JP6965241B2 - 高速適用例を容易にする指向性エネルギー堆積 - Google Patents
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Description
本出願は、(1)2016年6月17日に出願の国際出願PCT/US2016/038239号;(2)2016年6月17日に出願の米国特許出願15/186,337号;及び(3)2015年6月18日出願の米国仮特許出願第62/181,625号の優先権の恩典を請求する。前述の関連出願の全ては、それらの全容が、引用により本明細書中に組み込まれる。
多数の適用例、例えば、数ある中で特に、流れの制御、抵抗の低減、及び移動体の制御において劇的な効果を達成するために、エネルギー堆積技術が過去に開示されている。エネルギー堆積の大きな利点の研究では、変更を行わないときにエネルギー堆積から得られる利点を高めるために、エネルギーをどのように及び/又はいつ堆積させるかについてのいくつかの変更を行うことができる。1つのこのような変更は、エネルギー堆積と1つ以上の他のプロセスとの効果を同期させる、「時間調整する」、又は「整相する」ために、更なる利点を達成する又は目的の効果を最大化するために、エネルギー堆積をこのような他のプロセスに適合させることである(用語「同期させる」、「時間調整する」、又は「整相する」は、事象又はプロセスを1つ以上の他の事象及び/又はプロセスに対して時間調整することを示すために互いに同義的に使用することができる)。このような事象及び/又はプロセスとしては、限定されるものではないが:数ある中で特に、推進プロセス;流体力学的プロセス;化学的プロセス;特定の運動;更なるエネルギーの注入、追加、及び/又は堆積;更なる材料の注入、追加、及び/又は堆積;エネルギーの除去;材料の除去;圧力変化;1つ以上の力の適用;燃焼プロセス;点火プロセス;爆発プロセスが挙げられる。更に、エネルギー堆積の概念は、媒体にエネルギーを加える又は媒体の加熱をもたらすあらゆるプロセスを含むと広く解釈される。この加熱又はエネルギー堆積は、媒体の音速よりも速く該媒体の膨張をもたらし、結果として、元の媒体よりも密度の低い領域が膨張後に残るように十分に迅速に(例えば、瞬間的に)行うことができる。別の可能性は、加熱をもたらすエネルギー堆積及び/又はプロセスが、媒体中の位相変化を生じさせることができ、これにより、該加熱された1つ又は複数の媒体の密度及び/又は他の特性、例えば、特に、粘度及び/又は強度を変更できることである。特に、密度、粘度、及び/又は強度を含む、1つ又は複数の媒体のこれらの変化は、該1つ又は複数の媒体の流れ特性の変更、並びに該影響を受けた媒体の他の特性及び応答の変更をもたらし得る。
その開設以来、PM & AM Research社は、特に、万物がどのように飛行し、高速の流れを制御するか、本発明者らが、どのように高亜音速領域から極超音速領域にわたる高速飛行及び流れの制御を行うかを変革するために広範囲のエネルギー堆積の適用例を開拓してきた。この新規なアプローチによって開拓された多数の可能性の直観的感覚を提供するいくつかの適用例が存在する。基本的な効果は、本発明者らが高速/高圧ガスを流したい領域からガスを急速に膨張させるための本発明者らのアプローチから生じる。(ある程度の想像力と自由を必要とする)単なる例として、発射体を直接水中で発射させて一側から他側に移動させる場合、又は最初に紅海を「分離」させて、次いで同じ銃弾を発射させて水を含まない経路の中を移動させる場合の、発射体を高速で紅海を横断させようとする際の有効性の違いを考えてみる(図1)。
特定の実施態様は、例えば、流体中を通る物体を推進する方法を提供することができ、該方法は:(i)流体の一部を瞬間的に加熱して、より高い密度領域に囲まれたより低い密度領域を形成するステップであって、該より高い密度領域が、該流体の加熱部分の少なくともほんの一部を含む、該ステップ;(ii)該物体の少なくとも一部を該より低い密度領域の中に誘導するステップ;同期させて(iii)該物体を推進するパルス推進ユニットで反応物を爆発させるステップを含む。特定の実施態様では、例えば、ステップ(i)〜(iii)を、例えば、0.1 Hz〜100 kHzのレートで繰り返す、例えば、1 Hz〜80 kHz、10 Hz〜50 kHz、100 Hz〜20 kHz、1〜10 kHz、5〜10 kHz、10〜25 kHz、25〜50 kHzのレートで繰り返す、又は50〜100 kHzのレートで繰り返すことができる。
本発明者らのエネルギー堆積アプローチの背景にある基本概念は、本発明者らは、空気の中に急速に(瞬間的に)エネルギーを堆積させることによって空気の密度を再配分する/形を変える(sculpt)ことができることである。空気を効果的に「分離する」ためには、(例えば、数ある技術の中でも特に、短レーザーパルス又はマイクロ波パルス、及び/又は放電の形態で)ガスが膨張し得るよりも遥かに速く空気にエネルギーを堆積させなければならないことに留意することが重要である。ガスが加熱されるときに該ガスが伝播させるあらゆる加熱は、たとえ非常に高温を用いたとしても、本発明者らが本明細書で記載する非常に有効な結果をもたらさない。一般に、「急な」/「瞬間的な」加熱プロセスは、「パチンという音」又は「バンという音」を発生させる。
・通常の飛行では、強い弧状衝撃波及び関連したソニックブームが存在するが、低密度「チューブ」を通る飛行は、弧状衝撃波及び関連したソニックブームの両方を著しく軽減する;
・通常の飛行では、円錐体によって横方向及び前方に加速されるガスが、円錐体の底部の低圧/低密度領域から離れるが、該ガスは、エネルギーを堆積させて低密度「チューブ」を形成することによって円錐体の前方から横方向に移動する場合は、該「チューブ」の周囲の蓄積されたガスが、円錐体の後ろで再循環し、該底部を再加圧する役割を果たす;
・この再加圧された底部は、底部の抵抗を軽減する;
・該底部での著しく高いガス密度は、推進生成物(propulsion product)のあるレベルの閉じ込めも提供することができ、これは、排気システムの推進有効性を大いに高めることができ、かつその有効な衝撃を多数倍増大させる。これは、通常は低密度かつ低圧の底部領域に閉じ込められない高圧生成物の単純な排気を有することに対して、再循環大気ガスが、推進生成物の後退を防止してより長い時間にわたってそれらの高圧を利用することによるものである。
多数の有益な動力学を考慮すると、本明細書で説明される実施態様は、効率を改善して、様々なステップ/プロセスの共生効果/利点を利用/同期するために柔軟に適用することができる。これは、特に、長さスケール、点火、空気燃料比、タイミング、繰り返し率、化学的プロセス、放電、レーザーパルス、マイクロ波パルス、電子ビーム、弁調節/絞りを含む多数の可能なパラメーターの最適化を伴い得る。いくつかの実施態様は、以下を含む:
・レーザー発射:レーザー発射の適用例では、一実施態様は、後ろを向いた光学部品によって推進レーザー光の焦点を合わせ直してガス又はアブレーション生成物を加熱及び膨張させて該打上げ機の後端部から押し出す、打上げ機の後端部で発射する、推進源としての1つ以上の地上レーザーを伴う。レーザーシステム及び打ち上げ機を:
−いくらかのレーザーエネルギーを移動体の前方に堆積させて、低密度「チューブ」を開いて抵抗を低減することを可能にし;
−移動体本体をサイズ調整し、内部経路をスロットル調整して、駆動レーザーパルス(複数可)によって十分な推進空気を加熱することを可能にし;
−該移動体の前方の調節されたガスを周りに流して、推進ガスをより効率的に押すことができる高密度逆転防止装置を形成するように、該移動体本体をサイズ調整し;
−次のレーザーパルスがプロセスを繰り返す前に、駆動レーザーパルスを送達して該移動体が該低密度「チューブ」及び推進する押圧を十分に利用できるように設計する。
・PDE/化学レージング/パルスパワー:このタイプのシステムは、上に列記されたように同じタイプの整相/タイミングの最適化の検討を必要とする。しかしながら、この場合、駆動エネルギーは、該移動体の内部で起こる一連のパルス化学デトネーションである。このデトネーションのタイミングは、適切に時間が調整された弁調節及び点火によって制御することができ、かつ該デトネーションは、上流のエネルギーを堆積させるために必要なプロセスを実際に推進することができる。
・産業及び輸送の適用例:これらの場合には、上の適用例でのように同様のタイミング及びシステムの最適化を適用して、異なる推進力、例えば、電気推進力、及び磁気浮揚の更なる潜在的な検討によって所望のレベルの整相を達成することができる。時間を調整/同期して、最適な流体の流れを保障するだけではなく、エネルギーの量も低減できる各要素が、搭載システム、例えば、推進及び浮揚システムに使用される。
Eo=5.34×po×(r)2
Ith≒(ω2+νeff 2)×(τp×νeff)-1
式中、νeffは、電子とガス粒子との間の運動量移行の有効レートであり(ガス圧に比例する);ωは、レーザー周波数であり;τpは、パルス幅である。Ithが、より低いレーザー周波数、より高い圧力、及びより長いパルス長で低くなることは明らかである。
P×τp<10-7(Torr×s)
式中、ωoは、ビームウエスト(最小の焦点スポット幅)であり、fは、レンズの焦点距離であり、dは、レンズの直径であり、そしてλは、レーザー波長である。f=1 m及び1.5 mのレンズを使用すると、数cmの延長された経路をイオン化することが可能である。レンズのf/#を低減するために負の光学素子(negative optics)を使用して、2×zR=24 cmの長さのイオン化経路を得ることが可能であった。
表1:概念的適用例の基本的な時間スケール
超短パルスレーザーは、約1013〜1016 e-/ccのプラズマ密度でフィラメントを形成する
a. 光の速さ:(3×108 m/秒)→1フィート/ナノ秒(30.48 cm/ナノ秒)
電子が再結合する:エネルギー(すなわち、熱)をガスに移動させる
b. プラズマが約10ナノ秒(最大100ナノ秒)で再結合する
小型低密度通路を開く(放電を可能にする)
c. 数十ナノ秒で開く(100マイクロ秒〜1ミリ秒にわたる熱拡散により破壊が始まる)
放電を発生させる
d. 106〜107 m/秒→10フィート/マイクロ秒(304.8 cm/ナノ秒)
放電が数マイクロ秒持続する
e. 電流を流して、ガスをオーム加熱する(線形の稲妻)
大型低密度通路を開く
f. 数十マイクロ秒〜数百マイクロ秒(数十ミリ秒後の熱浮力による破壊、これにより、1 km/秒で移動する移動体の数十メートルにわたる低抵抗の伝播が可能となる)
この全プロセスの総時間は、大きいチューブを開く時間(約100マイクロ秒)にほぼ等しい
g. 飛行速度と比較して十分に速い(1〜3 km/秒で移動する移動体は、大きいチューブを開くためにかかる時間で10〜30 cmしか移動せず、該移動体は、該チューブを通って数十ミリ秒の間に数十メートル移動できる)
以前の開示では、低密度チューブを通って移動する移動体の動力学が開示され、該移動体が該低密度チューブに入るときに開始するパルス効果が実証されている。この効果は、特定の期間にわたって持続し、その期間は、低密度チューブの長さ及び移動体の速度にある程度依存する。図14A〜図14Dは、連続して順番に並べられ、それぞれのおよその相対時間が差し込み図の抵抗トレースに区切られている。留意するべき動力学の1つの側面は、円錐型の概念的移動体が、エネルギーの堆積された線によって形成された低密度チューブを取り囲んでいる空気のより高い密度のシースを通過するときに、該概念的移動体の抵抗が僅かに上昇することである。このより高い密度のシースは、低密度チューブを希薄化するために円筒状に外側に押し出されたガスを含む。移動体は、チューブの低密度部分に進入すると、大幅に低減された抵抗に遭遇する。時間Dでは、移動体は、チューブの最初の長さを横断しており、抵抗曲線から明らかなように、定常状態の流れの条件を再確立するために追加の時間が必要である。留意するべき更なる点は、移動体の低密度チューブ通過中の弧状衝撃波及び関連する遠距離場のソニックブームの一見した完全な除去である。
本件出願は、以下の構成の発明を提供する。
(構成1)
横糸及びスパンを有する間欠エアジェット製織機を運転して織物を製造する方法であって:エネルギーを堆積させて、該横糸が該スパンを通過するための低密度誘導経路を形成するステップを含む、前記方法。
(構成2)
エネルギーを堆積させるステップが、直径1 mmの横糸につき誘導経路10 cm当たり5〜50 mJを堆積させることを含む、構成1記載の方法。
(構成3)
前記横糸が、0.1〜1 mmの直径を有する、構成1又は2記載の方法。
(構成4)
前記横糸が、100〜500 m/秒の速度で前記誘導経路を通過する、構成1〜3のいずれか一項記載の方法。
(構成5)
前記織物が、500〜60,000ピック/分のレートで形成される、構成1〜4のいずれか一項記載の方法。
(構成6)
前記誘導経路が円筒である、構成1〜5のいずれか一項記載の方法。
(構成7)
前記横糸を、高圧空気の噴流によって前記低密度誘導経路内を前進させるステップを更に含む、構成1〜6のいずれか一項記載の方法。
(構成8)
前記高圧空気の噴流が、前記エネルギー堆積と同期される、構成7記載の方法。
(構成9)
前記低密度誘導経路が、前記高圧空気の噴流の下流に形成される、構成7又は8記載の方法。
(構成10)
エネルギーの更なる部分が、ブースター空気の供給の下流に堆積されて更なる低密度誘導経路が形成される、構成1〜9のいずれか一項記載の方法。
(構成11)
前記横糸が、多量の水で湿潤される、構成1〜10のいずれか一項記載の方法。
(構成12)
前記多量の水の少なくとも一部が、前記低密度誘導経路で気化される、構成11記載の方法。
(構成13)
織物を製造するように構成された間欠エアジェット製織機であって:
(i)スレーに取り付けられた複数の変形おさを備え、経糸杼口を形成するように構成された装置;
(ii)前記経糸杼口にわたって低密度誘導経路を形成するように構成された指向性エネルギー堆積アセンブリ;及び
(iii)横糸の一部を前記低密度誘導経路内を前進させるように構成された、加圧空気の供給に連通した横糸ノズルを備える、前記製織機。
(構成14)
前記経糸杼口が、3〜30 mの長さである、構成13記載の製織機。
(構成15)
エア織機を改良する方法であって:指向性エネルギー堆積サブアセンブリを装着するステップを含み、該サブアセンブリが、該織機のヤーンディスペンスノズルを該織機の反対側に配置された電極に接続し、かつ複数の変形おさの外形部を通過する経路にエネルギーを堆積させるように構成されている、前記方法。
Claims (19)
- 横糸及びスパンを有する間欠エアジェット製織機を媒体において運転して織物を製造する方法であって:
i)該媒体の一部の密度を低下させて、該スパンを通る低密度誘導経路を形成するステップであって、該媒体に電磁エネルギーを堆積させることを含む、前記ステップ;及び
ii)該横糸を該低密度誘導経路に通すステップ
を含む、前記方法。 - エネルギーを堆積させるステップが、直径1 mmの横糸につき誘導経路10 cm当たり5〜50 mJを堆積させることを含む、請求項1記載の方法。
- 前記横糸が、0.1〜1 mmの直径を有する、請求項1記載の方法。
- 前記横糸が、100〜500 m/秒の速度で前記低密度誘導経路を通過する、請求項1記載の方法。
- 前記織物が、500〜60,000ピック/分のレートで形成される、請求項1記載の方法。
- 前記低密度誘導経路が円筒である、請求項1記載の方法。
- 前記横糸を、高圧空気の噴流によって前記低密度誘導経路内を前進させるステップを更に含む、請求項1記載の方法。
- 前記高圧空気の噴流が、前記エネルギー堆積と同期される、請求項7記載の方法。
- 前記低密度誘導経路が、前記高圧空気の噴流の下流に形成される、請求項7記載の方法。
- 更なるエネルギーが、ブースター空気の供給の下流に堆積されて更なる低密度誘導経路が形成される、請求項1記載の方法。
- 前記横糸が、多量の水で湿潤される、請求項1記載の方法。
- 前記多量の水の少なくとも一部が、前記低密度誘導経路で気化される、請求項11記載の方法。
- 織物を製造するように構成された間欠エアジェット製織機であって:
(i)スレーに取り付けられた複数の変形おさを備え、経糸杼口を形成するように構成された装置;
(ii)前記経糸杼口にわたって低密度誘導経路を形成するように構成された指向性電磁エネルギー堆積アセンブリ;及び
(iii)横糸の一部を前記低密度誘導経路内を前進させるように構成された、加圧空気の供給に連通した横糸ノズルを備える、前記製織機。 - 前記経糸杼口が、3〜30 mの長さである、請求項13記載の製織機。
- 前記電磁エネルギーが電気エネルギーを含む、請求項1記載の方法。
- 前記電磁エネルギーが少なくとも1つのレーザービームを含む、請求項1記載の方法。
- 前記電磁エネルギーが、前記媒体にパルスされる、請求項1記載の方法。
- 前記電磁エネルギーのパルスのタイミングを前記ジェット製織機の運転と同期させることをさらに含む、請求項17記載の方法。
- 前記堆積された電磁エネルギーが前記媒体において衝撃波を生成することをさらに含む、請求項1記載の方法。
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