用于引燃气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物的系统和方法

专利名称：用于引燃气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物的系统和方法
技术领域：
本发明主要地涉及用于引燃气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物的系 统和方法。具体而言，本发明涉及控制在管状结构内流动的气态或者扩散 式燃料-氧化剂混合物的引爆。
背景技术：
用于引燃气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物的现有系统和方法效率
低、成本高并且常常有危险。在内燃引擎中使用的现^a^于火花塞的引燃 技术在燃烧循环之后会在此类引擎的汽缸中留有未用燃料并且需要使用 催化转换器将有毒的燃烧副产物转换成更安全的但是仍然造成向大气中 排放危险污染物的副产物。另外，火花塞随时间而性能降级，逸造成燃烧 效率越来越低并且因此燃料里程数越来越低而污染越来越大。因此希望有 一种用于在内燃引擎中引燃燃料-氧化剂混合物的改进系统和方法。
主要为了在飞机和火箭引擎中使用而正在开发的脉冲引爆引擎技术 有望提供比内燃引擎高得多的性能。然而，在这样的脉冲引爆引擎中有使 用的燃料-氧化剂混合物引燃方法需要使用有危险并且成本高的燃料-氧 化剂混合物和大量能量以实现引爆。另夕卜，在这样的引擎中产生的引爆的 定时和量值由于正在部署的引燃方法的限制而难以控制。这样，也希望有 一种用于在脉冲引爆引擎中引燃燃料-氧化剂混合物的改进系统和方法。

发明内容
简而言之，本发明是一种用于引燃气态或者扩散式燃料-氧化剂混合 物的改进系统和方法。以所需流速将具有所需燃烧特征的燃料-氧化剂混 合物引入管状结构中。在一个示例实施例中，管状结构包括具有指定长度
和直径的引爆器。通it^引燃点处在流动的燃料-氧化剂混合物内引入火 花在引爆器内引燃流动的燃料-氧化剂混合物。所得的引爆冲激继续引燃 从引燃点到引爆器的退出端的流动燃料-氧化剂混合物。可以选择燃料-氧 化剂混合物的燃烧特征和流速以控制引爆冲激的能量。
本发明提供一种用于引燃气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物的方 法，该方法包括以下步骤在具有填充点和开放端的引爆器的引爆器管内 的引燃点放置引燃器；向填充点供应退出开放端的气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物； 以及使用引燃器来引燃流动的气态或者扩散式燃料-氧化 剂混合物以产生从引燃点向引爆器管的开放端传播的引爆冲激。可以在引 爆管内部在引燃点之前或者在引燃点之后放置例如止回阀这样的阀。引爆 冲激可以供应到引爆管、内燃引擎或者脉冲引爆引擎。可以基于引爆管的
氧化剂的质量比。气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物可以是乙烷、甲烷、 丙烷、氢、丁烷、乙醇、乙炔、MAPP气体、汽油和航空燃料或者一些 组合。燃料也可以是任何石油馏出物如石脑油、矿物油、煤油或者柴油或 者更复杂的原料如苯或者DEET。可以使用触发机构、固定逻辑或者控制 处理器来控制引燃器的定时。
本发明提供一种用于引燃气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物的系 统，该系统包括引爆器和燃料-氧化剂混合物供应子系统。引爆器包括 具有填充点和开放端的引爆器管;以;5Ut置于引爆器管内引燃点处的引燃 器。燃料-氧化剂混合物供应子系统向引爆器管的填充点供应流过引爆器 管并且从其开放端退出的气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物。引燃器在 气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物流过引爆器管之时引燃气态或者扩散 式燃料-氧化剂混合物，由此在引燃点产生向引爆器管的开放端传播的引 爆冲激。该系统可以包括位于引爆管内部在引燃点之前或者在引燃点之后 的阀、比如止回阀。该系统可以包括控制引燃器定时的定时控制机构。定 时控制^可以A)Si发机构、固定逻辑或者控制处理器。引燃器可以是高 电压脉冲源、受触发火花隙源、激光器或者爆丝。
本发明也提供一种包括引爆器管的引爆器，该引爆器管具有填充点和开放端以M置于所述引爆器管内引燃点处的引燃器。向引爆管的填充点 供应流过引爆器管并且从其开放端退出的气态或者扩散式燃料-氧化剂混 合物。引燃器在气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物流过引爆器管之时因 绕气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物，由此在引燃点产生向引爆器管的 开放端传播的引爆冲激。引爆器可以包括位于引爆管内部的阀，比如止回 阀。


参照附图描述本发明。在附图中，相似的标号表示相同或者功能相似 的元件。此外，标号最左边的数字标识该标号首次出现的附图。
图1A图示了一个示例现有技术引爆管，该引爆管具有分离的燃料供 应和氧化剂供应、以及在管已经填充之后在管的闭合端引燃燃料-氧化剂 混合物的火花塞；
图1B图示了第二示例现有技术引爆管，该引爆管具有燃料-氧化剂供 应、以及在管已经填充之后在管的闭合端引燃燃料-氧化剂混合物的火花
塞；
图2A图示了本发明的一个示例引爆管，该引爆管具有从燃料-氧化剂 混合物供应接收燃料-氧化剂混合物并且在燃料-氧化剂混合物流入管中 时引燃燃料-氧化剂混合物的引爆器；
图2B描绘了通it^气体混合物的流内产生电弧来工作的本发明引爆 器的第一实施例；
图2C描绘了与图2B中所示引爆器相似的本发明引爆器的第二实施 例，不同之处在于它包括分叉到主管中的两个导体从而使火花长度随着它 行进到主引爆管中而增加；
图3A描绘了本发明引爆器的另一实施例的端视图3B描绘了图3A的引爆器的侧视图3C描绘了本发明引爆器的一个示例实施例，该引爆器包括用来控 制所供应的燃料-氧化剂混合物的流量的止回阀，其中止回阀放置于引爆 器管中引燃点之前；
图3D描绘了本发明引爆器的一个示例实施例，该引爆器包括用来控 制所供应的燃料-氧化剂混合物的流量的止回阀，其中止回阀放置于引爆器管中引燃点之后；
图3E描绘了可以与图3C和3D中所示本发明引爆器的示例实施例 一起〗吏用的一个示例止回阀；
图4描绘了一个示例逐级引爆管组合，由此直径越来越大的管组合用 来放大引爆波；
图5描绘了直径跨it^大引爆波的管的长度而增加的一个示例引爆
管；
图6图示了管外围逐渐收缩、然后逐渐扩大的管；
图7A描绘了并排的第一引爆管和第二引爆管；
图7B描绘了布置为使得引爆管组合的更大引爆管相互接触的四个引 爆管组合；
图7C描绘了直径扩大的三个引爆管；
图7D描绘了布置为类似于六边形结构的七个引爆管；
图7E描绘了以圆形方式布置的十二个引爆管；
图8描绘了具有第一直径的三个引爆管连接到具有第二更大直径的 更大引爆管以放大由更小管生成的组合脉冲的侧视图9提供了单独引爆管的点燃定时如何在远场中的单点处聚焦功率 的图解；
图10描绘了引爆4个引爆管的稀疏阵列以便引导过压波使得它们在 所需位置组合；
图11描绘了引爆4组引爆管的稀疏阵列以便引导过压波使得它们在 所需位置组合；
图12图示了将7个引爆管的六边形子阵列高效打包成共计224个引 爆管的组合阵列的一个例子；
图13A-13L描绘了在常规四冲程(奥托循环)引擎的每一工作循环 中在两次曲柄旋转过程中出现的进料、压缩、燃烧和排气冲程；
图14描绘了使用本发明的引爆器来引燃燃料-氧化剂混合物的图 13A-13L四冲程(奥托循环)引擎的燃烧冲程的开始；
图15描绘了使用本发明的两个引爆器的一个示例汪克尔引擎；图16描绘了具有使用本发明引爆器的四个脉冲引爆引擎的飞机翼的
横截面图17描绘了以使用本发明引爆器的多个脉冲引爆引擎为^ftb的一个 示例涡轮；以及
图18描绘了可以用来为火箭提供推进的使用本发明引爆器的脉冲引 爆引擎的一个示例布置。
具体实施例方式
现在将参照其中示出本发明示例实施例的附图更完全地具体描述本 发明。然而，本发明不应理解为限于这里阐述的实施例；实际上，4C供实 施例是为了使本公开将是透彻和完整的并且将向本领域技术人员完全地 传达本发明的范围。相似的标号通篇指代相似的元件。
本发明提供一种用于生成和控制也称为声波或者声脉冲的过压波的 改进系统和方法。示例过压波可以通过它们在0.1Hz到30KHz范围中的 频率来表征。该系统的^l是在一端开放的管内引燃高能量、可爆炸气态 或者扩散式燃料空气或者燃料氧气混合物，其中可以使用多种可燃燃料中 的任一种，包括乙烷、曱烷、丙烷、氢、丁烷、乙醇、乙炔、MAPP气 体、汽油和航空燃料。燃料也可以是任何石油馏出物如石脑油、矿物油、 煤油或者柴油或者更复杂的原料如苯或者DEET。气体混合物在管的闭合 端引爆，itit成引爆波沿着管的长度传播，其中引爆端和引爆波作为it^ 波退出管的开放端。管在这里称为引爆管，而引爆波在这里称为引爆脉冲 或者冲激。
本发明第一个实施例包括至少一种引爆管装置和用于控制引爆定时 的定时控制^J。引爆管装置包括至少一个引爆管、至少一个引爆器和燃 料-氧化剂混合物供应子系统。 一个或者多个引爆器可以与给定的引爆管 一起使用，而引爆器可以与多个引爆管一起使用。 一个或者多个火花引发 器与一个或者多个引爆器关联，其中单个火花引发器可在可以并联或者串 联的多个引爆管中引发火花，而多个火花引发器可以在单个引爆管中引发 火花。定时控制机构控制一个或者多个引发器的定时。
火花引发器可以是高电压脉冲源。作为对高电压脉冲源的一种替代， 受触发火花隙方式可以用作火花引发器。用于火花引发器的其它替代包括 激光器和爆丝。定时控制机构可以是简易触发机构、固定逻辑或者是更复杂的控制处 理器。控制处理器也可以用来控制燃料-氧化剂混合物供应子系统的可变 M或者这样的^可以固定。
燃料-氧化剂混合物供应子系统维持燃料-氧化剂混合物的燃料与氧 化剂的所需质量比和燃料-氧化剂混合物的所需流速。可以根据引爆器的 长度和直径特征来选择所需燃料与氧化剂之比和流速以实现所需引爆特
征。例如， 一个实施例将丙烷-空气燃料-氧化剂混合物、5.5的质量比和 50升/分钟的流速用于长度为l，，而直径为V4，，和由聚四氟乙烯制成、具有 第一引爆管的引爆器，该第一引爆管由不锈钢制成、长度为9"并且直径 从连接到引爆器的一端为0.8"到连接到第二引爆管的一端为0.65"逐渐 变小，该第二引爆管由钛制成、长度为32"而直径为3"。取而代之，第 一引导管可以具有0.8"的恒定直径。
商用质量流量控制阀技术可以用来控制燃料-氧化剂混合物的燃料与 氧化剂的质量比和燃料-氧化剂混合物的流速。取而代之，商用技术可以 用来测量进入燃料-氧化剂混合物混合装置中的氧化剂的质量流量，而精 确的氧化剂质量流量测量可以用来控制质量流量控制阀以调节为了实现 燃料-氧化剂混合物的燃料与氧化剂的所需质量比而需要的燃料的质量流 量。
在流动的燃料-氧化剂混合物内的引爆
现有技术的气体引爆系统需要长管或者高度可引爆的气体混合物如
氧气和氢气以便产生引爆。否则它们将仅为"可爆燃"，这是一个緩慢而几
乎静默的过程。对照而言，本发明的一个方面提M使用适度爆炸气体混
合物(如丙烷和空气)在长度如一英尺那样短而直径为2英寸的管内产生
短的高强度声脉冲的能力。与现有技术的系统不同，本发明的这一方面实
施于如下示例系统中，该系统使电弧穿itxt其中将发生引爆的管进行填充
的气体和氧化剂混合物的流动(或者移动)流。当管基本上充满时，在管
中的填充点处流动气体内引发快速火花，这触发了管内部所有气体的后续
引爆。取而代之，可以通过激光(器)或者通过根据本发明的任何其它适 当引燃和引爆方法来引爆流动气体。在流动气体技术内的这一引燃在与引
了产生引爆而需要的管长度。另外，根据本发明这一方面的引爆需要1 焦耳级的能量以引爆燃料-氧化剂混合物，而现有技术的系统可能需要100 焦耳到1000焦耳能量以实现引爆。这一方法的更多合乎需要的结果是在电弧触发与声波从管的后续发射之间时间的不确定性减少以及引爆脉冲 量值的可重复性。这样，根据本发明这一方面的引爆器实现了对过压波的 精确定时和量值控制。
图1A描绘了现有技术引爆系统的侧视图。引爆管100具有分开的燃 料供应102和氧化剂供应104,该燃料供应102和氧化剂供应104在向引 爆管100填充燃料-氧化剂混合物106的填充时段中开放。在填充时段之 后，燃料供应102和氧化剂供应104关闭，而在所需时间通过高压线108 向火花塞110施加引燃燃料-氧化剂混合物106的放电，这造成引爆波沿 着引爆管100的长度传播并且退出它的开放端112。类似地，图1B描绘 了另 一现有技术引爆系统的侧视图，其中引爆管100具有在向引爆管100
105。在填充时段后，燃料-氧化剂混合物供应105关闭，而在所需时间通 过高压线108向火花塞110施加引燃燃料-氧化剂混合物106的放电，这 造成引爆波沿着引爆管100的长度传播并且退出它的开放端112。
图2A描绘了经由引爆器114由燃料-混合物供应105供应的本发明过 压波生成器11的引爆管100，其中火花在燃料-氧化剂混合物106内引燃 而向引爆管100填充燃料-氧化剂混合物106， itit成引爆波沿着引爆管 100的长度传播并且退出它的开放端112。在一个实施例中，在流动的燃 料-氧化剂混合物内的引燃过程中维持适当的燃料-氧化剂混合物itil。已 经发现在相当的流量范围中5^il越高则引爆波的演变越快。因此， 一个示 例实施例使用高的流速。对于给定的火花能量，某一流速限定流速的实际 上限。在一个实施例中，馈给引爆管的管道系统(tubing)在临界半径以 下以防止引爆回进到燃料-氧化剂混合物供应。例如， 一个实施例使用直 径为V4"的管道系统以防止这样的回闪(flashback)而又呈现对气流的 低阻力。例如，具有直径为V4"的钻孔的l，，长的引爆器可以在以50升/ 分钟流动的MAPP气体-空气混合物内使用1焦耳火花来实现引爆。
在图2A中也示出了可选的辅助燃料-氧化剂混合物供应105，。 一个 或者多个辅助燃料-氧化剂混合物供应105，可以用来加速对大型引爆管 (或者管组合)的填充。利用一种方式， 一个或者多个辅助燃料-氧化剂 混合物供应105，用来加速与(主要)燃料-氧化物混合物供应105并行的 对引爆管100的填充，使得引爆器114可以引燃在所需力tit的流动燃料-氧化剂混合物。利用另一方式，燃料-氧化剂混合物供应105可以在流动 的燃料-氧化剂混合物被引燃之前在第一更高速率向引爆管供料、然后改变成第二速率。在又一方式中，辅助燃料-氧化剂混合物供应105/将与燃 料-氧化剂混合物供应105供应到引爆器114中的燃料-氧化剂混合物106 不同的燃料-氧化剂混合物106，(在图2A中未图示)供应到引爆管100 中。
对于某些燃料，可能有必要加热燃料-氧化剂混合物以便实现引爆。 取决于引爆管的点燃速率，可能有必要冷却引爆管。在本发明第一个优选 实施例之下，燃料-氧化剂混合物供应105 (和/或105，)包括与引爆管接 触、用以将热量从引爆管传送到燃料-氧化剂混合物的至少一个热交换装 置(未图示)。热交换装置可以采用各种公知形式中的任何形式，比如从 一端到另 一端在引爆管周围螺旋的小型管道系统，其中螺线的紧密度可以 恒定或者可以沿着引爆管的长度而变化。另 一示例热交换器方式让引爆管 由包封容器(containment vessel)包围，使得在与引爆管接触的包封容器 内的燃料-氧化剂混合物从引爆管吸热。取而代之，可以使用独立于燃料-氧化剂混合物供应105的热交换器装置，在该情况下可使用除了燃料-氧 化剂混合物之外例如(如水等)液体或者珪这样的一些物质从引爆管吸热。 取而代之，其它热源可以用来加热燃料-氧化剂混合物。 一般而言，各种 公知技术可以用来冷却引爆管和/或加热燃料-氧化剂混合物，包括将热从 引爆管传送到燃料-氧化剂混合物的方法。
图2B描绘了通it^可引爆气体混合物的流内产生电弧来工作的本发 明引爆器的第一实施例。例如图2B中所示，经由引爆器114的填充点208 将具有恰当可引爆比率的可燃气体和氧化剂的气体混合物106传递到引 爆管100中。当管基本上充满时，在高电压脉冲输入214触发高电压线 108以使火花212跨棵线210出现并且穿过;iL^引爆管100中的气体混合 物106，从而引发气体在引爆管100中的引爆。定时控制M 216控制对 高电压脉冲的触发。
图2C描绘了也通it^可引爆气体混合物的流内产生电弧来工作的本 发明引爆器的第二实施例。如图2C中所示，经由引爆器114的填充点208 将具有恰当可引爆比率的可燃气体和氧化剂的气体混合物106传递到引 爆管100中。当管基本上充满时，在高电压脉冲输入214触发高电压线 108以使火花212跨棵线210出现并且穿过$"引爆管100中的气体混合 物106，从而引发气体在引爆管100中的引爆。在这一变形中，在引爆器 114内引发火花、然后它通过流动气体沿着两个分叉导体快速扫入引爆管 100中，火花的长度随着它行进到引爆管100中而增加。当在小的缝隙中引发火花时，它产生稳定的低阻抗区域，该区域能够传导同一电压电力跨
过大得多的缝隙。取而代之，线210可以并联但是一起略微更靠近地弯曲 以保证火花在引爆器114内部开始。
图3A和3B提供了本发明的过压波生成器11的一个示例实施例的端 视图和侧视图。如图3A和3B中所示，引爆器114包括围绕引爆器管304 的绝缘汽釭302。电极306从绝缘汽缸302的侧面插入并且连接到高电压 线108。引爆器管304在填充点208连接到燃料-氧化剂混合物供应105(图 3B中所示)而在它的相对开放端310连接到引爆管100。如图3B中所示， 气体混合物106经由引爆器114的填充点208传递到引爆管304中、然后 流出它的开放端310输出到引爆管100中。当引爆管10实质上充满时， 触发高电压线108以使火花212跨电极306出现，由此引燃气体混合物 106并且在引燃点产生引爆冲激，该引爆冲激从引燃点经过i"引爆器管 304中的气体混合物106传播到引爆器114的开放端310以引发气体在引 爆管100中的引爆。在图3B中也示出了恰在引爆管100的闭合端以内的 Shchelkin螺线308。 Shchelkin螺线308作为爆燃到引爆的转变(DDT) 增强器件在本领域中是公知的。在本发明的一个示例实施例中，Shchelkin 螺线308具有10匝、长度为7"并且使用在它的基部(闭合端)抵靠引爆 管100的内部紧密缠绕的#4铜线来构造。
图3C描绘了与图3A和3B中所示相同但是也包括止回阀312的本 发明引爆器的一个示例实施例，该止回阀用来控制所供应的燃料-氧化剂 混合物的流量，其中止回阀312放置于也称为引燃点的火花212之前。
图3D描绘了与图3C中所示相同的本发明引爆器的一个示例实施例， 不同之处在于止回阀312放置于引燃点212之后。
图3E描绘了可以与图3C和3D中所示本发明引爆器的示例实施例 一:^4吏用的一个示例止回阀312。止回阀包括通过弹簧318抵靠开口 316 来保持的球314。当向球314供应适当压力时，它压缩弹簧318，这允许 燃料-氧化剂混合物106经过开口 316。也可以根据本发明使用其它类型的 阀。
过压波量值控制
一般而言，可以选择引爆管的长度和内径以在所选流动燃料-氧化剂 混合物的最大所选流速实现所需的最大生成it^波量值，并且可以减少流 速以降低生成的过压波的量值。如果需要，则逐渐增大的管可以用iMi大在更小引爆管中初始产生的引爆脉冲。 一个或者多个管各自可以由一种材
料或者材料组合制成并且允许包括PVC或者各种不同化合物、金属或者
甚至混凝土以实现所需结果。在一个示例实施例中，引爆管由钛制成。在
一个示例实施例中，其中引入火花的引爆器具有小的直径、例如约V4"的
直径。这一组件与更大的第二引爆管的基部对准，使得引爆其中容纳的气 体。此第二引爆管然后可以与直径陆续更大的管的基部对准以引发气体混 合物在其中的引爆。以这一方式，可以用精确的定时准确度引发直径很大
的引爆管引爆。
在图4中示出了使用直径逐渐增大的管，该示了逐级引爆管组合 400包括放大引爆脉冲的逐渐增大引爆管。在初始引爆管10A中产生的引 爆脉冲经过直径更大的引爆管100B和100C行进。 一般而言，随着气体 混合物的引爆从直径更小的引爆管转变到直径更大的引爆管，脉冲的尺寸 M大。根据本发明，直径不同的一个或者多个引爆管可以组合成逐级引 爆管组合400。
在上述示例实施例中，假设引爆管(和引爆器管)是一种外围并不沿 着管的长度而变化的管。作为一种替代，引爆管(或者引爆器管)可以开 始是小的直径并且逐渐变大以便具有如针对图4中所述放大脉冲的类似 效果。在图5中示出了一个示例方式，该图描绘了直径逐渐扩大的引爆管 100的侧视图。以与图4的逐级管技料目似的方式，变得越来越大的引爆 管的直径使脉冲随着它沿着管的长度行进而放大。如图所示，引爆管100 在一端具有比在另一端的第二直径504更小的第一直径502。也可以组合 具有扩大直径的多个管。引爆管的另一变形使用压缩器/膨胀器技术，其 中管的外围逐渐变细为更小外围以压缩气体、然后膨胀为更大外围以膨胀
气体。在图6中示出了这一方式，该图描绘了基于压缩器/膨胀器技术的 引爆管100的侧视图，该引爆管具有在一端的第一直径602、在另一端的 第二直径603和在引爆管100的两端之间的第三直径604。第一直径602 视所需压缩/膨胀特征而定可以等于或者可以不等于第二直径603。
引爆管阵列
引爆管可以用各种方式分组以在同时被触发时产生组合脉冲。图 7A-7D描绘了可以如何组合引爆管的例子。图7A描绘了引爆管阵列702 包括并排的第一引爆管和第二引爆管。图7B描绘了引爆管阵列704包括 布置为使得引爆管组合的更大引爆管相互接触的四个引爆管组合。图7C 描绘了引爆管阵列706包括直径扩大的三个引爆管。图7D描绘了引爆管阵列708包括布置为类似于六边形结构的七个引爆管。图7E描绘了引爆 管阵列710包括以圓形方式布置的十二个引爆管。
取而代之,也可以在不同时间触发组成此类引爆管组或者阵列的引爆 管。在一个布置之下，使用如下定时序列来引燃引爆管，该定时序列使它 们依次引爆，使得向给定的引爆管填充它的燃料-氧化剂混合物而同时其 它引爆管在生成it^波的各种状态下。利用这一方式，可以对引爆管的引 燃和填充进行定时使得装置在它将表现为连续引爆这样高的速率生成过 压波。
如图8中所示，成组更小的管可以连接到更大的管，使得它们的組合 脉冲产生继续在更大的管中引爆的更大脉冲。图8描绘了具有第一直径的 3个更小引爆管100A的侧视图，这些更小的引爆管连接到具有更大第二 直径的更大引爆管100B以放大组合脉冲。
一般而言，可以根据本发明的这一方面使用逐级管、外围逐渐增大的 管、管阵列、连接到更大管的成组更小管和利用压缩器/膨胀器技术的管 的各种可能组合中的任何组合以生成满足具体应用要求的过压波。所有这 样的组合需要平衡由于管外围的膨胀而引起的势能与随着管外围增加由 气体的膨胀所造成的冷却。
it^波的相干聚焦和引导
如前文所述，本发明这一方面的引爆器具有在电弧触发与声波从管后 续发射之间的时间的、低的不确定性。引爆器也提供对所生成的声脉冲量 值的可重复精确控制。这一低不确定性(或者抖动)和精确量值控制实现 了对引爆管阵列所生成的it^波的相干聚焦和引导。这样，引爆器可以用
来生成可引导、可聚焦、高"^值脉冲功率过压波。
图9图示了单独管的点燃定时如何在远场中的单个点聚焦所生成的 过压波的功率。更早地触发更远的管以4M尝为了行进更大距离而需要的更 大时间量，这使所有脉冲同时到达空间同一点。图9描绘了引爆管 100A-100E的阵列卯0，其中以由定时控制^ 216控制的受控定时引燃 (或者点燃)引爆管，使得它们生成的声脉冲同时到达空间902中的点。 引爆管100A-100E产生的声脉冲卯6分别沿着直接路径904A-卯4E行进。 这样，考虑到为了行进不同直接路径而需要的不同行进时间、以在点燃之 间的适当延迟按顺序100E-100A点燃它们，侵_得声脉冲卯6同时到达空 间卯2中的点以产生组合声脉冲卯8。可以在稀疏阵列中布置单独引爆管或者成组的管。图IO描绘了在稀
疏阵列中布置的单独引爆管的阵列，其中控制各管中引爆的定时以便引导
it^波使得它们在所需位置组合。图11类似地描绘了在稀疏阵列中布置 的成组管阵列，其中给定组的管同时引爆但不同组的引爆定时则不同以便 引导it^波使得它们在所需位置组合。
参照图10，以由定时控制机构216控制的精确定时按相反顺序点燃 引爆管100A-100D，使得声脉冲沿着直接路径卯4A-904D行进并且在空 间902中的点组合。参照图11，由定时控制机构216控制按相反顺序点 燃引爆管1100A-1100D,使得声脉冲沿着直接路径卯4A-卯4D行进并且 在空间卯2中的点组合。
在稀疏阵列实施例中使用的定时控制机构216可以包括经由有线或 者无线网络与组成阵列的过压波生成器通信的单个定时控制机构。取而代 之，各过压波生成器可以具有它自己的定时控制机构，其中已经通过某装 置同步所述定时控制机构。
引爆管阵列的工作原理
一般而言，当以精确定时触发引爆管阵列时，产生作为窄波束在取决 于定时的方向上传播的压力波。以这一方式，它的工作类似于在雷达系统 中"fit使用的定相阵列天线。由于上述定时是以电方式确定的，因此可以 从一个脉冲到下一个脉冲使束方向重新定向。可以设计在例如每秒10个、 20个、50个或者100个脉冲这样的不同速率工作的系统，并且可以在唯 一方向上瞄准各脉冲。仅有的对重复速率的限制是管可以被重新填充的速 度。在音速重新填充速率将需要约五毫秒来重新填充五英尺长的管。由于 脉冲一旦引爆则输出也需要五亳秒，所以限制性的重复速率为100Hz。
由于阵列的各元件发射它自己的相干能量，所以在远场中波的幅度接 近各单独管的强度的平方。以这一方式可以指引的瞬间过压因此可以接近 高水平。这样，系统拥有大的开销动态范围，该范围可以用来到达i^巨离 或者经过比如硬靶(hardtarget)这样的结构中的小孔径传播。
可以通过在由探测激光器确定的恰当时间间隔施加脉冲使小孔径背 后的结构共振，其中该探测激光器用来测量粒子在开口的多普勒移位。由 此可以确定结构的自然频率，随后在闭环模式下使用激光器以控制系统的 定时从而产生最大效果。由于声学Q为高，所以在这样的硬耙内部的瞬 间压力可以很大。例如，对于仅为10的Q,峰值压力可以接近1000psi。成组引爆管可以视为更大阵列内的子阵列。图12图示了由7个引爆 管组成的32个六边形子阵列1202的一个示例实施例，其中各子阵列以 6.2，x2.5，的格式高效地打包成具有共计224个直径为3"的引导管的阵列 1200中。这一系统的远场强度可以是一个此类3"引爆管的强度的50,000 倍以上。
这一实施例的阵列元件的点燃定时简单直接。波形长约1毫秒而相干 约束为它的波长的、或者更少。定时系统因此将需要200微秒或者更少 的分辨率和准确度。可以用可编程计数器-定时器实现这一定时准确度级， 比如在0.1微秒的分辨率每芯片提供三个定时信道的英特尔8254 PCA。
在一个实施例中，在可引导阵列中的各元件需要例如以具有Vj皮长 以下的孔径使它的能量遍布整个可引导区域。对于一亳秒的波形，孔径约 为六英寸。在图12中所示示例实施例中，六边形子阵列捆跨距为九英寸， 因而它们将不允许在完全半球之上引导，但是将管分组成按组点燃的六边 形捆则减少了硬件要求，这允许使用三十二个可编程定时信道来引导和聚 焦阵列。这样，仅以十一个8254即可满足所有定时需要。由S叩erLogics 制造的PCI板包含提供十二个可编程计数器-定时器的四个8254，因而三 个模块将够用。在另一实施例中，图12中各成捆的管可以充分地间隔开 以实现在全半球之上引导并且所有管的点燃可以独立而无需分组。
阵列的焦斑(focalspot)是阵列波长和大小的函数。在阵列正面附近 焦斑包括直径为一个波长、即一英尺的近似圆圏。在更大距离处斑将以大 直径在阵列的小直径方向上的椭圆形状逐渐展开。也就是说，椭圆就图 12中所示水平阵列而言变为竖直。当焦斑在线性域中工作直至约半个大 气压或者7psi时，可以使用波动方程易于对焦斑的形状进行建模。然而， 当在波形中的瞬间压强接近大气压时，它将为非线性并且计算有所不同。
可以用宽带声学传感器来对阵列压力输出进行测量。它们通常具有 10Hz-20，000Hz的带宽和约ldB的准确度。在阵列的远场中以三十英尺或 者更大的距离进行的测量提供了足以在任何范围中外推(extrapolate)特 征的准确度。此类仪器的校准输出是与压力具有直接关系的声学声压电 平、即 馬。例如，180dBSPL等效于20，000Pa或者约3psi
的压强。与这一电平关联的瞬间声强为1,000，000W/m2。用于线性介质的广义波动方程的结果是当波叠加时它们的幅度添加。 对于电磁波，这意味着如果两个相同波以相同时间和相位到达空间中的点 则它们将产生相比单个波倍增的电势或者电压。
结果在声波情况下相似，但是在这一情况下电势变为压强而不是电压。
注意由于相位相等，所以余弦等于1而压强的值等于单个源的压强的两 倍。这一关系适用于]\个源的相加=]\*卩。
倍增声波的压强将^^它的功率变为四倍，因为功率与它的压强的平方 成比例，也就是当两个相同声波波形以相同时间和相位到达空间中的同一 点时它们的功率将变为四倍。
与电磁波类似，波形的功率或者声资与它的压强的平方成比例。
其中M是在这一情况下为空气的介质的声学阻抗值。
因此一般而言，在过压波形的主瓣中的自由空间远场功率可以计算为
单个引爆管的压强的N2。然而，当它接近地面工作时，也可以利用地波 的附加效应。当来自地面的波和自由空间波形在靶上会聚时，两个波形的 压强同样相加并且同样使功率变为四倍。
通过调节单独元件的定时使得延迟更近的元件以恰好足以让来自阵 列更远部分的波迎头赶上来，以实现波束引导。因此在给定的引导方向上 所有波将同时到达并且满足W功率标准。这类似于定相阵列天线，但是 由于声学波形为瞬态而不是连续波，所以时间延i^L代相位。
本发明引爆器的附加应用
除了如上所述向具有开放端的引爆管供应引爆冲激之外，本发明引爆 器的附加应用包括但不限于向内燃引擎(或者燃烧室)和向脉冲引爆引擎 供应引爆冲激。
本发明的引爆器可以用来取代当前用来在汽车、卡车、飞机、轮船、 摩托车、叉车起重机、便携发电机、剪草机、链锯和无数其它机构中使用 的内燃引擎中引燃燃料-氧化剂混合物的火花塞。图13A-13L描绘了在常规四冲程(奥托循环)引擎的每一工作循环的两次曲柄旋转过程中出现的 进料、压缩、燃烧和排气冲程。
参照图13A-13L，一个示例奥托循环内燃引擎1300包括*阀1302、 燃料-氧化剂混合物入口 1304、排气阀1306、排气出口 1308、活塞1310、 汽缸1312、曲柄1314和火花塞1316。图13A-13L描绘了随着奥托循环 引擎1300经过它的iittl、压缩2、提供动力(power) 3和排气4这四 个循环而选艮的不同时间的奥托循环引擎。图13入-13<:描绘了通过燃料-氧化剂混合物入口 1304经由开放的i^阀1302向引擎1300供料。图 13D-13F示出了引擎1300的活塞1310压缩汽缸1312内部的燃料-氧化剂 混合物。图13G描绘了火花塞引燃汽缸1312内部的燃料-氧化剂混合物， 这如图13H和131中所示下推活塞1310。图13J至13L描绘了引擎1300 经由开放的排气阀1306将废气从汽缸1310排出排气出口 1308。然后重 复4个循环的过程。
图14描绘了图13A-13L中所示的相同引擎1300，不同之处在于火花 塞316为引爆器114所取代。图14对应于图13G。在图14中，示出了引 爆器114向燃烧引擎1300提供引爆冲激以引燃燃料-氧化剂混合物，这开 始它的燃烧冲程3。
图15描绘了使用本发明两个引爆器114的一个示例汪克尔引擎1500。 本发明可以类似地使用于其它类型的内燃引擎中，包括但不限于两冲程、 五冲程、BeareHead、 Bourke和气涡轮引擎。
本发明的引爆器可以用来向在各类应用中使用的脉冲引爆引擎(如飞 机和火箭引擎)供应引爆冲激。图16描绘了具有使用本发明引爆器的四 个脉冲引爆引擎的飞机翼的横截面图。如图所示，四个脉冲引爆引擎各包 括引爆管100和经由燃料-氧化剂混合物供应105接收燃料-氧化剂混合物 106的引爆器114。可以在不同时间或者在相同时间点燃引爆管100。
图17描绘了以使用本发明引爆器的多个脉冲引爆引擎为^J的脉沖 引爆涡轮引擎的一个示例涡轮1700。如图所示，各包括引爆管100和引 爆器114的十二个脉冲引爆引擎被布置为用以下方式点燃即使得涡轮 1700逆时针方向转动。可以在不同时间或者在相同时间点燃引爆管100。
图18描绘了可以用来为火箭引擎1800提供推进的使用本发明引爆器 的脉冲引爆引擎的一个示例布置。如图所示，引爆管100以圆形方式布置 于更大引爆管100b内部。更小引爆管IOOA各具有对应引爆器114。可以在不同时间或者在相同时间点燃引爆管100。
提供这里描述的引爆器、引燃系统和引燃方法的应用被提供为本发明 所实现的应用类型的例子。尽管已经描述本发明的特定实施例和数个示例 应用(或者实施)，然而将理解本发明不限于此，因为本领域技术人员可 以具体地按照前述教导来做出修改。因此所附权利要求旨在于涵盖任何这 样的修改，这些修改并入了体现本发明实质和范周的那些特征或者那些改 进。
权利要求
1. 一种引爆器，包括引爆器管，所述引爆器管具有填充点和开放端，所述填充点被供应有流过所述引爆器管并且退出所述开放端的气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物；以及引燃器，所述引燃器放置于所述引爆器管内的引燃点，所述引燃器在所述气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物流过所述引爆器管之时引燃所述气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物，由此在所述引燃点产生向所述引爆器管的所述开放端传播的引爆冲激。
2. 根据权利要求l所述的引爆器，还包括 阀，所述阀位于所述引爆器管的内部。
3. 根据权利要求2所述的引爆器，其中所述阀是止回阀。
4. 一种用于引燃气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物的系统，包括引爆器管，所述引爆器管具有填充点、开放端和在所述引爆器管内引 燃点处的引燃器；以及燃料供应，用于向所述引爆器管的所述填充点供应气态或者扩散式燃 料-氧化剂混合物，所述气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物流过所述引爆 器管并且退出所述开放端，所述引燃器在所述气态或者扩散式燃料-氧化 剂混合物流过所述引爆器管之时引燃所述气态或者扩散式燃料-氧化剂混 合物，由此在所述引燃点产生向所述引爆器管的所述开放端传播的引爆冲 激。
5. 根据权利要求4所述的系统，还包括 阀，所述阀位于所述引爆器管的内部。
6. 根据权利要求5所述的系统，其中所述阀是止回阀。
7. 根据权利要求6所述的系统，其中所述阀位于所述引燃点之前。
8. 根据权利要求4所述的系统，其中所述引爆冲激供应到具有开放 端的引爆管、燃烧室、内燃引擎或者脉冲引爆引擎之一。
9. 根据权利要求5所述的系统，其中基于所述引爆器管的长度和直
10. 根据权利要求4所述的系统，其中所述气态或者扩散式燃料-氧 化剂混合物包括乙烷、甲烷、丙烷、氬、丁烷、乙醇、乙炔、MAPP气 体、汽油、航空燃料、石油镏出物、石脑油、矿物油、煤油、柴油、苯或 者DEET。
11. 根据权利要求4所述的系统，还包括 定时控制机构，用于控制所述引燃器的定时。
12. —种用于引燃气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物的系统，包括 引爆器，包括引爆器管，所述引爆器管具有填充点和开放端；以及引燃器，所述引燃器放置于在所述引爆器管内的引燃点；以及燃料-氧化剂混合物供应，所述燃料-氧化剂混合物供应向所述引爆器 管的所述填充点供应气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物，所述气态或者 扩散式燃料-氧化剂混合物流过所述引爆器管并且退出所述开放端，所述 引燃器在所述气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物流过所述引爆器管之时 引燃所述气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物，由此在所述引燃点产生向 所述引爆器管的所述开放端传播的引爆冲激。
13. 根据权利要求12所述的系统，所述引爆器还包括 阀，所述阀位于所述引爆器管的内部。
14. 根据权利要求13所述的系统，其中所述阀是止回阀。
15. 根据权利要求13所述的系统，其中所述阀位于所述引燃点之前。
16. 根据权利要求12所述的系统，其中基于所述引爆器管的长度和量比和$組。
17. 根据权利要求12所述的系统，其中所述气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物包括乙烷、甲烷、丙烷、氢、丁烷、乙醇、乙炔、MAPP 气体、汽油、航空燃料、石油馏出物、石脑油、矿物油、煤油、柴油、苯 或者DEET。
18. 根据权利要求12所述的系统，还包括 定时控制机构，所述定时控制机构控制所述引燃器的定时。
19. 根据权利要求18所述的系统，其中所述定时控制机构包括触发 ^、固定逻辑或者控制处理器之一。
20. 根据权利要求12所述的系统，其中所述引燃器包括高电压脉冲 源、受触发火花隙源、激光器或者爆丝。
全文摘要
提供一种用于引燃气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物的改进系统和方法，其中气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物供应到引爆器管，该引爆器管具有填充点和开放端，放置于引爆器管内引燃点处的引燃器在气态或者扩散式燃料-氧化剂混合物流过引爆器管之时被引燃。在引燃点产生向所述引爆器管的开放端传播的引爆冲激，其中它可以供应到具有开放端的引爆管、内燃引擎、燃烧室和脉冲引爆引擎。
文档编号G01V1/104GK101443680SQ200780017749
公开日2009年5月27日 申请日期2007年4月17日 优先权日2006年4月17日
发明者拉里·W·富勒顿 申请人:声霸技术有限公司