挡板式管冲压加速器的制作方法

相关申请案的交叉参考

本专利申请案主张2014年10月8日提交的第62/061,542号美国临时专利申请案的权益，所述美国临时专利申请案的内容以引用的方式并入本文中。

本发明大体上涉及超高速发射器，且特定来说(但非排他性地)涉及冲压加速器。

背景技术：

冲压加速器是用于使用基于冲压式喷气发动机及/或超燃冲压式发动机燃烧过程的喷气发动机式推进循环将射弹加速到极高的速度的装置。所述装置通过将射弹推进通过填充有可燃气体推进剂混合物的固定管来操作。所述冲压加速器在涉及大有效载荷的应用(例如非火箭航天发射)中展示巨大潜力。

在常规火药枪中，推进剂在后膛中的射弹后面燃烧，从而产生高压气体，所述高压气体在其沿着枪管推动所述射弹时膨胀。随着所述射弹更快地移动，所述推进气体必须耗费更多能量来使其自身加速以跟上所述射弹。一旦所述射弹达到临界速度，所述气体推进剂便仅施加足以克服摩擦的力，且随后如果所述枪管太长，那么所述射弹开始减速。

相反地，冲压加速器通过使用推进剂填充发射管(枪管)以使射弹加速来工作。使用适当成形的射弹/管，可起始独有推进循环，其中所述射弹在其行进通过所述管时压缩并点燃所述推进剂。这导致沿着管加速的燃烧脉冲，其中所述燃烧脉冲与所述射弹的尾端自同步。本质上，所述射弹沿着所述发射管的长度乘骑其自身的燃烧波，从而允许所述射弹加速到远大于通过常规火药枪能够实现的速度。

附图说明

参考以下诸图描述本发明的非限制性及非穷尽实例，其中相似参考数字贯穿各种视图指代相似部分，除非另有规定。

图1a到1c展示根据本发明的教示的在操作的各种阶段中的挡板式冲压加速器系统的一个实例的横截面视图。

图2a到2d展示根据本发明的教示的挡板式冲压加速器管的实例的横截面视图。

图2e展示根据本发明的教示的在图2d中描绘的实例挡板式冲压加速器管的等角视图。

图2f展示根据本发明的教示的其中将均匀间隔的孔布置成三角形图案的实例挡板式冲压加速器管的等角视图。

图3a到3b展示根据本发明的教示的挡板式冲压加速器管构造的一个实例。

图4a到4c展示根据本发明的教示的挡板式冲压加速器管中的挡板定向的三个实例。

具体实施方式

本文描述一种用于冲压加速器的设备及方法的实例。在以下描述中，阐述众多特定细节以提供对所述实例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，能够在不具有一或多个特定细节的情况下或配合其它方法、组件、材料等等实践本文所描述的技术。在其它情况下，未展示或详细地描述众所周知的结构、材料或操作以避免混淆某些方面。

贯穿本说明书的对“一个实例”或“一个实施例”的参考意指结合实例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，贯穿本说明书的各种地方的短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”的出现未必皆是指同一实例。此外，特定特征、结构或特性可以任何合适方式组合于一或多个实例中。

贯穿本说明书，使用若干所属领域的术语。这些术语具有其出自的所属领域的一般意义，除非本文具体定义或其使用背景另有明确指示。

图1a到1c展示在操作的各种阶段中的挡板式冲压加速器系统101的一个实例的横截面视图。冲压加速器系统101包含具有内表面及外表面的冲压加速器管103。多个挡板109位于冲压加速器管103的所述内表面上，且多个挡板109安置成沿着冲压加速器管103的纵轴形成一系列连续推进剂腔室。在一个实例中，可通过切割到冲压加速器管103的所述内表面中而使用切割件来形成多个挡板109。这些切割件可形成从冲压加速器管103的所述内表面延伸穿过冲压加速器管103的所述外表面的侧通道或侧孔。可使用额外较大管或其它罩盖结构在冲压加速器管103的所述外表面上罩盖所述切割件。在所描绘的实例中，多个挡板109沿着冲压加速器管103的纵轴线性布置；然而，在图1a到1c中未描绘的其它实例中，多个挡板109可布置成环绕冲压加速器管103的螺旋或双螺旋(见下文图2b)。

在所描绘的实例中，加速器枪105定位在冲压加速器管103的输入端上，且加速器枪105定位成将射弹121射出到冲压加速器管103中。加速器枪105可为轻气枪、爆炸动力枪或其它枪。在一个实例中，可在加速器枪105与冲压加速器管103之间安置隔板来使加速器枪105与冲压加速器管103分离。所述隔板可为薄塑料片，例如聚酯薄膜或类似者。

应注意，断行符111描绘从图1a到1c省略的冲压加速器管103的中间区段。此中间区段可具有与图1a到1c中可见的冲压加速器管103的部分相同或不同的结构。在一个实例中，冲压加速器管103的中间区段含有可成角的挡板109。在另一实例中，多个挡板109可仅沿着冲压加速器管103的所述内表面的部分延伸且冲压加速器管103的中间部分可为滑膛。多个挡板109可仅沿着冲压加速器管103的所述内表面的部分从冲压加速器管103的所述输入端与冲压加速器管103的输出端相对地延伸。类似地，多个挡板109可仅沿着冲压加速器管103的所述内表面的部分从冲压加速器管103的所述输出端与冲压加速器管103的所述输入端相对地延伸。

图1a描绘在点燃冲压加速器管103中的推进剂混合物之前接纳来自加速器枪105的射弹121的冲压加速器管103。流场示意图描绘为在射弹121前面(虚线)。在操作中，冲压加速器管103被泵满在射弹121后面被点燃的气体燃料/氧化剂混合物，且射弹121在其沿着冲压加速器管103行进时乘骑挡板109(及/或在所述冲压加速器管的所述内表面上的内轨)。被插入或加工到冲压加速器管103中的多个挡板109(或环形圈)隔离射弹121后面的燃烧过程。此隔离效应允许使用更高能量的燃料混合物，而无燃烧产生的压力波在射弹121的上游被驱动的风险。结合更大的效管区域(源自多个挡板109之间的空间的深度)使用更高能量的推进剂用于增加对所述射弹的推力而不必增加推进剂/燃料填充压力。因此，可将冲压加速器管103中的多个挡板109加工成使得冲压加速器管103中的燃烧过程包含在在射弹121后面的直径。此外，射弹121的长度可大于冲压加速器管103中的两个相邻挡板109之间的距离。

图1b描绘在点燃之后且在射弹121已行进穿过一系列挡板109之后的冲压加速器管103。流场示意图描绘为在射弹121前面(虚线)。此处，可见多个挡板109防止向前移动的燃烧脉动被推到射弹121前面。另外，挡板109充当单向阀，借此通过射弹121的移动来吸收推进剂。

图1c描绘在点燃之后且在射弹121已行进穿过额外挡板109之后的冲压加速器管103。流场示意图描绘为在射弹121前面(虚线)。如同在图1b中，射弹121吸收燃料且挡板109充当防止燃烧产生的压缩波及其它脉动被驱动到射弹121前面的单向阀。

图2a到2d展示挡板式冲压加速器管201的实例的横截面视图。在所描绘的实例中，第二空心圆柱体203穿孔有沿着第二空心圆柱体203的纵轴的均匀间隔的孔205。第二空心圆柱体203放置在第一空心圆柱体(见下文图3a到3b，“第一空心圆柱体307”)内，使得第二空心圆柱体203中的均匀间隔的孔205由所述第一空心圆柱体(例如，“第一空心圆柱体307”)的内表面罩盖。所得孔结构形成所述第一空心圆柱体中的挡板(例如，“多个挡板109”)。此套管制造方法可通过减少构造成本及时间来给予优于直接在所述冲压加速器管的所述内表面上构造挡板的优点。

图2a展示其中均匀间隔的孔205沿着第二空心圆柱体203的所述纵轴线性布置的挡板式冲压加速器管201的实例。另外，均匀间隔的孔205非圆形且绕第二空心圆柱体203形成环形图案。

图2b展示其中均匀间隔的孔205沿着第二空心圆柱体203的所述纵轴非线性布置的挡板式冲压加速器管201的实例。在所描绘的实例中，均匀间隔的孔205布置成螺旋图案。然而，在另一实例中，孔可布置成多螺旋图案，诸如双螺旋。

图2c展示其中均匀间隔的孔205沿着第二空心圆柱体203的所述纵轴线性布置的挡板式冲压加速器管201的实例。在所描绘的实例中，均匀间隔的孔205布置成偏移(非线性)交错图案。然而，在另一实例中，均匀间隔的孔205可布置成非交错图案。

图2d展示其中均匀间隔的孔205沿着第二空心圆柱体203的所述纵轴线性布置的挡板式冲压加速器管201的实例。在所描绘的实例中，均匀间隔的孔205布置成偏移交错图案且被切割成具有斜缘的矩形。另外，均匀间隔的孔205的边缘具有线性锥形。然而，在另一实例中，均匀间隔的孔205可具有幂律锥形或其它。

图2e展示在图2d中描绘的实例挡板式冲压加速器管201的等角视图。在所描绘的实例中，由渐缩矩形孔205形成的轨是可见的。另外，展示用于将多个挡板式冲压加速器管201固定在一起的紧固件孔。

图2f展示其中均匀间隔的孔205布置成三角形图案的实例挡板式冲压加速器管201的等角视图。在所描绘的实例中，这些三角形孔形成等格栅挡板图案(等腰三角形的重复图案)。这些挡板形成挡板式冲压加速器管201中的环以及沿着挡板式冲压加速器管201的纵轴延伸的成角边缘(例如，螺旋轨)。在一个实例中，等格栅环可在与射弹运动相反的方向上成角。在另一实例中，所述等格栅环可在射弹运动的方向上成角。在一或多个实例中，所述等格栅图案(及全部其它实例挡板式冲压加速器管201)可由碳纤维、玻璃酚醛复合物、硼纤维、铝合金、高强度钢或类似者制造。

图3a到3b展示挡板式冲压加速器管构造的一个实例。将第二空心圆柱体303放置在第一空心圆柱体307内，使得第二空心圆柱体303中的均匀间隔的孔305由第一空心圆柱体307的内表面罩盖，且所得结构又形成挡板(例如，“多个挡板109”)。可通过压配合/摩擦配合、焊接、粘合剂、紧固件或其它构件将第二空心圆柱体303固定在第一空心圆柱体307中。另外，可将多个第二空心圆柱体303插入到单个第一空心圆柱体307中。在一个实例中，可将具有相同设计的多个第二空心圆柱体303插入到单个第一空心圆柱体307中。在另一实例中，可将具有不同设计的多个第二空心圆柱体303插入到单个第一空心圆柱体307中。这可包含具有线性设计、螺旋设计或滑膛的第二空心圆柱体303。

第一空心圆柱体307及第二空心圆柱体303可由各种各样的金属、金属合金、陶瓷及复合材料构造。在一个实例中，第一空心圆柱体307及第二空心圆柱体303两者均由高强度钢管件构造。

图4a到4c展示挡板式冲压加速器管401内的挡板409定向的三个实例。在本发明的若干实例中，在通过在冲压加速器管403中切割孔来制造多个挡板409的情况下，可按相对于所述第二空心圆柱体的所述内表面的表面法线的角度(θ)切割均匀间隔的孔。在图4a中描绘的实例中，按朝向输出端的角度(θ)切割所述孔。然而，在图4b中描绘的实例中，按朝向所述输入端的角度(θ)切割所述孔。替代地，多个挡板409可直接制造在冲压加速器管403的所述内表面上且可朝向冲压加速器管403的所述输入端或所述输出端成角。

在操作中，挡板409在射弹421的方向上的倾斜可通过衍射射弹驱动的冲击波来增加给定推进剂中的操作马赫数。这减弱在射弹421前面的冲击波的强度且防止在射弹421前面的推进剂的爆燃。替代地，与射弹运动的方向相对地倾斜挡板409提供按较低马赫数围绕射弹421的肩部点燃腔室中的推进剂的优点。因此，可取决于使用情况、所要射弹速度、射弹尺寸、管长度限制等来调整所述冲压加速器管的内部挡板角度及配置。在一个实例中，可在冲压加速器管403的整个长度中使用成角挡板409。在另一实例中，可在冲压加速器管403的长度的部分中使用成角挡板409。在先前两个实例中的任一者中，冲压加速器管403中的挡板409可全部具有相同角度或可具有具备不同度数及方向的角度以便取决于使用情况来优化射弹421的速度及加速度。另外，冲压加速器管403的部分或全部可不具有任何挡板409且可为滑膛。

图4c展示锯齿形挡板409配置的一个实例。在所描绘的实例中，挡板409的一个面在射弹运动的方向上成角，且挡板409直径随着接近冲压加速器管401的中心而减小。在未描绘的实例中，挡板409的一个面在与射弹运动相反的方向上成角。在另一实例中，挡板409的两个面都可成角。

值得注意的是，在一些实例中，可使用增材制造工艺(包含3d打印或类似者)来制造管/挡板配置。举例来说，熔融沉积造型、熔丝制造、机器人浇铸、电子束熔化、分层实体制造、选择性激光烧结、直接金属激光烧结、选择性激光熔化或类似者都是可行的增材制造候选者。3d打印及其它增材制造工艺可使高度复杂/不对称的挡板式管配置的生产变得容易。

在若干实例中，可采用带鳍片射弹。所述多个挡板可被加工成容纳各种各样的鳍片配置。在一些实例中，环形挡板提供供所述射弹的鳍片在行进通过挡板式管时骑乘的表面。类似地，可采用横跨至少两个挡板之间的距离的带鳍片射弹来帮助稳定所述带鳍片射弹。在一些实例中，鳍片的使用允许冲压燃烧过程以比使用相同带鳍片射弹的滑膛管中低30％到50％的速度开始。在一个实例中，可绕所述射弹的周边对称地安置所述射弹上的所述鳍片；然而，在其它实例中，可不对称地安置所述鳍片。在一个实例中，可在所述射弹上安置奇数个鳍片；在另一实例中，可在所述射弹上安置偶数个鳍片。在一些实例中，所述冲压加速器管可具有定制内径及定制挡板来促进带鳍片射弹的使用。射弹及鳍片几何形状可取决于使用情况而采取任何数目个形状及定向。

不希望本发明的所说明的实例的以上描述(包含摘要中所描述的内容)为穷尽性或将本发明限于所揭示的具体形式。尽管本文描述本发明的特定实例是出于说明性目的，但所属领域的技术人员将认识到，在本发明范围内各种修改是可能的。

依据以上详细描述可对本发明做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限于本说明书中所揭示的特定实例。而是，本发明的范围全部由所附权利要求书确定，所附权利要求书应根据权利要求解释的既定原则来解释。