EA004390B1 - Двигатель с кумулятивным зарядом - Google Patents

Abstract

Двигатель с кумулятивным зарядом включает в себя кольцевую формирующую заряд камеру (3), образованную посредством соединения внутреннего (1) и внешнего (2) корпусов. Центральное сквозное отверстие во внутреннем корпусе позволяет выпускать выхлопные газы. Внешний корпус содержит, в основном, круглый диск с внутренним коническим вогнутым углублением и сквозные отверстия для введения топлива и воспламенения. Формирующая заряд камера имеет предпочтительно коническую форму, более широкую при основании и постепенно суживающуюся по площади поперечного сечения при поднятии в вершине. Эта конструкция образует кольцевую точку смыкания или сужение по направлению к вершине, которое создает первичную зону сжатия. Вторичная зона сжатия создается на вершине внешнего корпуса, как раз за сужением, создавая гиперзвуковые газы, по мере того как, в основном, противоположно направленные потоки выхлопных газов сталкиваются и выпускаются через сквозное отверстие во внутреннем корпусе. Двигатель с кумулятивным зарядом может быть использован в многочисленных применениях, включая как устройство импульсного непосредственного двигателя, так и силовой привод турбины или многочисленные инструменты и приспособления.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к импульсным гиперзвуковым волнам сжатия, и в частности к устройствам с кумулятивным зарядом, использующим импульсные гиперзвуковые волны сжатия для создания тяги.

Предпосылки создания изобретения

В устройствах двигателей, таких как реактивные двигатели и ракетные двигатели, тяга как движущая сила достигается посредством потоков высокоскоростных выхлопных газов. Обычные реактивные двигатели получают высокоскоростные выхлопные газы посредством продуктов сгорания топлива и воздуха, тогда как ракетные двигатели получают высокоскоростные выхлопные газы посредством продуктов внутреннего сгорания топлива и окислителя. Продукты сгорания с высоким давлением пропускаются через ограничивающее отверстие, или сопло, для получения потока высокоскоростных выхлопных газов.

Обычным системам свойственны несколько проблем. Сгорание как в реактивных, так и в ракетных двигателях должно сопровождаться очень высокими внутренними давлениями и поэтому ограничивается прочностью конструкционного материала. Так как увеличивается давление внутреннего сгорания, толщина стенки камеры сгорания должна быть увеличена для удержания давления, увеличивая пропорционально массу камеры сгорания и ограничивая конструкцию. Также, так как уменьшается диаметр выхлопного сопла для увеличения скорости выхлопных газов, становится чрезвычайно трудным охлаждение двигателя и сопла. Кроме того, для импульсных двигателей становится невозможным удаление продуктов сгорания за короткий промежуток времени, тем самым ограничивая скорость воспламенения.

Кроме того, так как увеличивается внутреннее давление в камере сгорания, необходимы более высокие давления топлива и окислителя на входе для ввода топлива и окислителя в камеру сгорания и требуются насосы с большей массой, которые работают при больших мощностях в лошадиных силах. Один пример таких ограничений в настоящих двигателях можно видеть в основном двигателе космического корабля многоразового пользования второй фазы. Двигатель требует мощности 108400 л.с. только для приведения в действие насосов топлива и окислителя. Давления на входе превышают 6800 фунтов/кв.дюйм, для того чтобы получить внутреннее давление в камере сгорания только 3260 фунтов/кв. дюйм с отношением площади поперечного сечения камеры сгорания к площади поперечного сечения сопла 77:1.

Огромный факел пламени, тянущийся за космическим кораблем многоразового пользования и другими ракетами, вызван неполным сгоранием топлива и окислителя до выхода из выхлопного сопла. Топливо и окислитель, воспламеняющиеся вне двигателя, фактически не создают тяги и, таким образом, бесполезно расходуются. Вышеупомянутый пример двигателя космического корабля многоразового пользования требует 2000 фунтов топлива и окислителя в секунду для получения тяги величиной 418000 фунтов на уровне моря. Кроме того, постоянное воспламенение в настоящих двигателях вызывает большую передачу тепла деталям двигателя, особенно сопловому отверстию, и высокая теплопередача требует использования дорогих экзотичных материалов и сложных схем охлаждения для сохранения конструкции двигателя.

Предыдущие попытки улучшить конструкцию двигателя были сосредоточены на различных компонентах, включая сопло. Например, в патенте США № 6003301 Братковича и др., озаглавленном «Выхлопное сопло в многотрубных детонационных двигателях», предлагается использование сопла в двигателе, имеющем многочисленные трубчатые камеры сгорания и общий сборник, сообщающийся с трубчатыми камерами сгорания. Следовательно, Браткович и др. предлагают, чтобы общий сборник и составное сужение потока взаимодействовали для сохранения заранее определенного давления в камере сгорания выше по потоку независимо от давления ниже по потоку, выходящего из расширяющейся части.

Хотя известный уровень техники касается многих аспектов устройств двигателей, он не предлагает использование кумулятивного заряда в реактивном или ракетном двигателе. Кумулятивный заряд, в основном, определяется как заряд, который имеет такую форму, что он концентрирует силу своего взрыва в определенном направлении. Хотя общая теория кумулятивных зарядов известна в течение многих лет, в известном уровне технике использование кумулятивных зарядов ограничивается боеголовками и некоторыми другими детонационными устройствами одноразового использования. В типичной боеголовке кумулятивный заряд направляет силы своего взрыва вперед по направлению движения боеголовки посредством моментов воспламенения перед ударом или, по существу, одновременно с ним. Высококонцентрированная сила может быть использована для создания дешевого, легкого бронебойного устройства. Примеры устройств с кумулятивным зарядом описаны в патенте США № 5275355 Гроссвендта и др., озаглавленном «Противотанковое оружие для поражения танка сверху», и в патенте США № 5363766 Брандона и др., озаглавленном «Бронебойный снаряд с бризантным взрывчатым веществом и прямоточным воздушнореактивным двигателем». Кумулятивные заряды в таких устройствах не используются для получения тяги.

Аналогично, имеющиеся двигатели, предназначенные для приведения во вращение тур бины, не используют двигатели с кумулятивным зарядом. Один пример импульсного газотурбинного двигателя описан в патенте США № 6000214 Скрэгга, озаглавленном «Система газотурбинного двигателя детонационного цикла, имеющая прерывистую подачу топлива и воздуха». Скрэгг предлагает газотурбинный двигатель детонационного цикла, включающий в себя ротор турбины в корпусе. Бесклапанные камеры сгорания расположены по обеим сторонам ротора, чтобы направлять выхлопные газы на турбинные лопатки. Две камеры сгорания попеременно воспламеняют смесь топлива и окислителя, циклически приводя во вращение турбину. Хотя Скрэгг описывает полезный двигатель, могут быть значительно улучшены эффективность, мощность в лошадиных силах на единицу массы двигателя и другие рабочие параметры. Например, устройство Скрэгга, выполненное для получения 200 л. с., требует камеры сгорания объемом 560 куб.дюймов и массы 262 фунта, тогда как двигатель мощностью 200 л. с. с использованием кумулятивного заряда, как в настоящем изобретении, требует камеры сгорания объемом только 18 куб.дюймов и массы только 70 фунтов.

Существует поэтому необходимость в устройстве двигателя с кумулятивным зарядом, которое обеспечивает существенно улучшенные рабочие характеристики по сравнению с устройствами известного уровня техники.

Краткое изложение сущности изобретения

В настоящем изобретении создан двигатель с кумулятивным зарядом, который устраняет многие ограничения известного уровня техники. Устройство включает в себя формирующую заряд камеру (камеру сгорания), содержащую внутренний кольцевой корпус образования заряда, имеющий конический выпуклый выступ, который образует внутренние стенки формирующей заряд камеры. Предусмотрено центральное сквозное отверстие для выпуска выхлопных газов. Внешний корпус содержит, по существу, круглый диск с внутренним коническим вогнутым углублением и сквозными отверстиями для впуска топлива и воспламенения. Два корпуса соединяются обычными средствами, такими как сварка или болты. Результирующая камера, образованная в результате соединения двух корпусов, имеет коническую форму, более широкую в основании и постепенно суживающуюся в поперечном сечении по мере приближения к вершине. Эта конструкция образует круглую точку смыкания или сужение по направлению к вершине, которое образует первичную зону сжатия или зону сжатия первой ступени. Вторичная зона сжатия создается в вершине внешнего корпуса, сразу за сужением. Гиперзвуковые газы выходят через сквозное отверстие во внутреннем корпусе.

В соответствии с дополнительными аспектами изобретения направленная тяга образуется импульсным образом, используя ограниченное горение, которое начинается в периферийной зоне у основания и направляется в коническую форму, которая образует первичную зону сжатия рядом с вершиной конической формы. Сжатое горение после этого продолжается к вершине конической формы, создавая высокоскоростное схождение или вторичную зону сжатия перед выпуском. Эта конструкция обеспечивает более полное сгорание внутри камеры, повышая эффективность посредством улавливания большей части энергии до того, как она уходит за пределы двигателя. Это также позволяет производить более быстрый выпуск продуктов сгорания из первичной камеры сгорания, тем самым обеспечивая более высокую частоту повторения импульсов воспламенения, в то же самое время сохраняя потоки выхлопных газов с высоким сжатием посредством отсутствия сжатия внутри продуктов сгорания до окончательной скорости.

В соответствии с другими аспектами изобретения двигатель включает в себя датчик для определения плотности окружающего воздуха, позволяя двигателю по обстановке селективно потреблять воздух или окислитель.

В соответствии с еще другими аспектами изобретения недорогие обычные топлива, такие как бензин, ацетилен, бутан, пропан, природный газ и дизельное топливо, смешиваются с воздухом или окислителем в горючую смесь и вводятся под давлением выше атмосферного в полую формирующую заряд камеру таким образом, что допускают уверенную отсечку между последовательностью циклов всасывания для размещения циклов воспламенения.

В соответствии с другими аспектами изобретения воспламенитель воспламеняет горючую смесь, инициируя взрывную волну или импульс у основания полой формирующей заряд камеры. По мере того как взрывная волна или импульс продвигается к постепенно сжимающейся формирующей заряд камере, дополнительная масса может вводиться в эту камеру, тем самым повышая количество движения взрывной волны. Продукты взрыва (сгорания) сжимаются зоной с постепенно уменьшающимся поперечным сечением формирующей заряд камеры. Увеличивающееся давление перемещает взрывную волну в первичную зону сжатия, образованную кольцевым ограничением между усеченным торцом центрального конического выступа и противолежащей усеченной полусферической или куполообразной внутренней поверхностью внешнего корпуса.

Сжатие взрывной волны в этом кольцевом ограничении создает высокоскоростной радиальный поток продуктов сгорания по направлению к центру усеченной полусферической или куполообразной поверхности. Расположенные напротив высокоскоростные радиальные потоки продуктов сгорания сходятся в центре усеченной полусферической или куполообразной по верхности, создавая вторичную зону повышенного сжатия продуктов сгорания. Слияние масс и кинетической энергии во вторичной зоне сжатия формирует продукты сгорания в гиперзвуковые газы, которые выходят управляемым взрывом, направленным через выхлопное отверстие, расположенное по центру в вершине центрального конического выступа. Результирующие гиперзвуковые выхлопные газы под высоким давлением выпускаются направленным взрывом от выхлопного отверстия без необходимости выпускного сопла.

В соответствии еще с одним аспектом изобретения скорость на выходе продуктов сгорания и выбросов управляется посредством увеличения или уменьшения размера, длины, диаметра и угла глубины формирующей заряд камеры и корректировкой смеси топливаокислителя.

В соответствии с другими аспектами изобретения управляемые взрывы, формируемые в формирующей заряд камере, являются повторяемыми посредством последовательного введения и воспламенения дополнительных зарядов горючей смеси. Кроме того, в повторяющихся импульсных режимах мощность взрыва и частота управляются дроссельной заслонкой посредством увеличения или уменьшения расхода горючей смеси или регулировкой частоты цикла независимо от расхода смеси.

В соответствии еще с одним аспектом изобретения двигатель работает в импульсном режиме в континууме между аэробным или потребляющим воздух реактивным режимом и анаэробным или непотребляющим воздух ракетным режимом. Следовательно, топливо смешивается с воздухом, окислителем или любой их комбинацией с любой относительной концентрацией. Относительные концентрации воздуха и окислителя в горючей смеси регулируются динамически в смеси воздуха и окислителя, которая может быть функцией концентрации кислорода в окружающей атмосфере.

В соответствии с другими аспектами изобретения может изменяться конкретная геометрия двигателя с кумулятивным зарядом, в то же самое время все же сохраняя аспекты изобретения, включая первичную и вторичную зоны схождения. Следовательно, форма поперечного сечения может быть кольцевая, квадратная, прямоугольная, треугольная или иметь множество других форм в зависимости от требуемых результатов и доступного пространства для размещения двигателя в приводимом в движение транспортном средстве.

В соответствии с дополнительными другими аспектами изобретения выхлопные газы сталкиваются во вторичной зоне схождения, создавая гиперзвуковые выхлопные газы. Направленные напротив друг к другу потоки газов могут исходить из камер, которые расположены, по существу, напротив друг друга и, по мень шей мере частично, ортогонально направлению перемещения. Альтернативно, формирующая заряд камера может быть выполнена так, что продукты сгорания перемещаются под острым или тупым углом относительно направления перемещения до того, как они достигают сужения и вторичной зоны сжатия.

В соответствии с дополнительными аспектами изобретения угол, под которым сходятся выхлопные газы, может динамически управляться во время работы двигателя. В основном, противоположные стороны, в основном, кольцевой формирующей заряд камеры могут быть присоединены шарнирно, позволяя камерам перемещаться вперед и назад, регулируя угол схождения.

В соответствии с другими аспектами изобретения может быть увеличена или уменьшена площадь поперечного сечения сужения или точки смыкания. В результате уменьшения размера площади сужения выхлопные газы движутся с более высокой скоростью, создавая относительный выброс в скорости выхлопных газов и поэтому в тяге. Наоборот, в результате увеличения размера сужения выхлопные газы выходят более равномерно и с меньшей относительной скоростью.

В соответствии с другими аспектами изобретения двигатель может использоваться для получения прямой тяги для приведения в движение ракеты, самолета, персонального судна или другого транспортного средства.

В соответствии еще с другими аспектами изобретения выхлопные газы, создаваемые двигателем, могут быть использованы для приведения во вращение турбины, которая используется для приведения в движение транспортного средства. В таком варианте выполнения двигатель, например, может быть использован для приведения в движение автомобиля.

В соответствии с другими аспектами изобретения давление, выхлопные газы, импульс или тепло, создаваемые двигателем с кумулятивным зарядом, могут быть использованы в самых разнообразных применениях, включая, например, приведение в движение транспортных средств, борьбу с вредителями, разрушение, режущие инструменты, инструменты для гравирования, нагревательные приборы, разбрызгивающие устройства, высокоскоростные пушки, генераторы, котлы и устройства создания давления в замкнутых системах.

Краткое описание чертежей

Предпочтительный вариант выполнения настоящего изобретения подробно описывается с ссылкой на следующие чертежи.

На фиг. 1 представлено поперечное сечение двигателя с кумулятивным зарядом, включающего в себя формирующую заряд камеру, выполненную в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения.

На фиг. 2А-С представлено поперечное сечение нескольких характерных форм формирующей заряд камеры, выполненной в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 3А-С представлено поперечное сечение нескольких характерных ориентаций формирующей заряд камеры, выполненной в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 4 представлено поперечное сечение двух альтернативных конфигураций сужения двигателя, выполненного в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 5 представлен характерный вид переключаемого реактивного и ракетного двигателя, выполненного в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 6 представлен характерный вид импульсного приводного двигателя, выполненного в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 7А представлен вид сбоку вращающегося центробежного дроссельного клапана, выполненного в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 7В представлен вид сверху вращающегося центробежного дроссельного клапана, выполненного в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание предпочтительного варианта выполнения Общая конструкция двигателя с кумулятивным зарядом

На фиг. 1 схематически изображено в поперечном сечении устройство, выполненное в соответствии с настоящим изобретением, для динамического сжатия и детонирования горючей смеси для образования кумулятивной волны сжатия. Позиция 10, в основном, ссылается на двигатель с кумулятивным зарядом. Двигатель 10 включает в себя полую формирующую заряд камеру 3, образованную между внешним корпусом 2 образования заряда и внутренним корпусом 1 образования заряда. Внешний корпус 2 образования заряда имеет, в основном, круглоконическую форму и включает в себя центрально расположенную куполообразную часть в вершине, образуя вогнутую форму «чашки» или «миски».

Внутренний корпус 1 образования заряда содержит, в основном, плоскую плоскость, переходящую в центрально расположенный выступ 7, в основном, конической формы. Выступ 7 проходит радиально внутрь и вверх по направлению к внешнему корпусу 2. Выступ 7 усечен внизу под вершиной, образуя центрально расположенное, в основном, круглое отверстие на меньшем торце конуса, который ближе всего к внешнему корпусу 2, когда внутренний корпус 1 и внешний корпус 2 соединены между собой. Для выхлопных газов Е, двигающихся от вершины выступа 7 через отверстие и наружу из двигателя, выступ 7, таким образом, образует, в основном, цилиндрическое отверстие, которое расширяется наружу к, в основном, коническому отверстию на выходе.

Внутренний корпус 1 образования заряда соединяется с внешним корпусом 2 образования заряда, так что выступ 7 проходит по направлению к внешнему корпусу 2. Внешний корпус 2 образования заряда и внутренний корпус 1 образования заряда соединяются по их соответствующим внешним периферийным кромкам, образуя полую формирующую заряд камеру 3 в пространстве между внутренним корпусом 1 и внешним корпусом 2. Внутренний и внешний корпуса 1 и 2 образования заряда соединяются, например, посредством сварки 6 или посредством другого средства сжатия, такого как болты или заклепки.

Корпуса 1 и 2 выполнены из материалов, способных выдерживать нагрев и давление воспламенения, детонации и сжатия управляемого сгорания. Любой из разнообразных материалов, типично используемых в конструкции ракетных двигателей, может быть использован для настоящего изобретения, включая, например, сталь, нержавеющую сталь или титан. Материал внутреннего корпуса 1 образования заряда предпочтительно достаточно толстый, чтобы выдерживать нагрев и давление без внешней опоры.

Множество топливных форсунок 5 и воспламенителей 4 выступают через внешний корпус 2 и в камеру 3. Форсунки 5 вводят топливо, воздух и окислитель в полую формирующую заряд камеру 3. Предпочтительная горючая смесь, например, образуется из любого обычного топлива, которое, когда оно смешано с воздухом, окислителем или их комбинацией, образует горючую смесь. Топливом является произвольно любой рассеянный в воздухе горючий материал, такой как водород или другие горючие газы; аэрозоль недорогой жидкости, такой как бутан, пропан, бензин, ацетилен или природный газ; соединение пара и капель жидкости, такое как дизельное топливо; рассеянные в воздухе твердые частицы или другая горючая смесь, которая достаточно быстро сгорает для выполнения динамического сжатия и детонации. Топливо предпочтительно смешивается с дозированным количеством воздуха или окислителя для полного сгорания.

Воспламенитель 4 представляет собой, например, обычную свечу зажигания, питаемую от генератора зажигания, запальную свечу накаливания, пьезоэлектрический искровой промежуток или другое соответствующее устройство воспламенения. В соответствии с альтернативными вариантами выполнения изобретения воспламенителем 4 является горячая плазменная струя, генерируемая генератором плазменной струи (не показан) и направленная в зону воспламенения полой формирующей заряд камеры 3. Другие быстродействующие и надежные устройства для введения пламени или искр, по су ществу мгновенно, в зону воспламенения находятся в пределах объема настоящего изобретения в качестве альтернативных устройств воспламенения.

Хотя форсунка и воспламенитель предпочтительно выполняются так, что они выступают из внешнего корпуса 2 в формирующую заряд камеру, форсунка 5 и воспламенитель 4, каждый в отдельности или оба вместе, могут быть установлены по периферии внутреннего корпуса 1 образования заряда или в пространстве, разделяющем внутренний и внешний корпуса 1 и 2 (т.е. вдоль сварки 6) при условии, что они выступают в зону воспламенения полой камеры 3.

Форсунка 5 горючей смеси представляет собой любую обычную систему впрыска, пригодную для создания управляемого потока горючей смеси, включая в себя, например, обычные топливные форсунки и карбюраторы. Обычные карбюраторы, используемые вместе с турбонагнетателями, позволяют производить смешивание разнообразных топлив с воздухом для впрыска в полую формирующую заряд камеру 3.

Согласование во времени впрыска топлива и воспламенения и, следовательно, согласование во времени сгорания управляется системой управления (не показана), включающей в себя топливные клапаны, воздушные клапаны и клапаны подачи окислителя. Отверстие клапана образовано в отверстии для впрыска горючей смеси, если используется карбюратор, или жидкое топливо, или топливо в баллонах под давлением для практического использования изобретения. Клапан для отверстия клапана действует для впуска горючей смеси в полую камеру 3. Клапан представляет собой электромагнитный клапан в каждом случае, хотя могут быть использованы другие клапаны, такие как любой поворотный, дисковый, тарельчатый или барабанный клапан или любое другое устройство, которое позволяет впрыскивать воздух, окислитель и топливо в камеру 3 под давлением выше атмосферного и который допускает уверенную отсечку между циклами всасывания для выполнения цикла воспламенения. Если необходимо, увеличенное давление при сгорании в полой камере 3 воздействует на область клапана для закрытия клапана и ограничения введения воспламенения в карбюратор.

Формирующая заряд камера 3 включает в себя только одно кольцевое отверстие в центре. Это отверстие содержит область между выступом 7 внутреннего корпуса и внешним корпусом 2. В значительной степени ограничивающее отверстие создает ограничивающую точку смыкания, которая образует первичную зону сжатия или зону сжатия первой ступени. Высокоскоростное схождение или вторичная зона 9 сжатия создается в вершине внешнего корпуса 2, в основном, в центре кольцевой зоны, определяю щей сужение, и, по существу, вдоль оси внутреннего и внешнего корпусов 1 и 2.

Общий принцип действия кумулятивного заряда

Внешний корпус 2 образования заряда предназначен для приема горючей смеси в полую формирующую заряд камеру 3 около внешней периферии основания полой камеры 3. Формирующая заряд камера больше по площади поперечного сечения, по меньшей мере, относительно сужения, в месте впрыска топлива и воспламенения. Так как многочисленные топливные форсунки 5 и воспламенители 4 разнесены по периферии внутреннего и внешнего корпусов 1 и 2 образования заряда, имеется несколько мест внутри камеры 3, в которых происходит процесс сгорания. Процесс сгорания предпочтительно происходит, в основном, на противоположных сторонах камеры 3.

В варианте выполнения, в котором доступны как воздух, так и окислитель, например объединенном реактивном/ракетном двигателе, топливо сгорает вместе с воздухом в достаточно плотной атмосфере для размещения заряда топлива, в то время как доступен воздух. Датчик воздушной массы (например, аномометрия с термоэлементом) или другой датчик соединен с контроллером (не показан), который определяет количество доступного воздуха. Контроллер вызывает открытие отверстия скоростного напора на входе, когда уменьшается воздушная масса, так что достаточное количество кислорода поступает в камеру 3. После того как контроллер определяет, что воздушная масса очень низкая, отверстие впуска воздуха остается открытым и отверстие впуска окислителя начинает открываться, позволяя окислителю поступать в камеру 3. Во время переходного периода, в течение которого воздух доступен, но он или неидеальный, или его недостаточно, используются как воздух, так и окислитель. Когда плотность воздуха слишком низкая, отверстие впуска наружного воздуха закрывается и для сжигания используется один окислитель. Таким образом, устройство работает аэробно в реактивном режиме, анаэробно - в ракетном режиме или в любой комбинации реактивного и ракетного режима.

Воспламенители 4 и форсунки 5 расположены около периферии камеры 3, вызывая начало воспламенения относительно около периферии кольцевой камеры 3. Так как многочисленные воспламенители 4 разнесены по камере, воспламенение также происходит, по существу одновременно, в нескольких местах по камере. Каждая из многочисленных форсунок 5 одновременно впрыскивает соответствующее количество горючей смеси в камеру 3 под локальным давлением выше атмосферного относительно давления внутри остальной части полой камеры 3. Форсунка 5 герметизируется или закрывается после цикла впрыска, создавая барьер или преграду между полой формирующей заряд камерой 3 и топливом и воздухом или окислителем.

После герметизации форсунок 5 каждый из многочисленных воспламенителей 4, по существу одновременно, воспламеняет заряд горючей смеси, вызывая детонацию (или импульс), по существу, вдоль всей внешней окружности основания полой камеры 3. По мере того как фронт воспламенения или импульс продвигается по направлению к вершине полой камеры 3, дополнительная масса может быть введена в камеру 3 для увеличения массы и, следовательно, количества движения взрывной волны. Введенной массой предпочтительно является безопасная масса, такая как вода или инертная суспензия, хотя массой альтернативно может быть сгорающая масса, включающая в себя дополнительное топливо. Продукты сгорания во все возрастающей степени сжимаются в результате постепенного уменьшения площади поперечного сечения в сужении или вершине полой камеры 3. По мере того как фронт воспламенения продвигается по направлению к сужению, достигается первичное сжатие или сжатие первой ступени посредством противодавления, вытесняя фронт воспламенения, по существу одновременно, во все зоны сужения. Это вытеснение фронта воспламенения через сужение создает высокоскоростной, радиально направленный внутрь поток продуктов сгорания по направлению к вершине внутренней поверхности внешнего корпуса 2 образования заряда.

Высокоскоростной поток продуктов сгорания выходит из камеры через сужение и продвигается внутрь, вызывая схождение высокоскоростных газов около внутренней поверхности 8 и на осевой линии 9 внешнего корпуса 2 образования заряда. Схождение создает, посредством слияния массы и кинетической энергии, вторичную зону сжатия, которая формирует продукты сгорания в гиперзвуковые газы перед их выпуском управляемым взрывом, направленным через выхлопное отверстие. Результирующие гиперзвуковые выхлопные газы Е под высоким давлением выбрасываются направленным взрывом из выхлопного отверстия без необходимости выхлопного сопла. Вышеупомянутое описание представляет один цикл воспламенения, который полезен во многих применениях. Двигатель альтернативно может работать в импульсном режиме посредством повторения вышеупомянутого цикла воспламенения.

Двигатель с кумулятивным зарядом управляется с использованием дросселя, который может изменять объем топлива, воздуха и окислителя. В типичном клапане с вращающимся диском, который служит в качестве дросселя, два отверстия разнесены на 180° друг от друга, что позволяет производить впрыск топлива только тогда, когда отверстия совмещены с трубопроводами топлива при вращении диска, например, со скоростью 100 об./мин. По мере того как уве личивается скорость вращения диска, уменьшается продолжительность времени совмещения отверстий, обеспечивая впрыск меньшего количества топлива за импульс. Наоборот, уменьшение скорости вращения приводит к впрыску больших количеств топлива за импульс.

Альтернативные варианты выполнения двигателя с кумулятивным зарядом

Хотя общая конструкция и принцип действия двигателя с кумулятивным зарядом предпочтительного варианта выполнения описаны выше и показаны на фиг. 1, конструкция может быть изменена, согласуясь с настоящим изобретением. В некоторых применениях может быть желательным выполнить двигатель с кумулятивным зарядом с альтернативной геометрической формой. Например, с ссылкой на фиг. 2, геометрическая форма поперечного сечения может изменяться в альтернативных вариантах выполнения. В основном, круглая или кольцевая форма, изображенная на фиг. 2А, соответствует окружности формирующей заряд камеры 3 предпочтительного варианта выполнения, показанного на фиг. 1. Альтернативные варианты выполнения изображены на фиг. 2В и 2С и показывают соответственно прямоугольную и треугольную конструкции.

Конструкция предпочтительного варианта выполнения, показанная на фиг. 2А, представляет собой идеальный двигатель с кумулятивным зарядом, продукты сгорания которого одновременно сходятся в центре. Прямоугольный вариант выполнения на фиг. 2В в некоторой степени менее эффективен, но все же создает продукты сгорания, которые сходятся, по существу одновременно, так как продукты сгорания проходят одинаковые расстояния с противоположных сторон до достижения вторичной зоны сжатия. Треугольный вариант выполнения на фиг. 2С довольно неэффективен с неодинаковыми расстояниями от периферии камеры 3 до вторичной зоны сжатия, создавая меньшие скорости выхлопных газов и меньшую тягу, чем круглый вариант выполнения на фиг. 2А. Могут быть использованы еще другие формы, в основном выпуклого многоугольника, согласующиеся с настоящим изобретением.

Точно так, как может изменяться форма поперечного сечения формирующей заряд камеры 3, также может изменяться и ее ориентация. Обычная ориентация предпочтительного варианта выполнения изображена на фиг. 3А. В варианте выполнения на фиг. ЗА (который может быть охарактеризован как «вогнутый») продукты сгорания перемещаются по направлению к сужению от точки, которая находится, в основном, выше по потоку относительно окончательного направления выхлопных газов и в некотором смысле ортогонально ему. Когда продукты сгорания проходят через сужение, они наталкиваются на внешний корпус 2 и сталкиваются с газами, выходящими с противоположных сто рон во вторичной зоне сжатия, создавая гиперзвуковые выхлопные газы в направлении, в некоторой степени противоположном направлению перемещения через сужение.

В альтернативном варианте выполнения, как изображено на фиг. 3В, формирующая заряд камера, по существу, плоская, так что продукты сгорания проходят через сужение в направлении, в основном, ортогональном окончательному направлению выхлопных газов. Еще в другом варианте выполнения, как изображено на фиг. 3С, камера имеет выпуклую конфигурацию, так что продукты сгорания проходят через сужение в направлении, которое образует тупой угол с окончательным направлением выхлопных газов. Аналогично, возможны дополнительные ориентации, не изображенные на фиг. 3.

Среди трех вариантов выполнения, изображенных на фиг. 3, вариант выполнения на фиг. 3А может рассматриваться как двигатель с выбросом высокого давления. Изменение направления выхлопных газов как раз после сужения вызывает «тепловое наложение» газов как раз перед выпуском. В результате, создается мощный, но кратковременный выброс величины тяги, когда газы выходят из двигателя. Хотя полные массы продуктов сгорания одинаковы в каждом варианте выполнения, тяговые характеристики отличаются. Таким образом, вариант выполнения на фиг. 3В создает относительно слабый, более продолжительный момент тяги, тогда как вариант выполнения на фиг. 3С создает более равномерный поток выхлопных газов с относительно меньшим выбросом.

В зависимости от варианта выполнения и требуемых рабочих характеристик может быть полезным выполнить один двигатель, в котором ориентация камеры сгорания может динамически изменяться с выпуклой ориентации (такой как на фиг. 3С) до вогнутой ориентации (такой как на фиг. 3А). В предпочтительном варианте выполнения, особенно когда используется в качестве импульсного реактивного/ракетного двигателя, как описано ниже с ссылкой на фиг. 5, двигатель с кумулятивным зарядом может быть смонтирован на шарнирах и может быть динамически регулируемым для создания изменяющихся ориентаций камеры сгорания.

С ссылкой снова на фиг. 3А-С, точки Н1, Н2 шарнира внешнего корпуса указаны в положениях, которые позволяют производить регулировку ориентации двигателя с кумулятивным зарядом. Таким образом, посредством поворота внешнего корпуса 2 в положение точек Н1, Н2 шарнира внешнего корпуса ориентация двигателя с кумулятивным зарядом может быть изменена вдоль континуума от, в основном, выпуклой ориентации (такой как на фиг. 3С) до вогнутой ориентации (такой как на фиг. 3А). Так как камера 3 предпочтительно представляет собой непрерывное кольцо, внутренний и внешний корпуса 1, 2 содержат ряд пластин, предна значенных для скольжения одна над другой и одна под другой во время изменения конфигурации. Также возможны альтернативные конструкции, включающие, например, камеру сгорания, которая содержит множество отдельных вспомогательных камер, которые примыкают или почти примыкают одна к другой в наиболее вогнутых и выпуклых положениях (как на фиг. 3 А и 3С) , но которые разнесены относительно более удаленно одна от другой в более горизонтальных конфигурациях, как на фиг. 3В.

Также может изменяться зона сужения, согласующаяся с изобретением. Ссылка делается на фиг. 4, на которой изображены два альтернативных варианта выполнения. На фиг. 4А изображен двигатель низкого давления, имеющий относительно большее сужение. Альтернативно, вариант выполнения на фиг. 4В включает в себя относительно меньшее сужение. Относительно двигателя на фиг. 4В двигатель на фиг. 4А создает меньшее давление в камере 3, более низкие скорости через сужение и меньший выброс скорости выхлопных газов и тяги.

Снова с ссылкой на фиг. 3А-С, точки Н3, Н4 шарнира внешнего корпуса указаны в положениях, которые позволяют производить регулировку качанием внутреннего корпуса 1 ближе или дальше от внешнего корпуса 2. Таким образом, по мере того как внутренний корпус 1 перемещается вращательным образом по направлению к внешнему корпусу 2, размер сужения уменьшается, получая меньшую «точку смыкания». Наоборот, внутренний корпус 1 может вращаться наружу от внешнего корпуса 2, получая большее сужение. В случае как регулируемой ориентации, так и регулируемой зоны сужения шарнирное действие выполняется наилучшим образом посредством гидросистемы, винтовой пары или других таких устройств, которые могут перемещать металлические пластины и выдерживать значительные давления, создаваемые в камере 3 сгорания.

Использование переключаемого импульсного реактивного/ракетного двигателя

Предпочтительное в настоящее время применение двигателя с кумулятивным зарядом изображено на фиг. 5, которая схематически иллюстрирует переключаемый импульсный реактивный/ракетный двигатель. Переключаемый импульсный реактивный/ракетный двигатель на фиг. 5, в целом обозначенный позицией 100, включает в себя двигатель с кумулятивным зарядом в соответствии с двигателем на фиг. 1, хотя показан в вогнутой ориентации, как на фиг. 3С.

Двигатель начинает работу с запуска из холодного состояния на низких высотах в импульсном реактивном режиме. Импульсы топлива и окислителя подаются от источников топлива 101 и окислителя 108 в камеру 106 сгорания кумулятивного заряда через отдельные трубопроводы 102, 110 топлива и окислителя, каж дый из которых управляется электромагнитным клапаном 104а, 104Ь. Воспламенитель 112 воспламеняет смесь топлива и окислителя, создавая взрыв и сопровождающее высокое давление в камере 106. Когда поворотный клапан находится в работе (главным образом, в реактивном режиме), воспламенитель управляется устройством фиксированного регулирования воспламенения по времени, таким как, например, контакты, типично применяемые в автомобильном распределителе, электромагнитные датчики, работающие от магнето или аккумуляторной батареи, или светочувствительные реле. Когда используется непосредственный впрыск топлива и окислителя (в ракетном режиме), воспламенитель управляется импульсами регулирования по времени, инициируемыми процессором компьютера.

В результате открытия электромагнитного клапана 104с на выхлопном обходном трубопроводе 114 продукты сгорания под давлением пропускаются на турбину 116 с приводом выхлопными газами, вызывая ее вращение. Турбина 116 с приводом выхлопными газами соединена с компрессором 118, насосом 120 топлива и центробежным дроссельным клапаном 122, каждый из которых предназначен для совместного вращения в виде блока. Хотя обычный вращающийся диск может быть использован в соответствии с настоящим изобретением, в предпочтительном варианте выполнения центробежный дроссельный клапан 122 (подробно описанный ниже с ссылкой на фиг. 7) используется для получения управления более высокого качества, особенно при фиксированных условиях давления на входе. Во время вращения блока сжатый воздух 126, собираемый воздухозаборником 128, подается через воздухопровод 130, тогда как топливо подается по трубопроводу 132 топлива на центробежный дроссельный клапан 122. Центробежный дроссельный клапан 122 пропускает воздух и топливо через клапан посредством открытия и закрытия многочисленных отверстий, которые циклически совмещаются и расходятся по мере их вращения.

Топливо и воздух после прохождения через центробежный дроссельный клапан 122 смешиваются в смешивающем коллекторе 134 и впрыскиваются в камеру 106 сгорания кумулятивного заряда, когда открыт центробежный дроссельный клапан 122. Центробежный дроссельный клапан 122 затем закрывается, и воспламенитель 112 воспламеняет смесь топлива и воздуха (или окислителя) в камере 106 в точке 113 воспламенения. Детонация вызывает выход продуктов сгорания из камеры 106.

Предпочтительный центробежный дроссельный клапан показан на виде сбоку на фиг. 7 А и на виде сверху на фиг. 7В. Прежние клапаны с вращающимся диском, имеющие фиксированные размеры отверстий, такие, которые используются в известных двигателях с изменяе мой частотой воспламенения, имеют многие проблемы независимо от размера или формы отверстий. Например, если размеры отверстия выбираются для воспламенения с низкой частотой, то тогда промежуток времени, в течение которого отверстия совмещены, уменьшается по мере увеличения скорости вращения, пропуская меньше воздуха, топлива или смеси через клапан за импульс. Следовательно, необходимо более высокое давление на входе для получения правильного объема заряда. С другой стороны, если размеры отверстия выбираются для воспламенения с высокой частотой, то тогда на низких частотах воспламенения диск вращается медленнее, отверстия совмещаются в течение более длительных периодов и чрезмерное количество воздуха, топлива или смеси пропускается через клапан. Для того чтобы компенсировать избыток и получить правильный объем заряда, необходимы более низкие давления на входе и управление.

Вращающийся центробежный дроссельный клапан 122 устраняет эти проблемы и предусматривает правильные объемы заряда на всех частотах воспламенения, в то же самое время используя фиксированное давление на входе. Центробежный дроссельный клапан 122 включает в себя приводной вал 172, имеющий выступ 174, и корпус 176 дискового клапана, установленный на приводном вале 172. Корпус 176 дискового клапана содержит две половины 176а, 176Ь, соединенные вместе обычными средствами, такими как сварка, изготовление в виде слоистого изделия, болтами или винтами 184. Две половины 176а, 176Ь корпуса 176 дискового клапана включают в себя углубления, которые, когда половины соединяются, образуют вместе внутренние выемки 178а, 178Ь. Корпус 176 дискового клапана также включает в себя одно или несколько отверстий 182а, 182Ь, проходящих через корпус 176 дискового клапана, по существу, перекрывая внутренние выемки. Внутри каждой выемки 178а, 178Ь удерживается задвижка 179а, 179Ь. Дополнительное углубление в двух половинах 176а, 176Ь корпуса дискового клапана образует выемки 181а, 181Ь для пружин, в которых удерживаются пружины 180а, 180Ь, связанные с каждой задвижкой 179а, 179Ь. Другие устройства могут быть использованы вместо пружин 180а, 180Ь для смещения задвижек 179а, 179Ь в закрытое положение на меньших скоростях вращения, включая другие упругие материалы или устройства сжатия. Далее, задвижки 179а, 179Ь могут быть с электронным управлением, используя гидросистему, червячный привод или другие механизмы для открытия и закрытия клапанов как функции скорости вращения. Хотя центробежный дроссельный клапан 122 изображен как имеющий два отверстия 182а, 182Ь, может быть использовано любое количество отверстий, согласующееся с изобретением. Аналогично, от верстия 182а, 182Ь изображены как имеющие, в основном, форму «пирога», но они могут быть круглыми, квадратными или любой другой формы.

На фиг. 7В более подробно изображен принцип действия центробежного дроссельного клапана, представляя как высокую, так и низкую частоту воспламенения. На низких частотах воспламенения корпус 176 дискового клапана вращается с относительно низкой скоростью, вызывая прижатие пружиной 180Ь задвижки 179Ь в направлении, направленном радиально внутрь в выемку 178Ь. В результате перемещения к центру корпуса 176 дискового клапана задвижка 179Ь закрывает значительную часть отверстия 182Ь, ограничивая количество воздуха, топлива или смеси, которые могут пройти в камеру сгорания. Нужно обратить внимание, что отверстия 182а, 182Ь предпочтительно образованы так, что задвижки 178а, 178Ь не могут полностью закрыть их даже тогда, когда центробежный дроссельный клапан 122 остановлен или вращается со своей самой медленной скоростью вращения. Это устройство позволяет подавать воздух, топливо или смесь в камеру сгорания во время запуска и предотвращает остановку двигателя на самых низких частотах воспламенения.

На сравнительно более высоких частотах воспламенения центробежные силы вызывают дополнительное сжатие задвижкой 179а пружины 180а внутри гнезда 181а пружины. Отход пружины радиально наружу раскрывает значительную часть отверстия 182а, пропуская большее количество топлива, воздуха или смеси в камеру сгорания. В любом конкретном применении дроссельный клапан может быть адаптирован посредством замены пружин с большей или меньшей упругостью, изменения размера отверстий или формы, расположения отверстий в большей степени внутрь или наружу вдоль радиуса корпуса диска или увеличения или уменьшения количества отверстий на корпусе 176 дискового клапана.

Хотя вышеупомянутые описание и иллюстрация на фиг. 7В изображают одно отверстие 182а, в значительной степени раскрытое задвижкой 179а, как было бы в случае с высокой частотой воспламенения, и одно отверстие 182Ь, в значительной степени закрытое задвижкой 179Ь, как было бы в случае с низкой частотой воспламенения, это состояние изображено на одном клапане только для упрощения иллюстрации и описания. На практике каждое отверстие 182а, 182Ь во все моменты времени было бы закрыто или раскрыто задвижками 179а, 179Ь, по существу, в одинаковой степени.

Выступ 174 на приводном вале 172 показан треугольной формы, смещенным относительно центра приводного вала 172. Выступ 174 альтернативно может быть любой формы, хотя неправильная форма предпочтительна для пре дотвращения соединения приводного вала 172 с корпусом 176 диска с несовпадением фазы воспламенения или других внешних частей, которые требуют согласования во времени. Приводной вал 172 соединяется с корпусом 176 диска посредством ввода выступа 174 в углубление 184 аналогичной формы в корпусе 176 диска. Выступ 174 и углубление 184 выполнены так, что выступ 174 может скользить в углублении 184, позволяя корпусу 176 диска перемещаться внутрь или наружу по валу 172. Упорная шайба 186 поглощает усилие, сообщаемое корпусу 176 диска, и обеспечивает герметичное уплотнение. Эта конструкция позволяет центробежному дроссельному клапану поглощать значительные давления без повреждения приводного двигателя или других компонентов. Кроме того, скользящее расположение выступа 174 внутри углубления 184 учитывает износ упорной шайбы.

Так как турбина 116, компрессор 118, насос 120 топлива и центробежный дроссельный клапан 122 продолжают вращаться, то постоянно создаются импульсы смеси топлива и воздуха и воспламеняются так, как описано выше. Электромагнитный клапан 104с, связанный с выхлопным обходным трубопроводом 114, модулируется (или работает в импульсном режиме) для получения требуемой скорости холостого хода турбины и самого двигателя.

Воздухозаборник 128 открывается или закрывается автоматически линейным исполнительным механизмом 136. Линейный исполнительный механизм 136 управляется датчиком 138 воздушной массы, который, как описано выше, определяет доступную воздушную массу. В предпочтительном варианте выполнения датчик 138 воздушной массы, по существу, содержит нагреваемую проволоку, температура которой уменьшается в то время, как увеличенная воздушная масса протекает мимо проволоки во время полета. Температура проволоки считывается процессором (не показан) для определения величины существующей воздушной массы. Таким образом, линейный исполнительный механизм 136 может, например, открывать воздухозаборник 128, когда датчик 138 воздушной массы определяет уменьшенную доступную воздушную массу, вызывая поступление большего объема воздуха в сборник 140 всасываемого воздуха.

При работе двигателя на холостых оборотах переключаемый импульсный реактивный/ракетный двигатель готов для перехода в импульсный реактивный режим работы, при котором создается значительная тяга. Электромагнитный клапан 104с на выхлопном обходном трубопроводе 114 открывается, по существу полностью, позволяя протекать большему количеству выхлопных газов через трубопровод для приведения во вращение турбины 116, вызывая ее более быстрое вращение. В свою очередь, вращаются быстрее компрессор 118, насос 120 топлива и центробежный дроссельный клапан 122. Вследствие центробежных сил, создаваемых более быстрым вращением, центробежный дроссельный клапан 122 автоматически открывает отверстие клапана, допуская протекание больших количеств воздуха и топлива, необходимых на повышенных частотах импульсов.

Заряды топлива и воздуха с высокой частотой импульсов, которые воспламеняются согласованным во времени воспламенением воспламенителя 112, вызывают протекание потоков выхлопных газов с детонационными волнами от точки 113 воспламенения в камере 106 сгорания. Потоки выхлопных газов протекают через точку смыкания низкого давления в сужении 142 и сходятся во вторичной точке 144 сжатия высокого давления, из которой они выпускаются как поток гиперзвуковых выхлопных газов под высоким давлением в направлении стрелки 146. Двигатель теперь работает в режиме с наивысшей тягой, возможной с использованием воздуха и топлива в качестве инерциальной массы (и без изменения формы или ориентации камеры 106 сгорания).

Более высокая тяга может быть получена посредством добавления дополнительной массы в камеру 106 сгорания. Как отмечено выше, дополнительная масса предпочтительно представляет собой безопасную массу, такую как вода или инертная суспензия. Продукты дополнительной массы из коллектора 148 впрыска массы впрыскиваются в камеру 106 в результате открытия электромагнитного клапана 1046. расположенного на трубопроводе 150 дополнительной массы. Дополнительная масса впрыскивается в камеру 106 между импульсами и перед воспламенением воспламенителем 112. Поток выхлопных газов автоматически ускоряет дополнительную массу в направлении из камеры 106. Двигатель теперь находится в режиме ультравысокой тяги; т.е. максимальной тяги, которая может быть достигнута с использованием топлива, любой комбинации воздуха и окислителя и добавленной массы для создания тяги в конфигурации и ориентации двигателя.

По мере разрежения атмосферы давление в сборнике 140 впуска воздуха уменьшается и воспринимается датчиком 138 воздушной массы. Воздухозаборник 128 автоматически открывается посредством удлинения линейного исполнительного механизма 136, вызывая поворот воздухозаборника 128 вокруг точки 152 шарнира. Дополнительный объем воздуха повышает давление в сборнике 140, выполняя потребность двигателя в кислороде, пока воздухозаборник 128 не будет открыт до своего самого широкого положения. По мере дальнейшего разрежения атмосферы воздухозаборник не сможет впускать больший поток воздуха. Контроллер компьютера (не показан), подсоединенный к датчику 138 воздушной массы, при определении, что воздухозаборник 128 открыт до своего самого широкого положения и воздух слишком разреженный, вызывает открытие одного или нескольких клапанов 154 подачи окислителя, позволяя окислителю втекать в камеру 106. Хотя клапаны 154 подачи окислителя предпочтительно приводятся в действие контроллером, содержащим процессор, они альтернативно могут быть приведены в действие непосредственно при помощи бесконтактных переключателей, связанных с датчиком 138 воздушной массы и линейным исполнительным механизмом 136. Клапан 154 подачи окислителя позволяет впрыскивать увеличенное количество окислителя в камеру 106 сгорания, если атмосфера становится еще более разреженной.

Когда датчиком 138 воздушной массы не воспринимается воздух или атмосферное давление, двигатель работает в анаэробном режиме, по существу, как космический корабль. Электромагнитный клапан 104с на выхлопном обходном трубопроводе 114 закрывается, вызывая останов вращения турбины 116, компрессора 118, насоса 120 топлива и центробежного дроссельного клапана 122. Аналогично, так как нет доступного воздуха, воздухозаборник 128 закрывается посредством отведения назад линейного исполнительного механизма 136.

Топливо и окислитель подаются непосредственно в камеру 106 сгорания по трубопроводу 102 топлива и трубопроводу 110 окислителя согласованными во времени импульсами электромагнитного клапана 104а, Ь. Все другие операции воспламенения, впрыска массы и выхлопа аналогичны режиму работы с потреблением воздуха.

Когда при снижении двигателя воздух становится доступен, датчик 138 воздушной массы определяет повышенное присутствие воздуха и вызывает открытие воздухозаборника 128, так что снова может иметь место аэробный, или реактивный, режим работы.

Принцип действия с шарнирами и универсальными шарнирами

В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения двигатель с кумулятивным зарядом установлен на шарнирах, так что ориентация камер сгорания может динамически изменяться во время полета. Такая конструкция описана выше с ссылкой на фиг. 3А-С.

Кроме того, двигатель может быть установлен в универсальных шарнирах, позволяя управлять направлением продуктов сгорания. Внешний двигатель установлен с возможностью поворота на воздушно-космическом самолете, так что может направляться поток выхлопных газов. Посредством поворота двигателя и, следовательно, потока выхлопных газов сам двигатель обеспечивает управление по курсу. В альтернативных вариантах выполнения формирующая заряд камера 3 может быть установлена с возможностью поворота, тогда как остальная часть системы приведения в движение и управ ления фиксированная. Еще в другом альтернативном варианте выполнения управление по курсу может быть достигнуто посредством регулировки шарниров Н1, Н2, Н3, Н4 внутреннего и внешнего корпуса асимметричным образом. Таким образом, например, шарниры Н1, Н2 внешнего корпуса могут регулироваться для получения камеры сгорания, имеющей противолежащие стороны, которые находятся в несколько различных ориентациях. Аналогично, например, шарниры Н3, Н4 внутреннего корпуса могут регулироваться для получения сужения, которое несимметрично на противолежащих сторонах. В любой конфигурации поток выхлопных газов будет направлен смещенным от центра, обеспечивая управление по курсу. Использование в качестве импульсного силового привода для других транспортных средств

Хотя двигатель с кумулятивным зарядом настоящего изобретения описан выше как подходящий для применений с потреблением воздуха и без потребления воздуха, он также может быть приспособлен для использования в применениях, в которых воздух всегда доступен. Например, двигатель с кумулятивным зарядом может приводить в движение автомобиль или катер, может быть использован в инструменте или в качестве генератора или может быть использован во многих других применениях, в которых доступен воздух. Обычная конструкция двигателя с кумулятивным зарядом для использования в таких атмосферных условиях изображена на фиг. 6. Воздушно-реактивный двигатель включает в себя одно или несколько отверстий 201 впуска воздуха, ведущих к компрессору 202. Сжатый воздух проходит через отверстия 203 выпуска воздуха в камеру 206 сгорания через отверстия 204 впуска воздуха в двигатель. Топливо от источника топлива (не показан) впрыскивается через топливные форсунки 205.

Аналогичным образом, как описано выше, двигатель включает в себя первичную точку смыкания низкого давления в сужении 207, ведущем ко вторичной точке 208 высокого сжатия, которая создает поток 209 выхлопных газов высокого давления. Смесь топлива и воздуха воспламеняется воспламенителем 212, который изображен в виде свечи зажигания. Приводной двигатель (не показан) подсоединен к приводному валу 215 при помощи шпоночной канавки или шлица 216. В свою очередь, удлинитель 214 привода клапана на приводном валу 215 соединен с вращающимся центробежным дроссельным клапаном, который работает так, как описано выше с ссылкой на фиг. 8.

Основное различие между двигателем с кумулятивным зарядом на фиг. 6 и импульсным реактивным/ракетным двигателем на фиг. 5 заключается во включении в них окислителя и возможности открытия и закрытия воздухозаборников. Во всех других соответствующих отношениях двигатели на фиг. 5 и 6 выполнены и работают аналогичным образом.

Использование в качестве силового привода турбины

Двигатель с кумулятивным зарядом был описан выше как устройство с непосредственным приведением в движение. Альтернативно, поток выхлопных газов с высоким сжатием и большой инерцией может приводить во вращение турбины с фиксированным циклом или свободного вращения, такие как ковшовая турбина или аксиальная турбина. Один пример двигателя с турбиной детонационного цикла изображен в патенте США № 6000214 Скрэгга. Скрэгг описывает ротор турбины, приводимый во вращение от выхлопных отверстий двух камер сгорания на противоположных сторонах ротора. Крутящий момент, создаваемый ускорением и вращением турбины, используется для работы в обычных электрических или механических средствах.

Аналогично, выхлопные газы одного или любого количества двигателей с кумулятивным зарядом могут быть направлены на турбину. Так как двигатель с кумулятивным зарядом настоящего изобретения намного более эффективен, тем не менее, он создает значительно улучшенный двигатель приведения во вращение турбины.

Другие использования кумулятивного заряда

Как описано выше, двигатель с кумулятивным зарядом может быть использован для приведения в движение самолета, предпочтительно включая самолет, который может перемещаться как в атмосферных условиях, так и в космических условиях, или в обоих. Далее, двигатель может быть использован как непосредственный привод выхлопными газами для приведения в движение персонального судна, катера или другого транспортного средства или может быть выполнен для приведения во вращение турбины, приводящей в движение автомобиль, катер, мотоцикл или другие транспортные средства. Кроме того, двигатель может быть использован в качестве носового подруливающего устройства для катеров, судов или подводных лодок.

В дополнение к приведению в движение транспортных средств взрыв или импульс, создаваемый двигателем с кумулятивным зарядом, полезен во многих других применениях. Например, ударные волны, создаваемые двигателем, могут быть использованы для уничтожения подземных грызунов и вредителей или борьбы с насекомыми. Ударная волна одиночного импульса может быть использована в противолавинных мероприятиях для того, чтобы инициировать движение потенциальной лавины, исключая необходимость артиллерии или взрывчатых веществ.

Кумулятивный заряд также может быть использован для многочисленных целей разру шения. Например, он может быть использован в качестве камнедробилки, для разрушения зданий, для раздробления скальных пород в горном деле, для опробования и разрушения бетона или для удаления льда с судов, мостов или дорог. Кроме того, кумулятивный заряд может иметь военные применения в качестве мины, которая является мощной и допускающей многократное использование. Материал, идеально, фрагментируется в результате направления на него одной или нескольких ударных волн. Кроме того, устройства разрушения, выполненные с использованием настоящего изобретения, касающегося кумулятивного заряда, могут быть восстановлены и использованы повторно в отличие от обычных устройств разрушения.

Может быть создано большое количество инструментов с использованием двигателя с кумулятивным зарядом настоящего изобретения. Например, огромные создаваемые ударные волны могут быть использованы в качестве пневматического бурильного молотка или другого ударного инструмента или могут быть сфокусированы для получения устройств резки и гравирования. Горячая краска, вспененный материал или металл могут разбрызгиваться в альтернативном варианте выполнения настоящего изобретения, в котором краска, вспененный материал или металл используются в качестве дополнительной массы, вспрыскиваемой в камеру сгорания после воспламенения. Точно сфокусированные и направленные кумулятивные заряды также могут быть использованы в удалении веток деревьев или сорняков. Кроме того, горячие мощные взрывы могут быть использованы в качестве горелки (такой как печь или котел) или для удаления снега с проезжей части, плоских крыш или других мест. Кроме того, горячие выхлопные газы под высоким давлением могут быть использованы для удаления краски, лака и аналогичных покрытий.

В других применениях одиночный импульс создает мгновенный нагрев и давление для формования металла перепадом давления без необходимости предварительного нагрева металла и без использования компрессоров и других устройств хранения давления. Аналогично, импульсы могут быть использованы для формования материалов посредством устройств непосредственной инжекции.

В результате размещения снаряда в потоке выхлопных газов двигатель с кумулятивным зарядом может быть использован в качестве высокоскоростной пушки. Предпочтительно, чтобы ствол пушки или аналогичная пусковая труба отходили от выхлопного отверстия так, чтобы поток выхлопных газов приводил в движение снаряд по управляемому прямолинейному пути.

В замкнутой системе двигатель с кумулятивным зарядом может быть использован для создания и поддержания давления, регулирова ния величины и частоты подачи импульсов для управления давлением. Альтернативно, в случае выполнения для приведения во вращение турбины двигатель с кумулятивным зарядом может образовывать генератор для выработки электричества.

Результаты действующих вариантов выполнения

Как описано выше, последовательное введение и воспламенение многочисленных зарядов горючей смеси в полую формирующую заряд камеру образует детонацию импульсным образом. Интенсивность импульса и/или частота динамически управляются во время работы посредством изменения количества и частоты введения и воспламенения последовательных зарядов горючей смеси. Испытания действующего варианта выполнения, использующего импульсную работу потока гиперзвуковых выхлопных газов, показывают, что возможны рабочие циклы с частотой свыше 100 Гц и скоростью выхлопных газов до 30000 футов/с. Таким образом, возможно независимое изменение от слабых до мощных импульсов и от медленных до частых импульсов.

В импульсном реактивном или ракетном двигателе для летательных аппаратов скорости выхлопных газов, более высокие, чем возможные с обычными газотурбинными или ракетными двигателями, допускают более легкие и с меньшими размерами приводы с меньшим количеством подвижных частей, в то же самое время потенциально исключая турбинные лопатки, компрессоры и выхлопные сопла. Импульсный поток гиперзвуковых выхлопных газов также понижает требования к охлаждению двигателя в результате обеспечения импульсной, а не непрерывной работы. Быстрое сгорание и детонация способствуют охлаждению двигателя посредством быстрого преобразования химической энергии горючей смеси в высокое давление с малым рассеянием теплоты. Это полное сгорание также дает возможность получить более высокую эффективность двигателя и меньший расход топлива на фунт создаваемой тяги.

Действующий вариант выполнения настоящего изобретения был выполнен и испытан по сравнению с большим количеством других двигателей, демонстрируя более высокие результаты. Двигатель, способный развивать мощность 200 л.с., выполненный в соответствии с патентом США № 6000214 Скрэгга, весит примерно 262 фунта и может создавать 0,76 л.с. на фунт массы двигателя. Действующий вариант выполнения настоящего изобретения, который может развивать более 200 л.с., весит только 70 фунтов и создает 2,86 л.с./фунт. Двигатель с кумулятивным зарядом также во много раз меньше, имеет камеру сгорания объемом 18 куб.дюймов по сравнению с 560 куб.дюймами двигателя Скрэгга.

Преимущества по сравнению с бензиновым, дизельным двигателями и двигателем с циклом Брайтона также существенные. В сравнении с вышеописанным действующим вариантом выполнения мощностью 200 л.с., эквивалентные бензиновый, дизельный двигатели и двигатель Брайтона мощностью 200 л. с. могут получить только 0,40, 0,22 и 1,0 л.с./фунт соответственно и весят примерно 500, 900 и 200 фунтов. Следовательно, двигатель в соответствии с настоящим изобретением значительно более мощный при существенно меньшем размере и меньшей массе, чем известные двигатели.

Хотя был изображен и описан предпочтительный вариант выполнения изобретения, могут быть выполнены многие изменения в пределах сущности и объема изобретения. Следовательно, объем изобретения не ограничивается описанием предпочтительного варианта выполнения. Объем изобретения, вместо этого, должен определяться исключительно со ссылкой на прилагаемую формулу изобретения.

Claims (12)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Двигатель с кумулятивным зарядом, содержащий внутренний корпус;

   внешний корпус, соединенный с внутренним корпусом для образования формирующей заряд камеры;

   множество топливных форсунок, предназначенных для впрыска топлива в камеру, в основном, в диаметрально противоположных положениях; и центральное отверстие в формирующей заряд камере между внутренним и внешним корпусами, образующее первичную зону схождения;

   посредством чего выхлопные газы, перемещающиеся через первичную зону схождения, в основном, из противоположных положений, сталкиваются во вторичной зоне схождения, по существу, в центре двигателя с кумулятивным зарядом и создают гиперзвуковые выхлопные газы.
2. 2. Двигатель с кумулятивным зарядом по п.1, в котором внутренний корпус имеет, по существу, кольцевую форму и включает в себя, по существу, конический выпуклый выступ, который вместе с внешним корпусом образует первичную зону схождения.
3. 3. Двигатель с кумулятивным зарядом по п.1, в котором внешний корпус имеет, по существу, куполообразную форму.
4. 4. Двигатель с кумулятивным зарядом по п.1, в котором внутренний и внешний корпуса, выполненные с некруглой, многоугольной формой поперечного сечения, в направлении, ортогональном направлению выхлопных газов.
5. 5. Двигатель с кумулятивным зарядом по п.1, в котором формирующая заряд камера состоит из множества, в основном, противоположно направленных вспомогательных камер, каждая из которых включает в себя топливную форсунку и воспламенитель.
6. 6. Двигатель с кумулятивным зарядом по п.5, в котором, в основном, противоположно направленные вспомогательные камеры имеют возможность поворачиваться вблизи вершины внешнего корпуса, позволяя изменять ориентацию вспомогательных камер от положения, которое направляет продукты начальных выхлопных газов в направлении под тупым углом к направлению окончательного выхлопа, до положения, которое направляет продукты начальных выхлопных газов в направлении под острым углом к направлению окончательного выхлопа.
7. 7. Двигатель с кумулятивным зарядом по п.6, в котором внутренние корпуса вспомогательных камер дополнительно содержат выступы, присоединенные с возможностью регулировки к внутреннему корпусу, так что выступы могут перемещаться по направлению к внешнему корпусу или от него для уменьшения или увеличения размера точки смыкания, определяющей первичную зону схождения.
8. 8. Двигатель с кумулятивным зарядом по п.1, дополнительно содержащий множество воспламенителей, входящих, по меньшей мере частично, в камеру, и источник кислорода, посредством чего искра или пламя воспламенителей вызывает воспламенение топлива.
9. 9. Двигатель с кумулятивным зарядом по п.8, дополнительно содержащий форсунку массы, выступающую, по меньшей мере частично, в камеру и соединенную с источником массы, причем форсунка массы предназначена для впрыска массы в камеру после воспламенения топлива.
10. 10. Двигатель с кумулятивным зарядом по п.8, в котором масса содержит воду.
11. 11. Двигатель с кумулятивным зарядом по п.9, в котором источник кислорода содержит отдельные источники воздуха и окислителя.
12. 12. Двигатель с кумулятивным зарядом по п.11, дополнительно содержащий датчик для определения доступного присутствия воздушной массы и контроллер в связи с датчиком для регулировки подачи кислорода в камеру от смеси с одним воздухом до смеси с одним окислителем или смеси воздуха и окислителя.