KR20230167157A - 고속 응용을 촉진하기 위한 지향성 에너지 증착 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하나 이상의 연관된 성능 메트릭을 개선하기 위해 기능성 물체 근처의 유체 밀도를 제어하는 방법, 장치 및 시스템에 관한 것이다. 특정 실시예에서, 본 발명은 유체 내의 하나 이상의 경로를 따라 에너지를 증착하기 위하여 지향성 에너지 증착 장치를 이용하여 물체 근처에 저밀도 영역을 형성하는 것에 관한 것이다. 특정 실시예에서, 본 발명은 물체의 기능적 성능에 영향을 미치는 하나 이상의 매개변수와 에너지 증착을 동기화하는 것에 관한 것이다.
Description
연관된 출원에 대한 상호 참조
이 출원은 1) 2016년 6월 17일자 국제 출원 제 PCT/US2016/038239호; 2) 2016년 6월 17일자 미국 출원 제15/186,337호; 및 3) 2015년 6월 18일자 미국 가출원 제62/181,625호로부터 우선권의 이익을 주장한다. 상기 연관된 모든 출원은, 그 전체로서, 여기에서 참조로 포함된다.
또한, 이하의 각 미국 특허는, 그 전체로서, 여기에서 참조로 포함된다: 2003년 3월 4일 등록 미국특허 제6,527,221호, 2006년 6월 20일 등록 미국특허 제7,063,288호, 2006년 10월 17일 등록 미국특허 제7,121,511호, 2010년 1월 19일 등록 미국특허 제7,648,100호, 2011년 12월 20일 등록 미국특허 제8,079,544호, 2012년 3월 27일 등록 미국특허 제8,141,811호, 2013년 8월 20일 등록 미국특허 제8,511,612호, 2013년 9월 17일 등록 미국특허 제8,534,595 호, 2014년 9월 9일 등록 미국특허 제8,827,211호 및 2015년 2월 24일 등록 미국특허 제8,960,596호.
발명의 분야
에너지 증착 기술은 유동 제어, 항력 감소 및 매개체 제어와 같은 많은 응용 분야에서 극적인 효과를 얻기 위해 과거에 공개되어 왔다. 에너지 증착의 극적인 이점을 연구할 때, 에너지를 증착하는 방법 및/또는 시기를 변경하여 이러한 변경을 구현하지 않을 때의 에너지 증착으로 얻을 수 있는 이점을 향상시킬 수 있다. 하나의 그러한 수정은 추가의 이익을 얻거나 이점의 효과를 최대화하기 위하여, 에너지 증착을 하나 이상의 다른 공정과 조율하여, 에너지 증착의 효과의 "시간(time)" 또는 "위상(phase)"을 다른 공정과 동기화하기 위한 것이다 ("동기화", "시간" 및 "위상"라는 용어는 하나 이상의 다른 이벤트 및/또는 프로세스에 대한 이벤트 또는 프로세스 타이밍(timing)을 나타내기 위해 상대적으로 상호 교환적으로 사용될 수 있음). 이러한 이벤트 및/또는 프로세스는 다음을 포함하지만 이에 제한되지 않는다: 추진 프로세스; 유체 역학 프로세스; 화학 프로세스; 특정한 움직임; 추가 에너지의 주입, 첨가 및/또는 증착; 추가 재료의 주입, 첨가 및/또는 증착; 에너지 제거; 재료 제거; 압력 변화; 하나 이상의 힘의 인가; 연소 프로세스; 점화 프로세스; 폭발 프로세스; 기타. 또한, 에너지 증착의 개념은 매질에 에너지를 부가하거나 매질의 가열을 초래하는 임의의 프로세스를 포함하도록 광범위하게 해석된다. 이러한 가열 또는 에너지 증착은 상기 매질 내에서 소리의 속도보다 빠른 매질의 팽창을 가져 오기에 충분히 빠르게 (예를 들어, 충격적으로(impulsively)) 수행되어, 팽창에 의해 원래의 매질보다 낮은 밀도로 남겨지는 영역을 초래할 수 있다. 다른 가능성은 가열을 초래하는 에너지 증착 및/또는 프로세스가 매질 내의 위상 변화를 초래할 수 있고, 이는 점도 및/또는 강도와 같은 상기 가열된 매질 또는 매질들의 밀도 및/또는 다른 특성을 변형시킬 수 있다. 다른 것들 중 밀도, 점도 및/또는 강도를 포함하는 매질 또는 매질들에 대한 이들 변화는 매질 또는 매질들의 유동 특성뿐만 아니라 상기 영향을 받는 매질의 다른 특성 및 응답에 대한 변경을 초래할 수 있다.
직기를 횡단할 때 항력을 줄임으로써 에어 제트(Air Jet), 워터 제트(Water Jet), 셔틀(shuttle), 픽크(pick) 등의 직기 응용에서 운송 속도 증가. 직기에 의해 직조되는 재료의 운송과 일치하도록 에너지 증착 동기화. 지상 매개체의 움직임과 일시적인 공중 부양 및 추진력 및 이들 힘을 확립하는 데 사용된 에너지를 에너지 증착과 동기화함으로써, 지상 매개체의 마찰 감소.
배럴에서 공기를 강제로 빼내기 위해 발사체를 추진하는 데 사용되는 다른 유형의 배럴 중에서, 총, 총기 또는 브리처(breacher) 내의 에너지 증착. 발사체의 항력이 감소하면 동일한 양의 구동 에너지(예를 들면, 종래의 총의 추진체 또는 레일 건의 전기 구동 에너지)로 총구 속도를 더 크게 할 수 있다. 감소된 항력은 또한 더 적은 구동 에너지(예를 들어, 90% 이하의 충전량과 같은 50% 및 90% 사이, 70% 이하 또는 80% 이하 충전량의 그 특정 장치에 대한 표준 충전량에 비해 더 작은 충전량)을 사용함으로써 수정 없이 달성된 속도에 필적하는 속도의 달성을 허용할 것이다. 기존의 총에서는, 이는 적은 추진체로도 동일한 성능을 얻을 수 있다는 것을 의미한다. 발사체 요구조건이 낮으면 발사체가 배럴을 출사할 때 총구 폭발이 감소한다. 이 감소된 음향 특징은 조작자를 포함하여 근처의 사람들의 청각에 대한 해로운 효과를 최소화하는데 유용하다. 이 감소된 음향 특징은 또한 (음향 억제 수단과 유사한) 음향 수단에 의한 탐지를 완화할 수 있다. 배럴에서 공기를 강제로 빼내기 위한 에너지 증착은 많은 형태로 적용될 수 있다. 예를 들어, 토우(tow) 실시예는 i) 전자기 에너지의 배럴 내부 증착을 포함할 수 있고; 또는 ii) 에너지의 증착이 본질적으로 화학적일 수 있으며; 이들 두 가지 에너지 증착 접근법의 일부 조합을 포함할 수 있다. 전자기 에너지는, 예를 들어, 총신의 내부에 전기 방전의 형태로 있을 수 있다. 화학 에너지는, 예를 들어, 점화될 때 발사체 앞에서 팽창하는 추가 추진체의 형태일 수 있으며 배럴로부터 가스를 구동한다(발사체 뒤에서 팽창하여 배럴로부터 외부로 이를 추친하기 위한 추진체의 전통적인 역할과는 대조적이다). 이 추가적인 추진체는 탄환 자체에 통합될 수 있다. 분말 코팅, 예를 들어, 초음속 분사 증착 응용에서, 에너지 증착을: 분말 버스트; 가열 적용; 전기 방전 적용; 레이저 에너지 적용; 플라즈마 적용과 페이징(phasing)한다. 초음속 및 극초음속 추진에서, 엔진 폭발(예를 들면, 펄스 폭발 엔진)과 에너지 증착을 페이징하여, 유체 역학 과정을 적절하게 단계적으로 수행한다(타이밍은 비행 조건 및 매개 변수, 기타 요인들과 함께 매개체 및 추진 장치의 길이 스케일에 의존한다). 추진 펄스는 또한 레이저 펄스 및 펄스 전원을 공급하는 전력을 생성하도록 동기화될 수 있다.
처음부터 PM & AM 리서치는 광범위한 에너지 증착 응용 분야를 개척해 왔으며 비행 및 고속 유동 제어 방법, 특히 고아음속(high subsonic) 내지 극초음속(hypersonic) 범위의 고속 비행 및 유동 제어 실행 방법을 개척하였다. 이 새로운 접근 방식으로 인해 열린 많은 가능성을 직관적으로 느낄 수 있는 많은 응용이 있다. 기본적인 효과는 고속/고압 가스를 흐르게 하기 위하여 영역 밖으로 가스를 급속히 확장하는 접근 방식에 기인한다. 간단한 비유로서(약간의 상상력과 면허가 필요함), 발사체를 고속으로 홍해를 가로지르는 것을 시도함에 있어서, 한쪽에서 다른 쪽으로 물을 통해 직접 발사하거나, 또는 먼저 홍해를 "가르고" 물이 없는 경로를 통해 같은 탄환을 발사하는 것의 효과의 차이를 고려한다(도 1).
탄환을 고밀도 물 내로 직접 발사하는 첫 번째 경우, 강력하고 유선형인 1000m/s의 탄환이라도 1m 미만의 물에 침투할 것이다. 두 번째 경우, 먼저 물을 "가르고"(즉, 물이 제거된 경로를 만들고) 난 후에는, 같은 탄환이 300m/s에서도 매우 먼 거리를 쉽게 전파할 수 있다(이 발견적 예는 중력 낙하를 다루지 않으며, 이는 이 문서에서 나중에 다루어진다). 이는 고속 유동 및 고속 매개체/발사체에 대한 혁신적인 제어를 달성하기 위해 우리가 이용하는 개념 및 기하학이다.
특정 실시예는, 예를 들어, 유체 내에서 물체를 추진하는 방법을 제공할 수 있으며, 방법은: (i) 유체의 일부를 충격적으로 가열하여 고밀도 영역에 의해 둘러싸인 저밀도 영역 형성-상기 고밀도 영역은 유체의 가열된 부분의 적어도 일부를 포함함; (ii) 물체의 적어도 일부를 저밀도 영역 내로 지향;과 동기화 된 (iii) 물체를 추진하는 펄스화된 추진 유닛에서 반응물을 폭발시킴을 포함한다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 단계 (i)-(iii)는, 예를 들어 0.1 Hz-100 kHz 범위의 속도로 반복될 수 있으며, 예를 들어 1 Hz-80 kHz, 10 Hz-50 kHz, 100 Hz-20 kHz, 1-10 kHz, 5-10 kHz, 10-25 kHz, 25-50 kHz 범위의 속도로 반복될 수 있으며, 또는 50-100 kHz 범위의 속도로 반복될 수 있다.
특정 실시예에서, 다음의 실시예들 중 하나 이상(예를 들어 모두 포함)은 다른 실시예들의 각각 또는 그 부분을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 반응물은 고밀도 영역 내에 존재할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 가열은 1 kJ-10 MJ 범위의 에너지를 유체에 증착을 포함할 수 있으며, 예를 들어 10 kJ-1 MJ, 100-750 kJ의 범위, 또는 200 kJ 내지 500 kJ의 범위일 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 가열은 10-1000 kJ 범위의 에너지를 물체의 단면적의 제곱미터 당 유체에 증착을 포함할 수 있으며, 예를 들어 제곱미터 당 10-50 kJ, 50-100 kJ, 100-250 kJ, 250-500 kJ의 범위, 또는 500-1000 kJ의 범위일 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 가열은 충격파 발생을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 저밀도 영역은 주변 유체의 밀도에 대해 0.01-10 % 범위의 밀도를 가질 수 있으며, 예를 들어 주변 유체의 밀도에 대해 0.5-5%, 1.0-2.5% 범위의 밀도, 또는 1.2-1.7% 범위의 밀도일 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 유체의 일부는 적어도 하나의 경로를 따라 가열될 수 있다. 특정 실시예에서, 적어도 하나의 경로는 레이저, 예를 들어 레이저 필라멘트 가이드 경로로부터 증착된 에너지에 의해 형성될 수 있다. 특정 실시예에서, 레이저 증착은 1 펨토초 및 100 나노초 범위의 시간 동안 지속되는 레이저 펄스를 포함할 수 있으며, 예를 들어 10 펨토초 내지 20 피코초, 100 펨토초 내지 25 피코초, 100 피코초 내지 20 나노초 범위 동안 지속되는 시간, 또는 100 펨토초 내지 30 피코초 범위 동안 지속되는 시간일 수 있다. 특정 실시예에서, 레이저 펄스에 의해 증착되는 에너지의 양은 0.2mJ 내지 1kJ의 범위일 수 있으며, 예를 들어 1 mJ 내지 10 mJ, 10 mJ 내지 3 J, 100 mJ 내지 10 J, 10 J 내지 100 J, 100 J 내지 1000 J의 범위, 또는 500 mJ 내지 5 J의 범위일 수 있다. 특정 실시예에서, 레이저는 스펙트럼의 자외선, 적외선 또는 가시광선 부분에서 빛을 생성할 수 있다. 특정 실시예에서, 적어도 하나의 경로는 물체의 운동 방향에 평행할 수 있다. 특정 실시예에서, 저밀도 영역은 적어도 하나의 경로로부터 외측으로 팽창된 가열된 유체의 일부분의 부피를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 유체의 가열된 부분은 전기 방전에 의해 가열될 수 있으며, 예를 들어 펄스화된 전기 방전일 수 있다. 특정 실시예에서, 전기 방전은 106-107 m/s 범위의 속도로 유체를 통해 이동할 수 있다. 특정 실시예에서, 전기 방전은 0.1-100 마이크로초 범위의 시간 동안 지속될 수 있으며, 예를 들어 0.1-2 마이크로초, 1-5 마이크로초, 5-40 마이크로초, 10-30 마이크로초 범위의 시간, 또는 30-100 마이크로초 범위의 시간일 수 있다. 특정 실시예에서, 저밀도 영역은 10-30 마이크로초 범위의 시간 내에 형성될 수 있으며, 예를 들어 20-300 마이크로초, 20-200 마이크로초, 30-100 마이크로초, 100-500 마이크로초, 400-1500 마이크로초 범위의 시간, 또는 500-3000 마이크로초 범위의 시간일 수 있다. 특정 실시예에서, 저밀도 영역은 10-1000 밀리초 범위의 시간 주기 이후에 열 부력에 의해 파괴될 수 있으며, 예를 들어 20-80 밀리초, 30-60 밀리초, 80-120 밀리초, 150-600 밀리초의 범위, 또는 400-1000 밀리초 범위의 시간 주기 이후일 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 상기 물체는 펄스 폭발 엔진과 통신할 수 있으며, 상기 펄스 폭발 엔진은 상기 반응물을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 폭발은 펄스 폭발 엔진의 흡기 노즐이 고밀도 영역 내에 존재하도록 타이밍될 수 있다. 특정 실시예에서, 유체는 공기일 수 있고 펄스 폭발 엔진은 공기 호흡일 수 있다. 특정 실시예는, 예를 들어, 단계 (ii) 이전에 공기 호흡 펄스 폭발 엔진 내로 일정량의 공기 섭취를 더 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 펄스 폭발 엔진은 상기 유체의 일부를 가열하는 데 필요한 전력의 적어도 일부를 제공할 수 있다. 특정 실시예에서, 펄스 폭발 엔진은 펄스화 전원에 에너지를 공급할 수 있다. 특정 실시예에서, 펄스화 전원은 필라멘트 레이저에 에너지를 공급할 수 있으며, 상기 필라멘트 레이저는 상기 경로를 형성하고, 상기 경로는 펄스화 전기 방전을 안내할 수 있다. 특정 실시예에서, 펄스화 전원은 펄스 전기 방전 발생기에 에너지를 공급할 수 있으며, 상기 발생기는 상기 유체의 일부를 가열하는 데 사용된다. 특정 실시예는, 예를 들어, 유체의 다른 부분을 가열하여 다른 저밀도 영역 형성을 더 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 저밀도 영역 및 다른 저밀도 영역은 영역에 의해 분리될 수 있다. 특정 실시예는, 예를 들어, 물체의 적어도 다른 부분을 상기 영역으로 지향을 더 포함할 수 있다. 특정 실시예는, 예를 들어, 물체의 적어도 다른 부분을 다른 저밀도 영역으로 지향을 더 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 유체의 가열된 부분은 튜브를 정의할 수 있다. 특정 실시예에서, 튜브 내부의 소리의 속도는 주변 유체의 소리의 속도보다 적어도 100 % 더 클 수 있으며, 예를 들어 적어도 150%, 200%, 500%, 또는 적어도 1000% 더 클 수 있다. 특정 실시예에서, 튜브 내부의 물체의 움직임이 아음속일 수 있다. 특정 실시예에서, 튜브 외부의 물체의 움직임의 적어도 일부는 초음속일 수 있다. 특정 실시예에서, 튜브는 물체의 유효 단면 직경의 5 %-100 % 범위의 직경을 가질 수 있으며, 예를 들어 5%-20%, 20%-75%, 30%-50%, 75%-96%의 범위, 또는 35%-45%의 범위일 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 물체는 0.5-4m 범위의 베이스 직경을 가질 수 있으며, 예를 들어 1-3 m의 범위, 또는 1-2 m의 범위일 수 있다. 특정 실시예에서, 물체는 마하 6-20 범위의 속도로 유체에서 이동할 수 있으며, 예를 들어 마하 6-15, 마하 6-10, 마하 6-8 범위의 속도, 또는 마하 7-8 범위의 속도일 수 있다. 특정 실시예에서, 가열은 유체 내로 100-750 kJ 범위의 에너지 증착을 포함할 수 있으며; 물체는 0.5-4m 범위의 베이스 직경을 특징으로 할 수 있다. 특정 실시예에서, 물체의 움직임은 극초음속일 수 있다. 특정 실시예에서, 물체는 마하 6-20 범위의 속도로 이동할 수 있으며, 예를 들어 마하 6-15, 마하 6-10, 마하 6-8 범위의 속도, 또는 마하 7-8 범위의 속도일 수 있다. 특정 실시예에서, 가열은 100-200 kJ 범위의 에너지를 물체의 단면적의 제곱미터 당 유체에 증착을 포함할 수 있으며, 예를 들어 125-175의 범위 또는 140-160 kJ의 범위일 수 있다. 특정 실시예에서, 튜브는 물체가 10-20 km 범위의 고도에 있을 때, 예를 들어 12.5-17.5 km, 14-16 km 범위의 고도, 또는 14.5-15.5 km 범위의 고도에 있을 때 물체의 단면적의 1-25 %의 단면적을 가질 수 있으며, 예를 들어 2-15%, 3-10%의 범위, 또는 물체의 단면적의 3.5-4.5% 범위일 수 있다. 특정 실시예에서, 튜브는 물체가 20-40 km 범위의 고도에 있을 때, 예를 들어 25-35 km, 28-32 km 범위의 고도, 또는 29.5-30.5 km 범위의 고도에 있을 때 물체의 단면적의 6.25-56.25 %의 단면적을 가질 수 있으며, 예를 들어 10-40%, 20-30%의 범위, 또는 24-26%의 범위일 수 있다. 특정 실시예에서, 튜브는 물체가 40-60 km 범위의 고도에 있을 때, 예를 들어 40-50 km, 42-48 km 범위의 고도, 또는 44-46 km 범위의 고도에 있을 때 물체의 단면적의 25-225% 범위의 단면적을 가질 수 있으며, 예를 들어 50-200%, 75-150%의 범위, 또는 95-105% 범위일 수 있다. 특정 실시예에서, 물체가 겪는 항력은 단계 (ii)에서 적어도 96% 만큼 감소될 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 물체가 가이드 레일과 접촉할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 물체는 챔버, 튜브 또는 배럴일 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, i) 매개체를 둘러싸는 유체의 일부에 경로를 생성하도록 구성된 필라멘트 레이저; ii) 경로를 따라 에너지를 증착하여 저밀도 영역을 형성하도록 구성된 지향성 에너지 증착 장치; 및 iii) 펄스 폭발 엔진을 포함하는 매개체를 제공할 수 있다. 특정 실시예에서, 다음의 실시예들 중 하나 이상(예를 들어 모두 포함)은 다른 실시예들의 각각 또는 그 부분을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 필라멘트 레이저는 펄스 레이저를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 지향성 에너지 증착 장치는 펄스 전기 방전 발생기를 포함할 수 있다. 특정 실시예는, 예를 들어, ⅳ) 매개체의 소정 부분이 저밀도 영역에 존재하는지 여부를 검출하도록 구성된 센서; 및 v) 지향성 에너지 증착 장치 및 펄스 폭발 엔진에 작동 가능하게 연결된 동기화 제어기를 더 포함할 수 있으며, 상기 동기화 제어기는; a) 경로 생성; 및 b) 경로를 따라 에너지 증착; 및 c) 펄스 폭발 엔진 작동의 상대 타이밍을 동기화하도록 구성된다.
특정 실시예는, 예를 들어, 펄스 추진 매개체를 지향성 에너지 증착 서브어셈블리를 갖도록 개조하는 방법을 제공할 수 있다. 서브어셈블리는 본원의 실시예의 하나 이상을 달성 및/또는 포함하도록 작동할 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, 매개체의 작동 방법을 제공할 수 있으며, 상기 방법은 아래의 단계 (i)-(iv)를 초당 0.1-100회 범위의 속도로 반복을 포함한다: i) 필라멘트 레이저 점화; 동기화하여 ii) 지향성 에너지 증착 장치 방전; 동기화하여 iii) 물체의 적어도 일부를 저밀도 영역으로 지향;과 동기화 된 iv) 매개체의 소정 부분이 저밀도 영역으로 들어갈 때 펄스 폭발 엔진 폭발.
특정 실시예는, 예를 들어, 매개체 후방 근처의 저압 영역에 의해 생성되는 기저 항력을 감소하는 방법을 제공할 수 있으며, 상기 방법은 i) 매개체 전방의 적어도 하나의 경로를 따라 에너지를 충격적으로 증착함으로써, 유체의 부피가 적어도 하나의 경로로부터 변위; 및 ii) 유체의 변위 부피의 일부를 저압 영역으로 지향하여 저압 영역의 압력 증가를 포함한다. 특정한 다른 실시예는, 예를 들어, 펄스 추진 유닛에 의해 추진되는 매개체, 및 펄스 추진 유닛으로부터 추진 펄스 발생을 에너지 증착 장치의 방전과 동기화를 더 포함할 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, 동체의 전방 단면에 대해 유체에 의해 가해진 조파 항력을 감소시키는 방법을 제공할 수 있으며, 상기 동체는 다수의 공기 흡입 노즐을 포함하고, 상기 방법은: i) 유체의 일부를 충격적으로 가열하여 고밀도 영역에 의해 둘러싸인 (예를 들어, 동체의 길이 방향 중심축에 정렬된 또는 실질적으로 정렬된) 저밀도 영역 형성-상기 고밀도 영역은 가열된 유체 부분의 적어도 일부를 포함함; ii) 동체의 제1 부분을 저밀도 영역 내로 지향-상기 동체의 제1 부분은 다수의 공기 흡입 노즐을 제외함; 및 동시에 iii) 동체의 제2 영역을 고밀도 영역 내로 지향-상기 동체의 제2 영역은 적어도 하나의 공기 흡입 노즐을 포함함-을 포함한다.
특정 실시예는, 예를 들어, 유체 내에 저밀도 영역을 형성하는 방법을 제공할 수 있으며, 상기 저밀도 영역은 물체 가까이에 있고, 시스템은: i) 물체로부터 방출되고 유체 내의 하나 이상의 좌표에서 교차하는 다수의 펄스 레이저 빔을 형성하기 위해 레이저 어셈블리가 구비된 지향성 에너지 분산 장치를 사용-상기 하나 이상의 좌표는 물체에 대해 위치됨; 및 ii) 다수의 레이저 빔에 의해 정의된 하나 이상의 경로를 따라 에너지 증착을 포함한다. 특정 실시예에서, 다음의 실시예들 중 하나 이상(예를 들어 모두 포함)은 다른 실시예들의 각각 또는 그 부분을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 에너지 증착은 하나 이상의 경로의 단위 길이 당 소정량의 에너지 증착을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 저밀도 영역은 하나 이상의 경로를 따라 특성 직경을 가질 수 있고, 상기 특성 직경은 하나 이상의 경로의 단위 길이 당 증착된 에너지량의 제곱근에 비례할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 튜브 직경은 상기 특성 직경일 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 특성 직경은 유체의 주변 압력의 역 제곱근에 더 비례할 수 있다. 특정 실시예에서, 튜브 직경은 상기 특성 직경일 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 복수의 펄스 레이저 빔 중 적어도 2개는 소스 레이저 빔을 분할함으로써 형성될 수 있으며, 상기 소스 레이저 빔은 물체의 레이저 서브어셈블리에 의해 생성된다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 유체의 일부는 상기 저밀도 영역과 물체 사이에서 압축될 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 증착된 에너지의 적어도 일부는 적어도 하나의 전극에 의해 전달될 수 있고, 증착된 에너지의 적어도 일부는 적어도 하나의 다른 전극에 의해 회수된다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 물체의 서브어셈블리는 적어도 하나의 전극을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 물체의 서브어셈블리는 적어도 하나의 다른 전극을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 적어도 하나의 전극 및/또는 적어도 하나의 다른 전극은 물체의 표면상의 오목한 공동 내에 위치될 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, 유체 내에 저밀도 영역을 형성하는 방법을 제공할 수 있으며, 상기 저밀도 영역은 물체 가까이에 있고, 시스템은: i) 물체와 함께 입사하는 좌표에서 시작하여 물체로부터 제거된 좌표로 종료하는 시선을 따라 레이저 광선 지향; 및 ii) 레이저 빔에 의해 정의된 경로를 따라 에너지 증착을 포함한다.
특정 실시예는, 예를 들어, 유체 내에 저밀도 영역을 형성하는 방법을 제공할 수 있으며, 상기 방법은: i) 전송 경로 형성-상기 전송 경로는 에너지 증착을 안내하도록 구성됨; 및 ii) 저밀도 영역을 형성하기 위해 전송 경로를 따라 에너지 증착을 포함한다.
특정 실시예에서, 예를 들어, 다음의 실시예들 중 하나 이상(예를 들어 모두 포함)은 다른 실시예들의 각각 또는 그 부분을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 전송 경로는 유체, 예를 들어 대기를 통과할 수 있으며, 및/또는 단단한 표면, 예를 들어 매개체(예컨대, 비행기, 미사일, 기차, 어뢰, 및 다른 고속 매개체)의 표면을 따를 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 방법은 단계 (i)-(ii)를 0.1Hz-100 kHz 범위의 속도로 반복을 포함할 수 있으며, 예를 들어 단계 (i)-(ii)를 1 Hz-80 kHz, 10 Hz-50 kHz, 100 Hz - 20 kHz, 1-10 kHz, 5-10 kHz 범위의 속도로 반복, 또는 단계 (i)-(ii)를 10-30 kHz 범위의 속도로 반복을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 전송 경로 형성은 하나 이상의 에너지원, 예를 들어 하나의 에너지원, 두 개의 에너지원, 세 개의 에너지원, 또는 네 개의 에너지원 방출을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 하나 이상의 방출된 에너지원은 전자기 방사선, 예를 들어 엑스레이, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파, 및/또는 전파; RF 플라즈마 방전; 전류; 전자 빔; 입자 빔; 대전 입자 빔; 전기 방전; 및/또는 코로나 방전을 포함할 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 전자기 방사선은 적어도 하나의 레이저 빔일 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 제1 에너지원, 제2 에너지원, 및/또는 제3 에너지원은 적어도 하나의 지향성 에너지 빔을 포함할 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 전자기 방사선은 적어도 하나의 레이저 빔을 포함할 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 하나 이상의 에너지원은 적어도 하나의 지향성 에너지 빔을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 전송 경로 형성은 레이저 빔 및 전자 빔 방출을 포함한다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 레이저 빔과 전자 빔은 동시에 방출될 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 레이저 빔 및 전자 빔은 순차적으로 방출될 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 하나 이상의 에너지원을 방출하여 전송 경로 형성은 하나 이상의 펄스, 일련의 펄스, 일련의 초단 펄스, 산발적 펄스, 무작위 펄스, 연속 방출에 근접하는 방출, 연속적인 에너지 방출로 방출 및/또는 이들 유형의 방출의 일부 또는 전부의 조합을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 하나 이상의 에너지원을 방출하여 전송 경로 형성은 적어도 하나의 펄스, 예를 들어 1 아토초 내지 1 펨토초 범위, 예를 들어 100 아토초 내지 1 펨토초 범위의 시간 동안 지속하는 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 하나 이상의 에너지원을 방출하여 전송 경로 형성은 적어도 하나의 펄스, 예를 들어 1 펨토초 및 100 나노초 범위의 시간 동안 지속하는, 예를 들어 10 펨토초 내지 20 피코초, 100 펨토초 내지 25 피코초, 100 피코초 내지 20 나노초 범위의 지속 시간, 또는 100 펨토초 내지 30 피코초 범위의 지속 시간 동안 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 하나 이상의 에너지원을 방출하여 전송 경로 형성은 적어도 하나의 펄스, 예를 들어 100 나노초 내지 1 마이크로초 범위의 시간 동안 지속하는, 예를 들어 500 나노초 내지 1 마이크로초 범위의 지속 시간 동안 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 하나 이상의 에너지원을 방출하여 전송 경로 형성은 적어도 하나의 펄스, 예를 들어 1 마이크로초 내지 10 초 범위의 시간 동안 지속하는, 예를 들어 10 마이크로초 내지 1 초 범위의 시간, 또는 100 마이크로초 내지 500 마이크로초 범위의 시간 동안 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 하나 이상의 에너지원을 방출하여 전송 경로 형성은 적어도 하나의 펄스, 예를 들어 10 초 내지 1 분 범위의 시간 동안 지속하는, 예를 들어 20 초 내지 40 초 범위 시간 동안 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 전송 경로 형성은 a) 유체의 특성을 붕괴시키는 제1 에너지원 통과(예를 들어 파 또는 파면과 같은 고밀도 및/또는 고압 영역); b) (예를 들어, 제1 에너지원에 의해 생성된 파 또는 파면을 통해 전체 또는 붕괴를 통해) 붕괴된 유체에 제2 에너지원 도입; 이어서 c) 유체에 제3 에너지원 도입을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 전송 경로 형성은 a) 매개체에 근접한 유체의 정재파를 방해하는 제1 에너지원 방출; b) 유체의 붕괴된 부분을 통해 제2 에너지원 통과; 이어서 c) 유체에 제3 에너지원을 도입하여 전송 경로 형성을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 제1 에너지원은 레이저 빔을 포함할 수 있으며; 제2 에너지원은 전자 빔을 포함할 수 있으며; 제3 에너지원은 레이저 빔을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 붕괴된 유체 특성은 파, 예를 들어 정재파 또는 동적 파, 예를 들어 물체에 인접한 파, 예를 들어 매개체의 움직임에 의해 형성된 파일 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 전송 경로 형성은 a) 유체에 제1 에너지원 도입; 이어서 b) 유체에 제2 에너지원 도입을 포함할 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 제1 에너지원은 레이저 빔 또는 전자 빔일 수 있고, 제2 에너지원은 마이크로파 빔일 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 전송 경로 형성은 전도성 및/또는 이온성 입자 형성을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 증착된 에너지는 하나 이상의 에너지원, 예를 들어 하나의 에너지원, 두 개의 에너지원, 세 개의 에너지원, 또는 네 개의 에너지원을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 증착된 에너지는 전자기 방사선, 예를 들어 엑스레이, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파 및 전파; RF 플라즈마 방전; 전류; 전자 빔; 입자 빔; 대전 입자 빔; 전기 방전; 코로나 방전 및/또는 이들의 조합을 포함하는 하나 이상의 형태의 에너지를 포함할 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 전자기 방사선은 적어도 하나의 레이저 빔을 포함할 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 제1 에너지원, 제2 에너지원 및/또는 제3 에너지원은 적어도 하나의 지향성 에너지 빔을 포함할 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 전자기 방사선은 적어도 하나의 레이저 빔을 포함할 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 하나 이상의 에너지원은 적어도 하나의 지향성 에너지 빔을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 증착된 에너지는 전송 경로를 형성하는데 사용되는 하나 이상의 에너지원보다 적어도 하나의 상이한 형태의 에너지를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 증착된 에너지는 전송 경로를 형성하는데 사용되는 하나 이상의 에너지원보다 적어도 하나의 공통 형태의 에너지를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 증착된 에너지는 하나 이상의 펄스, 일련의 펄스, 일련의 초단 펄스, 산발적 펄스, 무작위 펄스, 연속 증착에 접근하는 증착 또는 연속적인 에너지 증착으로 증착될 수 있다. 특정 실시예에서, 에너지 증착은 적어도 하나의 펄스, 예를 들어 1 아토초 내지 1 펨토초 범위, 예를 들어 100 아토초 내지 1 펨토초 범위의 시간에 대해 지속되는 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 에너지 증착은 적어도 하나의 펄스, 예를 들어 1 펨토초 및 100 나노초 범위의 시간에 대해 지속되는, 예를 들어 10 펨토초 내지 20 피코초, 100 펨토초 내지 25 피코초, 100 피코초 내지 20 나노초 범위의 지속 시간, 또는 100 펨토초 내지 30 피코초 범위의 지속 시간의 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 에너지 증착은 적어도 하나의 펄스, 예를 들어 100 나노초 내지 1 마이크로초 범위의 시간 동안 지속되는, 예를 들어 500 나노초 내지 1 마이크로초 범위의 지속 시간동안 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 에너지 증착은 적어도 하나의 펄스, 예를 들어 1 마이크로초 내지 10 초 범위의 시간 동안 지속되는, 예를 들어 10 마이크로초 내지 1 초 범위의 시간, 또는 100 마이크로초 내지 500 마이크로초 범위의 시간 동안 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 에너지 증착은 적어도 하나의 펄스, 예를 들어 10 초 내지 1 분 범위의 시간 동안 지속되는, 예를 들어 20 초 내지 40 초 범위의 시간 동안 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 전송 경로를 형성하기 위한 하나 이상의 에너지원의 에너지 증착 및 방출은 상이한 시간 스케일에서 발생할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 전송 경로를 형성하기 위한 하나 이상의 에너지원의 에너지 증착 및 방출은 동일한 시간 스케일 또는 거의 동일한 시간 스케일에서 발생할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 에너지 증착은 전송 경로를 형성하기 위한 하나 이상의 에너지원의 방출보다 빠른 시간 스케일로 발생할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 에너지 증착은 전송 경로를 형성하기 위한 하나 이상의 에너지원의 방출보다 느린 시간 스케일로 발생할 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, 대기를 통한 매개체(예를 들어, 운송 매개체, 배달 매개체, 화물 비행기, 초음속 매개체, 극초음속 매개체 또는 고고도 매개체) 추진 방법을 제공할 수 있으며, 방법은: i) 저밀도 영역을 형성하기 위해 매개체의 전방 및/또는 측방의 대기의 일부를 가열-이는 a) 매개체 전방에 개시 영역을 형성-상기 개시 영역은 에너지 증착과 결합하고 흡수하도록 구성됨; b) 저밀도 영역을 형성하기 위해 개시 영역에 에너지 증착을 포함; ii) 물체의 적어도 일부를 저밀도 영역으로 지향;과 동기화 된 iii) 매개체를 추진하는 펄스 추진 유닛에서 반응물을 폭발시킴을 포함한다.
특정 실시예에서, 예를 들어, 다음의 실시예들 중 하나 이상(예를 들어 모두 포함)은 다른 실시예들의 각각 또는 그 부분을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 개시 영역은 매개체와 접촉할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 개시 영역이 매개체와 접촉하지 않을 수 있으며, 예를 들어, 개시 영역은 이동 방향에서 매개체의 전방 위치일 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 개시 영역은 추진된 매개체에 앞서 4 초까지, 예를 들어 매개체에 앞서 3 초, 1 초, 500 밀리초, 10 밀리초 또는 1 밀리초까지 형성될 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 개시 영역은 추진된 매개체에 앞서 1 밀리초 내지 4 초 범위, 예를 들어 10 밀리초 내지 3 초, 50 밀리초 내지 1 초의 범위 내에 형성될 수 있으며, 또는 추진된 매개체에 앞서 100 밀리초 내지 500 밀리초 범위 내에서 형성될 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 대기의 가열된 부분은 추진된 매개체에 앞서 4 초까지, 예를 들어 추진된 매개체에 앞서 3 초, 1 초, 500 밀리초, 10 밀리초, 또는 1 밀리초까지 형성될 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 대기의 가열된 부분은 추진된 매개체에 앞서 1 밀리초 내지 4 초, 예를 들어 10 밀리초 내지 3 초, 50 밀리초 내지 1 초 범위 내에서 형성될 수 있으며, 또는 추진된 매개체에 앞서 100 밀리초 내지 500 밀리초 범위 내에서 형성될 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 개시 영역 형성은 전도성 및/또는 이온성 입자 형성을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 방법은 매개체의 고도의 함수로서 개시 영역을 형성하기 위한 방출 에너지의 적어도 하나의 형태의 선택을 더 포함할 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 선택된 적어도 하나의 방출 에너지의 형태는 매개체가 미리 결정된 임계 고도 아래로 이동할 때 레이저 빔을 포함할 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 선택된 적어도 하나의 방출 에너지의 형태는 매개체가 미리 결정된 임계 고도 이상으로 이동할 때 전자 빔을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 방법은 저밀도 영역을 형성하기 위해 개시 영역에서의 증착 에너지의 적어도 하나의 형태의 선택을 더 포함할 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 선택된 적어도 하나의 증착 에너지의 형태는 매개체가 미리 결정된 임계 속도 이하로 이동할 때 전기 방전을 포함할 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 선택된 적어도 하나의 증착 에너지의 형태는 매개체가 미리 결정된 임계 속도 이상으로 이동할 때 마이크로파 에너지를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 방법은 0.1 Hz-100 kHz 범위의 속도로 단계 (i)-(iii) 반복, 예를 들어 1 Hz-80 kHz, 10 Hz-50 kHz, 100 Hz - 20 kHz, 1-10 kHz, 5-10 kHz 범위의 속도로 단계 (i)-(ii) 반복, 또는 10-30 kHz 범위의 속도로 단계(i)-(iii) 반복을 더 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 개시 영역을 형성하는 단계는 하나 이상의 에너지원, 예를 들어 하나의 에너지원, 두 개의 에너지원, 세 개의 에너지원 또는 네 개의 에너지원 방출을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 하나 이상의 방출된 에너지원은 전자기 방사선, 예를 들어 엑스레이, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파 및 전파; RF 플라즈마 방전; 전류; 전자 빔; 입자 빔; 대전 입자 빔; 전기 방전; 코로나 방전으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 전자기 방사선은 적어도 하나의 레이저 빔일 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 제1 에너지원, 제2 에너지원 및/또는 제3 에너지원은 적어도 하나의 지향성 에너지 빔을 포함할 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 전자기 방사선은 적어도 하나의 레이저 빔을 포함할 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 하나 이상의 에너지원은 적어도 하나의 지향성 에너지 빔을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 개시 영역 형성은 레이저 빔 및 전자 빔 방출을 포함한다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 레이저 빔 및 전자 빔은 동시에 방출될 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 레이저 빔 및 전자 빔은 순차적으로 방출될 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 개시 영역을 형성하기 위하여 하나 이상의 에너지원 방출은 하나 이상의 펄스, 일련의 펄스, 일련의 초단 펄스, 산발적 펄스, 무작위 펄스, 연속 방출에 접근하는 방출 또는 연속적인 에너지 방출을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 개시 영역을 형성하기 위하여 하나 이상의 에너지원 방출은 적어도 하나의 펄스, 예를 들어 1 아토초 내지 1 펨토초 범위, 예를 들어 100 아토초 내지 1 펨토초 범위의 시간에 대해 지속되는 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 개시 영역을 형성하기 위하여 하나 이상의 에너지원 방출은 적어도 하나의 펄스, 예를 들어 1 펨토초 및 100 나노초 범위의 시간에 대해 지속되는, 예를 들어 10 펨토초 내지 20 피코초, 100 펨토초 내지 25 피코초, 100 피코초 내지 20 나노초 범위의 지속 시간, 또는 100 펨토초 내지 30 피코초 범위의 지속 시간의 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 개시 영역을 형성하기 위하여 하나 이상의 에너지원 방출은 적어도 하나의 펄스, 예를 들어 100 나노초 내지 1 마이크로초 범위의 시간 동안 지속되는, 예를 들어 500 나노초 내지 1 마이크로초 범위의 지속 시간 동안 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 개시 영역을 형성하기 위하여 하나 이상의 에너지원 방출은 적어도 하나의 펄스, 예를 들어 1 마이크로초 내지 10 초 범위의 시간 동안 지속되는, 예를 들어 10 마이크로초 내지 1 초 범위의 시간, 또는 100 마이크로초 내지 500 마이크로초 범위의 시간 동안 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 개시 영역을 형성하기 위하여 하나 이상의 에너지원 방출은 적어도 하나의 펄스, 예를 들어 10 초 내지 1 분 범위의 시간 동안 지속되는, 예를 들어 20 초 내지 40 초 범위의 시간 동안 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 증착된 에너지는 하나 이상의 에너지원, 예를 들어 하나의 에너지원, 두 개의 에너지원, 세 개의 에너지원 또는 네 개의 에너지원을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 증착된 에너지는 전자기 방사선, 예를 들어 엑스레이, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파 및 전파; RF 플라즈마 방전; 전류; 전자 빔; 입자 빔; 대전 입자 빔; 전기 방전; 코로나 방전으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 형태의 에너지를 포함할 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 전자기 방사선은 적어도 하나의 레이저 빔일 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 제1 에너지원, 제2 에너지원 및/또는 제3 에너지원은 적어도 하나의 지향성 에너지 빔을 포함할 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 전자기 방사선은 적어도 하나의 레이저 빔을 포함할 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 예를 들어, 하나 이상의 에너지원은 적어도 하나의 지향성 에너지 빔을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 증착된 에너지는 개시 영역을 형성하는데 사용된 하나 이상의 에너지원보다 적어도 하나의 상이한 형태의 에너지를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 증착된 에너지는 개시 영역을 형성하는데 사용된 하나 이상의 에너지원보다 적어도 하나의 공통된 형태의 에너지를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 증착된 에너지는 하나 이상의 펄스, 일련의 펄스, 일련의 초단 펄스, 산발적 펄스, 무작위 펄스, 연속 증착에 접근하는 증착 또는 연속적인 에너지 증착에서 증착될 수 있다. 특정 실시예에서, 에너지 증착은 적어도 하나의 펄스, 예를 들어 1 아토초 내지 1 펨토초 범위, 예를 들어 100 아토초 내지 1 펨토초 범위의 시간에 대해 지속되는 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 에너지 증착은 적어도 하나의 펄스, 예를 들어 1 펨토초 및 100 나노초 범위의 시간에 대해 지속되는, 예를 들어 10 펨토초 내지 20 피코초, 100 펨토초 내지 25 피코초, 100 피코초 내지 20 나노초 범위의 지속 시간, 또는 100 펨토초 내지 30 피코초 범위의 지속 시간의 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 에너지 증착은 적어도 하나의 펄스, 예를 들어 100 나노초 내지 1 마이크로초 범위의 시간 동안 지속되는, 예를 들어 500 나노초 내지 1 마이크로초 범위의 지속 시간동안 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 에너지 증착은 적어도 하나의 펄스, 예를 들어 1 마이크로초 내지 10 초 범위의 시간 동안 지속되는, 예를 들어 10 마이크로초 내지 1 초 범위의 시간, 또는 100 마이크로초 내지 500 마이크로초 범위의 시간 동안 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 에너지 증착은 적어도 하나의 펄스, 예를 들어 10 초 내지 1 분 범위의 시간 동안 지속되는, 예를 들어 20 초 내지 40 초 범위의 시간 동안 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 개시 영역을 형성하기 위한 하나 이상의 에너지원의 에너지 증착 및 방출은 상이한 시간 스케일에서 발생할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 개시 영역을 형성하기 위한 하나 이상의 에너지원의 에너지 증착 및 방출은 동일한 시간 스케일 또는 거의 동일한 시간 스케일에서 발생할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 에너지 증착은 개시 영역을 형성하기 위한 하나 이상의 에너지원의 방출보다 빠른 시간 스케일로 발생할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 에너지 증착은 개시 영역을 형성하기 위한 하나 이상의 에너지원의 방출보다 느린 시간 스케일로 발생할 수 있다.
특정 실시예에서, 예를 들어, 특정 레이저 어셈블리는 유체 내에서 에너지 증착을 위한 경로를 형성하기 위하여 효과적이지 않거나, 또는 감소된 유효성을 가질 수 있다. 예를 들어 유체가 임계 압력 및/또는 밀도보다 작을 때 및/또는 매개체가 임계 속도 및/또는 고도를 초과하여 작동할 때 레이저 어셈블리는 효과적이지 않을 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 특정 레이저 구성이 완전히 효과적이지 않을 때, 예를 들어, 입자 빔, 예를 들어 전자 빔이 단독으로 또는 레이저 빔과 같은 다른 에너지원과 조합하여 에너지 증착을 위한 경로를 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 장치, 예를 들어 매개체가 감소된 유효성을 검출하는 센서를 포함할 수 있으며, 장치는 레이저 구성의 사용으로부터 경로 형성의 효과를 증가시키기 위해 전자 빔(또는 에너지원들의 조합)의 사용으로 전환하도록 구성된 제어기를 더 포함할 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, 트랙 어셈블리에 결합된 지상 매개체(예를 들어 열차, 자기 부상, 고속 열차, 초고속 열차 및 하이퍼 루프 열차)의 추진 방법을 제공할 수 있으며, 방법은: i) 지상 매개체 내에 전기 에너지 저장소 축적; ii) 지상 매개체로부터 전기 에너지의 적어도 일부분을 트랙 어셈블리의 전도성 부분으로 충격적으로 방출하여, 방출된 전기 에너지에 근접한 공기의 일부분이 팽창하여 고밀도 영역으로 둘러싸인 저밀도 영역을 형성-상기 부분은 지상 매개체의 동체 앞쪽에 위치 됨; iii) 물체의 적어도 일부를 저밀도 영역으로 지향;과 동기화 된 iv) 물체를 추진하는 펄스 추진 장치에서 반응물을 폭발시킴을 포함한다. 특정 실시예에서, 다음의 실시예들 중 하나 이상(예를 들어 모두 포함)은 다른 실시예들의 각각 또는 그 부분을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 전기 에너지 저장소는 트랙 어셈블리의 하나 이상의 부스터 서브어셈블리로부터 지상 매개체로 충격적일 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 지상 매개체는 자기적으로 부상될 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, 지상 매개체 운송 시스템(예를 들어 열차, 자기 부상, 고속 열차, 초고속 열차 및 하이퍼 루프 열차)을 제공할 수 있으며, 이는 i) a) 트랙; b) 전기 공급 장치를 포함하는 트랙 어셈블리; ii) 전기 공급 장치의 일부를 수용하여 저장하도록 구성된 저장 장치, 예를 들어 커패시터; ⅲ) 적어도 하나의 경로를 생성하도록 구성된 레이저-상기 경로는 지상 매개체의 동체에 존재하는 하나 이상의 전극을 트랙 어셈블리의 일부와 연결하고, 트랙 어셈블리의 상기 부분은 매개체의 전방에 위치됨; iv) 적어도 하나의 경로를 따라 저장된 전기 공급 장치의 일부를 증착하도록 구성된 지향성 에너지 증착 장치; 및 ⅴ) 전기 공급 장치의 일부의 수신, 적어도 하나의 경로의 생성 및 저장된 전기 공급 장치의 일부의 증착을 동기화하도록 구성된 제어기를 포함한다.
특정 실시예는, 예를 들어, 항력을 감소하도록 지상 매개체(예를 들어 열차, 자기 부상, 고속 열차, 초고속 열차 및 하이퍼 루프 열차)을 개조하는 방법을 제공할 수 있으며, 이는 지향성 에너지 증착 서브어셈블리 설치를 포함하고, 서브어셈블리는 지상 매개체의 전원 공급 장치로부터 에너지를 수신하고 상기 에너지를 매개체의 동체와 동체의 전방에 위치된 지상 좌표를 연결하는 경로 상에 증착하도록 구성된다.
특정 실시예는, 예를 들어, 유체를 포함하는 배럴(예를 들어, 총기 및 레일 건과 관련된 배럴) 내의 물체의 추진 방법을 제공할 수 있으며, 방법은: i) 유체의 적어도 일부를 가열; ⅱ) 배럴로부터 유체의 적어도 일부를 배출하여 배럴 내에 저밀도 영역을 형성; 이어서 iii) 물체에 근접한 반응물을 점화 및/또는 폭발시킴을 포함한다.
특정 실시예에서, 다음의 실시예들 중 하나 이상(예를 들어 모두 포함)은 다른 실시예들의 각각 또는 그 부분을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 반응물은 폭발성 충전물 및/또는 추진체(예를 들어, 화학적 추진체)일 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 반응물은 물체에 부착될 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 유체는 공기일 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 유체의 적어도 일부는 전기 방전, 예를 들어 배럴의 내경을 따라 또는 근처에 위치된 두 개의 전극 (예를 들어, 절연된 전극) 사이의 전기 아크에 의해 가열될 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 유체의 적어도 일부는 화학적 반응물의 점화에 의해 가열될 수 있다. 특정 실시예에서, 화학적 반응물은 물체에 부착되거나 물체와 함께 위치될 수 있다. 특정 실시예에서, 화학적 반응물은 전기 펄스에 의해 점화될 수 있다. 특정 실시예에서, 전기 펄스는 물체에 의해 공급될 수 있다. 특정 실시예에서, 전기 펄스는 압전 생성기에 의해 공급될 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 유체는 가스일 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 유체는 공기일 수 있다. 특정 실시예에서, 유체는 액체일 수 있다. 특정 실시예에서, 유체는 압축성일 수 있다. 특정 실시예에서, 유체는 비압축성일 수 있다. 특정 실시예에서, 유체의 가열된 부분은 가열되어 상변화를 겪을 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 유체의 일부는 화학적 반응물의, 예를 들어 전기 펄스에 의한 점화 및/또는 폭발에 의해 가열될 수 있다. 특정 실시예에서, 전기 펄스는 물체에 의해, 예를 들어 물체 내에 부분적으로 또는 완전히 포함된 메커니즘에 의해 공급될 수 있다. 특정 실시예에서, 전기 펄스는 압전 생성기에 의해, 예를 들어 물체 내에 부분적으로 또는 완전히 포함된 압전 생성기에 의해 공급될 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 물체는 발사체, 예를 들어 탄환일 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 배럴은 총기의 구성요소 또는 레일 건의 구성요소일 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 가열은 유체의 가열된 부분의 점성을 줄일 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 유체의 적어도 일부는 5-120 J 범위의 에너지, 예를 들어 10-100 J, 10-30 J, 25-75 J 범위의 에너지, 또는 25-50 J 범위의 에너지를 갖는 전기 방전에 의해 가열될 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 방법은 배럴로부터의 물체 발사를 더 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 물체는 발사체일 수 있다. 특정 실시예에서, 배럴은 구성요소, 예를 들어 레일 건의 구성요소일 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 생성되는 음향 특징의 양은 일반적인 .30-06 소총, 일반적인 300 매그넘 소총, 이륙시의 제트 엔진, 및/또는 M2 곡사포에 비해 적어도 10% 이하, 예를 들어 10% 및 50% 사이 이하, 적어도 25%, 50% 또는 적어도 75% 이하 음향 특징일 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 생성되는 음향 특징의 양은 300 dB 이하, 예를 들어, 50 dB 및 150 dB 사이, 250 dB, 200 dB, 175 dB, 150 dB 이하, 또는 125 dB 이하일 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, 발사체를 전달하는 방법을 제공할 수 있으며, 이는: i) 배럴의 내경 안으로 발사체를 작동 가능하게 수용할 수 있는 함몰부를 포함하는 배럴; ii) 내경 내부 및/또는 근방에 위치되며 내경 내에 존재하는 유체의 일부를 배출하도록 구성된 펄스 가열 시스템을 포함하는 배럴 클리어링 시스템; 및 iii) 발사체 발사 시스템을 포함한다.
다음의 실시예들 중 하나 이상(예를 들어 모두 포함)은 다른 실시예들의 각각 또는 그 부분을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 펄스 가열 시스템은 함몰부 근처에 위치할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 펄스 가열 시스템은 화학적 추진체를 더 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 화학적 추진체는 발사체에 통합되거나 및/또는 발사체를 수용하는 카트리지에 통합될 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 펄스 가열 시스템은 내경 내에 적어도 하나의 경로를 따라 에너지를 증착하도록 구성될 수 있는 펄스 전기 방전 생성기를 더 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 펄스 가열 시스템은 적어도 하나의 경로를 생성하도록 구성될 수 있는 펄스 필라멘트 레이저를 더 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 펄스 필라멘트 레이저는 발사체 근처 및/또는 발사체를 수용하는 카트리지에 통합된 화학적 추진체에 의해 구동될 수 있다. 특정 실시예에서, 펄스 필라멘트 레이저는 발사체에 통합되거나 및/또는 발사체를 수용하는 카트리지에 통합될 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, 배럴 클리어링 시스템의 작동과 발사체 발사 시스템의 작동의 상대적인 타이밍을 제어하도록 구성될 수 있는 동기화 제어기를 더 포함할 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, 지향성 에너지 증착 서브어셈블리의 설치를 포함하는 발사체 전달 시스템의 개장 방법을 제공할 수 있으며, 상기 서브어셈블리는 발사체 전달 시스템의 배럴의 내경으로 에너지를 증착하도록 구성된다.
특정 실시예는, 예를 들어, 배럴 클리어링 시스템을 구비한 배럴의 내경을 통해 발사체를 추진하는 방법을 제공할 수 있으며, 이는: i) 배럴 클리어링 시스템을 작동하여 내경으로부터 유체의 일부를 배출; 수 밀리초 이후에 이어서 ii) 발사체 발사 시스템 개시를 포함한다.
특정 실시예는, 예를 들어, 배럴에 클리어링 시스템을 구비함에 의하여 발사체의 음향 특징을 줄이는 방법을 제공할 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, 장벽, 예를 들어 문을 뚫을 수 있도록 구성된 총(때로 브리칭 건으로 지칭됨)을 제공할 수 있으며, 상기 총은: i) 포트가 있는(ported) 배럴-상기 배럴은 배럴의 내경 내로 샷건 카트리지를 작동 가능하게 수용할 수 있는 함몰부를 포함; ii) 배럴 클리어링 시스템-상기 배럴 클리어링 시스템은 내경 내에 위치하는 펄스 가열 시스템을 포함하며, 상기 펄스 가열 시스템은 내경 내에 존재하는 유체의 적어도 일부를 배출하도록 구성됨; 및 iii) 발사 시스템을 포함한다.
특정 실시예는, 예를 들어, 브리칭 건 내부에서 사용하도록 구성된 총기 카트리지를 제공할 수 있으며, 이는: i) 배럴의 후방 부분에 근접한 추진체-상기 추진체는 또한 적어도 하나의 발사체에도 근접함; ii) 지향성 에너지 증착 장치, 예를 들어 추진체 반대편의 적어도 하나의 발사체에 근접하게 위치된 사전 추진제-상기 지향성 에너지 증착 장치는 사전 추진제의 점화시 초기에 대기 상태인 가스의 적어도 98 %를 총신으로부터 배출하도록 구성됨; 및 iii)추진체의 폭발 전에 지향성 에너지 증착 장치의 작동을 동기화하도록 구성된 발사 시스템 커플러를 포함한다. 특정 실시예에서, 다음의 실시예들 중 하나 이상(예를 들어 모두 포함)은 다른 실시예들의 각각 또는 그 부분을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 발사 시스템 커플러는 총의 발사 시스템에 작동 가능하게 연결된 사전 추진체 프라이밍 충전(pre-propellant priming charge)을 더 포함할 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, 매개체(예를 들어, 군용 차량, 장갑 차량, 험비(humvee), 장갑 승용 차량, 승용차, 기차 및/또는 광산 스위퍼) 하부 구조에 접근하는 충격파를 수정하는 방법을 제공할 수 있으며, 상기 매개체는 하부 표면과 접촉하고 유체 내에 존재하고, 상기 방법은: i) 상기 경로로부터 외측으로 팽창하는 가열된 유체의 적어도 하나의 부피를 형성하기 위해 적어도 하나의 경로를 따라 유체의 일부를 가열-상기 경로는 하부 구조와 하부 표면 사이로 이어짐; 및 ii) 상기 충격파를 변형시키기 위한 가열을 타이밍을 포함한다.
특정 실시예에서, 다음의 실시예들 중 하나 이상(예를 들어 모두 포함)은 다른 실시예들의 각각 또는 그 부분을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 충격파에 의해 매개체에 가해지는 총 모멘텀이 적어도 10% 만큼, 예를 들어 적어도 20%, 30%, 40% 만큼, 또는 적어도 50% 만큼 감소될 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 충격파의 결과로서 매개체가 겪는 평균 가속도는 적어도 40 % 만큼, 예를 들어 적어도 50%, 60%, 70%, 또는 적어도 80% 감소될 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 유체의 일부는 전기 방전에 의해 가열될 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 유체의 일부는 적어도 3 P V의 에너지 유닛을 증착함에 의해 가열될 수 있으며, 여기에서 P는 유체의 주변 압력이고, V는 하부 구조와 하부 표면 사이에 존재하는 유체의 부피이다.
특정 실시예는, 예를 들어, 표면에 접근하는 폭발 파를 변형하는 방법을 제공할 수 있으며, 상기 방법은: i) 표면의 일부분을 가열하여 표면에 적어도 하나의 구멍을 형성; 및 ii) 폭발 파가 표면으로부터 유출되기 전에 적어도 하나의 구멍이 형성되도록 가열을 타이밍을 포함한다.
특정 실시예에서, 다음의 실시예들 중 하나 이상(예를 들어 모두 포함)은 다른 실시예들의 각각 또는 그 부분을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 표면의 일부는 표면 상에 에너지를 증착하여 가열될 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 표면 상에 증착되는 에너지의 양은 1 kJ-10 MJ 범위 내, 예를 들어 10 kJ-1 MJ, 100-750 kJ 범위 내, 또는 200 kJ 내지 500 kJ 범위 내일 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 표면은 포장, 토양, 및/또는 매개체 하부 구조 밑에 존재하는 커버링일 수 있다. 특정 실시예에서, 표면의 일부는, 표면 상에, 하부 구조와 표면 사이에 존재하는 부피의 세제곱미터 당 200-500 kJ 범위 내, 예를 들어 250-400 kJ 범위 내, 또는 300-350 kJ 범위 내의 에너지량을 증착함에 의해 가열될 수 있다. 특정 실시예에서, 폭발 파는 100-500 MJ의 범위 내, 예를 들어 200-400 MJ의 범위 내의 에너지를 가질 수 있다. 특정 실시예에서, 증착된 에너지량은 폭발 파로부터 매개체로 전달되는 에너지를 증착된 에너지량의 적어도 10배, 예를 들어 적어도 20 배, 50 배, 100 배, 또는 증착된 에너지량의 적어도 200 배만큼 감소시킬 수 있다. 특정 실시예에서, 폭발 파의 결과로서 매개체에 가해지는 순 가속도는 적어도 10 %, 예를 들어 적어도 20%, 30%, 40%, 또는 적어도 50% 감소될 수 있다. 특정 실시예에서, 표면의 일부는 매개체로부터의 전기 방출에 의해 가열될 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, 매개체(예를 들어, 군용 차량, 장갑 차량, 험비, 장갑 승용 차량, 승용차, 기차 및/또는 광산 스위퍼) 하부 구조에 접근하는 폭발 가스를 완화하는 방법을 제공할 수 있으며, 상기 매개체는 유체에 존재하고, 상기 방법은: i) 적어도 하나의 경로를 따라 유체의 일부를 가열하여 적어도 하나의 저밀도 채널 형성-상기 경로는 하부 구조로부터 매개체의 바깥 쪽 외부까지 이어짐; 및 ii) 적어도 하나의 저밀도 채널이 폭발 가스의 적어도 일부를 수용하도록 가열을 타이밍을 포함한다.
특정 실시예는, 예를 들어, 폭발 완화 장치를 구비한 매개체를 제공할 수 있으며, 상기 폭발 완화 장치는: i) 매개체의 하부 구조 아래의 초기 폭발 파를 검출하도록 구성된 센서; ii) 적어도 하나의 경로를 따라 에너지를 증착하도록 구성된 지향성 에너지 증착 장치-상기 적어도 하나의 경로는 매개체의 하부 구조 아래에 위치됨; 및 iii) 초기 폭발 파의 검출에 대해 지향성 에너지 증착 장치의 작동을 타이밍하도록 구성된 동기화 제어기를 포함한다. 특정 실시예에서, 다음의 실시예들 중 하나 이상(예를 들어 모두 포함)은 다른 실시예들의 각각 또는 그 부분을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 상기 에너지 증착은 적어도 하나의 경로를 따라 유체의 일부를 가열하여 경로로부터 외측으로 팽창된 적어도 하나의 부피의 가열된 유체를 형성하도록 구성될 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 상기 에너지 증착은 매개체의 하부 구조 아래에 위치한 표면에 적어도 하나의 구멍을 형성하도록 구성될 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, 폭발 완화 장치를 구비한 매개체(예를 들어, 군용 차량, 장갑 차량, 험비, 장갑 승용 차량, 승용차, 기차 및/또는 광산 스위퍼)을 제공할 수 있으며, 상기 폭발 완화 장치는 i) 매개체의 하부 구조 아래의 초기 폭발 파를 검출하도록 구성된 센서; ii) 적어도 하나의 경로를 따라 에너지를 증착하도록 구성된 지향성 에너지 증착 장치-상기 적어도 하나의 경로는 매개체의 하부 구조 아래에 위치됨; 및 iii) 초기 폭발 파의 검출에 대해 지향성 에너지 증착 장치의 작동을 타이밍하도록 구성된 동기화 제어기를 포함한다.
특정 실시예는, 예를 들어, 폭발 완화 장치를 구비한 매개체(예를 들어, 군용 차량, 장갑 차량, 험비, 장갑 승용 차량, 승용차, 기차 및/또는 광산 스위퍼)으로 즉석 폭발 장치로부터의 폭발을 완화시키는 방법을 제공할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 즉석 폭발 장치는 매립될 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, 지향성 에너지 증착 서브어셈블리의 설치를 포함하는 폭발을 견딜 수 있도록 매개체를 개장하는 방법을 제공할 수 있으며, 상기 서브어셈블리는 매개체의 하부 구조 아래에 에너지를 증착하도록 구성된다.
특정 실시예는, 예를 들어, 표면에 스프레이를 초음속으로 증착하는 방법을 제공할 수 있으며, 상기 방법은: i) 유체를 통해 적어도 하나의 레이저 펄스를 표면 상으로 지향시켜 유체를 통과하는 적어도 하나의 경로를 형성-상기 적어도 하나의 경로는 초음속 스프레이 노즐 및 표면 사이에 위치됨; ii) 경로를 따라 일정량의 전기 에너지를 방출하여 저밀도 튜브를 형성; 수 마이크로초 이후에 이어서 iii) 분말, 미립자 및/또는 분무화된 또는 에어로졸화된 재료를 초음속 스프레이 노즐로부터 저밀도 튜브 내로 방출을 포함한다. 특정 실시예에서, 다음의 실시예들 중 하나 이상(예를 들어 모두 포함)은 다른 실시예들의 각각 또는 그 부분을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 단계 (i)-(iii)는 0.1 Hz-100 kHz 범위 내의 속도로 반복될 수 있으며, 예를 들어 1 Hz-80 kHz, 10 Hz-50 kHz, 100 Hz - 20 kHz, 1-10 kHz, 5-10 kHz 범위 내의 속도로 반복될 수 있고, 또는 10-30 kHz범위 내의 속도로 반복될 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, 스프레이 증착 장치를 제공할 수 있으며, 이는: i) 미립자 및/또는 분무화된 물질을 표면 상에 분사하도록 구성된 노즐; ii) 적어도 하나의 경로를 생성하도록 구성된 펄스 필라멘트 레이저-상기 경로는 노즐과 표면 사이에 위치됨; ⅲ) 저밀도 튜브를 형성하기 위하여 적어도 하나의 경로를 따라 에너지를 증착하도록 구성된 펄스 전기 방전 생성기; 및 iv) 적어도 하나의 경로 생성, 에너지 증착, 및 분사의 상대 타이밍을 동기화하도록 구성된 동기화 제어기를 포함한다. 특정 실시예에서, 다음의 실시예들 중 하나 이상(예를 들어 모두 포함)은 다른 실시예들의 각각 또는 그 부분을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 스프레이는 초음속 스프레이일 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, 스프레이 증착 장치를 이용한 물리적 기상 증착 방법을 제공할 수 있다. 특정 실시예는, 예를 들어, 금속 표면에 금속 분말 증착을 포함할 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, 스프레이 증착 장치로 분사 연마(abrasive blasting)하는 방법을 제공할 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, 지향성 에너지 증착 서브어셈블리의 설치를 포함하는 초음속 스프레이 장치의 개장 방법을 제공할 수 있으며, 상기 서브어셈블리는 스프레이 장치의 노즐과 표면을 연결하는 경로 상에 에너지를 증착하도록 구성된다.
특정 실시예는, 예를 들어, 직물을 형성하기 위한 단속 직조기 또는 직기(예를 들어, 에어 제트 직조기, 워터 제트 직조기, 셔틀 직기, 베틀 직기 및/또는 고속 직기)의 작동 방법을 제공할 수 있으며, 상기 에어 제트 직조기는 씨실을 수용하도록 구성되고 날실 스팬을 형성하도록 더 구성되며, 상기 방법은 씨실이 스팬을 통과하도록 저밀도 가이드 경로를 형성하기 위한 에너지 증착을 포함한다.
특정 실시예에서, 다음의 실시예들 중 하나 이상(예를 들어 모두 포함)은 다른 실시예들의 각각 또는 그 부분을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 에너지 증착은 씨실 1mm 직경 당 가이드 경로 10cm 당 5-50mJ 범위 내의 증착, 예를 들어 5-8 mJ, 8-10 mJ, 10-15 mJ, 15-20 mJ, 20-30 mJ, 30-40 mJ 범위 내 또는 40-50 mJ 범위 내, 또는 적어도 8 mJ, 적어도 20 mJ, 또는 적어도 40 mJ의 증착을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 씨실은 0.1-1 mm 범위 내의 직경, 예를 들어 0.25-0.75 mm 범위 내의 직경, 또는 0.6 mm의 직경과 같이 0.5-0.7 mm 범위 내의 직경을 가질 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 씨실은 100-500 m/s 범위 내의 속도, 예를 들어 200-400 m/s 범위 내의 속도, 또는 적어도 200 m/s의 속도, 예를 들어 적어도 250 m/s, 300 m/s의 속도, 또는 적어도 350 m/s의 속도로 가이드 경로를 통해 이동할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 씨실은 마하 0.1 이상의 범위 내의 속도, 예를 들어 마하 0.3, 마하 0.8, 마하 1 이상의 속도, 또는 마하 1.5 이상의 속도로 가이드 경로를 통해 이동할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 직물은 분당 500-60,000 픽크 사이 범위의 속도, 예를 들어 분당 2000-50,000 픽크, 분당 8,000-30,000 픽크, 또는 분당 15,000-25,000 픽크 범위 내의 속도로 형성될 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 가이드 경로는 원통형일 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, 씨실을 고압 공기의 버스트로 저밀도 가이드 경로로 추진을 더 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 고압 공기의 버스트는 상기 에너지 증착과 동기화될 수 있다. 특정 실시예에서, 저밀도 가이드 경로는 고압 공기의 버스트의 하류에 형성될 수 있다.
특정 실시예에서, 다음의 실시예들 중 하나 이상(예를 들어 모두 포함)은 다른 실시예들의 각각 또는 그 부분을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 추가의 저밀도 가이드 경로를 형성하기 위하여 에너지의 추가 부분이 부스터 공기 공급의 하류에 증착될 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 씨실은 일정량의 물로 적셔질 수 있다. 특정 실시예에서, 일정량의 물의 적어도 일부는 상기 저밀도 가이드 경로에서 증발할 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, 직조기(예를 들어, 에어 제트 직조기, 단속 에어 제트 직조기, 워터 제트 직조기, 셔틀 직기, 베틀 직기 및/또는 고속 직기)를 제공할 수 있으며, 에어 제트 직조기는 직물을 제조하도록 구성되고, 상기 직조기는: i) 슬레이(sley) 상에 장착된 복수의 프로파일 리드(reed)를 포함하고, 날실 셰드(warp shed)를 형성하도록 구성되는 장치; ⅱ) 지향성 에너지 증착 어셈블리-상기 어셈블리는 상기 날실 셰드를 가로질러 저밀도 가이드 경로를 생성하도록 구성됨; 및 ⅲ) 가압 공기 공급 장치와 연통하는 씨실 노즐-상기 씨실 노즐은 저밀도 가이드 경로를 통해 씨실의 일부를 추진하도록 구성됨-을 포함한다. 특정 실시예에서, 다음의 실시예들 중 하나 이상(예를 들어 모두 포함)은 다른 실시예들의 각각 또는 그 부분을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 상기 날실 셰드는 길이가 3-30 m 범위 내, 예를 들어 4-4.5 m, 4.5-6 m, 6-8 m, 8-10 m, 5-25 m 범위 내, 또는 길이가 10-20 m 범위 내일 수 있다.
특정 실시예는, 예를 들어, 지향성 에너지 증착 서브어셈블리 설치를 포함하며, 상기 서브어셈블리는 직기의 실 공급 노즐을 직기의 반대측에 위치하는 전극과 연결시키고 복수의 프로파일 리드의 프로파일들을 통과하는 경로 상에 에너지를 증착하도록 구성되는 직조기(예를 들어, 에어 제트 직조기, 워터 제트 직조기, 셔틀 직기, 베틀 직기 및/또는 고속 직기)의 개장 방법을 제공할 수 있다.
도 1a 및 1b. 고속으로 물을 통해 전파하려는 탄환(1a)의 비효율을 물이 그 길에서 벗어나 옆으로 움직인 후에 쉽게 전파하는 동일한 탄환(1b)과 대조하는 개략도. 큰 힘을 사용하는 접근법에서 탄환의 에너지는 매우 빠르게 물에 전달(및 물질 변형)된다. 우리의 접근법에서, 탄환은 훨씬 더 약한 힘을 통해 주위와 상호 작용하면서 훨씬 더 먼 거리로 전파된다.
도 2a 및 2b. 강한 전기 방전은 표면 상에 임의의 형상을 따라 에너지를 증착하는데 사용될 수 있으며, 여기서는 (2a) 반원형 경로 및 (2b) 직선으로 예시된다.
도 3a-3c. 슐리렌(schlieren) 이미지의 타임 시퀀스로서, 폭발(초음속 충격)파가 고온, 저밀도 가스 영역(왼쪽(3a) 및 중심 (3b) 이미지)을 밀어서 개방하여, 결과적으로 마하 1로 강도가 감소한 후에 음속으로 멀리 전파되는 충격파를 따라 에너지가 증착되고(오른쪽 이미지, (3c)), 더 이상 저밀도 영역을 구동/밀어서 개방할 수 없다.
도 4. 기체 분자를 이온화하기에 충분한 세기로 공기 중의 한 지점에 강렬한 레이저 펄스를 집중시킴으로써 유체 반응에 비하여 효과적으로 충격적으로 공기 중에 에너지가 증착된다.
도 5. 음영 그래프 화상이 도 4에 나타난 것과 같은 레이저 "스파크"로부터의 폭발 파가, 저밀도 가스의 영역을 개방하여, 주변 가스 내에서 저밀도 영역으로서 연장된 기간 동안 존재하는 것을 도시한다.
도 6. 레이저 필라멘트는 초단파 레이저 펄스의 경로를 따라 직선형 이온화 채널을 생성한다.
도 7a 및 7b. 초단파 레이저 펄스의 레이저 필라멘트는 (7b) 직선 경로를 따라 전기 방전을 정밀하게 트리거하고 안내하는 데 사용할 수 있는 데 비해, (7a) 일반적으로 공간 및 시간적 측면에서 제어하기 어려운 방전이다.
도 8. 훨씬 더 큰 튜브를 대신할 수 있는 매우 작은 저밀도 "튜브"가 여기에 묘사된다.
도 9a 및 9b. 시험 판 아래의 폭발에 의해 가해진 총 힘(9a) 및 임펄스(9b)를 매개체 아래의 상이한 초기 밀도(주위 밀도의 100 %, 10 % 및 7.5 %)에 대해 시간의 함수로 나타낸다.
도 10. 육상 매개체 아래의 제한된 공간으로부터 고압 가스를 신속하게 채널화하기 위한 매개체의 표면을 따른 전도성 경로의 개념도.
도 11. 원뿔의 정체(stagnation) 선을 따라 상류로 에너지를 증착함으로써 생성된 저밀도 튜브를 통해 원뿔이 이동할 때, 원뿔 상의 항력이 현저하게 감소된다. 그래프의 문자는 그 옆의 세로선에 의해 표시되는 시간에 해당하며, 도 14에서 유사하게 라벨링된 프레임에 해당한다.
도 12. 도 13에 나타난 연구 결과에 대해 변화된 매개변수는 다음을 포함한다: 4개의 마하수 -> M = 2,4,6,8; 세 개의 원뿔 반각 -> 15 °, 30 °, 45 °; 및 4 개의 저밀도 "튜브" 지름 -> 원뿔 밑면 직경의 25 %, 50 %, 75 % 및 100 %.
도 13. 원뿔 밑면 직경의 25 %, 50 %, 75 % 및 100 %의 직경을 갖는 튜브를 통해 마하 2,4,6,8에서 전파하는 15/30/45도 원뿔에 대한 항력 감소 및 투입된 에너지에 대한 수익을 나타내는 그래프이다. 일부 경우에서, 거의 모든 항력이 제거되며, 모든 경우에서 "튜브"를 개방하는 데 필요한 에너지는 항력 감축으로 절약되는 에너지보다 적어서, 원뿔 앞에 증착된 에너지에 대해 최대 65배의 수익을 나타낸다.
도 14a-14d. 도 11에 표시된 시간에 대응하는 시간에 획득된 밀도 프로파일은 원뿔이 저밀도 "튜브"를 통과하여 흐를 때의 유동 변형을 나타낸다. 14a에서 14d까지의 순서는 선수 충격(bow shock)의 강력한 감소(그 연관된 웨이브 항력 및 소닉 붐과 함께) 및 베이스의 강력한 재가압을 보여주며, 기저 항력의 제거 및 베이스에서 배기 생성물의 추진 효율 증가를 나타낸다.
도 15. 전기 전도성 경로(108)는 매개체의 충격파(들)을 제어/변형하는 데 필요한 전기 방전을 허용하기 위해 공기 중에 페인트칠 및 지향될 수 있다.
도 16. 다수의 전기적으로 절연된 포커싱/방전 장치를 통해 분할된 레이저 펄스의 개략도.
도 17. 원뿔형-쉘 전극(123)을 통해 레이저 펄스를 포커싱하기 위한 광학 경로/요소를 도시하는 개략도.
도 18. 방전 장치의 어레이가 사용되어 다수의 더 작은 방전을 페이징(phasing)함으로써 에너지 증착을 증강시키고 훨씬 더 큰 코어를 생성하는 방법을 예시하는 개략도.
도 19. 방전 장치의 어레이가 사용되어 다수의 더 작은 방전을 페이징함으로써 에너지 증착을 증강시키고 원하는 방향으로 유동을 "스윕 (sweep)"하는 방법을 예시하는 개략도.
도 20a 및 20b. 3-D 런에서, 초기 코어 위치는 매개체와 축 대칭이며(20a), 최대 항력 감소를 산출하고 횡력 또는 토크를 산출하지 않는다. 그런 다음 주행이 진행됨에 따라 코어가 점차 상향으로 이동하여, 이 전체 범위의 코어 위치에서 제어력 및 토크의 준 정상 상태 값을 모니터링할 수 있다. 우리는 베이스 반경의 대략 1/2의 변화를 특징으로 하였다(20b).
도 21a-d. 극초음속 매개체의 충격파 앞에 고온 저밀도 코어를 생성할 때 가열, 항력 및 제어력에 미치는 영향을 조사하기 위해 표준 원뿔형을 사용하여 시험한 프레임. (상단(20a)-밀도, 왼쪽 하단(20b)-압력, 오른쪽 하단(20c)-온도, 오른쪽 하단(20d)-항력, 힘 및 모멘트)
도 22. 저밀도 튜브는 또한 주 매개체를 감속시키지 않고 보조 매개체의 촬영 및 방출을 용이하게 하기 위해 비스듬한 충격파를 통해 매개체의 측면으로부터 생성될 수 있다.
도 23a-f. 윗줄(왼쪽에서 오른쪽, 23a-c)-충격파는 먼 거리에서 레이저 펄스를 사용하여 충격적으로 증착된 에너지로 인해 정지 공기의 표면에 저밀도 "반구"를 개방한다. 아랫줄(왼쪽에서 오른쪽, 23d-f)-동일한 레이저 펄스를 사용하여 충격적으로 에너지를 증착하고 유사한 저밀도 "반구"를 개방하는 충격파를 생성하며, 이는 동일한 표면을 따라 흐르는 공기에 의해 대류되는 것으로 나타난다.
도 24a-d. 상이한 무차원 시간에 원통형 충격에 대한 무차원 반경의 함수로서의 상대 압력 그래프. 초기(방해받지 않은) 가스 압력은 po이다.
도 25a-d. 상이한 무차원 시간에 원통형 충격에 대한 무차원 반경의 함수로서의 유동 마하 수 그래프. 충격 이전의 소리의 속도는 ao이다.
도 26a-d. 상이한 무차원 시간에 원통형 충격에 대한 무차원 반경의 함수로서의 상대 밀도 그래프. 초기(방해받지 않은) 가스 밀도는 ρo이다.
도 27a-c. 마하 3.45 유동에서 Nd:YAG 레이저 방전의 타임 시퀀스(왼쪽에서 오른쪽, 27a-c) 슐리렌 이미지. 레이저 입사각은 아래로부터 위이며 CCD 픽셀이 입사각이 포화되어 있기 때문에 스팟은 여전히 보인다. 프리스트림(freestream) 유동 방향은 오른쪽에서 왼쪽이다.
도 28a-c. 구형 모델의 서 있는 선수 충격과 상호 작용하기 위해 초음속 바람막이의 왼쪽으로 흘러감에 따른 확장된 가열 지점의 저속 슐리렌 사진. 측정된 압력 기준선과 구체를 따른 순간 데이터는 모두 이 도면에서 구체 주위의 선으로 표시된다.
도 29. 3 개의 에너지 레벨에 대한 모델의 정체 지점에서의 압력의 시간 이력.
도 30. 49.5MW의 초기 전력에 대한 전파 거리의 함수로서의 필라멘트 직경 및 전자 농도의 시뮬레이션 결과. 현저한 광 이온화는 빔 제한(beam confinement)이 최대인 짧은 길이에 대해서만 발생하는 것으로 보인다.
도 31. 160 MW의 초기 전력에 대한 전파 거리의 함수로서의 필라멘트 외피 직경의 시뮬레이션 결과. 필라멘트 직경은 수천 미터에 걸쳐 대략 100 마이크론으로 제한되어 있다.
도 32. 30cm에 걸쳐 레이저 유도/안내된 전기 방전. 이온화 UV 레이저 펄스는 하부 전극의 구멍을 통해 상부 전극의 구멍을 통해 송신된다.
도 33a-d. 도 33a는 단일 레이저-이온화 경로; 도 33b는 레이저-이온화 경로에 의해 생성된 경로를 따르는 전기 방전; 도 33c는 2개의 분리된 레이저 펄스에 의해 생성된 2개의 이온화 경로; 도 33d는 2개의 레이저 펄스에 의해 생성된 v 형 경로를 따르는 전기 방전이다.
도 34a 및 34b. 도 34a는 전 TRW의 Wilhelm Behrens 박사의 감독하에 설계된 에어로윈도우(aerowindow)이다. 도 34b는 고압 유입구, 에어로윈도우, 진공관 및 배기관을 구비한 전체 구성이다.
도 35. 펄스 폭발 엔진 사이클의 개략도.
도 36a-h. 펄스 폭발 엔진의 동역학에 대한 제2 개념 묘사.
도 37. 일체형 지향성 에너지 증착 장치를 갖는 에어 제트 직기의 실시예의 개략도.
도 38. 일체형 지향성 에너지 증착 장치를 갖는 화기 서브어셈블리의 실시예의 개략도.
도 39. 스프레이 또는 분말 코팅과 같은 연속 초음속 다상 유동 응용에서 발생할 수 있는 초음속 충돌 제트 유동장의 개념적 예를 도시하는 개략도.
도 40. 냉 가스 동적 스프레이 코팅 시스템의 개념적 예를 도시하는 개략도.
도 41. 폭발 완화 장치가 장착된 매개체의 실시예의 개략도.
도 42. 지면 개조 장치가 장착된 매개체의 실시예의 개략도.
도 43. 펄스 레이저 서브어셈블리를 갖는 지향성 에너지 증착 장치의 실시예의 개략도.
도 44. 일체형 지향성 에너지 증착 장치를 갖는 화기 카트리지의 실시예의 개략도.
도 2a 및 2b. 강한 전기 방전은 표면 상에 임의의 형상을 따라 에너지를 증착하는데 사용될 수 있으며, 여기서는 (2a) 반원형 경로 및 (2b) 직선으로 예시된다.
도 3a-3c. 슐리렌(schlieren) 이미지의 타임 시퀀스로서, 폭발(초음속 충격)파가 고온, 저밀도 가스 영역(왼쪽(3a) 및 중심 (3b) 이미지)을 밀어서 개방하여, 결과적으로 마하 1로 강도가 감소한 후에 음속으로 멀리 전파되는 충격파를 따라 에너지가 증착되고(오른쪽 이미지, (3c)), 더 이상 저밀도 영역을 구동/밀어서 개방할 수 없다.
도 4. 기체 분자를 이온화하기에 충분한 세기로 공기 중의 한 지점에 강렬한 레이저 펄스를 집중시킴으로써 유체 반응에 비하여 효과적으로 충격적으로 공기 중에 에너지가 증착된다.
도 5. 음영 그래프 화상이 도 4에 나타난 것과 같은 레이저 "스파크"로부터의 폭발 파가, 저밀도 가스의 영역을 개방하여, 주변 가스 내에서 저밀도 영역으로서 연장된 기간 동안 존재하는 것을 도시한다.
도 6. 레이저 필라멘트는 초단파 레이저 펄스의 경로를 따라 직선형 이온화 채널을 생성한다.
도 7a 및 7b. 초단파 레이저 펄스의 레이저 필라멘트는 (7b) 직선 경로를 따라 전기 방전을 정밀하게 트리거하고 안내하는 데 사용할 수 있는 데 비해, (7a) 일반적으로 공간 및 시간적 측면에서 제어하기 어려운 방전이다.
도 8. 훨씬 더 큰 튜브를 대신할 수 있는 매우 작은 저밀도 "튜브"가 여기에 묘사된다.
도 9a 및 9b. 시험 판 아래의 폭발에 의해 가해진 총 힘(9a) 및 임펄스(9b)를 매개체 아래의 상이한 초기 밀도(주위 밀도의 100 %, 10 % 및 7.5 %)에 대해 시간의 함수로 나타낸다.
도 10. 육상 매개체 아래의 제한된 공간으로부터 고압 가스를 신속하게 채널화하기 위한 매개체의 표면을 따른 전도성 경로의 개념도.
도 11. 원뿔의 정체(stagnation) 선을 따라 상류로 에너지를 증착함으로써 생성된 저밀도 튜브를 통해 원뿔이 이동할 때, 원뿔 상의 항력이 현저하게 감소된다. 그래프의 문자는 그 옆의 세로선에 의해 표시되는 시간에 해당하며, 도 14에서 유사하게 라벨링된 프레임에 해당한다.
도 12. 도 13에 나타난 연구 결과에 대해 변화된 매개변수는 다음을 포함한다: 4개의 마하수 -> M = 2,4,6,8; 세 개의 원뿔 반각 -> 15 °, 30 °, 45 °; 및 4 개의 저밀도 "튜브" 지름 -> 원뿔 밑면 직경의 25 %, 50 %, 75 % 및 100 %.
도 13. 원뿔 밑면 직경의 25 %, 50 %, 75 % 및 100 %의 직경을 갖는 튜브를 통해 마하 2,4,6,8에서 전파하는 15/30/45도 원뿔에 대한 항력 감소 및 투입된 에너지에 대한 수익을 나타내는 그래프이다. 일부 경우에서, 거의 모든 항력이 제거되며, 모든 경우에서 "튜브"를 개방하는 데 필요한 에너지는 항력 감축으로 절약되는 에너지보다 적어서, 원뿔 앞에 증착된 에너지에 대해 최대 65배의 수익을 나타낸다.
도 14a-14d. 도 11에 표시된 시간에 대응하는 시간에 획득된 밀도 프로파일은 원뿔이 저밀도 "튜브"를 통과하여 흐를 때의 유동 변형을 나타낸다. 14a에서 14d까지의 순서는 선수 충격(bow shock)의 강력한 감소(그 연관된 웨이브 항력 및 소닉 붐과 함께) 및 베이스의 강력한 재가압을 보여주며, 기저 항력의 제거 및 베이스에서 배기 생성물의 추진 효율 증가를 나타낸다.
도 15. 전기 전도성 경로(108)는 매개체의 충격파(들)을 제어/변형하는 데 필요한 전기 방전을 허용하기 위해 공기 중에 페인트칠 및 지향될 수 있다.
도 16. 다수의 전기적으로 절연된 포커싱/방전 장치를 통해 분할된 레이저 펄스의 개략도.
도 17. 원뿔형-쉘 전극(123)을 통해 레이저 펄스를 포커싱하기 위한 광학 경로/요소를 도시하는 개략도.
도 18. 방전 장치의 어레이가 사용되어 다수의 더 작은 방전을 페이징(phasing)함으로써 에너지 증착을 증강시키고 훨씬 더 큰 코어를 생성하는 방법을 예시하는 개략도.
도 19. 방전 장치의 어레이가 사용되어 다수의 더 작은 방전을 페이징함으로써 에너지 증착을 증강시키고 원하는 방향으로 유동을 "스윕 (sweep)"하는 방법을 예시하는 개략도.
도 20a 및 20b. 3-D 런에서, 초기 코어 위치는 매개체와 축 대칭이며(20a), 최대 항력 감소를 산출하고 횡력 또는 토크를 산출하지 않는다. 그런 다음 주행이 진행됨에 따라 코어가 점차 상향으로 이동하여, 이 전체 범위의 코어 위치에서 제어력 및 토크의 준 정상 상태 값을 모니터링할 수 있다. 우리는 베이스 반경의 대략 1/2의 변화를 특징으로 하였다(20b).
도 21a-d. 극초음속 매개체의 충격파 앞에 고온 저밀도 코어를 생성할 때 가열, 항력 및 제어력에 미치는 영향을 조사하기 위해 표준 원뿔형을 사용하여 시험한 프레임. (상단(20a)-밀도, 왼쪽 하단(20b)-압력, 오른쪽 하단(20c)-온도, 오른쪽 하단(20d)-항력, 힘 및 모멘트)
도 22. 저밀도 튜브는 또한 주 매개체를 감속시키지 않고 보조 매개체의 촬영 및 방출을 용이하게 하기 위해 비스듬한 충격파를 통해 매개체의 측면으로부터 생성될 수 있다.
도 23a-f. 윗줄(왼쪽에서 오른쪽, 23a-c)-충격파는 먼 거리에서 레이저 펄스를 사용하여 충격적으로 증착된 에너지로 인해 정지 공기의 표면에 저밀도 "반구"를 개방한다. 아랫줄(왼쪽에서 오른쪽, 23d-f)-동일한 레이저 펄스를 사용하여 충격적으로 에너지를 증착하고 유사한 저밀도 "반구"를 개방하는 충격파를 생성하며, 이는 동일한 표면을 따라 흐르는 공기에 의해 대류되는 것으로 나타난다.
도 24a-d. 상이한 무차원 시간에 원통형 충격에 대한 무차원 반경의 함수로서의 상대 압력 그래프. 초기(방해받지 않은) 가스 압력은 po이다.
도 25a-d. 상이한 무차원 시간에 원통형 충격에 대한 무차원 반경의 함수로서의 유동 마하 수 그래프. 충격 이전의 소리의 속도는 ao이다.
도 26a-d. 상이한 무차원 시간에 원통형 충격에 대한 무차원 반경의 함수로서의 상대 밀도 그래프. 초기(방해받지 않은) 가스 밀도는 ρo이다.
도 27a-c. 마하 3.45 유동에서 Nd:YAG 레이저 방전의 타임 시퀀스(왼쪽에서 오른쪽, 27a-c) 슐리렌 이미지. 레이저 입사각은 아래로부터 위이며 CCD 픽셀이 입사각이 포화되어 있기 때문에 스팟은 여전히 보인다. 프리스트림(freestream) 유동 방향은 오른쪽에서 왼쪽이다.
도 28a-c. 구형 모델의 서 있는 선수 충격과 상호 작용하기 위해 초음속 바람막이의 왼쪽으로 흘러감에 따른 확장된 가열 지점의 저속 슐리렌 사진. 측정된 압력 기준선과 구체를 따른 순간 데이터는 모두 이 도면에서 구체 주위의 선으로 표시된다.
도 29. 3 개의 에너지 레벨에 대한 모델의 정체 지점에서의 압력의 시간 이력.
도 30. 49.5MW의 초기 전력에 대한 전파 거리의 함수로서의 필라멘트 직경 및 전자 농도의 시뮬레이션 결과. 현저한 광 이온화는 빔 제한(beam confinement)이 최대인 짧은 길이에 대해서만 발생하는 것으로 보인다.
도 31. 160 MW의 초기 전력에 대한 전파 거리의 함수로서의 필라멘트 외피 직경의 시뮬레이션 결과. 필라멘트 직경은 수천 미터에 걸쳐 대략 100 마이크론으로 제한되어 있다.
도 32. 30cm에 걸쳐 레이저 유도/안내된 전기 방전. 이온화 UV 레이저 펄스는 하부 전극의 구멍을 통해 상부 전극의 구멍을 통해 송신된다.
도 33a-d. 도 33a는 단일 레이저-이온화 경로; 도 33b는 레이저-이온화 경로에 의해 생성된 경로를 따르는 전기 방전; 도 33c는 2개의 분리된 레이저 펄스에 의해 생성된 2개의 이온화 경로; 도 33d는 2개의 레이저 펄스에 의해 생성된 v 형 경로를 따르는 전기 방전이다.
도 34a 및 34b. 도 34a는 전 TRW의 Wilhelm Behrens 박사의 감독하에 설계된 에어로윈도우(aerowindow)이다. 도 34b는 고압 유입구, 에어로윈도우, 진공관 및 배기관을 구비한 전체 구성이다.
도 35. 펄스 폭발 엔진 사이클의 개략도.
도 36a-h. 펄스 폭발 엔진의 동역학에 대한 제2 개념 묘사.
도 37. 일체형 지향성 에너지 증착 장치를 갖는 에어 제트 직기의 실시예의 개략도.
도 38. 일체형 지향성 에너지 증착 장치를 갖는 화기 서브어셈블리의 실시예의 개략도.
도 39. 스프레이 또는 분말 코팅과 같은 연속 초음속 다상 유동 응용에서 발생할 수 있는 초음속 충돌 제트 유동장의 개념적 예를 도시하는 개략도.
도 40. 냉 가스 동적 스프레이 코팅 시스템의 개념적 예를 도시하는 개략도.
도 41. 폭발 완화 장치가 장착된 매개체의 실시예의 개략도.
도 42. 지면 개조 장치가 장착된 매개체의 실시예의 개략도.
도 43. 펄스 레이저 서브어셈블리를 갖는 지향성 에너지 증착 장치의 실시예의 개략도.
도 44. 일체형 지향성 에너지 증착 장치를 갖는 화기 카트리지의 실시예의 개략도.
에너지 증착 접근법의 기본 아이디어는 에너지를 신속하게("충격적으로") 증착함으로써 공기의 밀도를 재분배/조형할 수 있다는 것이다. 공기를 효율적으로 "가르기(part)" 위해서는, 에너지가 가스가 팽창할 수 있는 것보다 훨씬 빠르게 (예를 들면, 다른 기술 중에서도 단파 레이저- 또는 마이크로웨이브-펄스 및/또는 전기 방전의 형태로) 대기에 증착되어야 한다는 점을 유의하는 것이 중요하다. 매우 높은 온도를 사용하더라도, 가스가 가열될 때 가스가 퍼지게 하는 모든 가열은 여기에서 설명하는 매우 효과적인 결과를 산출하지 않는다. 일반적으로 "갑작스러운"/"충격적인" 가열 프로세스는 "찰칵하는 소리(snap)" 또는 "쾅 하는 소리(bang)"를 생성한다.
i) 에너지 증착의 특정 모드의 강도 및 공간 분포를 맞추고; ii) 적절한 전송을 위한 특정 경로 및 채널을 유지하며; 및 iii) 유동 내로 에너지의 커플링을 달성하기 위하여 다양한 에너지 증착 기술이 광범위한 적용 분야에서 가능한 다양한 대기 및 유동 조건을 다루기 위해 적용될 수 있다. 추가 에너지를 증착하기 위한 핵 생성/안내/개시 영역(예를 들어, 초기 경로)을 형성하거나 또는 이러한 초기 영역 또는 경로에 추가 에너지를 증착하고자 접근하는 가장 효과적인 에너지 증착은, 그 내부에서 또는 그것을 통해 형성되는 (기체, 액체, 고체, 플라즈마와 같은 모든 표현된 매질 및 혼합된 상을 포함하는) 대기 조건 및 연관된 작동 유동 조건에 의존할 것이다. 어떤 대기 및 유동 조건은 증착된 에너지를 통해 형성될 초기 경로를 요구할 수 있으며, 다음 단계로 더 많은 에너지가 결합될 수 있다. 다른 대기 및 유동 조건은 에너지가 단일 단계로 증착되도록 요구할 수 있다. 특정 응용에서, 하나 이상의 표면을 따라; 대기/유동의 하나 이상의 영역에서; 및/또는 이들의 일부 조합에서 에너지가 증착될 수 있다. 하나 이상의 에너지 증착 단계는 다음의 에너지 증착 기술: 전자기 방사선(엑스레이에서 마이크로웨이브에 이르기까지), RF 플라즈마 방전뿐만 아니라, 전자 빔, 대전 입자 빔, 전기 방전 및 코로나 방전의 형태의 전류 중 하나 이상을 연속 빔에서 초단파 펄스(예를 들어, 아토초, 펨토초, 피코초, 나노초, 마이크로초, 밀리초, 초 및 더 긴, 연속 증착까지 이르는 펄스 폭)에 이르는 범위의 이들 에너지 증착 기술의 지속 시간으로 조합하는 것을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 이들 시간 스케일은 상이한 실시예 및 에너지 증착의 상이한 모드에 대해 다를 수 있으며, 상이한 모드의 증착은 각각의 시간 스케일에서 발생한다. 그 자체로서의 유용성에 추가하여, 연속 또는 장시간 에너지 증착은 또한 특정 영역에서 더 짧은 펄스 충격 에너지 증착을 촉진시킬 수 있다. 또한, 에너지 증착을 갖는 특정 프로세스의 펄스 발생(pulsing)/페이징(phasing)/동기화(synchronization)를 수반하는 응용은 더 긴 펄스 및 연속적인 프로세스를 통합할 수 있다.
상이한 에너지 증착 응용 및 기술의 상기 실시예는 다양한 고도 및 비행 조건에서의 적용을 용이하게 할 수 있다. 또한 상이한 작동 대기/조건 및 매질 하에서 다른 여러 분사 코팅 기술 중에서도 열 분사; 플라즈마 분사; 폭발 분사; 와이어 아크 분사; 화염 분사; 고속 산소-연료 코팅 분사; 온난 분사; 냉각 분사를 포함하지만 이에 제한되지는 않는 다양한 유형의 분사 코팅 기술로 단계화/동기화될 수 있다. 유사하게, 상이한 에너지 증착 응용 및 기술의 상기 실시예는 다른 실시예 및 응용 중에서도 직기, 배럴, 기차, 엔진, 매개체, 폭발 완화, 점화, 폭발에 대해 (가능한 작동 대기 및 조건의 범위에 걸쳐) 적용될 수 있다.
다음의 설명을 예시하기 위해, 설명되는 확장의 예로서 도 2 및 도 3을 먼저 살펴 보는 것이 가장 좋다. 에너지가 공기 중 특정 영역에(예를 들면, 선을 따라 또는 지점에) "효과적으로 즉각적으로"("충격적으로") 증착되면, 주변 공기는 팽창하는 폭발 파(blast wave)에 의해 가열된 지역에서 바깥쪽으로 배출된다. 증착된 에너지로 인한 폭발 파가 음속으로 감쇠/감속할 때까지 주변 가스는 바깥쪽으로 스윕되어 고온의 압력 평형 가스 영역을 남기고, 그 밀도는 원래의/주변 밀도보다 훨씬 낮다(일부 경우에는, 예를 들면 주위 밀도의 10 %, 8 %, 5 %, 3 %, 2 % 또는 1.5 % 이하이며 다른 98.5 %는 바깥쪽으로 밀린 상태와 같이, 15 % 이하이다). 팽창하는 충격파가 음속으로 감속하면, 음파가 계속 확장되어 더 이상 가스를 바깥으로 밀지 않으며 더 이상 저밀도 영역을 확장시키지 않는다. (폭발 파가 초음속으로 팽창할 때 발생하는) 저밀도 영역은 주위의 주변 압력과 압력 평형을 유지한 상태로 남아 있다(예를 들면, 이는 대기압, 저밀도, 고온 가스의 "버블(bubble)"로 남아있으며, 그 자체로 다시 붕괴하지 않는다. 즉 "공기가 갈라진" 영역이다). 이 압력 평형 저밀도 영역의 부피는 가스에 증착되는 에너지에 정비례하며 또한 주변 압력에 비례한다(예를 들면, 에너지 증착 이전의 초기 대기압이 절반이면 결과로 발생하는 저밀도 부피가 두 배로 된다). 이 팽창 및 결과적인 표면을 따른 저밀도 영역의 예가 도 3에 도시되어 있으며, 이는 전기 방전의 경로를 따라 도 2(b)에 도시된 것과 같은 전기 방전의 단일 직선 레그(single straight leg)의 단부에서 본 슐리렌(schlieren) 사진을 제공한다.
저밀도의 "버블 (bubble)"을 확장하는 가장 간단한 예는 저밀도의 구를 개방하기 위해 가스가 구면 대칭으로 팽창하는 공기 중의 하나의 지점(도 4)에 에너지를 증착할 때 볼 수 있다(도 5).
에너지가 직선을 따라 증착될 때 유사하게 간단한 기하학적 구조가 발생한다 (도 6, 7 및 8). 이는 가스가 팽창하여 이를 따라 에너지가 원래 증착되는 원래의 선/축을 중심으로 저밀도 원통형 부피(또는 "튜브")를 개방하도록 한다.
고온의 저밀도 기하학적 구조가 주변 압력과 평형을 이루고 관심있는 유동 역학에 비교해 오랜 시간 동안 머물러 있다는 사실은 저밀도 영역(예를 들면, 공기 중의 구 및 "튜브" 및 표면을 따른 반구 및 반-"튜브" 및 다른 더 복잡한 형상)을 의도된 유동 제어를 수행할 수 있을 정도로 충분히 길게 "개방하여" 유지하도록 허용한다.
이 접근법의 이점을 그려보는 가장 간단한 방법 중 하나는 제한된 폭발을 볼 때이다. 이것은 다른 고속 유동 응용(고속 비행 및 추진 시스템과 같은)에 직접 적용될 수 있다. 특히, 우리는 바람직하지 않은 압력 상승 및/또는 충격파의 감지 시 (거의 순간적으로) 압력을 감소시키고 가스를 지향할 수 있다. 폭발 완화 분야의 이러한 문제는 고속 비행 및 추진 시스템에서 발생하는 것과 동일한 문제이므로, 이 초기 예를 확장하여 광범위한 개념의 극초음속 응용 분야에 기본 개념을 적용할 수 있다. 폭발 완화의 한 특정 예에서, 고압 분사 가스가 매개체의 바닥과 지면 사이에 갇히게 되면, 주변 가스에 충격파가 형성되어 매개체 밑에서 공기가 빠져나가는 것이 방해된다. 고압 가스가 매개체 아래에 오래 있을수록, 그 바닥을 위로 누르고, 더 큰 통합된 충격이 매개체를 위쪽으로 가압하게 된다. 이 응용의 목표는 가능한 한 빨리 매개체 아래에서 고압 가스를 배출하여, 매개체 밑의 압력을 완화하고 매개체로 전달되는 통합된 충격을 최소화하는 것이다. 이를 달성하기 위해, 매개체의 하부 표면을 따라 저밀도 경로를 개방하여 매개체 아래로부터 신속하게 가스를 바깥쪽으로 지향하는 것에 의해, 고압 가스가 매개체 아래로부터 신속하게 배출될 수 있다. 이는 우리의 기술(예를 들어, 지향성 에너지 증착 장치)을 지상 매개체에 통합하고 근처의 폭발(예를 들면, 상기 매개체 아래)이 신속하게 빠져나올 수 있는 저밀도 경로를 생성함으로써, 폭발 가스가 매개체를 누르는 힘과 시간을 강력히 줄여, 폭발로 인해 매개체에 가해지는 총 충격을 최소화함으로써 달성될 수 있다. 도 9는 먼저 매개체 아래의 공기 밀도를 줄일 때 폭발로 인해 발생할 수 있는 감소된 힘과 충격을 보여주는 예를 나타낸다.
고압 가스가 매개체의 하부 및 주변으로부터 더욱 신속하게 빠져나갈 수 있는 고속 채널을 생성하기 위해, 매개체의 표면을 따라 (도 2에 도시된 것과 유사한) 전도성 경로를 추가한다(개략적으로 도 10에 도시됨). 이 장치는 제한된 부피에서 고압 가스를 거의 순간적으로 배출하고 절연체, 연소기, 확산기, 배기 시스템과 같은 고속 추진용으로 사용될 수 있다. 이는 해로운 압력 증가를 신속하게 완화하는 것이 유익한 곳이면 어디에서나 유용할 수 있다.
매개체가 비효율적으로 고속으로 공기를 통해 비행하는 한 가지 이유는 매개체의 속도의 상당 부분으로 공기의 기둥(출발지에서 최종 목적지까지)을 효과적으로 가속한다는 것이다. 결과적인 큰 연료 비용 외에도, 공기에 많은 양의 에너지가 전달되는 것은 강한 소닉 붐(sonic boom); 노즈(nose) 뒤의 매개체에 충격을 주는 파괴적으로 강한 충격파; 및 고정된 공기를 매개체 속도와 일치하도록 가속시킬 때 발생하는 마찰력으로 인한 선단 모서리 및 정체(stagnation) 선을 따르는 바람직하지 않은 압력과 가열과 같은 추가적인 문제와 관련이 있다.
대신 매개체가 긴(예를 들어, 레이저-필라멘트-안내된) 선을 따라 지향성 에너지 증착 장치에 의해 개방된 저밀도 "튜브"를 통해 이동할 때, 항력은 극적으로 감소되어, 전체 에너지 소비가 상응하게 극적으로 절감된다. 즉각적으로 계산된 항력 곡선의 예가 도 11에 나타나 있다. 이 그래프에서, 원뿔이 "튜브"의 가장자리에 있는 고밀도 가스를 통과함에 따라, 기준 항력으로부터 약간의 상승이 관찰된다. 다음 원뿔이 "튜브"의 저밀도 영역을 통과하여 날아감에 따라, 항력은 급격히 감소한다. 원뿔이 저밀도 영역을 빠져나감에 따라, 충격파가 다시 형성되기 시작하면, 항력은 원래의/변경되지 않은 항력 값으로 다시 상승하기 시작한다. 실제로는, 매개체 또는 발사체가 저밀도 "튜브"를 통해 전파된 후, 다른 저밀도 "튜브"를 개방하여, 매개체/발사체가 계속해서 항력 감소를 누릴 수 있게 한다. 이어지는 "튜브"가 시작되는 정확한 지점은 주어진 응용을 위한 최적화의 문제이다. 다른 "튜브"를 생성하기 위해 에너지를 증착함으로써 다시 감소시키기 전에 항력이 지속적으로 상승할 수 있는 정도는, 에너지-증착의 동일한 반복 속도로 구동되는 압력 변조의 강도를 제어하며, 대략 매개체 속도를 유효 튜브 길이로 나눈 값(에너지를 다시 증착하기 전에 매개체/발사체가 실제로 이동하는 거리를 수용하도록 조정됨)이다. 이 변조는 항공기 소음의 추가 원인이 될 수 있으며, 매개체 공진 및 방해 주파수를 피하기 위해 "튜브"길이를 조절함으로써 조정할 수 있다. 각 연속적인 "튜브"는 또한 매개체를 조종하기 위하여 "튜브의" 방향을 약간 재조정하는 기회를 제공한다(자세한 내용은 아래에서 다루어진다).
이 기술을 구현할 때 항력 감소 및 절약되는 에너지가, 마하 수, 원뿔 각도 및 원뿔 베이스와 비교되는 "튜브" 직경과 같은 상이한 매개변수에 대한 의존성을 평가하기 위해 연구되었다. 이러한 매개 변수는 도 12에 나타나 있으며, 마하 수는 공칭의(nominal) 변경되지 않은 유동을 기준으로 한다. 상류에 에너지가 증착되면, 균일한 마하 수의 기존의 정의와 개념이 더 이상 적용되지 않는다. 이 결과는 공칭의 변경되지 않은 프리스트림에서 "튜브" 내부의 소리의 속도는 튜브 외부에서보다 여러 배 더 높기 때문이다. 종래의 정의에 따르면, "튜브" 내부의 마하 수는 "튜브" 외부의 마하 수보다 현저히 낮다. 사실, 많은 경우에서, 튜브 내부의 유동은 튜브 외부의 초음속/극초음속 유동에 비해 아음속이며, 균일한 공기를 통해 비행할 때 관찰되는 유동-장(flow-field)과는 극적으로 다른 유동장을 허용하며, 이는 에너지 증착에 의해 변조되지 않은 것이다. 이들 동역학 중 일부는 여기에 설명되어 있으며, 유동에 에너지를 증착함에 의해서만 달성될 수 있다.
도 12에 도시된 다양한 경우들에 대한 최대 항력 감소 및 에너지 절약(투입된 에너지에 대한 수익)의 관점에서의 결과는 도 13에 요약되어 있으며, 60 %를 넘는 항력 감소, 예를 들어 80 내지 95 % 사이와 심지어 최대 96 % 및 30 배 이상, 예를 들어 총 에너지 밸런스에서 투입된 에너지의 50 배, 또는 65 배 이상의 수익을 포함한다(즉, 원뿔의 정체 선을 따라 저밀도 "튜브"를 개방하기 위하여 원뿔 앞에 증착된 각 와트(Watt) 또는 줄(Joule)당, 이 "투입된" 에너지의 65배가 원뿔 앞에 에너지를 증착하지 않을 때 경험했던 훨씬 더 강한 항력에 대항하기 위해 필요했던 추진력 또는 에너지에서 절약되었다).
이 결과에서 흥미로운 경향이 관찰되었는데, 가장 기본적인 관측은 더 큰 튜브의 개방은 모든 마하 수 및 원뿔 각에 대해 항력 감소를 증가시킨다는 것이다. 좀 더 미묘하고 흥미로운 관찰은 에너지 효율(즉 [(추진 에너지 절약) - (투입 에너지)] / (투입 에너지))이 두 가지 체제를 가지는 것으로 보인다는 것이다. 이 에너지 효율성은 저밀도 "튜브"를 개방하기 위해 매개체 앞쪽에 증착되는 에너지 단위당 추진 시스템에서 얼마나 많은 에너지가 절약되는지를 설명한다. 하나의 체제는 더 좁은 원뿔을 갖는 더 높은 마하 수에서 발생하며, 선수 충격(bow shock)이 비스듬하게/부착되는 경향이 있다. 이 체제에서, 에너지 효율성은 마하 수와 함께 증가하며, 마하 수가 증가함에 따라 더 작은 지름에서 더 큰 지름으로 명확하고 이해하기 쉬운 방식으로 가장 효율적인 "튜브 직경" 전환이 이루어진다. 정체 선을 따라 가스를 제거하는 것은 항상 가장 큰 이익을 제공하는 반면, 정체 선에서 가스를 더 멀리 제거하는 이점은 매개체 속도의 함수이며, 마하 수가 높을수록 이점이 증가한다. 선수 충격이 정상적인 스탠드오프(stand-off) 충격을 받는 더 낮은 마하 수 영역에서, 선수 충격을 "뚫고" 효과적으로 작용할 수 있는 작은 직경의 "튜브"에 대한 효율이 크게 상승하는 것이 관찰되었으며, 고압 가스 "튜브" 내의 유동이 이제 (고속 소리의 "튜브"에서) 아음속이 될 수 있고 더 이상 원뿔의 선수 충격(도 14)에 국한되지 않기 때문에 정상적인 충격 이후의 고압이 해제되는 것을 허용한다.
효율 연구가 최적의 성능을 달성하기 위해 증착할 수 있는 에너지를 확인하는 데 도움을 줄 수 있지만, 플랫폼/매개체 시스템-고려 사항이 수용할 수 있는 바에 기반하여 효과 스케일 및 특정 플랫폼에서 증착되는 에너지의 양을 결정할 수 있다는 점 또한 중요하다. 최적보다 더 작은 직경의 "튜브"가 개방되더라도, 범위 및 속도 증가, 연료 소비 감소 및 배출 가스 및 소음/소닉 붐 감소와 관련하여 더 나은 매개체/발사체 성능을 제공한다(이하에서 다른 이점도 언급됨). 최적의 양보다 훨씬 적더라도, 에너지를 증착할 때 상당한 이점을 얻을 수 있다는 것은 특히 바람직하다. 시스템에 통합되는 에너지 증착 용량과 전력의 실제량은 사용 가능한 크기, 무게 및 전력 측면에서 수용할 수 있는 공간의 양과 이 기술을 통합한 후에 이러한 동일한 매개 변수의 양이 얼마나 개선되는지에 따라 결정될 수 있다. 이 유연한 반복 프로세스를 통해 혜택을 누릴 수 있는 시스템에 이 기술을 통합할 수 있다. 또한, 대기압에서 주어진 부피의 저밀도 가스 스케일을 개방할 때 필요한 에너지를 감안할 때, 공기 중에 증착되는 주어진 양의 에너지는 고도가 높아질 때 발생하는 낮은 압력에서 점점 더 많은 양을 개방하게 된다. 이 효과는 또한 주어진 에너지 펄스 범위가 매개체/발사체의 고도가 올라감에 따라 점점 커지는 "튜브" 직경을 개방하게 되는 시나리오에서 효과적이다. "튜브" 직경을 늘리는 대신, 더 높은 고도에서 증가된 저밀도 부피를 사용하여 튜브 길이를 늘리거나, 길이와 직경 양자의 증가에 걸쳐 더 큰 부피를 분산시킬 수 있다. "튜브" 길이의 증가는 속도 증가에 도움이 되며, 도 13에서 볼 수 있듯이, 더 큰 "튜브" 직경은 높은 마하 수에서 효율을 극대화하는 데 도움이 될 수 있다.
저밀도 "튜브"를 통해 비행하여 극적으로 수정된 유동 역학의 대표적인 밀도 윤곽 프레임이 도 14에 나타나 있다. 문자 A, B, C, D는 도 11의 항력 곡선 상에 표시된 시간에 해당한다(D는 원뿔이 원뿔과의 상호 작용으로 인한 튜브의 변형/돌출을 고려하지 않은 "튜브"의 원래 범위를 이동할 때를 나타낸다).
프레임 A의 거의 교란되지 않는 밀도 분포로부터 전개되는 차이 및 결과적인 동역학을 대조하면서, 우리는 몇 가지 점을 주목한다:
* 정규 비행에서, 강한 선수 충격과 연관된 소닉 붐이 발생하는 반면, 저밀도 "튜브"를 통한 비행은 선수 충격과 연관된 소닉 붐을 강력하게 완화한다;
* 정규 비행에서, 원뿔에 의해 측면과 전방으로 가속된 가스가 원뿔의 베이스에 저압/저밀도 영역을 남기는 반면, 가스가 원뿔의 전방으로부터 측면으로 이동하면, 에너지 증착에 의해 저밀도 "튜브"를 형성하고, "튜브"의 주변에 축적된 가스는 원뿔 뒤에서 재순환되며, 베이스를 재가압하는 역할을 한다;
* 이 재가압된 베이스는 기저 항력을 완화한다;
* 베이스에서 현저히 더 높은 가스 밀도는 또한 배기 시스템의 추진 효율을 강력하게 향상시킬 수 있는 추진 제품의 제한(confinement) 수준을 제공할 수 있으며, 효과적인 추진력을 여러 배로 증가시킬 수 있다. 이는 재순환 대기 가스가 추진 제품을 백스토핑(backstopping)하여 고압을 장시간 동안 사용하는 것의 결과로서, 이에 비해 고압 제품을 갖는 것은 제한되지 않은 것을 다른 저밀도, 저기압 베이스 영역으로 단순히 배기시킨다.
동역학 최적화를 위한 추진 및 에너지 증착의 단계적 구현
유익한 동역학의 다수를 감안하여, 본원에서 논의되는 실시예는 효율을 개선하고 다양한 단계/공정의 공생 효과/이점을 활용/동기화하기 위해 유연하게 적용될 수 있다. 이것은 다른 것들 중에서도 길이 스케일, 점화, 공기-연료 비율, 타이밍, 반복 속도, 화학 공정, 방전, 레이저 펄스, 마이크로웨이브 펄스, 전자 빔, 밸브/ 스로틀을 포함하는 다수의 가능한 매개변수의 최적화를 수반할 수 있다. 일부 실시예는 다음을 포함한다.
* 레이저 발사(Laser-launching): 레이저 발사 응용에서, 일 실시예는 발사체의 후단에서 발사하는 추진 소스로서 하나 이상의 지상 기반의 레이저를 수반하며, 후방을 향한 광학 장치를 통해 추진 레이저 광을 다시 초점을 맞추어 발사체의 후단 밖으로 가스 또는 절삭 제품을 가열하고 팽창시킨다. 레이저 시스템 및 발사체의 설계에서:
- 저밀도 "튜브"를 개방하고 항력을 줄이기 위해 일부 레이저 에너지를 발사체 앞에 증착되도록 할 수 있다;
- 구동 레이저 펄스(들)에 의해 충분한 발사체 공기가 가열될 수 있도록 발사체 몸체와 내부 경로의 크기 및 스로틀을 조절한다;
- 발사체 전방의 변조된 가스가 주위로 흘러 발사체 가스가 더욱 효과적으로 누를 수 있는 고밀도 백스톱을 형성하기 위해 발사체 몸체의 크기를 조절한다;
- 이어지는 레이저 펄스가 프로세스를 반복하기 전에 발사체가 저밀도 "튜브" 및 추진 푸시를 최대한 활용할 수 있도록 구동 레이저 펄스를 전달한다.
* PDE/화학 레이징(chemical lasing)/펄스 전원: 이 유형의 시스템은 위에서 열거된 것과 동일한 유형의 페이징/타이밍 최적화 고려 사항을 요구한다. 그러나, 이 경우, 구동 에너지는 매개체 내부에서 발생하는 일련의 펄스화된 화학 폭발이다. 이 폭발의 타이밍은 적절하게 타이밍을 맞춘 밸브 및 점화를 통해 제어할 수 있으며, 폭발은 실제로 상류 에너지를 증착하는 데 필요한 프로세스를 구동할 수 있다.
* 산업 및 운송 용도: 이러한 경우에는 전기 추진 및 자기 부상과 같은 다른 추진 장치의 추가 잠재적 고려 사항과 함께 위의 응용에서와 유사한 타이밍 및 시스템 최적화를 적용하여 원하는 수준의 페이징을 달성할 수 있다. 각 요소는 최적의 유체 흐름을 보장할 뿐만 아니라 추진 및 부상 시스템과 같은 온보드 시스템에 사용되는 에너지의 양을 줄이기 위해 시간을 맞추거나 동기화할 수 있다.
전술한 바와 같이, 전기 방전은 극적인 이점을 생성할 뿐만 아니라 공기 역학을 제어 및 위상을 맞추어 궁극적으로 매개체에 대한 강력하고 효율적인 제어를 가능하게 하는 유연한 기하 구조를 실현할 수 있는 가능한 기술이다. 전기 방전을 사용하려면, 전류가 흐르도록 전도성 경로를 만들어야 한다. 레이저 펄스(도 6) 및 전기 방전 안내/개시(도 7)를 사용하여 전도성 경로를 "페인트"하는 기능은 다른 곳에서 나타내었다. 레이저 필라멘트는 충분한 정확성과 길이를 갖는 이온화된 경로를 형성하여 임의의 수의 원하는 패턴을 유연하게 추적할 수 있다.
포인트 PI에서 교차하는 전극(106 및 107)을 연결하기 위해 전도성 경로(108a, b)가 생성되는 예가 도 15에 도시되어 있다. 도 16과 도 17의 두 번째 예는 실제 방전 장치에 대한 더 자세한 사항을 나타낸다. 이 예에서, 레이저 펄스(111)는 3개의 별도의 전기적으로 분리된 렌즈/전극 어셈블리들(102)로 지향된다(도 17).
조절 가능한(122) 광학 요소(121)는 필라멘트가 금속 원뿔의 팁에 가능한 한 가깝게 시작되도록 보장하기 위해 각 금속 원뿔(123)를 통해 상이한 펄스를 포커싱한다. 이는 가능한 최상의 전기 연결을 보장한다. 금속 원뿔은 커패시터 뱅크의 적절한 극에 연결된 전극이다. 이온화된 경로가 생성되면, 커패시터는 상기 경로를 따라 에너지를 방출할 것이다. 결과적으로, 커패시터에 저장된 전기 에너지는 오믹 가열의 형태로 전도성 경로를 따라 공기 중에 증착될 것이다.
다른 실시예는 임의의 수의 목적을 달성하기 위해 배열/위상 조절된 여러 에너지 방출 장치를 사용하여 원하는 유동 제어를 달성할 수 있다(도 18 및 19).
에너지 방출 장치들의 어레이가 도 18에 도시되어 있다. 에너지 방출 메커니즘 또는 요소들 (106a, 106b, 106c)의 어레이는 몸체(101) 상에 배열된다. 몸체(101)는 내부 환형 요소 어레이(106b) 및 외부 환형 요소 어레이(106c)에 의해 둘러싸인 중앙 요소(106a)를 포함한다. 개별 요소(106) 또는 요소(106)의 그룹을 연속적으로 발화시킴으로써 요소(106)의 전체 어레이가 에너지 증착의 유효성 및 크기를 증가시키는 데 사용될 수 있다. 이는 유체가 중앙 요소(106a)에 의해 발생한, 중앙의 가열된 코어로부터 외부로 팽창된 후에, 원통형 외측으로 유체(105)를 계속 밀어 내기 위해 요소 어레이(106)를 사용함으로써 달성될 수 있다. 이 예에서, 방전이 구현될 때, 요소(106b 및 106a) 사이에 별도의 전도성 회로를 완성하는 이온화된 경로(108)를 따른다. 그 다음 전도성 경로 및 방전 세트는 106c 및 106a(또는 106b) 사이에 있을 수 있다.
작동 시, 도 18(상단)에 도시된 바와 같이, 중앙 요소(106a) 및 내부 어레이의 하나 이상의 요소(106b)는 중앙 가열된 코어(160a)를 생성하기 위해 발화될 수 있다. 이 가열된 코어는 바깥쪽으로 팽창할 수 있고, 원통형 충격파에 의해 경계 지어질 수 있으며, 팽창과 함께 약해진다. 약해진 원통형 팽창에 에너지를 부가하기 위해, 도 18(하단)에 도시된 바와 같이 요소(106b)가 발화될 수 있다. 추가 팽창 시, 외부 어레이 요소(106c)가 또한 가열된 코어(160b)의 강한 연속적인 팽창을 유지하기 위해 발화될 것이다.
에너지 방출 장치(102)의 선형 어레이를 수반하는 유사한 응용의 개략도가 도 19에 도시되어 있다. 에너지 방출 장치(102)는 매개체(101) 상에 장착되어 가장 안쪽의 에너지 방출 장치(102a)로부터 매개체(101)의 중심선에서 가장 먼 최외곽의 에너지 방출 장치(102f)까지 순차적으로 발화함으로써, 유입 유체(105)를 파상 운동으로 윙(150)을 따라 바깥쪽으로 밀어낸다.
에너지 방출 장치(102)는 전형적으로 연결 충전 장치 및 스위치와 같이 전기적으로 절연될 수 있다. 또한, 인접한 에너지 방출 장치는, 도 16 및 도 17과 관련하여 앞서 논의된 바와 같이, 전기적으로 전도성 경로(108)를 생성하기 위해 효과적으로 동시에 발화될 수 있다. 에너지 방출 장치(102)는 또한 전기 방전을 사용하여 윙(150)의 팁을 향하여 바깥쪽으로 유체(105)를 스윕(sweep)하기 위하여 연속적으로 쌍으로 발화될 수 있다. 윙팁을 향해 유체를 스윕하는 이 방법은 또한 윙(150)의 위 및 아래로 유체를 지향한다. 성능을 모니터링하기 위하여 환경 센서가 또한 포함될 수 있으며 에너지 증착의 다른 매개 변수를 변경하기 위하여 에너지 방출 장치에 연결될 수도 있다.
항력 감소에 추가하여, 기술된 에너지 증착 기술의 사용에 따르는 다수의 연관된 이익이 있다.
이 기술과 연관된 제어력 및 모멘트를 탐색하기 위해, 코발트 CFD 솔버(Cobalt CFD solver)를 사용하여 저밀도 코어가 생성되어 연속적인 범위의 축외 위치에서 매개체에 충돌하는 3D 시뮬레이션이 수행되었다. 코어 위치의 오프셋은 도 20에서 위쪽으로 나타난다. 이들 수행에서, 코어의 초기 위치는 매개체와 동축(co-axial)이었고, 다음 천천히 위로 움직였다(공격 각이 없는 원뿔 축에 평행한 상태로 유지됨). 이는 동축(오프셋 없음)에서 베이스 직경의 대략 절반의 오프셋까지 범위로 오프셋되었을 때, 코어의 효과에 대한 준정상(quasi-steady) 상태 평가를 허용했다. 이는 도 20에 개략적으로 도시된다. 비행 방향과 정렬된 코어의 결과로 모든 범위의 반응을 탐구하기 위해 이 시리즈를 수행하였다.
도 21은 몸체 표면상의 밀도, 압력 및 온도를 도시한다. 모멘트와 힘은 동일한 그래프에 계수로 나열된다. 두 모멘트는 다른 페이로드/미션에 대해 안정된 비행을 제공하는 상이한 질량 중심의 예로 계산된다. 우리는 또한 그렇지 않으면 불안정한 매개체(질량 중심이 압력 중심의 후방)이 저밀도 코어를 통과하여 비행할 때 안정화됨을 입증했다. 이는 베이스의 바깥쪽 가장자리에 있는 더 높은 밀도의 가스가 압력 중심을 매개체 뒤쪽과 질량 중심 뒤로 현저히 이동시키기 때문이다. 그렇지 않으면 불안정한 디자인을 안정화시키는 이 장점은 질량 중심의 위치에 대한 기존의 제한을 없애고, 안정된 극초음속 매개체를 보장하는 데 있어서 훨씬 더 큰 유연성을 가져올 수 있다. 이 기술의 다른 장점은 훨씬 저렴한 소재를 사용하여 더 넓은 성능의 운항 범위를 허용하고, 몸체의 섬세한 요구 사항을 크게 줄이고, 열 보호 시스템(TPS) 요구 사항을 줄임으로써 상당한 무게를 줄이고, 더욱 쉬운 유입구 (재)시동 및 크게 감소된 제어/액추에이터 하드웨어에 의해 설계상의 제약을 더욱 줄인다.
일반 원뿔에 대한 분석 상한 추정치 및 계산된 하한치는 고도 및 마하 수에 따라 수 G에서 수십 G까지의 제어력을 산출했다. 이러한 상한치 및 하한치는 상이한 응용에서 이 기법의 유용성을 평가할 때 도움이 될 수 있는 한계를 제공한다. 일부 실시예에서, 예를 들어 1m 베이스를 갖는 발사체는 마하 6-20의 전체 범위에 걸쳐 유용한 효과를 생성하기 위해 480kW의 증착된 전력을 이용할 수 있다. 이 힘은: 15km에서 극초음속 매개체 앞에 1/5 직경의 코어가 개방되고; 30km에서 1/2 직경의 코어가 개방되며; 45km 고도에서 전체 직경의 코어가 개방될 수 있게 한다. 이 전력의 10 % 만 사용 가능하다면, 인용된 직경의 대략 1/3 인 "튜브"를 개방할 수 있으며, 여전히 효율성, 제어 및 대폭 용이해진 설계의 측면에서 엄청난 이점을 얻는다.
극초음속 매개체의 전류 제한 인자 중 하나는 유지된 극초음속 비행의 열 효과의 완화이다. 항력을 줄이고 매개체 제어를 가능하게 하는 것 외에도, 우리의 접근 방식은 결과적인 가열뿐만 아니라 매개체 표면의 온도를 낮춘다. 이는 선단부에서 요구되는 TPS 중량 및 특수 재료의 상당한 감소를 가능하게 한다. 이는 또한 물질적인 한계를 만나기 전에 매개체 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 매개체 앞쪽에 작은 지름의 "튜브"를 개방하는 것은 커다란 이점을 나타내며, 미리 구멍을 뚫어 큰 못을 안내하는 것을 돕는 것과 유사한 방법으로 매개체를 안내하는 데 도움이 된다. 그럼에도 불구하고, 전체 매개체에 적합할 수 있는 "튜브"를 개방하는 극단적인 경우를 생각해보는 것은 유익하다. 이는 직관적으로 볼 때 올림픽에서 루지 썰매와 비슷하게 "튜브" 내에 매개체가 고정된 것과 같다. 매개체가 "튜브" 벽에 부딪히기 시작하면, 매개체를 중앙으로 다시 밀어 넣는 매우 강한 힘이 발생한다. 이것은 수직 방향뿐만 아니라 다른 모든 방향에서도 작동하며, 매개체는 상향 저항력에 의해 무게가 균형을 이루는 위치를 찾는다. 결과적으로, 전체 몸체가 리프팅 표면 역할을 하여, 연관된 힘과 온도를 균일하게 분산시킨다. 마찬가지로, 중력의 균형을 유지하는 동일한 현상이 지속적으로 매개체를 튜브 내에서 구속하는 복원력을 발휘하는 점에서 전체 몸체가 제어 표면 역할을 할 수 있다. 한편으로 이것은 간단히 "튜브"를 원하는 방향으로 향하게 하고(레이저 펄스의 개시/안내를 지시하는 것만큼 간단할 수 있음), 전체 몸체에 걸쳐 제어력을 분산시키며, 유체 힘이 매개체가 적절하게 뒤따르는 것을 보장하므로 제어를 매우 흥미롭게 한다. 이는 무거운 극초음속 액츄에이터/제어 표면 시스템을 제거함으로써 우리의 접근법에 필요한 하드웨어를 수용할 수 있도록 더 많은 무게와 부피 요구 사항을 교환할 수 있음을 시사한다. 어떤 경우에는, 각 플랩이 상당한 연관된 부피를 가지며 대략 20kg의 무게를 가질 수 있다. 이러한 액추에이터는 부가적인 중량, 부피 요구 및 위험을 갖는 가스 병 또는 매개체의 동력을 필요로 할 수 있으며, 이를 제거하면 에너지 증착 시스템의 요구 사항을 상쇄할 수 있다.
상술한 바와 같이, 이 문서에서 기술된 기술을 최대한으로 활용하기 위한 최적의 접근법은 매개체 전체 주위에 유체 역학을 설계하여 항력 감소, 비행 안정화 (flight-stabilization), 감소된 설계 제약 조건, 향상된 승강/제어/유입/추진 및 속도, 성능, 범위, 적재 하중 및 연료 효율성의 극적인 향상을 포함하여 제공되는 많은 이점을 완전히 활용할 수 있게 하는 것이다. 이것은 말하자면, 그렇지 않으면 최적화된 시스템에서 그렇지 않으면 얻을 수 없는 성능의 점진적인 향상을 가능하게 함으로써, 이 기술이 기존 플랫폼 상으로 점진적으로 "구매"될 수 있는 많은 방법이 있다. 일부 예를 들면, 표면을 따라 에너지를 증착하여 피할 수 없는 돌출부(예를 들면, 수직 꼬리 부분, 조인트, 리벳, 와이퍼, 이음새 등)의 항력을 줄이면서, 첨단 또는 그 앞에 에너지를 증착하는 것을 포함한다. 이러한 성능 향상 외에도, 그렇지 않으면 실행할 수 없는 기능을 또한 구현할 수 있다. 한 세트의 응용은, 도 22에 도시된 것과 같이, 경사 충격파를 통해 매개체의 측면으로부터 튜브를 뚫어 발사체/보조 매개체의 통과와 함께 광학 이미징 및 통신을 용이하게 하는 기능을 포함한다.
이러한 방식으로 주 매개체의 충격파를 뚫는 것은, 이를 통해 이미지가 더욱 명확하게 기록될 수 있고, 그렇지 않은 경우 뚫리지 않은 충격파로 겪게 되는 강한 상호 작용이 없이 이를 통해 1차 매개체로부터 2차 몸체가 발사될 수 있는 경로의 생성을 가능하게 하므로, 특정한 극초음속 비행에서 특히 중요할 수 있다.
고속 흐름 제어 및 초음속/극초음속 전파/주행의 추가적인 예는 추진 및 내부 유동 응용, 특히 초음속 유입구 시동 및 스크리치(screech) 및 기타 공진을 포함하는 엔진/증강기 소음의 완화를 포함한다. 여기에는 특정 세부 사항에 따라 레이저 유무에 관계없이 다양한 전극 유형을 사용하여 달성되는 표면 방전이 관련된다. 우리는 또한 풍동(wind tunnel) 성능, 산업/제조 공정 및 운송을 개선하기 위해 표면을 따라 및/또는 야외로부터 지상 기반 응용에 이르기까지 에너지 증착을 적용하고 있다.
위의 비행 응용에 있어서, 우리의 주요 관심사는 성능 및 효율의 극적인 향상을 가능하게 하는 것이다. 지상 기반의 산업/제조/운송 분야에서는 크기, 무게 및 전력에 대한 제약이 더 완화될 수 있다. 비협조적인 매개체를 원거리에서 제어하고자 하는 요구가 원격 플랫폼에 에너지를 증착하는 것으로 이르게 하였다. 이 응용에 있어서, 에너지 증착으로 인한 유체 역학은 동일하게 유지된다. 그러나, 크기/무게/전력 요구량을 줄이면서, 에너지를 흐름에 가장 효율적으로 증착하기 위해 자신의 플랫폼을 신중하게 설계하는 대신, 기본 작업은 이제 그 동역학을 제어하기 위해 원격 플랫폼에 에너지를 전달하는 것이 되었다. 이 경우, 효율적인 전기 방전을 통해 에너지를 증착하는 대신, 원격 플랫폼의 표면 또는 그 근처에서 에너지를 신속하게/충격적으로 증착하기 위해 덜 효율적인 레이저(및/또는 마이크로파) 에너지를 사용하게 되었다. 이 에너지의 비용은 (세대 효율 측면에서) 일차 에너지 증착 소스로서 온보드 전기 방전을 단순히 사용하는 것보다 훨씬 높다. 그러나 그 대가로 먼 거리에서 이 에너지를 원격으로 전달할 수 있는 능력을 얻으며, 이에 따라 원격 발사체/매개체에 대한 항력 및 양력을 국부적으로 수정함으로써 이에 대해 상당한 제어권을 행사할 수 있다. 도 23은 정지 공기와 유동 공기 양자에서 원격 표면에 증착되는 레이저 에너지의 슐리렌 이미지를 나타낸다. 우리의 풍동 시험에서, 우리는 표면 흐름과 경계층을 방해하는 우리의 능력과 관련하여, 공기 호일의 양력과 항력 모두에 대한 상당한 영향을 측정할 수 있었다.
유체가 기계적으로 반응할 수 있는 것보다 빠른 속도로 유동 내로 에너지를 신속하게/충격적으로 증착하는 것은 레이저, 전기 방전, 마이크로파, 전자 빔 등을 포함하는 임의의 수의 실시예 및 메커니즘을 사용하여 달성될 수 있으며, 일정한 부피의 가스를 희석하는 폭발 파를 생성한다. 이 에너지는 유체의 밀도를 크게 변조/조형하고 대단한 제어를 달성하기 위해 다양한 유용한 형상으로 증착될 수 있다. 이 제어는 몸체가 주변 유체 밀도 대 대폭 감소된 밀도의 영역과 상호 작용할 때 경험하는 힘의 강한 차이로 인해 발생할 수 있다. 일반적인 형상은 몸체에서 떨어져 생성되는 구형 및 원통형 저밀도 영역("튜브")과 표면을 따라 생성되는 "반구형" 및 "반원통형" 저밀도 영역의 조합이다. 이러한 형상은 매우 낮은 밀도(주변 밀도 대비)의 유체를 통과할 때 항력, 가열, 압력 및 충격파의 강력한 감소로 인한 속도, 효율, 제어 및 전체 성능의 극적인 증가를 가능하게 한다. 우리의 획기적인 접근 방식의 가장 유리한 활용은 유입구; 타이밍; 및 추진력을 조정함으로써 유익한 동력을 중심으로 시스템을 설계하여 원하는 작동의 전체 범위에 대한 효과를 극대화한다. 이 기술의 방식을 기존 또는 가까운 플랫폼 상에 "구매"하거나 및/또는 특정 기능을 가능하게 하는 방식으로 이러한 이점을 통합함으로써 덜 광범위한 노력을 추구할 수도 있다. 그러한 노력은 강한 충격/항력/가열/압력의 지점 단위의(point-wise) 완화; 고속 추진 유닛의 내부 흐름 제어; 더 낮은 마하 수에서 시작하는 유입구 (재)시작; 기타; 지상 시험; 제조; 지상 교통수단; 및 광신호 및 보조 매개체의 통과를 용이하게 하기 위해 초음속/극초음속 플랫폼에 의해 생성된 충격파를 뚫는 것을 포함할 수 있다.
고속 흐름 제어에서 극적인 진보를 달성하기 위해 에너지를 증착하는 데 있어 다양한 실시예의 기초를 이루는 다수의 근본적인 물리적 메커니즘이 있다. 고속 비행 및 흐름 제어에 변혁을 일으키는 우리의 접근법은 특정 실시예에서 공기가 상호 작용하는 방식을 최적화하도록 공기를 우선적으로 이동시키는 것이다. 한 지점에서 순간적으로("충격적으로") 에너지가 증착되면, 구형 충격파가 발생하여, 저밀도 구를 밀어 개방하고, 그 내부에는 대기 중 공기 밀도의 1 - 2 % 만이 남는다. 에너지가 충격적으로 선을 따라 증착될 때, 이 동일한 팽창이 일어나 주변 공기 밀도의 약 1-2 %를 함유하는 저밀도 원통이 개방된다. 우리가 "개방"하는 부피는 우리가 증착하는 에너지에 정비례하며, 주위 공기 압력에 정비례하므로, 높은 고도(보통 극초음속 비행이 발생하는 곳)에서 주어진 저밀도 부피를 여는 데에는 낮은 고도에서보다 더 적은 에너지가 필요하다. 대기 밀도를 통한 비행 대 대기 밀도의 1-2 %를 통한 비행의 이익은 다수이며, 강력한 항력 감소; 향상된 안정성; 크게 감소된 에너지 사용; 소닉 붐 없음; 정체 온도 및 압력 감소; 감소된 소음; 베이스의 재가압(기저 항력을 제거하고 추진 시스템의 추진 효율을 강력하게 향상시킴); 감소된 배출; 모든 고도에서 비행 안전 운항 범위의 급격한 증가를 포함한다.
새로운 응용을 개발할 때 우리가 이용하는 주요 효과는 공기에 충격적으로 에너지를 부가하고 밀도를 조형할 수 있는 능력이다. 지난 수십 년 동안, 점과 선 소스를 따라 집중되어 있던 많은 양의 에너지가 완전히 특성화되었다. 그의 세심한 계산 연구에서, 플루스터(Plooster)는 충격적으로 증착된 에너지의 무한 선 소스에 대해 무차원 단위로 데이터를 제공한다(도 24 내지 도 26). 그의 모든 그래프에서, 에너지는 r = 0에 증착되고, 이 원점으로부터의 거리(1-D 원통 좌표)는 무차원 반경 λ를 사용하여 기술된다. 각 그래프에서, λ는 가로축을 따라 그려지며, 특성 반경 Ro=(Eo/bγpo)1/2에 대한 실제 거리 r의 비율을 나타낸다. 여기에서 Eo는 단위 길이 당 증착된 에너지이고, po는 충격 앞쪽의 압력이고, γ= 1.4이고, b는 3.94로 취해진다. 각 그래프에는 여러 개의 선이 그려져 있으며, 각 선 위에 숫자가 표시되어 있다. 이들 숫자는 무차원 시간 τ를 나타내며, 이는 실제 시간 t 대 특성 시간 to=Ro/ao 의 비율이다. 여기에서 ao는 충격파 앞의 주변 대기에서 소리의 속도이다. 도 24의 압력(p/po), 도 25의 방사 속도(u/ao) 및 밀도(σ/σo)를 포함하여 모든 유체 매개 변수는 원통형 충격파 앞의 주변 대기의 유체 매개변수에 대해 표시된다.
이들 결과의 추가적인 유용성은 플루스터가 다양한 초기 조건(예를 들어, 이상적인 선 소스 상의 약간의 변동)에 대해 검증된 사실로부터 비롯된다. 장기적인 동역학(우리가 관심이 있는)은 기본적으로 다수의 선 소스를 포함하여 이상적인 선 소스에서 한정된 범위의 증착된 에너지와 같은 더 확산된 소스에 이르는 범위에서, 초기 조건에 대해 동일하다. 결과는 우리가 완화/제어하고자 하는 충격파에 앞서 확장된 영역을 따라 에너지를 증착할 수 있는 임의의 방법을 포함하도록 충분히 견고하다고 가정한다.
원통형 충격파가 반경 방향 외측으로 전파됨에 따라, 도 25는 대략 τ = 0.147에서 팽창하는 충격파가 음속으로 되는 것을 나타낸다. 이것은 팽창하는 원통이 폭발 파로부터 해제되어 저밀도 튜브를 음파로 밀어 개방하여, 특징적인 압축 및 희박화를 전개하는 시간과 대략적으로 일치하며, 도 24의 압력 기록 내에서 약 τ = 0.2에서 분명해지기 시작한다. 결과적으로, 저밀도 튜브가 급격한 팽창을 멈추고 약 τ = 0.14로부터 τ = 6.0을 훨씬 넘어서까지 대략 정지 상태에 있게 되는 것과 거의 같은 시간이다. 도 26은 매우 낮은 밀도의 코어가 반경 λ = 0 에서 약 λ = 0.5까지 음파 충격파가 반경 방향 외측으로 계속 전파됨에 따라 효과적으로 고정되어 변하지 않음을 보여준다. 이 긴 저밀도 원통형 코어의 장점과 유용성은 매우 오랫동안 지속되며, 이를 통해 매개체(및/또는 그 매개체에 의해 앞으로 밀려나는 고압 공기, 및/또는 해제되어야 하는 고압 가스의 축적)이 효과적으로 저항 없이 통과할 수 있는 저밀도 채널로 사용될 수 있다.
플루스터(Plooster)의 결과로부터 매개변수 및 스케일을 사용하여 저밀도 튜브가 비행 중의 몸체에 미치는 영향을 특성화하기 위한 매개변수 연구를 수행하기 위해 다양한 반경의 저밀도 튜브를 개방하는데 필요한 에너지를 추정하였다. 특히, 시뮬레이션은 초음속/극초음속 원뿔에 의해 생성되는 선수 충격 앞의 유선(이 경우 정체선을 따라)을 따라 갑자기 열을 증착할 때 충격 완화 및 항력 감소에서 매력적인 이점을 보여주기 위한 것이다. 선 증착 형상에서 입증된 지속적인 이익은 지속적인 에너지 추가 없이 장기간의 충격 완화/항력 감소를 가져온다. 이는 충격적 에너지 증착 메커니즘이 연속적인 펄스 형태로 반복되도록 한다. 일단 에너지가 신속하게/충격적으로 증착되면, 상술한 바와 같이 공기가 팽창하여 저밀도의 "튜브"가 개방된다. 이상화되고 고정된 저밀도 튜브(및 증착된 에너지의 팽창에 의해 형성된 구 또는 다른 형태)를 침식시키기 위해 작용하는 두 가지 메커니즘은 i) 열 부력; 및 ii) 열 확산이다. 실제적으로, 계면 및 부피 양자의 유체 불안정성도 발생하는데, 이는 이들 두 메커니즘이 비균질 밀도 분포에 작용하기 때문이다.
고온 공기 풍선(풍선이 없는)과 유사하게, 열 부력은 "튜브" 또는 "버블" 내부의 고온, 저밀도 가스의 부력에 의해 유도된다. 점도, 불안정성, 기타 소산력과 공기와 같이 가벼운 물체의 매우 낮은 종단 속도를 무시하면, 저밀도 가스가 경험할 수 있는 가장 높은 상향 가속도는 중력에 해당하는 것(9.8m/s2)이다. 우리가 일반적으로 관심을 갖는 길이 스케일에 대해, 1cm는 저밀도 가스에 대해 작지만 중요한 움직임으로 간주될 수 있다. 전체 중력 가속도의 비현실적인 상한치에서, 가스는 대략 .05 초 이내에 1cm 이동하는데, 이는 일반적으로 열 확산보다 훨씬 빠르며, cm 정도 또는 더 큰, 상당히 큰 크기의 저밀도 특성에 상당한 영향을 미친다. 상한치를 너무 빠르게 만드는 많은 가정을 설명하기 위해, 상당한 저밀도 특성은 적어도 0.1초 동안 실행 가능할 것으로 가정한다. 이 시간 동안, 마하 0.9 매개체조차도 약 30m를 주행하며, 이는 어떤 매개체가 우리가 생성하고자 하는 저밀도 구조와의 상호 작용을 완료하는 데 충분한 시간을 제공한다.
합리적 크기의 저밀도 특성(예를 들어, 수 cm 크기 이상의 특성)에 있어서, 열 확산에 의해 이들 특성이 소산되는 시간 스케일은 열 부력에 대해 위에서 근사된 것보다 훨씬 더 길다. 열 확산은 궁극적으로 열 평형에 도달(즉, 열이 고온 가스로부터 인접한 저온 가스로 전도된다)하기 위한 온도 구배를 따르는 열 에너지의 유동으로부터 기본적으로 발생한다. 도 26에서 알 수 있듯이, "튜브"의 계면은 매우 강한 온도 구배에 해당하는 매우 강한 밀도 구배를 가진다. 그 결과 저밀도 "튜브"의 계면에서 열 확산이 발생한다. 이 효과는 표면에서 발생하고 작은 길이의 스케일에 작용하기 때문에, 매우 작은 직경의 구 또는 매우 작은 직경의 "튜브"와 같은 극히 작은 특성의 경우 가장 현저하다.
작은 저밀도 특성이 중요한 역할을 하는 주요한 경우는, 레이저 펄스에 의해 공기 중에 증착된 에너지가 전기 방전을 안내/트리거링하는 전구체로서 매우 작은 직경의 저밀도 튜브를 생성할 때 발생한다. 이 경우, 저밀도 튜브의 직경은 펄스 매개변수에 따라 수십에서 수백 마이크론 정도, 또는 그 이상일 수 있다. 그러한 경우, 우리는 "튜브(tube)" 동역학을 이미지화하고, 그 수명을 100 ㎲에서 1 ㎳ 사이로 평가하고(도 8) 이러한 시간 스케일을 뒷받침하는 추가 진단을 사용했다.
강렬한 레이저 펄스에 의해 형성되는 이러한 매우 작은 저밀도 "튜브"에 의해 수행되는 주된 역할은, 경로를 따라 훨씬 더 많은 에너지를 증착할 수 있는 전기 방전을 안내하고 트리거링하는 것을 돕는 것이다. 이러한 방전은 106 m/s 또는 그보다 빠른 속도로 작은 전구체 채널을 따라 형성되어 수십 미터의 전기 방전을 쉽게 전파할 수 있는 "튜브" 수명을 발생시킨다.
레이저에 의해 생성된 이온화된 경로 및 작은 "튜브"와 관련하여 제기될 수 있는 하나의 추가적인 문제는 난기류의 영향이다. 실제로, 이는 여러 가지 이유로 큰 문제가 되지 않는 것으로 나타났다: i) 레이저 펄스를 전파하려면 수십 나노초가 필요하다; ii) 필라멘트와 집중된 펄스는 난기류뿐만 아니라 복잡한 고속 충격/난류(공기역학적 창에 대한 섹션에서 더 자세하게 설명됨)를 통해 전파되는 동안 생존하는 것으로 입증되었다; iii) 예상되는 전기 방전의 발생에는 마이크로초가 필요하다. 전기 방전을 사용하여 더 크고 조작상 유용한 "튜브"를 형성하는 데 필요한 이러한 시간 스케일과 동역학에 대해, 난기류가 진화하는 데 걸리는 시간이 훨씬 느리기 때문에 난기류는 큰 장애물이 되지 않는다.
공기역학적 이점을 논의하기 위해 사용하는 표준 특징은 저밀도 코어이며, 플루스터는 대략 λ = 0.5로 확장하는 것을 보여주었다(도 26). 이 코어의 반지름을 어떤 값으로 하고자 하면, λ=r/Ro 의 정의를 사용하여 길이 당 필요한 에너지 증착(Eo)을 계산할 수 있다. 여기에서 Ro=(Eo/5.34*po)1/2 이고, po는 주위 공기 압력이다(상수 5.34는 수증기를 설명하기 위해 1.4와 약간 다른 γ 값을 사용하여 유도되며, 건조 공기에 대해서도 계산할 수 있다). 이는 반경 r의 저밀도 코어를 생성하는 데 필요한 길이 당 에너지를 제공한다. 먼저 Eo=5.34*po*Ro 2 가 되도록 재정렬한다. 그런 다음, λ와 r로 Ro를 표현하면, Eo=5.34*po*(r/λ)2 가 된다. 우리가 관심을 가지는 λ의 주요 값은 λ = 0.5이다. 왜냐하면 이는 저밀도 코어의 대략적인 무한한(dimensionless) 폭이기 때문이다. 물리적 정보를 제공하는 기본 치수는 생성하고자 하는 저밀도 코어의 실제 반지름 r 이다. 예상할 수 있는 바와 같이, 주어진 저밀도 코어를 생성하는 데 필요한 길이당 에너지는 그 반지름의 제곱에 비례하며(즉, 단면적에 비례) Eo=21.5*po*(r)2이다. ½ (제곱)의 추가 계수를 고려할 때, 실제 에너지/길이를 계산하는 식은 다음과 같다.
Eo=5.34*po*(r)2
필요한 전체 에너지를 얻기 위하여, Eo에 가열된 경로의 길이를 단순히 곱해야 한다. 이 길이는 테스트 단계에서 최적화될 시스템 매개변수 중 하나이며, 펄스 반복률(또한 최적화되어야 함)을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 그러나, 펄스 에너지와 평균 전력의 범위를 논의하기 위하여, 몇 가지 공칭 값을 선택하여 일부 공칭 가스 가열 요구 사항을 결정할 수 있다.
매개체 앞쪽의 가스를 가열하는 하나의 접근법은 각각의 새로운 저밀도 "코어"를 생성함으로써 고온 경로에서의 "파손"을 방지하여 그 전방이 선행 코어의 후방에 대해 맞닿게 하는 것이다. 그러나, 전력 및 전체 에너지 증착을 줄이는 방법은 연속적인 개별 코어 사이에 비가열 공기의 중단을 남기는 것이다. 이는 선수 충격이 매개체 앞에서 실제로 다시 형성되는 데 필요한 시간을 활용할 수 있도록 허용한다. 매개체의 선수 충격이 다시 형성되면, 다음에 가열된 코어가 다시 충격을 분산시키는 역할을 한다. 매개체가 저밀도 코어에서 나간 후에 효과적으로 방해되는 충격을 재형성하기 위한 실제 거리는 매개체 형태, 공격 각, 및 비행 매개변수에 따라 다르지만, 이 길이에 상관없이, 에너지 증착 길이 및 반복률을 맞춤으로써 이를 수용할 수 있다. 예를 들어, 이들 값을 조정하여 새로운 선수 충격을 형성하는 데 필요한 거리와 길이가 같은 튜브를 생성하면, 에너지 증착의 전력 요구량을 절반으로 줄일 수 있다(정체선을 따라 비가열:가열된 가스의 비율이 1:1이므로). 비슷한 현상이 매개체 앞쪽에 부분 가열(spot-heating)을 사용한 때에도 증명되었다. 실제적으로, 가열되지 않은 길이에 대한 고온 코어 길이의 최적 비율은 풍동 테스트 및 더 상세한 시뮬레이션을 통해 결정된다. 이 매개변수를 가장 잘 활용하기 위해 이 매개변수를 매우 신중하게 시험하려는 주된 동기는 매개체가 이전의 저밀도 "튜브"를 빠져나간 후 충격을 "재형성"하는 데 특히 긴 시간이 걸리는 것처럼 보이기 때문이다. 위에서 언급한 개념적 사례(우리가 수행한 시뮬레이션과 일치함)에서 그러한 접근은 증착한 에너지의 50 %를 절약할 수 있어 현재 효율을 두 배로 높일 수 있다(동일한 이익을 얻기 위해 에너지 투입을 반으로 줄임).
연장된 공기 경로를 가열하기 위한 상기 방법(들)을 논의하는 이유는 충격파의 제어/완화에 대한 그 적용 가능성 때문이다. 우리는 충격파 앞에서의 점 가열에 대한 시간 분석 연구(time resolved studies)를 보는 것으로 시작하여 확장 가열 영역에 대해 지금까지 수행한 실험을 요약한다.
아델그렌 등(Adelgren et al.)의 아름다운 시간 분석 풍동 연구(도 27 및 28)는 마하 3.45에서 구형 모델의 선수 충격에 대한 에너지 증착의 효과를 관찰할 수 있게 하였다. 레이저 가열 영역은 대략 점 소스이지만, 펄스 전파 방향을 따라 다소 길어지며 터널의 공기 흐름을 가로지르도록 발생한다(빔이 터널 측면에서 들어온다). 결과적인 가열은 팽창된 구형 충격파로서의 진화가 광범위하게 취급되는 점 소스로 효과적으로 근사될 수 있다. 이 팽창의 주된 특징은 고밀도/고압 파동을 바깥쪽으로 몰아 내며 고온의 저밀도 "버블(bubble)"을 중앙에 남기는 구형 폭발 파이다. 이 저밀도 "버블"은 음파 충격파가 바깥쪽으로 계속되어 약해짐에 따라, 주어진 크기(공기에 증착된 에너지의 양에 의존함)로 확장한 다음 정지한다.
도 27은 10ns IR 펄스로 약 10의 mJ를 흐름에 부가하는 것을 도시한다. 결과적인 구형 충격파의 확장은 하류로 이류됨에 따라 관찰된다. 약한 음파 충격파가 계속 확장됨에 따라 저밀도 "버블"이 효과적으로 일정한 반경을 유지하는 것을 볼 수 있다. 이 저밀도 "버블"은 에너지가 선을 따라 증착될 때 생성되는 원통형 저밀도 "튜브/코어"에 대한 구형 아날로그로서, 플루스터에 의해 정량화된 바와 같다.
도 28은 에너지 증착 뒤의 흐름에 배치된 구형 풍동 모델을 갖는 동일한 기하 구조를 도시한다. 슐리렌 이미지 위에 중첩하여, 레이저 유도 구형 팽창이 모델의 충격파와 상호 작용함에 따른 압력 분포가 표시된다. 모델의 표면을 제로 축으로 사용하면, 모델 전면의 "원형" 선이 기본 표면 압력(방해받지 않는 흐름에서 측정됨)이다. 다른 선은 사진을 찍을 때 측정된 면 압력이다. 이들 세 개의 프레임은 저밀도의 레이저로 가열된 "버블"이 모델 표면의 압력 포트를 지나쳐감에 따라 일시적인 압력 감소를 나타낸다.
도 29는 모델의 정체 지점(압력 변동이 가장 큰 지점)에서의 압력의 시간 전개를 도시한다. 저밀도 "버블"이 모델 및 그 충격파와 상호 작용함에 따라, 압력 상승이 팽창하는 충격파의 고밀도가 먼저 모델의 충격파 및 압력 센서와 상호 작용함에 따라 나타난다. 압력 강하는 저밀도 "버블(bubble)"이 뒤따르는 결과이다. 그 결과 도 30의 바깥쪽 플럼(plume)이 생겨 나머지 선수 충격 구조가 교란되며, 결과는 초음속 물체의 선수 충격 및 유동장과의 레이저 가열된 가스 상호 작용의 직접적인 성격을 보여준다.
더 효과적인 원통형 기하학적 구조를 조사하기 위해, PM & AM 리서치는 풍동 실험에서 무엇이 필요할지를 평가하기 위한 몇 가지 탐험적인 실험 작업을 수행하였고, 또한 정상 충격이 가해지는 다양한 저밀도 기하학적 구조와 함께 충격 튜브 형상에 대한 분석 계산 및 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 이러한 고려 사항은 튜브 형상의 기하학적 구조를 사용하는 큰 이점을 나타낸다. 주어진 양의 에너지가 충격파보다 앞선 지점 또는 동일한 충격파보다 앞선 (충격파의 전파 방향으로 배향된) 선을 따라 증착되었다. 점 가열은 가스의 일부 혼합을 가져 왔고, 충격에 대한 전반적인 영향은 미미하였다. 초음속 매개체의 측면에서 볼 때, "점 가열(point-heating)" 기하학적 구조를 갖는 매개체의 경로에서 공기는 거의 밀려나지 않는다. 거의 절반의 가스가 매개체 쪽으로 확장되고 매개체의 충격파와 "정면" 충돌을 일으키고, 나머지 절반은 매개체에서 멀리 떨어지면서 매개체의 충격파에 잡혀 흡수된다. 대조적으로, 갑작스런 선 가열의 경우, 거의 모든 원통형 팽창 가스가 매개체 경로의 경로 밖으로 (또는 적어도 정체 라인에서 벗어나도록) 밀린다. 매개체는 저밀도 튜브를 따라 우선적으로 주행하며, 앞쪽 가장자리 및 전체 매개체의 전면에서 온도, 압력 및 밀도의 감소가 오래 지속되는 것이 관찰된다. 또한, 매개체가 주행하기 전에 가스가 측면으로 이동하면, 매개체에 의해 전방 및 측면으로 가속되는 대신, 가스는 대신 매개체 뒤에서 재순환될 수 있은 위치에 있게 된다. 이 재순환은 그렇지 않으면 비워진 베이스를 다시 가압하여, 베이스 항력을 제거할 뿐 아니라 추진 시스템이 추진할 수 있는 고밀도 매질을 제공함으로써 추진 효과를 극적으로 향상시킨다. 이러한 동역학은 도 14에 묘사되어 있으며, 극적인 항력 감소 및 에너지 절감에 대한 매개변수 연구는 참조 문헌 및 본 개론의 첨부된 문헌에 보고되어 있다.
일단 매개체가 가열된 경로(코어)를 충분히 활용하면, 또 다른 충격적으로 가열된 경로가 생성되어, 매개체의 크기 및 속도뿐 아니라 가열된 코어의 길이와 연속적인 코어 사이에 남아 있도록 허용되는 임의의 비가열된 공간에 기초한 반복 속도를 얻을 수 있다.
제안된 기술은 매개체의 충격파 앞쪽에 정확하게 한정된 확장된 기하학적 형태로 전자기 에너지를 공기와 결합시키는 것에 결정적으로 의존한다. 레이저 "방전" 또는 "스파크"는 1960년대부터 큰 성공을 거두어 연구되어 왔다. 다양한 파장에 대한 스케일 관계가 얻어졌으며, 먼지 및 캐리어 확산과 같은 기여 메커니즘이 확인되었다. 그러나 우리의 응용을 위해서는 단순히 공기 내의 스파크보다 더 많은 것이 필요하다. 우리는 가능한 한 효율적으로 가열할 수 있도록 잘 조절된 확장된 공기 흐름이 필요하다. 이러한 방법은 여전히 최적화될 수 있으며, 우리의 주요 관심사 중 하나는 대기를 통해 전파되는 레이저 펄스로 인한 이온화 및 에너지 증착이다.
UV 파장을 사용하는 이점은 제어 가능한 이온화 및 에너지 증착이다. 많은 연구자들이 적외선 레이저를 사용하여 공기 중으로 에너지를 증착하였는데, 이 또한 장점이 있다. 장점 중 하나는 사용 가능한 IR 레이저 증폭기 재료의 큰 범위이며, 또 하나는 강렬한 가열 및 이온화 기능이다. 반대로, IR 흡수에 의해 생성되는 상당히 많은 양의 2차 광은, 공기를 가열하는 데 사용할 수 있는 에너지가 적어지는 결과가 된다.
UV 및 IR 레이저 유도 이온화를 비교할 때, 실제 메커니즘은 상당히 상이하다. 하나의 주요 차이점은 자외선의 더 높은 주파수가 더 넓은 범위의 플라즈마 침투를 허용하는 것이다. 이는 이온화된 가스에 의해 반사되지 않기 위해 레이저의 주파수가 이온화의 플라즈마 주파수를 초과해야 하기 때문에 발생한다. 따라서, 일단 (저주파수) IR 레이저가 가스를 이온화하기 시작하면, 얼마 지나지 않아 방금 생성된 플라즈마에 의해 강하게 반사, 산란 및 흡수된다. 결과는 일반적으로 펄스의 잔여 에너지가 앞으로 전파되는 것을 막는 단일의 이온화된 지점 또는 펄스의 경로를 따른 일련의 플라즈마 "비드"이다. 단일의 이온화된 지점의 경우, 일반적인 연장은 레이저를 향해 후방으로 전파되는 레이저 구동 폭발 파와 연관된 다양한 메커니즘으로 인해 펄스 경로를 따라 발생할 수 있다. 이 폭발 파는 105m/sec의 속도로 전파될 수 있어 매개체 앞쪽에 확장된 고온 경로를 생성하는 후보 방법이 된다. 안타깝게도, 우리는 비교적 짧은 경로(센티미터 단위)에 대한 보고서를 보았을 뿐이며, 이는 기껏해야 현재 상상할 수 있는 것보다 훨씬 작은 응용에만 적합하다. 그러나 일련의 플라즈마 비드의 IR 유도 형성은 수 미터에 걸쳐 관찰되었으며 심지어 이 "점선으로 된" 선도 우리가 요구하는 "연장된 고온 경로"를 생성하는 가까운 결과의 역할을 할 수 있다.
IR 대 UV 방사선의 이온화 메커니즘의 다른 차이는 "아발란치(avalanche)" 또는 "캐스캐이드(cascade)" 이온화 및 다중 광자 이온화 사이의 경쟁이다. 분석 결과 더 짧은 파장, 더 짧은 펄스 및 더 낮은 압력의 가스가 모두 다중 광자 이온화를 촉진하는 반면, 더 긴 파장, 더 긴 펄스 및 더 높은 가스 압력은 캐스케이드 이온화를 촉진한다. 캐스케이드 이온화는 역 제동복사(bremsstrahlung)를 통해 높은 광자 밀도의 존재 하에서 발생한다. 이 과정은 가스 원자/분자에 의해 보조되고 레이저 광자의 모멘텀을 흡수한 후 전자를 앞으로 가속시킨다. 자유 전자의 모멘텀 축적은 가스 원자/분자에 결합된 또 다른 전자를 충돌 이온화시키기에 충분한 운동 에너지를 가질 때까지 계속된다. 이는 이제 광자를 흡수하고 운동 에너지를 축적하는 두 개의 전자를 생성한다. 이러한 동역학을 계속하면, 충분한 광자, 상호 작용하기 위한 충분한 기체 분자 및 관련된 많은 단계를 위한 충분한 시간을 가지고 있다면, 단일 전자가 여러 번 증식할 수 있다. 이러한 방식으로 항복을 달성하기 위해 필요한 임계 강도의 추정치는 다음과 같다:
Ith ~ (ω2+υeff 2)*(τp*υeff)-1
여기에서 υeff 는 전자와 가스 입자 사이의 모멘텀 전달 효율(가스 압력에 비례함)이고, ω는 레이저 주파수이며, τp는 펄스 폭이다. Ith는 더 낮은 레이저 주파수, 더 높은 압력 및 더 긴 펄스 길이에 대해 더 낮다는 것이 명백하다.
다중 광자 이온화의 경우, 비이온화된 기체 원자/분자 및 n 개의 광자(이온화 에너지를 공급하기에 충분) 사이에서 고차 충돌이 일어난다. 예를 들어, 분자 질소의 최초 이온화 포텐셜은 15.5eV 인 반면, 248nm KrF 방사선은 5eV의 광자 에너지 hυ를 갖는다. 15.5eV를 제공하기 위해 적어도 4개의 광자가 필요하기 때문에, 이온화는 4-광자 프로세스 (즉, n = 4)로 간주된다. 1.06 μm 광자에 대해, hυ = 1.165eV이므로, n = 13이고, 10.6 μm 광자의 경우 hυ = 0.1165eV이므로 n = 134 광자 프로세스(극도로 가능성이 낮은 충돌)가 발생한다. 다중 광자 이온화가 뛰어난 펄스 길이를 나타내기 위하여 추가적인 경험 법칙이 사용될 수 있다.:
P*τp<10-7(Torr*s)
이는 대기압에서, 다중 광자 이온화가 지배적이기 위하여 τp 가 100ps 이하이어야 하는 반면 더 낮은 압력(더 높은 고도)에서는 더 높은 에너지를 갖는 더 긴 펄스가 사용될 수 있음을 의미한다.
먼저 논의한 바와 같이, 긴 IR 펄스에서 발생하는 캐스케이드 이온화는 펄스에서 대부분의 광을 강하게 반사 및 산란시킬 것이다. UV 펄스의 경우, 이온화된 영역은 펄스에 대해 상대적으로 투명하게 유지될 수 있고, 확장된 가스 영역이 이온화될 수 있다. 실제로 시스템의 광학 초점을 중심으로 한 영역은 이온화되어 어느 방향으로든 하나의 "레일리(Rayleigh) 범위"(zR)를 확장할 수 있다:
zR=ωo/Θ= ωo*f/d=π*ωo 2/λ
(가우시안 빔에 대해)
여기에서 ωo 는 빔 허리(최소 초점 스폿 폭), f는 렌즈 초점 거리, d는 렌즈 직경, λ는 레이저 파장이다. f = 1m 및 1.5m 렌즈를 사용하여, 수 cm의 확장된 경로를 이온화하는 것이 가능하다. 음의 광학을 사용하여 렌즈 f/#를 줄이면, 길이가 2 * zR = 24cm 인 이온화된 채널을 얻을 수 있었다.
2가지 상이한 이온화 메커니즘에 의해 요구되는 에너지를 비교하면, 짧은 UV 펄스가 전도성 경로를 생성할 때 훨씬 더 효율적/효과적이라는 것을 알 수 있다. 1cm2 직경, 1m 길이의 1013e-/cm3 로 이온화된 공기 채널을 생성하기 위해 248nm 방사선을 사용하면 2.4mJ의 펄스 에너지만을 필요로 한다. 반면, 플라즈마 반사 문제를 피할 수 있고, IR 레이저가 동일한 채널을 이온화하는 데 사용될 수 있다면, 이를 거의 완전히 수행하고(2.7x1019e-/cm3) 약 6.4J의 펄스 에너지가 필요하다. 레이저로부터 이 전량의 에너지를 사용하는 것은 일반적으로 비효율적인 전기로부터의 레이저광 변환으로 인해 매우 비싸다. 대신, 레이저 필라멘트가 공기 중에 생성되어, 매우 작은 직경의 저밀도 채널을 개방하도록 가스에 에너지를 결합하면, 이제 이 저밀도 채널을 사용하여 고 에너지 전기 방전을 수행할 수 있으며, 그 에너지를 레이저보다 훨씬 더 효과적으로 공중에 결합한다. 전기 방전에 의해 방출되는 에너지는 또한 레이저에 의해 방출되는 것보다 더 싸게 생성된다. 각 증착 방법의 가장 유용한 요소를 혼합하고 맞추기 위해, 사전 이온화의 존재 하에서, 1.06 μm 레이저 펄스만큼 공기의 이온화가 강화된 것을 주목한다. 이 현상의 한 가지 가능한 활용은 UV 시드 레이저로부터의 이온화를 사용하여, 공기 중에서 전략적으로 IR 조사를 결합하여 에너지 증착이 일어나는 곳을 지시하는 것이다. 프로세스를 용이하게 하기 위해, UV 광은 IR 광의 고조파로서 생성될 수 있다. 전기적으로 전도성인 레이저 펄스에 의해 생성된 이온화를 넘어, 이는 또한 에너지를 공기와 결합시키고 저밀도 채널을 생성한다는 점에서 큰 의미를 갖는다. 이 저밀도 채널에서는, 전하가 더 쉽게 가속되어 이온화 레이저 펄스의 경로를 따라 전기 방전을 훨씬 쉽게 형성할 수 있다. 관련된 짧은 시간 스케일은 또한 준 안정 산소와 같은 준 안정 종(metastable species)이 방전을 형성할 수 있는 촉진 효과를 증가시킨다. 사전 이온화되고 이후 희박해진 가스 영역에 저비용 에너지를 결합시키는 잠재적인 대안적 방법은 마이크로파 에너지의 사용이다. 이 결합에 대한 이 연구는 현재 초기 단계에 있다.
연장된 경로를 가열하기 위한 우리의 옵션을 상당히 넓히는 레이저 펄스 기술의 주된 발전은 필라멘트 형성이다. 필라멘트는 많은 연구자들에 의해 조사되었으며 이 연구의 대부분은 IR 필라멘트에 관한 것이다. UV 필라멘트는 IR 파장을 사용하는 많은 단점을 극복/보완하기 위해 제안되었다. 이론에 따르면, UV 필라멘트는 길이가 수 킬로미터가 될 수 있고, 몇 줄(Joule)의 에너지를 포함할 수 있고, 약 100 μm의 반경을 가질 수 있으며, 가스를 1x1012e-/cm3 및 1x1016e-/cm3 사이에서 이온화한다. 대조적으로, IR 필라멘트는 몇 mJ 이상의 에너지를 포함할 수 없으며, 일단 (전파 손실을 통해) 이 에너지가 고갈되면, 필라멘트는 분해되어 매우 강하게 회절된다. 브로더(Brodeur)는 많은 필라멘트 에너지가 더 높은 정도로 이온화된 내부 코어로부터 회절됨에 따라, 1mm의 더 큰 반영식(penumbral) 직경으로 간헐적으로 이동한다는 것을 제안하였으며, 이후에 시뮬레이션을 통해 보여 주었다. 이 빛은 초기 필라멘트가 부서짐에 따라 새로운 필라멘트 형성을 위한 저장소로 남아있는다.
UV 및 IR을 비교하면, UV 필라멘트는 약 40μJ / m를 잃고, 약 2x1015e-/cm3 의 이온화를 나타내는 것으로 나타났다. 이는 IR 필라멘트에서 측정된 이온화보다 20배 더 큰 것으로 보고되어, 전도도의 20 배 증가를 가져온다. 다른 장점은 UV 필라멘트가 빛의 "원뿔형 방출"을 통해 에너지를 잃지 않으므로 가스를 이온화하고 가열하는 데 에너지를 더 효율적으로 사용하며, 이는 전기 방전 형성을 용이하게 하는 작은 저밀도 튜브의 더 효율적인 형성으로 해석된다.
이론적인 결과는 도 30에 도시되어, 전계 강도와 이온화 사이의 미터의 길이 스케일에 걸친 진동 교환을 나타낸다. 이러한 진동은 충분한 초기 에너지와 펄스 폭이 주어지면, 수 킬로미터까지 확장될 수 있는 범위 안에서 발생한다. 도 30 및 도 31 모두에서, 수직 스케일은 μm이고 수평 스케일은 미터이다. 160MW의 초기 동력에 대한 필라멘트 경계를 나타내는 도 31의 선은 효과적으로 빔의 확산을 나타내지 않으며 이 모델의 예측은 실험과 잘 일치한다. 이온화와 광자 밀도 사이의 진동에서 IR 필라멘트와의 유사성은 필라멘트 배열 간의 잠재적인 흥미로운 상호 작용을 암시한다. 이 경우 개별 "반영식" 필드가 중첩되어, 배열된 필라멘트 간의 크로스토크(cross-talk) 또는 에너지 교환을 허용한다. 이러한 배열은 필라멘트를 핵 생성시키기 위해 특정 지점에서 국부적인 최대값을 갖도록 초기 빔 프로파일을 구성함으로써 생성된다. 미터 길이의 필라멘트 배열은 매우 집중적이고 제어된 방식으로 에너지를 증착하는 효과적인 방법이 될 것이다. 이 두 가지를 결합할 수 있는 한 가지 가능성은 IR 광의 도파관 역할을 하도록 UV 필라멘트 어레이를 사용하는 것이다. IR 광 세기는 그렇지 않으면 가스를 이온화하는 데 필요한 것보다 낮을 수 있지만, UV 필라멘트 사이의 이온화된 영역은 IR 방사를 가스에 결합하는 데 도움이 된다. 이는 그렇지 않으면 필수적인 높은 전계 강도가 없이도 IR 방사를 가스에 효율적으로 결합할 수 있다. 이러한 보완적인 접근법은 (전형적으로 너무 강한) IR 이온화 및 연관된 낭비적인 밝은 광 발생을 완화시킬 수 있다. UV 필라멘트에 의해 생성되는 저밀도 채널은 또한 IR 광을 더 효과적으로 안내할 수 있다.
우리가 처음에 초점을 맞춘 열 증착을 비용 효율적으로 확장하는 방법은 가스 또는 필라멘트의 레이저 이온화된 구역(swath)에 의해 생성된 저밀도 영역을 사용하여 전기 방전의 핵을 생성하고 안내하는 것이다.
이는 80mJ, 1ps 레이저 펄스를 2개의 환상면체(toroidal) 전극을 통해 유도하여 이들 사이에 이온화된 경로를 생성시킴으로써 수행되었다. 전극은 정규 방전 전압보다 낮은 전압으로 유지되었으며, 레이저 이온화된 경로가 그 사이에 저밀도 경로를 생성할 때 방전의 핵을 만들고 이를 직선으로 안내하였다(도 32). 이 전구체 레이저 펄스는 임계 항복 전압을 25-50 %까지 감소시킬 수 있었다(일반적으로 해수면에서 20-30kV/cm 정도이다). 향상된 항복은 레이저 펄스 자체에 의해 증착되는 적은 양의 에너지에 의해 개방되는 작은 저밀도 영역/튜브로부터 파생되는 주요 이점을 갖는 다수의 메커니즘에 기인한다. 도 7에 나타난 바와 같이, 더 긴 필라멘트 개시/안내 방전이 발생했으며 중간 길이는 2m로 생성되었다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 다수의 레이저 펄스에 의해 생성된 다수의 경로를 연결함으로써 전기 방전(도 33)을 생성하였다.
실제 플랫폼 상에서 이 기술의 실제 구현에 더 접근하기 위해, 필라멘트 레이저는 공기역학적 창(aerodynamic window)을 통해 전파되었다. 공기역학적 창은 역사적으로 두 영역을 "분리"하는 데 사용되어 왔으며, 두 영역 사이에는 고강도 레이저 에너지가 전파되어야 한다. 이는 레이저 강도가 충분히 높아서 에너지가 창과 빔 모두를 치명적으로 손상시키지 않고 고체 창을 통과할 수 없는 경우에 필요하다. 단단한 창으로 구분되는 영역을 분리하는 대신, 공기역학적 창은 공기의 횡단 흐름으로 이들을 분리한다. 고압 공기는 노즐/통로(throat)를 통해 팽창되어 창의 양쪽에 충격 및 희박 파를 생성한다. 이는 창을 가로질러(흐름 방향을 횡단) 강력한 압력 구배를 설정한다. 각 고압 및 저압이 창 양쪽의 외부 압력과 매칭되면, 레이저 펄스가 통과할 수 있도록 허용하는 작은 구멍이 뚫려 있으면 창을 가로질러 또는 창 내부로/창으로부터 흐름이 발생하지 않거나 거의 발생하지 않는다(도 34 참조).
공기역학적 창을 사용하여 에너지 방출 장치와 임의의 외부 대기 조건 사이를 깨끗하게 분리할 수 있다. 이것은 해수면에서의 고정 응용에서부터 다양한 고도의 초음속/극초음속 응용에 이를 수 있다. 실제로, 공기역학적 창 내의 흐름은 변화하는 외부 조건(예를 들어, 고도 및 매개체 속도/기하학으로 인한 외부 압력 변화)을 수용하도록 조정될 수 있다.
우리의 시연에서, 필라멘트는 공기역학적 창(도 34)의 진공 측으로부터 주변 대기로 전파하는 펄스에 의해 형성되었다. 이들은 또한 대기로부터 공기역학적 창 내부의 난류/충격 흐름을 통해 4 torr 내지 80 torr 범위의 압력으로 전파되었다. 이러한 낮은 압력에서, 필라멘트는 디포커스(defocus)되고 단단한 창을 통해 저압 챔버를 나왔다. 그런 다음 대기 조건 하에서 필라멘트로 재생성되는 것으로 보고되었다. 이러한 기하학적 구조는 UV 필라멘트의 견고한 특성을 보여 주었고, 초음속/극초음속 응용을 포함한 모든 범위의 플랫폼에서 구현 및 배치하기에는 너무 취약하다는 우려를 제거하였다.
다량의 "저비용" 에너지를 공기 중으로 증착하는 비용 효율적인 방법으로서, 레이저 플라즈마에 전기 방전을 결합시키는 본 발명의 기술과 유사하게, 마이크로파 에너지는 또한 레이저 에너지보다 더 비용 효율적이며, 레이저에 의해 설정된 플라즈마 형상을 따라 대기 중에 증착된 에너지를 증가시키는 비용 효율적인 방법으로서 유사하게 사용된다. 마이크로파를 사용하여 레이저 생성 플라즈마를 통해 에너지를 더 효율적으로 공기와 결합시키는 두 가지 이점은 다음과 같다. i) 에너지를 결합하기 위해 회로를 닫을 필요는 없다, ii) 에너지는 스탠드오프(stand-off)로 증착될 수 있으며, 이는 고속에서 유익할 수 있다. 다중 에너지 증착 기술을 조합하면 다양한 파장, 전기 방전, 마이크로파 펄스 및/또는 전자빔 등의 레이저 펄스 및/또는 필라멘트를 포함하는 더 큰 유연성을 제공할 수 있다. 몇몇 이론적 결합 기하학적 구조 및 결과가 보고되고, 우리는 또한 레이저 플라즈마 및 필라멘트에 짧은 마이크로파 펄스를 결합하는 것에 대한 세부 사항을 탐구하고 있다.
연속적으로 발생하는 다양한 개별 메커니즘에 대해, 바람직한 공기역학적 이점을 달성하기 위해, 표 1은 전체 시스템 내에서 사용되는 센서 및 전자장치의 응답 시간이 고려되는 적절한 문맥을 제공하기 위한 개념적 적용의 각 단계에 관련된 개념적 시간 스케일을 요약한다. 표에서, 열 확산과 열 부력의 두 가지 완화 메커니즘이 지배적인 체제와 비교하여 나타난다. 필라멘트 자체에 의해 생성되는 매우 작은 "튜브"(전기 방전이 형성될 수 있음)의 경우, 열 확산은 고온의 저밀도 튜브를 지우는 가장 빠른 메커니즘이다. 이 경우, 튜브는 전기 방전을 형성하는데 필요한 수 마이크로 초보다 긴 시간 스케일 동안 생존한다. 전기 방전에 의해 증착된 많은 양의 에너지에 의해 생성된 더 큰 "튜브"의 경우, 튜브를 붕괴하는 지배 메커니즘이 열 부력 및 불안정성이며, (튜브를 정의하는 저밀도 및 고밀도 가스의 계면에서 작용하는) 열 확산은 무시할 수 있고, 이는 밀리초 동안 튜브에 큰 충격을 주지는 않으며, 이는 심지어 가장 느린 매개체도 튜브를 통해 전파되는데 충분한 시간이다. 실제로 튜브를 개방하는 데 필요한 시간 스케일이 또한 추정되며, 이는 가장 빠른 매개체조차도 튜브를 통해 비행하는 이익을 얻을 수 있도록 충분한 시간 내에 튜브가 개방될 수 있도록 충분히 빠르다. 적용 가능한 시간 스케일을 대략 동일하게 유지하는 동안, (종종 레이저의 필요성을 없애면서) 표면에 에너지를 증착하는 것을 통한 흐름 제어를 포함하는 많은 응용이 가능하다. 표 1은 마이크로파 에너지를 레이저 플라즈마에 결합하는 시간 스케일은 다루지 않는데, 이 시간 스케일이 아직 명확히 정량화되지 않았기 때문이다.
표 1: 개념적 응용을 위한 기본 시간 스케일
초단 펄스 레이저는 ~ 1013-1016e-/cc의 플라즈마 밀도로 필라멘트를 형성한다.
a. 광속 : (3x108m/s) -> 1ft/ns
전자 재결합: 에너지(즉, 열)를 가스로 전달
b. ~ 10ns 이내의 플라즈마 재결합 (최대 100ns)
소규모 저밀도 채널 개방(방전 가능)
c. 수십 나노초에서 개방(100μs 내지 1ms를 넘으면 열 확산으로 인해 붕괴 시작)
전기 방전 형성
d. 106-107m/s -> 10ft/μs
전기 방전이 수 μs 동안 지속됨
e. 전류가 흐르고 가스를 오믹 가열(스트레이트 라이트닝 볼트)
대규모 저밀도 채널 개방
f. 수십 내지 수백 μs(수십 ms 이후에는 열 부력으로 인한 붕괴, 1km/s로 주행하는 매개체의 경우 수십 미터를 넘는 저-항력(low-drag) 전파를 가능하게 함)
전체 프로세스의 총 시간은 큰 튜브를 열 때까지의 시간과 같다(~100μs)
g. 비행 속도에 비해 충분히 빠름(1-3km/s로 주행하는 매개체는 큰 튜브가 개방될 때까지 걸리는 시간 동안 10-30cm만 움직이며, 이를 통해 매개체는 수십 ms 동안 수십 미터를 주행할 수 있다)
다양한 응용을 논의함에 있어서, 하드웨어 및 대기 시간은 고려해야 할 중요한 요소이며, 특정 응용에 대한 타이밍 체인을 결정할 때 고려해야 할 사항을 강조하기 위해 여기에 표시한다. 현실적인 추정을 수행하고 작업 시스템을 구축하기 위해서는, (표 1에 요약된 기본적인 시간 스케일에 추가하여) 이들 하드웨어 시간 스케일을 고려해야 하기 때문이다. 예를 들면, 유입구가 시작되지 않는 것을 완화함에 있어서, 물리적 시간 스케일이 중요하지만, 센서, 신호 및 모든 처리(가능한 경우 순수한 하드웨어 솔루션을 사용하여 제거하는 것이 좋음)는 대기 시간을 추가할 수 있다 (특히 압력 센서, 왜냐하면, 다른 하드웨어 항목은 일반적으로 더 빠름). 특정 시스템 예를 살펴보면 현재 사용 가능한 다른 기술과 비교하여 우리의 흐름 제어 접근법의 빠른 응답 시간이 강조된다.
우리는 저가의 전기 방전 및/또는 마이크로파 소스를 결합하는 메커니즘을 포함하여, 흐름에 에너지를 증착하는 몇몇 미세 포인트를 논의하였다. 동역학에 대한 더 물리적/직관적인 이해를 제공하는 것을 돕고, 우리가 비행하는 방식을 근본적으로 변화시킬 수 있는 다양한 혁신 기술의 미래 발전을 돕기 위해 많은 세부 정보가 다루어진다.
과거에, 공기와 같은 유체를 물체의 경로 밖으로 측 방향으로 이동시켜 상기 물체의 전방 이동을 용이하게 하는 방식으로 에너지를 증착함으로써 항력을 감소시키는 접근법이 개시되었다. 다양한 다른 응용 분야에서 흐름을 제어하기 위해, 에너지 증착이 추가로 공개되었다[Kremeyer 특허를 인용]. 하나의 항력 감소 실시예에서, 에너지는 이를 통해 물체가 전파되는 저밀도 영역을 생성하도록 증착된다. 이 저밀도 영역은 한정된 범위이며, 저밀도 영역을 통해 전파되는 이점을 계속하기 위해, 물체가 전파될 때 추가의 저밀도 영역이 생성될 수 있다. 이들 영역이 서로 인접하여 생성되면, 거의 연속적인 저밀도 영역이 생성되어 거의 연속적인 이익을 얻을 수 있다. 저밀도 영역을 형성하기 위해 에너지가 필요하기 때문에 최적의 이익을 얻는 것이 더 많은 장점이 있다. "최적 이익"의 정의/목표는 응용 및 연관된 이익 및 자원의 상대적 가치에 따라 달라질 수 있다. 이러한 이익에는 속도, 범위, 에너지, 무게, 음향 특징, 모멘텀, 시간, 전력, 크기, 탑재량, 유효성, 정확도, 기동성 등이 포함될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 이러한 이점은 응용 분야에 따라 다르며 주어진 실시예와 특정 조건 및 목표에 맞게 특정 매개변수를 조정하여야 한다. 여기에서는 특정 실시예에 맞추는 개념과, 원하는 이점을 최적화하는 방식으로 다른 펄스 또는 단일 이벤트와 동기화된 펄스 에너지 증착을 통합하는 것을 개시한다. 몇 가지 예가 아래에 나와 있다.
고속 항공기/발사체 응용을 위한 동기화된 펄스 작동
이전의 개시에서, 저밀도 튜브를 통해 이동하는 매개체의 동역학은 매개체가 저밀도 튜브에 진입함에 따라 개시되는 펄스 효과를 설명하는 것으로 기술되었다. 그 효과는 특정 기간 동안 지속되며, 이는 부분적으로 저밀도 튜브의 길이와 매개체 속도에 의존한다. 도 14a-d는 인셋 항력 기록(inset drag trace) 상에서 그 대략적인 상대 시간이 구분되도록 순차적으로 정렬된다. 주목해야 할 동역학의 일 양상은 원뿔 모양의 개념적인 매개체 상의 항력이 에너지가 증착된 선에 의해 생성된 저밀도 튜브를 둘러싸는 공기의 고밀도 외장(sheath)을 관통할 때 약간 증가한다는 점이다. 이 고밀도 외장은 저밀도 튜브를 희박하게 하기 위해 원통형으로 밀려나간 가스를 포함한다. 튜브의 저밀도 부분에 들어갈 때 매개체는 크게 감소한 항력을 경험한다. 시간 D에서, 매개체는 튜브의 원래 길이를 가로지르며, 항력 곡선으로부터 명백한 것은, 정상 상태 유동 조건이 다시 확립되기 위해 추가 시간이 필요하다는 것이다. 주목할 만한 또 하나의 점은 매개체가 저밀도 튜브를 통과하는 동안 선수 충격 및 연관된 원역장 소닉 붐의 겉보기로는 완전한 제거이다.
큰 관심을 갖는 이들 양상 이외에도, 동역학의 한 가지 중요한 면은 재분포된 밀도에 기인한 매개체 주위의 압력 분포이다.
도 14a에서 관찰되는 바와 같이, 매개체가 튜브의 저밀도 부분을 관통하기 전에, 매개체의 베이스에서의 밀도는 매우 낮다. 매개체 베이스의 희박화된 저밀도/저압 영역은 전형적인 초음속/극초음속 유체 역학의 결과이다. 이 영역은 눈 쟁기가 (뒤에 눈이 없는 영역을 남기면서) 눈 쟁기의 경로로부터 눈을 던지는 것과 유사하게, 매개체의 경로에 있는 가스가 매개체 앞쪽과 측면으로 밀려나는 결과이다. 동역학은 우리가 에너지를 증착할 때 저밀도 영역을 생성하기 위해 사용하는 동역학과 유사하다. 두 경우 모두, 가스가 밖으로 밀어내어져 희박화된 영역이 남는다. 그러나, 매개체 전방에 에너지가 증착되지 않는 초음속/극초음속 비행의 전형적인 경우와 달리, 매개체에 의해 상류 가스에 부여된 기계적 에너지는 매개체의 전방에 고압 영역 및 충격파를 초래하여, 조파 항력(wave drag)으로 알려진 충격파 뒤의 높은 압력으로 매개체를 위로 민다. 또한, 매개체가 기계적으로 가스를 전방으로 그리고 매개체로부터 측 방향으로 외측으로 밀어낸 후에 남겨진 진공은 매개체의 베이스에서 배기된 저압 영역을 초래하여 매개체를 후방으로 끌어당기는 기저 항력을 생성한다. 이 두 가지 힘은 우리가 매개체 앞쪽에 에너지 선을 증착하여 가스를 측면으로 매개체의 경로 밖으로 밀어낼 때 강하게 완화된다. 이러한 힘이 완화되는 정도는 매개체 전방의 길이 당 증착하는 에너지의 양에 의해 결정된다. 매개체 앞쪽에서 가스를 제거하면 조파 항력이 줄어들고 매개체에 의해 밀릴 때 기계적으로 추진되는 가스가 최소화된다(이는 또한 소닉 붐을 최소화한다). 전술한 바와 같이, 기저 항력은 전형적으로 매개체 또는 발사체가 기계적으로 가스를 그로부터 바깥쪽으로 추진할 때 남아있는 저압 영역으로부터 야기된다. 대조적으로, 매개체/발사체 앞쪽에 있는 가스가 매개체/발사체 앞쪽에 에너지를 증착함에 의하여 측면으로 밀려날 때, 기저 항력을 초래하는 매개체/발사체 뒤에 저밀도 영역을 남겨두고 측 방향으로 "내던져지는" 대신, 이 가스는 매개체 경로 바로 바깥쪽에서 더 안정된 방식으로 존재할 수 있거나, 매개체 경로 내에 있는 경우, 매개체 자체에 의해서만큼 기계적으로 가속되지 않아, 매개체/발사체에 의해 가스에 부여되는 측면 모멘텀이 감소한다. 더 적은 측면 모멘텀이 가스에 전달되면, 소닉 붐이 낮아지고, 베이스가 덜 희박해진다. 매개체 전방으로부터의 가스가 매개체 가장자리까지 완전히 제거되는 한계 내에서(예를 들어 매개체 반경과 동일한 반경의 튜브를 개방하는 경우), 저밀도 튜브로부터 밀려나간 가스의 고밀도 영역이 이제 매개체 뒤쪽에서 거의 완전히 재순환되어 베이스를 재가압한다. 매개체에 대한 전반적인 항력 감소에 중요한 기여를 하는 재가압된 베이스 외에도, 이 효과는 매개체 작동의 전체 효율을 최대화하기 위한 펄스 추진 과정과 결합될 수 있다. 이전에는 주로 매개체의 공기 역학적 특성을 고려했다. 추진력을 고려하고 사실상 펄스 추진 과정을 고려하면, 특히 압축 가능 비행 체제, 가장 현저하게는 초음속 및 극초음속 체제뿐만 아니라, 고아음속(high-subsonic)/천음속(transonic) 체제에서 매개체의 더욱 큰 최적화를 허용한다. 일 실시예에서, 가장 단순하고 가장 비용 효율적인 매개체를 가능하게 하기 위해, 이 개념을 중심으로 항공기를 설계하는 것이 최적의 이익이다. 다른 최적의 이익으로는 가능한 가장 짧은 비행 시간과 같은 앞에서 열거한 이익이 포함될 수 있다. 항력을 줄이고 비행기를 조종하기 위해 매개체 앞쪽에 에너지를 증착하는 것 외에도, 우리는 이러한 동역학을 펄스 추진 시스템(지속 추진보다 훨씬 효율적인, 다른 펄스 추진 옵션 중에서도 예를 들면, 펄스 폭파 엔진)과 동기화하여 원하는 효과(들)를 달성할 수 있다. 다른 및/또는 추가 프로세스도 이러한 동역학과 동기화되어 더 많은 이점을 얻을 수 있으며, 펄스 폭발 엔진의 예를 사용하여 먼저 펄스 추진을 고려할 것이다. 펄스 폭발 엔진 동역학의 2가지 개념적 표현이 도 18에 묘사되어 있다.
펄스 추진의 하나의 매우 중요한 양상은 시스템의 배출/배기 평면에서의 압력이다. 추진 시스템의 배출/배기 평면에서 매우 낮은 압력을 야기하는 매우 낮은 기저 압력의 전형적인 경우, 폭발 튜브(펄스 폭약 엔진의 연소 부분)는 반응물로 매우 빨리 채워진다. 매우 낮은 배압이 주어지면, 추진 사이클의 고압 부분(블로우다운 시간)이 그리 오래 지속되지 않는다. 전형적인 추진 사이클 시간은 엔진의 설계에 의존하며, 사이클 시간을 변경하기 위해 형상을 다양하게 할 수 있다. 사이클 시간에 영향을 미치는 추가 중요한 요소는 튜브가 반응물로 채워지는 속도에 영향을 미치는 입구에서의 질량 유량(더 구체적으로는, 전형적으로 밸브로 개폐되는 폭발 튜브의 입구면에서의 질량 유량과 압력); 및 고압 폭발 생성물의 체류 시간 및 그 결과 추력에 영향을 미치는 배출/배기 평면 상의 압력이다. 일반적인 비행 조건 하에서, 입구 및 출구 평면에서의 압력은 비행 매개 변수에 의해 결정된다. 상술한 에너지 증착 동역학을 추가하면, 펄스 폭파 엔진의 입구와 출구에서 조건을 매우 유리하게 수정하는 것이 가능해진다.
기본적 접근은, 전방으로부터의 공기가 매개체 주변을 감싸서 하나 이상의 추진 유닛의 출구(들)를 재가압하도록 추진 펄스를 갖는 매개체 앞에 에너지 증착 펄스를 펄스 추진(예를 들어, 펄스 폭발) 사이클의 추진 부분과 동시에 배출 가스의 증강된 제한을 제공하여 고밀도 공기와 시간을 맞추는 것이다. 달리 말하자면, 동역학은 하나 이상의 펄스 폭발 엔진 사이클에 의해 생성되는 추진/추력을 최적화하기 위하여 매개체 앞에 증착되는 에너지로부터 기인하는 증가된 기저 압력(즉, 추진 유닛/유닛들의 배출/배기 평면에서의 증가된 압력)의 동기화/페이징/타이밍을 포함한다. 추진 유닛 또는 유닛들의 출구에서 증가된 밀도에 의해 제공되는 추가 제한은 비증강된 작동에 비해 추진 효율을 크게 증가시킨다.
유사하게, (저밀도 튜브에 의해 완화된 후에) 매개체의 선수 충격이 다시 확립됨에 따라, 낮은 기저 압력의 설정은 추진 사이클의 정화(purging) 및 충전(filling) 단계를 용이하게 하기 위해 동기화/페이징/타이밍될 수 있다. 낮은 기저 압력은 신속한 연소 생성물의 정화 및 새로운 연소 반응물로의 충전을 가능하게 한다. 이것은 공기 호흡 또는 로켓 모드(산화기가 선상에 실려 있고 외기가 사용되지 않는 모드)에서 수행할 수 있다. 외부 조건에 관계없이, 특히 속도 및 동력이 감소된 매개체 중량 및 부피에 대해 평가되는 경우, 최대 동력/추력이 요구될 때 로켓 모드가 적용될 수 있다.
추진 공정이 공기 흡입인 경우, 매개체의 전방으로부터 약간의 공기가 유입구로 우선적으로 지향되도록 에너지 증착 시간을 맞출 수 있다. 이러한 모든 세부 사항은 함께 타이밍이 맞춰지고, 다양한 동역학을 활용하도록 최적화할 수 있는 매개체 디자인에 의해 결정된다. 재가압 기간과 최대 배기 압력의 기간을 매칭하는 것은 생성하는 저밀도 튜브의 길이와 PDE의 길이를 각각 변경하고, 둘 사이의 타이밍을 조정함에 의해 결정할 수 있으며, 모든 이러한 매개 변수는 특정 응용에 대한 매개체의 성능을 최적화하기 위해 조정될 수 있다. 유사하게, 공기가 사전의 매칭 조건에 의해 어느 정도 규정될 추진 사이클을 공급하기 위해 유입되도록 유입구가 설계될 수 있다. 유연성을 추가하기 위하여, 동일한 주기를 매칭하지 않아도 된다(예를 들어, 몸체를 감싸는 고밀도 가스의 슬러그(slug)가 베이스를 재 가압하는 경우 표면 마찰로 인해 너무 천천히 움직이면, 매개체의 크기를 조정할 수 있고 베이스에서 생성되는 고압 기간이 저밀도 튜브가 시작될 때 시작된 것이 아닌 일부 PDE 사이클의 추력 생성 단계와 일치하도록 동역학 타이밍을 맞출 수 있다). 예를 들면, 우리가 더 짧은 저밀도 튜브 또는 더 짧은 엔진(또는 엔진의 더 짧은 폭발 튜브)을 원하는 경우, 연속적으로 개틀링 기관총처럼(또는 가장 유리한 힘과 동역학을 제공하는 패턴으로) 작동하는 여러 엔진을 만드는 한 가지 방법을 적용하여 더 큰 유연성이 제공될 수 있다. 각 폭발 튜브는 자신의 유입구를 가질 수 있으며, 이는 중심 전극을 향하는 방향으로 번갈아가며 전극의 링을 유사하게 순차적으로 적용하여 공급할 수 있다. 이러한 방전은 레이저로 개시/안내된 V 형상을 만들어, 매개체 앞에서 공기를 제거하여 전반적인 항력을 감소시킬 뿐만 아니라, V 형상의 다리 사이의 공기를 압축하여, 그렇지 않으면 요구되는 것보다 더 작은 유입구를 통한 그 섭취를 촉진시킨다. 유입구에서 엔진에 더 높은 압력과 산소를 공급하기 위하여, 플랫폼 내로 설계된 전반적인 엔진 사이클과 함께, 유입구에서 고밀도 가스의 제시와 결합되어, 베이스 재가압의 이익을 가장 잘 조정하도록 결정된 시간만큼 지연되지만, 유입구는 여러 엔진 튜브에서의 폭발과 동일한 순서로 작동한다. 엔진의 밸브는 공기를 섭취할 때 열려 있고 폭발 중 닫히는 것을 고려하는 것이 일반적이다. 회전 밸브(예를 들어, 개틀링 기관총 개념과 동일한 정신을 따르는)를 추가함으로써 추진 순서를 적절하게 촉진하기 위해 그 회전을 조정/이동시킬 수 있다. 이러한 회전 운동은 유사하게 레이저 필라멘트의 생성을 용이하게 하는데 사용될 수 있다.
상류 에너지 증착 및 엔진 사이클의 타이밍은 시스템 설계 및 작동 파라미터에 영향을 주어 엔진 튜브 길이 및 직경의 크기를 결정할 뿐만 아니라 엔진 자체의 수를 지시하여 에너지 증착 사이클 시간과 상응하는 추진 펄스 사이클 시간을 초래할 수 있다. 이는 1ms 이하로부터 수 ms까지의 범위일 수 있다. 특히, 고속(개념적으로 마하 6 내지 마하 12의 범위)의 짧은 선의 에너지 증착(개념적으로 10cm 내지 40cm의 범위)이 관심의 대상이 될 수 있으며, 사이클 시간은 .025ms 내지 0.2ms가 된다. 이러한 에너지 증착 사이클 시간을 동등한 추진 사이클 시간과 매칭시키기 위해, 상기 매칭을 수용하기 위한 적절한 수의 이러한 튜브와 함께 적절히 튜닝된 직경을 갖는 더 짧은 엔진 튜브를 사용할 수 있다. 튜브는 항력 감소 튜브 동역학으로 인한 고압 및 저압 사이클의 이점을 모두 활용하기 위해 이 사이클 시간보다 짧은 추진 펄스를 생성하도록 조정될 수도 있다. 타이밍 요구 사항이 과도하게 제한되면 에너지 증착 및 추진 사이클의 전체 매칭도 또한 포기될 수 있다. 추진 펄스의 지속 시간과 에너지 증착의 기저 압력 사이클을 매칭시키거나 매칭시키지 않고 최상의 매칭을 달성하는 데 도움이 되는 추가 변수는 잠재적인 유입구 배열 내로 공기가 변조되는 정도이며, 잠재적으로 엔진 튜브의 잠재적 배열을 구동한다. 동역학을 더 잘 매칭하기 위해, 잠재적인 다수의 엔진 튜브가 각각 그 자체의 별도 배기 평면에서 배출하도록 하거나 엔진 튜브를 하나 이상의 공통 배기 평면으로 배출하도록 하는 유연성도 있다. 잠재적인 사이클 시간의 다른 단부에서, 더 낮은 속도(예를 들어 마하 0.8 내지 마하 6)에서 더 긴 증착 에너지 튜브(예를 들어, 1-10m 범위)를 사용하여 비행할 때, 더 긴 사이클 시간이 초래될 수 있으며, 항력 감소 및 기저 압력 사이클 시간(추진 사이클 시간에 매칭하기 위해) ~40ms 내지 .5ms의 범위를 산출한다. 이 더 긴 사이클 시간 범위는 단일 엔진 튜브를 포함하여 더 적은 수의 엔진 튜브를 사용하여 매칭될 수 있으며, 세부 사항은 매개체 및 엔진 (튜브(들))의 설계 및 작동 조건에 크게 의존한다.
(레이저 필라멘트와 같은) 이온화 레이저 펄스에 의해 안내 및 개시되는 폐쇄 경로를 따라 전기 방전을 이용하는 것과 유사하게, 마이크로파 에너지를 증착하는 것과 같은 더 원격 증착 기술을 이용하여, 에너지가 또한 매개체의 더 전방에 증착될 수 있으며, 그 증착은 다시 잠재적으로 레이저 플라즈마를 사용하여 매개체 전방에 이온화된 영역을 생성함으로써 파종(seeded)/촉진된다. 이 마이크로파 에너지는 또한 레이저 필라멘트와 같은 레이저 플라즈마를 사용하여 우선적으로 상류로 안내될 수 있다. 충분히 짧은 마이크로파 펄스의 결과인 높은 마이크로파 에너지는 마이크로파 에너지의 공기로의 결합을 증가시키기 위해 파종의 유무에 관계없이 사용될 수 있다. 더 상류에 에너지를 증착하는 세 가지 이점은 다음과 같다. i) 귀환 경로가 필요하지 않으며, 안내/파종 경로 또는 영역의 에너지 투입을 단순화하고 줄인다; ii) 에너지가 공급된 부피가 팽창하기 위한 더 많은 시간을 가지며, 이는 레이저 유도 전기 방전이 여전히 이러한 속도에서 엄청난 이점을 나타내지만 매우 높은 마하 수(예를 들어 마하 9-25)에서 비행할 때 유익하다; iii) 일반적으로 마하 12 또는 13 이상에서 발생하는 충격파를 이온화하는 경우 이온화 충격파와 상호 작용하는 전기 방전으로 인해 발생할 수 있는 문제를 완화하여 멀리 초점을 맞춘 마이크로파 및/또는 레이저 에너지가 이온화 충격파에 침투할 수 있다. 전기 방전을 사용할 때 이러한 사항을 고려하면 레이저 경로는 이온화 마하 수에서 다양한 수준의 이온화를 포함하는 다른 잠재적 경로보다 유리하다.
매개체 전방의 공기에 에너지를 증착하는 것에 추가하여, 매개체가 마주치는 (그리고 공기 호흡 응용을 위해 유입구 내로 섭취하는) 공기를 변조하기 위해, 내부적으로 및 외부적으로 모두 에너지 증착을 페이징/동기화하는 데 표면 방전을 사용하여 추진 효율, 성능, 제어 및/또는 매개체의 전반적인 효율을 향상시키기 위해 내부 및 외부 흐름을 제어할 수 있다.
위에서 개시된 고속 항공 운송 수단/발사체 응용과 유사하게, 고속 지상 매개체의 전방에 에너지가 증착될 수 있고, 특정한 이점을 최적화하기 위해 다양한 다른 작동 프로세스와 페이징/동기화/타이밍될 수 있다. 전동식 고속 열차의 경우, 기간 시설의 대부분이 이미 에너지를 증착하기 위해 존재한다. 전기 펄스는 이미 지상 매개체를 부상, 추진, 감시 및/또는 제어하기 위하여 트랙으로 전달된다. 이 기존의 기간 시설은 매개체 전방에 저밀도 영역을 생성하고 항력을 크게 줄이며 훨씬 더 빠른 속도의 작동을 용이하게 하기 위해 전력을 공급하는 데 그리드 전력 사용을 크게 용이하게 한다. 특정 실시예에서, 매개체의 경로를 정의하며 매개체를 안내하기 위한 트랙이 이미 존재하기 때문에 레이저 펄스가 요구되지 않을 것이다. 에너지는 매개체의 경로를 따라 고 에너지 전기 방전을 사용하여 매개체 전방에 증착될 수 있으며 트랙을 정확히 따라가는 저밀도 영역 또는 튜브를 개방할 수 있다. 저밀도 튜브의 크기는 지상 매개체의 공기역학적 안정성을 촉진하는 동시에 원하는 수준의 항력 감쇠를 발생시키도록 제어될 수 있다. 비행 매개체 앞에서 에너지를 증착할 때, 튜브의 직경은 주위 대기 압력뿐만 아니라 길이당 증착된 에너지에 의해 결정된다. 지상을 따라 또는 트랙을 따라 에너지를 증착하는 경우, 저밀도 튜브의 이상적인 모양이 (대기 중에 선을 따라 에너지를 증착할 때와 같이) 증착되는 에너지의 선을 중심으로 하는 원통형인 대신, 이상적인 평평한 평면 위의 선을 따라 에너지를 증착할 때 튜브 모양은 반원통형일 것이다.
반원통형이 이상적인 평평한 표면을 가로지르는 반사와 같이 복제되면, 외기에서의 증착의 경우와 동일한 완전한 원통처럼 보일 것이다. 오직 원통의 절반만은 희박하므로, 동일한 직경의 지면을 따라(트랙을 따라) 반원통을 개방하기 위해서는 외기에서 전체 원통을 얻기 위한 에너지의 절반만이 필요하다. 실제로, 트랙의 기하학적 편차로 인해 완벽하게 평평한 표면이 아니며, 증착된 에너지에 의해 생성되는 충격파와 지면 및 트랙의 실제 기하학적 구조 사이의 상호 작용에는 이상과의 편차가 발생한다. 그러나 매개체 앞쪽으로 개방된 저밀도 부피는 이상적인 평평한 표면의 이상적인 반원통의 부피와 거의 같을 것이며 실제 모양은 트랙의 모양을 형성하여 조정/제어할 수 있다. 사실, 증착 세부 사항에 대한 둔감의 수준은 프로세스에 통합되는 다수의 유리한 특징을 허용한다. 이러한 특징 중 하나는 하나의 큰 단일 펄스 대신에 다수의 서브 펄스의 형태로 (저밀도 튜브를 생성하기 위해) 전기 방전에 에너지를 증착하는 능력이다. 이는 많은 회로 소자 및 컨덕터의 크기/용량을 감소시킬 수 있고, 기존 회로의 더 나은 레버리지를 허용할 수 있다. 예를 들어 주어진 시점 또는 트랙을 따라 주어진 지점에서 다수의 추진 및 부양 자석이 결합될 때, 이들 개별 회로의 에너지가 개별적으로 방향 전환/재순환될 수 있으며 트랙의 세그먼트를 따라 전기 방전을 일으키기 위해 앞으로 공급되어, 시간적으로 근접 또는 중첩되게 결합된 추진 및 부상 회로로부터 모든 에너지가 수확 및 통합되면 달성할 수 있는 것과 동일한 이익을 획득한다. 이들 추진 및 부상 회로의 구동 회로 각각은 또한 처음에 통합되는 대신 전기 방전 회로를 독립적으로 구동하도록 구성될 수 있다. 앞선 특허에 개시되고 참조로 인용된 바와 같이, (전기 방전이 생성되어 공기를 치환하기 위해 에너지를 생성하는) 트랙을 따르는 전도성 경로는 이들이 내장된 덜 전도성인 매질(콘크리트 또는 다른 잠재적으로 전기 전도성이 낮은 트랙 재료)보다 약간 더 나은 전도성 경로로 구성될 수 있다. 약간 우선적으로 전기 전도성인 경로는 또한 덜 전도성인 트랙 재료에 내장된 전극 물질의 조각과 같은 전도성 물질의 "점선"으로 구성될 수 있다. 하나의 저밀도 튜브 내로 통합될 방전을 다수의 시간 상으로 분리된 방전으로 시간적으로 나누어 유연성을 제공하는 것과 유사하게, 전기 방전은 공간적으로 다른 방전으로 구성되어 하나의 전체에 걸친 저밀도 튜브로 통합될 수 있다. 이 공간 분리는 예로서 전극 재료의 상이한 부분들 사이에서 일어날 수 있으며, 이 "점선"의 상이한 세그먼트에는 독립적으로 에너지가 공급된다. 공간 분리는 또한 대략 동일한 길이로 움직이는 전기 방전의 형태로 일어날 수 있지만, 별도의 경로를 따라 일어날 수도 있다(이 중 하나의 변형은 다수의 공간적으로 구별되지만 병렬인 경로를 따라 에너지를 증착하는 것으로, 이로부터 저밀도 튜브가 팽창하고 합체하여 하나의 더 큰 전체에 걸친 저밀도 튜브를 형성한다). 더 현실적으로는, 이러한 분리된 경로가 이상적이지 않고 완전히 서로 평행하지 않으며, 개별 경로 내에 약간의 변화를 가질 가능성이 높다. 공간 및 시간 주파수에서의 이 유연성은 시간 및 공간에서 충분히 근접하여 전체에 걸친 저밀도 튜브로 합쳐질 수 있기만 하면, 서로 다른 시간에 서로 다른 경로를 따라 에너지를 증착함에 의해 더 결합될 수 있다. 자연스러운 변동의 큰 부분을 수용하는 것 외에도, 이 유연성은 공차를 줄이고 여러 전원 공급 장치(예를 들어 다수의 추진 장치 및/또는 부양 코일에 공급하는 장치)로부터 에너지를 통합하거나 다수의 추진 및/또는 부양 코일로부터의 에너지 재활용/회수를 위하여 불필요한 회로를 추가하지 않고도 기존 회로를 더 완벽하게 활용할 수 있게 한다. 다른 특징은 전도성이 적은 트랙 재료의 하나 이상의 우선적으로 전도성인 경로 위에 작은 캐노피를 배치하여, 파편, 날씨 및 새 배설물과 같은 환경 상해로부터 경로 및 전기 방전에 대한 보호를 제공하는 것이다. 비로 인한 물 축적을 방지하기 위해, 튜브 개방에 아무런 해로운 영향을 끼치지 않고 거터(gutter)가 설치될 수 있으며, 캐노피는 추가의 환경 보호를 위해 전체 트랙 위로 설치될 수 있으며, 다중 층을 가지거나, 반사를 최소화하기 위해 천공될 수 있으며, 스크리닝 또는 메시를 트랙 주위에 설치하여, 원하는 바에 따라 야생 동물을 배제할 수 있다. 부가적인 작동 특징은 매개체의 통로가 트랙을 청소하도록 하는 것일 수 있으며, 예를 들어 매개체의 바로 뒤에서 가벼운 브러시를 끌 수 있다. 전기 방전 자체는 또한 잠재적인 오염을 제거하는데 도움을 줄 것이다.
추진을 위해, 전기적으로 추진된 고속 지상 매개체 디자인(예를 들어, 자기 부상 매개체)은 선형 동기 모터를 사용할 수 있으며, 동력은 가이드웨이(guideway) 상의 권선(즉, "능동적 가이드웨이")에 공급된다. 추진 및 부상 목적으로 전자석에 전원을 공급한 후, 루프/회로에 저장된 유도 에너지는 소멸되어야 한다. 기차가 지나간 후에 발생하는 큰 전압과, 이 큰 전압이 강한 아크를 발생시키는 자연적인 경향은 역사적으로 완화하여야 할 문제로 인정되어 왔으며, 이로 인한 에너지의 소산으로부터 초래되는 아크를 최소화하기 위해 많은 노력이 필요하다. 대조적으로, 이 에너지는 더 긴 시간 스케일에 걸쳐 이 에너지를 소산시키려는 회로 요소에서 소산되는 대신에, 매개체 전방으로부터 공기를 제거하기 위해 매개체 앞에 배치함으로써 생산적으로 사용될 수 있다. 또한, 고속에서, 매개체를 추진하기 위해 요구되는 추진 에너지는 매개체의 경로로부터 가스를 밀어내는 데 필요한 에너지와 동일한 차수이거나 그보다 크므로, 유도성 추진 요소에 전달되는 전력 및 에너지는 이미 매개체 항력을 줄이는데 필요한 펄스 전기 에너지를 전달할 수 있는 적절한 크기이다(추진 요소로부터의 이 가용 전력, 에너지 및 회로는 부양 요소로부터의 것에 의해 증강된다). 유도성으로 저장된 전기 에너지를 항력 감소 및 안정성 향상에 적합한 전기 방전으로 변환하려면, 전체 매개체 및 전력 전달/변환 설계에 고유한 특정 회로가 필요하며, 이 회로는 트랙을 따라 모든 유도 자석에 설치되거나 또는 실제 매개체에 포함될 수 있어, 비용이 절감된다. 이 방전 회로의 일부가 트랙을 따라 분포되고, 전기 방전 회로의 일부가 매개체에 포함되어, 정상 조작 동안, 방전이 매개체 전방에서만 발생하도록 하는 하이브리드 접근법이 또한 사용될 수 있다. 이는 유익하고 자연스러운 안전 기능을 제공할 수 있다. 에너지의 관점에서, 예를 들어 100m/s 내지 280m/s와 같은 저속의 경우, 전기 방전의 형태로 매개체 앞쪽에 에너지 펄스를 증착하여 더 큰 속도와 안정성을 허용할 수 있으며, 추진력 펄스의 대략 50 % 내지 300 % 양이 마찰 및 저항력에 대항하여 매개체를 전진시키는 데 사용된다. 예를 들어 250m/s 내지 600m/s와 같이 더 높은 속도에서는, 전기 방전 형태로 매개체 앞쪽에 에너지 펄스를 증착하여 더 큰 속도와 안정성을 허용할 수 있으며, 추진력 펄스의 대략 20% 내지 200 % 양이 마찰 및 저항력에 대항하여 매개체를 전진시키는 데 사용된다. 예를 들어 450m / s ~ 1200m / s와 같은 더 높은 속도에서도 방전의 형태로 매개체 앞쪽에 에너지 펄스를 증착하여 더 큰 속도와 안정성을 허용할 수 있으며, 추진력 펄스의 대략 15% 내지 150 % 양이 마찰 및 저항력에 대항하여 매개체를 전진시키는 데 사용된다. 일 실시예에서, 트랙을 따르는 하드웨어는 표준화되고, 동일한 최대 에너지 추진(및 적절한 경우, 부양) 펄스 및 추진 자석들 사이에서 매개체 전방에 방전 에너지를 발생시킬 수 있은 것으로 예상된다. 이러한 충분한 전력 공급 가능성을 감안할 때, 매개체 앞쪽에 방전 형태로 에너지를 증착하기에 충분한 전력이 항상 존재하므로 더 빠른 속도와 안정성을 제공할 수 있다. 이 유연성을 이용하여, 이들 방전 펄스의 에너지는 매개체의 효율을 최적화하고 및/또는 달리 불가능한 고속을 용이하게 하고 및/또는 매개체 안정성을 증가시키도록 조정될 수 있다. 이러한 에너지 및 에너지 비율은 매개체 및 회로 구성뿐만 아니라 작동 조건에 따라 조정될 것이다.
고속 열차는 항력을 줄이고 안정성 및 안내를 향상시키기 위해 에너지를 그 앞에 증착함으로써 이득을 얻기 위해 전기적으로 추진되거나 자기 부상될 필요가 없으며, 임의의 고속 주행 매개체가 이러한 동역학으로부터 이익을 얻을 수 있다. 전기 추진 매개체는 자기 부상 장비를 포함하므로, 이 기술을 통합하는 데 특히 적합하다. 추진력 또는 서스펜션 접근 방식에 관계없이, 공기역학적 힘은 트랙을 따라 생성된 저밀도 튜브에 매개체를 집중시키는 역할을 하기 때문에, 이 기술은 매개체의 안정성, 제어 및 단순성은 물론 트랙 편차가 직선 경로에서 벗어날 때 이동할 수 있는 속도를 증가시키는 역할을 한다.
직기에서 직물을 짤 때, 직조를 형성하기 위해 씨실(또는 필링(filling) 또는 실)이 임의의 방법으로 날실을 통해 추진될 필요가 있다. 셔틀(shuttle), 레이피어(rapier)(단일 강성, 이중 강성, 이중 유연 및 이중 신축), 발사체, 에어 제트 및 워터 제트를 포함하지만 이에 제한되지는 않는 다수의 방법이 씨실의 추진/삽입에 사용된다. 더 전통적인 단일 씨실 삽입(또는 단일 픽크 삽입) 외에도 다중 위상 씨실 삽입(또는 픽크 삽입)이 사용된다. 이러한 모든 응용에서, 직기 성능을 제한하는 요인 중 하나는 씨실이 날실을 통과할 수 있는 속도이다. 이 속도는 횡단 과정에서 겪는 항력과 난기류/안정성을 포함하지만 이에 제한되지 않는 여러 요소에 의해 제한되는 경향이 있다. 이러한 제한은 항력을 줄이고, 안정성을 높이고, 씨실/픽크가 날실을 통과할 수 있는 속도를 높이기 위해 위에서 열거된 움직이는 물체(셔틀, 레이피어, 발사체, 에어 제트, 워터 제트) 앞에 에너지 증착을 동기화(또는 페이징 또는 타이밍)하여 강력하게 완화할 수 있다. 특히, 이러한 에너지 증착은 날실을 가로질러 씨실을 촉진하고 안내하기 위해 저밀도 튜브 또는 일련의 저밀도 튜브를 생성하는 형태일 수 있다. 이러한 증가된 속도 및 안정성은 단일 또는 다중 위상 씨실/픽크 삽입 방식에 대한 더 빠른 처리량을 촉진할 수 있다. 속도 측면에서 처리량을 증가시켜 직기 생산성을 높이는 것 외에도, 저밀도 튜브를 통해 전파할 때 달성할 수 있는 향상된 안정성은 씨실이 훨씬 더 먼 거리를 안정적으로 이동할 수 있게 해준다(직기가 더 큰 폭의 완성된 직조물을 생산할 수 있다). (더 큰 폭의 완성된 직조물을 생산하는) 더 긴 직조기를 만드는 데 드는 비용 절감에 더하여, 더 긴 거리를 이동하는 씨실의 또 다른 이점은 각 초기 가속 및 최종 감속 이벤트에 대해 더 많은 씨실이 내려진다는 점에서 가속 및 감속 시간과 에너지가 더 잘 활용된다는 것이다. 이러한 개선(더 빠른 속도 또는 더 큰 폭) 중 임의의 것은 직기의 생산성을 증가시킬 것이며, 그 조합은 더 짧은 시간 내에 생산되는 직물 면적이 더 커짐에 따라 더욱 더 큰 생산성 증가를 가져올 수 있다. 결과적으로, 날실을 가로질러 씨실을 전파하는데 사용되는 방법들 중 하나에 앞선 페이징/동기화/타이밍 에너지 증착이 직기 출력 및 비용 효율성을 증가시킬 수 있다.
레이피어, 셔틀 또는 발사체와 같은 물리적인 물체를 사용할 때, 에너지 증착의 동역학은 물체의 앞에 에너지의 선이 증착되어 항력을 최소화하고 안정성을 증가시키는 점에서 항공기 또는 지상 매개체의 항력을 감소시키기 위해 기술된 동역학과 매우 유사하다. 이러한 동일한 개념은 에어 제트 또는 워터 제트가 채용될 때에도 유지되며, 여기에서 더 자세히 설명된다. 스레드(thread)/필링/실 자체의 관성을 넘어서는 추가 관성이 없으므로 높은 처리량이 요구될 때 에어 제트 및 워터 제트가 일반적으로 사용된다. 셔틀, 레이피어 또는 발사체의 추가 관성은 씨실을 가속 및 감속시키는 데 필요한 시간을 증가시키고, 스레드/필러/실 자체에 원치 않는 추가 응력을 유발한다. 에어 제트의 경우, 프로파일된 리드(reed)를 사용하여 씨실의 전파 경로를 제공할 수 있다. 씨실을 발사하는 공기의 초기 버스트는, 항력으로 인해 급속히 느려지고, 고속에서 난류 및 항력을 겪는 것으로 인한 불안정성 때문에 속도가 제한된다. (워터 제트 직기의 경우 씨실은 에어 제트가 아닌 워터 제트를 통해 추진되며 에어 제트 직기에 대해 논의한 동일한 고려 사항이 워터 제트 직기에 대해서도 적용된다.) 부스터 제트는 부스터 제트 사이에서 속도가 느려지고 씨실이 표준 대기에서 유지할 수 있는 최대 속도 아래로 항상 남아있을 때 씨실을 재가속하기 위해 사용된다. 공기 저항으로 인한 문제를 완화하기 위한 하나의 접근법은 씨실을 진공, 저압 및/또는 고온 환경을 통해 전파하는 것이다. 이 기술은 여러 산업 분야에서 개발되었다(예를 들어, 포장 업계의 마일라 필름 코팅 등). 진공, 저압 및/또는 고온 환경에서 작동하는 대신, 에너지 증착을 사용하는 추가 이점은 저밀도 튜브를 통해 전파될 때 씨실 및 그 추진 제트가 얻는 엄청난 안정성이며, 이는 튜브 길이와 시간 스케일을 씨실의 길이 및 그 전파의 시간 스케일과 잘 매칭하는 능력에 의해 개선된다. 날실은 앞뒤로 자유롭게 움직일 수 있어야 하기 때문에, 물리적인 비워진 튜브를 설치하는 것이 불가능하여, 그 아래로 압축 공기 부스터 제트로 씨실을 추진할 수 있다. 씨실을 안내할 수 있고 압축 가스 부스터에 의해 더 쉽게 추진될 수 있도록 하는 저밀도 튜브를 일시적으로 공기 중에 생성하기 위한 에너지 증착은 날실 움직임을 막기 위해 물리적 장애물을 도입하지 않고도 견고하고 비워진 안내 튜브의 이점을 제공할 수 있다. 많은 현재 디자인은 에너지 증착 방법을 구현할 때 동일하게 유지될 수 있다. 부스터는 여전히 씨실을 추진할 것이며, 그 지지 구조(예를 들어 프로파일 리드)는 또한 에너지 증착의 지지 구조의 역할을 할 수 있으며, 이는 광학 또는 고전압 전극 또는 두 가지의 일부 조합으로 구성되며, 이 중 어느 것도 현재의 고압 부스터보다 훨씬 간단하다. 에너지를 증착하는데 레이저 에너지만이 사용되면, 부스터 지지 구조 상에 광학 요소만이 위치될 필요가 있을 것이다. 전기 방전 에너지만이 사용된다면, 부스터 지지 구조 상에 고전압 전극만이 위치될 필요가 있다. 두 가지 유형의 에너지가 모두 사용된다면, 광학 요소와 고전압 전극 모두가 부스터 지지 구조 상에 설치되어야 한다. 난기류와 항력으로 인한 씨실의 마모와 마멸이 훨씬 적다는 사실 및 저밀도 튜브를 통해 전파될 때 씨실이 훨씬 더 잘 지지된다는 사실은 모두 씨실이 훨씬 더 먼 거리를 전파할 수 있게 한다.
일 실시예에서, 저밀도 튜브 직경과 0.6mm 직경의 스레드를 일치시키는 것은 매 10cm 길이마다 약 6mJ의 에너지를 증착하도록 요구한다. 1200m/ min (~20m/s) 내지 4800m/min (~80m/s) 범위의 일반적인 픽크 씨실 속도 대신, 저밀도 튜브를 통과하는 씨실의 속도가 300m/s로 현저히 높으면, 이는 완화되지 않은 경우보다 4 내지 12 배 더 빠르게 이동한다. 이 속도에서, 씨실은 에너지 증착이 없는 경우보다 4 내지 15 배 빠르게 이동한다. 또한, 직기가 이제 씨실 궤도의 추가된 안정성과 증가된 속도로 인하여 3배 더 길게(더 넓게) 제작될 수 있다면, 씨실이 통과할 때마다 직물이 3배 더 많이 생성된다. 결과적으로, 이 예에 따라 속도 및 폭이 모두 증가되면, 총 직기 출력은 씨실 이동을 용이하게 하기 위해 에너지 증착의 사용을 통해 개선되지 않은 직기의 출력에 비해 12 내지 45 배 범위의 인자만큼 증가될 것이다. 확장/개선/강화 직기 폭의 범위가 2 내지 4 배까지 고려되는 경우, 씨실 앞에 에너지를 증착하여 직기 출력의 향상은 8 배 내지 60 배까지 확장된다. 더 큰 씨실 직경의 경우, 더 큰 직경의 저밀도 튜브가 전파를 촉진하기 위해 생성된다. 요구되는 에너지 스케일이 저밀도 튜브의 부피에 비례하므로, 단위 길이 당 에너지는 튜브 직경의 제곱에 비례하며, 따라서 씨실/섬유/재료의 마모를 최소화하기 위해 씨실 직경보다 약간 큰 직경의 튜브를 개방하고자 한다.
워터 제트 응용에서의 이온성 용액 또는 에어 제트 또는 워터 제트 응용에서의 전기 전도성 섬유에 대한 추가 제한을 제공하기 위해, 강한 자기장이 고속 스레드의 원하는 전파 방향과 정렬되어, 상기 전도성 용액 및/또는 스레드의 경로를 더 정확하게 구속할 수 있다.
배럴에서 공기를 강제로 빼내기 위해 발사체를 추진하는 데 사용되는 다른 유형의 배럴 중에서, 총, 총기 또는 브리처(breacher) 내의 에너지 증착. 발사체의 항력이 감소하면 동일한 양의 구동 에너지(예를 들면, 종래의 총의 추진체 또는 레일 건의 전기 구동 에너지)로 총구 속도를 더 크게 할 수 있다. 감소된 항력은 또한 더 적은 구동 에너지를 사용함으로써 수정 없이 달성된 속도에 필적하는 속도의 달성을 허용할 것이다. 기존의 총에서는, 이는 적은 추진체로도 동일한 성능을 얻을 수 있다는 것을 의미한다. 발사체 요구조건이 낮으면 발사체가 배럴을 출사할 때 총구 폭발이 감소한다. 이 감소된 음향 특징은 조작자를 포함하여 근처의 사람들의 청각에 대한 해로운 효과를 최소화하는데 유용하다. 이 감소된 음향 특징은 또한 (음향 억제 수단과 유사한) 음향 수단에 의한 탐지를 완화할 수 있다.
배럴에서 공기를 강제로 빼내기 위한 에너지 증착은 임의의 형태로 적용될 수 있다. 두 가지 이러한 형태는 i) 전자기 에너지의 배럴 내부 증착을 포함할 수 있고; 또는 ii) 본질적으로 화학적일 수 있으며; 이들 두 가지 에너지 증착 접근법의 일부 조합을 포함할 수 있다. 전자기 에너지는 총신의 내부에 방전의 형태로 있을 수 있다. 이것이 달성될 수 있는 일 실시예는 비전도성 갭을 통해 방전될 수 있는 2개의 전극 또는 전도성 배럴이나 배럴을 수용하는 구조의 다른 부분으로 방전되는 하나의 대전된 전극의 분리를 보장하는 것이다. 화학 에너지는 점화될 때 발사체 앞에서 팽창하는 추가 추진체의 형태일 수 있으며 배럴로부터 가스를 구동한다(발사체 뒤에서 팽창하여 배럴로부터 외부로 이를 추친하기 위한 추진체의 전통적인 역할과는 대조적이다). 이 추가적인 추진체는 탄환 자체에 통합될 수 있으며, 일 실시예는 탄환 내에 전도성 경로를 통합하여 전기 점화 펄스를 유도하여 탄환의 팁에서 추진체를 점화시킨다. 이 경로는 탄환에 완전히 포함된 폐회로일 수 있다. 또한 전도성 지지 구조 및/또는 배럴을 통합하여 회로를 닫을 수 있다. 배럴-클리어링 추진체를 점화하기 위한 많은 것들 중 하나의 실시예는 압전 구조를 탄환에 통합하여, 탄환이 통상적인 발사 메커니즘에 의해 충돌될 때 고전압을 발생시킨다. 그런 다음 이 고전압은 탄환의 팁에 있는 배럴-클리어링 추진체를 발사하여 배럴의 공기를 제거하여 가속하기 위해 사용된 전하에 의해 추진될 때 탄환의 발사체 또는 적재물의 더 나은 가속을 촉진한다.
어느 경우에나, 방전, 화학 추진제 또는 이들의 조합을 통해 탄환 전방에 증착된 총 에너지는 탄환으로부터 부하 또는 발사체가 가속되기 전에 배럴의 공기를 상당히 제거해야 한다. 이 에너지는 배럴의 부피를 제거하기에 충분해야 하며, 그렇다면 3*po*V정도이어야 한다. 여기에서 V는 배럴 부피이고, po는 주변 압력이다. 표준 대기의 주위 압력을 가정할 때, 16" 12게이지 샷건의 배럴을 청소하는 데 필요한 에너지는 대략 12J의 에너지이다. 이는 특히 브리처 탄환에 도움이 되는데, 침입 부하의 속도가 더 빨라지고 추진체 요구 사항이 감소하여 사람에 대한 음향 영향을 최소화함으로써 큰 이익을 얻는다. 이와 동일한 계산은 부피를 기반으로 에너지 요구량을 간단히 계산하여 모든 크기의 배럴에서 공기를 실질적으로 제거하도록 수행될 수 있다. 가열된 가스가 배럴을 따라 전파될 때 경험할 수 있는 냉각을 막기 위해 이 에너지 요구량을 증가시킬 수 있다. 달리 말하자면, 배럴의 원하는 클리어링을 여전히 달성하면서 다른 고려 사항을 수용하기 위해 2, 3, 4, 5 및 심지어 최대 10 배의 에너지를 포함하여 더 많은 양의 에너지가 증착될 수 있다.
이를 달성하기 위한 장치는 배럴 및/또는 지지 구조(예를 들어, 총기류, 대포, 모르타르 등)뿐만 아니라 브리처 탄환과 같은 통상의 및 비통상적인 탄환을 포함하는 소형, 중형 및 대형 구경 탄환을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 탄환을 포함하여 위의 동역학을 달성하도록 제조될 수 있다.
분말 코팅 및 초음속 분사 증착 응용을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다상 유동 응용에서, 분말 버스트; 에어로졸 분사 버스트; 상이한 압력에서 상이한 가스의 버스트; 플라즈마 버스트; 열 응용; 전기 방전 응용; 레이저 펄스 응용 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 프로세스와 에너지 증착을 페이징하는 것은 이러한 다른 프로세스와 에너지 증착을 동기화하지 않을 때의 응용과 비교하여, 이러한 다른 프로세스와 에너지 증착을 동기화할 때 상기 다상 유동 응용에 다수의 이점을 제공할 수 있다. 다른 형태의 에너지 증착 중에서도, 여기에 개시된 다른 응용과 유사하게, 에너지를 흐름에 증착하고 노즐로부터 기판으로 저밀도 튜브를 개방하여 입자를 기판으로 고속으로 더 효과적으로 채널링하는 데 전기 방전이 사용될 수 있다. 전기 방전은 레이저 필라멘트와 같은 레이저 플라즈마에 의해 개시/안내될 수 있다. 입자 스트림이 또한 전기 방전을 유도하는 것을 도울 수 있거나, 노즐로부터 기판으로 연장되는 선을 따라 전기 방전을 안내하기 위하여 우선적으로 전도성인 경로가 사용될 수 있다. 소규모 응용 분야의 경우, 레이저 플라스마/필라멘트만을 단독으로 사용하여 작은 직경의 저밀도 튜브(작은 노즐 출구에 비례)를 개방할 수 있다.
특히, 다양한 재료의 초음속 분사 증착은 더 효과적인 충돌 속도를 달성하고, 원하는 결과에 따라 코팅 품질, 코팅 균일성, 표면 마모, 접착력, 결정 성질, 코팅 강도, 내부식성 등과 같은 개선된 효과를 얻기 위해 다른 펄스 프로세스의 적용과 함께 에너지를 증착함으로써 강화될 수 있다. 초음속 유동에 에너지를 증착할 때, 압력과 가스 밀도를 조절하여 플라즈마 증착을 위한 더 효과적인 플라즈마를 생성할 수 있다. 또한 유동 온도와 밀도를 조절하여, 훨씬 더 높은 입자 속도를 가능하게 할 수 있다. 왜냐하면 펄스 조건은 우리가 생성하는 훨씬 더 높은 소리의 속도에서 이들 더 높은 입자 속도가 아음속이 되도록 할 수 있기 때문이다. 증착된 에너지의 기하학에 따라, 그 외에는 입자가 흐름 내에서 분리되도록 하는 충격파를 제거하여 더 균일한 가스 흐름, 입자 분포 및 증착을 가져올 수 있다. 이들 충격파의 제거 및 완화는 또한 입자의 감속을 완화하여, 입자가 기판 표면과 더 빠르고 균일한 충격 속도를 갖도록 보장한다. 제트 내에서 반경 방향 입자 분포를 조절하고자 하는 경우, 입자를 유동의 가장자리 쪽으로 밀어내도록 에너지를 유동 중심에 증착할 수 있다. 또는 유동 스트림의 가장자리에 에너지를 증착하여 입자를 유동 중심으로 밀어 넣을 수 있다. 파우더와 같은 다상 재료를 구동하는 가스 공급을 펄스화함으로써, 우리는 또한 펄스화된 입자 흐름과 에너지 증착을 동기화할 수 있다. 이는 노즐 출구로부터 기판까지의 유동 축 아래로 에너지를 증착하여 저밀도 튜브를 만들 수 있도록 한다. 이 저밀도 튜브에서 소리의 속도가 빨라짐에 따라 저밀도 튜브 아래로 아음속으로 입자의 펄스가 전파되도록 할 수 있으며, 이 속도는 저밀도 튜브를 만들기 위해 에너지를 증착하지 않았으면 초음속이었을 것이다. 저밀도 튜브를 아래로 흐르는 유동이 완전히 아음속이 아닌 경우, 그 마하 수가 감소하고, 달성된 마하 수의 감소로 초음속 흐름의 부정적인 영향(예컨대 기판에서 충돌 충격 구조가 최소화됨)이 최소화된다. 입자 밀도 분포를 에너지 증착으로 수정하고 동기화하는 것 외에도, 입자의 타겟 표면과의 상호 작용에 영향을 미치는 다양한 형태의 에너지 증착을 동시에 수행한다. 예를 들어, 변조된 입자 분포 및 저밀도 튜브 형성과 동기화되어, 우리는 하나 또는 그 이상의 레이저 펄스를 타겟 표면, 하나 이상의 방전, 변조된 가스 온도뿐 아니라 다른 양상들 중에서 플라즈마에 충돌시킬 수 있다. 이 증착을 수행함에 있어서, 대기, 유동 조건, 기하학, 입자, 공급 속도, 표적 재료 및 원하는 효과에 의존하는 효과를 갖는 많은 파라미터 범위가 실현 가능하다. 예를 들어, 저밀도 튜브를 생성하는 방식으로 동기화된 전기 방전을 적용한 후 저밀도 튜브를 채우는 입자 공급을 수행하여 더 높은 속도를 얻을 수 있다. 입자 공급은 방전이 개시될 때 시작된다(수 마이크로 초 지속될 수 있음). 입자 공급은 버스트 방식으로 방출되어 저밀도 튜브의 형성 및 고갈과 일치한다. 이 타이밍 및 반복 속도는 유동 조건 및 기하학에 의해 결정되며, 방출 에너지는 스프레이 노즐의 직경 및 기판까지의 거리에 의해 결정된다. 특히, 전술한 바와 같이, 방출 에너지는 유동 내부의 압력과 스프레이 노즐 출구의 단면적 및 목표 표면까지의 거리에 의해 지시되는 부피 V의 곱의 3 배 정도일 수 있다(대략 3*po*V). 반복 속도는 유속을 타겟 표면까지의 거리로 나눔으로써 결정되며, 유동 공급 주기는 고갈되고 기판 표면에서 더 강한 해로운 충격 구조를 형성하기 전에 저밀도 튜브에 다상 유동이 들어가고 채워질 수 있는 기간과 같거나 그 이하가 되도록 펄스화된다. 바람직하지 않은 충격 구조를 형성하기 전에 저밀도 튜브가 다상 유동으로 채워질 수 있는 기간보다 짧게 유지하기 위해, 다상 유동은 저밀도 튜브 전파 주기의 20 % -95 % 이상 동기화/주입될 수 있다. 또한, 기판 표면에서 바람직하지 않은 충격 구조를 형성하는데 필요한 시간을 고려하여 저밀도 튜브 전파 주기보다 약간 더 길게 (예를 들어,이 기간의 95-160 %에서) 흐르게 할 수 있다. 충격 구조가 제트 내에서 재형성되기 시작하는 나머지 입자 스트림은 또한 에너지 증착 소스인 전기 방전을 지면과 같은 기판으로 전도하는 것을 도울 수 있다. 원칙적으로, 에너지 증착은 입자 흐름을 변조하여 제트 기류 밀도가 상승하기 시작할 때 기판으로부터 감속하는 고밀도 가스로 측 방향으로 강제 이송하고, 에너지 증착이 저밀도 튜브를 생성한 후에, 입자는 우선적으로 그 내부에 비말 동반되어 기판에 고속으로 안내된다. 이러한 기하학에서 우리는 증착된 에너지 선에 의해 생성된 저밀도 튜브 내에 훨씬 더 잘 갇혀 있는 스트림과 훨씬 더 많은 균일한 증착으로 훨씬 더 높은 충격 속도를 보장할 수 있다. 이 저밀도 튜브를 흘러내리는 입자 외에도, 에너지 증착을 위해 사용하는 고전압 소스의 코로나를 사용하거나 RF 소스를 사용하여 저밀도의 훨씬 더 효과적인 플라즈마를 또한 개시할 수 있다. 유사하게, 레이저 펄스 또는 높은 반복 속도의 레이저 펄스 스트림은 타겟 표면에 충돌하는 입자와 동기화될 수 있다. 공정에 대해 이러한 형태의 추가 에너지 주입(예를 들면, 플라즈마 및 레이저, 기타)은 표면과의 입자 충돌 지속 시간의 전체 또는 일부분에 적용될 수 있으며, 가능하면 입자 충돌 전 및/또는 후의 이 추가적인 에너지 주입을 포함할 수 있어, 특히 코팅이 쌓일 때 충돌 이전의 표면 및/또는 충돌 이후의 입자 및/또는 둘 모두를 부가적으로 처리/영향을 미칠 수 있다. 저밀도 튜브의 단일 주기 동안의 이러한 과정은 저밀도 튜브 및 변조/동기화 입자 스트림이 고갈된 후에 반복될 수 있다.
이 동기화는 넓은 범위의 입자 크기 및 재료 밀도뿐만 아니라 넓은 범위의 유동 조건에 효과적이어서, 다른 표면 처리 중에서도, 코팅, 세정 및 피닝(peening)과 같은 더 유연하고, 기능적이며, 비용 효율적인 고속 분사 공정을 가능하게 한다. 입자 밀도는 0.8 내지 23g/cc 범위일 수 있고, 구동 압력은 1 내지 60 기압(bar) 범위일 수 있으며, 완화되지 않은 유동 마하 수는 1-12 범위이고, 입자 속도는 150-3000m/s이며, 조건에 따른 입자 속도의 비는 0.1 내지 1.0의 범위일 수 있다. 예시적인 입자는 연마제, 피닝 재료, 유전체 및 금속을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 특정 예로서, 2-10g/cc 범위의 분말 밀도 및 2-5의 유동 마하 수를 사용하고, 400-1200m/s 범위의 입자 속도를 가지면, 노즐은 A 출구 면적을 가지고 (노즐과 기판 사이의 제트 컬럼의 영역이 A * L의 곱과 대략 동일하도록) 기판으로부터 거리 L에 위치된다. 이 컬럼 내에서 저밀도 튜브를 개방하려면 조건에 따라 대기압보다 높을 수 있는 컬럼 내 압력의 3*A*L배에 해당하는 에너지량이 필요하다. 저밀도 튜브의 연속적인 스트림을 개방하기 위해서는, 종단 간에서 거리 L로 나눈 가스 유동 속도의 반복률로 이 에너지의 인가를 요구할 것이다. 개념적인 예로 50 제곱 mm 의 노즐 출구 영역, 10cm의 거리 L, 및 ~ 2bar의 이론적 압력으로 튜브를 개방할 때 대략 1J의 에너지가 필요하다. 거리 L이 1cm 인 경우, 이 에너지는 100mJ로 감소하지만, 반복률은 L에 반비례하므로, 반복률이 동일한 전력을 필요로 하도록 조정할 것이다. 유용한 반복률은 가스 속도/L의 단순하게 계산된 종단간 반복 속도 0.2-3배의 범위 내에 있을 수 있으며, 더 일반적으로 이 단순하게 계산된 반복 속도의 0.8 내지 1.6 배이다. 유사하게, 증착할 에너지의 유용한 양은 단순 계산된 칼럼 내 압력(칼럼 내에서 변하기 때문에 일반화하기 어려우며 각 응용, 작동 형상 및 조건 집합에 대해 산출하는 것이 최선이다)의 3*A*L 배의 에너지의 0.2 배 내지 3 배의 범위 내에 속한다. 추가된 전력 투입으로 회수하는 이익은 코팅 및 가공 결과의 향상뿐 아니라 다른 방법으로는 불가능한 결과를 얻을 수 있는 능력이다. 입자 속도가 증가하고 증착된 에너지로 재료 공정이 향상될 수 있기 때문에, 전체 전력 요구 사항이 에너지 증착을 통해 완화될 수 있으며, 증가하는 구동 압력과 가스 흐름 속도에서 효율성이 향상된다.
저밀도 (고온) 채널을 고속으로 개방하기 위해 매개체 표면을 따라 에너지를 증착하는 것이 이전에 개시되었다. 일반적으로, 매개체 아래에서 공기를 제거하면 고압의 분사 가스가 더 빨리 배출되어 매개체 밑의 고압 가스의 체류 시간이 줄어들고 고압 가스에 의해 매개체에 전달되는 힘과 충격이 최소화된다. 같은 고려 사항이 폭발 파의 대상이 되는 임의의 표면에 적용될 수 있다. 이러한 일반적인 개념과 적용 외에도, 우리는 폭발이 원래 거류하고 제한되는 매개체 아래의 토양 또는 다른 재료 내로 에너지를 증착하는 것을 더 개시한다. 이 에너지 증착은 제한된 토양/재료를 분쇄하는 데 사용되어, 에너지가 폭발을 가두는 토양 또는 다른 재료에 증착될 때, 매개체 아래의 저밀도, 고 음속 영역을 통해 폭발물을 더 점차적으로 배출시키고 더욱 신속하게 비울 수 있다. 폭발 가스가 방출되지 않았다면, 그들은 모멘텀을 그들을 감싸는 피복 물질로 매우 효과적으로 전달할 것이며, 이는 차례로 이 모멘텀을 매개체에 매우 효과적으로 전달할 것이다. 에너지가 증착되어 피복 물질을 뚫고 상기 피복 물질 아래의 압력을 완화시킬 때, 고압 가스가 배출되고 매개체 아래의 저밀도, 고 음속 영역을 통해 신속하게 비워질 뿐만 아니라 (토양 내의 에너지 증착은 또한 매개체 아래에서 가스를 효과적으로 제거하는 공기를 통해 폭발 파를 생성한다), 그렇지 않으면 매개체 내로 더 균일하게 가속화될 토양 또는 피복 물질이 이제 구멍 주변의 컬럼 내에 더 많이 분포되고, 이 재료 기둥은 완화되지 않은 경우의 충격보다 더 완만하게 매개체에 충돌한다. 결과적으로, 매개체 밑에서 가스를 제거하기 위해 매개체 아래에 에너지를 증착하는 경우(일반적으로 전기 방전을 사용하여 충격적으로/갑작스럽게 가스를 가열하여 주변 대기를 매개체 하부로부터 구동하는 폭발 파를 발생시키는 경우)와 토양 또는 피복 물질을 파괴하고 폭발 가스를 방출하기 위해 매개체 아래의 매립된 폭발/폭파를 제한하고 있는 토양 또는 피복 물질에 에너지를 증착하는 경우(일반적으로 전기 방전, 레이저 펄스 또는 이들의 조합을 사용하여 토양 또는 피복 물질에 에너지를 증착하는 경우)의 모든 경우에서, 폭발로부터 매개체로 전달된 총 모멘텀은 적어도 30 % 감소될 수 있으며 매개체 및 그 내용물에 의해 경험되는 평균 가속은 적어도 70 % 감소될 수 있다. 매개체 밑에서 가스를 제거하거나 희박화하기 위해 대략 3*po*V 의 에너지를 사용할 수 있다. 여기서 po는 매개체 밑의 주변 대기압이고, V는 매개체 아래에서 제거/희박화되어야 하는 부피이다. 토양이나 다른 피복 물질을 깨뜨리거나 구멍을 뚫기 위해 필요한 에너지량은 피복 물질과 그것의 얼마나 많은 부분을 뚫어야 하는지에 달려있다. 결과적으로, 효율적으로 운반 및 배치할 수 있으며 매개체에 너무 강하지도 약하지도 않은 에너지량을 단순히 증착하는 것이 가장 좋다. 이러한 모든 고려 사항은 매개체 자체 및 그 구성 방법에 의존한다. 이 숫자는 일반적으로 10kJ 내지 1MJ 정도가 될 수 있다. 이 스케일의 가장 큰 부분인 ~ 8m2 매개체 하부 영역과 약 20cm의 매개체 클리어런스로 가정하면, 공기를 제거하는 데 필요한 에너지는 ~ 0.5MJ이며, 추가로 0.5MJ이 토양/피복 물질을 뚫거나/깨뜨리기 위해 남겨진다. 대부분의 폭발성 장치의 에너지 함량이 수백 MJ가 될 수 있다는 점을 감안할 때, 1MJ 이하의 투입으로, 300 MJ 폭발의 예에서, 결과적인 매개체의 가속도를 크게 줄이고 매개체의 전체 모멘텀의 30 % 이상을 없애며, 증착된 에너지의 <1MJ의 투입이 대략 100MJ의 매개체에 대한 폭발 하중을 줄일 수 있다.
도 37은 지향성 에너지 증착 장치(1016)를 구비하는 에어 제트 직기(1000)의 실시예를 나타내는 개략도이다. 지향성 에너지 증착 장치(1016)는 씨실 공급 노즐(1004)로부터 대향 전극(1018)까지 연장되고 날실(warp thread)(1010A-B)(전방 및 후방 위치)에 의해 한정되는 스팬(span)의 일부 및 슬레이(1012)에 부착된 프로파일 리드(1008A-B)의 프로파일을 통과하는 직선 경로를 생성하도록 구성되는 펄스 레이저 서브어셈블리(1014)를 포함한다. 작동 시, 미리 결정된 시간에 지향성 에너지 증착 장치(1016)는 저밀도 가이드 경로(A)를 생성하기 위하여 직선 경로를 따라 전기를 증착한다. 고압 공기 공급장치(1006)와 연통하는 노즐(1004)은 저밀도 가이드 경로(A)를 통해 씨실(1002)의 일부분을 추진한다.
도 38은 일체형 지향성 에너지 증착 장치(2002)를 갖는 총기 서브어셈블리(2000)의 실시예를 나타내는 개략도이다. 작동 시, 지향성 에너지 증착 장치(2002)는 배럴(2004)의 내경으로부터 유체를 제거하여 저밀도 영역(A)을 생성하도록 이용될 수 있다. 저밀도 영역(A)이 유지되는 동안, 발사체(2006)는 추진체(2008)의 점화에 의해 배럴을 통해 배출될 수 있다. 에너지 증착 장치(2002)는 예를 들어 배럴의 내경 영역에 노출된 절연 전극에 연결된 전원을 포함할 수 있다. 이러한 접근법에서, 에너지 증착은 전기 아크를 포함할 수 있다. 다른 내경 제거 접근법에서, 내경 가스는 추진체(2008)의 점화 전에 화학 사전 추진제에 점화함으로써 가열되어 배출될 수 있다.
도 41은 폭발 완화 장치가 장착된 매개체(3000)의 실시예를 나타내는 개략도이다. 폭발 완화 장치는 센서(3002A-B) 및 차체(3004) 주위에 위치되고 매개체 하부 구조(3006)에 노출된 지향성 에너지 증착 장치(3008)를 포함한다. 센서(3002A-B)가 트리거될 때, 에너지 증착 장치(3008)는 하부 구조(3006)와 지면 사이의 공간에 경로 A를 따라 에너지를 증착하여 저밀도 영역(B)을 생성한다.
도 42는 지면 개량 장치가 장착된 매개체(4000)의 실시예를 나타내는 개략도이다. 지면 개량 장치는 센서(4002A-B) 및 차체(4004) 주위에 위치되고 매개체 하부 구조(4006)에 노출된 지향성 에너지 증착 장치(4008)를 포함한다. 센서(4002A-B)가 트리거될 때, 에너지 증착 장치(4008)는 경로(A)를 따라 지면에 에너지를 증착하고, 적어도 표면의 침투를 초래하고 표면 물질의 파단 또는 분리(예를 들어, 구멍)(B)를 야기한다.
도 43은 펄스 레이저 서브어셈블리(5002)를 갖는 지향성 에너지 증착 장치(5000)의 실시예를 도시하는 개략도이다. 펄스 레이저 서브어셈블리(5002)는 스플리터(5006)와 정렬된, 즉 차례로 반사기(5008)와 정렬된 펄스 레이저(5004)를 포함한다. 작동시, 펄스 레이저(5004)는 2개의 빔으로 분할될 수 있는 레이저 빔(A)을 생성할 수 있고 2개의 빔은 지향성 에너지 증착 장치 (5000) 외부의 유체로 전달될 수 있다.
도 44는 지향성 에너지 증착 장치(6002)가 내장된 총기 카트리지(6000)의 실시 예를 도시하는 개략도이다. 카트리지(6000)는 지향성 에너지 증착 장치(6002)의 작동을 추진체(6006)의 점화와 동기화하도록 구성된 동기화 제어기(6004)를 더 포함한다. 동기화 제어기(6004)는 먼저 지향성 에너지 증착 장치(6002)의 작동을 트리거하고 이어서 추진체(6006)를 점화하고 발사체(6008)를 방출한다.
본 발명의 바람직한 실시예가 본 명세서에 도시되고 설명되었지만, 당업자에게는 그러한 실시예가 단지 예로서 제공된다는 것이 명백할 것이다. 이하의 청구범위는 본 발명의 범위를 정의하고, 그에 의해 청구범위의 범위 내에 있는 방법 및 구조 및 그 등가물이 커버되는 것으로 의도된다.
Claims (15)
- 직물을 제조하기 위한 단속 에어 제트 직조기의 작동 방법에 있어서, 상기 에어 제트 직조기는 씨실(weft yarn) 및 스팬(span)을 가지며, 상기 씨실이 상기 스팬을 통과하도록 저밀도 가이드 경로를 형성하기 위한 에너지 증착을 포함하는 단속 에어 제트 직조기의 작동 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 에너지 증착은 씨실 1mm 직경 당 가이드 경로 10cm 당 5-50mJ 범위 내의 에너지 증착을 포함하는 단속 에어 제트 직조기의 작동 방법.
- 제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 씨실은 0.1-1 mm 범위 내의 직경을 갖는 단속 에어 제트 직조기의 작동 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 씨실은 100-500 m/s 범위 내의 속도로 상기 가이드 경로를 통해 이동하는 단속 에어 제트 직조기의 작동 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 직물은 분당 500-60,000 픽크(pick) 사이의 범위 내의 속도로 제조되는 단속 에어 제트 직조기의 작동 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가이드 경로는 원통형인 단속 에어 제트 직조기의 작동 방법.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 고압 공기의 버스트(burst)로 상기 씨실을 상기 저밀도 가이드 경로로 추진을 더 포함하는 단속 에어 제트 직조기의 작동 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 고압 공기의 버스트는 상기 에너지 증착과 동기화되는 단속 에어 제트 직조기의 작동 방법.
- 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저밀도 가이드 경로는 상기 고압 공기의 버스트의 하류에 형성되는 단속 에어 제트 직조기의 작동 방법.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 추가의 저밀도 가이드 경로를 형성하기 위하여 에너지의 추가 부분이 부스터 공기 공급의 하류에 증착되는 단속 에어 제트 직조기의 작동 방법.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 씨실은 일정량의 물로 적셔지는 단속 에어 제트 직조기의 작동 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 일정량의 물의 적어도 일부는 상기 저밀도 가이드 경로에서 증발하는 단속 에어 제트 직조기의 작동 방법.
- 직물을 제조하도록 구성되는 단속 에어 제트 직조기에 있어서,
i) 슬레이(sley) 상에 장착된 복수의 프로파일 리드(reed)를 포함하고, 날실(warp shed)을 형성하도록 구성되는 기계;
ⅱ) 상기 날실을 가로질러 저밀도 가이드 경로를 생성하도록 구성되는 지향성 에너지 증착 어셈블리; 및
ⅲ) 가압 공기 공급 장치와 연통하고, 상기 저밀도 가이드 경로를 통해 씨실의 일부를 추진하도록 구성되는 씨실 노즐을 포함하는 단속 에어 제트 직조기. - 제13항에 있어서, 상기 날실은 길이가 3-30 m 범위 내인 단속 에어 제트 직조기.
- 공기 직기의 개장 방법에 있어서, 지향성 에너지 증착 서브어셈블리 설치를 포함하며, 상기 서브어셈블리는 상기 직기의 실 공급 노즐을 상기 직기의 반대측에 위치하는 전극과 연결시키고 복수의 프로파일 리드의 프로파일들을 통과하는 경로 상에 에너지를 증착하도록 구성되는 공기 직기의 개장 방법.
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