidad del gas. Ya que la resistencia es proporcional a la densidad, una reducción de la densidad del gas impacta directamente en la resistencia. La Tabla 2 a continuación muestra la densidad a presión atmosférica para los gases habituales, extraído del sitio web (Fuente: sitio web de Engineering Toolbox).Some of the advantages of the present invention are listed below. Gases that are lighter than air have lower density, higher speed of sound, and higher free medium path. This offers at least three advantages, simultaneously. The first advantage is the possibility of significantly reducing the density of the gas. Since resistance is proportional to density, a reduction in gas density directly impacts resistance. Table 2 below shows the density at atmospheric pressure for typical gases, taken from the website (Source: Engineering Toolbox website).

Tabla 2, como se muestra en la figura 7, representa las características distintivas de los gases de peso más ligero, de los cuales el helio y el hidrógeno tienen las densidades más bajas. El helio tiene una densidad siete veces menor que el aire a presión atmosférica. Esta relación es la misma en un tubo de presión de 100 Pa, lo que significa que puede esperarse que la resistencia se reduzca en un factor de aproximadamente siete. Esta es una gran ventaja que va a la raíz del transporte de alta velocidad: reducir la resistencia al reducir la densidad.Table 2, as shown in Figure 7, represents the distinguishing characteristics of the lightest weight gases, of which helium and hydrogen have the lowest densities. Helium has a density seven times less than air at atmospheric pressure. This relationship is the same in a 100 Pa pressure tube, which means that the resistance can be expected to be reduced by a factor of approximately seven. This is a great advantage that goes to the root of high-speed transportation: reducing drag by reducing density.

La sustitución de una porción del aire por un gas más ligero ofrece dos posibilidades:The replacement of a portion of the air by a lighter gas offers two possibilities:

• beneficiarse de una menor densidad a la misma presión ambiental (reduciendo de este modo la potencia de propulsión); u• benefit from lower density at the same ambient pressure (thus reducing propulsion power); or

• operar a mayor presión ambiental y lograr la misma densidad (reduciendo de este modo la potencia de bombeo). • operate at higher ambient pressure and achieve the same density (thus reducing pump power).

Por lo tanto, los gases de menor diámetro tienen menor densidad, lo que reduce la resistencia de la cápsula. El uso de una combinación de aire y helio (en concreto, proporciones predeterminadas, como se detallará más adelante) permite velocidades de cápsula más altas, reduce el tamaño y el coste de la bomba de vacío. Tal combinación de gases proporciona una mejora significativa en la tecnología de transporte de alta velocidad basada en tubos y reducirá los costes y mejorará la economía y la viabilidad comercial.Therefore, gases with a smaller diameter have a lower density, which reduces the resistance of the capsule. The use of a combination of air and helium (specifically, predetermined ratios, as will be detailed later) allows for higher capsule velocities, reduces the size and cost of the vacuum pump. Such a combination of gases provides a significant improvement in tube-based high-speed transportation technology and will reduce costs and improve economics and commercial viability.

Otra ventaja es la posibilidad de aumentar la velocidad del sonido. Como se muestra en la sección anterior, una alta velocidad del sonido permite una mayor velocidad del vehículo sin flujo estrangulado. La velocidad del sonido de un gas viene dada por la siguiente fórmula:Another advantage is the possibility of increasing the speed of sound. As shown in the previous section, a high speed of sound allows for higher vehicle speed without choked flow. The speed of sound of a gas is given by the following formula:

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donde y es la relación específica, Rgas es la constante del gases (8,3145 J/kg/K), Wgas es la masa molecular del gas (kg/mol) y T es la temperatura del fluido. A partir de ECN 2, la velocidad del sonido puede aumentarse cambiando la masa molecular. En particular, un gas ligero tiene una alta velocidad de sonido.where y is the specific ratio, Rgas is the gas constant (8.3145 J/kg/K), Wgas is the molecular mass of the gas (kg/mol) and T is the temperature of the fluid. As of ECN 2, the speed of sound can be increased by changing the molecular mass. In particular, a light gas has a high speed of sound.

Tabla 3, como se muestra en la figura 8, es una lista de las entradas de velocidad del sonido para diversos gases (Fuente: sitio web de Engineering Toolbox):Table 3, as shown in Figure 8, is a list of the speed of sound entries for various gases (Source: Engineering Toolbox website):

A partir de la Tabla 3, se observa que los gases de menor peso destacan por su velocidad de entrada del sonido. El helio y el hidrógeno tienen la mayor velocidad del sonido. El helio tiene una velocidad del sonido tres veces superior a la del aire, mientras que el hidrógeno tiene una velocidad del sonido cuatro veces superior a la del aire. para los fines de la presente solicitud de patente, se prefiere usar helio en el tubo (ya que los problemas de inflamabilidad tendrían que solucionarse con hidrógeno, lo que requeriría algunos cambios de diseño).From Table 3, it can be seen that the gases with less weight stand out for their speed of sound entry. Helium and hydrogen have the highest speed of sound. Helium has a speed of sound three times the speed of air, while hydrogen has a speed of sound four times the speed of air. for the purposes of the present patent application, it is preferred to use helium in the tube (as flammability issues would have to be overcome with hydrogen, which would require some design changes).

Haciendo referencia nuevamente al ejemplo del artículo de Chin et al. (2015) descrito anteriormente, se demostró que en un tubo lleno de aire, la velocidad máxima del vehículo se produjo alrededor de Mach 0,25, es decir, 300 km/h para el aire. Como el helio tiene una velocidad del sonido tres veces mayor que la del aire, Mach 0,25 en helio corresponde a 900 km/h. La presente invención, por tanto, proporciona una ganancia sustancial, cambiando únicamente la naturaleza del gas, y sin modificar nada más en el diseño del tubo o de la cápsula.Referring again to the example of the article by Chin et al. (2015) described above, it was shown that in a tube filled with air, the maximum speed of the vehicle occurred around Mach 0.25, that is, 300 km/h for air. Since helium has a speed of sound three times that of air, Mach 0.25 in helium corresponds to 900 km/h. The present invention, therefore, provides a substantial gain, changing only the nature of the gas, and without modifying anything else in the design of the tube or capsule.

Haciendo referencia al mismo ejemplo, considérese ahora una mezcla de aire y helio en el tubo, que puede obtenerse más fácilmente. La velocidad del sonido de la mezcla esReferring to the same example, now consider a mixture of air and helium in the tube, which can be obtained more easily. The speed of sound of the mixture is

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donde Rmezcia es la constante de gas específica de la mezcla, Ymezcia es la relación de calor específico de la mezcla, y T es la temperatura. Para una mezcla de (17 % aire; 83 % de helio) por volumen, que corresponde a (60 % aire; 40 % de helio) en masa, la velocidad del sonido es de 664 m/s, que es el doble de la velocidad del sonido en aire puro. Haciendo referencia al ejemplo de Chin et al. (2015), la velocidad máxima de Mach 0,25, que era de 300 km/h en el aire, ahora, basándose en las enseñanzas de la presente invención, se convierte en 600 km/h en la mezcla de aire y helio mencionada anteriormente. Esta ganancia se obtiene sin ningún otro cambio en el diseño del tubo o cápsula. where Rmezcia is the specific gas constant of the mixture, Ymezcia is the specific heat ratio of the mixture, and T is the temperature. For a mixture of (17% air, 83% helium) by volume, which corresponds to (60% air, 40% helium) by mass, the speed of sound is 664 m/s, which is twice the speed of sound. speed of sound in pure air. Referring to the example of Chin et al. (2015), the maximum speed of Mach 0.25, which was 300 km/h in air, now, based on the teachings of the present invention, becomes 600 km/h in the aforementioned air-helium mixture. previously. This gain is achieved without any other changes to the tube or cartridge design.

Una forma más sencilla de ver esto hace que la solución sea más fácil de entender. El límite de Kantrowitz se produce cuando el gas que fluye alrededor de la cápsula se estrangula, es decir, a una velocidad de Mach 1. Mach 1 para el aire es 331 m/s a temperaturas estándar. Los gases moleculares más pequeños tienen una velocidad de sonido más alta, lo que les permite fluir mucho más rápido antes de estrangularse. La cápsula no estará sujeta a flujos de estrangulamiento hasta que se alcance la velocidad de Mach preferente y mucho más alta.A simpler way of looking at this makes the solution easier to understand. The Kantrowitz limit occurs when the gas flowing around the capsule is throttled, i.e. at a speed of Mach 1. Mach 1 for the air is 331 m/s at standard temperatures. Smaller molecular gases have a higher speed of sound, allowing them to flow much faster before being throttled. The capsule will not be subject to throttling flows until the preferred and much higher Mach speed is reached.

Así, un gas de diámetro molecular más pequeño permite velocidades más altas antes de entrar en la región sónica. La geometría de la cápsula y el tubo seguirán determinando cuándo se produce el estrangulamiento, pero en el caso del aire se produce a la velocidad relativamente baja de 331 m/s. Al cambiar a un gas o mezcla de gases con velocidades de Mach mucho más altas, como 972 m/s para helio y 1.290 m/s para hidrógeno, pueden alcanzarse velocidades de cápsula mucho más altas antes de que se produzca el estrangulamiento. Se observa que la cápsula no evita el límite K, pero aumenta la velocidad a la que el límite K se convierte en un problema.Thus, a gas of smaller molecular diameter allows higher velocities before entering the sonic region. The geometry of the capsule and tube will still determine when throttling occurs, but in the case of air it occurs at the relatively low speed of 331 m/s. By switching to a gas or mixture of gases with much higher Mach speeds, such as 972 m/s for helium and 1,290 m/s for hydrogen, much higher capsule speeds can be achieved before throttling occurs. It is observed that the capsule does not avoid the K limit, but increases the rate at which the K limit becomes a problem.

Por último, otra ventaja es la posibilidad de aumentar la trayectoria libre de los gases. Si la trayectoria libre de medio es suficientemente grande, la suposición del continuo de fluidos ya no es cierta, y el fluido debe tratarse por la teoría del flujo molecular. Como se ha explicado anteriormente, esto abre la posibilidad de que no existan fenómenos de estrangulamiento debido a que la física se torna diferente.Finally, another advantage is the possibility of increasing the free path of the gases. If the free path of the medium is large enough, the fluid continuum assumption is no longer true, and the fluid must be treated by molecular flow theory. As explained above, this opens up the possibility that there are no throttling phenomena because the physics become different.

El número de Knudsen se usa para estimar si el gas puede tratarse como un flujo continuo o molecular. El continuo es verdadero si Kn<0,001, y el flujo molecular es verdadero para Kn>0,01. En el medio, se produce una región de transición, que también puede ser interesante.The Knudsen number is used to estimate whether the gas can be treated as a continuous or molecular flow. The continuum is true if Kn<0.001, and the molecular flow is true for Kn>0.01. In between, a transition region occurs, which can also be interesting.

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El número de Knudsen se compara con la trayectoria libre de medio, A, de las moléculas y el tamaño característico del vehículo L (longitud o diámetro). Por lo tanto, la región de flujo molecular puede lograrse aumentando la trayectoria libre de medio.The Knudsen number is compared to the free path of the medium, A, of the molecules and the characteristic size of the vehicle L (length or diameter). Therefore, the region of molecular flow can be achieved by increasing the free path of medium.

La trayectoria libre de medio viene dada por la siguiente fórmula:The medium-free path is given by the following formula:

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donde k es la constante de Botzmann, P es la presión, y d es el diámetro molecular.where k is the Botzmann constant, P is the pressure, and d is the molecular diameter.

A partir de ECN. 5, se ve que se obtiene un aumento en la trayectoria libre de medio reduciendo la presión, P o reduciendo el diámetro molecular, dm. From ECN. 5, it is seen that an increase in the free path of medium is obtained by reducing the pressure, P or by reducing the molecular diameter, dm.

Pero una idea clave proviene de reorganizar la ecuación básica de Knudsen (es decir, ECN. 4). Aparece un término de presión en el denominador de ECN. 5 y uno puede ver directamente qué presiones se necesitan para crear un número Kn en el intervalo molecular. Un número adecuadamente bajo de presión crea un gran número Kn y lleva a la conclusión de que la presión es nuevamente el mejor camino para encontrar la región operativa en la que el límite K se vuelve insignificante.But a key insight comes from rearranging the basic Knudsen equation (ie ECN. 4). A pressure term appears in the ECN denominator. 5 and one can see directly what pressures are needed to create a number Kn in the molecular range. A suitably low number for pressure creates a large number Kn and leads to the conclusion that pressure is again the best way to find the operating region in which the limit K becomes negligible.

El número Kn más efectivo puede obtenerse no solo de bajar la presión, sino más bien de cambiar el diámetro de la molécula de gas, dm, en el denominador de la trayectoria de medio libre expandido (ECN. 5).The most effective number Kn can be obtained not only by lowering the pressure, but rather by changing the diameter of the gas molecule, dm, in the denominator of the expanded free medium path (ECN. 5).

Anteriormente, se ha explicado que para lograr el flujo molecular, la presión tuvo que reducirse por debajo de 1 Pa para un tubo con aire. Esto exige una potencia de bomba muy grande para lograr una presión tan baja. En cambio, usando un gas con un diámetro más pequeño (gas liviano), es posible aumentar la trayectoria libre de medio. La tabla 4 representada en la figura 9 muestra la trayectoria libre de medio para diferentes moléculas (Fuente: sitio web de Pfeiffer-Vacuum).Previously, it has been explained that in order to achieve molecular flow, the pressure had to be reduced below 1 Pa for an air-filled tube. This requires a very large pump power to achieve such a low pressure. Instead, by using a gas with a smaller diameter (light gas), it is possible to increase the free path of the medium. Table 4 depicted in Figure 9 shows the medium-free path for different molecules (Source: Pfeiffer-Vacuum website).

A partir de la Tabla 4 se ve que el helio tiene una de las trayectorias libres de medio más altas, unas tres veces mayor que el aire. Esto significa que es posible llegar a la región de flujo molecular con una presión más alta, unas tres veces mayor que si fuera aire. Por lo tanto, en la presente invención, el requisito de bomba para lograr el flujo molecular se reduce significativamente.From Table 4 it is seen that helium has one of the highest free paths of medium, some three times higher than air. This means that it is possible to reach the region of molecular flow with a higher pressure, about three times higher than if it were air. Therefore, in the present invention, the pump requirement to achieve molecular flux is significantly reduced.

Se realizaron simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) con una configuración bidimensional del sistema de transporte de tubos. La configuración es plana en 2D. Es una aproximación a la realidad que es en 3D. Aun así, da una idea útil sobre la dependencia de la resistencia de la velocidad del vehículo y del gas. La CFD plana en 2D proporciona un coeficiente de resistencia a diferentes velocidades del vehículo. Estos coeficientes de resistencia pueden usarse para estimar la resistencia real en la cápsula real en 3D. Se presentan tanto el coeficiente de resistencia como la resistencia estimada en la cápsula real en 3D.Computational fluid dynamics (CFD) simulations were performed with a two-dimensional configuration of the tube transport system. The setup is flat in 2D. It is an approximation to reality that is in 3D. Still, it gives a useful idea about the dependence of drag on vehicle speed and gas. The 2D flat CFD provides a coefficient of drag at different vehicle speeds. These drag coefficients can be used to estimate the actual drag in the actual capsule in 3D. Both the drag coefficient and the estimated drag in the real capsule are presented in 3D.

Se usó el esquema de Chin et al. (2015) mostrado en la figura 1 y se representó en la figura 10 una vista de la malla 2D usada en las presentes simulaciones. El tubo tiene un diámetro de 4 m y la relación derivación-tubo-área es de aproximadamente 0,489. Estos números son similares al estudio anterior de Chin et al. (2015). Sin embargo, en marcado contraste con Chin et al. (2015), la presente invención opera a una presión de 100 Pa, con una mezcla de aire y helio. Obsérvese que la densidad de operación del helio es unas siete veces menor que la del aire. Por lo tanto, se espera una reducción de la resistencia por un factor de 7.The scheme of Chin et al. (2015) shown in figure 1 and a view of the 2D mesh used in the present simulations was represented in figure 10. The tube has a diameter of 4 m and the branch-tube-area ratio is approximately 0.489. These numbers are similar to the previous study by Chin et al. (2015). However, in stark contrast to Chin et al. (2015), the present invention operates at a pressure of 100 Pa, with a mixture of air and helium. Note that the operating density of helium is about seven times less than that of air. Therefore, a reduction in resistance by a factor of 7 is expected.

La figura 11 representa la Tabla 5 que enumera las cifras de densidad por masa tanto para el aire como para el helio a 100 Pa. Como se ha mencionado anteriormente, la reducción de la densidad de más de siete veces (0,00116/0,00016) reduce la resistencia en una relación similar (es decir, siete veces). Esta ventaja se mantiene a diferentes presiones en el intervalo continuo. (Nota: debido a errores de redondeo, la relación de derivación a veces se muestra como 0,488 o 0,489)Figure 11 represents Table 5 which lists the density figures by mass for both air and helium at 100 Pa. As mentioned above, the reduction in density of more than seven times (0.00116/0, 00016) reduces resistance by a similar ratio (ie, seven times). This advantage is maintained at different pressures in the continuous range. (Note: due to rounding errors, the tap ratio is sometimes shown as 0.488 or 0.489)

En los resultados a continuación, se presentan tanto el coeficiente de resistencia como la resistencia estimada en la configuración en 3D real.In the results below, both the drag coefficient and the estimated drag are presented in the actual 3D configuration.

La resistencia, como se ha observado anteriormente en ECN. 1, se relaciona con el coeficiente de resistencia medianteResistance, as previously noted in ECN. 1, is related to the resistance coefficient by

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Las simulaciones en 2D proporcionan el coeficiente de resistencia a diferentes velocidades de vaina. La resistencia en 3D estimada se obtiene entonces multiplicando el coeficiente de resistencia 1/2 ptUbovíainasvaina donde ptubo es la densidad de operación del tubo, Vvana es la velocidad de la vaina, y Svana es el área de la superficie delantera de la vaina.2D simulations provide the drag coefficient at different case speeds. The estimated 3D drag is then obtained by multiplying the drag coefficient 1/2 ptUboviasheaths where ptube is the operating density of the tube, Vvana is the velocity of the sheath, and Svana is the front surface area of the sheath.

La figura 12 representa una gráfica que muestra el coeficiente de resistencia de la simulación en 2D para aire y helio. El coeficiente de resistencia aumenta sustancialmente cuando la velocidad supera el límite de Kantrowitz. Se observa que el límite de Kantrowitz para el helio se alcanza a una velocidad de aproximadamente tres veces mayor que la del aire, lo que está en línea con lo esperado. También se observa que por debajo del límite de Kantrowitz, los coeficientes de resistencia del helio y del aire son similares (alrededor de 3,5 a 375 km/h). Esto se debe a que la fórmula del coeficiente de resistencia es la resistencia dividida por la densidad.Figure 12 represents a graph showing the drag coefficient of the 2D simulation for air and helium. The drag coefficient increases substantially when the speed exceeds the Kantrowitz limit. It is observed that the Kantrowitz limit for helium is reached at a velocity of approximately three times that of air, which is in line with expectations. It is also observed that below the Kantrowitz limit, the drag coefficients of helium and air are similar (about 3.5 to 375 km/h). This is because the resistance coefficient formula is resistance divided by density.

La figura 13 investiga el efecto de la densidad representando gráficamente la resistencia real de una cápsula 3D frente a la velocidad de la cápsula. La siguiente gráfica ilustra el comportamiento de la resistencia estimada de la cápsula 3D real para helio y aire. La resistencia 3D se estima usando los coeficientes de resistencia en 2D y multiplicándolos por 1/2ptuboVv2ainaSvaina.Figure 13 investigates the effect of density by plotting the actual drag of a 3D capsule against the velocity of the capsule. The following graph illustrates the behavior of the estimated resistance of the real 3D capsule for helium and air. The 3D resistance is estimated using the 2D resistance coefficients and multiplying them by 1/2ptuboVv2ainaS sheath .

La gráfica de la figura 13 confirma dos importantes reivindicaciones de la presente invención:The graph in Figure 13 confirms two important claims of the present invention:

1. Beneficios de la baja densidad1. Benefits of low density

Considérese la región de velocidad del vehículo por debajo del límite de Kantrowitz tanto de helio como de aire. La resistencia del helio es menor que la del aire. Para la misma velocidad de vaina de 300 km/h, la resistencia con helio es unas 5,5 veces menor que con aire. Esto está cerca de la relación de densidad de 7 entre el aire y el helio.Consider the region of vehicle velocity below the Kantrowitz limit for both helium and air. The resistance of helium is less than that of air. For the same pod speed of 300 km/h, the drag with helium is about 5.5 times less than with air. This is close to the density ratio of 7 between air and helium.

2. Mayor velocidad antes de alcanzar el límite de Kantrowitz2. Higher speed before reaching the Kantrowitz limit

La velocidad límite de Kantrowitz para el helio es unas tres veces mayor que la del aire. Por encima del límite de Kantrowitz, la resistencia comienza a aumentar sustancialmente con la velocidad debido al estrangulamiento. Los resultados mostrados en la figura 13 confirman que el helio puede alcanzar una velocidad tres veces superior a la del aire antes de alcanzar el límite de Kantrowitz. Por lo tanto, el helio puede alcanzar una velocidad tres veces mayor para una demanda razonable de energía. El helio, por tanto, puede permitir una velocidad de cápsula de casi 1.000 km/h antes de la necesidad de superar el límite de Kantrowitz.The Kantrowitz velocity limit for helium is about three times that of air. Above the Kantrowitz limit, drag begins to increase substantially with speed due to throttling. The results shown in Figure 13 confirm that helium can reach three times the speed of air before reaching the Kantrowitz limit. Thus, helium can reach three times the speed for a reasonable power demand. Helium can therefore allow a capsule speed of almost 1,000 km/h before the need to exceed the Kantrowitz limit.

Los beneficios de la baja resistencia corresponden directamente a menores requisitos de potencia para la propulsión. Una menor potencia equivale a un menor coste de operación, lo que es clave para poner en práctica esta tecnología. Menos coste proporciona billetes más baratos y más pasajeros, lo que lleva esta tecnología a la adopción generalizada. The benefits of low drag directly correspond to lower power requirements for propulsion. Lower power equals lower cost of operation, which is key to putting this technology into practice. Less cost provides cheaper tickets and more passengers, leading this technology to widespread adoption.

La figura 14 representa una gráfica que ilustra la reducción de potencia basada en el uso de un gas liviano, donde la gráfica compara los requisitos para superar la resistencia aerodinámica con aire frente a helio (a 100 Pa). La misma potencia para compensar la resistencia aerodinámica puede alcanzar velocidades de más de 900 km/h en un sistema basado en helio, pero solo puede alcanzar 425 km/h en un tubo basado en aire. Se logra el doble de velocidad por el mismo coste en potencia aerodinámica.Figure 14 depicts a graph illustrating power reduction based on the use of a light gas, where the graph compares the requirements to overcome drag with air versus helium (at 100 Pa). The same power to compensate for aerodynamic drag can reach speeds of over 900 km/h in a helium-based system, but can only reach 425 km/h in an air-based tube. Twice the speed is achieved for the same cost in aerodynamic power.

Por tanto, la sustitución del aire o parte del aire en el tubo por gases livianos proporciona al menos las siguientes ventajas: menor densidad (y, por lo tanto, menor resistencia, lo que implica una menor potencia de propulsión), mayor velocidad del sonido (y, por lo tanto, mayor velocidad del vehículo antes de que se produzca el fenómeno de estrangulamiento), y mayor trayectoria libre de medio (y, por lo tanto, menor potencia de bombeo para lograr el flujo molecular, ya que el flujo molecular puede evitar el fenómeno de estrangulamiento y, así, disminuir la potencia de propulsión). Therefore, the replacement of the air or part of the air in the tube by light gases provides at least the following advantages: lower density (and, therefore, lower resistance, which implies lower propulsion power), higher speed of sound (and thus higher vehicle speed before throttling occurs), and higher media free path (and therefore lower pump power to achieve molecular flow, since molecular flow can prevent the throttling phenomenon and thus decrease the propulsion power).

Como se ha explicado previamente, implementar una mezcla de aire y gases livianos, como el helio, en el tubo puede reducir sustancialmente la resistencia del vehículo y, a su vez, la potencia de propulsión necesaria para superar la resistencia. Algunas gráficas adicionales son valiosas para determinar los porcentajes de mezcla óptimos y los intervalos de presión del aire y el gas liviano.As previously explained, implementing a mixture of air and light gases, such as helium, into the tube can substantially reduce vehicle drag and, in turn, the propulsion power required to overcome drag. Some additional charts are valuable in determining optimum mix percentages and pressure ranges for air and light gas.

La figura 15 representa los resultados de los estudios de CFD que comparan las velocidades máximas alcanzables en el límite K debido a las variaciones en las mezclas de helio y aire. La resistencia es un indicador útil para representar gráficamente frente a la velocidad, ya que no hay ninguna ventaja económica en lograr velocidades más altas si la resistencia aumenta de manera correspondiente.Figure 15 represents the results of CFD studies comparing the maximum speeds achievable at the K limit due to variations in helium and air mixtures. Drag is a useful indicator to plot against speed, as there is no economic advantage to achieving higher speeds if drag increases correspondingly.

A una presión de tubo de 100 Pa, se ven las velocidades crecientes alcanzables con porcentajes crecientes de helio. Las líneas verticales discontinuas muestran la velocidad en los límites K, en primer lugar, a la izquierda, para aire puro y por último para helio puro. La segunda línea vertical, a la derecha, es para un tubo lleno de helio al 100 % por volumen y muestra una velocidad máxima de más de 1.200 km/h con un aumento nominal en la resistencia. Al comparar eso con la línea de velocidad máxima del aire, se observa que la velocidad alcanzable ha aumentado casi tres veces, de 425 km/h a más de 1.225 km/h.At a tube pressure of 100 Pa, the increasing velocities achievable with increasing percentages of helium are seen. The dashed vertical lines show the speed in the K limits, first, on the left, for pure air and lastly for pure helium. The second vertical line, on the right, is for a tube filled with 100% helium by volume and shows a top speed of over 1,200 km/h with a nominal increase in drag. When you compare that to the top airspeed line, you see that the achievable speed has increased almost three times, from 425 km/h to over 1,225 km/h.

Como se ha mencionado anteriormente, el coste operativo es una función de la potencia. La elección de una velocidad óptima haciendo referencia al coste puede verse cualitativamente en la gráfica de mezcla de potencia frente a gas mostrada en la figura 16. Por ejemplo, dado un potencial de potencia de aproximadamente 27 kW, puede lograrse una velocidad objetivo de 800 km/h usando una mezcla gaseosa de 5 % de aire 95 % de helio.As previously mentioned, the operating cost is a function of power. Choosing an optimal speed with reference to cost can be seen qualitatively in the power vs. gas mix plot shown in Figure 16. For example, given a power potential of approximately 27 kW, a target speed of 800 km can be achieved. /h using a gas mixture of 5% air 95% helium.

La velocidad casi se duplica (en comparación con el aire puro) con la misma potencia usando una mezcla conservadora de 95 % de helio y 5 % de aire. Adicionalmente, esta mezcla permite velocidades de cápsula mucho más altas, pero a costa de una mayor potencia de empuje. Esta es una consideración importante ya que se anticipa que en secciones largas y remotas de la ruta será necesario proporcionar energía a la propulsión desde la cápsula. Esto solo puede proporcionarse mediante energía a bordo hasta que se prueben métodos mejorados de transferencia de energía sin contacto. Así, mantener la potencia baja permite el uso de paquetes de energía de cápsula más pequeños y livianos. Las velocidades máximas no garantizan costes de operación óptimos ya que la economía depende de la longitud, cambios de curvatura y elevación dentro de la ruta y la fuente de potencia de propulsión.Speed is nearly doubled (compared to pure air) at the same power using a conservative mix of 95% helium and 5% air. Additionally, this mix allows for much higher pod speeds, but at the cost of more thrust power. This is an important consideration as it is anticipated that long and remote sections of the route will need to provide propulsion power from the capsule. This can only be provided by on-board power until improved methods of non-contact power transfer are proven. Thus, keeping the wattage low allows for the use of smaller and lighter pod power packs. Top speeds do not guarantee optimal operating costs as economy depends on length, curvature and elevation changes within the route and the source of propulsion power.

El rendimiento con gas liviano se ha demostrado principalmente a presiones de 100 Pa para mantener las exposiciones similares y, también, debido a la facilidad de mantener este vacío. Pero, hay un intervalo mucho más amplio de presiones alcanzables que tienen compensaciones. Los resultados para diferentes intervalos de presiones se presentan a continuación a medida que se optimizan adicionalmente los porcentajes de gas con las presiones de operación.Light gas performance has been demonstrated primarily at pressures of 100 Pa to keep exposures similar and also due to the ease of holding this vacuum. But, there is a much wider range of achievable pressures that have trade-offs. Results for different pressure ranges are presented below as gas percentages are further optimized with operating pressures.

La figura 17 ilustra una comparación de Resistencia frente a Velocidad, en el límite de Kantrowitz, unas gráficas para cuatro presiones de tubo básicas de 1-1000 Pa junto con porcentajes de helio en el aire. En primer lugar, se observa que la velocidad en el límite de Kantrowitz aumenta a medida que aumenta el porcentaje de helio en la mezcla, para todas las presiones. El aumento de velocidad en el límite de Kantrowitz tiene una dependencia relativamente baja de la presión. Ahora, se examinan diferentes gráficas para diversas presiones. Estas comparaciones de presión se realizan en primer lugar sobre la base de la resistencia y son más interesantes para el régimen de presión más bajo, 1 Pa, donde la baja presión y el alto porcentaje de helio transforman el flujo a laminar, aumentando de este modo la resistencia en un 80 % en el intervalo de 1-100 % de helio. También se ve que el tubo de 1000 Pa crea una resistencia muy alta a pesar de todas las combinaciones de aire y helio. Esto sin duda dará como resultado requisitos de alta potencia de propulsión que conducirán a sistemas de almacenamiento de energía a bordo de cápsulas poco prácticos. Figure 17 illustrates a comparison of Resistance vs. Velocity, in the Kantrowitz limit, graphs for four basic tube pressures from 1-1000 Pa together with percentages of helium in air. First, it is observed that the speed at the Kantrowitz limit increases as the percentage of helium in the mixture increases, for all pressures. The velocity increase in the Kantrowitz limit has a relatively low dependence on pressure. Now, different graphs are examined for various pressures. These pressure comparisons are made first of all on the basis of resistance and are most interesting for the lowest pressure regime, 1 Pa, where the low pressure and high percentage of helium transform the flow to laminar, thus increasing resistance by 80% in the range of 1-100% helium. It is also seen that the 1000 Pa tube creates a very high resistance despite all the air and helium combinations. This will no doubt result in high propulsion power requirements leading to impractical onboard pod energy storage systems.

Se ve en la gráfica de presión de 1 Pa que la resistencia, a pesar del flujo laminar, es bastante baja y los requisitos de potencia también serán bajos. Pero, la potencia de bombeo para lograr ese nivel de vacío, combinada con las tasas de fuga de aire esperadas (45 SLM (litro estándar por minuto)/km), dará como resultado que esa presión no sea viable sin mayores, y más que contrarrestados, costes en gastos de capital.It is seen from the 1 Pa pressure plot that the resistance, despite the laminar flow, is quite low and the power requirements will also be low. But, the pumping power to achieve that level of vacuum, combined with the expected air leak rates (45 SLM (standard liter per minute)/km), will result in that pressure not being viable without higher, and more than offset, costs in capital expenditures.

A presiones más altas, tales como 10 Pa, se ve que la resistencia aumenta mínimamente a medida que la velocidad del vehículo se duplica con creces. Este es un punto crítico a considerar. La resistencia es uno de los consumidores clave de energía que debe superarse por el sistema de propulsión, los otros son la aceleración y la gravedad. Una vez que el vehículo esté a la velocidad operativa y esté funcionando en un terreno nivelado, la resistencia es la mayor pérdida de consumo de energía para los fines de propulsión. Así, la operación económica depende de minimizar la resistencia a las velocidades de operación más altas y niveles de vacío obtenibles. Observe arriba que se muestra que la resistencia aerodinámica aumenta a un ritmo bajo (<25 %) con aumentos de velocidad significativos. La operación a velocidades más altas puede lograrse con solo aumentos de resistencia incrementales. El tren de alta velocidad actual no tiene esta ventaja y, así, está limitado a velocidades más bajas o requisitos de potencia mucho más altos o a ambos.At higher pressures, such as 10 Pa, resistance is seen to increase slightly as vehicle speed more than doubles. This is a critical point to consider. Drag is one of the key energy consumers that must be overcome by the propulsion system, the others being acceleration and gravity. Once the vehicle is up to operating speed and is running on level ground, drag is the largest loss of energy consumption for propulsion purposes. Thus, economical operation depends on minimizing resistance at the highest operating speeds and vacuum levels obtainable. Notice above that drag is shown to increase at a low rate (<25%) with significant speed increases. Operation at higher speeds can be achieved with only incremental resistance increases. Today's high-speed train does not have this advantage and is thus limited to lower speeds or much higher power requirements or both.

La figura 18 ilustra una gráfica de potencia frente a velocidad donde se revisan los requisitos de potencia para diversas presiones y diversas mezclas de aire-helio para identificar los intervalos operativos óptimos. Se muestran gráficas de consumo de energía aerodinámica con diferentes porcentajes de helio a presiones de 1, 10, 100 y 1000 Pascales. Figure 18 illustrates a power vs. speed graph where power requirements for various pressures and various air-helium mixes are reviewed to identify optimum operating ranges. Graphs of aerodynamic energy consumption with different percentages of helium at pressures of 1, 10, 100 and 1000 Pascals.

Basándose en funcionamientos extensos de CFD, propiedades probadas del gas y comportamiento a diversas presiones, pueden reducirse nuestros intervalos de operación de acuerdo con los requisitos de energía. Este es el factor principal para determinar los costes de operación, cuánta energía se requiere y es práctica, para operar a altas velocidades. Los intervalos de potencia representados en la figura 18 para 100 Pa y 10 Pa pueden lograrse con la tecnología de batería actual para sistemas de almacenamiento a bordo. Las baterías de iones de litio existentes que se usan en los automóviles tienen una capacidad de 30-100 kWh y, así, con varios de estos paquetes serían adecuados para soportar la propulsión de la cápsula (para superar la resistencia aerodinámica mostrada) para rutas suaves y rectas y tener reservas de seguridad adecuadas. Como se ha mencionado anteriormente, las variaciones en la elevación y los radios de las curvas afectarán a los requisitos de potencia, al igual que la resistencia debido a otros elementos de propulsión, soporte vital, etc. Debido al volumen limitado y al peso disponible para la capacidad de almacenamiento de la batería a bordo de la cápsula, la oportunidad de reducir la energía de la batería se examina de cerca y debe compararse con el aumento de la potencia de bombeo al vacío para obtener esas presiones más bajas. A esta gran escala, pueden lograrse regímenes de baja potencia con porcentajes modestos de helio y niveles de vacío razonables.Based on extensive CFD runs, proven gas properties and behavior at various pressures, our operating intervals can be shortened according to power requirements. This is the main factor in determining operating costs, how much power is required and practical to operate at high speeds. The power ranges represented in figure 18 for 100 Pa and 10 Pa can be achieved with current battery technology for on-board storage systems. Existing lithium ion batteries used in cars have a capacity of 30-100 kWh and so with several of these packs they would be adequate to support pod propulsion (to overcome shown aerodynamic drag) for smooth routes and straight lines and have adequate safety reserves. As previously mentioned, variations in elevation and curve radii will affect power requirements, as will drag due to other propulsion elements, life support, etc. Due to the limited volume and weight available for onboard pod battery storage capacity, the opportunity to reduce battery power is closely scrutinized and must be weighed against increasing vacuum pump power to obtain those lower pressures. At this large scale, low power regimes can be achieved with modest helium percentages and reasonable vacuum levels.

La presente invención identifica que los porcentajes de helio en el aire que van del 75 %-99 % son prácticos y efectivos para aumentar las velocidades de la cápsula desde una base de 400 km/h en aire puro hasta 1.150 km/h en una mezcla de 99 % de He y 1 % de aire. Los porcentajes más bajos de helio también proporcionan mejoras como se muestra, pero debido al coste relativamente bajo del helio, no proporcionan puntos de operación óptimos o más rentables. Los porcentajes de helio en el intervalo del 75 %-99 % son prácticos para controlar con los controladores de flujo másico de última generación, sensores y sistemas de control.The present invention identifies that percentages of helium in air ranging from 75%-99% are practical and effective in increasing capsule speeds from a base 400 km/h in pure air up to 1,150 km/h in a mixture. of 99% He and 1% air. Lower helium percentages also provide improvements as shown, but due to the relatively low cost of helium, they do not provide optimal or most cost effective operating points. Helium percentages in the range of 75%-99% are practical to control with the latest generation mass flow controllers, sensors and control systems.

La presente invención también muestra presiones de tubo óptimas que son económicas de lograr, oscilando entre 10 y 100 Pa. Presiones por debajo de 10 Pa, tal como 1-10 Pa, son prometedoras para reducir la resistencia, pero se mueven hacia el intervalo del flujo laminar y la transición a una velocidad máxima más baja en el límite K. Es evidente, sin embargo, que incluso en estos intervalos de presión muy bajos por debajo de 1-10 Pa, el helio muestra un aumento en las velocidades alcanzables y, así, este entorno operativo mejorará con la adición de helio desde la perspectiva de la velocidad. Pero, es igualmente interesante que el cambio en los requisitos de potencia sea muy pequeño en comparación con un sistema de aire puro. Así, el intervalo de potencia a 1 Pa con y sin helio es solo de 0,5 a 2,5 kW. Un sistema de gas liviano no obtiene mucha ventaja incremental en estos intervalos de presión (1-10 Pa) en los regímenes de resistencia/potencia. Sin embargo, las velocidades máximas disfrutan de un gran aumento incremental de 400 kph a 1.150 kph y, así, se espera que las operaciones por debajo de 10 Pa también incluyan grandes porcentajes de helio similares a los intervalos de 10 a 100 Pa.The present invention also shows optimum tube pressures that are economical to achieve, ranging from 10 to 100 Pa. Pressures below 10 Pa, such as 1-10 Pa, hold promise in reducing resistance, but move into the range of laminar flow and the transition to a lower maximum velocity at the K limit. It is evident, however, that even in these very low pressure ranges below 1-10 Pa, helium shows an increase in achievable velocities and, thus, this operating environment will improve with the addition of helium from a speed perspective. But, it is equally interesting that the change in power requirements is very small compared to a fresh air system. Thus the power range at 1 Pa with and without helium is only 0.5 to 2.5 kW. A light gas system does not gain much incremental advantage in these pressure ranges (1-10 Pa) in endurance/power regimes. However, top speeds enjoy a large incremental increase from 400kph to 1,150kph and so operations below 10 Pa are expected to also include large percentages of helium similar to the 10 to 100 Pa ranges.

Todo el análisis anterior se realizó con una relación de derivación de 0,489 (4 m de diámetro de tubo y 6,4 m2 de área de vaina) y mostrando ejemplos de presiones y porcentajes de helio para un rendimiento óptimo. Ahora, se analiza una relación de derivación diferente.All of the above analysis was performed with a bypass ratio of 0.489 (4m tube diameter and 6.4m2 sheath area) and showing examples of helium pressures and percentages for optimal performance. Now, a different derivation relationship is discussed.

La figura 19 ilustra una gráfica de resistencia frente a velocidad, igual que la figura 17, pero para una relación de derivación más baja de 0,208. La figura 19 representa un sistema de derivación bajo de 0,208 (4 m de diámetro de tubo y 10 m2 de área de vaina) y sus mejoras de resistencia aerodinámica debido al uso de mezclas de gases livianos. Las ventajas de una relación de derivación más grande pueden verse claramente en cualquiera de las gráficas de presión anteriores, ya que las velocidades alcanzables son más del doble con la derivación de ,489 frente a la de ,208. La velocidad máxima será una gran ventaja en rutas largas y, así, se prefieren relaciones de desvío más grandes, pero en rutas cortas la ventaja de la velocidad disminuye y pueden ser aceptables relaciones más pequeñas. Igualmente, las relaciones de derivación más pequeñas pueden ser relevantes para las operaciones de carga a baja velocidad durante las horas de descanso y permiten el uso de cápsulas de carga más grandes en el mismo tubo. Aunque las velocidades máximas se reducen con la relación de derivación más pequeña, aún se obtienen las ventajas sobre los sistemas de aire puro.Figure 19 illustrates a resistance vs. velocity plot, the same as Figure 17, but for a lower tap ratio of 0.208. Figure 19 depicts a 0.208 low shunt system (4 m tube diameter and 10 m2 cladding area) and its drag improvements due to the use of light gas mixtures. The advantages of a larger bypass ratio can be clearly seen in any of the pressure charts above, as the achievable speeds are more than double with the .489 bypass versus the .208 bypass. Top speed will be a great advantage on long routes and thus larger yaw ratios are preferred, but on short routes the speed advantage diminishes and smaller ratios may be acceptable. Similarly, smaller bypass ratios may be relevant for low speed charging operations during off hours and allow the use of larger charging capsules in the same tube. Although top speeds are reduced with the smaller bypass ratio, the advantages over fresh air systems are still obtained.

Vale la pena señalar que para estas dos relaciones de derivación bastante diferentes de 0,489 y 0,208, los requisitos de potencia se mantienen dentro de intervalos similares. Las diferentes relaciones de derivación afectan más a la velocidad máxima que a la potencia. Ya que la potencia de la cápsula puede ser limitada (por ejemplo, debido a la densidad de energía de la batería y el espacio disponible), el sistema de derivación baja será capaz de operar con una potencia tan limitada, pero con la desventaja de velocidades muy reducidas.It is worth noting that for these two quite different tap ratios of 0.489 and 0.208, the power requirements remain within similar ranges. Different bypass ratios affect top speed more than power. Since the power of the capsule may be limited (for example, due to the energy density of the battery and the available space), the low-bypass system will be able to operate with such limited power, but at the disadvantage of speeds. very reduced.

La figura 20 ilustra una gráfica de potencia frente a velocidad, igual que la figura 18, pero para la relación de derivación más baja de 0,208. Al igual que en la figura 18, los requisitos de energía pueden revisarse para varias presiones y varias mezclas de aire y helio para identificar los intervalos operativos óptimos. Debido a la mayor resistencia de los sistemas de baja relación a las mismas velocidades, se requiere más potencia para alcanzar la misma velocidad. Sin embargo, con el sistema de derivación de 0,208, las velocidades máximas siguen aumentando significativamente con respecto a los sistemas de aire 100 %.Figure 20 illustrates a graph of power vs. velocity, the same as Figure 18, but for the lower tap ratio of 0.208. Similar to figure 18, power requirements can be reviewed for various pressures and various air/helium mixes to identify optimal operating ranges. Due to the higher drag of low ratio systems at the same speeds, more power is required to achieve the same speed. However, with the 0.208 bypass system, top speeds are still significantly increased over 100% air systems.

La figura 21 ilustra una comparación de dos ejemplos de relación de derivación no limitantes usados en la presente divulgación, junto con un ejemplo de cálculo de cómo se calcula la relación de derivación en cada instancia. Debería observarse que, si bien la presente divulgación usa dos relaciones de derivación, es decir, la relación de derivación de 0,489 para una cápsula para transportar humanos y la relación de derivación de 0,208 para una cápsula de carga, estas relaciones no deberían usarse de ninguna manera para limitar el alcance de la presente invención, ya que la enseñanza de la presente invención puede aplicarse a otras relaciones de derivación.Figure 21 illustrates a comparison of two non-limiting branch relationship examples used herein. disclosure, along with an example calculation of how the branch ratio is calculated in each instance. It should be noted that while the present disclosure uses two tap ratios, i.e., the tap ratio of 0.489 for a human-carrying capsule and the tap ratio of 0.208 for a cargo capsule, these ratios should not be used in any way. manner to limit the scope of the present invention, since the teaching of the present invention may be applied to other derivation relationships.

Como se ve en la figura 22, el uso de helio en el sistema de derivación baja (0,208) permite velocidades en comparación con la región de derivación alta (0,489) para ciertas mezclas, como lo indican las velocidades limitadas por las líneas punteadas en las gráficas de 10 Pa y 100 Pa.As seen in Figure 22, the use of helium in the low bypass system (0.208) allows for velocities compared to the high bypass region (0.489) for certain mixes, as indicated by the velocities limited by the dashed lines in the figures. graphs of 10 Pa and 100 Pa.

Puede deducirse mucho acerca de las condiciones de operación óptimas al comparar la potencia para las dos relaciones de derivación diferentes, como se ve en la figura 22. Ante todo, la velocidad máxima alcanzable (antes del límite K) con derivación baja se reduce drásticamente. Incluso a las presiones de tubo más bajas (1 y 10 Pa) se ve que incluso con 100 % de helio, la velocidad alcanzable es solo la mitad de la velocidad con porcentajes de He mucho más bajos que incorporan la relación de derivación más alta. En segundo lugar, para la relación de derivación más pequeña, esas velocidades más bajas tienen casi tres veces la potencia que velocidades similares que usan una relación de derivación más alta. Por tanto, se observa que las optimizaciones de la geometría de cápsula a tubo, creando la derivación más grande posible, dan como resultado una velocidad mucho mayor con mucha menos potencia.Much can be deduced about optimum operating conditions by comparing the power for the two different bypass ratios, as seen in Figure 22. First of all, the maximum achievable speed (before the K limit) with low bypass is drastically reduced. Even at the lowest tube pressures (1 and 10 Pa) it is seen that even with 100% helium, the speed achievable is only half the speed with much lower He percentages incorporating the higher bypass ratio. Second, for the smallest bypass ratio, those lower gears have nearly three times the power of similar speeds using a higher bypass ratio. It is therefore seen that capsule-to-tube geometry optimizations, creating the largest possible bypass, results in much higher speed with much less power.

Se logra una mayor flexibilidad operativa del sistema para la velocidad y la potencia sumando mezclas específicas de aire y helio para cualquiera de las relaciones de derivación descritas. Para relaciones de derivación más bajas (es decir, 0,208) pueden obtenerse velocidades equivalentes a relaciones de derivación altas (es decir, 0,489) como se ve en las figuras de arriba entre las flechas discontinuas verticales.Greater system operating flexibility for speed and power is achieved by adding specific mixes of air and helium for any of the bypass ratios described. For lower bypass ratios (ie 0.208) equivalent speeds can be obtained at high bypass ratios (ie 0.489) as seen in the figures above between the vertical dashed arrows.

A presiones de tubo de 10 Pa y 100 Pa, se muestran intervalos de igual velocidad para ambas relaciones de derivación. A 100 Pa, la resistencia en el escenario de relación de derivación pequeña aumenta casi tres veces a la misma velocidad, pero solo agregando el 75-100 % de helio. Para derivaciones más grandes, puede alcanzarse velocidades iguales, pero con un tercio de la resistencia. Agregar helio ayuda significativamente para el escenario del sistema de derivación pequeño (en comparación con un sistema de aire puro), donde dicha adición puede aprovecharse para cápsulas más grandes, tales como tipos de carga. Tal adición de helio permite casi tres veces la velocidad (en comparación con un sistema de aire puro), con solo aumentos marginales en la resistencia. El sistema de derivación más pequeño paga una penalización de velocidad significativa, ya que la velocidad máxima está limitada a aproximadamente la mitad de la del sistema de derivación más grande. El uso de presiones mucho más bajas (por ejemplo, hasta incluso 1 Pa) no supera las abrumadoras ventajas de los grandes sistemas de derivación.At tube pressures of 10 Pa and 100 Pa, intervals of equal velocity are shown for both bypass ratios. At 100 Pa, the resistance in the small bypass ratio scenario increases almost three times at the same rate, but only by adding 75-100% helium. For larger shunts, the same speeds can be achieved, but with one third the resistance. Adding helium helps significantly for the small bypass system scenario (compared to a pure air system), where such addition can be leveraged for larger capsules, such as payload types. Such helium addition allows for almost three times the speed (compared to a pure air system), with only marginal increases in drag. The smaller bypass system pays a significant speed penalty, as top speed is limited to about half that of the larger bypass system. The use of much lower pressures (eg down to as low as 1 Pa) does not outweigh the overwhelming advantages of large bypass systems.

Una clave para poner en uso práctico las mezclas He-Air para viajes en tubo de alta velocidad es reducir los porcentajes de mezcla adecuados basándose en un modelo económico. Ese proceso se describe a continuación e identifica claramente por qué muchos porcentajes más altos de He no son óptimos y qué intervalos ni siquiera son alcanzables.A key to putting He-Air mixes for high speed tube travel to practical use is to reduce the proper mix percentages based on an economic model. That process is described below and clearly identifies why many higher He percentages are not optimal and which ranges are not even achievable.

Aunque se prefieren los porcentajes más altos (por ejemplo, 99 % o 100 %) de helio, debería observarse que porcentajes tan altos no son posibles con la construcción de tuberías comerciales, debido a la fuga de aire residual a través de las soldaduras, juntas, pasamuros e imperfecciones materiales. La cantidad de fuga de aire no cambia con la presión del tubo ya que cada fuga puede modelarse como un orificio. En este modelo, cada orificio sigue las leyes estándar de los gases y se obstruye con caídas de presión superiores a aproximadamente 0,53 AP y se limitará a fluir a velocidades sónicas. El estrangulamiento de cada orificio mantiene el flujo constante hasta una presión de tubo de aproximadamente 53.700 Pa. Las presiones de los tubos en la región de 1-1000 Pa esencialmente crean fugas de aire iguales. Así, cada uno de estos orificios aportará una pequeña cantidad de aire al recipiente de vacío que debe bombearse continuamente si se quiere mantener la presión base. Esta fuga continua hace imposible lograr un contenido de He del 100 % a menos que pueda diseñarse un tubo perfectamente hermético. Sin embargo, las implementaciones prácticas de tales sistemas de transporte basados en tubos sufrirán los efectos de estas fugas, haciendo que alcanzar el 100 % de helio no sea una solución práctica.Although higher percentages (for example, 99% or 100%) of helium are preferred, it should be noted that such high percentages are not possible with commercial piping construction, due to residual air leakage through welds, joints , cable glands and material imperfections. The amount of air leakage does not change with tube pressure since each leak can be modeled as a hole. In this model, each orifice follows standard gas laws and plugs at pressure drops greater than about 0.53 AP and will be limited to flow at sonic velocities. Throttling each orifice maintains constant flow up to a tube pressure of approximately 53,700 Pa. Tube pressures in the region of 1-1000 Pa essentially create equal air leakage. Thus each of these holes will supply a small amount of air to the vacuum vessel that must be continuously pumped if base pressure is to be maintained. This continuous leakage makes it impossible to achieve 100% He content unless a perfectly airtight tube can be designed. However, practical implementations of such tube-based transport systems will suffer from these leaks, making achieving 100% helium not a practical solution.

Se observa un intervalo de fugas que pueden esperarse por km de tubo de acuerdo con la experiencia de los expertos en el campo y en las condiciones observadas con otros sistemas de vacío de tubo grande. Para las divulgaciones de esta patente, el intervalo superior de 50 slm/km (litro estándar por minuto/km) se elige como el peor de los casos y 5 slm/km como el mejor de los casos. La figura 23 ilustra una tabla que representa la carga de volumen a 50 slm/km por porcentaje de helio. La figura 24 ilustra una tabla que representa la carga de volumen a 5 slm/km por porcentaje de helio. Dichas tasas de fuga se proporcionan simplemente como ejemplos y no deben usarse para limitar el alcance de la invención. Ahora se presenta una exposición sobre cómo debe tenerse en cuenta esta tasa de fuga al calcular las relaciones de helio preferentes, así como la presión de operación ideal.A range of leaks that can be expected per km of tube is noted based on the experience of experts in the field and under conditions observed with other large tube vacuum systems. For the disclosures of this patent, the upper range of 50 slm/km (standard liter per minute/km) is chosen as the worst case and 5 slm/km as the best case. Figure 23 illustrates a table representing the volume charge at 50 slm/km by percentage of helium. Figure 24 illustrates a table representing the volume charge at 5 slm/km by percentage of helium. Such leak rates are provided merely as examples and should not be used to limit the scope of the invention. A discussion is now presented on how this leak rate should be taken into account when calculating the preferred helium ratios, as well as the ideal operating pressure.

Esta tasa de fuga está directamente relacionada con los métodos y materiales de construcción del tubo, donde con el conocimiento de tales métodos y materiales, uno puede llenar la Tabla de las figuras 23 o 24 con números más precisos. La tasa de fuga puede calcularse usando prácticas estándar de sistemas de vacío y debería medirse para cada parte de la ruta. Dichos datos estimados asociados con diferentes porciones de la ruta son críticos para estimar las presiones del tubo base y los porcentajes de helio que pueden lograrse razonablemente dentro de cada porción de la ruta.This leak rate is directly related to the tube construction methods and materials, where with knowledge of such methods and materials, one can fill in the Table of figures 23 or 24 with more accurate numbers. Leak rate can be calculated using standard vacuum system practices and should be measured to each part of the route. Such estimated data associated with different portions of the route are critical to estimating the base tube pressures and helium percentages that can reasonably be achieved within each portion of the route.

Como se ve arriba en las figuras 23 y 24, con porcentajes crecientes de helio, la columna Volumen Agregado aumenta geométricamente a tasas de fuga constantes. Los porcentajes muy altos de helio necesitan cantidades crecientes de helio inyectado donde dichas cantidades inyectadas se acercan al infinito a medida que el requisito de helio alcanza el 100 %. Este volumen adicional de mezcla aire/helio debe bombearse para mantener los niveles de vacío requeridos y, por lo tanto, puede cargar las bombas más allá de su capacidad. Aunque a partir de las exposiciones anteriores parece que siempre se prefieren porcentajes más altos de helio, hay una tendencia contraria de aumento de las cargas de la bomba que también debe tenerse en cuenta.As seen in Figures 23 and 24 above, with increasing percentages of helium, the Volume Added column increases geometrically at constant leak rates. Very high percentages of helium necessitate increasing amounts of injected helium where those injected amounts approach infinity as the helium requirement reaches 100%. This additional volume of air/helium mix must be pumped to maintain the required vacuum levels and can therefore load the pumps beyond their capacity. Although from the above discussions it appears that higher percentages of helium are always preferred, there is a counter trend of increasing bomb charges that must also be taken into account.

La figura 25 representa una gráfica de la potencia de la bomba (en kW) frente al porcentaje de helio para diversas presiones. Como puede verse en la figura 25, las bombas de vacío son muy sensibles a los caudales volumétricos con potencia (kW), aumentando de forma geométrica en porcentajes de He-Air por encima del 90 % aproximadamente. Estas curvas de potencia de bombeo muestran los retornos decrecientes de tratar de mantener altos porcentajes de helio con respecto a la potencia de bombeo (kW). Este efecto nocivo es más pronunciado a bajas presiones del tubo, lo que va en contra del deseo de operar a baja presión para reducir la resistencia. La figura 25 muestra los efectos negativos de altos porcentajes de helio frente a la potencia de bombeo necesaria para mantener esos porcentajes. Más no es mejor. La presente invención aprovecha este efecto para lograr un rendimiento óptimo dentro de un sistema de transporte basado en tubos. En una realización, pueden deducirse los porcentajes de operación más económicos al acoplar este resultado con la potencia necesaria para vencer la resistencia aerodinámica.Figure 25 represents a graph of the power of the pump (in kW) against the percentage of helium for various pressures. As can be seen in figure 25, vacuum pumps are very sensitive to volumetric flow rates with power (kW), increasing geometrically in percentages of He-Air above approximately 90%. These pump power curves show the diminishing returns of trying to maintain high percentages of helium with respect to pump power (kW). This deleterious effect is more pronounced at low tube pressures, which goes against the desire to operate at low pressure to reduce drag. Figure 25 shows the negative effects of high percentages of helium versus the pumping power required to maintain those percentages. More is not better. The present invention takes advantage of this effect to achieve optimal performance within a tube-based conveying system. In one embodiment, the most economical operating percentages can be derived by coupling this result with the power required to overcome aerodynamic drag.

Hay una interacción compleja de la presión del tubo, velocidad, relación de derivación, fuga de aire, % He-Aire, resistencia y potencia de bombeo que hasta ahora no se ha presentado de manera organizada en el técnica anterior. Todos estos parámetros físicos limitan la velocidad de operación ideal. Esas compensaciones clave se han analizado en diversos regímenes típicos y ahora pueden presentar un sistema y un método para encontrar las condiciones de operación óptimas. El número de combinaciones es enorme, pero por simulación y usando propiedades físicas, mientras se opera en intervalos típicos o esperados de esos regímenes, puede formularse el uso más práctico y económico de un sistema de transporte basado en tubos.There is a complex interplay of tube pressure, velocity, bypass ratio, air leakage, He-Air %, resistance, and pumping power that has not hitherto been presented in an organized manner in the prior art. All these physical parameters limit the ideal operating speed. These key tradeoffs have been analyzed in various typical regimes and can now present a system and method for finding optimum operating conditions. The number of combinations is enormous, but by simulation and using physical properties, while operating at typical or expected intervals of those regimes, the most practical and economical use of a tube-based conveying system can be formulated.

La presente invención desvela un sistema y un método para identificar los intervalos óptimos de He-Aire basados en la economía del uso de energía, tanto para bombear el tubo al vacío como para superar la resistencia a velocidades operativas. Idealmente, el 100 % de He da como resultado la menor resistencia y las velocidades más altas debido a su tamaño molecular reducido (velocidad mejorada) y menor densidad (reducción de resistencia). Los siguientes cálculos muestran que no solo no es posible el 100 % de helio.The present invention discloses a system and method for identifying optimal He-Air ranges based on economics of energy use, both for pumping the vacuum tube and for overcoming resistance at operating speeds. Ideally, 100% He results in the lowest drag and highest speeds due to its reduced molecular size (improved speed) and lower density (reduced drag). The following calculations show that not only 100% helium is not possible.

En primer lugar, se requiere obtener curvas de bomba particulares para una tubería de acero de 1 km de largo, 4 metros de diámetro a diversas presiones base. Estas curvas incluyen una tolerancia para fugas de aire de 50 slm de aire por km. Como se ha mencionado anteriormente, dicha tasa de fuga se proporciona simplemente como un ejemplo y no debe usarse para limitar el alcance de la presente invención. Ya que la base para la optimización es el consumo de energía, las curvas muestran la cantidad de potencia de bombeo necesaria para mantener el tubo a presión constante (como se muestra en la figura 25), basándose en una tasa de fuga dada. Diferentes tasas de fuga cambiarán la gráfica, pero la conclusión siempre mostrará que a relaciones de He más altas, las bombas deben operar a una potencia cada vez mayor para evacuar el volumen creciente de He-Aire inyectado. A medida que aumenta el porcentaje de helio necesario dentro del tubo, deben inyectarse cantidades cada vez mayores de He para mantener la relación. Cuanto mayor sea el porcentaje de helio, más potencia necesitan las bombas.First, it is required to obtain particular pump curves for a 1 km long, 4 meter diameter steel pipe at various base pressures. These curves include a tolerance for air leakage of 50 slm of air per km. As mentioned above, said leak rate is provided merely as an example and should not be used to limit the scope of the present invention. Since the basis for optimization is power consumption, the curves show the amount of pumping power required to keep the tube at constant pressure (as shown in figure 25), based on a given leak rate. Different leak rates will change the graph, but the conclusion will always show that at higher He-ratios, the pumps must operate at increasing power to evacuate the increasing volume of He-Air injected. As the percentage of helium required within the tube increases, increasing amounts of He must be injected to maintain the ratio. The higher the percentage of helium, the more power the bombs need.

A continuación, se examina la potencia necesaria para superar la resistencia a diversas velocidades y porcentajes. Las figuras 26A-C muestran un sumario de los requisitos de potencia (kW) para equilibrar la resistencia aerodinámica a presiones de 1000 Pa, 100 Pa y 10 Pa, respectivamente, para diversas velocidades de cápsula frente a porcentajes de helio y aire. Como se ha indicado anteriormente, las velocidades más altas solo pueden alcanzarse con los porcentajes más altos de helio. Se ve en este caso que la potencia de propulsión/cápsula (resistencia aerodinámica x velocidad) se reduce significativamente en los porcentajes más altos de helio. Pero como se muestra en la figura 25, esos entornos ricos en helio tienen el coste de una gran potencia de bombeo adicional. Estas dos interacciones deben combinarse para formular la menor potencia y los mejores puntos de operación. La figura 27 representa una combinación de este tipo mediante una gráfica de potencia total (en kW) (combinando la potencia de bombeo a una tasa de fuga determinada y la potencia aerodinámica) frente al porcentaje de helio para diversas velocidades a 100 Pa.Next, the power required to overcome the resistance at various speeds and percentages is examined. Figures 26A-C show a summary of the power (kW) requirements to balance drag at pressures of 1000 Pa, 100 Pa, and 10 Pa, respectively, for various capsule velocities versus percentages of helium and air. As stated above, the highest velocities can only be achieved with the highest percentages of helium. It is seen in this case that the propulsion power/capsule (drag x speed) is significantly reduced at the higher percentages of helium. But as shown in Figure 25, such helium-rich environments come at the cost of a lot of extra pumping power. These two interactions must be combined to formulate the lowest power and best operating points. Figure 27 represents such a combination by plotting total power (in kW) (combining pumping power at a given leak rate and aerodynamic power) versus percent helium for various speeds at 100 Pa.

Antes de continuar, puede ser útil exponer el impacto de las tasas de fuga de aire variables en el método y el sistema de optimización de la presente invención. Las fugas afectan la capacidad de la bomba en dos áreas clave. Una fuga de un orden de magnitud más pequeña puede permitir que se alcance una presión de un orden de magnitud más baja en el sistema. Así, reducir la tasa de fuga es un método muy eficiente para lograr presiones más bajas en los tubos. Se observa la misma relación entre la potencia de la bomba y la tasa de fuga, ya que la potencia puede reducirse (teóricamente) en un orden de magnitud a la misma presión si la tasa de fuga se reduce por un factor de 10. La divulgación de la presente invención usa un ejemplo no limitativo de fuga de aire de 50 slm/km, pero el número específico de fugas de aire no debe usarse para limitar el alcance de la presente invención. Sin embargo, debería observarse que las enseñanzas de la presente invención pueden aplicarse a otra tasa de fuga, por ejemplo, 5 slm/km, sin desviarse del alcance de la invención.Before proceeding, it may be useful to discuss the impact of varying air leak rates on the optimization method and system of the present invention. Leaks affect pump capacity in two key areas. An order of magnitude smaller leak can allow an order of magnitude lower pressure to be achieved in the system. Thus, reducing the leak rate is a very efficient method of achieving lower tube pressures. The same relationship between pump power and leak rate is observed, since power can (theoretically) be reduced by an order of magnitude at the same pressure if the leak rate is reduced by a factor of 10. disclosure of the present invention uses a non-limiting example of air leakage of 50 slm/km, but the specific number of air leaks should not be used to limit the scope of the present invention. However, it should be noted that the teachings of the present invention can be applied to another leak rate, eg 5 slm/km, without departing from the scope of the invention.

Las figuras 28A-C representan un ejemplo no limitante de este tipo, donde se realiza el mismo análisis que en las figuras 25-27 para una fuga de 5 slm/km. La figura 28A representa una gráfica de la potencia de la bomba (en kW) frente al porcentaje de helio para diversas presiones para una fuga de aire de 5 slm/km. La figura 28B representa una gráfica de la potencia de la cápsula (en kW) a 100 Pa. Ya que la potencia de la cápsula no depende de la tasa de fuga, esta es la misma que la gráfica 26B mostrada anteriormente. La figura 28C representa una gráfica de la potencia total (en kW) (combinando la potencia de bombeo y la potencia aerodinámica) frente al porcentaje de helio para diversas velocidades a 100 Pa para una fuga de aire de 5 slm/km. Estos cálculos para la tasa de fuga de 5 slm/km validan el efecto en el modelo de optimización.Figures 28A-C represent a non-limiting example of this type, where the same analysis is carried out as in figures 25-27 for a leakage of 5 slm/km. Figure 28A depicts a graph of pump power (in kW) vs. helium percentage for various pressures for an air leak of 5 slm/km. Figure 28B represents a graph of the capsule power (in kW) at 100 Pa. Since the capsule power does not depend on the leak rate, this is the same as the graph 26B shown above. Figure 28C depicts a plot of total power (in kW) (combining pumping power and aerodynamic power) versus percent helium for various speeds at 100 Pa for 5 slm/km air leakage. These calculations for the leak rate of 5 slm/km validate the effect in the optimization model.

Debería observarse que las gráficas representadas en las figuras 25-27 se relacionan con una relación de derivación de 0,489 pero pueden obtenerse efectos similares, pero más pequeños, para relaciones de derivación inferiores a 0,489. La base del método es separar las diversas entradas, observar el efecto de las mezclas He-Air en esas entradas, para combinar, a continuación, las entradas en una gráfica simple que muestre las condiciones ideales de operación. Las gráficas mostradas en la figura 27 sumarizan los resultados presentados en las figuras 25-26 combinándolos para permitir encontrar los porcentajes óptimos de helio-aire. Estos se realizan para velocidades esperadas con una presión de 100 Pa y una relación de derivación de 0,489, incluso como supuesto de una fuga de 50 slm/km.It should be noted that the plots depicted in Figures 25-27 relate to a tap ratio of 0.489 but similar, but smaller effects can be obtained for tap ratios less than 0.489. The basis of the method is to separate the various inputs, observe the effect of He-Air blends on those inputs, then combine the inputs into a simple graph showing ideal operating conditions. The graphs shown in figure 27 summarize the results presented in figures 25-26 combining them to allow finding the optimal helium-air percentages. These are made for expected speeds with a pressure of 100 Pa and a bypass ratio of 0.489, even assuming a leakage of 50 slm/km.

Las gráficas de la figura 27 representan los requisitos de potencia bastante uniformes a 600, 700 y 800 km/h con mezclas de hasta un 90 % de He. Observando de cerca la gráfica en la figura 27 (y usando los datos detrás de la gráfica para identificar con mayor precisión), se ve que el 75 %-85 % de helio en el tubo parece aceptable. Un operario no querría operar al 75 % de He y 800 km/h, sin embargo, ya que habría muy poco margen de seguridad antes de alcanzar el límite K y provocar una descarga en el área de derivación.The graphs in Figure 27 represent fairly consistent power requirements at 600, 700 and 800 km/h with blends up to 90% He. Looking closely at the plot in Figure 27 (and using the data behind the plot to further identify), you see that 75-85% helium in the tube seems acceptable. An operator would not want to operate at 75% He and 800 km/h, however, as there would be very little margin of safety before reaching the K limit and causing a bypass area discharge.

La figura 29 ilustra cómo estas gráficas representadas en las figuras 25-27 pueden combinarse para proporcionar puntos de operación óptimos para la potencia (coste) y las relaciones de helio-aire. La figura 29 muestra un punto óptimo de operación de helio a 600 kph basado únicamente en los requisitos de energía, menor coste por km para presiones de tubo de 100 Pa para este conjunto de velocidades. Esto podría considerarse el modo más económico (o modo eco) a esa presión y conjunto de velocidades. La misma optimización puede realizarse a 700 km/h necesitando un 80 % de helio y un 20 de porcentaje de aire, con casi un 50 % más de energía consumida, pero dando como resultado tiempos de tránsito más cortos en un 17 % (basado en el aumento de la velocidad de 600 km/h a 700 km/h). Se observa una velocidad de operación casi máxima de 1.000 km/h que requiere más del triple de potencia en comparación con 600 km/h (145 kW frente a 40 kW) y que requiere una mezcla de 90 % de helio y 10 % de aire, pero que resultará en una reducción de los tiempos de tránsito en un 67 % (basándose en aumentar la velocidad de 600 km/h a 1.000 km/h).Figure 29 illustrates how these plots depicted in Figures 25-27 can be combined to provide optimum operating points for power (cost) and helium-air ratios. Figure 29 shows an optimum point of helium operation at 600 kph based solely on power requirements, lowest cost per km for 100 Pa tube pressures for this set of speeds. This could be considered the most economical mode (or eco mode) at that pressure and set of speeds. The same optimization can be done at 700 km/h requiring 80% helium and 20% air, with almost 50% more energy consumed, but resulting in 17% shorter transit times (based on speed increase from 600 km/h to 700 km/h). Near top operating speed of 1,000 km/h is observed requiring more than triple the power compared to 600 km/h (145 kW vs. 40 kW) and requiring a mixture of 90% helium and 10% air , but which will result in a reduction of transit times by 67% (based on increasing the speed from 600 km/h to 1,000 km/h).

Las restricciones de operación a 1.000-1.100 km/h pueden identificarse al presenciar la necesidad de una potencia mucho mayor y, al mismo tiempo, ser muy sensible a los pequeños cambios en la mezcla de helio y aire. Si bien estas velocidades muy altas pueden alcanzarse para esta condición, relación de derivación y presión, velocidades tan altas pueden no ser ideales. Un profesional preferiría reducir la presión del tubo o aumentar la relación de derivación si quisiera operar de manera segura y confiable en esa región. Debería observarse que mientras que la figura 29 se proporciona simplemente como un ejemplo para presiones específicas, velocidades y relaciones de derivación, pueden crearse gráficas similares para otras presiones, velocidades, geometrías específicas, para obtener las condiciones óptimas para otros puntos de operación de una manera similar.Operating restrictions at 1,000-1,100 km/h can be identified by witnessing the need for much higher power while being very sensitive to small changes in the helium-air mixture. While these very high speeds can be achieved for this condition, bypass ratio, and pressure, speeds this high may not be ideal. A professional would prefer to reduce the tube pressure or increase the bypass ratio if he wanted to operate safely and reliably in that region. It should be noted that while Figure 29 is provided merely as an example for specific pressures, speeds and bypass ratios, similar plots can be created for other specific pressures, speeds, geometries, to obtain optimum conditions for other operating points in a manner similar.

Se ve que las concentraciones de helio son deseables en el intervalo alto pero tienen un coste más alto con respecto a la potencia. También, en una realización, la presente invención prevé mantener o crear, relaciones helio-aire ideales tanto desde el punto de vista de la seguridad como del beneficio. En los ejemplos descritos, el consumo de energía se ha usado como un análogo con fines de beneficio, sin embargo, hay varios puntos de potencia de operación que pueden elegirse en función de los motivos del operario. Por ejemplo, la potencia mínima no se produce a las velocidades máximas y, por lo tanto, alarga el tiempo de viaje. Algunos operadores (militares, transporte médico, etc.) pueden elegir la potencia "óptima" para alcanzar velocidades máximas. Los métodos de acuerdo con la presente invención identifican qué porcentajes de helio se necesitan para lograr dichas velocidades máximas. En el otro extremo está la operación a potencia mínima, que proporciona la mayor duración de la batería de la cápsula y permite rutas más largas donde no se dispone de energía en tierra. A menudo habrá un intervalo de potencia media, una potencia "asequible" que permite algunas operaciones de mayor velocidad pero aún permite aumentar la longitud de la ruta. Los cálculos de ruta se basan en la longitud, cambios de curvatura y elevación dentro de la ruta y la fuente de potencia de propulsión. Los diferentes motivos de operación dictarán qué porcentaje de helio es ideal basándose en la ruta y si se opera en condiciones "óptimas", "mínimas" o "asequibles".Helium concentrations are seen to be desirable in the high range but have a higher cost relative to power. Also, in one embodiment, the present invention envisions maintaining, or creating, ideal helium-air ratios from both safety and benefit standpoints. In the examples described, power consumption has been used as an analog for profit purposes, however, there are various operating power points that can be chosen depending on the motives of the operator. For example, minimum power is not produced at maximum speeds and therefore lengthens travel time. Some operators (military, medical transport, etc.) may choose "optimal" power to achieve top speeds. The methods according to the present invention identify what percentages of helium are needed to achieve said maximum speeds. At the other extreme is minimum power operation, which provides the longest pod battery life and allows for longer routes where ground power is not available. Often there will be a mid-power range, "affordable" power that allows for some higher speed operations but still allows for increased path length. Route calculations are based on length, curvature and elevation changes within the route and the source of propulsion power. Different operating reasons will dictate what percentage of helium is ideal based on the route and whether operating in "optimal", "minimum" or "affordable" conditions.

Con el fin de optimizar esta realización, hay que centrarse no solo en los porcentajes de helio, sino también de la distribución de helio en el tubo y los métodos para controlar dicha distribución. Pueden realizarse optimizaciones similares para 1 -1000 Pa y relaciones de derivación grandes a pequeñas usando ejemplos como los mostrados anteriormente. Requerimientos de energía para todas las combinaciones de presión, relación de derivación, fugas, porcentajes de aire-helio y velocidades pueden calcularse basándose en las enseñanzas de la presente invención. En una realización, este proceso está completamente automatizado con software, por lo que se determinan rápidamente las velocidades óptimas y las relaciones helio-aire. En comparación con el esfuerzo para: cambiar el tamaño de la cápsula o el tubo (lo que afecta a la relación de derivación), aumentar el número y el tamaño de las bombas de vacío (para reducir la presión), agregar un compresor en la parte delantera de la cápsula (para mejorar la relación de derivación) o cambiar los métodos de construcción del tubo (para reducir las fugas de aire), el proceso de agregar helio al tubo es sin duda un método sencillo y muy rentable para mejorar el rendimiento del sistema de transporte basado en tubos. El uso de helio para optimizar mejora tanto la economía capital como la operativa. Con estas nuevas técnicas, identificar y operar en estos puntos óptimos, e incluso variar el porcentaje de helio basándose en las operaciones cambiantes (pasajero vs carga), puede automatizarse e implementarse durante las operaciones diarias. In order to optimize this realization, it is necessary to focus not only on the percentages of helium, but also on the distribution of helium in the tube and methods for controlling said distribution. Similar optimizations can be made for 1 -1000 Pa and large to small tap ratios using examples as shown above. Power requirements for all combinations of pressure, bypass ratio, leakage, air-helium percentages, and velocities can be calculated based on the teachings of the present invention. In one embodiment, this process is fully automated with software, whereby optimum speeds and helium-air ratios are quickly determined. Compared to the effort to: change the size of the capsule or tube (which affects the bypass ratio), increase the number and size of vacuum pumps (to reduce pressure), add a compressor in the front of the capsule (to improve bypass ratio) or change tube construction methods (to reduce air leakage), the process of adding helium to the tube is certainly a simple and very cost-effective method of improving performance. tube-based conveying system. Using helium to optimize improves both capital and operating economics. With these new techniques, identifying and operating at these sweet spots, and even varying the helium percentage based on changing operations (passenger vs. cargo), can be automated and implemented during daily operations.

Se ve que el porcentaje de helio es un determinante importante de la velocidad máxima y la potencia mínima junto con la relación de derivación, fuga de aire y presión del tubo. Así, la distribución y porcentajes del gas liviano dentro de la longitud del tubo es una consideración importante para mantener estas ventajas. La capacidad de mantener ese porcentaje de helio y homogéneamente dentro del tubo es importante para lograr estas ventajas. Sin embargo, también se ve que a veces se desean o se necesitan porcentajes mucho más altos del gas liviano. Diferentes porciones de una ruta pueden tener restricciones de velocidad debido a las curvas, estaciones, cambios de altura, etc., mientras que otras porciones de la ruta permitirán velocidades máximas. Se debe lograr una mezcla homogénea, pero existen varias condiciones bajo las cuales se prefiere la mezcla económicamente más rica en helio, como en secciones de alta velocidad de la ruta. A continuación, se describen los métodos para lograr atmósferas de He tanto homogéneas como enriquecidas.Helium percentage is seen to be an important determinant of maximum speed and minimum power along with bypass ratio, air leakage, and tube pressure. Thus, the distribution and percentages of the light gas within the length of the tube is an important consideration in maintaining these advantages. The ability to maintain that percentage of helium and homogeneously within the tube is important to achieving these advantages. However, it is also seen that much higher percentages of the light gas are sometimes desired or needed. Different portions of a route may have speed restrictions due to curves, seasons, elevation changes, etc., while other portions of the route will allow maximum speeds. A homogeneous mix must be achieved, but there are several conditions under which the most economically helium-rich mix is preferred, such as on high-speed sections of route. Methods for achieving both homogeneous and enriched He atmospheres are described below.

Se proporciona una descripción de las tecnologías que permiten mantener una mezcla de gases homogénea o ligera enriquecida en el tubo.A description of the technologies that allow to maintain a homogeneous or lightly enriched gas mixture in the tube is provided.

En primer lugar, se consideran algunos componentes estándar del sistema de transporte:First, some standard components of the conveying system are considered:

1. El vehículo que transporta pasajeros o carga1. The vehicle that transports passengers or cargo

2. El tubo que guía y encierra los vehículos2. The tube that guides and encloses the vehicles

3. La bomba que mantiene baja presión en el tubo y compensa las fugas de aire (de la atmósfera al tubo) 3. The pump that maintains low pressure in the tube and compensates for air leaks (from atmosphere to tube)

La presente invención propone componentes adicionales para crear y mantener una mezcla homogénea de gases y adicionalmente cómo mejorar algunas áreas de los tubos dando como resultado mayores porcentajes locales de gases livianos.The present invention proposes additional components to create and maintain a homogeneous mixture of gases and additionally how to improve some areas of the tubes resulting in higher local percentages of light gases.

A continuación, se proporciona una lista de los componentes necesarios para lograr el sistema:The following is a list of the components required to achieve the system:

1. Una fuente de gas (que no sea aire)1. A source of gas (other than air)

a. Uno o varios tanques de gas integrados en el lado del tubo, distribuidos a lo largo de la longitud del tubo cuya posición pueda determinarse por la velocidad de la cápsula en esa ubicación del tubo,to. One or more gas tanks built into the side of the tube, distributed along the length of the tube whose position can be determined by the velocity of the capsule at that location in the tube,

b. Una serie de tuberías conectadas desde las fuentes de gas a los lados de los tubos, con puntos de inyección distribuidos a lo largo de la longitud del tubo cuya posición pueda determinarse por la velocidad de la cápsula en esa ubicación del tubo,b. A series of pipes connected from the gas sources to the sides of the tubes, with injection points distributed along the length of the tube whose position can be determined by the velocity of the capsule at that location in the tube,

c. Uno o varios tanques de gas en cada vehículo o en algunos vehículos, ubicados en ubicaciones de geometría crítica conocidas en la cápsula que son más propensas a golpes o perturbaciones del flujo de alta velocidad que rodea la cápsula. Estos están específicamente cerca de la punta, de tal manera que la concentración de gas liviano puede aumentar a medida que el flujo comienza su movimiento sobre el cuerpo de la cápsula, a lo largo del cuerpo de la cápsula en puntos donde los flujos están cerca del límite K crítico, cerca de la cola para reducir las ondas de choque y la inestabilidad creada en la misma y, finalmente, en la cola para aumentar la concentración de gas en preparación para cualquier cápsula siguiente.c. One or more gas tanks in each vehicle or in some vehicles, located at known critical geometry locations in the capsule that are most prone to shock or disturbance from the high-velocity flow around the capsule. These are specifically near the tip, such that the concentration of light gas can increase as the flow begins its movement over the capsule body, along the capsule body at points where the flows are near the bottom. critical K limit, near the tail to reduce shock waves and instability created in the tail, and finally in the tail to increase the gas concentration in preparation for any subsequent capsule.

2. Un sistema para inyectar gases livianos que se compone de una válvula, un regulador, un controlador de flujo de masa, controles electrónicos y boquillas inyectoras ubicadas en cualquiera de varias ubicaciones dentro del sistema Hyperloop. Este sistema está bajo el control del centro de control de operaciones, que monitoriza continuamente las concentraciones de gas dentro del tubo y suministra comandos al sistema de inyección sobre las cantidades adecuadas para inyectar con el fin de mantener relaciones de gas óptimas.2. A system for injecting light gases consisting of a valve, regulator, mass flow controller, electronic controls, and injector nozzles located at any of several locations within the Hyperloop system. This system is under the control of the operations control center, which continuously monitors the gas concentrations within the tube and provides commands to the injection system on the proper amounts to inject in order to maintain optimal gas ratios.

3. Un sistema para reciclar gas. Un sistema integrado en el sistema de bombeo, que separa los gases livianos de la mezcla aire/gas, de tal manera que no se escapen a la atmósfera sino que se reciclen de nuevo al tubo. Este se compone de una unidad de separación de aire o una unidad de separación de gas de tipo membrana que toma el escape de la bomba de vacío del tubo y separa los gases livianos para reciclarlos en el sistema de inyección de gas o en un sistema de almacenamiento para uso futuro cuando la relación de gas preferida esté desequilibrada. 3. A system to recycle gas. A system integrated into the pumping system, which separates the light gases from the air/gas mixture, in such a way that they do not escape into the atmosphere but are recycled back into the tube. This consists of either an air separation unit or a membrane-type gas separation unit that takes the exhaust from the tube vacuum pump and separates the light gases for recycling to the gas injection system or to an exhaust system. storage for future use when the preferred gas ratio is out of balance.

4. Un sistema para monitorizar la presión de gas y las concentraciones de gas, incluidos sensores de gas, una función de retroalimentación y registro de datos, más un sistema de control de datos.4. A system for monitoring gas pressure and gas concentrations, including gas sensors, a data logging and feedback function, plus a data control system.

a. Una red de transductores de presión y transductores de concentración de gases integrados a lo largo del tubo y/o en los vehículos.to. A network of pressure transducers and gas concentration transducers integrated along the pipe and/or in the vehicles.

b. La salida de estos transductores se envía a la unidad de OCC que usa algoritmos de software para comparar las concentraciones medidas vs ideales y responde con salidas de control al sistema de inyección de gas. c. El sistema de control de gas tiene además rutinas de optimización para proporcionar un control de bucle cerrado de las concentraciones de gas requeridas y la homogeneidad basándose en la salida del sensor. d. Pueden usarse sensores de tipo gas disponibles en el mercado, donde podrían ubicarse en la cápsula, en puntos a lo largo del tubo o en la tubería de vacío en las estaciones de bombeo. Su salida se dirigiría hacia un centro de control de operaciones (OCC) para rastrear las desviaciones del ideal, cambios a realizar por el equipo de inyección de gas y resultados de esos cambios.b. The output from these transducers is sent to the OCC unit which uses software algorithms to compare measured vs ideal concentrations and responds with control outputs to the gas injection system. c. The gas control system further has optimization routines to provide closed loop control of required gas concentrations and homogeneity based on sensor output. d. Commercially available gas type sensors may be used, where they could be located in the capsule, at points along the tube, or in the vacuum piping at pump stations. Its output would be directed to an operations control center (OCC) to track deviations from ideal, changes to be made by the gas injection equipment, and results of those changes.

Debería observarse que la implementación real puede ser lo más modular posible, combinar una pluralidad de los componentes mencionados anteriormente.It should be noted that the actual implementation can be as modular as possible, combining a plurality of the aforementioned components.

Los métodos usados para colocar los gases preferidos en el tubo es un área a optimizar. Se prevén múltiples métodos para llenar el tubo con estos gases. Métodos individuales y/o combinados tal como la inyección a través de la pared del tubo, inyección desde la cápsula, desde las válvulas colocadas en el tubo o en los accesorios del tubo, desde la cápsula o potencialmente desde el sistema de bombeo de vacío, todos son métodos viables.The methods used to place the preferred gases in the tube is an area to optimize. Multiple methods are envisioned for filling the tube with these gases. Individual and/or combined methods such as injection through the tube wall, injection from the capsule, from valves placed on the tube or tube fittings, from the capsule or potentially from the vacuum pump system, all are viable methods.

Inyectar el gas de diámetro pequeño a través de diversos puntos críticos en la cápsula tiene algunas ventajas potenciales significativas para enriquecer el contenido de helio en áreas localizadas alrededor de la cápsula para reducir las ondas de choque, turbulencias y la posible inestabilidad de la cápsula debido a estos factores. También puede suponerse que las cápsulas en el tubo detrás de una cápsula de inyección conducida pueden beneficiarse significativamente de estos mismos factores. Un método de inyección de cubierta de cápsula optimizada de este tipo es otra ventaja de la presente invención.Injecting the small diameter gas through various critical points in the capsule has some significant potential advantages for enriching the helium content in localized areas around the capsule to reduce shock waves, turbulence, and possible capsule instability due to these factors. It can also be assumed that capsules in the tube behind a driven injection capsule can benefit significantly from these same factors. Such an optimized capsule shell injection method is another advantage of the present invention.

Un desafío importante es compensar las fugas de aire, procedentes de la atmósfera. Las fugas de aire tienden tanto a aumentar la presión del tubo como a cambiar la concentración de gases (aumentando la concentración de aire). A estos niveles de vacío, existen tasas de fugas de aire convencionales que se han identificado para tuberías de acero soldadas. Como se ha mencionado anteriormente, la estimación de un experto en esta ciencia, Leybold Vacuum, es una tasa de 45 litros estándar por minuto basada en un tubo de 4 m de diámetro y 1 km de longitud. Así, lograr un tubo lleno 100 % de helio no es práctico usando la fabricación y los materiales aceptados. La comparación de esa tasa de fuga de 45 slm/km (,05512 kg/km) con el volumen de helio en el tubo proporciona una respuesta cualitativa al nivel de pureza de helio alcanzable.A major challenge is to compensate for air leaks, coming from the atmosphere. Air leaks tend to both increase tube pressure and change the concentration of gases (increasing the air concentration). At these vacuum levels, there are conventional air leakage rates that have been identified for welded steel pipe. As mentioned above, the estimate of an expert in this science, Leybold Vacuum, is a rate of 45 standard liters per minute based on a tube 4 m in diameter and 1 km in length. Thus, achieving a 100% helium filled tube is not practical using accepted materials and manufacture. Comparison of that 45 slm/km (.05512 kg/km) leak rate with the volume of helium in the tube provides a qualitative answer to the achievable helium purity level.

Afortunadamente, no hay fugas de gases que escapan desde el tubo a la atmósfera debido a que la presión del tubo es muy baja en comparación con el aire atmosférico. La única forma en que los gases pueden salir del tubo es debido al sistema de bombeo que bombea el fluido del tubo para disminuir su presión. Al mismo tiempo, elimina el gas del tubo.Fortunately, there are no leaks of gases escaping from the tube into the atmosphere because the pressure in the tube is very low compared to atmospheric air. The only way gases can get out of the tube is because of the pumping system that pumps the fluid out of the tube to lower its pressure. At the same time, it removes gas from the tube.

Debe diseñarse cuidadosamente todo el sistema para que los gases puedan reciclarse y reinyectarse en el tubo, según sea necesario. Por ejemplo, puede acoplarse un separador de gases al sistema de bombeo. Separaría el aire y reinyectaría el gas recuperado. Con respecto al ejemplo anterior de helio, existen separadores de aire/helio en el mercado, aunque hoy en día sus aplicaciones prácticas son limitadas.The entire system must be carefully designed so that gases can be recycled and reinjected into the tube as needed. For example, a gas separator can be attached to the pumping system. It would separate the air and reinject the recovered gas. Regarding the helium example above, there are air/helium separators on the market, although their practical applications are limited today.

Se podrían usar métodos novedosos para capturar el escape de la bomba de vacío y separar los gases de menor diámetro a través de unidades típicas de separación de aire u otros tipos de separación para reciclar el gas de vuelta al tubo y también se contemplan como parte de la presente invención.Novel methods of capturing the exhaust from the vacuum pump and separating the smaller diameter gases through typical air separation units or other types of separation to recycle the gas back to the tube could be used and are also contemplated as part of the present invention.

Adicionalmente, existen ciertos métodos para introducir el gas en el tubo que se prefieren, tal como para evacuar el tubo y rellenarlo parcialmente con el gas preferido. Pueden hacerse varias repeticiones de este bombeo y relleno hasta que el porcentaje de gas preferido o la mezcla de gases esté en el nivel adecuado. Dichos métodos también se contemplan como parte de la presente invención.Additionally, there are certain methods of introducing the gas into the tube that are preferred, such as evacuating the tube and partially refilling it with the preferred gas. Several repetitions of this pump and fill can be done until the preferred gas percentage or gas mixture is at the proper level. Said methods are also contemplated as part of the present invention.

La homogeneidad de la mezcla es otro desafío. La homogeneidad puede garantizarse mediante depósitos de gas o tanques de gas separados uniformemente. La homogeneidad también puede garantizarse por el movimiento del vehículo, posiblemente creando vórtices y/o turbulencias en su estela que mezclan los gases.The homogeneity of the mixture is another challenge. Homogeneity can be ensured by evenly spaced gas tanks or gas tanks. Homogeneity can also be ensured by the movement of the vehicle, possibly creating vortices and/or turbulence in its wake that mix the gases.

Por último, el coeficiente de difusión es un buen indicador de la capacidad de un gas para mezclarse con el aire. El coeficiente de difusión de un gas en el aire es la capacidad de un gas para homogeneizarse en aire en calma, sin agitación ni turbulencia. La figura 30 muestra una gráfica de los coeficientes de difusión para diversos gases en el aire (fuente: sitio web de Engineering Toolbox). La figura 30 muestra que los gases livianos, tales como el helio y el hidrógeno, tienen coeficientes de difusión en el aire mucho más altos que otros gases. A temperatura ambiente, el helio tiene un coeficiente de difusión casi cuatro veces mayor que el metano o el vapor de agua, siendo el hidrógeno ligeramente superior. Esto hace que el helio y el hidrógeno sean los mejores candidatos para obtener y mantener una mezcla homogénea dentro de los tubos.Finally, the diffusion coefficient is a good indicator of the ability of a gas to mix with air. The diffusion coefficient of a gas in air is the ability of a gas to become homogeneous in calm air, without agitation or turbulence. Figure 30 shows a graph of diffusion coefficients for various gases in air (source: Engineering Toolbox website). Figure 30 shows that light gases, such as helium and hydrogen, have much higher diffusion coefficients in air than other gases. At room temperature, helium has a diffusion coefficient almost four times greater than methane or water vapor, with hydrogen being slightly higher. This makes helium and hydrogen the best candidates for obtaining and maintaining a homogeneous mixture within the tubes.

A continuación, se describen dos posibles implementaciones de un tubo con mezcla de helio/aire. La figura 31 representa una primera implementación que incluye un conjunto de tanques de helio fijados uniformemente a lo largo de la longitud del tubo, donde se inyecta helio con válvulas controladas que se abren o cierran para mantener el nivel deseado de helio. El sistema de bombeo está vinculado a un sistema separador que elimina el aire y reinyecta helio en el tanque. Para un sistema sin pérdidas, el helio que salió del tubo debido a la bomba se rellena constantemente en el tanque.Two possible implementations of a tube with a helium/air mixture are described below. Figure 31 depicts a first implementation including a set of helium tanks fixed uniformly along the length of the tube, where helium is injected with controlled valves that open or close to maintain the desired helium level. The pumping system is linked to a separator system that removes air and reinjects helium into the tank. For a no-loss system, the helium that escaped from the tube due to the pump is constantly replenished in the tank.

La figura 32 representa una segunda implementación que incluye tanques de helio integrados en los vehículos. Los tanques abren la liberación de helio a través del control de comandos. El helio puede liberarse en la estela del vehículo, aprovechando los vórtices para una buena mezcla. El tanque de helio puede llenarse cuando los vehículos están acoplados. El helio se recoge por el sistema de separación integrado en el sistema de bombeo.Figure 32 represents a second implementation that includes helium tanks integrated into the vehicles. Tanks open helium release through command control. The helium can be released in the wake of the vehicle, taking advantage of the vortices for good mixing. The helium tank can be filled when the vehicles are docked. The helium is collected by the separation system integrated into the pumping system.

Ya que el enfoque de la presente invención es modular, es posible combinar las implementaciones primera y segunda para obtener una tercera con tanques de helio, tanto a lo largo del tubo como en los vehículos. La figura 33 representa un enfoque que combina los enfoques de las figuras 31 y 32.Since the approach of the present invention is modular, it is possible to combine the first and second implementations to obtain a third with helium tanks, both along the tube and in the vehicles. Figure 33 represents an approach that combines the approaches of Figures 31 and 32.

La realización representada en la figura 31 implica la inyección de los gases o mezclas directamente en el tubo a través de puertos conectados a controladores de flujo másico y válvulas, suministrado por líneas de gas o botellas de gas comprimido, para controlar con precisión las cantidades de cada gas introducido. La cantidad dependerá del análisis de los gases dentro del tubo y será controlada por el centro de control de operaciones (OCC). La separación de estos puntos de inyección debe diseñarse. Puede ser que inyectar He en el tubo justo en la parte delantera de la cápsula en movimiento ayude a la aerodinámica de la cápsula. Inyectar He, de tal manera que su porcentaje sea muy alto a medida que la cápsula se acerca al punto de inyección, podría ayudar a reducir las ondas de choque y la resistencia.The embodiment depicted in Figure 31 involves injecting the gases or mixtures directly into the tube through ports connected to mass flow controllers and valves, supplied by gas lines or compressed gas cylinders, to precisely control the quantities of each gas introduced. The amount will depend on the analysis of the gases inside the tube and will be controlled by the operations control center (OCC). The spacing of these injection points should be designed. It may be that injecting He into the tube just in front of the moving capsule helps the capsule's aerodynamics. Injecting He, in such a way that its percentage is very high as the capsule approaches the injection point, could help reduce shock waves and resistance.

La realización representada en la figura 32, es decir, inyección del cuerpo de cápsula, usa, en una realización, botellas de gas comprimido dentro de la cápsula para inyectar el gas o la mezcla de gases en la parte delantera, a lo largo del cuerpo, en la parte trasera o en una combinación de puntos a lo largo de la cápsula. Este diseño inyectaría con mayor precisión los gases en las áreas más susceptibles a la resistencia y a los golpes alrededor de la cápsula.The embodiment depicted in Figure 32, i.e. capsule body injection, uses, in one embodiment, cylinders of compressed gas inside the capsule to inject the gas or gas mixture at the front, along the body. , at the rear or at a combination of points along the capsule. This design would more precisely inject the gases into the areas most susceptible to drag and shock around the capsule.

La realización representada en la figura 33 combina las enseñanzas de las realizaciones representadas en la figura 30 y la figura 31.The embodiment shown in Fig. 33 combines the teachings of the embodiments shown in Fig. 30 and Fig. 31.

La figura 34 representa una realización del método de la presente invención para mantener una composición gaseosa dentro de un tubo que forma parte de un sistema de transporte tubular para transportar uno o más pasajeros o una o más cargas mediante una cápsula, donde el tubo está dispuesto a lo largo de una ruta predeterminada. De acuerdo con esta realización, el método comprende las etapas de: (a) bombear el tubo a una presión que está por debajo de la presión atmosférica hasta que el tubo esté sustancialmente vacío - etapa 3402; (b) identificar un valor de potencia predeterminado - etapa 3404; (c) identificar un primer porcentaje, x, de helio basándose en el valor de potencia predeterminado identificado en (b) y una tasa de fuga asociada con el tubo - etapa 3406; (d) mantener, dentro de cada tubo en la pluralidad de tubos sustancialmente vacíos, una composición gaseosa, comprendiendo la composición gaseosa una mezcla de un primer porcentaje, x, de helio y un segundo porcentaje, (100-x), de aire - etapa 3408. Figure 34 represents an embodiment of the method of the present invention for maintaining a gaseous composition inside a tube that is part of a tubular transport system for transporting one or more passengers or one or more loads by means of a capsule, where the tube is arranged along a predetermined path. According to this embodiment, the method comprises the steps of: (a) pumping the tube at a pressure that is below atmospheric pressure until the tube is substantially empty - step 3402; (b) identify a predetermined power value - step 3404; (c) identifying a first percentage, x, of helium based on the predetermined power value identified in (b) and a leak rate associated with the tube - stage 3406; (d) maintaining, within each tube in the plurality of substantially empty tubes, a gaseous composition, the gaseous composition comprising a mixture of a first percentage, x, of helium and a second percentage, ( 100-x), of air - stage 3408.

La figura 35 representa otra realización del método de la presente invención para mantener una composición gaseosa dentro de un tubo que forma parte de un sistema de transporte tubular para transportar uno o más pasajeros o una o más cargas mediante una cápsula, donde el tubo está dispuesto a lo largo de una ruta predeterminada. De acuerdo con esta realización, el método comprende las etapas de: (a) bombear el tubo a una presión que está por debajo de la presión atmosférica hasta que el tubo esté sustancialmente vacío - etapa 3502; (b) identificar un valor de potencia predeterminado - etapa 3504; (c) identificar una velocidad de cápsula deseada - etapa 3506; (d) identificar un primer porcentaje, x, de helio basándose en el valor de potencia predeterminado identificado en (b), la velocidad de cápsula deseada identificada en (c) y una tasa de fuga asociada con cada tubo - etapa 3508; (e) mantener, dentro de cada tubo en la pluralidad de tubos sustancialmente vacíos, una composición gaseosa, comprendiendo la composición gaseosa una mezcla de un primer porcentaje, x, de helio y un segundo porcentaje, (100-x), de aire - etapa 3510. Figure 35 represents another embodiment of the method of the present invention for maintaining a gaseous composition inside a tube that is part of a tubular transport system for transporting one or more passengers or one or more loads by means of a capsule, where the tube is arranged along a predetermined path. According to this embodiment, the method comprises the steps of: (a) pumping the tube at a pressure that is below atmospheric pressure until the tube is substantially empty - step 3502; (b) identify a predetermined power value - step 3504; (c) identifying a desired capsule speed - step 3506; (d) identifying a first percentage, x, of helium based on the predetermined power value identified in (b), the desired capsule velocity identified in (c), and a leak rate associated with each tube - stage 3508; (e) maintaining, within each tube in the plurality of substantially empty tubes, a gaseous composition, the gaseous composition comprising a mixture of a first percentage, x, of helium and a second percentage, ( 100-x), of air - stage 3510.

La figura 36 representa otra realización del método de la presente invención para mantener una composición gaseosa dentro de un tubo, siendo el tubo parte de un sistema de transporte tubular para transportar uno o más pasajeros o una o más cargas mediante una cápsula, estando el tubo dispuesto a lo largo de al menos una ruta predeterminada, en donde el método comprende: (a) bombear el tubo a una presión que está por debajo de la presión atmosférica hasta que el tubo esté sustancialmente vacío - etapa 3602; (b) para cada una de una pluralidad de relaciones de derivación y una pluralidad de relaciones de fuga, almacenar, en memoria, datos representativos de un primer intervalo de potencias totales, un segundo intervalo de porcentajes de helio y un tercer intervalo de presiones de los tubos, representando cada potencia total en el intervalo de potencias totales un valor de potencia que es función de una primera potencia para bombear cada tubo hasta el estado sustancialmente vacío y una segunda potencia para superar la resistencia aerodinámica en cada tubo - etapa 3604; (c) identificar un valor de potencia predeterminado - etapa 3606; (d) identificar una velocidad de cápsula deseada - etapa 3608; (e) identificar un primer porcentaje, x, de helio basándose en los datos almacenados en (b) correspondientes al valor de potencia predeterminado identificado en (c), la velocidad deseada de la cápsula identificada en (d) y una tasa de fuga asociada con cada tubo - etapa 3610; (f) mantener, dentro de cada tubo en la pluralidad de tubos sustancialmente vacíos, una composición gaseosa, comprendiendo la composición gaseosa una mezcla de un primer porcentaje, x, de helio y un segundo porcentaje, (100-x), de aire - etapa 3612. Figure 36 represents another embodiment of the method of the present invention for maintaining a gaseous composition inside a tube, the tube being part of a tubular transport system for transporting one or more passengers or one or more loads by means of a capsule, the tube being arranged along at least one predetermined route, the method comprising: (a) pumping the tube at a pressure that is below atmospheric pressure until the tube is substantially empty - step 3602; (b) for each of a plurality of bypass ratios and a plurality of leak ratios, storing, in memory, data representative of a first range of total powers, a second range of helium percentages, and a third range of helium pressures. the tubes, each total power in the total power range representing a power value that is a function of a first power to pump each tube to the substantially empty state and a second power to overcome aerodynamic drag in each tube - stage 3604; (c) identifying a predetermined power value - step 3606; (d) identifying a desired capsule speed - step 3608; (e) identifying a first percentage, x, of helium based on the data stored in (b) corresponding to the predetermined power value identified in (c), the desired capsule velocity identified in (d) and an associated leak rate with each tube - stage 3610; (f) maintaining, within each tube in the plurality of substantially empty tubes, a gaseous composition, the gaseous composition comprising a mixture of a first percentage, x, of helium and a second percentage, ( 100-x), of air - stage 3612.

El sistema y procesos de las figuras no son excluyentes. Otros sistemas, procesos y menús pueden obtenerse de acuerdo con los principios de la invención para lograr los mismos objetivos. Aunque la presente invención se ha descrito haciendo referencia a realizaciones particulares, debe entenderse que las realizaciones y variaciones mostradas y descritas en el presente documento son solo para fines ilustrativos. Los expertos en la materia pueden implementar modificaciones al diseño actual, sin desviarse del alcance de la invención. Como se ha descrito en el presente documento, los diversos sistemas y procesos pueden implementarse usando componentes de hardware, componentes de software y/o combinaciones de los mismos.The system and processes of the figures are not exclusive. Other systems, processes and menus can be obtained in accordance with the principles of the invention to achieve the same objectives. Although the present invention has been described with reference to particular embodiments, it is to be understood that the embodiments and variations shown and described herein are for illustrative purposes only. Those skilled in the art can implement modifications to the current design, without departing from the scope of the invention. As described herein, the various systems and processes may be implemented using hardware components, software components, and/or combinations thereof.

Por ejemplo, la característica de mantener dentro de cada tubo (en una pluralidad de tubos sustancialmente vacíos) porcentajes particulares de helio y aire puede implementarse en un proceso de software donde un procesador (o controlador) ejecuta instrucciones para controlar mecanismos, tales como válvulas, para liberar porcentajes específicos de helio o liberar porcentajes específicos de helio y aire. También, como otro ejemplo, la característica de escoger un porcentaje de helio basándose en un valor de potencia predeterminado y una tasa de fuga asociada con cada tubo puede implementarse en un proceso de software donde un procesador (o controlador) ejecuta las instrucciones almacenadas en el almacenamiento para identificar dicho porcentaje de helio. Como otro ejemplo, la característica de escoger un porcentaje de helio basándose en un valor de potencia predeterminado que es una función tanto de la potencia de la bomba como de la potencia para superar la resistencia y una tasa de fuga asociada con cada tubo puede implementarse en un proceso de software donde un procesador (o controlador) ejecuta las instrucciones almacenadas en el almacenamiento para identificar dicho porcentaje de helio. Como otro ejemplo más, la característica de escoger un porcentaje de helio basándose en un valor de potencia predeterminado, una velocidad deseada de la cápsula y una tasa de fuga asociada con cada tubo puede implementarse en un proceso de software donde un procesador (o controlador) ejecuta las instrucciones almacenadas en el almacenamiento para identificar dicho porcentaje de helio. Un experto en la materia verá que muchas otras características descritas anteriormente pueden implementarse usando hardware, software o una combinación de ambos.For example, the feature of maintaining within each tube (in a plurality of substantially empty tubes) particular percentages of helium and air can be implemented in a software process where a processor (or controller) executes instructions to control mechanisms, such as valves, to release specific percentages of helium or release specific percentages of helium and air. Also, as another example, the feature of choosing a percentage of helium based on a predetermined power value and leak rate associated with each tube can be implemented in a software process where a processor (or controller) executes instructions stored in the storage to identify said percentage of helium. As another example, the feature of choosing a helium percentage based on a predetermined power value that is a function of both pump power and power to overcome resistance and a leak rate associated with each tube can be implemented in a software process where a processor (or controller) executes instructions stored in storage to identify said percentage of helium. As yet another example, the feature of choosing a helium percentage based on a predetermined power value, a desired capsule speed, and a leak rate associated with each tube can be implemented in a software process where a processor (or controller) executes instructions stored in storage to identify said percentage of helium. One skilled in the art will see that many of the other features described above can be implemented using hardware, software, or a combination of both.

Las características y aplicaciones descritas anteriormente pueden implementarse como procesos de software que se especifican como un conjunto de instrucciones grabadas en un medio de almacenamiento legible por ordenador (también denominado medio legible por ordenador). Cuando estas instrucciones se ejecutan por una o más unidades de procesamiento (por ejemplo, uno o más procesadores, núcleos de procesadores u otras unidades de procesamiento), hacen que la o las unidades de procesamiento realicen las acciones indicadas en las instrucciones. Las realizaciones dentro del alcance de la presente divulgación también pueden incluir medios de almacenamiento tangibles y/o no transitorios legibles por ordenador para llevar o tener instrucciones ejecutables por ordenador o estructuras de datos almacenadas en los mismos. Dichos medios de almacenamiento legibles por ordenador no transitorios pueden ser cualquier medio disponible al que se pueda acceder mediante un ordenador de fin general o de fin especial, incluido el diseño funcional de cualquier procesador de fin especial. A modo de ejemplo, y no de limitación, tales medios no transitorios legibles por ordenador pueden incluir memoria flash, RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM u otro almacenamiento en disco óptico, almacenamiento en disco magnético u otros dispositivos de almacenamiento magnético o cualquier otro medio que pueda usarse para transportar o almacenar medios de código de programa deseados en la forma de instrucciones ejecutables por ordenador, estructuras de datos o diseño de chips de procesador. Los medios legibles por ordenador no incluyen ondas portadoras ni señales electrónicas que pasan de manera inalámbrica o por conexiones cableadas.The features and applications described above may be implemented as software processes that are specified as a set of instructions recorded on a computer-readable storage medium (also called a computer-readable medium). When these instructions are executed by one or more processing units (for example, one or more processors, processor cores, or other processing units), they cause the processing unit(s) to perform the actions indicated in the instructions. Embodiments within the scope of the present disclosure may also include tangible and/or non-transient computer-readable storage media for carrying or having computer-executable instructions or data structures stored therein. Said non-transient computer-readable storage media may be any available media that can be accessed by a general-purpose or special-purpose computer, including the functional design of any special-purpose processor. By way of example, and not limitation, such non-transient computer-readable media may include flash memory, RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM or other optical disk storage, magnetic disk storage or other magnetic storage devices, or any other medium that can be used to carry or store desired program code media in the form of computer executable instructions, data structures, or processor chip design. Computer-readable media does not include carrier waves or electronic signals that pass wirelessly or over wired connections.

Las instrucciones ejecutables por ordenador incluyen, por ejemplo, instrucciones y datos que hacen que un ordenador de fin general, ordenador de fin especial o dispositivo de procesamiento de fin especial realice una determinada función o grupo de funciones. Las instrucciones ejecutables por ordenador también incluyen módulos de programa que se ejecutan por ordenadores en entornos autónomos o de red. En general, los módulos de programa incluyen rutinas, programas, componentes, estructuras de datos, objetos y las funciones inherentes al diseño de los procesadores de fin especial, etc., que realizan tareas particulares o implementan tipos de datos abstractos particulares. Las instrucciones ejecutables por ordenador, las estructuras de datos asociadas y los módulos de programa representan ejemplos de los medios de código de programa para ejecutar las etapas de los métodos desvelados en el presente documento. La secuencia particular de tales instrucciones ejecutables o estructuras de datos asociadas representa ejemplos de acciones correspondientes para implementar las funciones descritas en tales etapas.Computer-executable instructions include, for example, instructions and data that cause a general-purpose computer, special-purpose computer, or special-purpose processing device to perform a certain function or group of functions. Computer-executable instructions also include program modules that are executed by computers in stand-alone or network environments. In general, program modules include routines, programs, components, data structures, objects, and the functions inherent in the design of special purpose processors, etc., that perform particular tasks or implement particular abstract data types. The computer executable instructions, associated data structures, and program modules represent examples of the program code means for executing the steps of the methods disclosed herein. The particular sequence of such executable instructions or associated data structures represent examples of corresponding actions to implement the functions described in such steps.

Los procesadores adecuados para la ejecución de un programa informático incluyen, a modo de ejemplo, microprocesadores de fin general y especial, y uno o más procesadores de cualquier tipo de ordenador digital. En general, un procesador recibirá instrucciones y datos de una memoria de solo lectura o de una memoria de acceso aleatorio o de ambas. Los elementos esenciales de un ordenador son un procesador para realizar o ejecutar instrucciones y uno o más dispositivos de memoria para almacenar instrucciones y datos. En general, un ordenador también incluirá o estará acoplado operativamente para recibir datos o transferir datos a o ambos, uno o más dispositivos de almacenamiento masivo para almacenar datos, por ejemplo, discos magnéticos, discos magnetoópticos o discos ópticos. Sin embargo, un ordenador no necesita tener tales dispositivos. Por otra parte, un ordenador puede estar incrustado en otro dispositivo, por ejemplo, un controlador, un controlador lógico programable, solo por nombrar unos pocos.Processors suitable for executing a computer program include, by way of example, general purpose and special purpose microprocessors, and one or more processors of any type of digital computer. In general, a processor will receive instructions and data from read-only memory or access memory. random or both. The essential elements of a computer are a processor to carry out or execute instructions and one or more memory devices to store instructions and data. In general, a computer will also include or be operatively coupled to receive data or transfer data to, or both, one or more mass storage devices for storing data, for example, magnetic disks, magneto-optical disks, or optical disks. However, a computer need not have such devices. On the other hand, a computer can be embedded in another device, for example, a controller, a programmable logic controller, just to name a few.

En la presente memoria descriptiva, el término "software" incluye firmware que reside en la memoria de solo lectura o aplicaciones almacenadas en almacenamiento magnético o almacenamiento flash, por ejemplo, una unidad de estado sólido, que puede leerse en la memoria para su procesamiento por un procesador. También, en algunas implementaciones, pueden implementarse múltiples tecnologías de software como subpartes de un programa más grande sin dejar de ser tecnologías de software distintas. En algunas implementaciones, también pueden implementarse múltiples tecnologías de software como programas separados. Finalmente, cualquier combinación de programas separados que juntos implementen una tecnología de software descrita en el presente documento está dentro del alcance de la tecnología en cuestión. En algunas implementaciones, los programas de software, cuando se instalan para operar en uno o más sistemas electrónicos, definen una o más implementaciones de máquinas específicas que ejecutan y realizan las operaciones de los programas de software.As used herein, the term "software" includes firmware residing in read-only memory or applications stored on magnetic storage or flash storage, for example, a solid-state drive, that can be read into memory for processing by a processor. Also, in some implementations, multiple software technologies may be implemented as subparts of a larger program while remaining distinct software technologies. In some implementations, multiple software technologies may also be implemented as separate programs. Finally, any combination of separate programs that together implement a software technology described herein is within the scope of that technology. In some implementations, the software programs, when installed to operate on one or more electronic systems, define one or more implementations of specific machines that run and perform the operations of the software programs.

Un programa informático (también conocido como programa, software, aplicación de software, secuencia de comandos o código) puede escribirse en cualquier forma de lenguaje de programación, incluyendo lenguajes compilados o interpretados, lenguajes declarativos o procedimentales, y puede desplegarse en cualquier forma, incluso como un programa independiente o como un módulo, componente, subrutina, objeto u otra unidad adecuada para su uso en un entorno informático. Un programa informático puede, pero no es necesario, corresponder a un archivo en un sistema de archivos. Un programa puede almacenarse en una porción de un archivo que contiene otros programas o datos (por ejemplo, una o más secuencias de comandos almacenados en un documento de lenguaje de marcas), en un solo archivo dedicado al programa en cuestión o en múltiples archivos coordinados (por ejemplo, archivos que almacenan uno o más módulos, subprogramas o porciones de código). Puede implementarse un programa informático para ejecutarse en un ordenador o en varios ordenadores que están ubicados en un sitio o distribuidos en diversos sitios e interconectados por una red de comunicación.A computer program (also known as a program, software, software application, script, or code) can be written in any form of programming language, including compiled or interpreted languages, declarative or procedural languages, and can be deployed in any form, including as a stand-alone program or as a module, component, subroutine, object, or other unit suitable for use in a computing environment. A computer program may, but need not, correspond to a file on a file system. A program may be stored in a portion of a file containing other programs or data (for example, one or more scripts stored in a markup language document), in a single file dedicated to the program in question, or in multiple coordinated files. (for example, files that store one or more modules, applets, or pieces of code). A computer program may be implemented to run on one computer or on multiple computers that are located at one site or distributed at various sites and interconnected by a communication network.

Estas funciones descritas anteriormente pueden implementarse en circuitos electrónicos digitales, en programas informáticos, firmware o hardware. Las técnicas pueden implementarse usando uno o más productos de programas informáticos. Los procesadores programables y los ordenadores pueden incluirse o empaquetarse como dispositivos móviles. Los procesos y flujos lógicos pueden realizarse por uno o más procesadores programables y por uno o más circuitos lógicos programables. Los dispositivos informáticos y los dispositivos de almacenamiento para fines generales y especiales pueden interconectarse a través de redes de comunicación.These functions described above can be implemented in digital electronic circuitry, in computer programs, firmware or hardware. The techniques may be implemented using one or more software products. Programmable processors and computers can be included or packaged as mobile devices. Logic processes and flows may be performed by one or more programmable processors and by one or more programmable logic circuits. Computing devices and storage devices for general and special purposes can be interconnected through communication networks.

Algunas implementaciones incluyen componentes electrónicos, por ejemplo, microprocesadores, almacenamiento y memoria que almacenan instrucciones de programas informáticos en un medio legible por máquina o por ordenador (como alternativa denominados medios de almacenamiento legibles por ordenador, medios legibles por máquina o medios de almacenamiento legibles por máquina). Algunos ejemplos de tales medios legibles por ordenador incluyen RAM, ROM, discos compactos de solo lectura (CD-ROM), discos compactos grabables (CD-R), discos compactos regrabables (CD-RW), discos versátiles digitales de solo lectura (por ejemplo, DVD-ROM, DVD-ROM de doble capa), una variedad de DVD grabables/regrabables (por ejemplo, DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW, etc.), memoria flash (por ejemplo, tarjetas SD, tarjetas mini SD, tarjetas micro Sd , etc.), discos duros magnéticos o de estado sólido, discos Blu-ray® de solo lectura y grabables, discos ópticos de ultra densidad, cualquier otro medio óptico o magnético, y disquetes. Los medios legibles por ordenador pueden almacenar un programa informático que puede ejecutarse por al menos una unidad de procesamiento e incluye conjuntos de instrucciones para realizar diversas operaciones. Los ejemplos de programas informáticos o código informático incluyen código de máquina, por ejemplo, que se produce por un compilador y archivos que incluyen código de nivel superior que se ejecutan por un ordenador, un componente electrónico o un microprocesador usando un intérprete.Some implementations include electronic components, for example, microprocessors, storage, and memory that store computer program instructions on a machine- or computer-readable medium (alternatively referred to as computer-readable storage media, machine-readable media, or computer-readable storage media). machine). Some examples of such computer-readable media include RAM, ROM, read-only compact discs (CD-ROM), recordable compact discs (CD-R), rewritable compact discs (CD-RW), read-only digital versatile discs (for example, DVD-ROM, Double Layer DVD-ROM), a variety of recordable/rewritable DVDs (for example, DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW, etc.), flash memory (for example, SD cards, mini SD cards, micro S d cards, etc.), magnetic or solid-state hard drives, read-only and recordable Blu-ray® discs, ultra-density optical discs, any other optical or magnetic media, and floppy disks. Computer readable media can store a computer program that can be executed by at least one processing unit and includes instruction sets to perform various operations. Examples of computer programs or computer code include machine code, for example, that is produced by a compiler, and files that include higher-level code that is executed by a computer, electronic component, or microprocessor using an interpreter.

Si bien la exposición anterior se refiere principalmente a microprocesadores o procesadores de múltiples núcleos que ejecutan software, algunas implementaciones se realizan por uno o más circuitos integrados, por ejemplo, circuitos integrados de aplicación específica (ASIC) o matrices de puertas programables en campo (FPGA). En algunas implementaciones, tales circuitos integrados ejecutan instrucciones que se almacenan en el propio circuito.While the discussion above is primarily concerned with microprocessors or multi-core processors running software, some implementations are realized by one or more integrated circuits, for example, application-specific integrated circuits (ASICs) or field-programmable gate arrays (FPGAs). ). In some implementations, such integrated circuits execute instructions that are stored in the circuit itself.

Asimismo, se entiende que cualquier orden específico o jerarquía de etapas en los procesos desvelados es una ilustración de enfoques de ejemplo. De acuerdo con las preferencias de diseño, se entiende que el orden específico o la jerarquía de las etapas en los procesos pueden reorganizarse o que pueden realizarse todas las etapas ilustradas. Algunas de las etapas pueden realizarse simultáneamente.Likewise, it is understood that any specific order or hierarchy of steps in the disclosed processes is an illustration of exemplary approaches. Depending on design preferences, it is understood that the specific order or hierarchy of steps in the processes can be rearranged or that all illustrated steps can be performed. Some of the steps can be performed simultaneously.

Las diversas realizaciones descritas anteriormente se proporcionan únicamente a modo de ilustración y no deberían interpretarse como una limitación del alcance de la divulgación. Los expertos en la materia reconocerán fácilmente diversas modificaciones y cambios que pueden realizarse en los principios descritos en el presente documento sin seguir las realizaciones y aplicaciones de ejemplo ilustradas y descritas en el presente documento, y sin alejarse del espíritu y el alcance de la divulgación.The various embodiments described above are provided by way of illustration only and should not be construed as limiting the scope of the disclosure. Those skilled in the art will readily recognize various modifications and changes that can be made to the principles described herein without follow the exemplary embodiments and applications illustrated and described herein, and without departing from the spirit and scope of the disclosure.

Aunque la presente memoria descriptiva contiene muchos detalles de implementación específicos, estos no deberían interpretarse como limitaciones en el alcance de cualquier invención o de lo que puede reivindicarse, sino más bien como descripciones de características que pueden ser específicas de realizaciones particulares de invenciones particulares. Determinadas características que se describen en la presente memoria descriptiva en el contexto de realizaciones separadas también pueden implementarse en combinación con una única realización. Por el contrario, diversas características descritas en el contexto de una única realización también pueden implementarse en múltiples realizaciones separadas o en cualquier subcombinación adecuada. Por otra parte, aunque anteriormente pueda haberse descrito que las características actúan en determinadas combinaciones e incluso se haya reivindicado inicialmente como tal, en algunos casos pueden eliminarse de la combinación una o más características de una combinación reivindicada, y la combinación reivindicada puede referirse a una subcombinación o variación de una subcombinación.Although this specification contains many specific implementation details, these should not be construed as limitations on the scope of any invention or what can be claimed, but rather as descriptions of features that may be specific to particular embodiments of particular inventions. Certain features that are described herein in the context of separate embodiments may also be implemented in combination with a single embodiment. Conversely, various features described in the context of a single embodiment may also be implemented in multiple separate embodiments or in any suitable sub-combination. On the other hand, although features may have previously been described as operating in certain combinations and even initially claimed as such, in some cases one or more features of a claimed combination may be removed from the combination, and the claimed combination may refer to a subcombination or variation of a subcombination.

CONCLUSIÓNCONCLUSION

En las realizaciones anteriores se ha mostrado un sistema y un método para la implementación eficiente de sistemas de transporte por tubos que usan una mezcla gaseosa de aire y helio. Si bien se han mostrado y descrito diversas realizaciones preferentes, se entenderá que no hay intención de limitar la invención mediante dicha divulgación, sino que, por el contrario, está destinada a cubrir todas las modificaciones y construcciones alternativas que caen dentro del alcance de la invención, como se define en las reivindicaciones adjuntas. In the above embodiments, a system and a method for the efficient implementation of tube transport systems using a gaseous mixture of air and helium have been shown. While various preferred embodiments have been shown and described, it is to be understood that the invention is not intended to be limited by such disclosure, but rather is intended to cover all modifications and alternative constructions that fall within the scope of the invention. , as defined in the appended claims.

Claims (30)

REIVINDICACIONES 1. Un método para mantener una composición gaseosa dentro de un tubo, siendo el tubo parte de un sistema de transporte tubular fabricado de una pluralidad de tubos para transportar uno o más pasajeros o una o más cargas mediante una cápsula, estando el tubo dispuesto a lo largo de al menos una ruta predeterminada, comprendiendo el método:1. A method of maintaining a gaseous composition within a tube, the tube being part of a tubular transportation system made of a plurality of tubes for transporting one or more passengers or one or more cargo by means of a capsule, the tube being arranged to along at least one predetermined route, comprising the method: (a) bombear el tubo a una presión que está por debajo de la presión atmosférica hasta que el tubo esté sustancialmente vacío;(a) pumping the tube at a pressure that is below atmospheric pressure until the tube is substantially empty; (b) identificar un valor de potencia predeterminado;(b) identifying a predetermined power value; caracterizado porcharacterized by (c) identificar un primer porcentaje, x, de helio basándose en el valor de potencia predeterminado identificado en (b) y una tasa de fuga asociada con el tubo; y(c) identifying a first percentage, x, of helium based on the predetermined power value identified in (b) and a leak rate associated with the tube; and (d) mantener, dentro de cada tubo en la pluralidad de tubos sustancialmente vacíos, una composición gaseosa que comprende una mezcla de un primer porcentaje, x, de helio y un segundo porcentaje, (100-x), de aire.(d) maintaining, within each tube in the plurality of substantially empty tubes, a gaseous composition comprising a mixture of a first percentage, x, of helium and a second percentage, ( 100-x), of air. 2. El método de la reivindicación 1, en donde el valor de potencia predeterminado es cualquiera de los siguientes: potencia asequible, potencia mínima o potencia aceptable.The method of claim 1, wherein the predetermined power value is any of the following: affordable power, minimum power, or acceptable power. 3. El método de la reivindicación 1, comprendiendo el método además la etapa de escoger el valor de potencia predeterminado en función de una primera potencia para bombear cada tubo al estado sustancialmente vacío y una segunda potencia para superar la resistencia aerodinámica en cada tubo.The method of claim 1, the method further comprising the step of choosing the predetermined power value based on a first power to pump each tube to the substantially empty state and a second power to overcome drag in each tube. 4. El método de la reivindicación 1, en donde la presión se escoge del siguiente intervalo: 1 Pa a 100 Pa.The method of claim 1, wherein the pressure is chosen from the following range: 1 Pa to 100 Pa. 5. El método de la reivindicación 1, en donde 50 % < x < 99 %.The method of claim 1, wherein 50% < x < 99 %. 6. El método de la reivindicación 1, comprendiendo el método además la etapa de inyectar helio o una combinación de helio y aire en la composición gaseosa a través de una pared asociada con el al menos un tubo.The method of claim 1, the method further comprising the step of injecting helium or a combination of helium and air into the gaseous composition through a wall associated with the at least one tube. 7. El método de la reivindicación 1, comprendiendo el método además la etapa de inyectar helio o una combinación de helio y aire en la composición gaseosa en al menos un tubo por la cápsula.The method of claim 1, the method further comprising the step of injecting helium or a combination of helium and air into the gaseous composition in at least one tube per capsule. 8. El método de la reivindicación 1, comprendiendo el método además la etapa de inyectar helio o una combinación de helio y aire en la composición gaseosa a través de una pared asociada con el al menos un tubo e inyectar helio o una combinación de helio y aire en la composición gaseosa en al menos un tubo por la cápsula.The method of claim 1, the method further comprising the step of injecting helium or a combination of helium and air into the gaseous composition through a wall associated with the at least one tube and injecting helium or a combination of helium and air into the gaseous composition in at least one tube per capsule. 9. El método de la reivindicación 1, comprendiendo el método además capturar la composición gaseosa en cada tubo usando un mecanismo de recirculación y hacer recircular al menos algunos de esos gases de vuelta al mismo tubo.The method of claim 1, the method further comprising capturing the gaseous composition in each tube using a recirculation mechanism and recirculating at least some of those gases back into the same tube. 10. El método de la reivindicación 9, comprendiendo el método además la etapa de concentrar los gases usando al menos una unidad de separación que es parte del mecanismo de recirculación, antes de hacerlos recircular de vuelta al tubo.The method of claim 9, the method further comprising the step of concentrating the gases using at least one separation unit that is part of the recirculation mechanism, before recirculating them back into the tube. 11. El método de la reivindicación 1, comprendiendo el método además la etapa de mantener las concentraciones de gas requeridas a través de un mecanismo de bombeo y relleno.The method of claim 1, the method further comprising the step of maintaining required gas concentrations through a pump-and-refill mechanism. 12. Un método para mantener una composición gaseosa dentro de un tubo, siendo el tubo parte de un sistema de transporte tubular para transportar uno o más pasajeros o una o más cargas mediante una cápsula, estando el tubo dispuesto a lo largo de al menos una ruta predeterminada, comprendiendo el método:12. A method for keeping a gaseous composition inside a tube, the tube being part of a tubular transport system for transporting one or more passengers or one or more loads by means of a capsule, the tube being arranged along at least one default route, understanding the method: (a) bombear el tubo a una presión que está por debajo de la presión atmosférica hasta que el tubo esté sustancialmente vacío;(a) pumping the tube at a pressure that is below atmospheric pressure until the tube is substantially empty; (b) identificar un valor de potencia predeterminado;(b) identifying a predetermined power value; caracterizado porcharacterized by (c) identificar una velocidad de cápsula deseada;(c) identifying a desired capsule velocity; (d) identificar un primer porcentaje, x, de helio basándose en el valor de potencia predeterminado identificado en (b), la velocidad deseada de la cápsula identificada en (c) y una tasa de fuga asociada con cada tubo;(d) identifying a first percentage, x, of helium based on the predetermined power value identified in (b), the desired capsule velocity identified in (c), and a leak rate associated with each tube; (e) mantener, dentro de cada tubo en la pluralidad de tubos sustancialmente vacíos, una composición gaseosa, comprendiendo la composición gaseosa una mezcla de un primer porcentaje, x, de helio y un segundo porcentaje, (100-x), de aire.(e) maintaining, within each tube in the plurality of substantially empty tubes, a gaseous composition, the gaseous composition comprising a mixture of a first percentage, x, of helium and a second percentage, ( 100-x), of air. 13. El método de la reivindicación 12, en donde el valor de potencia predeterminado es cualquiera de los siguientes: potencia asequible, potencia mínima o potencia aceptable.The method of claim 12, wherein the predetermined power value is any of the following: affordable power, minimum power, or acceptable power. 14. El método de la reivindicación 12, comprendiendo el método además la etapa de escoger el valor de potencia predeterminado en función de una primera potencia para bombear cada tubo al estado sustancialmente vacío y una segunda potencia para superar la resistencia aerodinámica en cada tubo.The method of claim 12, the method further comprising the step of choosing the power value predetermined as a function of a first power to pump each tube to the substantially empty state and a second power to overcome aerodynamic resistance in each tube. 15. El método de la reivindicación 12, en donde la presión se escoge del siguiente intervalo: 1 Pa a 100 Pa.The method of claim 12, wherein the pressure is chosen from the following range: 1 Pa to 100 Pa. 16. El método de la reivindicación 12, en donde 50 % < x < 99 %.The method of claim 12, wherein 50 % < x < 99 %. 17. El método de la reivindicación 12, comprendiendo el método además la etapa de inyectar helio o una combinación de helio y aire en la composición gaseosa a través de una pared asociada con el al menos un tubo.The method of claim 12, the method further comprising the step of injecting helium or a combination of helium and air into the gaseous composition through a wall associated with the at least one tube. 18. El método de la reivindicación 12, comprendiendo el método además la etapa de inyectar helio o una combinación de helio y aire en la composición gaseosa en al menos un tubo por la cápsula.The method of claim 12, the method further comprising the step of injecting helium or a combination of helium and air into the gaseous composition in at least one tube per capsule. 19. El método de la reivindicación 12, comprendiendo el método además la etapa de inyectar helio o una combinación de helio y aire en la composición gaseosa a través de una pared asociada con el al menos un tubo e inyectar helio o una combinación de helio y aire en la composición gaseosa en al menos un tubo por la cápsula.The method of claim 12, the method further comprising the step of injecting helium or a combination of helium and air into the gaseous composition through a wall associated with the at least one tube and injecting helium or a combination of helium and air into the gaseous composition in at least one tube per capsule. 20. El método de la reivindicación 12, comprendiendo el método además capturar la composición gaseosa en cada tubo usando un mecanismo de recirculación y hacer recircular al menos algunos de esos gases de vuelta al mismo tubo.The method of claim 12, the method further comprising capturing the gaseous composition in each tube using a recirculation mechanism and recirculating at least some of those gases back into the same tube. 21. El método de la reivindicación 20, comprendiendo el método además la etapa de concentrar los gases usando al menos una unidad de separación que es parte del mecanismo de recirculación, antes de hacerlos recircular de vuelta al tubo.The method of claim 20, the method further comprising the step of concentrating the gases using at least one separation unit that is part of the recirculation mechanism, before recirculating them back into the tube. 22. El método de la reivindicación 12, comprendiendo el método además la etapa de mantener las concentraciones de gas requeridas a través de un mecanismo de bombeo y relleno.The method of claim 12, the method further comprising the step of maintaining required gas concentrations through a pump and fill mechanism. 23. Un método para mantener una composición gaseosa dentro de un tubo, siendo el tubo parte de un sistema de transporte tubular para transportar uno o más pasajeros o una o más cargas mediante una cápsula, estando el tubo dispuesto a lo largo de al menos una ruta predeterminada, comprendiendo el método:23. A method for maintaining a gaseous composition within a tube, the tube being part of a tubular transportation system for transporting one or more passengers or one or more cargo by means of a capsule, the tube being arranged along at least one default route, understanding the method: (a) bombear el tubo a una presión que está por debajo de la presión atmosférica hasta que el tubo esté sustancialmente vacío;(a) pumping the tube at a pressure that is below atmospheric pressure until the tube is substantially empty; (b) identificar un valor de potencia predeterminado;(b) identifying a predetermined power value; caracterizado porcharacterized by (c) para cada una de una pluralidad de relaciones de derivación y una pluralidad de relaciones de fuga, almacenar, en memoria, datos representativos de un primer intervalo de potencias totales, un segundo intervalo de porcentajes de helio y un tercer intervalo de presiones de los tubos, representando cada potencia total en el intervalo de potencias totales un valor de potencia que es función de una primera potencia para bombear cada tubo hasta el estado sustancialmente vacío y una segunda potencia para superar la resistencia aerodinámica en cada tubo; (d) identificar una velocidad de cápsula deseada;(c) for each of a plurality of bypass ratios and a plurality of leak ratios, storing, in memory, data representative of a first range of total powers, a second range of helium percentages, and a third range of helium pressures. the tubes, each total power in the total power range representing a power value that is a function of a first power to pump each tube to the substantially empty state and a second power to overcome aerodynamic drag in each tube; (d) identifying a desired capsule velocity; (e) identificar un primer porcentaje, x, de helio basándose en los datos almacenados en (b) correspondientes al valor de potencia predeterminado identificado en (c), la velocidad deseada de la cápsula identificada en (d) y una tasa de fuga asociada con cada tubo; y(e) identifying a first percentage, x, of helium based on the data stored in (b) corresponding to the predetermined power value identified in (c), the desired capsule velocity identified in (d) and an associated leak rate with each tube; and (f) mantener, dentro de cada tubo en la pluralidad de tubos sustancialmente vacíos, una composición gaseosa, comprendiendo la composición gaseosa una mezcla de un primer porcentaje, x, de helio y un segundo porcentaje, (100-x), de aire.(f) maintaining, within each tube in the plurality of substantially empty tubes, a gaseous composition, the gaseous composition comprising a mixture of a first percentage, x, of helium and a second percentage, ( 100-x), of air. 24. El método de la reivindicación 23, en donde el valor de potencia predeterminado es cualquiera de los siguientes: potencia asequible, potencia mínima o potencia aceptable.The method of claim 23, wherein the predetermined power value is any of the following: affordable power, minimum power, or acceptable power. 25. El método de la reivindicación 23, comprendiendo el método además la etapa de escoger el valor de potencia predeterminado en función de una primera potencia para bombear cada tubo al estado sustancialmente vacío y una segunda potencia para superar la resistencia aerodinámica en cada tubo.The method of claim 23, the method further comprising the step of choosing the predetermined power value based on a first power to pump each tube to the substantially empty state and a second power to overcome drag in each tube. 26. El método de la reivindicación 23, en donde la presión se escoge del siguiente intervalo: 1 Pa a 100 Pa.The method of claim 23, wherein the pressure is chosen from the following range: 1 Pa to 100 Pa. 27. El método de la reivindicación 23, en donde 50 % < x < 99 %.The method of claim 23, wherein 50 % < x < 99 %. 28. El método de la reivindicación 23, comprendiendo el método además la etapa de inyectar helio o una combinación de helio y aire en la composición gaseosa a través de una pared asociada con el al menos un tubo.The method of claim 23, the method further comprising the step of injecting helium or a combination of helium and air into the gaseous composition through a wall associated with the at least one tube. 29. El método de la reivindicación 23, comprendiendo el método además la etapa de inyectar helio o una combinación de helio y aire en la composición gaseosa en al menos un tubo por la cápsula. The method of claim 23, the method further comprising the step of injecting helium or a combination of helium and air into the gaseous composition in at least one tube per capsule. 30. El método de la reivindicación 23, comprendiendo el método además la etapa de inyectar helio o una combinación de helio y aire en la composición gaseosa a través de una pared asociada con el al menos un tubo e inyectar helio o una combinación de helio y aire en la composición gaseosa en al menos un tubo por la cápsula. The method of claim 23, the method further comprising the step of injecting helium or a combination of helium and air into the gaseous composition through a wall associated with the at least one tube and injecting helium or a combination of helium and air into the gaseous composition in at least one tube per capsule.
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