CN1075885C - 流体射弹发射器 - Google Patents

Abstract

一种流体射弹发射器(10)，包括具有限定一个后膛部分(50)的一个开口端和封闭端的枪管，后膛(50)用来容纳含有电离介质使流体导电和在生命体内引发生理学反应的活性物质的一定剂量的流体(56)；一个由电容(22)、电感(36)和构成后膛(50)组成部分的一对电极(38A，38B)组成的发射激发电路(10)；用来使能量储存装置(22)通过电极(52，38A、38B)释放能量给后膛(50)中的流体(56)从而使流体(56)作为射弹从枪管的开口端发射出去的起动装置(40)；连接电容器(22)和电感(36)的引线(38A，38B)绕管状第一电极呈径向对称方式设置，此产生在垂直于枪管中心轴线的平面上呈函数对称的电磁场，本发明可以设计成为可携手提式装置。

Description

流体射弹发射器

发明背景

许多实际应有都清楚地表明，被高速喷射的水微粒在击中选定距离处的预定目标前可以保持它们的完整性。例如，利用高压空气和/或水射流的切削机已被成功地使用了许多年。基于液压推进的种痘注射枪也逐渐普及。然而由于作用之前的多次转化，能量并不能一直得到有效利用。

电能向动力能的直接转化适用于金属抛射发射器中利用产生连续脉冲的一排的螺线管提供所需加速力的情况。该能量转化也适用于与水推进剂共同实现小发射枪的发射，即水首先因盐的加入而具有导电性，然后通过电流产生一个电弧，由此增进从枪管里将固体射弹高速发射出去所需的电流浪涌。

在1989年6月出版的《电子与无线电世界》杂志的第556-559页上Peter Graneau的一篇文章中描述了一种运用此原理的水一电弧发射器。但该方案中侧面设置的电流连接器会导致发射中轴向电流的明显的不对称，造成液体炸药从枪管中出来时呈大面积散射，从而，使得该装置作为一个球状液体射弹发射器不能产生预期效果。固体射弹连同这篇文章所描述的水枪中含有的水炸药的使用在某种程度上还不能很实用。当水炸药量只是很适度的3.8g时，以1000米/秒的速度推动整体炸药的能量需求要求电容器被充电，其电压要足以维持一个电弧，达到1法拉电容量的一半，且能够放电达相当大的100KA。这可能会重达许多公斤使基于此方案制成的设备太重而不适于需要具有相当程度的可携带性的实际应用。

本发明目的

本发明的目的在于提供一种液体射弹发射器，其可发射一定剂量的液体，该液体可包括一种药、一种诸如疫苗或杀虫剂的植物或动物保护剂、一种营养剂、一种毒药、一种诱发疼痛物质或一种致残物质。并可产生足以对目标构成侵害力的速度，该发射器便于携带，性能稳定，易于操作。

本发明概述

本发明的第一方面涉及一种流体射弹发射器，它包括一个具有限定了用来容纳一定剂量液体的后膛的一开口端和一封闭端的枪管；一个含有构成后膛组成部分的能量储存装置和能量使用装置的发射激发电路；对称的推力产生和维持装置；可使能量储存装置通过能量使用装置释放能量给后膛中的一定剂量的流体，从而使该部分流体作为流体射弹被对称地从枪管的开口端发射出去的起动装置。

更好的方案是，能量使用装置包括第一和第二电极，两个电极彼此绝缘以阻止通过液体产生的电连接，两个电极绕枪管中心轴线相互对称。能量储存装置包括一个电容及包括一排电引线的对称的推力产生和维持装置，电引线相对于枪管的中心轴线对称地连接第一和第二电极，以产生一个电磁场，该电磁场在垂直于枪管中心轴线的平面上呈函数对称。

更便利的是通过设计后膛的尺寸和能量使用装置的位置从而使容纳一定流体剂量最大量达1克。

更有益的是，后膛部分包括一个限定第一个电极的管状导电部分。第二个电极包括一个基本上与枪管的中心轴线重合并延伸入后膛基底的导电支柱和一排电引线，电引线包括至少一对按径向对称方式绕管状第一电极等角连接的第一对引线和连接第二电极的一个第二引线。

本发明还扩及一种流体射弹发射器，它包括一个具有限定了用来容纳一定剂量流体的后膛的一个开口端和一个封闭端的枪管；一个包括构成后膛组成部分的能量储存装置及能量使用装置的发射激发电路，可使能量储存装置通过能量使用装置释放能量给后膛中的一定剂量的流体，从而使该部分流体作为流体射弹从枪管的开口端被发射出去的起动装置；为能容纳流体剂量最大量达1克，来确定后膛部分的尺寸和能量使用装置的位置，且容纳的最大量最好为0.5克而更好的是容纳的最大量为0.1克。

能量储存装置一般包括一个电容和一个电感以控制通过第一、第二电极之间电弧电流的放电速率，电弧电流具有一个包含至少半个正弦波的波形。

放电电弧电流的波形可以包含限定至少一个阻尼振荡的多个半正弦波。

更可取的是，发射激发电路包括一对连接电源的输入端子和调节来自电源的电力、含有一个倍压整流器的调节装置。

流体射弹发射器可以是带一个把手的可携手动装置，起动装置包括一个具有一对可熔触片的滑动开关和一个在使用后可撬开触片的分离器。

枪管的直径可以是2-3.5mm中的任意一值。

本发明更进一步涉及一种装备好的流体射弹发射器，包括一个具有限定了一个可容纳一定剂量流体的后膛部分的一个开口端和一个封闭端的枪管；一个包含构成后膛组成部分的能量储存装置和能量使用装置的发射激发电路；可使能量储存装置通过能量使用装置释放能量给后膛中一定剂量的流体，从而使该部分流体作为流体射弹从枪管的开口端被发射出去的起动装置，该部分流体中含有一种流体导电的电离介质和一种能够在活的生物体中引发生理学反应的活性物质。

所说的活性物质可以包括下述至少一种即一种药、一种诸如疫苗或杀虫剂的植物或动物保护剂、一种营养剂、一种毒药、一种诱发疼痛物质或一种致残物质。

本发明还涉及一种引发活的生物体内生理学反应的方法。该方法有如下步骤：提供一个流体射弹发射器，该发射器包括一个具有限定了后膛部分的一个开口端和一个封闭端的枪管，含有构成后膛组成部分的能量储存装置及能量使用装置的发射激发电路，及起动装置；向流体射弹发射器的后膛部分填充一定剂量的流体，流体中含有一种使流体具导电性的致电离介质和一种引发活的生物体内生理反应的活性物质；将液体射弹发射器瞄准一个由活性物体限定的目标；触发起动装置，使能量储存装置通过能量使用装置向后膛内的一定剂量的流体释放能量，从而使该剂量流体作为流体射弹从枪管的开口端被发射出去。

本方法可以包括从外部电源向能量储存装置充电的最初步骤。

下面通过本发明的实施例并参照附图对本发明具体描述：

图1为本发明涉及的液体射弹发射器的电路原理图；

图2为本发明涉及的一种典型的液体射弹发射器的剖视图。

首先参看图1，一个液体射弹发射器10具有三个主要部件，即由虚线轮廓12所示三倍电压整流器，虚线轮廓14所示的能量储存装置和虚线轮廓16所示的枪管和后膛组合体。

一般具有频率50Hz、240V电势的一个交流公用电源直接与三倍电压整流器12的输入端子18、20跨联。三倍电压整流器可使电容器22充电至电压接近1KV。本发明的另一种方案是用电池电源作为电力源向电容器充电，但要采用一个倒相器，向端子18、20之间提供必需的交流电。

三倍电压整流器按下述方式工作。如果端子18处的电势是正值且相对于端子20是上升的，则二极管24可导通以利用流经桥接电阻28的小电流给电容器26充电。端子18和20的极性一旦反向则可使二极管26导通从而向电容器32充电。在下述的转换中，二极管34和36都导通，主要的能量储存电容器22将被部分充电。此后交流电源的持续转换将通过电容器“斗链”(“bucket brigade”)流过相当数量的电荷直到数秒后能量储存电容器22被充满电荷为止。

电容器26和32具有典型的1-5微法电容值，同时，主要的电荷储存电容器22的电容值在100-250微法，具体数值取决于发射液体射弹所必需的电荷量。二极管24、30和34一般是不贵的低电流装置，额定容量约1.2KVPIV。基本一点是二极管34在被施加峰值反向电压时具有相当低的反向漏电，从而防止充电完成并与电源断开后的主要电荷储存电容器22出现漏电。电阻28可通过为电容器26和32提供一个故电通道以确保一旦端子18、20与电源断开时则二者出现零电势。

更好的方案是，主要能量储存电容器包括一个镀金属塑料薄膜电容，并可以换成高强度电流电解电容或陶瓷电容。电容22的主要标准是它应当具有一个良好放电传输性能、低漏电、适度的自感和可能最小的物理尺寸。电感36可以被整个放入电容器22的自感及与轮廓38所示的整个能量储存电路的内连引线电感中，并包括限定在起动开关40的闭合中形成一个有效闭合环路的分离的但是相同的电流路径的电极引线38A和38B。可替换的方案是，电感可以包括一个能方便地与其它电感串联的特殊电感器。请看图2中更清晰地图示，开关40包括以一个固定触片40A和一个绞接触片40B形式构成的一对宽触片，通过按图中箭头43方向所示向一个滑动机场42施加适度压力就可以使两开关触片彼此接触。如开关触片40A和40B质量不好也并不必然就是缺陷。因为在闭合中，流经开关触片的电流将导致配合面的部分焊接，从而防止触片反弹也确保了低接触阻抗。一个楔形分离器44从滑块42的前端向后方延伸，从而可撬开使用后的触片40A和40B。在液体射弹发射器需频繁使用的实际应用中，可以采用一个附加的触片清洁机构。

管形的枪管和后膛组件16包括一个前部电绝缘部分48和一个作为第一电极的导电后膛部分50，在后膛50的外圆周上，接线端38A和38B沿直径方向与连接点51A及51B相对，后膛50邻接绝缘部分48。相对管中心轴线的电连接的对称性可保证绕第一电极50的内圆周呈基本对称的轴向推进电流。

设置于后膛50基部的是一个导电柱52，作为沿管轴线在中心设置的第二电极，从而能够与第一电极有利地配合形成一个对称电流，在发射时其结果在液体射弹后产生对称推动力。第二电极被一个由高弹性减震材料制成的间隔隔离器和机械减震器54包围。最好是电感36紧密连接组件16的开口端，这样，绝缘部分40长度可以变短甚至可以略去，同时导电的后膛部分50可以延长。

作用于电极50和52的能量的第一较小部分将电极间少量的水的温度升至形成等离子体所必需的3000-6000℃之间，同时剩余的较大部分能量高速传输将水加速并从发射组件16中高速排放出去所必需的推力。加热形成等离子体和发射的工艺在高伏电势作用下遵循自然的自动调整的顺序。对称电流分配实际上确保所有的水呈球状发射出去，直到高速击中确定目标前一直保持完整。

作用于内层后膛和管组件46的压力升高的速率格外高，因此需要诸如抗强震尼龙或碳酸聚酯一类的特殊弹性材料。

在电容器22放电过程中，电弧电流很容易超过25000安培，从而对液体弹药块56产生强大的加速作用，能以超过1000m/s的速度将液体从枪管推出。其实际速度取决于液体弹药块56的大小、枪管内膛孔制造的质量、枪管内电流的对称性和储存电容器22中的能量数值。

一个制作良好的液体射弹发射器性能可用适当的精确度来预测。

假设要将一滴水加速到每秒1000米，则所需能量为：

                        E=1/2mV²其中：E为能量(以焦耳计)  m为质量(以千克计)   V为速率(以米/秒计)假设一毫升中有二十滴水，那么

           E=1/2×0.05/1000×1000²=25焦耳

假设机械能转化率为50％，电能转化率为75％。那么储存于电容中的能量必为：

           25×100/50×100/75=67焦耳

一个电容器中储存的能量为

E=1/2CV²其中：E为能量(以焦耳计)C为电容值(以法拉计)

V为电势值(以伏特计)

假设电容器被充电到1000伏特，那么

          C=2E/V²=2×67×10⁶/10002=134μF

那么具有最接近标准值150μF的电容器可以被采用。

施用较高电压的优点是电容可降低。例如，在2000伏特下，电容值为：

          2×67×10⁶/20002=33.5μF

电压的加倍会使所需的电容值降为1/4，这表明采用以万伏计的电压会更有利。然而一个150μF,1000V直流电的电容还不是太大，能够放入手提设备中。

含有电感36的装置用以提供能控制电弧电流，相应使加速的速率适应特定条件，电感可具有从十分之几到几个微亨的数值。更好的是，为了在射程中获得液体射弹的扩散中产生所期望的作用，要变化加速，同时电感值可以相应适当地增加或减小。

假设一电容值为150μF，一电感值为0.5微亨，那么，谐振频率为： $F_{\mathrm{rcs}}=\frac{1}{2\mathrm{\Π}\sqrt{\mathrm{LC}}}=18.4\mathrm{Khz}$

电弧电流呈阻尼振荡，其极性每27.2微秒变换一次。

在低电感值下，发射导管组件的弹性可以被严格测试，且其会证明大大地增加电感值是很有好处的，同时延长枪管的导向部分以增加将液体弹药获得所期望速度所需要的时问。

最好是在第一个半正弦波出现的时间里发射液体射弹。同时导电后膛50的长度应被调整以提供一个导电路径，而同时射弹在诸如27.2秒内从静止加速到1000米/秒时，因加速速率受枪管组件的直径与长度比、导电支柱42和减震器54的尺寸、材料弹性和电弧电流的影响，所以要进行许多试验和修正工作。

相反地，射弹可以经过五个半正弦波被加速，这时，射弹可用136微秒以获得远远小于1000米/秒的最大速度，且发射管一般要较长且窄。射弹要承受一系列强度迅速衰减的冲力作用，从而改变出现的液体射弹的形状。

要牢记具有随电流反向变化的阻抗的电弧确实具有相对稳定的电压特性。电弧电压值在60伏左右，量在电流增加和电弧长度增加时电压值也增加一点点。

因储存于电容器22中的能量经过电感36和电弧负载发生振荡，所以能量会在电弧中和伴生的电路阻抗中被消耗。电感电容回路形成一个几乎是恒定的电源，以提供一个可将具有下降特性的高压源转换成为一个电弧间的相对稳定的60伏特电压的有效装置。

现在参看图2所示的一个典型的液体发射枪64。枪64模仿一个普通的手电筒而不具有吓人的外观，这样增加作为一种个人自卫武器的有效性。

枪管和后膛组件46设置于与一个手电筒灯泡正常所处相同的部位，且由于加入了反射体66使这种错觉更为明显。滑动开关42置于塑料或橡胶盖68下，塑料或橡胶盖68是与普通手电筒的筒身相仿的涂了橡胶的筒身70的一部分。

电容器22被设置于枪的把手内，即类似的手电筒内放置电池的部位。经过导电端板72和74、平行的引线76A和76B(各自分别对应于电路38A和38B)和直接从末端极74处延伸过来的绞接端子40B与电容器22电连接。引线76A和76B具有基本上相配合的电阻和电感特性，从末端极72延伸至电感器36。

在本实施例中，引线76A和76B针对后膛和管道组件的中心轴线沿直径方向相对，通过增加并联导体的数量可以使电路阻抗和电感减小，同时使电流的对称性得到改善。例如使三个导体径向彼此相差120度地等角设置，或四个导体彼此相距90度设置。也可以通过适当延伸而达到一种基本封闭的同轴结构。

三倍电压整流器电路12被设置在与电感器36相对的反射体66下面。输入端子18和20被设置在位于反射体66外周缘的凹槽78和80内，且被设计为与一个特殊的电源适配器(图中未表示)相配合，从而在端子18、20与常用电源问提供接触以向电容器22充电。

在实际应用中，持枪的方式与手持电筒一样，并瞄准预定目标。按箭头44的方向拇指压向橡胶盖68就能操作滑动机构42。如前所述，滑动机构42的归位可以分离开关40的两个触片。

利用一个合适的分配器完成液体56的补给。该分配器被校准从而能向枪管和后膛组件46内注入一个被精确测量剂量的液体。从上面的描述可以很清楚地知道，此枪在每一次彻底发射后都需要人工手动填弹。通过制造一个适宜的供弹系统可能会实现一定程度的重复。该系统包括一个液体库或液体弹仓，从而在每一次成功运动之后会自动被给液体并对电容器22再充电。另一种方案是设计一个多枪管一电容系统。因为本发明所述的液体射弹发射器是电子引爆的，这就使得它特别适合远距离引爆。

另外还可以设计几种不同的枪管构造。一种是不导电枪管部分48可以被一个从导电后膛50延伸出的导电部分取代。另外一种方案是，利用附加枪管部件为液体射弹提供额外的导向和增加速度。这些枪管部件可以包括有彼引相互配合的导电和绝缘部件，有选择性地与附加能量储存电路连接的导电部件提供一个附加加速力给液体射弹。

在一个特定装置中。导电后膛部分可以由固态金属制成。另外它也可以由非导电材料如塑料等制成，且在其内腔有一个金属内衬，该内衬向外延伸到需要电连接之处。

在另一个被描述的实施例中枪管内腔直径可以在2-3.5mm之间，整个枪管长度可以是从20-50mm，这样可容纳一滴水(0.05ml)。当然，根据能量的等级大小，这些尺寸可以成比例地放大或缩小。

在另一个实施例中电容器22的线圈可以被放大到足以允许整个的管状枪管组件46被安置在电容器线圈的内腔中，从而减小内部连线的有效长度并增加效率。

看起来，仅仅一滴水是不可能独立在一个或动物目标上产生显著作用的，当然一滴以1000/s速度(接近声速的3倍)运动的水除了最厚的布都能穿透，且能轻易穿过毛发和皮毛。相当强的酸(pH值小于3)或相当强的碱(pH值大于11)的加入能够显著地改变效果。因为能在射入皮肤时对其产生相当强烈的疼痛刺激。这类酸包括所有的强无机酸和诸如甲酸的有机酸。甚至由柔和酸组成的酸诸如柠檬汁就足够了。诸如晶碱、氨水等类似的碱都能产生同样效果。普通溶剂象丙酮等也可以产生一种疼痛刺激。通过实例，比如在手指的一个小伤口上试用上述任何一种物质就可以明了。

有专门刺激作用的有机物质或配制的有疼痛诱发特性的药物的添加可以是有助的。这些物质包括辣椒素，由干辣椒-最小量辣椒-获得的能产生剧烈的火辣感觉的化合物等。在蜜蜂、黄蜂和大明蜂的刺中和事实上普通的巢中发现的物质，包括共同作用的组胺，血清素和己酰胆碱，可以立即引发剧烈疼痛，尽管只有极微小的有效成分在里面。因为组胺可模拟人体的能够感应刺激过程的疼痛而极为有效。

组胺一般被配制为二磷酸组胺C₅H₉N₇2H₃PO₄，或作为二氢氯化盐，尽管它对光和温度都敏感。

短程到中程射击对一个袭击者产生的作用，很可能是即刻的且严重的。枪击产生明亮的闪光，枪声以及紧随而至的局部强烈疼痛的开始这种综合会产生手枪射击的逼真模拟效果。如用一些特殊点火物质，则局部伤口可能是灼伤或鞭伤。另外对这些物质的普通反应会导致昏迷及脑损伤。更重要的是所有这些情况是可逆转恢复的。

在对人及动物接受者适用或供给麻醉剂、镇静剂及预防性药物，甚至染料和着色剂时，使用本发明涉及的液体射弹发射器会更有利。

在电感作用和液体射弹中含有的物质之间不希望出现的相互反应可以通过采用特别的枪管构造来维持两者间所期望的隔离。

当使用染料、着色剂等其它用来物体表面处理的物质时，可以采用一种被发射物质的有效持续供给，包括有提供该工艺所需的对应电能的装置。要分配的液体按顺序剂量注入机构中，每一剂量都被仔细控时的放电以高速发射出去，以提供一个补给的持续作用。

Claims (17)

1．一种流体射弹发射器，其特征在于：它包括一个具有限定用来容纳一定剂量的后膛的一个开口端和一个封闭端的枪管；一个包括构成后膛组成部分的能量储存装置和能量使用装置的发射激发电路；对称的推力产生和维持装置；可使能量储存装置通过能量使用装置以电弧电流的形式向后膛内的一定剂量的流体释放电能从而使该部分流体作为流体射弹从枪管的开口端被对称地推出的起动装置；控制经过能量使用装置的电弧电流的放电速率的放电控制装置；为容纳具有预定质量的一个离散流体剂量而进行尺寸设定的后膛和进行位置设定的能量使用装置。

2．根据权利要求1所述的流体射弹发射器，其特征在于：所说的能量使用装置包括彼此绝缘以防止经过流体形成的电连接且绕枪管的中心轴线相互对称的第一和第二电极；能量储存装置包括一个电容器；含有一个电感的放电控制装置；和一个具有一排电引线的对称的推力产生和维持装置，电引线相对于垂直于枪管的中心轴线的平面对称地连接第一、第二电极以产生一个在平面上函数对称的电磁场。

3．根据权利要求1所述的流体射弹发射器，其特征在于：所说的后膛包括限定第一个电极的管状导电部分，第二个电极包括一个基本上与枪管的中心轴线重合且延伸至后膛的基层的导电支柱，电引线包括至少一对第一对绕管状第一电极径向和轴向对称地等角连接的导线和一个连接第二电极的第二引线。

4．根据权利要求1所述的流体射弹发射器，其特征在于：所说的能量储存装置包括一个存储电容，放电控制装置包括一个电感且电弧电流具有含有至少半个正弦波的放电波形。

5．权利权利要求4所述的流体射弹发射器，其特征在于：电弧电流的放电波形包括多个限定至少一个阻尼振荡以使液体射弹承受一系列强度衰减的推动的半正弦波。

6．根据以上任一权利要求所述的流体射弹发射器，其特征在于：通发射激励电路包括一对连接电源的输入端子和具有一个倍压整流器的用来调整电源电力的调节装置。

7．根据权利要求6所述的流体射弹发射器，其特征在于：所说的电源是外部交流供电干线。

8．根据权利要求6所述的流体射弹发射器，其特征在于：所说的电源可以是一个被转换的电池电源。

9．根据权利要求1所述的流体射弹发射器，其特征在于：所说的倍压整流器包括第一第二充电电容，两电容通过各自的第一、第二二极管轮流被充电从而能在储存电容器中连续积累电荷。

10．根据权利要求1所述的流体射弹发射器，其特征在于：它可以是带有一个把手的可携手提式装置，起动装置包括一个具有一对可融触片的滑动开关和在使用后可撬开触片的分离器。

11．根据权利要求1所述的流体射弹发射器，其特征在于：所说的枪管的内膛直径为2-3.5mm。

12．根据权利要求1所述的流体射弹发射器，其特征在于：所说的枪管的有效长度为20-50mm。

13．根据权利要求1所述的流体射弹发射器，其特征在于所述流体中含有可使流体导电的致电离介质和可引发生命体生理反应的活性物质。

14．根据权利要求13所述的装备好的流体射弹发射器，其特征在于：所说的活性物质包括以下的一种，即一种药物，一种植物或动物保护剂，诸如一种疫苗或杀虫剂、一种营养剂、一种毒药、一种疼痛诱发物质或一种致残物质。

15．一种在活的生物体内引发生理反应的方法，其特征在于：该方法有以下步骤：

(1)提供一个流体射弹发射器，包括一个具有限定后膛的一个开口端和一个封闭端的枪管；一个含有构成后膛组成部分的能量储存装置和能量使用装置的发射激发电路；起动装置；用来控制经过能量使用装置的电弧电流的排放速率的放电控制装置；

(2)向发射器的后膛注入预定质量的分离剂量的流体，流体中含有使流体导电的致电离介质和一种能在活的生物体内引发生理反应的活性物质；

(3)将流体射弹发射器瞄准由活性物体确定的目标；

(4)触发起动装置从而使能量储存装置通过能量使用装置以电弧电流形式向后膛内的一定剂量的流体按所控制的方式释放能量从而使该部分流体作为流体射弹从枪管的开口端被发射出去。

16．根据权利要求15所述的方法，其特征在于：所说的活性物质包括至少以下一种，即一种药物，一种植物或动物保护剂，如一种疫苗或杀虫剂、一种营养剂、一种毒药、一种疼痛诱发物质或一种致残物质。

17．根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于：所说的方法还可以包括从一个外部电源向能量储存装置充电的起始步骤。

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