KR20030025908A

KR20030025908A - 쉐입드 차지 엔진

Info

Publication number: KR20030025908A
Application number: KR1020027011503A
Authority: KR
Inventors: 로니제이. 던컨
Original assignee: 새들 락 테크놀러지 엘엘씨
Priority date: 2000-03-02
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2003-03-29
Also published as: BR0108902A; MXPA02008619A; US20040134184A1; EA004390B1; US6430919B1; CA2401759A1; EA200200936A1; US6658838B2; CN1522339A; EP1264100A4; EP1264100A1; AU2001274804A1; US20030046920A1; JP2004500515A; WO2001065103A1

Abstract

쉐입드 차지 엔진(shaped charge engine)은 내부 하우징(1)과 외부 하우징(2)을 결합함으로써 형성된 환상 폭파-성형 챔버(blast-forming chamber)(3)를 포함한다. 내부 하우징의 중앙 관통공은 배기 가스를 배출시킨다. 외부 하우징은 내부 원뿔 볼록 디프레션(depression)과 연료와 점화의 삽입을 위한 관통공을 갖는 일반적으로 둥근 디스크를 포함한다. 폭파 챔버는 바람직하게 베이스에서 더 넓고, 정점으로 올라갈수록 단면적이 점차 감소하는 테이퍼-원뿔 형태이다. 이와 같은 구조는 원형 핀치 포인트(pinch point) 또는 제1압축영역을 생성하는 정점을 향하는 스로트를 형성한다. 제2압축영역은 스로트 바로 넘어 외부 하우징의 정점에서 발생되고, 일반적으로 대향하는 배출 스트림이 충돌하고 내부 하우징의 관통공을 빠져나감에 따라 극초음속 가스를 생성시킨다. 쉐입드 차지 엔진은 펄스 다이렉트 추진 장치와 터빈 드라이버를 포함하는 다양한 어플리케이션(applications)에서 사용되거나, 또는 광범위한 툴과 어플리케이션에서 사용될 수 있다.

Description

쉐입드 차지 엔진{SHAPED CHARGE ENGINE}

제트 엔진과 로켓 엔진과 같은 추진 장치에 있어서, 추진 스러스트는 고속력 배기 유동에 의해 얻어진다. 통상의 제트 엔진은 연료와 공기의 연소 생성물에 의해 고속력 배기를 얻는 반면에, 로켓 엔진은 연료와 산화제의 내연 생성물에 의해 고속력 배기를 얻는다. 고압 연소 생성물은 제한 오리피스 또는 노즐을 통하여 고속력 배기 유동을 얻는다.

몇 가지 문제점이 종래 시스템에 있다. 제트 엔진과 로켓 엔진 둘 다의 연소는 반드시 극히 높은 내부 압력을 포함하고, 따라서 구조 재료 강도에 제한을 받는다. 내연 압력이 증가함에 따라, 연소실 벽의 두께는 이 압력을 포함하도록 증가하고, 연소실 중량은 비례적으로 증가하여 설계에 제한을 받는다. 또한, 배기 노즐 직경이 배기 속력을 증가하도록 감소됨에 따라, 엔진과 노즐의 냉각이 더욱 더 어렵게 된다. 게다가, 펄스 엔진은 짧은 시간 동안에 연소 생성물을 소거할 수 없고, 따라서, 연소 속력에 제한을 받는다.

더욱이, 연소실의 내부 압력이 증가함에 따라, 연료와 산화제 입구 압력은, 연소실로 연료와 산화제를 도입하도록 더 높은 압력을 요구하고, 더 높은 호스파워에서 작동하는 중량이 큰 펌프를 요구한다. 현재 엔진에서 전술한 제한의 한가지 예가 2개의 메인 상공간 셔틀 엔진에 도시되어 있다. 이 엔진은 연료와 산화제 펌프만을 구동시키기 위해 108,400호스파워(hp)를 요구한다. 입구 압력은, 연소실-노즐비 77대 1에 대해 단지 3,260psi의 내연 연소실 압력을 얻기 위하여 6,800psi(pound/in²)을 초과한다.

셔틀과 다른 로켓에서 발생한 거대한 연소 기둥은 배기 노즐을 나오기 전에 연료와 산화제의 불완전 연소에 기인한다. 엔진 외부에서의 연료와 산화제 점화는 실질적으로 스러스트를 제공하지 않고, 결국 소비된다. 위에서 언급한 셔틀 엔진 예는 해수면에서 418,000파운드를 얻기 위해 시간당 연료와 산화제의 2,000파운드를 요구한다. 게다가, 현재 엔진의 연속 점화는 엔진 부품, 특히 노즐 오리피스로 높은 열을 전달하기 때문에, 높은 열전달은 엔진 구조를 보호하기 위하여 고가의 외국 재료의 사용과 복잡한 냉각 구조를 요구한다.

엔진 설계를 향상시키기 위한 종래의 노력은 노즐을 포함하는 다양한 구성부품에 초점이 맞추어진다. 예컨대, "멀티-튜브 폭발 엔진용 배기 노즐(Exhaust Nozzle for Multi-Tube Detonative Engines)"의 제목 하에, 브래코비치(Bratkovich) 등에 의한 미국 특허 제6,003,301호에는 멀티 연소실 튜브를 갖는 엔진과 연소실 튜브와 통하는 공동 프레넘(common plenum)에서의 노즐의사용을 제안하고 있다. 따라서, 브래코비츠 등은, 공동 프레넘과 복합 유동 스로트(throat)는 팽창 섹션을 나오는 하류 압력에도 불구하고 미리 설정된 상류 연소실 압력을 유지하도록 함께 작용한다.

종래 기술은 추진 장치의 많을 양상을 다루고 있지만, 제트 엔진 또는 로켓 엔진에서의 쉐입드 차지의 사용을 제안하고 있지 않다. 쉐입드 차지는 일반적으로 특정 방향에서 폭발력을 집중시키는 방법으로 형상을 만드는 작약으로 정의된다. 쉐입드 차지를 지지하는 일반 이론이 수년 동안 공지되어 있지만, 종래 기술은 탄두와 어떤 다른 팽창 가능한 폭발 장치에서 쉐입드 차지의 사용을 제한하고 있다. 전형적인 탄두에 있어서, 쉐입드 차지는 충돌 전 또는 실질적으로 동시에 점화에 의해, 탄두가 진행하는 방향에서 폭발력이 앞으로 향한다. 고도로 집중된 힘은 싸고 가벼운 철갑관통장치를 만드는데 사용될 수 있다. 쉐입드 차지 장치의 예가 "탑에서 탱크 파괴용 대전차 무기(Antitank Weapon for Combating a Tank From The Top)"의 제목 하에, 그로스웬트(Grosswent) 등에 의한 미국 특허 제5,275,355호와, "강력 램제트, 철갑관통, 고폭발 발사(Ramjet Powered, Armor Piericing, Hihg Explosive Projectile)"의 제목 하에, 브랜돈(Brandon) 등에 의한 미국 특허 제5,363,766호에 개시되어 있다.

마찬가지로, 터빈을 구동하도록 구현된 현재의 엔진은 쉐입드 차지 엔진을 사용하지 않는다. 펄스 터빈 엔진의 한 예가 "간헐적 연료와 공기 이송을 갖는 폭발 사이클 가스 터빈 엔진 시스템(Detonation Cycle Gas Turbine Engine System Having Intermittent Fuel and Air Delivery)"의 제목 하에, 스크래그(Scragg) 등에 의한 미국 특허 제6,000,214호에 공지되어 있다. 스크래그는 하우징 내에 터빈 로우터를 포함하는 폭발 사이클 가스 터빈 엔진을 가르치고 있다. 밸브가 없는 연소실은 터빈 블레이드를 향해 연소 가스를 향하게 하도록 로우터의 어느 한 사이드에 위치되어 있다. 2개의 연소실은 터빈을 사이클적으로 구동시키기 위하여 연료와 산화제의 혼합물을 교대로 점화시킨다. 스크래그가 유용한 엔진을 공지하는 반면, 엔진 중량 단위 당 호스파워와 다른 성능 파라미터가 크게 향상되고 있다. 예컨대, 200hp를 전달하도록 구성된 스크래그 장치는 560in³연소실을 요구하고, 무게가 262파운드인 반면, 본 발명에서와 같은 쉐입드 차지를 사용하는 200hp 엔진은 연소실이 단지 18in³의 연소실을 요구하고 무게는 단지 70lbs이다.

따라서, 종래 기술 장치보다 실질적으로 개선된 성능을 제공하는 쉐입드 차지 추진 장치를 필요로 한다.

본 발명은 펄스 극초음속 압축파에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스러스트(thrust)를 발생시키기 위하여 펄스 극초음속 압축파를 사용한 쉐입드 차지(shaped charge) 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 형성된 폭파-성형 챔버를 포함하는 쉐입드 차지 엔진의 단면도.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따라 형성된 폭파-성형 챔버의 몇 가지 대표적 형태를 도시한 단면도.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따라 형성된 폭파-성형 챔버의 몇 가지 대표적 배열을 도시한 단면도.

도 4는 본 발명에 따라 형성된 엔진의 스로트에 대한 2가지 교체 구성을 도시한 단면도.

도 5는 본 발명에 따라 형성된 스위칭 가능한 제트 엔진과 로케 엔진을 도시한 도.

도 6은 본 발명에 따라 형성된 펄스 드라이버 엔진을 도시한 도.

도 7a는 본 발명에 따라 형성된 로터리 원심 스로틀 밸브를 도시한 측면도.

도 7b는 본 발명에 따라 형성된 로터리 원심 스로틀 밸브를 도시한 평면도.

본 발명은 종래 기술의 많은 제한을 극복한 쉐입드 차지 엔진을 제공한다. 이 장치는 폭파-성형 챔버(blasting-forming chamber)의 내부 벽을 형성하는 원뿔 볼록 프로젝션(projection)을 갖는 내부 환상 작약 성형 하우징을 포함하는 폭파-성형 챔버를 구비한다. 배기 가스를 배출하기 위하여 중앙 관통공이 제공된다. 외부 하우징은 내부 원뿔 오목 디프레션(depression)과 연료와 점화기의 삽입용 관통공을 포함한다. 이 2개의 하우징은 용접 또는 볼트와 같은 통상의 수단에 의해 결합된다. 2개의 챔버를 결합함으로써 형성된 최종 챔버는 테이퍼-원뿔 형상이고, 베이스에 대해 폭이 넓어, 정점으로 올라갈수록 단면적이 점차 감소한다. 이 구조는 첫 또는 제1단계 압축 영역을 형성하는 정점을 향해 서큐러 핀치 포인트(circular pinch point) 또는 스로트를 형성한다. 제2압축 영역은 스로트 바로 넘어, 외부 하우징의 정점에서 발생된다. 극초음속 가스는 내부 하우징의 관통공을 통해 빠져나간다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 방향이 지시된 스러스트가 주변 베이스 영역에서 시작하고 원뿔 형상의 정점에 인접한 첫 압축영역을 형성하는 테이퍼진 원뿔 형상으로 유도된 구속 연소(contained burn)를 사용한 펄스 방식으로 형성된다. 압축된 연소는 그 후 테이퍼진 원뿔 형상의 정점을 지속하고, 고속력 수렴 또는 배기 전 제2압축 영역을 발생시킨다. 이러한 구조는 챔버 내에서 보다 완전 점화를 제공하고, 엔진을 나가기 전에 많은 에너지를 획득함으로써 효율성을 향상시킨다. 또한, 연소 생성물이 보다 빨리 제1 연소실로 빠져나가도록 허용하여, 배기 생성물을 압축하지 않음으로써 높은 압축 배기 유동을 내부적으로 최종 속도로 유지시키면서 더 높은 연소 펄스 비율을 허용한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 엔진은, 적당한 때 엔진에서 공기 또는 산화제를 선택적으로 소비할 수 있도록, 주변공기밀도를 결정하기 위한 센서를 포함한다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 가솔린, 아세틸렌, 부탄, 프로판, 천연가스 및 디젤 오일과 같은 값싼 종래 연료가 공기 또는 산화제와 혼합된 가연성 혼합물이 점화 사이클을 조정하도록 일련의 유도 사이클 사이에서 확실한 발사를 허용하는 방식으로 중공 폭파-성형(hollow blasting-forming) 챔버로 포지티브(+) 압력 하에 주입된다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 점화기는 중공 폭파 성형 챔버의 베이스에서 폭파 웨이브 또는 폭파 펄스를 일으키는 가연성 혼합물을 점화한다. 폭파 웨이브 또는 폭발펄스가 점증 압축 폭파 성형 챔버로 진행됨에 따라, 추가 매스(mass)가 폭발 챔버로 주입되어, 폭파 웨이브의 운동량을 증가시킨다. 폭발 생성물은 점증적으로 폭파-성형 챔버의 단면적을 감소시킴으로써 압축된다. 증가한 압력은 폭파 웨이브를 중앙 원뿔 프로젝션의 절두 단부와 반대의 절두 반구상 또는 외부 하우징의 돔 형상의 내부 표면 사이에서 환상 구속에 의해 형성된 제1압축 영역으로 옮긴다.

상기 환상 구속에서 폭파 웨이브의 압축은 절두 반구상 또는 돔 형상 표면의 중앙을 향해 폭발 생성물의 고속력 방사상 유동을 생성시킨다. 폭발 생성물의 반대 고속력 방사상 흐름은 폭발 생성물의 증가된 압축의 제2 영역을 만드는 절두 반구상 또는 돔 형상 표면의 중앙에 모인다. 제2압축 영역에서 질량 및 운동에너지의 합은 폭발 생성물을 중앙 원뿔 프로젝션의 정점에서 중앙으로 위치된 배기 포트를 통해 유도된 제어된 폭발로 빠져나가는 극초음속 가스로 형성시킨다. 최종 고압 극초음속 배기는 유도된 폭발에서 출구 노즐 없이 배기 포트로부터 방출된다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 연소 생성물과 분출물의 배출 속도는, 폭발 챔버의 사이즈, 길이, 직경, 깊이각도(depth angle)를 증가 또는 감소 및 연료 산화제 혼합물을 조절함으로써 제어된다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 폭발-성형 챔버에서 형성된 제어된 폭발은 가연성 혼합물의 연속 주입과 추가 작약의 점화에 의해 반복한다. 게다가, 반복 펄스 모드에 있어서, 폭발 파워와 빈도는, 가연성 혼합물의 유동속도를 증가 또는 감소시킴으로써, 또는 혼합물 유동속도에 관계없이 사이클 비율을 조절함으로써, 스로틀(throttle) 제어가 가능하다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 엔진은 호기성 또는 공기-흡입 제트 모드와 혐기성 또는 비공기흡입 로켓 모드 사이에서 연속해서 펄스 모드에서 작동된다. 따라서, 연료는 공기, 산화제 또는 임의 상대 농도에서 2개의 혼합물과 혼합된다. 가연성 혼합물에서 공기와 산화제의 상대 농도는 공기와 산화제의 혼합으로 다이내믹하게 조절되며, 이것은 대기에서 산소 농도의 함수가 될 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 제1 및 제2 수렴 영역을 포함하는 쉐입드 차지 엔진의 특정 기하학은 창조적 측면을 여전히 남기고 있지만, 변화될 수 있다. 따라서, 단면 형상은 환상, 정사각형, 직사각형, 삼각형 또는 소정의 결과에 따른 다양한 다른 형태와 추진되는 비이클(vehicle)에 엔진을 수용할 수 있는 공간일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 배기 가스는 극초음속 배기를 만들기 위해 제2수렴영역에서 충돌한다. 반대 가스 흐름은 실질적으로 서로 반대이면서 진행방향에 적어도 부분적으로 직각인 챔버에서 시작될 수 있다. 선택적으로, 폭발 챔버는, 폭발 생성물이 스로트와 제2압축영역에 도달하기 전에 진행방향에 대해 예각 또는 둔각으로 진행하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 배기 가스가 수렴되는 각도는 엔진 작동 중에 다이내믹하게 제어될 수 있다. 일반적으로 환상 폭발-성형 챔버의 통상 대향 사이드는 챔버는, 챔버가 수렴 각도를 조절하기 위해 한쪽 끝에서 다른쪽 끝(fore and aft)으로 이동되도록, 힌지식이다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 스로트 또는 핀치 포인트의 단면적이 증가되거나 감소될 수 있다. 스로트 면적의 사이즈를 감소시킴으로써, 배기 가스는 더 빠른 속도로 진행하여, 배기 속도에서 상대적인 스파이크(spike)를 생성하고, 그 결과 스러스트를 생성한다. 반대로, 스로트 사이즈를 증가시킴으로써, 배기 가스는 낮은 상대 속도에서 보다 균일하게 배출된다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 엔진은 로켓, 항공기, 개인 선박, 또는 다른 비이클을 추진시키는 스러스트를 직접 제공하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 엔진에 의해 생성된 배기 가스가 비이클을 추진하는데 사용되는 터빈을 구동하기 위해 사용될 수 있다. 이와 같은 실시예에서, 엔진은 예컨대 차에 동력을 공급하는데 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 쉐입드 차지 엔진에 의해 생성된 압력, 배기, 펄스, 또는 열이 매우 다양한 적용범위, 예컨대 비이클 추진, 페스트 제어(pest control), 폭약, 절삭공구, 에칭공구, 히팅 툴, 스프레이 툴, 고속력 건, 제너레이터, 보일러 및 밀폐시스템 압력 장치를 포함하는 적용범위에서 사용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예가 다음의 도면을 참조하여 상세히 기술된다.

쉐입드 차지 엔진의 일반 구조(General Construction of the Shaped Charge Engine).도 1은 성형 압축파를 형성하기 위해 가연성 혼합물을 다이내믹하게 압축 폭발을 하기 위한 본 발명에 따라 구성된 장치의 단면도를 개략적으로 도시한다. 참조번호(10)는 일반적으로 쉐입드 차지 엔진이라 한다. 엔진(10)은 외부 작약 성형 하우징(2)과 내부 작약 성형 하우징(1) 사이에 형성된 중공 폭파-성형 챔버(3)를 포함한다. 외부 작약 성형 하우징(2)은 일반적으로 둥근 원뿔 형상이며,오목한 "컵" 또는 "사발" 형태를 형성하기 위해 정점에서 중심으로 위치한 돔 형상 부분을 포함한다.

내부 작약 성형 하우징(1)은 중심으로 위치한 통상 원뿔-형태 프로젝션(7)으로 전이하는 통상 평탄면을 포함한다. 프로젝션(7)은 외부 하우징(2)을 향해 방사상으로 안쪽과 위쪽으로 뻗어있다. 프로젝션(7)은, 내부 하우징(1)과 외부 하우징(2)이 결합될 때 외부 하우징(2) 가장 가까운 원추의 보다 작은 단부에 중심으로 위치한 통상 원형 개구부(opening)를 형성하기 위하여 팁 아래가 절단되어 있다. 프로젝션(7)의 팁에서 개구부를 통해 엔진 외부로 진행하는 배기 가스(E)의 측면으로부터, 프로젝션(7)은 출구에서 통상의 원뿔 개구부에서 외부로 향해 벌어지는 일반적인 원통형 개구부를 형성한다.

내부 작약 성형 하우징(1)은 프로젝션(7)이 외부 하우징92)을 향해 뻗어 있도록 외부 작약 성형 하우징(2)에 결합된다. 외부 작약 성형 하우징(2)과 내부 작약 성형 하우징(1)은 각각 외부 주변 에지를 따라 결합되어, 내부 하우징(1)과 외부 하우징(2) 사이의 공간에 중공 폭파-성형 챔버(3)를 형성한다. 내부 작약 성형 하우징(1)과 외부 작약 성형 하우징(2)은 예컨대, 용접(6) 또는 볼트나 리벳과 같은 다른 압착 수단에 의해 결합된다.

하우징(1)(2)은 점화, 폭발 및 제어된 연소 압축의 열과 압력에 견딜 수 있는 재료로 형성된다. 로켓 엔진의 구성에 전형적으로 사용되는 다양한 재료가 예컨대 스틸, 스테인리스 스틸 또는 티타늄을 포함하는 재료가 본 발명에 사용될 수 있다. 바람직하게, 내부 작약 성형 하우징(1)은 외적 지원 없이 열과 압력에 견디기에 충분한 두께를 갖는 재질이다.

복수의 연료 인젝터(5)와 점화기(4)는 외부 하우징(2)을 통해 챔버(3)로 돌출한다. 인젝터(5)는 연료, 공기 및 산화제를 중공 폭파-성형 챔버(3)로 주입시킨다. 바람직한 가연성 혼합물은 예컨대, 공기, 산화제 또는 공기와 산화제의 조합과 혼합될 때 가연성 혼합을 형성하는 통상의 연료로 이루어진다. 연료는 옵션으로 수소 또는 다른 인화성 가스와 같은 임의의 에어본(airborne) 가연성 재료; 부탄, 프로판, 가솔린, 아세틸렌 또는 천연가스와 같은 값싼 액체 스프레이; 디젤 오일과 같은 증기와 액체 방울의 조합; 공륜 고체 입자; 또는 다이내믹 압축과 폭발을 달성하기에 충분하고 신속하게 연소하는 다른 가연성 혼합물이다. 연료는 안전 연소를 위해 공기 또는 산화제의 양이 비례적으로 혼합되는 것이 바람직하다.

점화기(4)는 예컨대 스파크 제너레이터, 글로우-플러그, 압전기 스파크 갭 또는 다른 적당한 점화장치에 의해 동력이 공급되는 통상의 스파크 플러그이다. 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 점화기(4)는 플라즈마 제트 제너레이터(미도시)에 의해 생성되고, 중공 폭파-성형 챔버(3)의 점화 지역으로 유도된 핫 플라즈마 제트(hot plasma jet)이다. 화염 또는 스파크를 점화 지역으로 본질적으로 동시에 주입하기 위한 다른 민첩하고 확실한 장치는 다른 점화장치와 같이 본 발명의 범주 내에 있다.

인젝터와 점화기가 외부 하우징(2)에서 폭파-성형 챔버로 돌출하도록 바람직하게 구성되어 있지만, 인젝터(5)와 점화기(4)가 중공 폭파-성형 챔버(3)의 점화 지역으로 뻗어있기만 하면, 인젝터(5)와 점화기(4) 중 어느 하나 또는 둘 다 내부작약 성형 하우징(1) 또는 내부와 외부 하우징(1)(2)을 분할하는 공간 주변(즉, 용접(6)을 따라)에 장착될 수 있다.

가연성 혼합물 인젝터(5)는 가연성 혼합물의 제어 가능한 유동을 제공하는데 적합한 임의의 통상 주입 시스템으로, 예컨대, 종래 연료 인젝터와 카부레터를 포함한다. 터보차저(turbocharger)와 함께 사용되는 통상의 카부레터는 중공 폭파-성형 챔버(3) 내에서 주입용 공기를 갖는 보다 다양한 연료의 혼합을 허용한다.

연료 주입과 점화의 타이밍, 그 결과 연소의 타이밍은 연료, 공기 및 산화제 밸브를 포함하는 제어시스템(미도시)에 의해 제어된다. 밸브 포트는, 카부레터 또는 실린더에 주입된 압축 연료(pressurized bottled gas) 또는 액체 연료가 본 발명을 구현하는데 사용된 경우, 가연성 혼합물 주입 포인트에 형성된다. 밸브 포트용 밸브는 가연성 혼합물을 중공 폭파-성형 챔버(3)로 수용하도록 동작된다. 밸브는, 비록 다른 밸브가 사용되더라도, 임의의 로터리 밸브, 디스크 밸브, 팝피트 밸브(poppet valve)나 드럼 밸브, 또는 포지티브 압력 하에서 공기, 산화제 및 연료를 챔버(3)로 주입되도록 허용하고 점화 사이클을 조정하기 위해 유도 사이클 사이에서 포지티브 차단을 허용하는 그밖에 다른 장치와 같은 각각의 경우에 솔레노이드 밸브이다. 필요하다면, 중공 폭파-성형 챔버(3)에서 연소로부터 증가된 압력은 밸브를 닫고 카부레터로 점화 주입을 제한하기 위하여 밸브의 면적을 벗어나 작동한다.

폭파-성형 챔버(3)는 센터에 하나의 환상 개구부만을 포함한다. 이 개구부는 내부 하우징 프로젝션(7)과 외부 하우징(2) 사이의 영역을 포함한다. 실질적으로제한된 개구부는 첫째 또는 제1단계 압축 영역을 형성하는 제한 핀치 포인트를 발생시킨다. 고속력 수렴 또는 제2 압축영역(9)은 스로트를 한정하는 환상 영역의 중심과 내부 및 외부 하우징(1)(2)의 축을 따라 일반적으로 외부 하우징(2)의 정점에서 생성된다.

쉐입드 차지의 일반적 작동(General Operation of the Shaped Charge). 외부 작약 성형 하우징(2)은 가연성 혼합물을 중공 폭파-성형 챔버(3)의 베이스 외부 주위 가까운 중공 폭파-성형 챔버(3)로 유도하도록 채택된다. 폭파-성형 챔버는 연료 주입과 점화의 위치에서, 적어도 스로트에 대해 단면적이 더 크다. 다수의 연료 인젝터(5)와 점화기(4)는 내부 작약 성형 하우징(1)과 외부 작약 성형 하우징(2)의 주변을 따라 일정 떨어져 있기 때문에, 연소가 발생하는 챔버(3) 내에 몇 군데 위치가 있다. 바람직하게는, 연소는 일반적으로 챔버(3)의 반대측에서 발생한다.

공기와 산화제 둘 다 유용한 실시예, 예컨대 조합된 제트/로켓 엔진에 있어서, 공기는 공기 유용한 동안 연료 적재(load)를 수용하기 위하여 충분히 조밀한 분위기에서 연료와 연소된다. 에어 매스 센서(air mass sensor)(예컨대, 열선풍속계) 또는 다른 센서가, 유용한 공기의 양을 결정하는 컨트롤러(미도시)에 결합된다. 컨트롤러는, 충분한 산소가 챔버(3)에 들어가도록 기단이 감소함에 따라 입구 램(RAM) 포드를 오픈 시킨다. 컨트롤러가 기단이 너무 낮다라고 결정한 후, 공기 입구 스테이는 열리고 산화제 포트는 열리기 시작하여, 산화제를 챔버(3)에 들어가게 한다. 공기가 유용하지만 이상적이거나 충분하지 않은 과도 기간 동안, 공기와 산화제 둘 다 사용된다. 공기 밀도가 너무 낮으면, 외부 공기 입구는 닫히고 산화제만이 연소에 이용된다. 따라서, 장치는 제트 모드에서 호기성으로 작동되고, 로켓 모드에서 혐기성으로 작동되거나, 제트 모드와 로켓 모드의 임의의 조합에서 작동된다.

점화기(4)와 인젝터(5)는 폭파-성형 챔버(3)의 주변 가까이에 위치하여, 점화가 상대적으로 환상 챔버(3)의 주변 가까이서 발생된다. 다수의 점화기(4)가 챔버 주위에 일정 간격으로 설치되어 있기 때문에, 점화 또한 챔버 주위 몇 군데 위치에서 실질적으로 동일하게 발생한다. 다수의 인젝터(5) 각각은 가연성 혼합물의 적당한 량을, 중공 폭파-성형 챔버(3)의 나머지 안쪽 압력에 대해 포지티브 국부 압력 하에서 챔버(3)로 주입시킨다. 인젝터(5)는 주입 사이클 다음에 실링 또는 폐쇄되고, 중공 폭파-성형 챔버(3)와, 연료와 공기 또는 산화제 사이에 장벽 또는 블록을 생성시킨다.

인젝터(5)를 실링한 후, 다수의 점화기(4) 각각은 본질적으로 가연성 혼합물의 작약을 실질적으로 점화시키고, 본래 중공 폭파-성형 챔버(3)의 베이스의 전체 외곽을 따라 폭발(또는 펄스)을 일으킨다. 화염 프론트(flame front) 또는 펄스가 중공 폭파-성형 챔버(3)의 정점을 향해 진행함에 따라, 추가 매스가 챔버(3)로 주입되어 매스를 증가시켜 폭파 웨이브의 운동량을 증가시킨다. 바람직하게, 비록 매스가 선택적으로 추가 연료를 포함하는, 가연성 매스일지라도, 주입된 매스는 물이나 불활성 슬러리와 같은 안전한 매스이다. 폭발 생성물은 스로트 또는 중공 폭파-성형 챔버(3)의 정점의 단면적을 점차 감소시킴으로써 더욱 더 압축된다. 화염 프론트가 스로트를 향해 진행함에 따라, 첫 번째 또는 제1단계 압축이 본질적으로 동시에 화염 프론트로 하여금 스로트의 모든 영역으로 강제로 몰아내는 배압에 의해 얻어진다. 스로트를 통해 화염 프론트의 상기 강제성은 외부 작약 성형 하우징(2)의 내부 표면의 정점에 대해 내부를 향하는 폭발 생성물의 방사상 유동을 일으킨다.

고속력 폭발 생성물 스트림은 스로트를 통해 챔버로 빠져나가고, 내부 표면(8)의 근처와 외부 작약 성형 하우징(2)의 중심선(9)에 고속력 가스가 수렴되도록 내부로 진행한다. 수렴은, 질량과 운동에너지의 합에 의해, 배출 포트를 통해 유도된 제어된 폭파로 배출되기 전에 극초음속 가스로 폭발생성물을 형성시키는 제2압축영역을 생성시킨다. 그 결과, 고압 극초음속 배기가스(E)는 출구 노즐 없이 배출 포트로부터 유도된 폭파로 배출된다. 전술한 기술은 단일 폭발 사이클을 나타내는데, 이 폭발 사이클은 많은 분야에서 유용하다. 엔진은 전술한 폭발 사이클을 반복시킴으로써 펄스 모드에서 선택적으로 작동된다.

쉐입드 차지 엔진은 연료, 공기 및 산화제 용량을 변화시킬 수 있는 스로트를 이용하여 제어할 수 있다. 스로트로서 기능하는 전형적인 회전 디스크 밸브에서, 디스크가 회전, 예컨대 100RPM으로 회전함에 따라 2개의 구멍이 연료 라인과 정렬될 때 연료의 주입만을 허용하도록, 2개의 구멍은 180도 일정 간격 떨어져 있다. 디스크 회전 속력이 증가함에 따라, 구멍 정렬(alignment)의 타임 모멘트는 감소하고, 펄스 당 주입되는 연료의 보다 적은 양을 제공한다. 반대로, 회전율의 감소는 더 많은 양의 연료가 펄스 당 주입되도록 한다.

쉐입드 차지 엔진의 다른 실시예(Alternate Embodiments of the ShapedCharge Engine).바람직한 실시예의 쉐입드 차지 엔진의 일반적 구성 및 작동이 위에서 기술되고 도 1에 도시되어 있지만, 그 구성은 본 발명과 모순되지 않는 한 변경될 수 있다. 어떤 어플리케이션에서, 쉐입드 차지 엔진을 다른 기하학 형태로 구성하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 도 2를 참조하면, 단면 기하학 형태가 다른 실시예로 변화될 수 있다. 도 2a에 도시된 통상의 원형 또는 환상 형태는 도 1에 도시된 바람직한 실시예의 폭파 챔버(3)의 주변에 해당한다. 다른 실시예가, 각각 직사각형 디자인과 삼각형 디자인을 도시한 도 2a와 도 2b에 도시되어 있다.

도 2에 도시된, 바람직한 실시예의 디자인은 동시에 센터로 수렴하는 배출 생성물을 갖는 이상적인 쉐입드 차지 엔진이다. 도 2b의 직사각형 실시예는 다소 효율이 떨어지지만, 배출 생성물이 제2압축영역에 도달하기 전에 대향 사이드로부터 비슷한 거리를 진행하기 때문에, 여전히 실질적으로 동시에 충돌하는 배출 생성물을 생성시킨다. 도 2c의 삼각형 실시예는 연소 챔버(3)의 주변으로부터 제2압축영역까지의 거리가 불규칙적이고, 더 낮은 배출 속력과 도 2a의 원형 실시예보다 적은 스러스트를 생성하기 때문에, 매우 비효율적이다. 일반적인 볼록 다각형 성질의 또 다른 형태가 본 발명과 모순되지 않는 한 사용될 수 있다. 폭파-성형 챔버(3)의 단면 형태가 변화될 때, 폭파-성형 챔버의 배향(orientation)이 변경될 수 있다. 바람직한 실시예의 일반적 배향이 도 3a에 도시되어 있다. ("오목"으로 특징되는)도 3a의 실시예에 있어서, 배출 생성물은 일반적으로 상류와 최종 배출 방향과 다소 직교하는 포인트로부터 스로트를 향해 진행한다. 배출 생성물이 스로트를 통과하면, 외부 하우징(2)과 제2압축영역에서 대향 사이드에서 나오는 가스와충돌하여, 스로트 진행방향과 다소 반대방향으로 극초음속 배기가스를 생성시킨다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서, 폭파-성형 챔버가 실질적으로 평탄하고, 그래서, 배출 생성물은 최종 배출 방향에 일반적으로 직교한 방향에서 스로트를 통과한다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 또 다른 실시예에서, 폭파-성형 챔버가 볼록한 구조이고, 그래서, 배출 생성물은 최종 배출 방향과 둔각을 형성하는 방향에서 스로트를 통과한다. 마찬가지로, 도 3a 내지 도 3c에 도시되지 않은 추가 배향이 가능하다.

도 3에 도시된 3개의 실시예 중에서, 도 3a의 실시예가 고압 스파이크 모터에서 고려될 수 있다. 스로트 바로 넘어 배기 가스의 방향 변경은 배출 직전 가스의 "서멀 스택킹(thermal stacking)"을 야기시킨다. 그 결과 가스가 엔진을 통해 빠져나감에 따라 강력하지만 간단한 스러스트 스파이크를 생성시킨다. 배출 생성물의 총 매스들(masses)은 각 실시예에서 동일하지만, 스러스트 특성은 다르다. 따라서, 도 3b의 실시예는 상대적으로 보다 약하고, 보다 긴 스러스트 모멘트를 생성시키는 반면에, 도 3c의 실시예는 상대적으로 보다 작은 스파이크를 갖는 보다 평탄한 배기 유동을 생성시킬 것이다.

폭파 챔버 배향이 (도 3c와 같은) 볼록한 배향으로부터 (도 3a와 같은) 오목한 배향으로 다이내믹하게 변화될 단일 엔진을 환경과 소정의 성능에 따라 구성하는 것이 유용할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 특히 도 5를 참조하여 후술될 펄스 제트/로켓 엔진이 사용될 때, 쉐입드 차지 엔진은 힌지식이고, 폭파 챔버 배향을 변화시키도록 다이내믹하게 조정할 수 있다.

도 3a 내지 도 3c를 다시 참조하면, 외부 하우징 힌지 포인트(H1,H2)가 쉐입드 차지 엔진의 배향 조절을 허용하는 위치에 지시되어 있다. 따라서, 외부 하우징 힌지 포인트(H1,H2)의 위치에서 외부 하우징(2)을 선회시킴으로써, 쉐입드 차지 엔진의 배향이 일반적으로 (도 3c와 같은) 볼록한 배향으로부터 (도 3a와 같은) 오목한 배향으로 연속체를 따라 변화될 수 있다. 폭파 챔버(3)는 바람직하게 연속 환상 링이기 때문에, 내부 하우징(1)과 외부 하우징(2)은 구조가 변화됨에 따라 서로 위와 아래로 슬라이드 하도록 배열된 일련의 플레이트를 포함한다. 다른 구성이 또한 가능한데, 예컨대 (도 3a 및 도 3c에서와 같이) 가장 오목한 위치 및 볼록한 위치에서 서로 인접한 또는 매우 인접하지만 도 3b에서와 같이 보다 수평한 구성에서 상대적으로 서로 훨씬 멀리 일정 간격 떨어진 복수의 분할 서브-챔버를 포함하는 연소 챔버를 구비한다.

스로트 영역은 또한 본 발명과 모순되지 않는 한 변경될 수 있다. 도 4를 참조하면, 2개의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 4a에서, 상대적으로 더 큰 스로트를 구비한 저압 엔진이 도시되어 있다. 선택적으로, 도 4b의 실시예는 상대적으로 더 작은 스로트를 포함한다. 도 4b의 엔진에 관하여, 도 4a의 엔진은 연소 챔버(3)에서 보다 낮은 압력, 스로트를 통해 보다 낮은 속도 및 배출 속도와 스러스트에서보다 작은 스파이크를 야기시킨다.

도 3a 내지 도 3c를 다시 참조하면, 외부 하우징 힌지 포인트(H3,H4)는 내부 하우징(1)이 외부 하우징(2)에 접근 또는 떨어져 스윙 조절되는 위치에 지시되어 있다. 따라서, 내부 하우징(1)이 외부 하우징(2)에 대해 선회적으로 이동됨에 따라, 스로트의 사이즈는 감소되고, 더 작은 "핀치 포인트"를 생성시킨다. 반대로, 내부 하우징(1)은 외부 하우징(2)에서 바깥에서 떨어져 회전되어, 보다 큰 스로트를 생성시킬 수 있다. 조절된 배향과 조절된 스로트 영역 둘 다의 경우에 있어서, 힌지 작용은 하이드로릭(hydraulics), 스크루-드라이브, 또는 메탈 플레이트를 이동시키고 폭파-성형 챔버(3)에서 생성된 실질 압력에 견딜 수 있는 다른 장치에 의해 잘 달성될 수 있다.

스위칭 가능한 펄스 제트/로켓 엔진 용법(Use as a Switchable Pulsed Jet/Rocket Engine).쉐입드 차지 엔진의 현재 바람직한 어플리케이션이 도 5에 도시되어 있는데, 이것은 스위칭 가능한 펄스 제트/로켓 엔진을 개략적으로 도시한다. 일반적으로 참조부호(100)로 지시된 도 5의 스위칭 가능한 펄스 제트/로켓 엔진은, 비록 도 3c에서와 같이 오목한 배향으로 도시되어 있지만, 도 1의 것에 따른 쉐입드 차지 엔진을 포함한다.

엔진은 펄스 제트 모드에서 낮은 고도로 냉각 스타트로 동작하기 시작한다. 연료와 산화제의 펄스는 연료(101)와 산화제(108)의 소스로부터, 각각 솔레노이드 밸브(104a,104b)에 의해 제어되는 세퍼레이트 연료와 산화제 라인(101 및 102)을 경유하여 쉐입드 차지 연소실(106)로 공급된다. 점화기(112)는 연료 산화물 혼합물을 점화시키고, 챔버(106) 내에서 폭파와 추가 고압을 야기시킨다. 로터리 밸브가 (주로 제트 모드에서) 사용될 때, 점화기는 예컨대 자동차 배전기에서 전형적으로 찾을 수 있는 포인트, 자석 발전기 또는 배터리 지원 마그넷 픽업, 또는 광 검출 릴레이(light sensitive relays)와 같은 고정 타이밍 점화장치에 의해 제어된다.연료와 산화제의 직접 주입이 (로켓 모드에) 이용되면, 점화기는 컴퓨터 프로세서 초기 타이밍 펄스에 의해 제어된다.

배기(exhaust) 바이패스 라인(114) 상의 솔레노이드 밸브(104c)를 개방시킴으로써, 압축된 배기 생성물이 배기-드리븐(exhaust-driven) 터빈(116)으로 유동되어 터빈을 회전시킨다. 배기-드리븐 터빈(116)은 컴프레서(118), 연료펌프(120), 및 원심 스로틀 밸브(122)에 연결되는데, 각각은 하나의 유닛으로 함께 회전하도록 구성되어 있다. 보통의 회전 디스크가 본 발명과 일치되게 사용되지만, 바람직한 실시예에서 (도 7을 참조하여 보다 상세히 후술되는) 원심 스로틀 밸브(122)가 특히 고정된 입구 압력 조건에서 우수한 제어를 제공하는데 사용된다. 유닛이 회전함에 따라, 공기 흡입구(air scoop)(128)를 통해 모아진 압축공기(126)가 에어 라인(130)을 통해 전달되는 동시에, 연료는 연료 라인(132)을 경유하여 원심 스로틀 밸브(122)로 전달된다. 원심 스로틀 밸브(122)는, 공기와 연료가, 회전함에 따라 주기적으로 정렬과 비-정렬되는 다수의 개구(apertures)를 열고 닫음으로써 밸브를 통과하도록 한다.

원심 스로틀 밸브(122)를 통과한 후, 연료와 공기는 혼합 분기관(mixing manifold)(134)에서 혼합되고, 원심 스로틀 밸브(122)가 열릴 때 쉐입드 차지 연소실(106)로 주입된다. 그리고 나서, 원심 스로틀 밸브(122)는 닫히고, 점화기(112)는 점화 포인트(113)의 챔버(106) 내에서 연료와 공기(또는 산화제) 혼합물을 점화시킨다. 폭발은 배출 생성물을 챔버(106) 외부로 배출시키도록 한다.

바람직한 원심 스로틀 밸브가 도 7a의 측면도와 도 7b의 평면도로 도시되어있다. 종래 가변 연소속도 엔진에 사용된 것과 같은 고정형 개구부 사이즈를 갖는 종래 로터리 디스크 밸브는 개구부의 사이즈나 형태에도 불구하고 많은 문제점이 있다. 예컨대, 만약 정렬되는 개구부가 회전이 증가함에 따라 감소하는 시간 동안 낮은 연소속도가 되도록 포트의 사이즈가 정해진다면, 적은 양의 공기, 연료 또는 혼합물을 펄스당 밸브를 통과시키도록 한다. 결과적으로, 정확한 작약 용량을 얻기 위해서는 더 높은 입구 압력이 요구된다. 다른 한편, 만약 높은 연소속도로 되도록 포트의 사이즈가 정해진다면, 디스크가 천천히 스핀하는 낮은 연소속도에서, 구멍들이 오랫동안 정렬되고, 공기, 연료 또는 혼합물의 과잉량이 밸브를 통과하게 된다. 과잉을 보상하고 정확한 작약 용량을 얻기 위하여, 더 낮은 입구 압력과 제어가 요구된다.

로터리 원심 스로틀 밸브(122)는 이들 문제점을 해소하고, 고정 입구 압력을 사용하는 동안 모든 연소속도에서 정확한 작약 용량을 허용한다. 원심 스로틀 밸브(122)는 프로젝션(174)을 구비한 드라이브샤프트(172)와 드라이브샤프트(172) 상에 장착된 디스크 밸브 하우징(176)을 포함한다. 디스크 밸브 하우징(176)은 용접, 적층(lamination), 볼트 또는 스크루(184)와 같은 종래 수단으로 함께 결합된 2개의 반쪽(halves)(176a,176b)을 포함한다. 디스크 밸브 하우징(176)의 2개의 반쪽(176a,176b)은 반쪽이 결합될 때, 내부 포켓(178a,178b)을 함께 형성하는 리세션(recessions)을 포함한다. 디스크 밸브 하우징(176)은 또한 실질적으로 내부 포켓 위에 있는 디스크 밸브 하우징(176)을 통과하는 하나 이상의 개구부(182a,182b)를 포함한다. 슬라이딩 밸브(179a,179b)가 포켓(178a,178b) 각각내에 유지되어 있다. 디스크 밸브 하우징의 2개의 반쪽(176a,176b) 내의 리세션은 각 슬라이딩 밸브(179a,179b)와 연결된 스프링(180a,180b)을 보유하는 스프링 포켓(181a,181b)을 형성한다. 다른 장치는 다른 레질리언스 물질(resilient materials) 또는 압축 장치를 포함하는, 느린 회전속력의 닫힌 위치에서 슬라이딩 밸브(179a,179b)를 바이어스 시키기 위하여 스프링(180a,180b) 대신 사용될 수 있다. 슬라이딩 밸브(179a,179b)는 회전 속도의 함수로 밸브를 개폐시키도록, 하이드로릭, 웜-드라이브, 또는 다른 메커니즘을 이용하여 전자적으로 제어될 수 있다. 원심 스로틀 밸브(122)가 2개의 개구부(182a,182b)를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 개구는 본 발명과 모순되지 않는 한 임의의 수가 사용될 수 있다. 마찬가지로, 개구부(182a,182b)는 일반적으로 "파이(pie)"모양을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 둥근 모양, 정사각형 모양, 또는 그 밖의 다른 모양일 수 있다.

보다 특히 도 7b를 참조하면, 원심 스로틀 밸브의 작동이 높고 낮은 연소속도에서 대표적으로 도시되어 있다. 낮은 연소속도에서, 디스크 밸브 하우징(176)은 상대적으로 더 낮은 속도로 회전하여, 스프링(180b)이 포켓(178b) 내에서 방사상 안쪽 방향으로 슬라이딩 밸브(179b)에 압력을 가하도록 한다. 디스크 밸브 하우징(176)의 센터를 향해 이동시킴으로써, 슬라이딩 밸브(179b)는 개구부(182b)의 실질 부분을 가리고(cover), 연소실을 통과하는 공기, 연료 또는 혼합물의 양을 제한한다. 원심 스로틀 밸브(122)가 정지 또는 가장 느린 회전속도일 때라도 완전히 덮지 않도록 개구부(182a,182b)가 형성되는 것이 바람직함을 주목하라. 이러한 배치는 공기, 연료 또는 혼합물을 스타트-업(start-up) 동안 연소실에 도달하도록하고, 엔진이 가장 낮은 연소속도에서 스톨링(stalling)이 발생하지 않도록 한다.

상대적으로 더 높은 연소속도에서, 원심력은 슬라이딩 밸브(179a)로 하여금 스프링 하우징(181a) 내에서 스프링(180a)을 더 오래 압축시키도록 한다. 스프링의 리세션은 개구부(182a)의 실질 부분을 방사상 외부로 노출(uncover)시키고, 더 많은 양의 연료, 공기, 또는 혼합물을 연소실을 통과하도록 한다. 어떤 특정 어플리케이션에서, 더 크거나 더 적은 저항의 스프링을 대체하고, 개구부 사이즈나 형태를 바꾸고, 디스크 하우징 구역(radius)을 따라 더 먼 안쪽 또는 바깥쪽에 개구부를 위치시키고, 또는 디스크 밸브 하우징(176) 상의 개구부의 수를 증가 또는 감소시킴으로써, 스로틀 밸브가 맞게 된다(tailored).

위에서 기술하고 도 7b의 도시는 높은 연소속도의 경우로서 슬라이딩 밸브(179a)에 의해 실질적으로 노출되는 하나의 개구부(182a), 및 낮은 연소속도의 경우로서 슬라이딩 밸브(179b)에 의해 실질적으로 가려진 하나의 개구부(182b)를 도시하고 있지만, 이러한 조건은 단지 도시와 기술이 용이한 단일 밸브 상에 나타난다. 실제로, 각 개구부(182a,182b)는 항상 동일한 범위로 슬라이딩 밸브(179a,179b)에 의해 가려지거나 노출될 수 있다.

드라이브샤프트(172) 상의 프로젝션(174)은 드라이브샤프트(172)의 센터로부터 오프셋된 삼각형 형태로 도시되어 있다. 비록 타이밍을 요구하는 점화나 다른 외부 요소와 부조화하여 디스크 하우징(176)에 드라이브샤프트(172)를 연결하는 것을 방지하기 위해 불규칙한 형태가 바람직하다하더라도, 프로젝션(174)은 선택적으로 임의의 형태로 될 수 있다. 드라이브샤프트(172)는 프로젝션(174)을 디스크 하우징(176) 내에 유사한 형태의 리세션(184)으로 삽입함으로써 디스크 하우징(176)에 결합된다. 프로젝션(174)과 리세션(184)은, 프로젝션(174)으로 하여금 리세션(184) 내에서 슬라이딩하도록 허용하고, 디스크 하우징(176)을 샤프트(172)를 따라 안쪽 또는 바깥쪽으로 이동시키도록 구성된다. 스러스트 와셔(186)는 디스크 하우징(176)에 가해진 힘을 흡수하고 타이트한 실(seal)을 보장한다. 이러한 구조는 원심 스로틀 밸브로 하여금 구동 모터나 다른 구성요소에 손상을 주지 않고 상당한 압력을 흡수하도록 허용한다. 더욱이, 리세션(184) 내에서 프로젝션(174)의 슬라이딩 배치는 스러스트 와셔의 마모를 허용한다.

터빈(116), 컴프레서(118), 연료펌프(120)및 원심 스로틀 밸브(122)가 계속 회전함에 따라, 연료와 공기 혼합물의 펄스가 위에서 기술된 바와 같이 연속적으로 생성되고 점화된다. 배기 바이패스 라인(114)과 조합된 솔레노이드 밸브(104c)는, 터빈과 엔진 자체의 소정의 이상적인 속도를 생성시키기 위하여 조정(펄스로 수정)된다.

공기 흡입구(128)는 선형 액추에이터(136)에 의해 자동으로 개방 또는 폐쇄된다. 선형 액추에이터(136)는, 위에서 기술한 바와 같이 유용한 에어 매스를 결정하는 에어 매스 센서(138)에 의해 제어된다. 바람직한 실시예에서, 에어 매스 센서(138)는 본질적으로 열선을 포함하는데, 이 열선은 증가된 에어 매스가 이동(flight) 동안 열선을 지나 유동함에 따라 온도를 감소시킨다. 열선의 온도는 존재하는 에어 매스의 크기를 결정하는 프로세서(미도시)에 의해 판독된다. 따라서, 에어 매스 센서(138)가 유용한 에어 매스의 감소를 감지하면, 선형액추에이터(136)는 예컨대, 공기 흡입구(128)를 개방시키고, 더 많은 에어 볼륨을 취입(intake) 에어 프레넘(140)에 들어가게 한다.

엔진이 아이들 상태일 때, 스위칭 가능한 펄스 제트/로켓은 실질적인 스러스트가 생성되는 작동의 펄스 제트 모드로 이동할 준비를 한다. 배기 바이패스 라인(114) 상의 솔레노이드 밸브(104c)가 실질적으로 충분히 개방되고, 더 많은 배출 가스가 터빈(116)을 구동하기 위해 라인을 통해 유동하도록 허용하고, 터빈을 더 빨리 회전시킨다. 다음에, 컴프레서(118), 연료펌프(120)및 원심 스로틀 밸브(122)가 더 빨리 회전한다. 더 빠른 회전에 의해 생성된 원심력 때문에, 원심 스로틀 밸브(122)는 급속한 펄스 속도로 요구되는 더 높은 공기와 연료 유동을 허용하기 위해 밸브 개구 개구부를 자동으로 개방시킨다.

점화기(112)의 적절한 점화에 의해 점화되는 연료와 공기 작약의 높은 펄스 속도는 폭발파 배출 스트림으로 하여금 연소실(106) 내에서 점화 포인트(113)로부터 유동하도록 한다. 배출 스트림은 스로트(142)에서 저압 핀치 포인트를 통해 유동하고, 화살표(146) 방향에서 고압 극초음속 배출 유동으로 배출되는 제2 고압 연소 포인트(144)에서 수렴한다. 엔진은 (연소실(106)의 형태 또는 배향을 변경함이 없이) 관성 질량과 같이 공기와 연료를 사용하여 가능한 한 가장 높은 스러스트 세팅에서 작동한다.

추가 매스를 연소실(106)에 부가함으로써, 더 큰 스러스트가 얻어질 수 있다. 이전에 주지한 바와 같이, 추가 매스는 바람직하게 물 또는 불활성 슬러리와 같은 안전한 매스이다. 매스 주입 분기관(148)으로부터의 추가 매스 생성물은, 추가 매스 라인(150) 상에 위치된 솔레노이드 밸브(104d)를 개방시킴으로써 챔버(106)로 주입된다. 추가 매스는 점화기(112)의 연소 전에 펄스 사이의 챔버(106)로 주입된다. 배출 스트림은 챔버(106) 외부로 추가 매스를 자동으로 가속시킨다. 이제, 엔진은 극히 높은 스러스트 세팅 상태 즉, 연료, 공기와 산화제의 임의 조합 및 엔진의 구성 및 배향에서 스러스트를 생성시키는 첨가 매스를 이용하여 달성될 수 있는 맥시멈 스러스트 상태이다.

대기가 희박하면, 에어 취입구 프레넘(140)에서의 압력은 감소하고 에어 매스 센서(138)에 의해 감지된다. 공기 흡입구(128)는 선형 액추에이터(136)를 확장(extend)함으로써 자동으로 개방되고, 공기 흡입구로 하여금 힌지 포인트(152) 상에서 선회시키도록 한다. 에어의 추가 볼륨은, 공기 흡입구(128)가 가정 넓은 위치에서 개방될 까지 엔진의 산소 요구량을 만족시키기 위해 프레넘(140)에서 압력을 증가시킨다. 대기가 더 희박하면, 공기 흡입구는 더 큰 에어의 유동을 허용하지 않는다. 에어 매스 센서(138)에 결합된 컴퓨터 컨트롤러(미도시)는, 공기 흡입구(128)가 가장 넓게 개방하고 공기가 너무 희박하다는 것을 결정하면, 하나 이상의 산화제 밸브(154)로 하여금, 산화제가 챔버(106) 내로 유동하도록 허용하기 위해, 개방시키도록 한다. 산화제 밸브(154)가 바람직하게 프로세서를 포함하는 컨트롤러에 의해 구동되지만, 밸브들은 선택적으로 에어 매스 센서(138)와 선형 액추에이터(136)와 조합된 근접 스위치에 의해 직접 구동될 수 있다. 산화제 밸브(154)는, 대가가 훨씬 더 희박하다면, 산화제의 증가량을 폭파 챔버(106)로 주입되도록 허용한다.

공기 또는 대기 압력이 에어 매스 센서(138)에 의해 감지되지 않을 때, 엔진은 우주비행체(space vehicle)로서 본질적으로 혐기성 모드에서 작동한다. 배기 바이패스 라인(114) 상의 솔레노이드 밸브(104c)는 닫히고, 터빈(116), 컴프레서(118), 연료펌프(120) 및 원심 스로틀 밸브(122)의 회전을 정지시킨다. 마찬가지로, 유용한 공기가 전혀 없기 때문에, 에어 취입 흡입구(128)는 선형 액추에이터(136)를 수축시킴으로써 닫힌다.

연료와 산화제는 솔레노이드 밸브(104a,104b)의 적절한 펄스에 의해 연료 라인(102)과 산화제 라인(110)을 거쳐 연소실(106)로 직접 공급된다. 점화, 매스의 주입 및 배출의 모든 다른 동작은 공기흡입모드 작동에서와 동일하다.

엔진이 하강하여 에어가 유용하게 될 때, 에어 매스 센서(138)는 공기의 증가 존재를 검출하고, 에어로빅 또는 제트 작동 모드가 다시 발생하도록 공기 흡입구(128)를 개방시킨다.

힌지식 및 짐벌식 작동(Hinged and gimbled operation).본 발명의 바람직한 실시예에서, 쉐입드 차지 엔진은, 연소실의 배향이 이동 동안 다이내믹하게 변경되도록 힌지식이다. 이러한 구조는 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 위에서 기술되어 있다.

게다가, 엔진은, 배출 생성물의 방향이 제어되도록 짐벌식이 될 수 있다. 외부 엔진은, 배출 스트림이 유도될 수 있도록, 항공기/우주선 상에 피봇(선회)적으로 장착된다. 엔진을 선회시키고 그 결과 배출 스트림을 선회시킴으로써, 엔진 자체는 방향성 제어를 제공한다. 다른 실시예에서, 폭파-성형 챔버(3)는 선회적으로장착될 수 있는 반면, 추진과 제어 시스템의 나머지는 고정된다. 또 다른 실시예에서, 방향성 제어는 비대칭 형태에서 내부 및 외부 하우징 힌지(H1,H2,H3,H4)를 조절함으로써 얻어질 수 있다. 따라서, 예를 들면, 외부 하우징 힌지(H1,H2)는 약간 다른 배향인 대향 사이드를 갖는 폭파-성형 챔버를 생성하기 위해 조절될 수 있다. 마찬가지로, 예컨대, 내부 하우징 힌지(H3,H4)는 대향 사이드에 불균형되어 있는 스로트를 생성하기 위해 조절될 수 있다. 어느 하나의 구성에서, 배출 스트림은 오프-센터(off-center)로 향해서, 방향성 제어를 제공한다.

다른 비이클용 펄스 드라이버 용법(Use as a Pulse for Other Vehicles).본 발명의 쉐입드 차지 엔진이 적당히 위에서 기술된 바와 같이 공기흡입 및 비흡입식 어플리케이션에 사용되지만, 또한, 항상 유용한 에어를 갖는 어플리케이션에 사용될 수 있다. 예컨대, 쉐입드 차지 엔진은 자동차 또는 보트를 추진시킬 수 있고, 툴 또는 제너레이터로 사용될 수 있고, 또는 유용한 에어를 갖는 많은 다른 어플리케이션에 사용될 수 있다. 이러한 분위기 조건에 사용되는 쉐입드 차지 엔진의 일반적 구조는 도 6에 도시되어 있다. 대기 엔진은 컴프레서(202)로 유도하는 하나 이상의 에어 취입 포트(201)를 포함한다. 압축 공기는 에어 출구 포트(203)를 통해 엔진 에어 입구 포트(204)를 거쳐 연소실(206)로 통과된다. 연소 소스(미도시)로부터의 연료는 연료 인젝터(206)에 의해 주입된다.

위에서 기술된 것과 동일한 방식에서, 엔진은 고압 배출 스트림(209)을 생성시키는 제2 고압축 포인트(208)로 유도하는 스로트(207)에서의 제1 저압 핀치 포인트를 포함한다. 연료와 공기 혼합물은 스파크 플러그로 도시된 점화기(212)에 의해점화된다. 드라이브 모터(미도시)는 키 웨이(key way) 또는 스핀들(219)에 의해 드라이브 샤프트(215)에 결합된다. 다음에, 드라이브 샤프트(215) 상의 밸브 드라이브 확장부(extension)는 도 8을 참조하여 위에서 기술된 바와 같이 작동하는 로터리 원심 스로틀 밸브에 결합된다.

도 6의 쉐입드 차지 엔진과 도 5의 펄스 제트/로켓 엔진 사이의 주요 차이점은 산화제 함유물과 에어 취입 흡입구를 개폐시키는 능력이다. 다른 모든 관련 측면에서, 도 5와 도 6의 엔진은 유사한 방식으로 구성되고 작동한다.

터빈 드라이버 용법(Use as a Turbine Driver).쉐입드 차지 엔진은 다이렉트 추진 장치로서 위에서 기술되어 있다. 선택적으로, 높은 압축, 높은 관성 배출 스트림은 펠톤(Pelton) 또는 축방향 유동 타입의 것과 같은 고정 사이클 또는 프리 스피닝 터빈(free spinning turbine)을 구동시킬 수 있다. 폭발 사이클 터빈 엔진의 1가지 예는 미국특허 제6,00,214호(to Scragg)에 개시되어 있다. 스크래지는 로우터의 대향 사이드 상의 2개 연소실의 배출 파트에 의해 구동되는 터빈 로우터를 개시한다. 터빈의 가속과 회전에 의해 생성된 토크는 종래 전기수단 또는 기계수단에서 작용을 한다.

유사하게, 단일 또는 임의 수의 쉐입드 차지 엔진의 배출은 터빈을 향해 유도될 수 있다. 그러나, 본 발명의 쉐입드 차지 엔진은 훨씬 더 효율적이기 때문에, 훨씬 개량된 터빈-구동 엔진을 생산할 수 있다.

쉐입드 차지의 다른 용법(Other Uses of the Shaped Charge).위에서 기술한 바와 같이, 쉐입드 차지 엔진은 항공기, 바람직하게는 대기 조건, 스페이스 조건, 또는 둘 다 진행하는 항공기를 포함하는 항공기를 추진하는데 사용될 수 있다. 게다가, 엔진은 선박, 보트 또는 다른 비이클을 추진시키는 다이렉트 배출 드라이브로서 사용되거나, 터빈을 자동차, 보트, 모터사이클 또는 다른 비이클을 추진하기 위해 구동시키도록 구현될 수 있다. 또한, 엔진은 보트, 배, 또는 잠수함용 바우 스러스터(bow thruster)로 사용될 수 있다.

비이클을 추진시키는 것 이외에, 쉐입드 차지 엔진에 의해 생성된 폭파 또는 펄스는 다수의 다른 어플리케이션에 사용될 수 있다. 예컨대, 엔진에 의해 생성된 충격파가 지하 설치류와 페스트 박멸 또는 곤충 제어용으로 사용될 수 있다. 단일 펄스로부터의 충격파는, 포텐셜 애벨랜치(potential avalanche)를 발생시키기 위한 애벨랜치 제어(avalanche control)에 사용되고, 대포 또는 폭파물의 필요성을 제거할 수 있다.

쉐입드 차지는 또한 다양한 폭발 목적용으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 빌딩을 헐고, 광산에 바위를 부수고, 콘크리트를 만들고 깨트리고, 또는 배, 다리, 또는 길에서 얼음을 제거하기 위하여 바위 파쇄기로 사용될 수 있다. 또한, 쉐입드 차지는 강력하고 재사용할 수 있는 지뢰인 군사 용도를 가질 수 있다. 이상적으로, 하나 이상의 충격파를 쉐입드 차지에 향하게 함으로써, 물질(material)이 산산조각 될 수 있다. 더욱이, 본 쉐입드 차지 발명을 이용하여 구현된 파괴 장치는 종래의 파괴 장치와 달리, 회수와 재생될 수 있다.

넓은 범위의 툴은 본 발명의 쉐입드 차지 엔진을 사용하여 만들어질 수 있다. 예를 들면, 생성된 거대한 충격파는 잭해머 또는 다른 임팩트 툴로서 사용하거나, 또는 커팅과 에칭 장치를 생산하는데 초점을 맞출 수 있다. 점화 후 폭파 챔버로 주입된 추가 매스로서 사용되는 핫 페인트(hot paint), 폼(foam), 또는 메탈이 본 발명의 다른 실시예에 스프레이 될 수 있다. 정확하게 포커스 되고 유도된 쉐입드 차지가 또한 나무 가지 치기 또는 잡초 트리밍에 사용될 수 있다. 게다가, 격렬하고 강력한 폭파가 (로 또는 보일러와 같은) 버너로 사용되거나 차도, 옥상 또는 다른 장소에서 눈을 치우는데 사용될 수 있다. 더욱이, 격렬하고 고압 배출 가스가 페인트, 니스 및 유사한 코팅을 벗기는데 사용될 수 있다.

또 다른 어플리케이션에서, 단일 펄스는 금속을 예열 할 필요 없고 컴프레서나 다른 압력 저장 장치를 요구하지 않아 금속의 차압 성형용 열과 압력을 즉시 만든다. 유사하게, 펄스는 다이렉트 주입 장치에 의해 재료를 성형하는데 사용될 수 있다.

배출 스트림에 발사체를 위치시킴으로써, 쉐입드 차지 엔진이 고속력 건으로 사용될 수 있다. 바람직하게, 건 배럴 또는 유사한 론치(launch) 튜브는, 배출 스트림이 제어 가능하고 스트레이트 경로로 발사체를 추진시키도록, 배출 포트로부터 뻗어 있다.

밀폐계에서, 쉐입드 차지 엔진은 압력을 만들고 유지하는데 사용되고, 압력을 제어하도록 펄스의 크기와 속도를 조절할 수 있다. 선택적으로, 터빈을 구동하도록 구성될 때, 쉐입드 차지 엔진은 전기를 발생시키는 제너레이터를 형성할 수 있다.

실제 실시예로부터의 결과(Results from Actual Embodiments).위에서 기술한 바와 같이, 중공 폭파-성형 챔버로 가연성 혼합의 다수 작약을 일련의 주입과 점화에 의해 펄스 방식으로 폭발이 이루어지도록 한다. 펄스 강도 및/또는 주파수는 양과 가연성 혼합물의 일련의 작약을 주입과 점화 속도를 변경시킴으로써 작동하는 동안 다이내믹하게 제어된다. 극초음속 배출 스트림의 펄스 작동을 사용하는 실제 실시예의 테스트는, 100㎐ 이상의 작동 사이클과 초당 30,000피트의 높은 배출 가스 속도가 가능하다는 것을 지시한다. 따라서, 부드럽고(gentle) 강력한 펄스 사이와, 느린 펄스와 빠른 펄스 사이에서 독립적인 변동이 가능하다.

항공 비이클(aerial vehicles)용 펄스 제트 또는 로켓 엔진으로서, 종래 터빈 또는 로켓 추진 유닛보다 높은 배출 가스 속력에 의해, 터빈 블레이드, 컴프레서, 및 배출 노즐을 잠재적으로 제거하면서도 더 작은 이동 파트로 작고 가벼운 드라이브를 허용한다. 펄스 극초음속 배출 스트림은 또한 연속 동작보다 오히려 펄스를 제공함으로써, 엔진 냉각 요구사항을 감소시킨다. 급속한 버닝(burning)과 폭발은 가연성 혼합물의 화학에너지를 아주 작은 소비 열을 갖는 고압으로 신속히 변화시킴으로써 엔진 냉각에 도움을 준다. 이 완전 연소는 또한 엔진의 고효율과 생성된 스러스트의 파운드당 낮은 연료 사용을 한다.

본 발명의 실제 실시예가 많은 다른 엔진에 대해 구성되고 테스트되고 있으며, 우수한 결과를 증명하고 있다. 미국 특허 제6,000,214호(to Scragg)에 따라 구성된 200 호스파워(hp)를 전달할 수 있는 엔진은 대략 262파운드의 무게이고, 엔진 무게의 파운드 당 0.76hp를 생성한다. 200hp 이상을 전달할 수 있는 본 발명의 실제 실시예는 단지 70파운드의 무게이고 2.86호스파워/파운드(hp/pound)를 생성한다. 쉐입드 차지 엔진은 또한 여러 번 스크래그 엔진의 560in³과 비교해 볼 때 18in³의 연소실을 갖는 소형이다.

가솔린 사이클, 디젤 사이클 및 브레이톤 사이클 이상의 이점이 또한 실재한다. 위에서 기술된 실제 200hp 실시예와 비교해 볼 때, 동등한 200hp 가솔린 엔진, 디젤 엔진 및 브레이톤 엔진 각각은 단지 0.40hp/pound, 0.22hp/pound 및 1.0hp/pound 을 생성할 수 있고, 대략 500,900파운드와 200파운드의 무게가 나간다. 결과적으로, 본 발명에 따른 엔진은 종래 엔진 보다 훨씬 더 작은 사이즈와 가벼운 무게에서 더 많은 파워를 충분히 생성한다.

본 발명의 바람직한 실시예가 도시되고 기술되어 있지만, 본 발명의 사상과 범주 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다. 따라서, 본 발명의 범주는 바람직한 실시예의 개재에 의해 제한되지 않는다. 대신, 본 발명은 청구의 범위를 전적으로 참조함으로써 결정되게 된다.

Claims

쉐입드 차지 엔진(shaped charge engine)에 있어서,

내부 하우징;

폭파-성형 챔버(blast-forming chamber)를 한정하도록 상기 내부 하우징에 결합되는 외부 하우징;

일반적으로 반대방향(diametrically opposite) 위치에서 상기 챔버로 연료를 주입하는 복수의 연료 인젝터; 및

제1수렴영역(primary convergence zone)을 한정하는 상기 내부 하우징과 상기 외부 하우징 사이 상기 폭파-성형 챔버의 중앙 개구부(central opening)를 포함하되,

일반적으로 반대(opposite) 위치로부터 상기 제1수렴영역을 통과하는 배출 가스는 극초음속 배출을 생성시키기 위해 실질적으로 상기 쉐입드 차지 엔진의 센터의 제2수렴영역에서 충돌하는 쉐입드 차지 엔진.
제 1항에 있어서, 상기 내부 하우징은 일반적으로 환상의 형태이고, 상기 외부 하우징과 함께, 상기 제1수렴영역을 형성하는 실질적으로 원뿔 볼록 프로젝션(projection)을 포함하는 쉐입드 차지 엔진.
제 1항에 있어서, 상기 외부 하우징은 실질적으로 돔-형상인 쉐입드 차지 엔진.
제 1항에 있어서, 상기 배출 방향과 직교하는 투시(perspective)로부터 비-원형, 다각 단면 형태로 구성된 상기 내부 하우징과 상기 외부 하우징인 쉐입드 차지 엔진.
제 1항에 있어서, 상기 폭파-성형 챔버는 복수의 일반적으로 대향하는 서브-챔버로 구성되되, 서브-챔버 각각은 연료 인젝터와 점화기를 포함하는 쉐입드 차지 엔지.
제 6항에 있어서, 상기 일반적으로 대향하는 서브-챔버는, 최종 배출 방향의 둔각 방향으로 초기 배출 생성물을 유도하는 위치와 최종 배출 방향의 예각 방향으로 초기 배출 생성물을 유도하는 위치 사이에서 상기 서브 챔버의 배향(orientation)을 변경할 수 있도록, 상기 외부 하우징의 정점 근처에서 선회 가능한 쉐입드 차지 엔진.
제 6항에 있어서, 상기 서브-챔버의 상기 내부 하우징은 상기 내부 하우징에 조절 가능하게 부착된 프로젝션을 더 포함하되, 상기 프로젝션은 상기 제1수렴영역을 한정하는 핀치 포인트(pinch point)의 사이즈를 감소 또는 증가시키기 위해 상기 외부 하우징을 향하거나 멀어지게 이동되는 쉐입드 차지 엔진.
제 1항에 있어서, 적어도 부분적으로 상기 챔버로 뻗어있는 복수의 점화기와 산소 소스를 더 포함하되, 점화기로부터의 스파크 또는 불꽃은 연료 점화를 일으키는 쉐입드 차지 엔진.
제 8항에 있어서, 적어도 부분적으로 상기 챔버로 돌출하고 매스 소스에 연결되는 매스 인젝터를 더 포함하되, 상기 매스 인젝터는 연료 연소 후에 상기 챔버로 매스를 주입하는 쉐입드 차지 엔진.
제 8항에 있어서, 상기 매스는 물을 포함하는 쉐입드 차지 엔진.
제 9항에 있어서, 상기 산소 소스는 공기와 산화제의 세퍼레이트 소스(separate sources)를 포함하는 쉐입드 차지 엔진.
제 11항에 있어서, 에어 매스의 유용한 존재를 검출하는 센서와, 모든 공기로부터 모든 산화제 또는 공기와 산화제의 혼합물까지 상기 챔버에서 산소의 전달을 조절하도록 상기 센서와 통하는 컨트롤러를 더 포함하는 쉐입드 차지 엔진.