ES2842288B2 - Sistema y metodo de propulsion combinada para vehiculos terrestres de alta velocidad en vacio forzado - Google Patents

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Description

SISTEMA Y MÉTODO DE PROPULSIÓN COMBINADA PARA VEHÍCULOS
TERRESTRES DE ALTA VELOCIDAD EN VACÍO FORZADO
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere al campo técnico de los sistemas de transporte y más concretamente a los sistemas de transporte para vehículos de alta velocidad en atmósferas controladas de baja presión creadas artificialmente, con especial foco en la seguridad de los ocupantes.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Hoy en día los sistemas de transporte terrestres de alta velocidad están viviendo una revolución gracias al impulso e interés despertado por las posibilidades de materializar el concepto de Hyperloop.
El concepto de Hyperloop en sí, nace hace más de 200 años, cuando el inventor inglés George Medhurst propone utilizar diferencias de presión mediante tubos para transportar mercancías y pasajeros reduciendo los costes del transporte terrestre. No obstante, ninguna de sus ideas se puso en práctica hasta 1859, cuando se crea la “London Pneumatic Despatch Company’, compañía inglesa pionera en el transporte de pequeños paquetes postales. Para el transporte de mercancía pesada todavía habría que esperar hasta 1867, cuando Alfred Ely Beach logró construir un sistema que movió a 12 personas y un conductor en un trayecto de 32.6 m de largo y 1.8 m de diámetro. El funcionamiento de estos sistemas pioneros replicaba básicamente el funcionamiento de un pistón, con ventiladores que impulsaban el vehículo para realizar el trayecto de ida o lo succionaban para realizar el trayecto de vuelta.
La propuesta de aprovechar las propiedades del electromagnetismo para hacer levitar los vehículos, surgiría 100 años después en Rusia, cuando el profesor Boris Weinberg lo plantea como solución a las pérdidas por fricción para reducir el consumo del sistema. En la misma línea surgen otros sistemas, como el propuesto en 1904 por Robert Goddard en el Instituto Politécnico de Worcester (Estados Unidos).
Sentados los principios y ventajas de estos sistemas de transporte, pueden encontrarse sistemas neumáticos en ambientes industriales levantando pesos de hasta 50kg con tubos de hasta 50cm, pero para mayores diámetros los consumos energéticos del ventilador se hacen excesivos y demasiado ineficientes. No obstante, la evolución tecnológica ha permitido desarrollar el sistema de Weinberg hasta conseguir el transporte de cargas mayores mediante dos soluciones diferentes: la suspensión electromagnética (EMS) y la suspensión electrodinámica (EDS). Estos sistemas consiguen levantar los pesos requeridos para el transporte de mercancías de gran volumen, pero sus costes de infraestructuras son excesivamente altos debido, entre otras cosas, a la necesidad de añadir bobinas (o en su defecto imanes) en todo el recorrido para propulsarse (como es el caso del Transrapid) o para propulsarse y levitar (como es el caso del SC Maglev).
Por otro lado, los sistemas de levitación conocidos han demostrado su funcionamiento hasta 600km/h, pero para alcanzar velocidades superiores sin un consumo energético excesivo es necesario implementar algún tipo de sistema de reducción de la resistencia aerodinámica. Una de las soluciones es el tubo a baja presión, como en la propuesta de 1974 del ingeniero suizo de la Universidad Federal de Laussane, Rudolphe Nieth, quien propuso en el concepto de Swissmetro una combinación de levitación magnética con la reducción de pérdidas aerodinámicas mediante un tubo a baja presión para alcanzar velocidades de hasta 500 km/h. Este sistema consigue reducir el arrastre aerodinámico, pero la solución constructiva precisa de un diámetro del tubo hasta 7 veces superior al diámetro del vehículo para impedir el bloqueo sónico y las turbulencias generadas del efecto pistón. Además, el sistema de propulsión y levitación se dispone en el tubo mediante motores lineales, lo que al final provoca el mismo problema que los trenes de levitación conocidos de un coste de infraestructura excesivo.
En este punto, cuando resultaba necesario un avance disruptivo para conseguir mejorar la eficiencia, velocidad y seguridad de los transportes terrestres de alta velocidad, Elon Musk lanza en 2013 una propuesta conceptual con el nombre de Hyperloop. El sistema funciona con un tubo a muy reducida presión (1 mbar) y alcanza velocidades de hasta 1220 km/h. El sistema incluye en el vehículo un compresor axial y unos cojinetes de aire para expulsar aire comprimido y levitar. Este aire comprimido se guarda en unos depósitos del vehículo y es utilizado por los cojinetes de aire para expulsarlo de forma controlada y mantener la distancia entre el vehículo y las paredes del tubo, generando la levitación aerodinámica. Además, el compresor axial cumple la funcionalidad de evitar el bloqueo sónico trasegando el aire por un tubo hasta la parte trasera del vehículo. El sistema precisa de un motor discontinuo repartido a lo largo de toda la longitud del tubo, de manera que cada cierta distancia el sistema dispone en el tubo de transporte un motor lineal (similar a los trenes de levitación japoneses o alemanes) que acelera nuevamente el vehículo hasta la velocidad deseada, ya que aunque se minimicen las pérdidas aerodinámicas, la velocidad de crucero va disminuyendo a medida que el vehículo se traslada. Sin embargo, las ventajosas condiciones de presión impuestas en el interior del tubo para el buen funcionamiento de Hyperloop y sistemas similares, tienen como contrapartida un alto riesgo para los ocupantes en casos de despresurización. Es decir, la elevada diferencia de presión entre el interior del tubo y la presión ambiente supone que una brecha en la seguridad del vehículo elimina en cuestión de segundos el oxígeno, exponiendo a los ocupantes a unas condiciones cercanas a las del espacio exterior y el consiguiente riesgo de muerte, salvo que vistiesen un traje presurizado, ya que sería equivalente a situar a los ocupantes en la estratopausa.
Por todo lo expuesto anteriormente, se echa en falta en el estado del arte una solución que permita implantar un sistema eficiente de transporte para vehículos que se trasladan a alta velocidad en baja presión, minimizando el consumo energético y garantizando la seguridad de sus ocupantes.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Con el fin de alcanzar los objetivos y evitar los inconvenientes mencionados anteriormente, la presente invención presenta una solución que combina eficiencia y seguridad, para ello describe, en un primer aspecto, un sistema de propulsión combinada para vehículos de alta velocidad, que comprende una estructura tubular cerrada de guiado y un vehículo configurado para desplazarse por el interior de la estructura tubular, donde el sistema comprende:
- al menos una bomba de vacío acoplada a la estructura tubular cerrada, configurada para proporcionar una atmósfera de baja presión en el interior de la estructura, donde la baja presión es siempre superior a la presión límite de Armstrong;
- unos medios de propulsión eléctricos de tipo motor lineal (20) dispuestos en un tramo inicial de la estructura, configurados para proporcionar aceleración al vehículo hasta una primera velocidad predeterminada; y
- unos medios de propulsión por aire comprimido dispuestos en el vehículo, configurados para proporcionar aceleración al vehículo hasta una segunda velocidad predeterminada y, una vez alcanzada la segunda velocidad predeterminada, mantener constante la segunda velocidad predeterminada.
En una de las realizaciones de la invención, se contempla que los medios de propulsión por aire comprimido dispuestos en el vehículo estén configurados para comenzar a proporcionar aceleración al vehículo antes de que el vehículo alcance la primera velocidad determinada, resultando una aceleración total del vehículo durante el tramo inicial de la estructura que es la suma de la aceleración proporcionada por el motor lineal y los medios de propulsión por aire comprimido.
En una de las realizaciones se contempla que la primera velocidad predeterminada y la segunda velocidad son iguales a una única velocidad de crucero predeterminada. En este caso particular, el vehículo alcanza la velocidad de crucero antes de abandonar el tramo inicial de la estructura, cubierto por los medios de propulsión eléctricos, de manera que los medios de propulsión por aire comprimido mantendrán esa velocidad crucero constante en el resto del trayecto por la estructura tubular.
En una de las realizaciones de la presente invención, los medios de propulsión por aire comprimido están adicionalmente configurados para poder regular la velocidad del vehículo, llevándolo desde la segunda velocidad predeterminada hasta una tercera velocidad. Esta tercera velocidad representa un conjunto de valores de velocidad definidos en un mapa de velocidades predeterminado para la ruta que el vehículo utilizará como consigna, ajustándose a ella de forma preferente, mediante la variación del empuje generado por el chorro de aire comprimido.
Por cuestiones de seguridad principalmente, en una de las realizaciones de la invención, la atmósfera de baja presión proporcionada por la bomba de vacío está en un rango entre 65 mbar y 250 mbar. Así, ventajosamente, se mantiene una baja presión, pero a la vez se previenen los riesgos por eventuales despresurizaciones en los vehículos, de manera que los ocupantes disponen de tiempo y oxígeno suficiente para reaccionar y hacer uso por ejemplo de máscaras de oxígeno (como sucede en los aviones).
Las condiciones de vacío forzado proporcionadas en el interior de la estructura tubular se alcanzan gracias a la acción de un sistema de vacío con una o más bombas de vacío. En una de las realizaciones de la invención se dispone al menos una bomba de vacío por cada kilómetro de la estructura tubular y sentido.
En la presente invención, los medios de propulsión para aceleración hasta la primera velocidad prefijada consisten en un motor lineal ubicado desde el inicio del recorrido y con la longitud necesaria en función del valor de aceleración prefijado que permita al vehículo alcanzar al menos la primera velocidad. En general, dicha longitud, para un caso de ruta de 1000 km se estima en menos del 10% del recorrido total, y siempre medido desde el inicio del citado recorrido. Sin embargo, en función de las especificaciones de operación este porcentaje puede reducirse hasta aproximadamente un 1%, pero en casos muy concretos, de rutas muy cortas y para aceleraciones del orden de 1m/s2, se podría superar el umbral del 10%, sin rebasarlo excesivamente. Así, ventajosamente, la estructura resulta mucho más sencilla y barata de construir.
Los medios de propulsión por aire comprimido, de acuerdo a una de las realizaciones, comprenden: unos medios de compresión dispuestos en una parte frontal del vehículo, configurados para recibir y comprimir aire extraído de la línea de avance del vehículo; unos medios de canalización configurados para recibir el aire comprimido por los medios de compresión y trasegarlo hasta una parte trasera del vehículo; y una tobera de expulsión dispuesta en la parte trasera del vehículo a continuación de los medios de canalización, configurada para recibir el aire comprimido y expulsarlo con un momento lineal mayor que el que tenía en la parte frontal del vehículo.
En una de las realizaciones de la invención, los medios de propulsión además comprenden una turbina dispuesta tras los medios de compresión y los medios de canalización, configurada para recuperar parte de la energía contenida en el aire que atraviesa los medios de canalización. Así ventajosamente, el sistema aprovecha el eventual exceso de energía en el flujo de aire para mover la turbina y generar una cierta cantidad de energía eléctrica para usos varios dentro del vehículo.
En una realización preferente de la invención, el compresor dispone de una única salida conectada con los medios de canalización, de manera que todo el aire comprimido por el compresor es recibido por los medios de canalización. Así, ventajosamente se conduce una cantidad próxima o igual al 100% del caudal de aire extraído del frontal del vehículo hacia la parte trasera, lo que facilita el avance del vehículo al reducir el arrastre aerodinámico y previene eventuales bloqueos causados por el paso de aire a través del canal existente entre las paredes del vehículo y el tubo.
En algunas realizaciones de la invención, al menos una parte del aire comprimido por el compresor no es llevada a los medios de canalización si no que es conducido para otros usos distintos al de propulsión, como por ejemplo soporte vital.
Opcionalmente, en una de las realizaciones de la invención se contempla que los medios de canalización comprendan un depósito de aire comprimido para almacenar al menos una parte del aire recibido. Así, ventajosamente, también puede reservarse una cierta cantidad de aire para necesidades puntuales de impulso extra u otros, como soporte vital o auxiliares.
Un segundo aspecto de la invención se refiere a un método de propulsión combinada para un vehículo de alta velocidad configurado para desplazarse por el interior de una estructura tubular cerrada de guiado, donde el método comprende:
- proporcionar, por al menos una bomba de vacío, una atmósfera de baja presión en el interior de la estructura tubular, donde la baja presión es siempre superior a la presión límite de Armstrong;
- acelerar, por unos medios de propulsión eléctricos (20) dispuestos en un tramo inicial de la estructura, el vehículo desde parado hasta una primera velocidad predeterminada; y
- propulsar, por unos medios de propulsión por aire comprimido dispuestos en el vehículo, el vehículo hasta una segunda velocidad predeterminada y, una vez alcanzada la segunda velocidad predeterminada, mantenerla constante.
Proporcionar la atmósfera de baja presión comprende extraer, por la bomba de vacío, aire del interior de la estructura tubular hasta alcanzar una presión en el rango entre 65mbar y 250mbar. Propulsar el vehículo comprende expulsar por la parte trasera del vehículo, mediante los medios de propulsión, un chorro de aire comprimido con una energía superior a la de la entrada. Así, ventajosamente, la diferencia de energía provocada por la aportación del compresor al fluido, resulta en el empuje controlado del vehículo.
Se contempla en una de las realizaciones de la presente invención que la etapa de propulsar el vehículo por los medios de propulsión por aire comprimido comience antes de que el vehículo abandone el tramo inicial de la estructura y finalice la etapa de aceleración. Así, ventajosamente se logra una transición suave entre los dos medios de propulsión y además, el empuje de los medios de propulsión, aunque a baja velocidad no es demasiado efectivo, a medida que va aumentando la velocidad va ayudando a los medios de propulsión eléctricos durante la etapa de aceleración de la catapulta, permitiendo un cierto ahorro energético.
Propulsar el vehículo por los medios de propulsión por aire comprimido, de acuerdo a una de las realizaciones de la invención, comprende: extraer, por unos medios de compresión dispuestos en una parte frontal del vehículo, aire de la línea de avance del vehículo; comprimir, por los medios de compresión, el aire extraído; trasegar, por unos medios de canalización, el aire comprimido hasta una parte trasera del vehículo; y expulsar, por una tobera de expulsión dispuesta en la parte trasera del vehículo a continuación de los medios de canalización, el aire comprimido a una energía total mayor que la presión del aire en la parte frontal del vehículo.
En una de las realizaciones de la invención, se contempla proporcionar, por los medios de propulsión por aire comprimido, una propulsión de regulación al vehículo que lleva al vehículo desde la segunda velocidad predeterminada hasta una tercera velocidad. Así, ventajosamente el vehículo puede desviarse de una manera controlada de la segunda velocidad predeterminada, o velocidad de crucero. Esta tercera velocidad puede tener múltiples valores, siendo función de un mapa de velocidad predeterminado para la ruta
Por todo lo expuesto anteriormente, las características de la presente invención implican multitud de ventajas. Entre ellas, se encuentra la posibilidad de prescindir en el vehículo de embarcar toda la energía necesaria para la aceleración del mismo, con el consiguiente ahorro de volumen y potencia que ello conlleva. Embarcar más energía para acometer la fase de aceleración supone embarcar un extra importante de peso, y por tanto supone mayor gasto energético para moverlo requiriendo, a su vez, mayor energía en el sistema.
Los costes de la infraestructura se reducen enormemente al reducir la longitud necesaria de motor lineal sobre el tubo de transporte, ya que sólo se requiere entre un décimo y un centésimo de la longitud total de la pista.
En cuanto a términos de sostenibilidad, la presente invención puede basar su funcionamiento en energías 100% renovables, tanto para la propulsión externa (catapulta) como interna (chorro de aire comprimido), ya que el sistema presentado desplaza el vehículo utilizando una combinación de energías electromecánica y electromagnética, no necesitando el uso de combustibles fósiles, energía nuclear ni cualquier otra fuente de energía contaminante.
La combinación indivisible para la propulsión propuesta por la presente invención, de empuje inicial mediante catapulta electromagnética hasta velocidad de crucero más empuje regulador de la velocidad de crucero por aire comprimido, resulta especialmente ventajosa para conceptos tipo Hyperloop operando en un entorno y modelo de operación muy concreto, que son las condiciones de baja presión descritas, alrededor de un décimo de la presión atmosférica terrestre, donde el empuje provocado por el chorro de aire es suficiente para permitir variar el valor de velocidad de crucero con suficiente celeridad y donde una estructura dotada de un motor lineal, que hace las veces de catapulta electromagnética, con la suficiente distancia para que dicha catapulta electromagnética permita alcanzar al vehículo la velocidad de crucero en la que el empuje por aire comprimido es útil.
La combinación del método y sistema de propulsión combinada de la presente invención es aplicable a vehículos de alta velocidad diseñados para desplazarse por el interior de un tubo de baja presión, independientemente del sistema de levitación seleccionado o de la presencia de resistencias adicionales, como puede ser el caso de la utilización de ruedas en el vehículo en las fases de aceleración y frenado o incluso durante todo su trayecto. La única variación en el diseño del sistema es que deben tenerse en cuenta las resistencias totales para recalcular y adaptar las fuerzas de propulsión.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para completar la descripción de la invención y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de sus características, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización de la misma, se acompaña un conjunto de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se han representado las siguientes figuras:
- La figura 1 representa esquemáticamente, según una de las realizaciones de la presente invención, los principales componentes de un vehículo en el interior de un tubo de transporte.
- La figura 2 representa esquemáticamente una realización de la invención, donde el vehículo está en posición inicial parado en el interior del tubo de transporte a baja presión.
- La figura 3 representa, sobre el mismo esquema de la figura anterior, una situación en la que ha comenzado el lanzamiento y el vehículo está siendo acelerado por el motor lineal del tubo de transporte.
- La figura 4 representa, sobre el mismo esquema de las figuras anteriores, la situación en la que el vehículo se aproxima al final del tramo de influencia del motor lineal, donde la velocidad ya es muy próxima al objetivo de velocidad de crucero.
- La figura 5 representa, sobre el mismo esquema de las figuras anteriores, la situación en la que el vehículo viaja por el tubo manteniendo la velocidad de crucero por el empuje de los medios de propulsión por aire comprimido.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La presente invención divulga un método y un sistema de propulsión combinada para vehículos de alta velocidad que se desplazan en condiciones de baja presión por el interior de una estructura tubular de transporte.
El método y sistema de propulsión combinada de la presente invención, está adaptado para funcionar en entornos de presión completamente seguros para los ocupantes de los vehículos. Preferentemente el rango de presión que maneja la presente invención en el interior del tubo de transporte está en un rango entre los 65 mbar y 250 mbar.
Aunque se contemplan otros escenarios de baja presión, todos ellos están alejados de los habituales en el estado del arte para estos sistemas de transporte (lo habitual son condiciones entre 1 mbar y 10mbar), ya que el límite mínimo de presión en el interior del tubo de transporte que maneja la presente invención está marcado la presión del límite de Armstrong. El límite de Armstrong es la altitud que produce que la presión atmosférica sea tan baja (aproximadamente 0,0618 atmósferas) que el agua hierve a la temperatura normal del cuerpo humano (37 °C), lo cual ocurre de manera natural a una altura aproximada de 20 kilómetros. En esas condiciones el ser humano no puede sobrevivir en un ambiente despresurizado, por lo que, por cuestiones de seguridad, la presente invención impone dicha presión como valor mínimo de seguridad, lo que permite a los usuarios recurrir a máscaras de oxígeno en caso de una despresurización accidental y evitar consecuencias mortales.
En estas condiciones descritas de presión de seguridad, la propulsión del vehículo se consigue con una solución combinada y simbiótica que permite aprovechar las propiedades del aire para lograr el transporte de pasajeros a altas velocidades de un modo eficiente y seguro. Concretamente, el sistema de propulsión lo forman, por un lado, los medios de propulsión eléctricos dispuestos en la propia estructura de transporte y, por otro lado, los medios de propulsión a chorro embarcados en el vehículo. El uso combinado de los dos sistemas permite acelerar desde parado el vehículo utilizando la propulsión eléctrica, a modo de catapulta electromagnética, y llevarlo hasta altas velocidades y, una vez se ha logrado acelerar el vehículo hasta una velocidad de crucero determinada o una velocidad cercana a crucero, mantener y ajustar la velocidad utilizando exclusivamente los medios de propulsión a chorro.
La longitud de los medios de propulsión eléctricos es limitada, cubriendo unas distancias entre 10 y 100 veces menores que la longitud total del tubo de transporte. Una vez el vehículo abandona la zona de influencia de los medios de propulsión eléctricos, únicamente cuenta con los medios de propulsión a chorro para mantener su velocidad y realizar ajustes de la misma variando el chorro de aire comprimido. En los rangos de presión de seguridad que trabaja la presente invención, en torno a un décimo de la presión atmosférica, el empuje provocado por el chorro de aire generado por los medios de propulsión a chorro es suficiente para ajustar y mantener los valores de velocidad de crucero deseados con suficiente celeridad.
La figura 1 representa esquemáticamente un vehículo 1 en el interior de un tubo de transporte 2, según una de las realizaciones de la presente invención, donde la parte delantera del vehículo cuenta con un compresor 3 que, con su movimiento rotativo, desplaza el aire 4 retirándolo de la línea de avance del vehículo. Al mismo tiempo, por su capacidad de actuar como mecanismo de compresión, dentro de un cierto rango de velocidades de giro controladas por unos medios de control 8, aumenta la presión del aire extraído de la parte frontal. El aire es trasegado por unos medios de canalización 5, como un tubo dispuesto en la parte inferior del vehículo, hasta la parte trasera, donde por medio de una tobera de expulsión 6 este aire es expandido 7 con la energía suficiente como para generar el empuje que vence el escaso arrastre remanente, haciendo que el vehículo se comporte transparente al aire en la velocidad de crucero.
La salida del compresor puede contar con una turbina dispuesta en el camino que sigue el flujo de aire, tras los medios de canalización, y configurada para ser accionada por dicho flujo de aire. Esta configuración aprovecha el flujo de aire para generar energía eléctrica que puede utilizarse como una fuente de energía dedicada al funcionamiento del compresor, alternativamente o en combinación con baterías eléctricas auxiliares, o para la alimentación del sistema eléctrico del vehículo.
El compresor 3 en la parte frontal del vehículo es capaz de trasegar gran parte del flujo incidente que, de otra forma, debería rodear el vehículo bloqueándose en el canal alrededor del mismo e impidiendo alcanzar las velocidades esperadas. Así, la configuración mostrada en la figura 1 combina en un mismo sistema la funcionalidad de reducir la resistencia aerodinámica del vehículo con la capacidad de generar propulsión.
En una de las realizaciones de la invención, los mejores resultados de funcionamiento precisan el trasiego de un cierto caudal de aire, alcanzando un punto óptimo en términos de eficiencia energética cuando la velocidad del vehículo se aproxima a la de crucero. En consecuencia, el sistema se diseña para que sea la catapulta electromagnética la que impulsa el vehículo inicialmente hasta alcanzar una velocidad lineal determinada, en la que el gasto másico que encara el compresor se sitúa en una zona preferente de su línea de operación, velocidad a partir de la cual el empuje se equilibra con el arrastre total.
La figura 2 representa una realización de la invención donde el vehículo 1 está en la posición inicial de parada, colocado en el interior del tubo 2 a baja presión, por ejemplo 100 mbar en este caso, y preparado para comenzar el lanzamiento. La aceleración inicial del vehículo se proporciona mediante unos medios de propulsión eléctricos 20 instalados en un tramo inicial del tubo de transporte, como por ejemplo un motor lineal de baja aceleración. La longitud del motor lineal es limitada, ya que únicamente se utiliza para el lanzamiento del vehículo hasta una velocidad de crucero o una velocidad cercana a la de crucero, a modo de catapulta.
El motor lineal puede estar formado por sólo una o por varias máquinas eléctricas, todas ubicadas al principio del trayecto una detrás de otra, pero no tiene por qué existir continuidad física entre ellas. Es decir, aunque operativamente el motor lineal es un único motor, la implementación técnica puede requerir varias etapas dispuestas una detrás de otra encadenando en serie varias máquinas eléctricas tipo motor.
La figura 3 continúa el mismo esquema de la figura 2, representando ahora una situación en la que el sistema ya ha comenzado el lanzamiento del vehículo, de manera que el vehículo 1 va ganando velocidad a medida que avanza por el interior del tubo 2 por la acción del motor lineal 20. En esta etapa intermedia, la aceleración es principalmente producto del motor lineal, o catapulta electromagnética, que hace que el vehículo venza el arrastre total al que se enfrenta, principalmente debido a fenómenos aerodinámicos. Éste comprende el efecto resistivo por la fricción del aire 31 a baja presión del interior del tubo y la fuerza debida a la diferencia de presiones entre la parte delantera y trasera del vehículo, agravada por el efecto pistón 32 creado por el volumen de aire enfrentado. Simultáneamente, el sistema de propulsión por aire comienza a funcionar a medida que va aumentando la velocidad del vehículo y, además de retirar el aire incidente en la parte frontal del vehículo para reducir la demanda de potencia requerida en la catapulta electromagnética, comienza a generar un cierto empuje 33. El empuje en esta fase todavía no es suficiente para propulsar el vehículo por sí solo, pero seguirá aumentando a medida que aumenta la velocidad del vehículo.
La figura 4 representa la situación en la que el vehículo 1 se aproxima al final del tramo de influencia del motor lineal 20, donde la velocidad ya es muy próxima al objetivo de velocidad de crucero. En este punto, el compresor de los medios de propulsión a chorro trabaja retirando cada vez más aire incidente, lo que permite generar un empuje 43 cada vez mayor que, combinado con el empuje 40 generado por el motor lineal, supera el arrastre total que se opone al avance del vehículo (incluyendo la resistencia al avance causada por el efecto resistivo de la fricción del aire 41 y el efecto pistón 42, agravado al incrementar la velocidad), y se acerca paulatinamente al valor mínimo en el que ya no es necesario el aporte de la propulsión externa del motor lineal.
La figura 5 representa la situación en la que el vehículo 1 viaja por el interior del tubo 2 a la velocidad de crucero determinada previamente. El vehículo ha superado ya la longitud del motor lineal 20 y se encuentra fuera de su influencia, por lo que la velocidad alcanzada con el impulso inicial, que lleva el vehículo desde parado hasta alta velocidad, en ausencia de propulsión comenzaría a disminuir poco a poco por las fuerzas de arrastre. Para compensar esta pérdida de velocidad, a diferencia del estado del arte donde se opta mayoritariamente por construir un motor lineal discontinuo en el tubo para proporcionar, cada cierta distancia, un nuevo impulso al vehículo, la presente invención se sirve de los medios de propulsión a chorro embarcados en el vehículo y descritos en la figura 1 para generar todo el empuje 53 necesario que mantiene la velocidad de crucero de manera constante compensando las pérdidas causadas por el arrastre total, que incluye principalmente la resistencia al avance causado por el efecto resistivo de la fricción del aire 51 con el vehículo y el efecto pistón 52 creado por el volumen de aire enfrentado. Una vez el vehículo ya viaja a velocidad de crucero o velocidad cercana a la velocidad de crucero, los medios de propulsión a chorro permiten ajustar la velocidad gracias a los medios de control que, por ejemplo, variando la velocidad del compresor, controlan a su vez el chorro de propulsión.
La longitud del motor lineal dispuesto en el tramo inicial del tubo de transporte varía de unas realizaciones de otras en función de la aceleración que se desee imprimir al vehículo (lo que influye en el confort de los pasajeros) y de la velocidad de crucero que se quiera alcanzar.
En un caso de uso de una realización de la presente invención, que se describe a modo de ejemplo, la distancia del tubo de transporte entre el origen y el destino es de 1000 kilómetros y la presión interior del tubo de transporte está fijada en 100 mbar. Contando con un vehículo de 40 toneladas, dimensionado con 40 metros de longitud y un diámetro de 4 metros, el motor lineal que hace de catapulta electromagnética se diseña con una longitud de 10 kilómetros para proporcionar al vehículo una aceleración de entre 1 y 2 m/s2 hasta alcanzar los 600 km/h. Por tanto, el vehículo abandona la catapulta electromagnética a 600 km/h y es entonces cuando actúa el sistema complementario de impulsión a chorro embarcado en el vehículo para mantener constante esa velocidad de crucero y compensar el arrastre total existente.
Alternativamente, en un caso de uso similar al anterior donde el vehículo también abandona la catapulta electromagnética a 600 km/h, los medios de propulsión a chorro de aire comprimido generan un empuje superior al estrictamente necesario para compensar el arrastre total y aumentan así la velocidad del vehículo hasta una velocidad de crucero superior a la velocidad en la que abandona la catapulta. Fijando la velocidad de crucero en 850 km/h, los medios de propulsión a chorro aceleran el vehículo hasta alcanzar dicha velocidad de crucero y, una vez alcanzada, la mantienen constante el resto del trayecto.
En una de las realizaciones, los ajustes de velocidad realizados mediante el sistema de propulsión a chorro se basan en el control de la velocidad del compresor. A más velocidad del compresor corresponde una mayor compresión del aire y, por tanto, un mayor empuje por el aumento en la diferencia de energía del flujo entre los extremos del vehículo. Obviamente, a menor velocidad del compresor, sucede el efecto contrario y se genera un menor empuje. Otras realizaciones o extensiones de la anterior podrían incluir también toberas de geometría variable, o también compresores de geometría variable como medios para regular el empuje.
A los efectos del presente texto se identifica como "aire” la mezcla de gases que permite la respiración normal y continuada de los humanos, comúnmente denominada aire libre, pero también a toda mezcla de aire con otros gases aditivos que utilizados en proporción adecuada puedan utilizarse para mejorar las prestaciones generales del sistema
La presente invención no debe verse limitada a la forma de realización aquí descrita. Otras configuraciones pueden ser realizadas por los expertos en la materia a la vista de la presente descripción. En consecuencia, el ámbito de la invención queda definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de propulsión combinada para vehículos de alta velocidad en vacío forzado, que comprende una estructura tubular (2) cerrada de guiado y un vehículo (1) configurado para desplazarse por el interior de la estructura tubular, donde el sistema comprende:
- al menos una bomba de vacío acoplada a la estructura tubular cerrada configurada para proporcionar una atmósfera de baja presión en el interior de la estructura, donde la baja presión, proporcionada por la al menos una bomba de vacío, está en un rango entre 65 mbar y 250 mbar;
- unos medios de propulsión eléctricos de tipo motor lineal (20) dispuestos en un tramo inicial de la estructura, con una longitud relativa a la estructura tubular comprendida entre el 15% y el 1%, configurados para proporcionar una aceleración inicial al vehículo hasta una primera velocidad predeterminada; y
- unos medios de propulsión por aire comprimido dispuestos en el vehículo, configurados para proporcionar una aceleración adicional al vehículo hasta una segunda velocidad predeterminada y, una vez alcanzada la segunda velocidad predeterminada, mantener constante la segunda velocidad predeterminada; donde los medios de propulsión por aire comprimido están adicionalmente configurados para proporcionar una aceleración de regulación al vehículo que lleva al vehículo desde la segunda velocidad predeterminada hasta una tercera velocidad;
caracterizado por que la tercera velocidad representa un conjunto de valores de velocidad definidos en un mapa de velocidades predeterminado para la ruta que el vehículo utilizará como consigna, ajustándose a ella de forma preferente, mediante la variación del empuje generado por un chorro de aire comprimido.
2. Sistema de acuerdo a la reivindicación 1, donde los medios de propulsión por aire comprimido dispuestos en el vehículo están configurados para proporcionar la aceleración adicional al vehículo antes de que el vehículo alcance la primera velocidad determinada, resultando así una aceleración total del vehículo durante el tramo inicial de la estructura que es la suma de la aceleración inicial proporcionada por los medios de propulsión eléctricos de tipo motor lineal y la aceleración adicional proporcionada por los medios de propulsión por aire comprimido.
3. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la primera velocidad predeterminada y la segunda velocidad predeterminada son iguales a una única velocidad de crucero predeterminada.
4. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los medios de propulsión por aire comprimido comprenden:
- unos medios de compresión (3) dispuestos en una parte frontal del vehículo, configurados para recibir y comprimir aire (4) extraído de la línea de avance del vehículo;
- unos medios de canalización (5) configurados para recibir el aire comprimido por los medios de compresión y trasegarlo hasta una parte trasera del vehículo; y - una tobera (6) de expulsión dispuesta en la parte trasera del vehículo a continuación de los medios de canalización, configurada para recibir el aire comprimido y expulsarlo (7) a una energía mayor que la del aire en la parte frontal del vehículo.
5. Sistema de acuerdo con la reivindicación 4, donde los medios de propulsión además comprenden una turbina dispuesta entre los medios de canalización y la tobera, configurada para generar energía al ser accionada por el aire comprimido recibido por los medios de canalización.
6. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4-5, donde los medios de compresión están conectados con los medios de canalización de manera que los medios de canalización pueden recibir hasta el 100% del aire comprimido por el compresor.
7. Sistema de acuerdo con la reivindicación 4 donde una parte del aire comprimido por el compresor es conducido para usos distintos al de propulsión.
8. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4-7 donde los medios de canalización comprenden al menos un depósito de aire comprimido para almacenar al menos una parte del aire recibido.
9. Método de propulsión combinada para un vehículo (1) de alta velocidad configurado para desplazarse por el interior de una estructura tubular (2) cerrada de guiado, donde el método comprende:
- proporcionar, por al menos una bomba de vacío, una atmósfera de baja presión en el interior de la estructura tubular comprendida entre 65 y 250 mbar;
- acelerar, por unos medios de propulsión eléctricos (20) dispuestos en un tramo inicial de la estructura, con una longitud relativa a la estructura tubular comprendida entre el 15% y el 1%, el vehículo desde parado hasta una primera velocidad predeterminada; y - propulsar, por unos medios de propulsión por aire comprimido dispuestos en el vehículo, el vehículo hasta una segunda velocidad predeterminada y, una vez alcanzada la segunda velocidad predeterminada, mantenerla constante; y
- proporcionar, por los medios de propulsión por aire comprimido, una propulsión de regulación al vehículo que lleva al vehículo desde la segunda velocidad predeterminada hasta una tercera velocidad;
caracterizado por que la tercera velocidad representa un conjunto de valores de velocidad definidos en un mapa de velocidades predeterminado para la ruta que el vehículo utilizará como consigna, ajustándose a ella de forma preferente, mediante la variación del empuje generado por un chorro de aire comprimido.
10. Método de acuerdo con la reivindicación 9 donde la etapa de propulsar el vehículo por los medios de propulsión por aire comprimido comienza antes de que el vehículo abandone el tramo inicial de la estructura y finalice la etapa de aceleración mediante un motor lineal.
11. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9-10 donde propulsar el vehículo por los medios de propulsión por aire comprimido, comprende:
- extraer, por unos medios de compresión (3) dispuestos en una parte frontal del vehículo, aire (4) de la línea de avance del vehículo;
- comprimir, por los medios de compresión, el aire extraído;
- trasegar, por unos medios de canalización (5), el aire comprimido hasta una parte trasera del vehículo;
- expulsar (7), por una tobera (6) de expulsión dispuesta en la parte trasera del vehículo a continuación de los medios de canalización, el aire comprimido a una energía mayor que la energía del aire en la parte frontal del vehículo.
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