CN1522339A - 聚能装药发动机 - Google Patents

Abstract

一种聚能装药发动机，其包括：一个由内外壳体(1)和(2)构成的圆环形燃烧室(3)。一个在该内壳体(1)中的中心通孔允许排气排出。该外壳体包括一个带有一内锥形凹坑和各通孔的大致圆盘，用于插入燃料喷射器和点火器。射流成形燃烧室最好锥形的，其底部较宽，并且其横截面随着逐渐上升到顶部而降低。这种结构形成了一个圆形窄点或朝着该顶部的喉部，该窄点或喉部形成一主压缩区。一第二压缩区形成在该外壳体的顶部处，正好处于该喉部外，当大致相对的排气流相互撞击并被迫排出该内壳体中的通孔时，产生高超音速气体。该聚能装药发动机可用作不同的使用场合，例如用作一种脉冲直接推进装置，用作一涡流驱动器，或用在各种工具和设备中。

Description

聚能装药发动机

技术领域

本发明涉及用脉冲高超音速压缩波产生推力的脉冲高超音速压缩波装置，特别是聚能装药(shaped charge)装置。

背景技术

在诸如喷气发动机和火箭发动机之类的推进装置中，推力是由高速排气流产生的。常规的喷气发动机的高速排气流是由燃料和空气的燃烧产物形成的，但火箭发动机的高速排气流是由燃料和氧化剂的内部燃烧产物形成的。高压燃烧产物被迫流过一个限制的孔或喷嘴，从而形成高速排气流。

在这种常规的系统中存在几个固有的问题。在喷气发动机和火箭发动机两者中的燃烧都必须具有极高的内部压力，因此受到材料的结构强度的限制。随着内部压力的增加，为了承受该压力，燃烧室壁的厚度也必须增加，从而相应地增加了燃烧室的重量，故制约了这种设计。此外，当排气喷嘴的直径降低以便增加排气速度时，则该发动机和喷嘴的冷却变得越来越困难。另外，冲压发动机不能在很短的时间内使燃烧产物排空，因此制约了着火速度。

进一步地，随着燃烧室内的压力的增加，为了将燃料和氧化剂引入燃烧室中，从而需要更高的燃料和氧化剂进口压力，因

此需要以更大的马力工作的更重的泵。这种对现行发动机的限制的示例之一可以从装有两台主要的航天飞机发动机的情况中看出。仅驱动该燃料和氧化剂泵，该发动机就需要108400马力。为了获得仅3260Ppsi(磅/吋²)的燃烧室压力，进口压力要超过6800psi，同时燃烧室与喷嘴的比值为77∶1。

航天发动机和其它火箭发动机的尾燃产生的巨大羽烟，是未完全燃烧的燃料和氧化剂在排出排气喷嘴之前形成的。实际上燃料和氧化剂在发动机外的燃烧不能产生推力，因此是浪费。上述航天发动机例如需要每秒2000磅的燃料和氧化剂，以便获得相对海平面41800磅的推力。此外，这种发动机的连续燃烧将使高的传热传递给各发动机零部件，特别是传递给喷嘴孔，并且为了保护发动机的结构，这种高的热传递需要使用昂贵的稀有材料和复杂的冷却系统。

以前改善发动机设计的各种努力都集中在各种零部件上，例如集中在喷嘴上。例如Bratkovich等的，名称为“多管爆燃发动机用的排气喷嘴”的美国专利US6003301告诉人们在具有多个燃烧器管的发动机中使用一喷嘴，和一个与各燃烧器管连通的共用压力通风系统。因此，Bratkovich等人告诉人们，不管从膨胀部分排出的下游压力如何，为了保持预定的上游燃烧器压力，该共用压力通风系统和一复合流喉部应相互配合。

尽管现有技术强调了各推进装置的许多方面，但它没有告诉人们在喷气或火箭发动机中使用聚能装药。聚能装药通常定义为按这样的形式的装药，即，使其爆炸力集中在一特定的方向。尽管聚能装药之后的常规理论早在许多年前就被人们了解了，但现有技术已经将聚能装药的使用限制在弹头和某些其它的可消耗的爆炸装置中了。在典型的弹头中，在点火时刻前或基本上在撞击的同时，该聚能装药的爆炸力方向朝前，即朝弹头前进的方向。高度集中的力可以用来形成一种价格便宜，且重量轻的穿甲装置。聚能装药装置的各种示例描述在Grosswendt等人的，名称为“从坦克顶部打击坦克的反坦克武器”的美国专利US5275355，和Brandon等人的，名称为“冲压动力穿甲高爆炸力导弹”的美国专利US5363766中。这些装置中的聚能装药不是用来提供推进力的。

相似地，当前设计用于驱动一涡流的各发动机都不是采用聚能装药的发动机。脉冲涡流发动机的一种示例被描述在Scragg的，名称为“带有中间燃料和空气输送的爆炸循环燃气涡流发动机系统”的美国专利US600214中。Scragg的专利告诉人们，爆炸循环燃气涡流发动机包括一个处于一壳体内的涡流转子。各个无阀燃烧室设置在该转子的两侧，从而将燃气朝涡流叶片导流。这两个燃烧室交替地点燃燃料和氧化剂的混合气，从而循环地驱动该涡流旋转。尽管Scragg描述了一种很有用的发动机，该发动机的效率，单位重量的马力数和其它各种参数确实得到了大大的改善。但例如设计一个用来输出200马力的Scragg装置，其需要560立方英寸的燃烧室，262磅的重量，如果使用本发明所述的聚能装药的发动机，输出200马力只需要仅仅18立方英寸的燃烧室，且只有70磅重。

因此，存在一种需求，即，需要这种比现有技术所述装置具有重大改进的聚能装药推进装置。

本发明的概述

本发明提供了一种可以克服现有技术中许多限制的聚能装药(成型装药)发动机。该装置包括一个射流成形燃烧室，该燃烧室包括一个内环形装药成形壳体，该内壳体具有一个形成该射流成形燃烧室的内壁的锥形凸伸体。设置一中心通孔用于使排气排出。一外壳体包括一个带有一内锥形凹坑和用于插入燃料喷射器和点火器的各通孔的大致圆盘。该两壳体由焊接或螺栓之类的常规装置连接起来。将该两个壳体连接起来形成的最终燃烧室是锥形的，底部宽，越接近顶部其横截面越逐渐变小。这种结构形成了一个朝该顶部的圆形窄点或喉部，这一部位形成了主或第一级压缩区。在该外壳体的顶部，正好超出该喉部的位置处形成了一第二压缩区。高超音速其它通过该内壳体中的通孔排出。

按照本发明的更进一步的内容，导向推力是利用内含物的燃烧按脉冲方式形成的，该燃烧开始于圆周底部区域，并导引成尖锥形，该尖锥形形成了一个靠近该锥形的顶部的主压缩区。因此，该被压缩的燃烧继续朝该尖锥形的顶部发展，从而在排气之前，形成一个高速会聚或第二压缩区。这种结构在该燃烧室中提供了一个更完全的燃烧，因在离开发动机之前可获得更多的能量，因此效率提高了。也可以使燃烧产物更快地排出该主燃烧室，因此允许更高的脉冲点火速率，同时借助于不使排气产物进行内部压缩到最终的速度而保持高的压缩排气流。

根据本发明的其它方面的内容，该发动机包括一个用于确定环境空气密度的传感器，从而允许该发动机可有选择地适当消耗空气或氧化剂。

根据本发明另一方面的内容，价格便宜的常规燃料，例如汽油，乙炔，丁烷，丙烷，天然气和柴油与空气或氧化剂混合，形成可燃混合气，并按允许在一系列进气循环之间进行有效的切断以便调节各点火循环的方式，在有效的正压力下喷入该空心射流成形燃烧室中。

根据本发明的另一方面的内容，一点火器点燃该可燃混合气，在该空心射流成形燃烧室的底部形成一冲击波或脉冲。随着该冲击波传播到一逐渐压缩的射流成形燃烧室中，额外的物质可以喷入该射流成形燃烧室，从而增加该冲击波的动量。爆炸产物由该射流成形燃烧室的逐渐减少的截面积压缩。增加的压力驱使该冲击波进入一主压缩区，该主压缩区由该外壳体的一中心锥形凸伸体的截头端部和一相对的截头半球体或拱形内表面之间的一圆环形限制区构成。

冲击波进入该环形限制区的压缩，形成了爆燃产物朝该截头半球体或拱形表面的中心的高速径向流。爆燃产物的相对的高速径向流会聚在该截头半球体或拱形表面的中心，从而形成一个增加该爆燃产物的压缩的第二区。物质和动能在该第二压缩区的聚合使该爆燃产物成为高超音速气体，该气体以受控的冲击方式朝处于该中心锥形凸伸体的顶部的排气口中心排出。最终的高压高超音速排气不需要排气喷嘴就可导向冲击地从该排气口排出。

根据本发明的另一个方面的内容，该燃烧产物和喷出物的排出速度可借助于增加或减小该射流成形燃烧室的大小，长度，直径和深度角(depth angle)进行控制，并调节燃料一氧化剂的混合气。

根据本发明的另一方面的内容，在该射流成形燃烧室中形成的受控冲击，可以由可燃混合气的额外充量的一系列引入和点燃反复进行。此外，按反复进行的脉冲方式，该冲击力和频率可借助于增加或降低可燃混合气的流速，或借助于调节该混合气流速的循环速率而进行节流控制。

根据本发明的另一方面的内容，该发动机可在有氧或吸入空气的喷气模式和厌氧或不吸入空气的火箭模式之间相继按脉冲方式工作。因此燃料可与空气，氧化剂或这两者按任何相对浓度混合得出的任何混合物进行混合。在可燃混合气中的空气和氧化剂的相对浓度可以根据动力学要求进行调节，成为一种空气和氧化剂的混合物，这可以实现环境大气中的氧气的功能。

根据本发明的另一方面的内容，该聚能装药发动机的特定几何形状可以改变，同时仍保留本发明的内容，其包括主会聚区和第二会聚区。因此，横截面形状可以是环形，正方形，长方形，三角形或各种其它形状的，这取决于希望的结果，和可用来装载在被驱动的交通工具中的发动机的空间大小。

根据本发明的另一方面的内容，排气在该第二会聚区相互撞击，从而形成高的超音速排气。相对着的气流可来源于各个基本上相互对着的燃烧室，并与其流动方向至少部分正交。另外，该射流成形燃烧室可以如此构成，以致于该爆燃产物到达该喉部和该第二压缩区之前，相对流动方向成锐角或钝角地流动。

根据本发明的另一方面的内容，在发动机工作期间，排气会聚的角度可以根据动力学进行控制。大致圆环形的射流成形燃烧室的大致相对的各侧可以铰接起来，从而允许该燃烧室前后运动，以便调节该会聚角。

根据本发明的另一方面内容，该喉部或窄点的横截面面积可以增加或降低。借助于降低该喉部的面积，排气可以以更高的速度流动，从而可以形成该排气流速的一相对峰值，及因此也形成该推力的一相对峰值。相反，借助于增加该喉部的大小，该排气可以以一更低的相对速度更均匀地排出。

根据本发明另一方面的内容，该发动机可用来提供推进一火箭，飞机，个人水上交通工具，或其它交通工具的直接推力。

根据本发明的另一方面的内容，由该发动机产生的排气可用来驱动一涡流，该涡流用于驱动该交通工具。在这样的实施例中，该发动机例如可以用来给一车辆提供动力。

根据本发明的另一方面的内容，由该聚能装药发动机产生的压力，脉冲或热量可以用在各种使用场合，例如用在车辆推进，有害物控制，拆毁作业，切削工具，刻蚀工具，加热工具，喷射工具，高速枪，发电机，锅炉和闭路系统压力装置中。

附图的简要说明

下面参见各附图详细说明本发明的优化实施例。

图1是一个聚能装药发动机的横剖视图，该发动机包括一个根据本发明的一优化实施例形成的射流成形燃烧室；

图2A-2C是根据本发明的优化实施例形成的射流成形燃烧室的几种代表形式的横剖视图；

图3A-3C是根据本发明的优化实施例形成的射流成形燃烧室的几种代表取向的横剖视图；

图4是一个根据本发明的优化实施例形成的一发动机的喉部的两个替换结构的横剖视图；

图5是一个根据本发明形成的一可切换的喷气和火箭发动机的示意图；

图6是一个根据本发明形成的脉冲驱动发动机的示意图；

图7A是根据本发明形成的一旋转离心节流阀的一侧视图；

图7B是根据本发明形成的一旋转离心节流阀的一顶视图。

优化实施例的详细说明

聚能装药发动机的通用结构

图1示意性地示出了一个根据本发明构成的装置的剖视图，该装置用于将一可燃混合气压缩，并使之爆燃，从而形成一个成形压缩波。标号10整体上表示一聚能装药发动机。该发动机10包括一个形成在一外装药成形壳体2和一内装药成形壳体1之间的喷气式空心腔室3。该外装药成形壳体2大致是圆锥形的，并包括处于中心的一拱形部分，在顶点处形成一个凹“杯”或“碗”形。

该内装药成形壳体1包括一个大致平的平面，该平面过渡到一中心为大致锥形的凸伸体7。该凸伸体7沿径向朝内，并朝上朝着该外壳体2延伸。该凸伸体7顶端下部是接头圆锥形的，以便当该内壳体1和外壳体2连接时在该锥形最靠近该外壳体2的较小端部处形成一个处于中心的，通常为圆形的孔口。按照排气E从该凸伸体7的顶部流过该孔口并流出该发动机的投影，该凸伸体7形成一个通常为圆筒形的孔口，该孔口朝外扩张进入出口处的一个通常为锥形的孔口中。

该内装药成形壳体1与该外装药成形壳体2连接，以致于该凸伸体7朝该外壳体2延伸。该外装药成形壳体2和内装药成形壳体1沿各自的外周边相互连接，从而在该内壳体1和外壳体2之间的空间中形成空心的射流成形燃烧室3。该内外装药成形壳体1和2例如可以用焊接6连接起来，或用其它类似于螺栓或铆钉之类的连接装置连接起来。

壳体1和2由可以承受由点火，爆燃和受控燃烧的压缩产生的热量和压力的作用的材料制成。通常用在火箭发动机结构中的任何材料都可以用在本发明中，这些材料例如包括：钢，不锈钢或钛。最好，内装药成形壳体1的材料是足够厚的，以致于可以在没有外部支承的情况下承受该热量和压力的作用。

若干燃料喷射器5和点火器4通过该外壳体2伸入燃烧室3中。各喷射器5将燃料，空气和氧化剂喷入空心的射流成形燃烧室3中。优化的可燃混合气例如是由任何常规的燃料与空气混合，或与氧化剂混合，或与两者的混合物混合形成的可燃混合气。该燃料是可从下列燃料中选择的，即，诸如氢，或其它易燃气体之类的任何可燃航空燃料；诸如丁烷，丙烷，汽油，乙炔或天然气之类的廉价液体燃料；诸如柴油之类的蒸汽和液滴的混合物；航空固体颗粒燃料；或其它可以迅速燃烧足以完成动力学压缩和爆燃的可燃混合物。该燃料最好按一定量的比例与空气或氧化剂混合，以便完全燃烧。

点火器4例如是一个由一火花发生器供给能量的常规火花塞，电热塞，压电火花间隙，或其它合适的点火装置。根据本发明的替换实施例，该点火器4是一个由一个等离子喷射发生器(未示出)产生的热等离子喷射，并朝着该空心的射流成形燃烧室3的点火区域喷入。其它用于基本上在瞬间将火焰或火花喷入点火区域的快速和可靠装置，都处于本发明的范围内，并作为替换用的点火装置。

尽管喷射器和点火器的结构较好的是如此构成的，即它们穿过外壳体2伸入射流成形燃烧室中，但只要它们伸入该空心射流成形燃烧室3中，喷射器5和点火器4分别或两者同时就沿圆周方向设置在内装药成形壳体1中，或设置在将该内外壳体1和2分开的空间中(即沿焊接6设置)。

可燃混合气喷射器5可以是任何适合于提供一可控制的可燃混合气流的常规喷射系统，例如包括常规的燃料喷射器和化油器。常规化油器用于与涡轮增压器的结合可以允许很宽范围的燃料与空气混合，以便喷射入空心射流成形燃烧室3中。

燃料喷射和点火的正时，即燃烧的正时可以由一个包括燃料阀，空气阀和氧化剂阀的控制系统(未示出)进行控制。如果用一化油器或压力瓶装纳的或液体的燃料来实现本发明，则一阀口形成在可燃混合气的喷射位置处。该阀口用的一阀进行工作，从而使该可燃混合气进入该空心的射流成形燃烧室3中。尽管可以使用其它形式的阀，例如旋转阀，盘形阀，提升阀或鼓形阀，或任何其它在有效压力作用下，允许空气，氧化剂和燃料喷射入燃烧室3中的装置，及允许在各进气循环之间进行有效的切断从而进行点火循环的装置，但在任何情况下，该阀都应该一个电磁阀。如果需要，在该空心的射流成形燃烧室3中，因燃烧增加的压力作用在该阀的一面积上，从而使该阀关闭，并限制火花喷入该化油器中。

该射流成形燃烧室3只包括一个在中心的单环形孔口。该孔口包括内壳体凸伸体7和外壳体2之间的区域。这个受到实质性限制的孔口形成了一个构成主压缩或第一级压缩区的窄点(pinch point)。一高速会聚区或第二压缩区9形成在外壳体2的顶部处，通常处于构成该喉部的该环形区域的中心，并基本上沿该内外壳体1和2的轴线延伸。

该聚能装药通常操作

该外装药成形壳体2适合于将一可燃混合气在该空心射流成形燃烧室3的底部外周边附近引入到该空心射流成形燃烧室3中。该射流成形燃烧室3在燃料喷射和点火位置处的横截面面积，至少比喉部更大。由于多个燃料喷射器5和点火器4沿该内外成形壳体1和2的圆周相互隔开，因此在产生燃烧的燃烧室3内存在几个位置。较好的是燃烧发生在燃烧室3的大致相对的两侧处。

在一个空气和氧化剂都可以同时获得的实施例中，例如在一个复合型喷气/火箭发动机中，空气与燃料在足够密实的大气中燃烧，以便在可以获得空气的同时调节燃料加载。一个空气物质传感器(例如热线风速仪)或其它传感器连接到一控制器(未示出)上，该控制器确定可获得的空气量。当空气物质降低时，该控制器使RAM进口打开，所以足够的氧气可进入燃烧室3中。当该控制器确定空气物质太低后，该空气进口继续开启，并且氧化剂进口开始开启，使氧化剂进入燃烧室3中。在空气可以获得但其量不够或者不理想的过渡时期，空气和氧化剂同时使用。当空气密度太低，外侧空气进口关闭，这时只用氧化剂燃烧。因此该装置可以按喷气模式在有氧下进行工作，也可以按火箭模式在厌氧下工作，或者按喷气模式和火箭模式的任何结合模式进行工作。

各点火器4和各喷射器5位于该射流成形燃烧室3的圆周边附近，从而使着火在相对该环形燃烧室3的圆周较近的位置开始。由于多个点火器4绕燃烧室隔开设置，则着火也几乎同时发生在该燃烧室周围的这几个位置处。多个喷射器5的每一个都将一合适的量的可燃混合气，以相对该空心射流成形燃烧室内其余部分的压力为正的局部压力，喷射入燃烧室3中。该喷射器5在喷射循环之后是密封或关闭的，因此在该空心射流成形燃烧室3和燃料及空气或氧化剂之间形成一障碍或堵塞。

喷射器5关闭之后，多个点火器4的每一个都基本上同时点燃该可燃混合气充量，从而沿该空心射流成形燃烧室3底部的基本上整个外圆周产生爆燃(或脉冲)。当火焰前锋或脉冲朝该空心射流成形燃烧室3的顶部发展时，为了增加物质，可以将额外的物质喷射入该燃烧室3中，并因此增加爆燃波的动量。尽管喷射的物质可以是一种可燃物质，例如另外的燃料，但最好，该物质是安全的物质，例如是水或惰性浆液。该爆燃产物因空心射流成形燃烧室3的喉部或顶部处的横截面面积逐渐减小而被逐渐增加压缩。当火焰前锋朝该喉部发展时，因背压迫使该火焰前锋基本上同时进入该喉部的所有区域而实现主压缩或第一级压缩。火焰前锋通过喉部的这种力，使爆燃产物形成向内的朝该外装药成形壳体2的内表面的顶部的高速径向流。

该高速爆燃产物气流通过该喉部排出该燃烧室，并向内朝前发展，使高速气体会聚在该内表面8附近，并处于该外装药成形壳体2的中心线9处。这种会聚因物质和动能的聚合而形成了一第二压缩区，爆燃产物在通过排气口按受控的喷气方式排出之前，在该压缩区成为高超音速气体。这种最终形成的高压高超音速排气E沿设定的喷气方向从该排气口被迫排出，而不需要使用一排气喷嘴。上述描述说明了一个单一的点火循环，这种循环在许多应用场合是很有用的。该发动机可以按脉冲方式借助于重复上述点火循环而交替地工作。

该聚能装药发动机可用一个可以改变燃料空气和氧化剂容积的节流阀控制。在一个用作节流阀的典型旋转盘阀中，两个孔隔开180度，以便在该盘形阀例如以100RPM的转速旋转时，只允许在各孔与燃料喷射线对齐时进行燃料喷射。随着该盘形阀的转速增加，孔对齐的时间降低，从而每个脉冲喷射的燃料量更少量。相反，旋转速度降低将使每个脉冲喷射的燃料量增加。

聚能装药发动机的替换实施例

尽管该优化实施例所述的聚能装药发动机的通用结构和工作在上面已经讨论了，并表示在图1中，但其结构可以改变，只要与本发明一致就行。在某些使用场合，将该聚能装药发动机的结构设计成其它不同的几何形状可以是理想的。例如，参见图2，在另外不同的实施例中，横截面几何形状可以改变。图2A中所示的大致圆形或环形对应于图1所示优化实施例的射流成形燃烧室3的圆周面。另外的实施例示出在图2B和2C中，其中分别示出了长方形和三角形的设计。

图2A所示的优化实施例所述的设计是一种理想的聚能装药发动机，该发动机的排气产物一起会聚在中心处。图2B所述的长方形实施例的效率稍低一点，但仍然产生基本上同时撞击的排气产物，原因是排气产物在到达第二压缩区之前，彼从相对两侧相对运行相同的距离。图2C所述的三角形实施例效率是很低的，原因是从燃烧室3的周边到第二压缩区的距离不等，因此产生比图2A所示的圆形实施例更低的排气速度和更小的推力。与本发明的构想一致，还可以使用其它形状的通常凸起的多边形。

正因为该射流成形燃烧室3的横截面形状可以改变，所以该射流成形燃烧室的方向可以变化。优化实施例所述的大致方向表示在图3A中。在图3A所述的实施例中(其特征是“凹形”)，排气产物从该排气的最终方向的大致上游并与之大致正交的地方朝该喉部运动。当该排气产物通过该喉部时，它们与外壳体2撞击，并且气体从该第二压缩区处的相对两侧流出，从而在与流过该喉部的方向大致相对的方向产生高超音速排气流。

如图3B所示，在另一实施例中，该射流成形燃烧室基本上是平的，所以该排气产物沿与该排气的最终方向大致正交的方向流过该喉部。在另一个实施例中，如图3C所示，该射流成形燃烧室是凸起形的，因此该排气产物沿与该排气的最终方向形成钝角的方向流过该喉部。类似地，也可以取图3中没有示出的其它方向。

在图3所示的三个实施例中，图3A所示实施例可以认为是一种高压脉冲峰值发动机。排气刚刚超出喉部的方向的改变将引起气体刚好在排出之前产生“热堆积”。其结果将导致在气体排出该发动机时产生一个强有力但短暂的推力峰值。尽管在每个实施例中排气产物的物质是相同的，但推力特征不同。因此，图3B所示实施例将产生一个相对较弱的推力，但推力时间更长，而图3C所示实施例将产生一个更均匀同时具有相对较小峰值的排气流。

取决于环境和要求的性能，可能很有用的是：构造出一台单一的发动机，在该发动机中，射流成形燃烧室的方向可以根据动力学要求从一凸起方向(例如图3C)变化到一凹入方向(例如图3A)。在优化实施例中，特别是当用作下面将进一步讨论的图5所示的脉冲喷气/火箭发动机时，该聚能装药发动机可是铰接的，并且是可以调节的，以便改变该射流成形燃烧室的方向。

再参见图3A-3C，外壳体铰接点H1和H2显示处于允许调节该射流成形燃烧室的方向的位置。因此，借助于使该外壳体2相对该外壳体铰接点H1和H2进行旋转，该射流成形燃烧室的方向可以从大致凸起的方向(如图3C所示)连续改变到一凹入的方向(如图3A所示)。由于该射流成形燃烧室3较好的是一个连续的圆环形，因此该内外壳体1和2包括一系列的板，各板布置得在结构发生改变时，一个在另一个之上和之下地滑动。也可以使用其它结构，例如包括一个这样的燃烧室，该燃烧室包括一组分开的二级燃烧室，该二级燃烧室在最凹或最凸的位置处(如图3A和3C所示)彼此相连或几乎相连，但它们在图3B所示的更水平的结构中，彼此隔开相当远。

与本发明一致地，该喉部区域也可以改变。参见图4，其中表示两个另外的实施例。在图4A中，所示的一低压发动机具有一个相对较大的喉部。但图4B所示实施例包括一个相对较小的喉部。相对图4B所示发动机，图4A所示发动机将在燃烧室3中产生更低的压力，更低的通过该喉部的速度，和更小的排气速度和推力峰值。

再参见图3A-3C，外壳体铰接点H3和H4显示处于允许调节该内壳体1靠近或远离该外壳体2的摆动的位置。因此，当该内壳体1朝该外壳体2可旋转地运动时，该喉部的大小降低，形成一个更小的“窄点”。相反地，该内壳体1可以朝外旋转，远离该外壳体2，形成一个更大的喉部。在方向和喉部面积都进行调节的情况下，铰接行动最好由液压，螺纹驱动或其它类似的装置完成，该装置可以使各金属板运动，并且抵抗射流成形燃烧室3中产生的绝大部分压力。

用作一个可切换的脉冲喷气/火箭发动机

该聚能装药发动机当前的一种优化应用示出在图5中，该图示意性地示出了一种会切换的脉冲喷气/火箭发动机。图5所示的该可切换的脉冲喷气/火箭发动机整体上由标号100表示，其包括一个与图1所示的一致的聚能装药发动机，尽管图中示出该发动机处于图3C所示的凹入方向。

该发动机从处于较低高度时的冷启动开始按脉冲喷气方式工作。燃料和氧化剂的脉冲是从燃料源101和氧化剂源108提供的，通过分开的燃料和氧化剂管路102和110供给该聚能装药燃烧室106，每个管路都由一电磁阀104a，104b控制。一点火器112点燃该燃料和氧化剂的混合气，从而在燃烧室106内形成一个冲击的附加高压。当旋转阀工作时(主要是在喷气模式中)，该点火器由一个固定正时点火装置，例如通常在车辆分配器中使用的触点，靠磁力或电平帮助的传感器，或感光继电器控制。当燃料和氧化剂直接喷射时(在火箭模式中)，该点火器由计算机处理器的初始正时脉冲控制。

打开排气旁通管路114中的电磁阀104c，使压力排气流过驱动排气涡流116，并使之旋转。该排气驱动的涡流116连接到一压气机118，一燃料泵120和一离心节流阀122上，这些元件的每一个都构造得作为一个单元一起旋转。根据本发明，尽管可以使用一普通的旋转盘，但在优化实施例中，该离心节流阀122(下面将参照附图7更详细地说明)用于提供主控制，特别是在进口压力固定的情况下更是如此。随着该单元旋转，经空气涡壳128集结的压缩空气126通过一空气管路130输送，而燃料通过一燃料管路132输送到离心节流阀122。借助于在该节流阀122旋转时周期性对齐和错开的多个孔的开启和关闭，该节流阀122使空气和燃料流过该阀。

燃料和空气流过离心节流阀122之后，在一混合支管134中混合，并在该离心节流阀122开启时喷射入该射流成形燃烧室106中。然后，该离心节流阀122关闭，并且点火器112在点火触点113处点燃该燃烧室106中的燃料和空气(或氧化剂)混合气。爆燃使排气产物排出该燃烧室106。

优化的离心节流阀的侧视图示出在图7A中，而其平面图示出在图7B中。前述的旋转盘阀具有固定的孔口大小，因此不管孔口的大小和形状如何，用在以前的可变着火速率的发动机中都具有许多问题。例如，如果各气口大小设计得用于低速着火，则各孔口对齐的时间随旋转的增加而降低，因此使每个脉冲时流过该阀的空气，燃料或混合气的量更小。因此，为了获得适当的充量容积就需要更高的进口压力。在另一方面，如果气口的大小设计得用于高速着火，则在低速着火时，该盘旋转更慢，各孔对齐的时间更长，因此允许过量的空气，燃料或混合气流过该阀。为了对该超过的量进行补偿并获得合适的充量容积，需要更低的进口压力和控制。

该旋转离心节流阀122克服了这些问题，并在使用一固定进口压力时，可以在所有点火速率时获得合适的充量容积。该离心节流阀122包括一个带有一凸伸体174的驱动轴172和一个安装在该驱动轴172上的盘阀壳体176。该盘阀壳体176包括两个按常规方式，例如焊接，层压，螺栓或螺纹184连接方式连接在一起的半部。该盘阀壳体176的两个半部176a，176b包括当该两半部连接在一起时构成内凹槽178a，178b的凹坑。该盘阀壳体176还包括一个或多个穿过该盘阀壳体176并大部分重叠在该内凹槽上的孔口182a，182b。一滑阀179a，179b保持在每个凹槽178a，178b内。在该盘阀壳体的两个半部176a，176b内的另外凹坑形成了安装与每个滑阀179a，179b相关的弹簧180a，180b的弹簧凹槽181a，181b。也可以在弹簧180a，180b的地方使用其它装置来以更低的旋转速度将各滑阀179a，179b偏压到关闭位置，这些其它的装置包括其它的特性材料或压缩装置。更进一步地，各滑阀179a，179b可以是电控的，用液压，蜗轮蜗杆驱动或其它机构开启并关闭各阀，作为转速的函数。尽管图示的离心节流阀122具有两个孔口182a，182b，但根据本发明，可以使用任何数量的孔口。类似地，图示的孔口182a，182b大致为“馅饼”形的，但也可以是圆形的，正方形的或任何其它形状的。

更具体地参见图7B，示意性地示出了该离心节流阀在高和低点火速率时的工作情况。在低点火速率时，该盘阀壳体176以相对较低的速率旋转，使弹簧180b在该凹槽178b内沿径向向内的方向偏压该滑阀179b。借助于朝该盘阀壳体176的中心运动，该滑阀179b该孔口182b的大部分，从而限制流过该燃烧室的空气，燃料或混合气的量。请注意：各孔口182a，182b较好是如此形成的，以致于各滑阀178a，178b不能完全盖住它们，即使当该离心节流阀122停止或以最慢的速度旋转时，也是如此。这种布置允许空气，燃料或混合气在启动期间到达燃烧室处，并防止该发动机在最低的着火速度处停机。

在相对较高的着火速度时，离心力使该滑阀179b在该弹簧壳体181a内进一步压缩该弹簧180a。该弹簧的凹坑沿径向向外打开该孔口182a的大部分，从而允许更大部分的燃料，空气或混合气流到该燃烧室中。在任何具体的使用中，借助于取代弹性力更大或更小的弹簧，改变该孔口的大小或形状，使各孔口沿该盘阀壳体的半径进一步朝内或朝外地设置，或者增加或降低在该盘阀壳体176上的孔口的数量，都可以简化该节流阀。

如高着火速率的情况那样，尽管上述讨论和图7B所示的说明表示一个孔口182a基本上没有被滑阀1 9a盖住，如低着火速率的情况那样，一个孔口182b基本上被滑阀179b盖住了，但这种情况表示的一单一阀只是为了便于讨论和图示说明。在实际中，每个孔口182a，182b总是由滑阀179a，179b盖住或打开基本上相同的程度。

驱动轴172上的凸伸体174被示出是一个三角形，从驱动轴172的中心偏离开。尽管该凸伸体172采用不规则的形状对防止该驱动轴172与该盘阀壳体176相交，且与需要定时的点火或其它外部零部件不同相是较好的，但也可以替换地采用任何其它形状。借助于将该凸伸体174插入该盘阀壳体176中的一类似形状的凹坑184中，该驱动轴172会连接到该盘阀壳体176上。该凸伸体174和凹坑184构成得可允许该凸伸体174在该凹坑184中滑动，从而允许该盘阀壳体176沿该轴172朝内或朝外运动。一推力衬垫186吸收作用于该盘阀壳体176上的力，并确保实现一密封。这个结构允许该离心节流阀吸收大部分压力，但不会损坏该驱动马达或其它零部件。此外，这种凸伸体174会在该凹坑184内滑动的布置允许该衬垫磨损。

随着涡流116，压气机118，燃料泵120和离心节流阀122继续旋转，燃料和空气混合气的脉冲不断地产生，并如上所述地那样点火。与该排气旁通管路114相关的电磁阀104c进行调节(或脉冲)，从而使涡流和发动机本身产生理想的怠速。

该空气涡壳128通过一线性驱动器136自动开启或关闭。该线性驱动器136由一个如上所述确定可获得的空气物质的空气物质传感器138控制。在优化实施例中，该空气物质传感器138主要包括一个热线，随着飞行期间流过该热线的空气物质的增加，该热线的温度降低。该热线的温度由一处理器(未示出)读取，从而确定当时的空气物质的大小。因此，当该空气物质传感器138检测到可获得的空气物质降低时，该线性驱动器136例如能开启该空气涡壳128，从而使更多的空气容积进入空气进气压力通风系统140中。

当发动机处于怠速时，该可切换的脉冲喷气/火箭工作模式准备转换到脉冲喷气工作模式，在该脉冲喷气工作模式中产生大部分推力。排气旁通管路114上的电磁阀104c几乎完全开启，从而允许更多的排气流过该管路，以便驱动涡流116，并使之旋转更快。接着，该压气机118，燃料泵120和离心节流阀122依次更快地旋转。因更快旋转产生的离心力，该离心节流阀122自动开启该阀孔，从而可获得所需要的空气和燃料在快速脉冲速率时的更高流速。

由点火器112的定时点火点燃的高脉冲速率的燃料和空气充量使爆燃波排气流从该燃烧室106内的着火点开始流动。该排气流流过喉部142处的低压窄点，并会聚在一第二压缩点144处，排气从该点以高压高超音速的排气流朝箭头146所示方向流出。此时，该发动机用空气和燃料作为惯性物质(并且没有改变该燃烧室106的形状和方向)，以最大可能的设定推力工作。

借助于将额外的物质添加到该燃烧室106中可以获得更大的推力。如前面注意的那样，该额外物质最好是诸如水和惰性浆液之类的安全物质。借助于打开一个处于该额外物质管路150上的电磁阀104d将该额外物质产物从该物质喷射支管148中喷射入燃烧室106中。该额外物质在各脉冲之间在点火器112点火之前喷入该燃烧室106中。排气流自动使该额外物质加速排出该燃烧室106。此时，发动机以设定的超高推力工作，即，用燃料，空气和氧化剂的任何混合，及在该发动机的结构和定向上添加产生推力的物质等措施可获得的最大推力。

当大气稀薄时，空气进气压力通风系统140中的压力降低，并由空气物质传感器138进行检测。借助于该线性驱动器136的延伸，空气涡壳128自动开启，使该空气涡壳128绕一铰接点152旋转。空气的额外容积增加了该压力通风系统140中的压力，从而满足该发动机的氧气的需要，直到该空气涡壳128开启到最宽位置为止。当大气进一步稀薄时，空气涡壳不能接受更大流量的空气。一个连接到空气物质传感器138上的计算机控制器(未示出)，当确定空气涡壳128处于最宽的开启位置并且空气太稀薄时，使一个或多个氧化剂阀154开启，从而允许氧化剂流入燃烧室106中。尽管各氧化剂阀154较好的是由一个包含一处理器的控制器驱动，但作为替换，它们也可以由与空气物质传感器138和线性驱动器136相关的各近似开关直接驱动。随着大气越来越稀薄，该氧化剂阀154允许更多氧化剂喷入该射流成形燃烧室中。

当空气物质传感器138检测不到空气或大气压力时，该发动机基本上作为一航空器按厌氧模式工作。该排气旁通管路114上的电磁阀104c关闭，使涡流116，压气机118，燃料泵120和离心节流阀122停止旋转。类似地，由于没有空气可获得，因此借助于将该线性驱动器136回撤而关闭该空气进气涡壳128。

借助于电磁阀104a，b的定时脉冲将燃料和氧化剂通过燃料管路102和氧化剂管路110直接供入燃烧室106中。点火，物质喷射和排气等所有其它工作都与吸入空气时的工作模式的相同。

随着发动机下降，当空气可以获得时，空气物质传感器138检测到空气增量的存在，从而允许空气涡壳128开启，所以有氧的或喷气工作模式再一次发生。

铰接和换向工作

再本发明的优化实施例中，该聚能装药发动机是如此铰接的，以致于再飞行期间该燃烧室的取向可根据动力学要求改变。上面参照附图3A-C对这种结构进行了讨论。

另外，该发动机可以换向，从而允许排气产物的方向可以控制。外发动机可绕枢轴旋转地安装在该飞机/航天器上，所以排气能被导流。借助于时该发动机旋转，因此使排气流旋转，从而该发动机本身提供了方向控制。在替换实施例中，该射流成形燃烧室3可以绕枢轴旋转地安装，但推进器的其它部分和控制系统是固定的。在另一个实施例中，方向控制可借助于按不对称模式调节该内外壳体铰接H1，H2，H3和H4而获得。因此，例如可以调节该外壳体铰接H1，H2，使之形成一个具有稍不同取向的相对各侧的射流成形燃烧室。类似地，例如可以调节该内壳体铰接H3，H4，使之形成一个各相对侧不平衡的喉部。在两种结构中，该排气流将被导流偏离中心，从而提供方向控制。

用作其它航空器的脉冲驱动器

尽管本发明的上述聚能装药发动机适合用于吸入空气和不吸入空气的场合，但它也适合用作已经存在可用空气的使用场合。例如，该聚能装药发动机可以用来推动一车辆或船舶，也可以用在工具中或作为一发电机，或者也可以用在许多其它将具有可用空气的使用场合。用在大气条件下的该聚能装药发动机的结构示出于图6中。该大气发动机包括一个或多个引到一压气机202处的空气进气口201。压缩空气通过空气出口203，并通过发动机空气进气口204流到燃烧室206中。从一燃料源(未示出)来的燃料通过各燃料喷射阀205喷射。

按上述讨论相同的模式，该发动机包括一个处于喉部207处的主低压窄点，该喉部引到产生一高压排气流209的一第二高压点208处。该燃料和空气混合气由一个图中示出为一火花塞的点火器212点燃。一驱动马达(未示出)通过一连接键或花键216连接到一驱动轴215上。依次地，该驱动轴215上的一阀驱动延伸件214连接到一旋转离心节流阀上，参见图8所示，该节流阀按上述方式工作。

图6所示的聚能装药发动机和图5所示的脉冲喷气/火箭发动机之间的主要区别是氧化剂的引入和空气进气涡壳的开启和关闭能力。在所有其它相关的方面，图5和6所示发动机以相同的方式构成并工作。

用作涡流驱动器

上面已经描述了该聚能装药发动机用作一直接推进装置。此外，高压缩和高惯性的排气流可用来驱动固定循环或自由旋转涡流，例如水轮机(Pelton)或轴流式涡流。爆燃循环涡流发动机的一个示例示出在Scragg的美国专利US6000214中。Scragg的专利公开了一种涡流转子，该转子由该转子相对各侧的两个燃烧室的各排气口驱动。加速产生的扭矩和涡流的旋转按常规的机电方式起作用。

相似地，单台或任何数量的聚能装药发动机的排气可以导流到一涡流中。由于本发明的聚能装药发动机有效得多，因此它对涡流驱动发动机的性能作出了巨大的改进。

该聚能装药的其它应用

如上所述，该聚能装药发动机可以用来推动一飞机，较好的是包括一个可以在大气条件下和空间条件下都可飞行的航天飞机。进一步地，该发动机可以用来导流排气使之驱动一个人用水交通上工具，船舶和其它交通工具，或者可以构成得便于驱动一涡流来推动一车辆，船舶，摩托车或其它交通工具。此外，该发动机也可以用作船舶或潜艇的拱形推进器。

除了驱动各种交通工具外，由该聚能装药发动机产生的冲击或脉冲在大量的其它使用场合都是很有用的。例如，由该发动机产生的冲击波可以用来检测地下腐蚀和有害物或控制昆虫。由单一脉冲形成的该冲击波可以用来控制雪崩，确定雪崩趋势的初始运动，消除炮击或爆炸的需要。

该聚能装药发动机还可以用于各种拆毁作用。例如，它可以用于碎石器，拆毁建筑物，采矿中的矿石破碎，使混凝土破碎和去芯，或给船舶，桥梁或道路除冰。另外，该聚能装药也可以在军事上使用，作为强有力并可反复使用的地雷。理想地，借助于将一个或多个冲击波导引到该材料上可以使之破碎。此外，不像常规的拆毁装置那样，用本发明的聚能装药构成的拆毁装置可以恢复并重新使用。

用本发明的聚能装药发动机可以得出宽范围的各种工具。例如，产生的大量冲击波会用作气锤或其它冲击工具，也可以聚焦起来形成切削和刻蚀工具。在本发明的另一个实施例中，可以喷射热颜料，泡沫或金属，其中颜料，泡沫或金属用作点火后喷射入该射流成形燃烧室中的额外物质。精确的聚焦和引导的聚能装药也可以用在树枝剪枝或除草上。另外，热的有力冲击可用作一燃烧器(例如在火炉或锅炉中)，或者用于消除公路，房顶或其它地方的积雪。此外，热的高压排气可用来除去颜料，清漆或类似涂料。

在更进一步的应用中，单一的脉冲产生瞬时热量和压力，用于金属的不同压力成形，而不需要对该进行进行预热，也不需要压缩机或其它储压设备。类似地，利用各直接喷射装置，各脉冲可用来对材料进行成形。

借助于将子弹置于排气流中，该聚能装药发动机可用作一高速枪。较好的是一枪管或类似的发射管从该排气口开始延伸，所以该排气流按可控制的方式推动子弹沿直线轨迹前进。

在一闭路系统中，该聚能装药发动机可用来产生并维持压力，调节脉冲的大小和速率，以便控制该压力。另外，当该聚能装药发动机构成得用于驱动一涡流时，它可构成一个产生电力的发电机。

实际实施例的结果

如上所述，进入该空心射流成形燃烧室的多种可燃混合气充量的相继注入和点火允许按脉冲方式形成爆燃。在工作期间，脉冲的强度和/或频率可以借助于改变混合气充量的相继注入和点火进行动力学控制。一个使用高超音速排气流的脉冲工作的实际实施例的试验显示出超过100HZ并且排气速度高达每秒3000英尺的工作循环是可能的。因此在温和和有力的脉冲之间，及低速和快速脉冲之间可能存在独立的变化。

作为用于空中交通工具的脉冲喷气或火箭发动机，排气速度高于常规涡流或火箭推进器单元的最高速度将使运动部件的体积更小，重量更轻，数量更少，同时潜在地可以取消涡流叶片，压气机和排气喷嘴。该脉冲高超音速排气流借助于提供脉冲而不是连续工作，还可以降低发动机的冷却要求。借助于将可燃混合气的化学能在非常小的能量浪费的情况下迅速转化为高的压力，该迅速燃烧和爆燃可以帮助发动机冷却。这种完全燃烧使发动机的效率更高，产生的没磅推力消耗的燃料量更低。

本发明的一个实际实施例已经制成，并相对其它各种发动机进行了试验，显示出了优越的结果。一个根据Scragg的美国专利US6000214制造出并能输出200马力的发动机大约262磅重，并且每磅发动机重量能产生0.76马力。而本发明能输出200马力以上的实际实施例只要70磅重，每磅产生2.86马力。该聚能装药发动机也小许多倍，其燃烧室为18立方英寸，相比较地，Scragg发动机的燃烧室为560立方英寸。

本发明的发动机与汽油机，柴油机和Brayton循环发动机相比也具有显著的优点。与上述讨论的200马力的实际实施例相比，同样为200马力的汽油机，柴油机或Brayton循环发动机，其每磅重量分别只能产生0.40，0.22和1.0马力，并且其重量分别为500，900和200磅。因此，本发明的发动机以比前述发动机明显小的大小和重量产生显著多的功率。

尽管本发明的优化实施例已经被图示出并被说明了，但在不脱离本发明的精神实质和范围的情况下，可以作出许多改变。因此本发明的范围不是由公开的优化实施例限制，而是由所附的各权利要求整体上确定。

Claims (12)

1.一种聚能装药发动机，其包括：

一内壳体；

一个与该内壳体相连从而构成一射流成形燃烧室的外壳体；

一组适合于将燃料按大致沿直径相对的位置喷射入燃烧室的燃料燃烧器；及

一个在该内外壳体之间的射流成形燃烧室中的中心孔构成一主会聚区；

因此从大致相对两侧的位置流过该主会聚区的排气，撞击基本上处于该聚能装药发动机的中心的第二会聚区，从而产生一高超音速排气。

2.如权利要求1所述的聚能装药发动机，其中该内壳体是大致圆形的，并包括一个大致锥形的凸伸体，该凸伸体与该外壳体一起形成该主会聚区。

3.如权利要求1所述的聚能装药发动机，其中该外壳体是大致拱形的。

4.如权利要求1所述的聚能装药发动机，其中该内外壳体的横截面结构是非圆形的，多边形的，与排气连通方向分别正交。

5.如权利要求1所述的聚能装药发动机，其中该射流成形燃烧室包括一组大致相对的二级燃烧室，每个这样的燃烧室包括一个燃料喷射器和一个点火器。

6.如权利要求5所述的聚能装药发动机，其中该大致相对的二级燃烧室在该外壳体的顶部附近可绕枢轴旋转，从而使各二级燃烧室的方向，在将该初始排气产物沿与最终排气产物的方向成钝角的方向导流的一位置，和将该产生排气产物沿与最终排气的方向成锐角的方向导流的一位置之间变化。

7.如权利要求6所述的聚能装药发动机，其中该内壳体还包括可调节地连接到该内壳体上的各凸伸体，所以各凸伸体可以朝着或离开该外壳体运动，从而降低或增加构成该主会聚区的窄点的大小。

8.如权利要求1所述的聚能装药发动机，其中还包括一组至少部分延伸入该燃烧室中的各点火器，和一个一个氧气源，这样，由各点火器产生的火花或火焰使燃料点燃。

9.如权利要求8所述的聚能装药发动机，其中还包括一个至少部分伸入燃烧室中并连接到一物质源上的物质喷射器，该物质喷射器适合于在燃料燃烧后将物质喷射入该燃烧室中。

10.如权利要求8所述的聚能装药发动机，其中该物质包括水。

11.如权利要求9所述的聚能装药发动机，其中该氧气源包括单独的空气源和氧化剂源。

12.如权利要求11所述的聚能装药发动机，其中还包括一个用于检测可获得的空气物质存在的传感器，和一个与该传感器相连的控制器，从而调节氧气从所有空气至所有氧化剂或空气和氧化剂的混合气中输送到燃烧室中。

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