专利名称：脉动式喷气发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及脉动式喷气发动机及其其它方面。
背景技术：
多种设计的脉动式喷气发动机为人们所知已经超过一个世纪。通常，它们包括四分之一波长气体谐振器，在其低压阶段，燃料和空气在谐振器的压力波腹处导入。一些脉动式喷气发动机包括半波谐振器且在压力波节点或多个压力波节点处具有功率输出。
点火可以通过剩余的热废气与进入的燃料和空气的混合实现，这样一旦发动机运行就不需要其它点火系统。
这种发动机由于这种简化而显著地高效，但是由它生成的噪声级却完全不可预料并且无法很容易地消除。主要由于该原因，脉动式喷气发动机很少被使用。
液体燃料的脉动式喷气发动机很难启动，但是一旦运行，就会极高效。
近来对相关的脉动爆震喷气发动机很有兴趣，在此种发动机中，燃料/空气混合物在导致较高效率的爆震波阵面中燃烧。然而，这些并不是真正的脉动式喷气发动机，因为燃料/空气混合物针对每个脉冲导入，燃料/空气混合物通过非常仔细设计和控制的爆震引爆器单独地点燃或爆震。在脉动爆震喷气发动机中并没有四分之一波长谐振。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种脉动式喷气发动机，它克服或至少基本上减少与上面讨论的已知喷气发动机相关的缺点。
根据本发明的一个方面，提供了一种脉动式喷气发动机，包括配置成以超声波频率循环的四分之一波长气体谐振器，其中所述谐振器在其压力波腹处对气流闭合或基本上闭合。
四分之一波长气体谐振器的形式可以为管、槽或以至少一个槽连接的一系列管。
优选地，四分之一波长气体谐振器的横截面从其喷嘴端处的压力波节点到其另一端的气体压力波腹的位置显著地减小，这样在其喷嘴端处的进入的气体就经历非常显著的合流。这种气体的收敛速度可以由谐振器的壁的轮廓进行控制。
这样，在点火之前，气体的合流就会生成气流的前缘的非常有效的绝热压缩。
预混合的燃料/空气可以从外部汽化器经由围绕压力波节点的端口、谐振器的喷嘴端供给谐振器。阀作用可以通过流分离实现。排出的喷气脉冲因此就会发射而不会有围绕谐振器的喷嘴端的空气的显著拽引。
在发动机循环的低压阶段，燃料/空气混合物经由压力波节点、其喷嘴端吸入谐振器并且因为排出的喷气脉冲趋于沿其运动方向延伸，所以燃料/空气混合物将侧向流动，切有效地扫除废气。
气体/空气混合物的点燃可以配置成发生在压力波腹处或临近压力波腹由热的谐振器壁启动。
或者，发热元件可以插入谐振器壁之间以接近压力波腹启动点火。点燃后压力中的局部增高可以用于启动高速爆燃，且优选具有比同稳定爆震相关的Chapman Jouget速度更高的速度和压力。
或者，谐振器壁的收敛可以用于直接或是通过气体/空气的合流在四分之一波长谐振器端的压力波腹处的冲击和反射而生成爆震。
谐振器朝其压力波腹端的收敛可以进行适配，从而爆震可以充分稳定以引爆整个气体/空气混合物，而不管废气流朝谐振器排气喷嘴端的流动的扩张。
谐振器收敛可以保证排出的喷气脉冲将横越扩张型喷嘴。这种扩张可以配置成扩张型喷气脉冲加速围绕推力增强器罩盖中大体积的旁通空气。
发动机起动器可以包括发热元件例如电热元件，它使液体燃料在比如说燃料供给管中汽化，这样就可以生成气体燃料喷射。该喷射可以湍流的或者湍流可以通过其与电热元件的相互作用而生成。这样，气体燃料喷射的混合就可以夹带环境气体并与环境气体混合。
任何发热元件都可以用于将燃料/空气混合物加热至其自燃温度之上以生成火焰。发热元件然后可以提供有效的热的谐振器壁，这样火焰就可以保持在谐振器中。火焰和发热元件然后能够加热谐振器壁，这样火焰就可以稳定地保持在谐振器的界限之内。热将从火焰经由发热元件和谐振器壁传导至液体燃料供给管，这样燃料就继续蒸发，并且一旦对发热元件的功率切断，所生成的气体燃料喷射仍会维持。火焰就将自我保持。发动机起动器壁可以如此调整，从而火焰长度和强度将以高增益振荡，且这种振荡趋于迅速增大并且足以提供发动机的脉冲喷气操作。这可以用作简单的独立式脉动式喷气发动机或可以联结到比如说槽式四分之一波长谐振器上，该四分之一波长谐振器可以更高效地提供更大的功率。
起动器燃料供给可以是简单的轴向供给管，且在供给管的较冷部分中的液体燃料的惯性提供了在四分之一波长谐振器的气体压力波腹处的有效的气体密封。
或者，起动器燃料供给可以是来自发动机结构中汽化器的供给管并且具有足够的长度，一旦它内部的液体燃料被发动机热蒸发，管就会充分与发动机谐振不一致以致无法传递至气体。这种外部汽化器中的液体燃料会被发动机热蒸发，这样汽化器喷嘴计量气体燃料并且不需要浮子室配置。
湍流器可以配设在外部汽化器中，从而保证在燃料/空气混合物进入四分之一波长谐振器之前，燃料和空气在汽化器文丘管下游的均匀混合。
脉动式喷气发动机可以整体或部分地由陶瓷材料形成并且另一种优选的选择是部分稳定的氧化锆。
在操作中，脉动式喷气发动机将其功率的很大一部分转换成声音，该声音如果不危险的话，听起来也非常令人不愉快。尽管它们的简单和低成本，该特性使它们完全不能接受作为通用的动力装置。在比20千赫兹更高频率的振动无法由人耳察觉并且定义为超声波。如果发动机循环频率大于20千赫兹，即，超声波，发动机对人耳就变得沉默无声。除无声操作外，超声波循环频率的使用具有重要的应用结果。
对于给定的功率，内燃机的工作容积与其循环频率成倒数地减小。在比如说30千赫兹下超声波地操作的脉动式喷气发动机将比在50赫兹下操作的传统脉动式喷气发动机小六百倍。四分之一波长将小于10毫米，因此发动机将极其紧凑和轻便并且具有相当高的功率重量比。
超声波脉动式喷气发动机非常小的事实意味着它可以完全地罩盖而没有很大的重量和阻力恶化。高速气体脉冲可以用于加速罩盖内的大体积的旁通空气，这样就可以极大地提高推力和改进气动效率。
因为非常高的旁路比是可能的并且需要喷气排气和旁通空气的均匀混合来实现这一点，所以带罩盖的超声波脉动式喷气发动机的废气温度接近环境，导致通常使用中更加安全的操作。
加速任意罩盖内旁通空气的过程还充当由发动机生成的超声波的高效消音器。尽管在发动机内存在极高的超声波级别，任意罩盖或旁通空气将显著地降低废气中的级别。
另外，声音在空气中的衰减与声音频率的平方成正比。在上文引用的实例中，所有逃逸超声波的衰减将比传统内燃机大二十五万倍。因此，对于具有高频听力范围的动物或野生动物而言，就比人类受到稍长范围的声输出的骚扰。事实上，依照本发明的超声波脉动式喷气发动机应该基本上是无声的。
另外，超声波脉动式喷气发动机主要是具有谐振能的四分之一波长谐振器，谐振能在输出的喷气脉冲的动能、进入的燃料/空气混合物的动能和静止的压缩燃料/空气混合物在点火之前的势能之间循环。喷气输出中的能量损失由燃料燃烧匹配。谐振能量的循环转换提供了发动机循环的高效操作。
四分之一波长谐振器的横截面从其排气喷嘴出的气体压力波节点向相对的气体压力波腹减小，藉此流入的燃料/空气混合物经历合流。谐振器壁的轮廓提供了收敛率沿着谐振器在每个点处的非常精确的控制。如果横截面积中的减小比相当大，流入的气体的前缘就有相当大的绝热压缩。这种预压缩导致热力效率的显著提高。
如果谐振器的形式为管，它的长度可以在4-10毫米的范围中以实现超声波操作。管的直径可能从4毫米减少到0.1毫米，且横截面积的减小为1600∶1。假定在谐振器的排气喷嘴端的入口处的燃料/空气混合物压力为1巴，通过这种收敛的绝热压缩，在谐振器的另一端的压力波腹处的压力可以超过20巴。该压缩比可以与活塞或蜗轮喷气发动机相比。收敛速度可以通过四分之一波长谐振器的轮廓紧密地控制并且这对所实现的压缩比、燃烧方式和排出的喷气脉冲的扩张很重要。
本发明的另一个方面在于一种喷气发动机，包括具有壁的燃烧室，所述壁在发动机的使用中被加热或可加热至足以点燃或增强到燃烧室的燃料供给的点燃的温度。优选地，发动机为超声波脉动式喷气发动机，它可以包含相对于本发明的一个方面如上所述的一个或多个改进。
为了更完全地理解本发明，现在将通过实例并参照附图描述超声波脉动式喷气发动机的实施例，其中图1是超声波脉动式喷气发动机的第一实施例的四分之一波长气体谐振器的图解透视图；图2是超声波脉动式喷气发动机的第二实施例的四分之一波长气体谐振器的图解透视图；图2A是图2中所示谐振器的剖面图；图3是超声波脉动式喷气发动机的第三实施例的多个四分之一波长气体谐振器的图解透视图；图4是类似于图3但是具有多个连在一起的谐振器的超声波脉动式喷气发动机的第四实施例的图解透视图；图4A是图4中所示谐振器之一的剖面图；
图5是同样具有多个连在一起的谐振器的超声波脉动式喷气发动机的第五实施例的图解透视图；图5A是图5中所示谐振器之一的剖面图；图6A是使用热壁点火的图示超声波脉动式喷气发动机的第六实施例；图6B是使用发热元件点火的超声波脉动式喷气发动机的第七实施例的图解视图；图6C是显示爆震波点火的超声波脉动式喷气发动机的第八实施例的图解视图；图7A和7B是用于超声波脉动式喷气发动机的第九实施例的起动器的各自的图解正交剖面图；图7C是超声波脉动式喷气发动机的第十实施例的燃料供给配置的图解视图；图8A和8B是超声波脉动式喷气发动机的第十一实施例的吸入和排气模式的各自示意性视图；并且图8C是使用爆震点火的超声波脉动式喷气发动机的第十二实施例的图解视图。
具体实施例方式
首先参见附图的图1，超声波脉动式喷气发动机的第一实施例包括四分之一波长气体谐振器1，其形式为管2，管2具有缩小的环形横截面以从其较宽压力波节点端的喷嘴3收敛至其另一端的闭合压力波腹4。管2的横截面可以是三角形、正方形、矩形或任何其它适当的形状，该形状可以沿其长度变化。谐振器管2的缩小横截面的会聚可以是很宽范围的轮廓中的任一种。然而，无论谐振器管2具有怎样的特定轮廓，它提供了相对较小的工作容积，该工作容积趋于限制发动机可以实现的功率。可以使用许多独立的谐振器管2，但是更适当的配置是槽横截面的谐振器，例如在图2中总体上以2所示的谐振器。
在图2和图2A中所示的超声波脉动式喷气发动机的该第二实施例中，四分之一波长气体谐振器21的形式为闭环的环形槽22，包括在其压力波节点端处的环形喷气排气孔23，喷气排气孔缩小以收敛至闭合的压力波腹24。图2A中显示了槽22的剖面图。
该第二实施例提供了大得多的工作容积。然而，任意适当的槽形谐振器例如线形槽形谐振器可以是适当的。然而，该特定配置的缺点是由于环形谐振器槽22的横截面的缩小导致的进入的燃料/空气混合物的收敛会由两维有效地降低至一维。这对可以在闭合的压力波腹24处实现的燃料/空气混合物的绝热压缩比具有影响。
在图3中所示的超声波脉动式喷气发动机的第三实施例中显示了折中解决方案，其中多个平行的收敛横截面的谐振器31由槽32部分公用而连在一起，其中槽32由谐振器31的喷嘴33有效地形成并且形成发动机的总喷嘴35。每个谐振器31在其气体压力波腹34处具有极大缩小的横截面。
可选或附加的联结可以通过使用小孔管46相互连接超声波脉动式喷气发动机的第四实施例的压力波腹44实现，如图4和4A所示。这具有下列优点热气可以沿着管46传播至管状谐振器41的压力波腹44，因此比上文相对于图3所述的发动机的第三实施例更迅速地点燃燃料/空气混合物和启动邻近的谐振器41。在该实施例中，每个四分之一波长发生器41同样具有喷嘴43，喷嘴43与其它喷嘴43一致形成发动机的总喷嘴45。
另外一种可选方案是在邻近的管状谐振器51的隔墙52中提供狭缝56，如图5和图5A的第五实施例中所示。这样，狭缝56与上文相对于图4和图4A所述的第四实施例的管46执行基本上相同的功能，即提供紧凑的大功率超声波脉动式喷气发动机，用单个起动器，这种大功率超声波脉动式喷气发动机可以提供更高的压缩比，用于通过经由上文相对于图4和图4A和图5和图5A所述的一个或多个谐振器联结配置在四分之一波长波腹54附近启动起动气体振荡。
至今为止所有已知的脉冲喷气式发动机都具有发动机的燃料供给，且燃料供给与将与燃料燃烧的新鲜空气分开。这就造成两个主要问题。第一，燃料/空气混合物的控制是间接的并且有些简陋。浓混合物通常用于保证燃烧，因此燃料效率不必要地低。第二，燃料/空气混合发生在燃烧室中吸入和点火之间的短暂周期内。这不足以在缓慢的循环脉冲喷气式发动机中实现完全燃烧均匀并且不可能存在于超声频率的一个循环中。这同样导致必须使用额外的浓混合物来补偿无效的燃料利用。
在依照本发明的超声波脉动式喷气发动机中，可以配设外部汽化器。
发动机热量可以用于蒸发燃料，这样汽化器喷射计量气体燃料而非液体燃料。这暗示着不需要浮子室或其等效物来保证液体燃料供给的常水头。它还暗示发动机在反向时也会同样好地运行，这就具有用于航空航天应用的优点。在汽化器下游具有多个阻塞物以保证燃料和空气在燃料/空气混合物到达谐振器之前的湍流和均匀混合。汽化器的输出可以是发动机中围绕喷嘴的部分的入口。该配置保证燃料/空气混合物以很仔细控制的化学计量并且作为极均匀的混合物供给发动机。这可能导致低的微粒排放物。
至今为止已知的脉冲喷气式发动机需要阀配置来在低压阶段吸入新鲜空气。机械阀会在传统频率下出现疲劳失效，所以非常难设计和制造这种阀来在超声波循环频率下操作。已经设计了多种有独创性的无阀脉冲喷气式发动机，其中气流中的变化构成阀配置。在依照本发明的超声波脉冲喷气式发动机中，可以使用在喷嘴处的流分离。输出喷气脉冲具有高速度并且基本上指向推力方向。因为不稳定流动和短循环周期，所以没有充分的时间来将很大体积的环境气体夹带到喷气脉冲中。在循环的随后的低压阶段，环境气体经由喷嘴吸入发动机。因为喷气脉冲的尾端仍然具有正向动量，它将优先离开发动机，用来自环境气体的径向流入代替它。这样，就可以高效地扫除废气。
在燃烧先前的气体/空气混合物之后，燃烧产物高速从喷嘴流出。这是非常不稳定的流动并且没有足够的时间来在输出的喷气脉冲和围绕的燃料和空气之间形成有效的边界层。因此，将有非常有效的流分离。
在基于该原理的先前的发动机中，环境气体只是空气。在本发明中，喷嘴可以由预混合燃料和空气围绕且没有回火进入汽化器的危险。喷气脉冲最好超过燃料/空气混合物的自燃温度，在超声循环频率下，将没有足够的时间供火焰有效地传播到燃料一空气供给中并且因此不可能回火至汽化器。例如，在30千赫兹下，循环时间将为33微秒，其喷射排放周期可以少至5微秒。层流火焰可以在该时间范围内传播2毫米并且湍流火焰可以传播0.1毫米，这两种火焰都不很显著。在启动时如果出现回火，如果需要的话，可以在汽化器和喷嘴之间装配火焰延迟器，但这未必是必要的。
燃料在可用的短时期中的燃烧提出了一种挑战。有两种解决方案。燃料可以通过爆燃或爆震进行燃烧。
层流火焰以小于1米/秒的速度移动并且湍流火焰以几十米/秒的速度移动，两种火焰中的任一种都不是足够快以消耗所有的燃料/空气混合物。碳氢化合物—空气爆震通常以大约20.00米/秒的速度移动且峰值压力为20巴并且峰值温度为2000℃。燃烧将在10毫米长的四分之一波长谐振器中持续5毫秒。强爆燃定义为比针对爆震波传播计算的Chapman Jouget速度更快移动的火焰。并没有与之相关的激震前沿并且在热力学方面，燃烧更加高效。强爆燃内的峰值压力大于ChapmanJouget爆震波并且传播速度更快。然而，强爆燃从根本上说是不稳定的，因为它们将迅速地过渡为爆震。如果对这种不稳定的控制是个大问题，仅仅在边际上以低于Chapmen Jouget速度移动的弱爆燃就是可选的但是效率更低的解决方案来燃烧燃料/空气混合物。
依照本发明的超声波脉动式喷气发动机的四分之一波长谐振器相对于输出燃烧脉冲扩张。波阵面的所生成膨胀将趋于降低它内部的压力，这又会降低传播速度。通过控制扩张度，可以控制强爆燃的稳定性，延迟进入爆震的过渡点。四分之一波长谐振器就爆燃至爆震过渡所需的正常传播距离而言还非常短。这也将助于在燃烧循环的持续时间内维持稳定性。因此，对该发动机内燃烧的最佳解决方案是使用强爆燃且仔细地控制其稳定性。
强爆燃的起始可以经由热谐振器壁，热谐振器壁到目前为止高于自燃温度，燃料/空气混合物在壁上点火实际上是瞬时的。燃料/空气混合物的流入近似无粘滞性的，因为最大边界层厚度在非稳定流中将小于0.01毫米。壁上的火焰将分层并且在发动机循环的低压阶段中在喷嘴处的传播可能小于0.005毫米。它将不会显著地点燃流入的充量。然而，当燃料/空气混合物进入四分之一波长谐振器中时，其前缘会绝热地压缩，这会升高其温度。它将迅速地超过自燃温度，但是不会发生压缩点火，因为潜伏期(latent period)对于可用的时间范围过长。
然而，火焰传播速度会以大约绝对温度的平方提高。热传导太慢不会对超声波循环速度产生影响并且空气对来自壁上的辐射基本上透明。然而，由于绝热压缩造成的温度升高是很显著的。来自壁的红外辐射将由燃料吸收并且可以导致燃料分子的部分热解，这会使燃料倾向于点燃并且将提高火焰速度。在收敛的四分之一波长谐振器中存在一个点，在该点处充量的很大部分由于壁的点火而燃烧。这会局部地提高压力，而这又会提高燃料/空气混合物的绝热压缩。这还将提高火焰速度并因此提高局部压力。将存在局部化的失控燃烧，这将极大地提高局部压力。事实上，这会高至启动强爆燃。可以达到40巴或更高的压力。这可能发生在小于1毫米的轴向长度上。该压力显著大于Chapman Jouget爆震中的压力并且将导致强爆燃。
图6A中示意性地显示了该状态。在62处显示了四分之一波长气体谐振器61的壁的缩小的横截面。进入的燃料/空气混合物会在四分之一波长谐振器的壁62处生成慢延火焰66。在谐振器61的压力波腹64附近的给定位置67处，来自壁62的热会导致燃料/空气混合物的失控点火，这会生成远离压力波腹64的输出强爆燃68。
可能希望在四分之一波长谐振器末端的压力波腹64处具有小气体存储器69。尽管排气扫气良好，但是在谐振器61中仍留有少量废气。很重要的一点是燃料/空气混合物到达点火位置67，所以该存储器69可以接受剩余的废气。它可以便利的是与图4中的联结管46类似的配置。
虽然通过壁62点火是优选的点火方式，在由金属制造的发动机中，壁62必须被冷却以保持其完整性。在这种状态中，可以使用例如图6B中77处所示的发热元件，该发热元件被发动机气体加热。在图6B中，以“7”为前缀的部件大体上与图6A中以“6”为前缀的部件。
虽然强爆燃是燃烧的最佳选项，但是爆震波也是另一种可选方案。槽的收敛将小于强爆燃的起动所用的收敛，这样先期点火就不是问题。
四分之一波长谐振器的封闭端优选为平面的并且进入的燃料/空气混合物将迅速地变为超音速的。由于四分之一波长谐振器的壁的收敛，可以形成进入的激震前沿。如果这样，收敛的激震前沿的强度将依照r-0.8增强。如果激震前沿形成在1.5毫米的半径处并且四分之一波长谐振器终止在0.25毫米的半径处，冲击强度将为4。冲击将被端壁反射，端壁可以提供多达倍数为6的增强或冲击强度为24。启动爆震波所需要强度为20。
进入流可能不具有充足的时间来形成激震前沿，但是在四分之一波长谐振器的端壁上冲击的高速气流最可能将形成激震前沿。其强度应该足以启动爆震。燃料由来自四分之一波长谐振器壁的红外辐射造成的部分热解将放宽爆震的条件。壁的收敛可以优化以生成强冲击。端壁可以是多面的以强化由多个反射的冲击或是凹陷以通过反射上的收敛进一步提高它。
图6C中示意性地显示了该状态。进入的燃料/空气混合物再次在壁82处启动慢延火焰86，但是谐振器的横截面对于这些火焰86足够大而不会促成点火。在谐振器81的压力波腹端处具有来自端壁89的反射以在87处生成输出的爆震波88。在这种情形下不需要用于残留废气的存储器。
燃料/空气混合物在谐振器的压力波腹的合流可以导致混合物的绝热压缩，这足以点燃混合物，能够作为可选的点火方法。该压缩可以通过进入的燃料/空气混合物的流在压力波腹处的反射增强。
液体燃料的脉冲喷气式发动机非常难于起动。在依照本发明的发动机中，可以部分地在液体燃料供给管中并且部分地在四分之一波长谐振器中使用电热元件。在使电流经过电热元件时，供给管中的液体燃料被加热至沸点。这样形成的气体燃料的体积就由燃料供给管校准以在谐振器中形成燃气喷射。它可以配置成喷射固有地为湍流或者可以通过与位于四分之一波长谐振器中的电热元件部分相互作用而形成湍流。湍流燃气喷射将夹带邻近的空气以形成燃料/空气混合物。电热元件可以将燃料/空气混合物加热超过温度的自燃温度，从而使之爆发出火焰。
火焰由于壁的热损失不会持续存在于小于给定直径的冷壁谐振器中。超声波四分之一波长谐振器将低于该最小直径。电热元件将提供有效的热壁以临时维持火焰。火焰将迅速地加热四分之一波长谐振器的壁直至温度高于在谐振器内保持火焰所需的温度。四分之一波长谐振器的壁和电热元件的尺寸使得一旦对发热元件的供电结束，由壁和电热元件传导回燃料供给管的热足以维持气体燃料在喷射中的所需流量。
在电热元件周围的四分之一波长谐振器壁设计成使火焰不稳定。小压力增大将导致火焰后退到其中收敛壁更接近地在一起的四分之一波长谐振器内得位置。由于更靠近的热壁导致的燃烧速率的增大外加源于该摄动的压力增大将导致火焰更激烈地燃烧。这反过来又会使火焰从四分之一波长谐振器膨胀并且压力降低，这两种情形都会导致火焰强度降低。通过四分之一波长谐振器壁和电热元件的正确设计，火焰振荡将迅速地提高幅度直至它作为脉动式喷气发动机操作。
这样一种起动器配置可以操作为独立式超声波脉动式喷气发动机但是功率将严格地限制并且燃料燃烧效率很低。如果发热元件和燃料供给管置于槽形四分之一波长谐振器中，来自起动器火焰的热可以将燃料汽化以起动汽化器并且可以围绕喷嘴的端口中引出燃料/空气混合物，这样发动机循环就可以真正地起动并且沿着槽迅速地传播。
燃料供给管中的液体供给将对气流密封压力波腹。
或者，液体燃料供给管可以配设在发动机中，其长度显著地大于四分之一波长谐振器的轴向长度，这样一旦发动机完全操作，它内部的燃料就会蒸发。这种燃料供给管的长度将保证，到目前为止，对于发动机谐振频率，并没有来自四分之一波长压力波腹的显著的气流。燃料的蒸发将保证对起动器火焰的无效燃料供给一旦已经实现其目的就会终止。
很容易使发动机至少部分地由陶瓷材料制造。陶瓷可以特别好地对抗高温。防高温的气密密封对发动机非常简单。陶瓷材料的低热导率消除了对大面积绝缘的需要。部分稳定化的氧化锆是可选的材料。氧化锆材料在低温张力下的强度可以用于处理发动机载荷。
图7A和7B显示了通过用于发动机的简单起动器装置的两个正交剖面图。具有以氧化锆制造的四分之一波长谐振器91，它包含在收敛的谐振器壁92的压力波节点处的喷嘴93、轴向液体燃料供给管99、由带状电阻丝制成并且点焊到低阻连接线96上的电热元件95和硅橡胶密封97。当液体燃料供给打开时，液体燃料在表面张力的作用下渗入发动机中。电热元件95打开并且这会使燃料在燃料供给管99和谐振器腔94之间的毛细管98内沸腾。现在气体燃料将形成通过喷嘴93排出的喷射100。该喷射100与带状电阻丝95中的褶皱90的相互作用将保证湍流。该湍流将夹带空气，空气起到与气体燃料生成易燃混合物和建立如图7B所示的对流101、21的两种功能，其中对流提供用于燃烧的新鲜空气。
发热元件95还会加热对流中的空气，这样燃料/空气混合物就高于其自燃温度。谐振器腔94必然具有小的横截面。它必然小于在冷的壁之间维持火焰所需的最小管直径。加热带95将提供热壁以最初在谐振器腔94内维持火焰。它还会加热谐振器壁92这样火焰就可以自我维持。
起动器配置成一旦电供给断开，足够的热会传导给毛细管98，从而以足够的速率继续使液体燃料沸腾以在谐振器91中维持火焰。谐振器腔壁92的收敛使得谐振器腔94充当非常高增益的振荡器。
如果存在压缩谐振器91内的气体的压力摄动，火焰被迫进入谐振器腔94的较狭窄部分。来自更靠近的谐振器壁92的热并且略微升高的压力将导致略高速率的燃烧，这又会生成较高的压力。这将迫使火焰向外到其中将发生反转过程的谐振器91的较宽部分。该振荡将会增强。
喷嘴93处的流分离将导致来自围绕的汽化器的空气的流入，如图8A至8C所示。来自起动器火焰的热将回馈以蒸发汽化器中的液体燃料。振荡因此将起动邻近谐振器腔93中的发动机并且振荡将传播直至整个发动机在循环。
如果谐振器腔93被侧向截去，图7A和7B中显示的配置可以充当独立式发动机。振荡可以变得具有足够的幅度以生成推力。然而，燃料和空气的混合将不是最佳的并且会牺牲效率以用于简化。
图7C显示了略微不同的配置，其中液体燃料直接由燃料供给管119通过管109侧向地供给。管109的长度显著大于谐振器腔113的长度，这样当燃料在管109中蒸发时，就不会有很多气体传递到谐振器111或由谐振器111传递出来。管109放置得比供应汽化器的管129更加远离谐振器，如图8A和8C所示，这样发动机热就可以在起动器火焰关掉之前完全蒸发汽化器燃料供给。
图8A和8B显示了穿过谐振器腔133和燃烧燃料作为强爆燃的相关汽化器的剖面图。谐振器和湍流器形成为氧化锆模132，氧化锆模132具有铝整流片131和由圆柱形铬镍铁合金板挤压的湍流器销134。氧化锆模132包含气体燃料供给槽135、汽化器喷嘴136和具有收敛的壁的谐振器腔133。铝整流片131包含进气端口137并且整流片131靠近氧化锆模132的邻近处在138处形成汽化器文氏管，并且氧化锆模132中的突变的阶梯将生成湍流以辅助燃料/空气混合。湍流器销134设置成与平均燃料和气流垂直以在进入谐振器腔133之前完成紧密的燃料/空气混合。
该起动器配置建立大的局部振荡并且源于此的发动机热将蒸发汽化器供给管135中的燃料。起动器振荡然后将燃料/空气混合物从汽化器抽吸入谐振器腔133中并且振荡幅度增大。发动机中热流的增大导致汽化器供给管135中燃料的进一步蒸发，并且振荡沿着邻近的谐振器腔133传播直至整个谐振器循环操作。
虽然废气扫气效率很高，可能需要在四分之一波长谐振器141的压力波腹端144处具有小腔室139以容纳任意剩余的废气并且使燃料/空气混合物弥漫谐振器141中至所需深度。
图8C显示了点燃燃料/空气混合物作为爆震波的发动机的类似剖面图。槽形谐振器腔153略宽，从而防止燃料/空气混合物由热的腔壁152点燃。腔153在压力波腹154处还有平面端154以反射进入的气流或冲击波，因此生成足够强度的激震前沿以点燃燃料/空气混合物作为爆震波160。
发动机可以由增强罩盖或其它相关的增强管围绕以加速旁路空气，因此增强发动机的气动效率。
权利要求
1.一种脉动式喷气发动机，包括配置成以超声波频率循环的四分之一波长气体谐振器，其中所述谐振器在其压力波腹处对气流闭合或基本上闭合。
2.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述四分之一波长气体谐振器的形状和尺寸至少部分地确定谐振器循环的超声波频率。
3.如权利要求1或2所述的发动机，其特征在于，所述四分之一波长气体谐振器至少部分由腔界定。
4.如权利要求1、2或3所述的发动机，其特征在于，所述四分之一波长气体谐振器包括管。
5.如上述权利要求中的任一项所述的发动机，其特征在于，包括多个联结在一起的谐振器。
6.如权利要求5所述的发动机，其特征在于，多个联结的谐振器的形状为线形。
7.如权利要求5所述的发动机，其特征在于，多个联结的谐振器的形状为弓形。
8.如权利要求7所述的发动机，其特征在于，多个联结的谐振器的形状为圆形。
9.如权利要求5至8中的任一项所述的发动机，其特征在于，所述谐振器通过部分共用而联结在一起。
10.如权利要求5至8中的任一项所述的发动机，其特征在于，所述谐振器通过一个或多个管联结在一起。
11.如权利要求5至8中的任一项所述的发动机，其特征在于，所述谐振器通过一个或多个缝连在一起。
12.如权利要求1、2或3所述的发动机，其特征在于，所述谐振器包括槽。
13.如权利要求12所述的发动机，其特征在于，所述槽的形状为线形。
14.如权利要求12所述的发动机，其特征在于，所述槽的形状为弓形。
15.如权利要求12所述的发动机，其特征在于，所述槽为闭环。
16.如权利要求15所述的发动机，其特征在于，所述槽的形状为圆形。
17.如上述权利要求中的任一项所述的发动机，其特征在于，所述谐振器的横截面从谐振器的压力波节点向压力波腹减小。
18.如权利要求17所述的发动机，其特征在于，在发动机的使用中，谐振器从压力波节点到压力波腹的横截面的减小和燃料/空气混合物在谐振器的压力波腹处或其附近所生成的绝热压缩被配置成导致燃料/空气混合物的爆燃，其中燃料/空气混合物具有的速度大于ChapmanJouget爆震波的速度。
19.如权利要求18所述的发动机，其特征在于，在发动机的使用中，燃料/空气混合物的爆燃稳定性取决于谐振器的横截面从压力波腹到其压力波节点的增大。
20.如权利要求17、18或19所述的发动机，其特征在于，在发动机的使用中，从谐振器的压力波节点到压力波腹的横截面的减小导致燃料/空气混合物的合流在压力波腹处或其临近处生成绝热压缩。
21.如权利要求20所述的发动机，其特征在于，燃料/空气混合物在谐振器的压力波腹处或其临近处的所述绝热压缩足以增强或导致所述混合物的压缩点火。
22.如上述权利要求中的任一项所述的发动机，其特征在于，在发动机的使用中，谐振器壁的温度足够高以增强或导致燃料/空气混合物在谐振器的压力波腹处或其临近处的点燃。
23.如上述任一项权利要求所述的发动机，其特征在于，包括在谐振器的压力波腹处或其临近处的燃料/空气混合物点火器。
24.如权利要求23所述的发动机，其特征在于，所述点火器包括陶瓷或贵金属材料。
25.如权利要求17所述的发动机，其特征在于，在发动机的使用中，谐振器的横截面从压力波节点到其压力波腹的减小被配置成导致燃料/空气混合物的超音速流动并且形成收敛的激震前沿。
26.如权利要求25所述的发动机，其特征在于，在发动机的使用中，这样形成的收敛的激震前沿的冲击强度通过该前沿在谐振器的压力波腹处的反射提高，因此导致燃料/空气混合物作为爆震波点燃。
27.如权利要求17所述的发动机，其特征在于，在发动机的使用中，谐振器的横截面从压力波节点到其压力波腹的减小被配置成使燃料/空气混合物加速并且在其压力波腹处冲击谐振器以生成返回的激震前沿，其具有足够的强度以导致燃料/空气混合物作为爆震波点燃。
28.如上述任一项权利要求所述的发动机，其特征在于，还包括配置成汽化液体燃料以在谐振器中生成气体燃料喷射的发热元件。
29.如权利要求28所述的发动机，其特征在于，还包括配置成导致在气体燃料喷射中产生湍流的装置。
30.如权利要求29所述的发动机，其特征在于，包括配置成使所生成的湍流气体燃料喷射与空气混合的装置。
31.如权利要求30所述的发动机，其特征在于，还包括配置成将所生成的气体燃料和空气的混合物加热至其自燃温度之上的装置，以提供起动器火焰。
32.如权利要求31所述的发动机，其特征在于，所述发热元件配置成补偿谐振器的壁的热损失以维持起动器火焰。
33.如权利要求32所述的发动机，其特征在于，包括配置成在发动机的使用中导致起动器火焰将谐振器的壁和发热元件加热至使液体燃料蒸发以维持和增强起动器火焰尺寸的程度的装置。
34.如权利要求31、32或33所述的发动机，其特征在于，所述谐振器配置成使起动器火焰以高增益振荡，藉此所生成的起动器火焰的振荡的幅度就足以启动发动机。
35.如权利要求28至34中的任一项所述的发动机，其特征在于，所述液体燃料提供谐振器在其压力波腹处的闭合。
36.如权利要求28至35中的任一项所述的发动机，其特征在于，包括液体燃料供给管，所述液体燃料供给管比槽形谐振器的轴向长度更长。
37.如权利要求36所述的发动机，其特征在于，所述液体燃料供给管延伸到谐振器中远离其气体压力波腹的端部中。
38.如上述权利要求中的任一项所述的发动机，其特征在于，包括配置成增强燃料和空气的混合的湍流器装置。
39.如上述权利要求中的任一项所述的发动机，其特征在于，至少谐振器是由陶瓷材料诸如氧化锆制成的。
40.如上述权利要求中的任一项所述的发动机，其特征在于，包括增强器装置。
41.一种喷气发动机，包括具有壁的燃烧室，所述壁在发动机的使用中被加热或可加热至足以点燃或增强到燃烧室的燃料供给的点燃的温度。
42.如权利要求41所述的发动机，其特征在于，所述发动机为脉动式喷气发动机。
43.如权利要求42所述的发动机，其特征在于，所述发动机为超声波脉动式喷气发动机。
全文摘要
一种脉动式喷气发动机，包括配置成以超声波频率循环的四分之一波长气体谐振器(1)，其特征在于，所述谐振器在器压力波腹(4)处对气流闭合或基本上闭合。四分之一波长气体谐振器(1)的形状和尺寸至少部分地确定谐振器(1)循环的超声波频率。
文档编号F02K7/04GK1961142SQ200580017643
公开日2007年5月9日 申请日期2005年5月3日 优先权日2004年4月30日
发明者威廉·安东尼·德纳 申请人:威廉·安东尼·德纳