本公开整体涉及液体喷射器，并且更具体地，涉及一种用于以离散的量可重复地喷射液体以可重复地形成能够传导电流的圆柱形阵列的液体射流的喷射器系统和方法。
背景技术：
聚变推进(fusionpropulsion)具有在人类实用的时间尺度上实现行星际太空航行的可能性。聚变推进的一种方式是z箍缩等离子体方法，其中高幅值电流脉冲穿过在z箍缩设备的阳极和阴极之间延伸的导电材料柱。在相对短的时间段(例如，10-6秒)内，电流将材料加热成高温等离子体并产生与电流相互作用的磁通量，从而导致将等离子体径向压缩成非常高的密度的洛伦兹力。高温等离子体可以在喷嘴中膨胀并排出，以产生用于交通工具的推进推力。
一种z箍缩方法使用细金属线阵列作为电流脉冲所穿过的导电材料。不幸地，每当执行z箍缩反应时，这些金属线被破坏。使用金属线建立新的z箍缩反应是耗时的过程。此外，使用金属线的z箍缩反应不能应用于脉冲聚变推进系统，该系统需要在阳极和阴极之间重复地引入新的导电材料柱，并且将电流脉冲施加于每个新柱。
如可以看到，在本领域中需要一种用于在z箍缩设备中重复地产生电流可被施加的导电路径的系统和方法。
技术实现要素：
与产生用于z箍缩反应的导电路径相关联的上述需要由本公开具体地解决和缓解，本公开提供一种用于产生圆柱形阵列的离散液体射流的喷射系统。该喷射系统包括用于容纳液体的贮存器和具有圆形阵列的门控孔的门控板。该喷射系统另外地包括面板，该面板邻近门控板定位并具有圆形阵列的面板孔口。该喷射系统还具有马达，用以旋转门控板，以及控制器，用以控制马达，以用于将门控板旋转到对准的时钟取向，在对准的时钟取向中，门控板孔和面板孔口对准以发起圆柱形阵列的液体射流到喷射区域中的喷射，并将门控板旋转到非对准的时钟取向，以在喷射离散量的液体之后终止液体射流的形成。
还公开的是喷射系统在z箍缩设备中的实施方式。用于z箍缩设备的喷射系统具有上述贮存器、可旋转门控板、面板、马达和控制器。该控制器被配置为控制马达，以将门控板旋转到对准的时钟取向，以发起圆柱形阵列的液体射流朝向阴极板的喷射。另外，该控制器被配置为控制马达，以将门控板旋转到非对准的时钟取向，以在液体射流的自由端接触阴极板之后终止液体射流的形成。该z箍缩设备具有电源，该电源被配置为在液体射流的形成终止时将电流脉冲施加于面板。电流将液体射流加热成等离子体并产生磁通量，该磁通量与电流相互作用，从而导致将等离子体沿中心轴线径向压缩成高密度、高温的箍缩等离子体圆柱体的洛伦兹力。
另外，所公开的是一种喷射诸如用于z箍缩设备中的z箍缩反应的圆柱形阵列的液体射流的方法。该方法包括使用由控制器命令的马达将门控板旋转到对准的时钟取向，在对准的时钟取向中，圆形阵列的门控板孔与邻近门控板固定地定位的面板的圆形阵列的面板孔口对准。该方法另外地包括使贮存器中在压力下的液体穿过门控板孔和面板孔口，以形成指向与面板间隔开定位的阴极的圆柱形阵列的液体射流。该方法还包括当液体射流的自由端接触阴极板时，使用由控制器命令的马达将门控板旋转到非对准的时钟取向。此外，该方法包括响应于将门控板旋转到非对准的时钟取向，终止液体射流的形成。
已经讨论的特征、功能和优点能够独立地在本公开的各种实施例中实现，或者可以在其他实施例中组合，所述实施例的进一步细节可以参照下列描述和以下附图看到。
附图说明
本公开的这些特征以及其他特征将在参照附图时变得更显而易见，其中在所有附图中相同的标号指代相同部件，并且在附图中：
图1是用于喷射圆柱形阵列的液体射流的目前公开的喷射系统的示例的框图；
图2是具有并入目前公开的喷射系统的示例的z箍缩发动机的宇宙飞船的示例的透视图；
图3是并入图2的z箍缩发动机中的喷射系统的透视图；
图4是喷射系统的透视图；
图5是图4的喷射系统的顶视图；
图6是图5的喷射系统的垂直截面图；
图7是沿图6的线7截取的喷射系统的局部剖视顶部截面图；
图8是沿图6的线8截取的喷射系统的底部截面图；
图9是具有包括在喷射用于z箍缩设备的圆柱形阵列的液体射流的方法中的一个或多个操作的流程图；
图10是喷射系统的一部分的局部剖视透视图，其示出在从面板朝向阴极板期间发起圆柱形阵列的液体射流的喷射；
图11是图10的喷射系统的透视图，其示出在液体射流的自由端与阴极板接触的瞬间的圆柱形阵列的液体射流；
图12是图10的喷射系统的透视图，其示出由电源或电源组向面板(例如，阳极)施加的电流脉冲并示出沿液体射流中的每个液体射流从面板朝向阴极板流动从而导致液体射流变成等离子体的电流；
图13是喷射系统的透视图，其示出由电流脉冲产生并导致将等离子体径向压缩成高温等离子体圆柱体的洛伦兹力的磁通量；
图14是z箍缩发动机的侧视图，其示出等离子体经由阴极板中的中心开口进入磁喷嘴；
图15是z箍缩发动机的侧视图，其示出等离子体在磁喷嘴中膨胀；
图16是z箍缩发动机的侧视图，其示出膨胀的等离子体从磁喷嘴排出从而导致推进推力的产生。
具体实施方式
现在参照附图，其中图示是为了说明本公开的优选实施例和各种实施例的目的，图1中所示的是如本文公开的用于将圆柱形阵列的液体射流286喷射到喷射区域252中的喷射系统150的示例。喷射系统150包括用于容纳液体158(诸如熔融金属)的贮存器152。该贮存器可以包括用于将压力施加于液体158的活塞168。另外，喷射系统150包括用于旋转位于贮存器端部164处的门控板216的马达242。喷射系统150可以包括用于保持门控板216在旋转期间以中心轴线222为中心的行星齿轮226。该门控板包括圆形阵列的门控板孔218，并在控制器248的命令下由马达242旋转，以选择性地允许来自贮存器152的液体158从门控板孔218穿过并进入在联接到贮存器152的面板250中形成的圆形阵列258的面板孔口256中。
如下面所讨论的，喷射系统150使相对少量的液体158穿过圆形阵列258的面板孔口256，以形成圆柱形阵列的凝聚液体射流286。在此方面，马达242将门控板216旋转到对准的时钟取向264(图7)中，以发起液体158通过面板孔口256的流动，从而产生液体射流286。值得注意的是，可旋转的门控板216将门控板216旋转到非对准的时钟取向266(图8)，以终止以精确形式形成液体射流286，使得仅离散量的液体158喷射到给定的应用的喷射区域252中，诸如在z箍缩设备108(例如，图3至图4)中。例如，喷射系统150可以实施用于将圆柱形阵列的离散液体射流286喷射到z箍缩发动机110(图3至图4)的聚变室274(图3至图4)中，其中液体射流286可以经历z箍缩聚变反应。有利地，目前公开的喷射系统150提供一种在喷射离散量的液体158之后终止液体射流286的装置，以防止否则在开始z箍缩反应之后喷射液体158的情况下将发生的聚变反应淬灭。
虽然在z箍缩发动机110的上下文中描述，但是目前公开的喷射系统150可以在各种设备或应用中的任一个中实施，所述应用包括但不限于生产用于各种产品的纳米颗粒(例如，宽度小于100nm的颗粒)、产生电力、执行惯性约束聚变实验以优化能量输出以及其他应用。有利地，目前公开的喷射系统150显著地减少用于执行使用金属线常规地执行的连续z箍缩反应实验的周转时间。另外，喷射系统150避免使用多个单独的喷射器(未示出)，诸如喷嘴、燃烧喷射器和分配喷射器，所述喷射器否则将需要协调操作，以同时发起和终止以精确形式形成多个凝聚液体射流286。此外，目前公开的喷射系统150允许在各种不同频率中的任一频率下的液体射流286的可重复喷射。在此方面，喷射系统150允许可重复的z箍缩反应，如可在脉冲聚变推进系统(诸如图2至图3中所示的z箍缩发动机110)中所需要的那样。
简要参照图2，所示的是在宇宙飞船102(诸如用于空间探索的不载人航天探测器)的z箍缩发动机110中实施的目前公开的喷射系统150的示例。喷射系统150可以包括电源276(图1)，电源276用于周期性地将高幅值电流278脉冲(图12)施加于z箍缩发动机110以产生推进推力296(图16)。例如，对于相对小质量的宇宙飞船102，电源276可以每几小时(例如，每八小时)将电流278脉冲施加于z箍缩发动机110，以发起对圆柱形阵列的液体射流286的z箍缩反应用于为宇宙飞船102产生推进推力296(图16)脉冲，其后太阳电池板(未示出)可以给电源276再充电，以准备将电流278的下一个脉冲施加于新的圆柱形阵列的液体射流286，如下所述。如上面提到的，目前公开的喷射系统150可以在各种设备或应用中的任何一个中实施，并且不限于宇宙飞船的z箍缩发动机110。
图3是在z箍缩发动机110中实施的喷射系统150的透视图，z箍缩发动机110具有联接到z箍缩发动机110的后端的磁喷嘴112。在所示的示例中，阴极板268与面板250间隔开定位。然而，喷射系统150可以在不包括阴极板268的非发动机z箍缩设备中实施。在图3中，阴极板268通过外壳元件272与面板250间隔开定位。然而，外壳元件272可以省略，并且阴极板268可以由其他装置诸如可以包括在z箍缩发动机110内的护罩(未示出)或另一阴极支撑元件(未示出)保持在适当位置中。在所示的示例中，外壳元件272可以包封其中喷射有液体射流286的聚变室274。外壳元件272可以由非导电材料形成，并且/或者外壳元件272可以以使得阴极板268与面板250电隔离的方式安装，从而允许由电源276(图6)施加于面板250的电流278(图12)脉冲流动通过液体射流286(图12)并经由图13中所示的返回路径280流回到电源276。
如图10至图13中所示并如下面更详细描述的，喷射系统150可以被实施在如下设备中，其中一旦液体射流286从面板孔口256的流出由门控板216终止，高幅值电流278脉冲就施加于面板250。在一个实施例中，门控板216可以以在从发起液体射流286以来经过预定时间量之后终止液体射流286的方式操作。在图10至图11中所示的另一个实施例中，门控板216可以以在液体射流286的自由端288与阴极板268产生接触之后终止液体射流286的方式操作。
不管终止液体射流286的方式如何，电流278从面板250(例如，阳极)穿过液体射流286行进至阴极板268，并将液体射流286加热成等离子体290同时产生与电流278相互作用的磁通量282，从而导致约束等离子体290并径向压缩或箍缩等离子体290的洛伦兹力284。等离子体290的径向压缩或内爆引起其中各个成对的核结合或聚变在一起以形成不同核的聚变反应，从而释放热和能量。在此方面，径向内爆的等离子体290变成由聚变原子组成并大体沿中心轴线222延伸的高温、高密度的箍缩等离子体292圆柱体。由聚变反应引起的箍缩等离子体292是不稳定的，并且具有膨胀的倾向。由洛伦兹力284导致的对箍缩等离子体292的约束使箍缩等离子体292通过阴极板268中的中心开口270从聚变室274喷出并喷入磁喷嘴112中，在磁喷嘴112中，箍缩等离子体292膨胀成膨胀的等离子体294。
仍然参照图3，磁喷嘴112包括多个喷嘴环114，当在横截面上观看磁喷嘴112时，所述多个喷嘴环114以抛物线形状布置。喷嘴环114由多个喷嘴齿条116支撑。每个喷嘴环114可以包括由管状推力线圈(未示出)包封的中心超导线圈(未示出)。如图14至图16中所示并如在下面更详细描述的，在超导线圈中流动的电流使喷嘴环114共同地在磁喷嘴112内部产生磁场线118(图14)。如在下面更详细描述的，磁场线118防止高温膨胀的等离子体294接触并损坏喷嘴环114，并且由此允许膨胀的等离子体294膨胀(图15)并从磁喷嘴112排出(图16)，从而导致诸如用于推进交通工具100的推力296。在此方面，本公开中的聚变推进可以描述为这样的顺序：(1)在聚变室中产生箍缩等离子体292的聚变反应，之后是(2)通过使膨胀的等离子体294膨胀并将膨胀的等离子体294从磁喷嘴112排出产生的推进推力296。
图6至图7示出具有位于贮存器端部164处的贮存器底座凸缘166的贮存器152。贮存器底座凸缘166从贮存器152侧壁横向向外延伸，并且可以具有范围在大约0.10-1.0英寸内的厚度，但贮存器可以以喷射系统150的给定实施方式所要求的任何尺寸、形状或配置提供。当在z箍缩设备108的示例中实施时，阴极板268可以与面板250间隔开安装。外壳元件272、面板250和阴极板268可以共同地形成聚变室274(图6)，圆柱形阵列的液体射流286(图1)被喷射到聚变室274中。图6是在z箍缩设备108中实施的喷射系统150的垂直截面图。所示的是贮存器152，所述贮存器152具有用于容纳导电液体158的贮存器侧壁154。液体158可以以各种组合物中的任一个提供，所述组合物包括但不限于水、氘、锂、镓、铟、铋、铅、铜、铝和/或汞或导电的任何组合物。在所示的示例中，贮存器侧壁154可以具有范围在大约0.10-1.0英寸内或更大的厚度。贮存器侧壁154可以衬有贮存器内衬156，所述贮存器内衬156包括被配置为防止贮存器侧壁154与贮存器152的内容物之间的反应的聚合物材料。
在一些示例中，液体158可以是优选地具有相对低的熔点(诸如小于800℉的熔点)的材料的熔融金属。在此方面，贮存器152可以包括安装到贮存器152的贮存器加热器160，诸如安装在贮存器侧壁154的外部和/或内部上。贮存器加热器160可以通信地联接到控制器248并由控制器248调节用于控制熔融金属的温度。在一些示例中，贮存器加热器160可以是电阻加热元件，诸如应用于贮存器侧壁154的kaptontm电热丝式加热器、围绕贮存器侧壁154卷绕的电阻丝或包括任何类型的用于加热贮存器152的内容物的导电加热器、对流加热器或辐射加热器的其他加热器配置。
仍然参照图6，喷射系统150可以包括一个或多个温度检测器162，所述一个或多个温度检测器162安装到贮存器152并通信地联接到控制器248，以允许控制器248连续地监测贮存器侧壁154和/或贮存器152的内容物(例如，熔融金属)的温度。在一些示例中，温度检测器162中的一个或多个可以被设置为安装在贮存器加热器160和贮存器侧壁154的外部之间的热电偶。在其他示例中，温度检测器162可以是电阻温度检测器、热敏电阻器或其他接触式或非接触式温度检测器，包括在贮存器侧壁中的传感器端口(未示出)，以允许对贮存器152的内容物的温度进行直接感测。控制器248可以从温度检测器162连续地接收温度数据，以允许控制器248以将贮存器152的内容物维持在液体或熔融状态下的方式调整贮存器加热器160的热输出。
虽然被示出为具有圆柱形形状，但是贮存器152和活塞168可以以各种横截面形状中的任何一个横截面形状设置。如上所示，活塞168可以可滑动地安装在贮存器152中用于将压力施加于液体158。压力可以使用弹簧(未示出)、液压压力、气动压力或由机电致动器施加于活塞168。如图6中所示，活塞168可以包括一个或多个活塞密封件172，所述一个或多个活塞密封件172围绕活塞侧表面170的圆周延伸，以将活塞168密封到贮存器侧壁154。在一个示例中，活塞密封件212可以被配置为由耐高温材料形成的o形环密封件。
参照图6至图7，喷射系统150包括靠近贮存器端部164定位的可旋转门控板216。门控板216可以被设置为具有范围在大约0.10-1.0英寸内的厚度的大体平面盘，但门控板216或喷射系统的任何其他部件的尺寸可以比所公开的范围更大或更小。门控板216可以与贮存器152中的液体158直接接触。门控板216具有对称的圆形阵列220的门控板孔218，并且可围绕穿过门控板216圆形阵列220的中心的中心轴线222旋转。
喷射系统150可以包括一对门控板轴承236，该对门控板轴承236安装在门控板216的相反侧上用于在贮存器底座凸缘166和面板250之间可旋转地支撑门控板216。位于门控板216和贮存器底座凸缘166之间的门控板轴承236可以支撑门控板216以抵抗液体158在压力下施加的轴向负荷。位于门控板216和面板250之间的门控板轴承236可以防止门控板216远离面板250的轴向运动，使得门控板216和面板250可以维持与彼此密封接触。在实施例中，每个门控板轴承236可以包括轴承元件238阵列，诸如捕获在形成于门控板216、贮存器底座凸缘166和面板250的表面中的相对圆形凹槽240内的滚珠轴承或圆锥滚子轴承。然而，门控板轴承可以以各种配置中的任何一个配置设置，并且不由在上面描述的且在附图中所示的实施例限制。
圆形阵列220的门控板孔218可以具有范围在大约0.5-8英寸内并且更优选地范围在大约1-3英寸内的直径，但圆形阵列220的门控板孔218可以以小于0.5英寸或大于8英寸的直径设置。在所示的示例中，圆形阵列220包括八个(8个)门控板孔218。然而，门控板216可以设置有任何数量的以圆形阵列220布置的门控板孔218。例如，门控板216可以包括4-12个门控板孔218。在其他示例中，门控板216可以包括12个以上的门控板孔218。门控板孔218的数量可以取决于在门控板孔218之间的期望的圆周间距以及其他因素。虽然在图7中在形状上被示为是圆形的，但是各个门控板孔218可以以各种形状中的任何一个形状设置，所述形状包括正方形、长方形、三角形、狭槽或促进液体158穿过门控板孔218并进入面板孔口256中的任何其他形状。
仍然参照图6至图7，喷射系统150包括上面提到的面板250，面板可以以大约0.1-1.0英寸的厚度设置，但面板250可以以取决于喷射系统150的具体实施方式的任何尺寸、形状或配置设置。面板250可以由围绕贮存器底座凸缘166和面板250的周边周向间隔开的多个机械紧固件254来非可旋转地联接到贮存器底座凸缘166。面板250可以通过圆周垫圈232密封到贮存器底座凸缘166，以防止环境污染物在贮存器底座凸缘166和面板250之间穿过。门控板216和/或贮存器152可以与面板250电绝缘，以便由电源276施加于面板250的电流278脉冲进入液体射流286中。
如图6中所示，面板250轴向紧邻门控板216定位并具有与圆形阵列220的门控板孔218互补布置的对称圆形阵列258的面板孔口256。在此方面，面板250可以在与门控板孔218相同的成角度间距和相同的阵列直径下具有相同数量的面板孔口256，如图6中所示。各个门控板孔218可以具有与各个面板孔口256基本上相同的直径。然而，各个门控板218可以以比面板孔口256更大的宽度或直径设置，以当门控板216处于图7中所示的对准的时钟取向264时便于液体158穿过门控板孔218并到面板孔口256中的不受限制流动。
面板孔口256中的每个孔口可以具有小于大约100微米的开口宽度(例如，在该孔口的离开端部处的最终宽度或直径)，以产生对应宽度或直径的液体射流286。例如，各个面板孔口256的直径可以在大约5-100微米的范围内，以产生具有5-100微米的各个/个体直径的液体射流286。在一个实施例中，面板孔口256中的每个孔口可以具有范围在大约5-10微米内的最终宽度或直径。当沿轴向方向观看时，面板孔口256可以各自具有圆形横截面形状，但面板孔口256可以以非圆形横截面形状设置。在此方面，包括轴向横截面形状和纵向横截面形状的面板250的几何形状可以以这样的方式优化，即使得离开面板孔口256的液体射流286是能够将电流278从面板250传导至阴极板268的凝聚流。迫使液体158穿过面板孔口256的压力、液体158的温度、面板孔口256的温度以及面板孔口256的形状和材料组合物也可以对液体射流286的凝聚性具有影响。
在本公开中，凝聚液体射流286可以被描述为液体流，该液体流沿液体射流286的长度从面板250到阴极板268是连续的、未断开的和大体不飞溅或不喷射的。凝聚液体射流286可以沿该长度是大体圆柱形的，并且可以优选地沿液体射流286的长度从面板到阴极板268维持基本上(例如，在20％内)相同的横截面形状和/或尺寸(例如，直径)。对于喷射系统150在z箍缩设备108中实施的示例，将液体射流286一致地形成为凝聚流可以允许每个电流278脉冲轴线对称地或均匀地分布在圆柱形阵列中的液体射流286之中。在液体射流286之中均匀地分布电流278脉冲可以有利于将液体射流286均匀地加热成等离子体290，并且可以促进由洛伦兹力284以将等离子体290箍缩或压缩成大体以中心轴线222为中心的高密度柱的方式进行的等离子体290的径向压缩。
参照图6，在一些示例中，各个面板孔口256可以包括圆锥形内部262，圆锥形内部262的尺寸沿从面板250孔口的接收端部到面板250孔口的离开端部的方向逐渐变小。圆锥形内部262可以促进沿液体射流286的长度的凝聚性。在进一步的示例中，面板孔口256中的一个或多个可以包括具有圆锥形内部262的孔口内衬260，所述圆锥形内部262的尺寸从孔口内衬260的接收端部到离开端部逐渐变小。孔口内衬260可以由金属材料(例如，钨、钢)、陶瓷材料(例如，二硼化铪、二硼化锆)和/或宝石材料(例如，红宝石、蓝宝石、钻石)以天然或合成的形式形成。不管材料如何，每个孔口内衬260可以是导电的，使得施加于面板250的电流278脉冲可以穿过孔口内衬260并进入液体射流286中。
门控板216的底表面可以与面板250的顶表面直接物理接触，或者当门控板216如图8中所示处于非对准的时钟取向266时，门控板216可以以防止液体158在门控板216和面板250之间渗漏的方式密封到面板250。在实施例中，门控板216可以密封到贮存器底座凸缘166并密封到面板250。例如，如图6至图7中所示，一对圆周门控板密封件234可以径向地定位在上述门控板轴承236的内侧，该对圆周门控板密封件234中的一个的直径大于另一个的直径。一对圆周门控板密封件234可以位于门控板216和贮存器底座凸缘166之间的门控板216的一侧上。并且另一对圆周门控板密封件234可以位于门控板216和面板250之间的门控板216的相对侧上。在实施例中，门控板密封件234可以各自被配置为优选地由耐高温材料形成的o形环密封件。门控板密封件234可以密封在圆周凹槽内，所述圆周凹槽可以在门控板216、贮存器底座凸缘166和/或面板250的表面中形成。
在未示出的实施例中，各个门控板孔218也可以密封到面板250的表面，以当门控板216处于非对准的时钟取向266(图8)时防止液体158穿过门控板孔218并且在门控板216和面板250的面向表面之间渗透并从面板孔口256渗透出。不管在门控板216和面板250的面向表面之间的界面的配置如何，门控板216和面板250优选地以防止液体158穿过面板孔口256的方式安装。对于喷射系统150在z箍缩设备108中实施的示例，防止液体158在门控板216和面板250之间渗透可以有利于精确控制以离散的量形成液体射流286。
仍然参照图6至图7，喷射系统150可以包括行星齿轮系统224，用于防止门控板216的横向运动并用于保持门控板216在旋转期间以中心轴线222为中心。行星齿轮系统224可以包括围绕门控板216的周边以120度成角度地间隔开的至少三个(3个)行星齿轮226。更优选地，行星齿轮系统224包括围绕门控板216的周边以90度成角度地间隔开的四个(4个)行星齿轮226。行星齿轮226中的每个行星齿轮可以是在由贮存器底座凸缘166和面板250支撑或者接合到贮存器底座凸缘166和面板250的心轴(未示出)或轴承上可旋转的。行星齿轮226包括固定地联接到从马达242延伸的马达轴244的至少一个驱动齿轮230。剩余的行星齿轮226可以是自由旋转的支撑齿轮228。行星齿轮226中的每个行星齿轮(例如，驱动齿轮230和支撑齿轮228)具有被配置为与在门控板216的周边边缘上形成的齿轮齿啮合的齿轮齿。
马达242可以安装到贮存器152并被配置为在控制器248的命令下旋转驱动齿轮230以引起门控板216围绕中心轴线222的旋转。马达242可以是电动马达，诸如步进马达。可替代地，马达242可以是液压驱动设备，诸如流体地联接到液压回路(未示出)的旋转液压致动器(未示出)，液压回路可以包括在喷射系统150中用于维持活塞168上的恒定压力，从而用于将液体158维持在压力下。此类液压回路可以包括泵(未示出)和减压阀(未示出)，以确保活塞168上的恒定压力。马达242可以是可逆的，并且可以包括马达轴244，马达轴244可以延伸穿过贮存器底座凸缘166并在行星齿轮系统224的驱动齿轮230处终止。马达轴244可以用可以被配置为o形环或其他密封配置的一个或多个轴密封件246密封到贮存器底座凸缘166。
参照图6，其中出于示例性目的示出实施喷射系统150的z箍缩设备108可以包括与面板250间隔开安装的阴极板268。在所示的示例中，阴极板268可以安装在面板250的大约1-3英寸内，并且更优选地安装在面板250的大约2英寸内。然而，阴极板268和面板250之间的间距是具体实施方式，使得阴极板268可以以大于2英寸的距离与面板250间隔开。阴极板268作为电极起作用，当电源将电流278脉冲施加于面板250时，电流278初始地朝向该电极流动。阴极板268可以被设置为与大体平面面板250平行的平面盘。然而，阴极板268可以以各种不同尺寸、形状和配置中的任何一个设置。优选地，面向面板250的阴极板268的表面被配置为接收液体射流286的自由端288，并促进等离子体290径向压缩成大体以中心轴线222为中心的高密度箍缩等离子体292柱。
在被配置为用于脉冲聚变推进的z箍缩发动机110(例如，图14至图16)的z箍缩设备108中，阴极板268可以包括以中心轴线222为中心的中心开口270，以允许箍缩等离子体292进入(例如，喷出)到磁喷嘴112中，在磁喷嘴112内等离子体292可以膨胀并从喷嘴114排出等离子体292以产生推力296。喷射系统150有利地启用脉冲聚变推进，该脉冲聚变推进涉及以下重复循环：(1)将圆柱形阵列的液体射流286喷射到喷射区域252(例如，聚变室274)中，(2)施加电流278脉冲以将液体射流286加热并径向地压缩成等离子体290，(3)将径向压缩或箍缩的等离子体292从喷射区域252喷出到喷嘴114中，以及(4)在喷嘴114内膨胀等离子体294以及从喷嘴114排出等离子体294，以产生推进推力296的脉冲。
其中实施喷射系统150的示例z箍缩设备108可以任选地包括在阴极板268和面板250之间延伸的外壳元件272。在一个示例中，外壳元件272可以将阴极板268相对于面板250保持在适当位置中。可替代地，外壳元件272可以省略，并且阴极板268可以由如上面提到的护罩(未示出)或其他阴极支撑元件(未示出)保持在适当位置中。然而，对于包括外壳元件272的示例，面板250、阴极板268和外壳元件272共同地限定包封液体射流286的聚变室274。聚变室274可以任选地容纳真空或惰性气体(诸如如氩或氮)，以促进z箍缩反应。在一些示例中，惰性气体可以在高于环境压力的压力下。
包括贮存器152、门控板216、面板250和行星齿轮系统224的喷射系统150的部件可以由高温、高强度材料诸如金属材料、聚合物材料、陶瓷材料或它们的任何组合形成。在一个实施例中，上面所述的部件中的一个或多个可以由高强度、高温金属材料形成，所述金属材料为诸如不锈钢、铬镍铁合金、钛或与贮存器152的内容物(例如，熔融金属)相容和/或与例如其中喷射系统在z箍缩设备108中实施的z箍缩反应的副产物(例如，等离子体290)相容的其他金属组合物或合金。
参照图6至图8，喷射系统150包括控制器248，控制器248通信地联接到马达242并被配置为以这样的方式控制马达242，即将门控板216旋转到门控板孔218和面板孔口256对准的对准时钟取向264(参见图7)，从而允许液体158的流动以用于发起圆柱形阵列的液体射流286的形成，如图10中所示。另外，控制器248被配置为以这样的方式控制马达242，即将门控板216旋转到非对准的时钟取向266(图8)，以阻碍液体158穿过面板孔口256的流动并由此终止圆柱形阵列的液体射流286的形成。在一些示例中，控制器可以以这样的方式控制马达242，即将门控板216从非对准的时钟取向266(图8)旋转到对准的时钟取向264，并将门控板216维持在对准的时钟取向264达预定的时间段，以允许在将门控板216旋转回到非对准的时钟取向266以终止液体射流286的形成之前喷射圆柱形阵列的液体射流286。
在喷射系统150在具有阴极板268的z箍缩设备108中实施的示例中，控制器248可以命令马达242在液体射流286的自由端288接触阴极板268并在面板250(例如，阳极)和阴极板268之间形成多个导电路径的瞬间且在电流278脉冲施加到面板250之前，将门控板216从对准的时钟取向264(图7)旋转到非对准的时钟取向266(图8)。在非对准的时钟取向266中，门控板孔218与面板孔口256不对准，使得来自贮存器152的液体158由门控板216阻挡。以这种方式，门控板216终止液体射流286流出面板孔口256，并且由此避免淬灭z箍缩反应。
参照图11，喷射系统150可以在具有电源276的z箍缩设备108(例如，z箍缩发动机110)中实施。电源276可以被配置为储存或提供兆安培数量级(诸如高达20兆安培或更多)的电荷。电源276可以电联接到面板250，并且可以被配置为在液体射流286的流动由于门控板216旋转到非对准的时钟取向266(图8)而终止的瞬间将高幅值电流278的脉冲排放到面板250中。在z箍缩设备108具有阴极板268的示例中，当液体射流286的自由端288与阴极板268接触时可以终止液体射流286的形成，从而导致圆柱形阵列的液体射流286各自在面板250和阴极板268之间形成导电路径。
参照图13，如在下面更详细描述的，高幅值电流278脉冲引起在数百纳秒数量级的相对短的时间段内发生的z箍缩反应。在z箍缩反应期间，电流278脉冲沿圆柱形阵列中的液体射流286中的每个液体射流从面板250朝向阴极板268行进，从而引起液体射流286变成等离子体290。流过液体射流的电流278脉冲同时产生磁通量282，所述磁通量282与电流278相互作用以产生洛伦兹力284。洛伦兹力284将等离子体290径向压缩成大体沿中心轴线222(例如，z轴线)居中的高温(数百万开氏度)的箍缩等离子体292柱或块。
在一些示例中，电源276可以被配置为在至少1hz的频率下将电流278脉冲施加于面板250。控制器248可以被配置为与来自电源276的电流278的放电同步致动马达242。在此方面，控制器248可以命令马达242周期性地在对准的时钟取向(图7)和非对准的时钟取向(图8)之间旋转门控板216，并且电源276可以在液体射流286的形成由于门控板216从对准的时钟取向264旋转到非对准的时钟取向266而终止的瞬间将电流278脉冲施加于面板250。电源276可以被配置为每当新的圆柱形阵列的液体射流286喷射到聚变室274中时周期性地施加高幅值电流278(例如，从1-20ma或更大)脉冲。
在实施例中，控制器248可以命令马达242在1-10hz的范围内的频率下将门控板216旋转到对准的时钟取向264以用于连续地形成圆柱形阵列的液体射流286。然而，可以命令马达242在小于1hz的频率下旋转门控板216。例如，门控板216可以以每隔若干小时形成新的圆柱形阵列的液体射流286的方式旋转。在其他示例中，门控板216可以以在大于10hz的频率下形成新的圆柱形阵列的液体射流286的方式旋转。门控板216可以在脉冲基础上在相同的方向上旋转，从而导致每当门控板孔218在图7中所示的对准的时钟取向264中变得与面板孔口256对准时发起(例如，图10)新的圆柱形阵列的液体射流286，并且一旦自由端288接触阴极板268(例如，图11)并且门控板216旋转到图8中所示的非对准的时钟取向266就终止每个新的圆柱形阵列的液体射流286的形成。可替代地，门控板216可以在一个方向上旋转到对准的时钟取向264，并且可以在相反的方向上旋转到非对准的时钟取向266，以分别发起和终止每个新的圆柱形阵列的液体射流286的形成。
参照图9的流程图并另外参照图10至图16，图9中所示的是包括在喷射圆柱形阵列的液体射流286的方法300中的一个或多个操作。
方法300的步骤302包括对贮存器152内的导电液体158(图6)进行加压。如上所示，液体158可以被设置为各种导电材料中的任何一个，所述导电材料包括但不限于水、氘、锂、镓、铟、铋、铅、铜、铝和/或汞。方法300可以包括使用可滑动地安装在贮存器152内的活塞168(图6)将压力施加于贮存器152中的液体158。活塞168可以在预定压力水平下将压力施加于液体158，使得液体射流286从面板孔口256排出(图10)作为凝聚流。方法300可以包括使用围绕活塞侧表面170的圆周延伸的上述活塞密封件172(图6)将活塞168密封到贮存器152。在液体158是熔融金属的实施例中，该方法可以包括使用贮存器加热器160(图6)将热施加于贮存器152，以将熔融金属维持在熔融状态下。热的施加可以使用电阻加热元件执行，所述电阻加热元件诸如为安装到贮存器侧壁154的kapton电热丝式加热器或另一类型的贮存器加热器160。
方法300可以另外地包括监测贮存器152内的液体射流158的温度，以允许控制器248以将液体158维持在熔融状态下的方式控制贮存器加热器160。在此方面，喷射系统150可以包括安装到贮存器152并通信地联接到控制器248的上述温度检测器162(例如，热电偶)。该方法可以包括如果熔融金属的温度下降到低于阈值温度(例如，高于金属的熔点的5度以上)则在控制器248的命令下调整贮存器加热器160的热输出。
方法300的步骤304包括使用马达242在控制器248的命令下将门控板216旋转到对准的时钟取向264(图7)，在对准的时钟取向264中，圆形阵列220的门控板孔218与圆形阵列258的面板孔口256对准。如上所示，面板250紧邻可旋转门控板216(在其下方)固定地定位。马达242可以是步进马达、线性致动器、液压致动器或能够将门控板216旋转到包括对准的时钟取向264(图8)和非对准的时钟取向266(图8)的离散成角度位置中的任何其他设备。
方法300还可以包括使用行星齿轮系统224来旋转门控板216，行星齿轮系统224具有围绕门控板216的周边成角度地间隔开并捕获在贮存器底座凸缘166和面板250之间的行星齿轮226。门控板216的旋转可以通过可旋转地驱动行星齿轮226中的至少一个(例如，驱动齿轮230——图6至图7)以引起门控板216的旋转来执行。该方法可以另外地包括使用位于门控板216和面板250之间的门控板轴承236并优选地使用如图6至图7中所示位于门控板216和贮存器底座凸缘166之间的附加门控板轴承236来可旋转地支撑门控板216。在所示的示例中，门控板轴承236中的每个门控板轴承可以包括多个轴承元件238，如捕获在圆形凹槽240内的滚珠轴承。该方法可以另外地包括使用如图6至图7中所示的一个或多个门控板密封件234来将门控板216密封到面板250和贮存器底座凸缘166。门控板密封件234可以被配置为圆周密封件，诸如位于门控板216和贮存器底座凸缘166之间的o形环和位于门控板216和面板250之间的o形环。
方法300的步骤306包括使液体158从贮存器152穿过门控板孔218和面板孔口256以形成指向阴极板268的圆柱形阵列的液体射流286(图9至图10)。如上所示，液体158可以在贮存器152内处于压力下，以当门控板216处于对准的时钟取向264(图7)时，迫使液体158穿过门控板孔218和面板孔口256。门控板216和面板250可以包括相同数量的相应门控板孔218和面板孔口256，以产生对应数量的液体射流286。在一些示例中，面板250可以包括在面板孔口256中的每个面板孔口中的孔口内衬260。如上面提到的，孔口内衬260可以由高硬度、耐高温材料形成，以当液体158流过面板孔口256时减少或防止面板孔口256随时间的腐蚀。另外，面板孔口256可以被配置为促进液体射流286形成作为凝聚流，这在喷射系统150在z箍缩设备108中实施的示例中有利地促进电流278脉冲在液体射流286之中的均匀分布。
方法300的步骤308包括使用马达242根据控制器248的命令将门控板216从对准的时钟取向264旋转到非对准的时钟取向266。例如，在经过预定量的时间之后，在所述预定量的时间期间，将离散量的液体射流286喷射到喷射区域252中，马达242可以将门控板216旋转到非对准的时钟取向266。在喷射系统150在z箍缩设备108中实施的示例中，当液体射流286的自由端288如图11中所示接触z箍缩设备108的阴极板268时，马达242可以将门控板216旋转到非对准的时钟取向266。为此，z箍缩设备108可以包括一个或多个传感器(未示出)，所述一个或多个传感器可以感测液体射流286的自由端288何时接触阴极板268。所述传感器可以发送信号至控制器248，从而使控制器248将门控板216旋转到非对准的时钟取向266。
方法300的步骤310包括响应于将门控板216旋转到非对准的时钟取向266，终止液体射流286射流的形成。图8示出门控板孔218与面板孔口256不对准，使得阻止或防止来自贮存器152的液体158流入面板孔口256中。在z箍缩设备108中，阻止液体射流286到面板孔口256中的附加流动避免淬灭当液体射流286在面板250和阴极板268之间建立导电路径时发起的z箍缩反应。
对于z箍缩设备108，方法300可以包括当终止液体射流286的形成时，使用电源276将电流278脉冲施加于面板250(例如，阳极)。电流278脉冲可以在与当液体射流286的自由端288接触阴极板268并且门控板216旋转到非对准的时钟取向266时相同的时间(例如，在微秒或纳秒内)施加于面板250。在一些示例中，该方法可以包括使用电源调节器(未示出)命令电源276在至少1hz的频率下将电流278脉冲施加于面板250。控制器248可以命令马达242周期性地在对准的时钟取向264和非对准的时钟取向266之间旋转门控板216，并且电源276可以在当终止圆柱形阵列的液体射流286的形成时的时间点处将电流278脉冲施加于面板250。
对于喷射系统150在z箍缩设备108中实施的示例，方法300可以包括将电流278的至少一个部分返回到电源276，以至少部分地协助给电源276充电。方法300可以任选地包括在聚变室274中形成的真空内执行z箍缩反应。可替代地，聚变室274可以包括诸如氩或氮等气体，以有利于z箍缩反应。
在一些示例中，方法300可以包括使用沿液体射流286的长度流动的电流278脉冲将液体射流286加热成热的等离子体290。图12示出随着电流278流过液体射流286在z箍缩设备108中加热液体射流286从而导致液体射流286中的每个液体射流转变成等离子体290芯的初始阶段。如图12至图13中所示，电流278沿液体射流286的流动也产生围绕所述阵列的等离子体290芯的磁通量282。磁通量282与电流278相互作用，从而导致如图13中所示的洛伦兹力284。洛伦兹力284朝向中心轴线222径向向内压缩等离子体290芯，从而导致非常高的温度(例如，一百万开氏度的数量级)和非常高的密度(例如，1020离子/立方厘米)的箍缩等离子体292圆柱体。从电流278脉冲的施加开始直到内爆的等离子体292在中心轴线222处停滞为止的z箍缩反应的总经过时间是为小于1微妙的数量级。
将门控板216旋转到对准的时钟取向264(步骤304)、使液体158穿过面板孔口256以发起圆柱形阵列的液体射流286的喷射(步骤306)、将门控板216旋转到非对准的时钟取向266(步骤308)以及终止液体射流286的形成(步骤310)的上述步骤可以总结为将圆柱形阵列的液体射流286喷射到喷射区域252中。在一些示例中，方法300可以包括在重复的基础上喷射圆柱形阵列的液体射流286。例如，方法300可以包括顺序地执行以下步骤：将圆柱形阵列的液体射流286喷射到喷射区域252中、使用电源276将电流278脉冲施加于面板250、使用电流278脉冲将液体射流286加热成等离子体290以及从喷射区域252喷出等离子体290。电流278脉冲沿液体射流286的穿过导致上面提到的洛伦兹力284，所述洛伦兹力284将等离子体290径向压缩成通过阴极板268中的中心开口270从喷射区域252喷出的高温箍缩等离子体292圆柱体。如上面提到，重复地将圆柱形阵列的导电液体射流286喷射到喷射区域252(诸如聚变室274)中的能力可以有利于或改进执行z箍缩实验的能力。另外，重复地喷射圆柱形阵列的导电液体射流286的能力可以允许产生连续序列的推力296的聚变推进脉冲，诸如用于推进交通工具100的聚变推进脉冲或用于执行需要重复阵列的导电液体射流286的各种其他动作中的任一个动作的聚变推进脉冲。在此方面，目前公开的喷射系统150和方法300有利地避免与每当执行z箍缩反应时安装新金属线(未示出)相关联的时间和费用。
图14至图16示出喷射系统150在z箍缩发动机110中的实施方式，其中方法300可以包括在中心轴线222处使用高温和高密度等离子体290来产生用于交通工具100的聚变推进。图14示出穿过阴极板268中的中心开口270并进入安装到阴极板268的后侧的磁喷嘴112中的箍缩等离子体292圆柱体。如上所述，磁喷嘴112产生防止高温等离子体290接触并潜在地损坏喷嘴环114的磁场线118(图14)。图15示出在磁喷嘴112内部的膨胀等离子体294，从而导致磁场的压缩，这进而逐渐地增大磁场的强度和磁压力。来自膨胀等离子体294的磁场的增大的磁压力由磁喷嘴112的喷嘴环114上的径向力和轴向力反作用，从而导致沿交通工具100的主轴线(未示出)引导的推进推力296(图16)的脉冲。来自膨胀等离子体294的磁压力将等离子体294朝向喷嘴112的后端(例如，敞开端)推动，从而最终导致等离子体从喷嘴112的排出，其后磁场解压缩回到其原始状态(图14)。脉冲的聚变推进在等离子体294从喷嘴114的膨胀和排出期间发生。
此外，本公开包括根据以下条款的实施例：
条款1.一种喷射系统，所述喷射系统包括：
贮存器，其用于容纳在压力下的导电液体，所述贮存器具有贮存器端部；
门控板，其位于所述贮存器端部处并具有圆形阵列的门控板孔并可围绕穿过所述门控板圆形阵列的中心轴线旋转；
面板，其邻近所述门控板固定地定位并具有与所述门控板孔互补布置的圆形阵列的面板孔口；
马达，其被配置为围绕所述中心轴线旋转所述门控板；
控制器，其被配置为控制所述马达以：
将所述门控板旋转到对准的时钟取向，在所述对准的时钟取向中，所述门控板孔和所述面板孔口被对准以发起圆柱形阵列的液体射流到喷射区域中的喷射；以及
将所述门控板旋转到所述门控板孔相对于所述面板孔口的非对准的时钟取向，以在喷射离散量的所述液体之后终止所述液体射流的形成。
条款2.根据条款1所述的喷射系统，所述喷射系统还包括行星齿轮系统，所述行星齿轮系统包括：
至少三个行星齿轮，其围绕所述门控板成角度地间隔开；以及
所述马达，其被配置为可旋转地驱动所述行星齿轮中的至少一个以用于旋转所述门控板。
条款3.根据条款1所述的喷射系统，其中：
所述面板孔口中的至少一个包括由金属材料、陶瓷材料和宝石材料中的至少一个形成的孔口内衬。
条款4.根据条款3所述的喷射系统，其中：
所述孔口内衬具有圆锥形内部，所述圆锥形内部的尺寸沿从所述孔口内衬的接收端部到所述孔口内衬的排出端部的方向逐渐变小。
条款5.根据条款1所述的喷射系统，其中：
所述面板孔口中的每个面板孔口具有小于约100微米的开口宽度。
条款6.根据条款1所述的喷射系统，其中：
所述液体是熔融金属；以及
所述贮存器包括被配置为将所述熔融金属维持在熔融状态下的贮存器加热器。
条款7.根据条款1所述的喷射系统，还包括：
活塞，其可滑动地安装在所述贮存器中以用于将压力施加于所述液体。
条款8.根据条款1所述的喷射系统，其中：
所述液体射流朝向与所述面板间隔开定位的阴极板喷射；以及
所述马达被配置为将所述门控板旋转到所述非对准的时钟取向，以当所述液体射流的自由端接触所述阴极板时终止所述液体射流的形成。
条款9.根据条款1所述的喷射系统，其中：
所述喷射区域是聚变室，所述聚变室由在所述面板和与所述面板间隔开定位的阴极板之间延伸的外壳元件总体上限定。
条款10.一种z箍缩设备，所述z箍缩设备包括：
喷射系统，所述喷射系统包括：
贮存器，其用于容纳在压力下的导电液体，所述贮存器具有贮存器端部；
门控板，其位于所述贮存器端部处并具有圆形阵列的门控板孔且可围绕穿过所述门控板圆形阵列的中心的中心轴线旋转；
面板，其邻近所述门控板固定地定位并具有与所述门控板孔互补的圆形阵列的面板孔口；
马达，其被配置为围绕所述中心轴线旋转所述门控板；
控制器，其被配置为控制所述马达以：
将所述门控板旋转到对准的时钟取向，在所述对准的时钟取向中，所述门控板孔和所述面板孔口被对准以发起圆柱形阵列的液体射流朝向阴极板的喷射；
将所述门控板旋转到非对准的时钟取向，以在所述液体射流的自由端接触所述阴极板之后终止所述液体射流的形成；以及
电源，其被配置为将电流脉冲施加于所述面板，所述电流流过所述液体射流到达所述阴极板并沿所述中心轴线将所述液体射流转变为等离子体。
条款11.一种喷射圆柱形阵列的离散液体射流的方法，所述方法包括以下步骤：
使用由控制器命令的马达将门控板旋转到对准的时钟取向，在所述对准的时钟取向中，圆形阵列的门控板孔与邻近所述门控板固定地定位的面板的圆形阵列的面板孔口对准；
使贮存器中在压力下的液体穿过所述门控板孔和面板孔口，以发起圆柱形阵列的液体射流到喷射区域中的喷射；
使用由所述控制器命令的所述马达将所述门控板旋转到非对准的时钟取向；以及
响应于将所述门控板旋转到所述非对准的时钟取向，终止所述液体射流的形成。
条款12.根据条款11所述的方法，其中旋转所述门控板的步骤包括：
使用所述马达可旋转地驱动围绕所述门控板的周边成角度地间隔开的至少三个行星齿轮中的至少一个。
条款13.根据条款11所述的方法，其中：
所述面板孔口中的至少一个包括由金属材料、陶瓷材料和宝石材料中的至少一个形成的孔口内衬。
条款14.根据条款11所述的方法，其中所述液体是熔融金属，所述方法还包括：
使用贮存器加热器将热施加于所述贮存器，以将所述熔融金属维持在熔融状态下。
条款15.根据条款14所述的方法，还包括：
使用通信地联接到所述控制器的温度检测器监测所述贮存器内的液体的温度；以及
如果所述液体的温度下降到低于阈值温度，在所述控制器的命令下调整所述贮存器加热器的热输出。
条款16.根据条款11所述的方法，还包括：
使用可滑动地安装在所述贮存器内的活塞将压力施加于所述贮存器中的液体。
条款17.根据条款11所述的方法，还包括：
当所述液体射流终止时，使用电源将电流脉冲施加于所述面板；以及
使用所述电流将所述液体射流加热成等离子体。
条款18.根据条款17所述的方法，其中将所述门控板旋转到所述对准的时钟取向、使液体穿过所述面板孔口以发起所述圆柱形阵列的液体射流的喷射、将所述门控板旋转到所述非对准的时钟取向以及终止所述液体射流的形成的步骤包括将圆柱形阵列的液体射流喷射到所述喷射区域中，所述方法包括在重复的基础上顺序地执行以下步骤：
将圆柱形阵列的液体射流喷射到所述喷射区域中；
使用所述电源将电流脉冲施加于所述面板；
使用所述电流将所述液体射流加热成等离子体；以及
从所述喷射区域喷出所述等离子体。
条款19.根据条款17所述的方法，其中将电流脉冲施加于所述面板的步骤包括：
在至少1hz的频率下将电流脉冲施加于所述面板。
条款20.根据条款17所述的方法，还包括：
将所述电流的至少一部分返回到所述电源。
条款21.根据条款11所述的方法，其中使液体穿过所述门控板孔和面板孔口以形成指向阴极板的圆形阵列的液体射流的步骤包括：
将所述液体射流喷射到聚变室中，所述聚变室由在所述面板和与所述面板间隔开定位的阴极板之间延伸的外壳元件总体上限定。
从前述描述和附图中呈现的教导获益的、本公开所属技术领域的技术人员将想到本公开的许多修改和其他配置。本文所述的配置意在是说明性的且不意在限制或穷举。虽然在本文采用具体术语，但是这些具体术语仅以一般的和描述性的意义使用且不用于限制的目的。