(57)【要約】【課題】ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物に点火するためのシステム及び方法、特に管状構造物内を流れるガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物の爆発の制御を行うシステム及び方法を提供する。【解決手段】ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物が充てん開始点及び開口端を有する雷管（ｄｅｔｏｎａｔｏｒ  ｔｕｂｅ）に供給され、該ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物が雷管を流れるのと同時に雷管内の点火地点に設置された点火装置（ｉｇｎｉｔｅｒ）が点火されるシステム及び方法を提供する。爆発インパルス（ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ  ｉｍｐｕｌｓｅ）が前記点火地点で産出され、該爆発インパルスは前記雷管の前記開口端に伝播し、そこで開口端を有するデトネーション管、内燃エンジン、燃焼室、及びパルスデトネーションエンジンへと供給され得る。【選択図】図２Ａ
2009533649.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
雷管（ｄｅｔｏｎａｔｏｒ  ｔｕｂｅ）と点火装置（ｉｇｎｉｔｅｒ）を含む起爆装置（ｄｅｔｏｎａｔｏｒ）であって、該雷管が充填開始点（ｆｉｌｌ  ｐｏｉｎｔ）及び開口端を有し、該充填開始点にガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物が供給され、該燃料−酸化剤混合物が該雷管中を流れそして該開口端から出、該点火装置が該雷管内の点火地点に設置され、該ガス状のまたは分散系の燃料−酸化剤混合物が該雷管中を流れるのと同時に該点火装置が該ガス状のまたは分散系の燃料−酸化剤に点火し、それによって該点火地点で爆発インパルス（ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ  ｉｍｐｕｌｓｅ）が産出され、該爆発インパルスが該雷管の該開口端へ伝播する起爆装置。
【請求項２】
更に前記雷管の内側に位置する弁を含む請求項1に記載の起爆装置。
【請求項３】
前記弁が逆止め弁である請求項２に記載の起爆装置。
【請求項４】
ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物に点火するためのシステムであって、該システムが、充填開始点、開口端、及び雷管内の点火地点に設置された点火装置を有する雷管、並びに該雷管の該充填開始点へガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物を供給するための燃料供給装置を含み、該ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物が該雷管中を流れそして該開口端から出、該ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物が該雷管中を流れるのと同時に該点火装置が該ガス状のまたは分散系の燃料−酸化剤混合物に点火し、それによって該点火地点で爆発インパルスが産生され、該爆発インパルスが該雷管の該開口端へ伝播するシステム。
【請求項５】
更に前記雷管の内側に位置する弁を含む請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記弁が逆止め弁である請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前期弁が前記点火地点の前に位置する請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記爆発インパルスが、開口端を有するデトネーション管（ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ  ｔｕｂｅ）の一つ、燃焼室（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ｃｈａｍｂｅｒ）、内燃エンジン、またはパルスデトネーションエンジンに供給される請求項４に記載のシステム。
【請求項９】
燃料対酸化剤の質量比及び前記ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物の流速が、前記雷管の長さ及び直径に基づいて選択される請求項５に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物が少なくとも、エタン、メタン、プロパン、水素、ブタン、アルコール、アセチレン、ＭＡＰＰガス、ガソリン、航空燃料、石油蒸留物、ナフサ、鉱油、ケロシン、ディーゼル油、ベンゼン、またはＤＥＥＴの１つからなる請求項４に記載のシステム。
【請求項１１】
更に前記点火装置の点火タイミングを制御するためのタイミング制御機構を含む請求項４に記載のシステム。
【請求項１２】
ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物に点火するためのシステムであって、該システムが、起爆装置及び燃料−酸化剤混合物供給装置を含み、該起爆装置が充填開始点及び開口端を有する雷管、及び該雷管内の点火地点に設置された点火装置を含み、該燃料−酸化剤混合物供給装置が該雷管の該充填開始点へ該ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物を供給し、該ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物が該雷管中を流れそして該開口端から出、該ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物が該雷管中を流れるのと同時に該点火装置が該ガス状のまたは分散系の燃料−酸化剤混合物に点火し、それによって該点火地点で爆発インパルスが産生され、該爆発インパルスが該雷管の該開口端へ伝播するシステム。
【請求項１３】
前記起爆装置が更に前記雷管の内側に位置する弁を含む請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記弁が逆止め弁である請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前期弁が前記点火地点の前に位置する請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
燃料対酸化剤の質量比及び前記ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物の流速が、前記雷管の長さ及び直径に基づいて選択される請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物が少なくとも、エタン、メタン、プロパン、水素、ブタン、アルコール、アセチレン、ＭＡＰＰガス、ガソリン、航空燃料、石油蒸留物、ナフサ、鉱油、ケロシン、ディーゼル油、ベンゼン、またはＤＥＥＴの１つからなる請求項１２に記載のシステム。
【請求項１８】
更に前記点火装置の点火タイミングを制御するためのタイミング制御機構を含む請求項１２に記載のシステム。
【請求項１９】
前記タイミング制御機構がトリガー機構、フィクスドロジック（ｆｉｘｅｄ  ｌｏｇｉｃ）、または制御プロセッサ（ｃｏｎｔｒｏｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）の１つを含む請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記点火装置が高電圧パルス源（ｈｉｇｈ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｐｕｌｓｅ  ｓｏｕｒｃｅ）、トリガードスパークギャップ源（ｔｒｉｇｇｅｒｅｄ  ｓｐａｒｋ  ｇａｐ  ｓｏｕｒｃｅ）、レーザー、または爆発線（ｅｘｐｌｏｄｉｎｇ  ｗｉｒｅ）の１つを含む請求項１２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物に点火するためのシステム及び方法に関する。特に、本発明は管状構造物内を流れるガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物の爆発の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物に点火するための既存のシステム及び方法は、非効率的であり、高価であり、そしてしばしば危険である。内燃エンジンにおいて使用されるスパークプラグに基づく最新の点火技術では、燃焼サイクルの後にエンジンのシリンダーに未消費燃料が残り、有毒燃焼副産物をより安全な副産物へと変換するために触媒コンバーターを使用しなければならない。他方、このより安全な副産物も依然として危険な汚染物質にとどまるという結果に終わり、大気中に排出される。そのうえ、スパークプラグの性能は時間とともに劣化し、だんだん燃焼効率が低下し、そしてそれゆえ燃料ガロン距離（ｆｕｅｌ  ｍｉｌｅａｇｅ）がだんだん低下し汚染がだんだんひどくなる。それゆえ、内燃エンジンにおける燃料−酸化剤混合物の点火のための改良されたシステム及び方法を開発することが望ましい。
【０００３】
主として航空機エンジン及びロケットエンジンにおいて使用するために開発されているパルスデトネーションエンジン技術は、内燃エンジンよりもずっと高い性能を提供する見込みがある。しかし、このようなパルスデトネーションエンジンにおいて用いられてきた燃料−酸化剤混合物点火法では、危険で高価な燃料−酸化剤及び爆発を達成するためのかなりの量のエネルギーを使用する必要がある。そのうえ、準備される点火法の制限のために、このようなエンジンにおいて産出される爆発のタイミング及び規模を制御することは困難である。そのようなものとして、パルスデトネーションエンジンにおける燃料−酸化剤混合物の点火のための改良されたシステム及び方法を得ることもまた望まれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物に点火するためのシステム及び方法、特に管状構造物内を流れるガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物の爆発の制御を行うシステム及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
簡単には、本発明はガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物の点火のための改良されたシステム及び方法である。本発明では、望ましい燃焼特性を有する燃料−酸化剤混合物を管状構造物中に望ましい流速で導入する。1つの実施形態の例では、前記管状構造物が規定の長さ及び直径を有する起爆装置（ｄｅｔｏｎａｔｏｒ）を含む。流れる燃料−酸化剤混合物内の点火地点にスパークを導入することによって前記起爆装置内で前記燃料−酸化剤混合物は点火される。結果として生じる爆発インパルス（ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ  ｉｍｐｕｌｓｅ）が、前記点火地点から前記起爆装置の出口端まで流れている燃料−酸化剤混合物に点火し続ける。また、前記燃料−酸化剤混合物の燃焼特性及び流速を、爆発インパルスのエネルギーを制御するために選択できる。
【０００６】
本発明は、ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物に点火する方法であって、充填開始点及び開口端を有する起爆装置の雷管内の点火地点に点火装置（ｉｇｎｉｔｅｒ）を設置する工程、ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物を開口端に向かって出るように充填開始点に供給する工程、及び該点火装置を使用して流れるガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物に点火し、該点火地点から該雷管の該開口端へと伝播する爆発インパルスを産出させる工程を含む方法を提供する。逆止め弁などの弁を、雷管の内側の点火地点の前か後に設置することができる。前記爆発インパルスは、デトネーション管（ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ  ｔｕｂｅ）、内燃エンジン、またはパルスデトネーションエンジンに供給することができる。燃料対酸化剤の質量比及び前記ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物の流速を、前記雷管の長さ及び直径に基づいて選択することができる。前記ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物としては、エタン、メタン、プロパン、水素、ブタン、アルコール、アセチレン、ＭＡＰＰガス、ガソリン、または航空燃料、またはこれらの組み合わせが使用できる。前記燃料としてはまた、ナフサなどの石油蒸留物、鉱油、ケロシンもしくはディーゼル油、またはベンゼンもしくはＤＥＥＴなどのより複雑な材料のいずれかが使用できる。前記点火装置の点火のタイミングは、トリガー機構、フィクスドロジック（ｆｉｘｅｄ  ｌｏｇｉｃ）、または制御プロセッサ（ｃｏｎｔｒｏｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）を使用して制御できる。
【０００７】
本発明は、起爆装置及び燃料−酸化剤混合物供給サブシステムを含み、ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物に点火するためのシステムを提供する。前記起爆装置は、充填開始点及び開口端を有する雷管（ｄｅｔｏｎａｔｏｒ  ｔｕｂｅ）並びに該雷管内の点火地点に設置される点火装置を含む。前記燃料−酸化剤混合物供給サブシステムは、前記雷管の前記充填開始点へガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物を供給し、供給されたガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物は雷管中を流れ、雷管の開口端から出される。前記ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物が前記雷管中を流れるのと同時に前記点火装置が該ガス状または分散系の燃料−酸化剤に点火し、それによって前記点火地点で爆発インパルスが産出され、該爆発インパルスは該雷管の該開口端へと伝播する。前記システムは逆止め弁などの弁を含み得、該弁は前記デトネーション管の内側の前記点火地点の前か後に位置する。前記システムは、前記点火装置の点火のタイミングを制御するタイミング制御機構を含むことができる。前記タイミング制御機構としては、トリガー機構、フィクスドロジック（ｆｉｘｅｄ  ｌｏｇｉｃ）、または制御プロセッサ（ｃｏｎｔｒｏｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）が使用できる。前記点火装置としては、高電圧パルス源（ｈｉｇｈ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｐｕｌｓｅ  ｓｏｕｒｃｅ）、トリガードスパークギャップ源（ｔｒｉｇｇｅｒｅｄ  ｓｐａｒｋ  ｇａｐ  ｓｏｕｒｃｅ）、レーザー、または爆発線（ｅｘｐｌｏｄｉｎｇ  ｗｉｒｅ）が使用できる。
【０００８】
本発明はまた、充填開始点及び開口端を有する雷管及び該雷管内の点火地点に設置される点火装置を含む起爆装置を提供する。前記雷管の前記充填開始点には、ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物が供給され、該ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物は該雷管中を流れ、そして該雷管の開口端から外に出される。前記ガス状または分散系の燃料−酸化剤混合物が前記雷管中を流れるのと同時に前記点火装置が該ガス状または分散系の燃料−酸化剤に点火し、それによって前記点火地点で爆発インパルスが産出され、該爆発インパルスは該雷管の該開口端へと伝播する。前記起爆装置は逆止め弁などの弁を含み得、該弁は前記デトネーション管の内側に位置する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明はここで、本発明の実施形態の例が示される添付の図面を参照して詳細により十分に説明される。しかし、本発明を、本明細書において説明される実施形態に限定解釈するものではない。むしろこれらの実施形態は、本開示が徹底的で完全になるように、そして当業者に本発明の範囲を十分に伝達するように提供される。図面を通して、類似の番号は類似の要素に言及する。
【００１０】
本発明は、本明細書で音波または音波パルス（ｓｏｕｎｄ  ｐｕｌｓｅ）とも呼ばれる超過気圧波（ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｗａｖｅ）を発生させ及び制御する、改良されたシステム及び方法を提供する。例示的超過気圧波は、それらの０．１Ｈｚ〜３０ｋＨｚの範囲の振動数によって特徴付けることができる。前記システムの基礎となっているのは、一端が開口している管内で、高エネルギーの、爆発性のガス状または分散系の燃料−空気混合物または燃料−酸素混合物に点火することであり、燃料としてはエタン、メタン、プロパン、水素、ブタン、アルコール、アセチレン、ＭＡＰＰガス、ガソリン、及び航空燃料を含む多数の可燃性燃料のいずれかが使用できる。前記燃料としてはまた、ナフサなどの石油蒸留物、鉱油、ケロシンもしくはディーゼル油、またはベンゼンもしくはＤＥＥＴなどのより複雑な材料のいずれかが使用できる。ガス混合物は前記管の閉鎖端で爆発させられ、爆発波（ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ  ｗａｖｅ）は該管の全長を伝播し、爆発を終え、そして超過気圧波として前記管の開口端から外に出る。該管のことを本明細書ではデトネーション管（ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ  ｔｕｂｅ）と呼び、該爆発波のことを本明細書では爆発パルス（ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ  ｐｕｌｓｅ）またはインパルス（ｉｍｐｕｌｓｅ）と呼ぶ。
【００１１】
本発明の１つの実施形態は、少なくとも１つのデトネーション管装置（ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ  ｔｕｂｅ  ａｐｐａｒａｔｕｓ）及び爆発のタイミングを制御するタイミング制御機構を含む。前記デトネーション管装置は、少なくとも１つのデトネーション管、少なくとも1つの起爆装置（ｄｅｔｏｎａｔｏｒ）、及び燃料−酸化剤混合物供給サブシステムを含む。１つの任意のデトネーション管に対して1つ以上の起爆装置を使用することができ、1つの起爆装置を複数のデトネーション管に対して使用することもできる。前記1つ以上の起爆装置には、1つ以上のスパーク開始装置（ｓｐａｒｋ  ｉｎｉｔｉａｔｏｒｓ）が付随し、単一のスパーク開始装置が複数の起爆装置のスパークを、並行してまたは連続して、開始し得、そして複数のスパーク開始装置が単一の起爆装置のスパークを開始し得る。前記タイミング制御機構は、前記1つ以上のスパーク開始装置のスパークのタイミングを制御する。
【００１２】
前記スパーク開始装置としては、高電圧パルス源（ｈｉｇｈ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｐｕｌｓｅ  ｓｏｕｒｃｅ）が使用できる。前記高電圧パルス源の代替物としては、トリガードスパークギャップアプローチ（ｔｒｉｇｇｅｒｅｄ  ｓｐａｒｋ  ｇａｐ  ａｐｐｒｏａｃｈ）が、スパーク開始装置として使用できる。スパーク開始装置の他の代替物としては、レーザー及び爆発線が挙げられる。
【００１３】
前記タイミング制御機構としては、単純なトリガー機構（ｓｉｍｐｌｅ  ｔｒｉｇｇｅｒ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）、フィックスドロジック（ｆｉｘｅｄ  ｌｏｇｉｃ）、またはより複雑な制御プロセッサ（ｃｏｎｔｒｏｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）が使用できる。制御プロセッサは、前記燃料−酸化剤混合物供給サブシステムの可変パラメータを制御するのに使用でき、またはそのようなパラメータは固定できる。
【００１４】
前記燃料−酸化剤混合物供給サブシステムは、前記燃料−酸化剤混合物を所望の燃料対酸化剤の質量比及び所望の流速に維持する。その所望の燃料対酸化剤の質量比及び所望の流速は、前記起爆装置の長さ及び直径の特性に依存する爆発特性が所望のものとなるように選択することができる。例えば、1つの実施形態では、質量比が５．５のプロパン対空気の燃料−酸化剤混合物、長さ２．５４ｃｍ（１″）及び直径０．６４ｃｍ（１／４″）を有しテフロン（登録商標）でできた起爆装置とその中での流速としての５０Ｌ／分、ステンレス鋼でできた長さが２２．９ｃｍ（９″）で直径が前記起爆装置に連結される端の２．０３ｃｍ（０．８″）から第２のデトネーション管に連結される端の１．６５ｃｍ（０．６５″）まで先細りする第１のデトネーション管、及び該第１のデトネーション管に連結するチタンでできた長さが８１．３ｃｍ（３２″）で直径が７．６２ｃｍ（３″）の第２のデトネーション管を使用している。あるいは、前記第１のデトネーション管は、全長にわたって一定の２．０３ｃｍ（０．８″）の直径を有してもよい。
【００１５】
前記燃料−酸化剤混合物の燃料対酸化剤質量比及び流速を制御するために、市販の質量流量制御弁技術（ｍａｓｓ  ｆｌｏｗ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｖａｌｖｅ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）が使用できる。あるいは、燃料−酸化剤混合物混合装置中への酸化剤の質量流量を測定するために市販の技術を使用し得、この正確な酸化剤の質量流量測定を、前記燃料−酸化剤混合物の燃料対酸化剤質量比が所望の値を達成するのに必要な前記燃料の質量流量の調節のために質量流量制御弁を制御するのに使用し得る。
（燃料−酸化剤混合物の流れの中での起爆）
【００１６】
従来技術のガス爆発システムでは、爆発させるために、長い管を必要とするかまたは酸素と水素などの高度に爆発性のガス混合物を必要としている。さもなければ、これらは、遅くそしてほとんど静かな過程である爆燃（ｄｅｆｌａｇｒａｔｅ）をするだけである。対照的に、本発明の１つの態様では、プロパンと空気などの中程度にのみ爆発性を有するガス混合物を使用して、３０．５ｃｍ（ｏｎｅ  ｆｏｏｔ）の短い長さ及び５．０８ｃｍ（２  ｉｎｃｈｅｓ）の小さい直径の管の中で、短い高強度の音波パルスを産出させることが可能となっている。従来技術のシステムとは違って、本発明のこの態様は、爆発が起こる管を満たす、流れている（または移動する）ガスと酸化剤の混合物の流れを通して電気アークを渡すシステムの例の中で実施されている。前記管が実質的に満杯になると、該管の充填開始点で流れるガスの中で高速のスパークが開始され、これは次に該管の内側の全てのガスの爆発の引き金を引く。あるいは、前記流れるガスは、レーザーによってまたは本発明による他の適切な点火及び爆発法のいずれかによって、爆発させることができる。流れるガスの中で点火するこのテクニックでは、流れないまたはさもなければ静止したガス混合物に点火する従来技術のシステムに比較して、爆発させるのに必要な管の長さが劇的に縮められる。そのうえ、本発明のこの態様による爆発が前記燃料−酸化剤混合物を爆発させるのに１ジュールの桁のエネルギーを必要とするのに対して、従来技術のシステムは、爆発させるのに１００ジュールの桁から１０００ジュールの桁のエネルギーを必要とする。さらにこの方法は望ましい結果として、電気アークによって引き金を引かれた後次に前記管から音波パルスが発せられるまでの時間の不確定性の縮減および爆発パルスの規模の再現性の向上をもたらす。そのようなものとして、本発明のこの態様による起爆装置は、超過気圧波の正確なタイミング及び規模の制御を可能とする。
【００１７】
図１Ａは、従来技術の爆発システムの側面図である。デトネーション管１００は別個の燃料供給装置１０２及び酸化剤供給装置１０４を有し、これらは充填期間の間開かれ、デトネーション管１００に燃料−酸化剤混合物１０６を充填する。充填期間の後、燃料供給装置１０２及び酸化剤供給装置１０４は閉じられ、そして所望の時点で高電圧線１０８を通してスパークプラグ１１０が帯電され、これは該燃料−酸化剤混合物１０６に点火し、爆発波がデトネーション管１００の全長を伝播し開口端１１２から外に出る。同様に、図１Ｂは別の従来技術の爆発システムの側面図であり、この別の従来技術の爆発システムでは、デトネーション管１００は燃料−酸化剤混合物供給装置１０５を有し、これは充填期間の間開いており、デトネーション管１００に燃料−酸化剤混合物１０６を充填する。充填期間の後、燃料−酸化剤混合物供給装置１０５は閉じられ、そして所望の時点で高電圧線１０８を通してスパークプラグ１１０が帯電され、これは該燃料−酸化剤混合物１０６に点火し、爆発波がデトネーション管１００の全長を伝播し開口端１１２から外に出る。
【００１８】
図２Ａは、起爆装置１１４を経由して燃料−酸化物混合物供給装置１０５から燃料−酸化剤混合物が供給される、本発明の超過気圧波発生装置１１のデトネーション管１００を示す。ここでは、前記デトネーション管１００が前記燃料−酸化剤混合物１０６で充填されるのと同時に該燃料−酸化剤混合物１０６にスパークが点火し、爆発波を引き起こし、爆発波は該デトネーション管１００の全長を伝播し、開放端１１２から外に出る。１つの実施形態では、流れる燃料−酸化剤混合物中での点火の間、適切な燃料−酸化剤混合物の流速が維持される。かなりの範囲の流れにわたって、前記流速が速ければ速いほど前記爆発波の発生はより迅速であることがわかっている。そのような訳で、１つの実施形態の例では、速い流速を用いている。与えられたスパークエネルギーに応じて、流速はその実践上の上限値が規定される。１つの実施形態では、前記デトネーション管に燃料−酸化剤混合物を供給する管は、爆発が前記燃料−酸化剤混合物供給装置に逆流するのを防ぐために、臨界半径よりも小さい半径を有する。例えば、１つの実施形態では０．６４ｃｍ（１／４″）の直径の管を用いて、このような逆火（ｆｌａｓｈｂａｃｋ）を防いでおり、一方供給するガスの流れに対する抵抗は低くにとどめている。例えば、長さ２．５４ｃｍ（１″）で口径０．６４ｃｍ（１／４″）の起爆装置が、１ジュールのスパークエネルギーと５０Ｌ／分で流れるＭＡＰＰガス−空気混合物の使用の下で爆発を達成することができる。
【００１９】
図２Ａにはまた、自由選択の第２の燃料−酸化剤混合物供給装置１０５′が示されている。１つ以上の第２の燃料−酸化剤混合物供給装置１０５′が、大きなデトネーション管（または管の組合せ）の充填をスピードアップするのに使用できる。１つのアプローチでは、１つ以上の第２の燃料−酸化剤混合物供給装置１０５′が、前記（第１の）燃料−酸化剤混合物供給装置１０５と並行してデトネーション管１００の充填をスピードアップするのに使用され、これによって前記起爆装置１１４によって点火される燃料−酸化剤混合物の流速を所望の速さにすることができる。別のアプローチでは、燃料−酸化剤混合物供給装置１０５は、デトネーション管に燃料−酸化剤混合物をより速い第１の流速で供給し、次に、流れる燃料−酸化剤混合物に点火する前に流速をより遅い第２の流速に変化させ得る。更に別のアプローチでは、第２の燃料−酸化剤混合物供給装置１０５′は、燃料−酸化剤混合物供給装置１０５が起爆装置１１４中に供給する燃料−酸化剤混合物１０６とは異なる燃料−酸化剤混合物１０６′（図２Ａ中には示さず）をデトネーション管１００中に供給する。
【００２０】
ある種の燃料では、爆発させるために燃料−酸化剤混合物を加熱する必要があり得る。デトネーション管に点火する速度に依存して、該デトネーション管を冷却する必要も生じ得る。本発明の１つの好ましい実施形態の下では、燃料−酸化剤混合物供給装置１０５（及び／または１０５′）は、デトネーション管と接し該デトネーション管から熱を燃料−酸化剤混合物に移動させる働きをする少なくとも１つの熱交換装置（図示せず）を含む。熱交換装置は、デトネーション管の周りを一端からもう一方の端まで螺旋状に囲む小さい管であって、螺旋の密度が該デトネーション管の全長にわたって一定でもまたは変化しても良い管などの、種々の周知の形態のいずれかをとることができる。別の熱交換アプローチの例では、デトネーション管を燃料−酸化剤混合物を入れた格納容器で包囲し、該燃料−酸化剤混合物に該デトネーション管からの熱を吸収させる。あるいは、燃料−酸化剤混合物供給装置１０５から独立した熱交換装置であって、例えば水またはシリコンなどの液体などの燃料−酸化剤混合物以外のある種の物質をデトネーション管からの熱を吸収するのに使用し得る熱交換装置も使用することができる。あるいは、燃料−酸化剤混合物を加熱するのに、別の熱源を使用することもできる。一般に、デトネーション管から燃料−酸化剤混合物に熱を移動させる方法を含む様々な周知のテクニックが、デトネーション管を冷却し及び／または燃料−酸化剤混合物を加熱するのに使用できる。
【００２１】
図２Ｂは、爆発性ガス混合物の流れの中に電気アークを作り出すことによって機能する本発明の起爆装置の第１の実施形態を示す。図２Ｂに示すように、爆発のための正確な混合比を有する燃焼性ガスと酸化剤とのガス混合物１０６が、起爆装置１１４の充填開始点２０８を経由してデトネーション管１００に流される。前記デトネーション管が実質的に満杯になると、高電圧パルスインプット２１４で、高電圧線１０８の引き金が引かれ、裸線２１０にわたってスパーク２１２が起こり、スパークはデトネーション管１００へと流れるガス混合物１０６を通して引き起こされ、該デトネーション管１００中のガスの爆発を開始する。高電圧パルスの引き金を引くタイミングは、タイミング制御機構２１６によって制御される。
【００２２】
図２Ｃは、爆発性ガス混合物の流れの中に電気アークを作り出すことによってこれもまた機能する本発明の起爆装置の第２の実施形態を示す。図２Ｂに示すように、爆発のための正確な混合比を有する燃焼性ガスと酸化剤とのガス混合物１０６が、起爆装置１１４の充填開始点２０８を経由してデトネーション管１００に流される。前記デトネーション管が実質的に満杯になると、高電圧パルスインプット２１４で、高電圧線１０８の引き金が引かれ、裸線２１０にわたってスパーク２１２が起こり、スパークはデトネーション管１００へと流れるガス混合物１０６を通して引き起こされ、該デトネーション管１００中のガスの爆発を開始する。この変形形態では、前記スパークは、起爆装置１１４の中で最初に発生させられ、次に流れるガスによってデトネーション管１００中に向かって２本の分岐する導線に沿って速やかに掃かれ、そのときスパークの長さは該デトネーション管１００中に向かうに従い増加する。スパークが小さなギャップで最初に発生させられるとき、スパークは、ずっと大きいギャップにかかる電圧と同じ電圧を有することができる安定な低インピーダンスのゾーンを作り出す。あるいは、裸線２１０は、大体において平行であるが、起爆装置１１４の内側で最初のスパークが発生させられるのが保証されるように閉鎖端側の線をわずかに曲げて近づけることもできる。
【００２３】
図３Ａ及び３Ｂは、本発明の超過気圧波発生装置１１の実施形態の１例の端面図及び側面図を示す。図３Ａ及び３Ｂに示されているように、起爆装置１１４は、雷管（ｄｅｔｏｎａｔｏｒ  ｔｕｂｅ）３０４を取り囲む絶縁シリンダー３０２を含む。絶縁シリンダー３０２の横から電極３０６が挿入され、これは高電圧線１０８に連結される。雷管３０４は、充填開始点２０８で燃料−酸化剤混合物供給装置１０５（図３Ｂに示す）に、その反対側の開口端３１０でデトネーション管１００に連結される。図３Ｂに示すように、ガス混合物１０６は、起爆装置１１４の充填開始点２０８を経由して雷管３０４中に渡され、そして次にその開口端３１０からデトネーション管１００中に出される。デトネーション管１００が実質的に満杯になると、高電圧線１０８の引き金が引かれ、これは電極３０６を横切るスパーク２１２を引き起こし、これによってガス混合物１０６が点火され、点火地点で爆発インパルスを作り出し、爆発インパルスは起爆装置１１４の点火地点から開口端３１０へ雷管３０４中を流れるガス混合物１０６を通して伝播し、デトネーション管１００中のガスの爆発を開始する。図３Ｂには、デトネーション管１００のちょうど閉鎖端の内側にあるシェルキンスパイラル３０８もまた示されている。このシェルキンスパイラル３０８は、当業界では爆燃−爆発遷移（ｄｅｆｌａｇｒａｔｉｏｎ−ｔｏ−ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）（ＤＤＴ）強化装置として周知である。本発明の実施例の１例では、このシェルキンスパイラル３０８は１０ターンを有し、長さが１７．８ｃｍ（７″）で、太さが５．０ｍｍ（４ゲージ）（＃４）の銅線を使用して作られており、銅線はデトネーション管１００の底部（閉鎖端）の内側に巻いた形でしっかりとつけられている。
【００２４】
図３Ｃは、本発明の起爆装置の実施形態の１例であり、図３Ａ及び３Ｂに示したものとほぼ同じであるが、本明細書で点火地点とも呼ばれるスパーク２１２の前に設置された、供給される燃料−酸化剤混合物の流れを制御するのに使用される逆止め弁３１２を含む点だけが図３Ａ及び３Ｂとは異なる。
【００２５】
図３Ｄは、図３Ｃに示したものと同じであるが、前記逆止め弁３１２が点火地点２１２の後に設置される点だけが異なる、本発明の起爆装置の実施形態の１例を示す。
【００２６】
図３Ｅは、図３Ｃ及び３Ｄに示した、本発明の起爆装置の実施形態の例で使用できる逆止め弁３１２の１例を示す。逆止め弁は、バネ３１８によって開口部３１６に押し付けられて保持されるボール３１４を含む。適当な圧力がボール３１４にかけられると、ボールはバネ３１８を押し込み、燃料−酸化剤混合物１０６を開口部３１６を通して流入させる。他の種類の弁もまた本発明に従って使用できる。
（超過気圧波の規模の制御）
【００２７】
概して、デトネーション管の長さ及び内径は、選択された流れる燃料−酸化剤混合物及びその選択された最大流速の下で、所望の最大発生超過気圧波規模が達成されるように選択することができ、該流速は発生超過気圧波規模を低下させるために減少させることができる。必要ならば、だんだんと大きなサイズとなる管群を、より小さいサイズのデトネーション管中で最初に産出された爆発パルスを増幅するために使用することができる。各１つまたは複数の管は、材料群及び合金群の１つまたは組合せで作ることができ、該材料群及び合金群としては、所望の結果を達成するような、ＰＶＣもしくは様々な異なる化合物、金属、またはコンクリートが挙げられる。１つの実施形態の例では、デトネーション管はチタンでできている。１つの実施形態の例では、スパークが導入される起爆装置は、例えば約０．６４ｃｍ（１／４″）の小径を有する。この組立て品は、第２のより大きなデトネーション管の底面に整列させられ、第２のデトネーション管内に収容されていたガスを爆発させる。次にこの第２のデトネーション管は、段階的により大きな直径になる管の底面に整列させられ、より大きな直径になる管の中のガス混合物の爆発を開始させることができる。このようにして、正確なタイミングで、非常に大きな直径のデトネーション管による爆発を開始し得る。
【００２８】
だんだん大きな直径になる管群の使用例が図４に示されている。図４は爆発パルスを増幅するだんだん大きなサイズになるデトネーション管群を含む、段階的デトネーション管組合せ４００を示す。最初のデトネーション管１００Ａにおいて産出された爆発パルスは、より大きな直径を有するデトネーション管１００Ｂ及び１００Ｃの中を通って進む。一般に、ガス混合物の爆発がより小さな直径を有するデトネーション管からより大きな直径を有するデトネーション管へと通過するにつれ、パルスのサイズは増幅される。本発明に従って、異なる直径を有する１つ以上のデトネーション管を組み合わせて、段階的デトネーション管組合せ４００を形成することができる。
【００２９】
上述した実施形態の例では、デトネーション管（及び雷管）は、管の全長にわたって変化しない円周を有する管であると仮定されている。代替物として、小さい直径から始まり次第に大きくなっていく直径を有し、図４で説明されるパルスを増幅する効果と同様の効果を有するデトネーション管（または雷管）を使用し得る。１つのアプローチの例が、図５に示され、そこでは次第に大きくなっていく直径を有するデトネーション管１００の側面図が示されている。デトネーション管の直径をだんだん大きくしていくことで、図４の段階的管構成テクニックと類似の様式で、管の全長を進むにつれパルスは増幅させられる。示されているように、デトネーション管１００は、一端に第２の直径５０４よりも小さい第１の直径５０２を有し、もう一方の端に第２の直径５０４を有する。次第に直径が大きくなっていく複数の管を組み合わせることもできる。デトネーション管の別の変形形態では、デトネーション管の円周を先細りさせて円周を小さくしガスを圧縮し、次に円周を拡げていき円周を大きくしガスを拡張する、圧縮器／拡張器テクニックを使用している。このアプローチは図６に示され、そこでは一端の第１の直径６０２、もう一方の端の第２の直径６０３、及びデトネーション管１００のこれらの２端の間に位置する第３の直径６０４を有する、前記圧縮器／拡張器テクニックに基づくデトネーション管１００の側面図が示されている。前記第１の直径６０２は、所望の圧縮器／拡張器特性に応じて、第２の直径６０３と等しくても等しくなくてもよい。
（デトネーション管アレイ）
【００３０】
同時に引き金を引かれたときに結合したパルスを産出するように、様々な方法でデトネーション管をアレイにグループ化できる。図７Ａ−７Ｄは、デトネーション管をどのように結合させることができるかの例である。図７Ａは、第２のデトネーション管に平行して設置された第１のデトネーション管からなるデトネーション管アレイ７０２を示す。図７Ｂは、デトネーション管組合せの中のより大きなデトネーション管がお互いに接触するように配列される４本のデトネーション管の群の組合せからなるデトネーション管アレイ７０４を示す。図７Ｃは、それぞれ直径がだんだん大きくなる３本のデトネーション管からなるデトネーション管アレイ７０６を示す。図７Ｄは、６面構造に似るように配列された７本のデトネーション管からなるデトネーション管アレイ７０８を示す。図７Ｅは、輪状に配列された１２本のデトネーション管からなるデトネーション管アレイ７１０を示す。
【００３１】
あるいは、このようなデトネーション管グループまたはデトネーション管アレイを構成するデトネーション管の引き金を異なるタイミングで引くこともできる。１つの配列の下では、他のデトネーション管が超過気圧波を発生する様々な状態にあるとき、１つの特定のデトネーション管はその燃料−酸化剤混合物で充填される状態にあるというふうになるように、デトネーション管を連続的に爆発させるタイミングシーケンスを用いてデトネーション管に点火している。このアプローチを用いると、超過気圧波を途切れない爆発のように聞こえるほどの高い頻度で装置から発生させるように、デトネーション管の点火及び充填の時期を選ぶことができる。
【００３２】
図８に示されているように、より小さな管のグループをより大きな１つの管に連結し、これらの結合したパルスが大きなパルスを産出し、このより大きなパルスにより大きな管中で爆発を続けさせるようにすることができる。図８は、第１の直径を有するより小さいデトネーション管１００Ａ３本をより大きな第２の直径を有する１本のより大きなデトネーション管１００Ｂに連結し、より小さなデトネーション管が発生したパルスの結合を増幅させるデトネーション管組合せの側面図を示す。
【００３３】
概して、段階的にサイズが異なる管群、円周が次第に増加する管、管アレイ、より大きな管により小さな管のグループを連結したもの、及び圧縮器／拡張器テクニックを使用した管の様々な可能な組合せのいずれかを、特定の利用要件を満たす超過気圧波を発生させる本発明のこの態様に従って、使用することができる。全てのこのような組合せでは、管の円周の拡張によって作り出されたエネルギー潜在力と管の円周が増加するにつれてガスが拡張されることによって引き起こされる冷却とのバランスを保つことが必要とされる。
（超過気圧波の可干渉化焦点調節（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｆｏｃｕｓｉｎｇ）及び舵取り（Ｓｔｅｅｒｉｎｇ））
【００３４】
前に説明したように、本発明のこの態様の起爆装置は、電気アークの引き金が引かれてから次に管からの音波パルスが発射されるまでの時間の不確定性が低い。この起爆装置は、発生された音波パルスの規模の精度の制御も良好な再現性を持って行う。この低い不確定性、またはジッター（ｊｉｔｔｅｒ）、及び精度の高い規模制御は、デトネーション管のアレイによって発生される超過気圧波の可干渉化焦点調節（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｆｏｃｕｓｉｎｇ）及び舵取り（ｓｔｅｅｒｉｎｇ）を可能にする。このようなものとして、前記起爆装置を舵取り可能、焦点調節可能、高ピークパルス強度（ｈｉｇｈ  ｐｅａｋ  ｐｕｌｓｅ  ｐｏｗｅｒ）の超過気圧波を発生させるために使用できる。
図９は、個々の管の点火のタイミングによってどのようにして非近接場の単一地点で発生超過気圧波の強度の焦点が調節されるかを示している。遠くにある管は、より長い距離を進むのにかかるより長い時間を補償するように前もって引き金を引かれ、これにより全てのパルスが空間内の同じ地点に同じ時間に到着する。図９は、発生する音波パルスが空間内の地点９０２に同時に到達するようにタイミング制御機構２１６によって制御されたタイミングで点火（または発射）されるデトネーション管１００Ａ〜１００Ｅのアレイ９００を示す。デトネーション管１００Ａ〜１００Ｅによって産出される音波パルス９０６は、それぞれ直接路９０４Ａ〜９０４Ｅに沿って進む。このようなものとして、１００Ｅから１００Ａの順に、異なる直接路を進むのに要する異なる運行時間を計算に入れて点火の間隔を適切に遅らせて、デトネーション管は点火され、音波パルス９０６は空間内の地点９０２に同じ時刻に到着し、結合音波パルス９０８を産出する。
【００３５】
個々のデトネーション管またはデトネーション管のグループをまばらなアレイに配列することができる。図１０は、デトネーション管を個々にまばらなアレイに配列したアレイを示し、ここでは様々な管における爆発のタイミングが制御されて、超過気圧波の舵取りがなされ所望の場所で超過気圧波が結合させられる。図１１は同様に、デトネーション管をグループごとにまばらなアレイに配列したアレイを示し、ここでは特定のグループ内の管は同時に爆発させられるが、様々なグループの爆発のタイミングは変化させられ超過気圧波の舵取りがなされ、超過気圧波は所望の場所で結合させられる。
【００３６】
図１０を参照すると、デトネーション管１００Ａ〜１００Ｄはタイミング制御機構２１６によって制御される正確なタイミングで逆順に点火され、音波パルスは直接路９０４Ａ〜９０４Ｄを進み、空間内の地点９０２で結合させられるのがわかる。図１１を参照すると、デトネーション管グループ１１００Ａ〜１１００Ｄはタイミング制御機構２１６によって制御されて逆順に点火され、音波パルスは直接路９０４Ａ〜９０４Ｄを進み、空間内の地点９０２で結合させられるのがわかる。
【００３７】
まばらなアレイの実施形態において使用されるタイミング制御機構２１６は、該アレイを構成するそれぞれの超過気圧波発生装置に有線ネットワークまたは無線ネットワークを経由して通信する単一のタイミング制御機構からなってよい。あるいは、それぞれの超過気圧波発生装置は、ある手段によって同期させられた、装置自身のタイミング制御機構を有してよい。
（デトネーション管アレイの作用理論）
【００３８】
一般に、デトネーション管のアレイの引き金が正確なタイミングで引かれると、圧力波が作り出され、これは該タイミングによって指令される方向に細いビームとして伝播する。このように、デトネーション管アレイの作用は、レーダーシステムで普通に使用されるフェーズドアレイアンテナの作用に類似している。前記タイミングは電気的に決定されるので、ビームの方向はパルスごとに変えることができる。システムは、例えば１０、２０、５０、または１００パルス／ｓｅｃなどの異なる率（ｒａｔｅ）で作用するよう設計することができ、そしてそれぞれのパルスを固有の方向に向かわせることができる。繰り返し率（ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ  ｒａｔｅ）に対する唯一の制限は、管を再充填できるスピードによってもたらされる。音速の再充填速度では、１５２ｃｍ（ｆｉｖｅ  ｆｅｅｔ）の長さを有する管を再充填するのに約５ｍｓかかる。一旦爆発させられたら、パルスは管の外に出るのにも５ｍｓかかるので、繰り返し率の制限は１００Ｈｚである。
【００３９】
前記アレイのそれぞれの要素はそれ自身のコヒーレントエネルギーを発するので、非近接場では音波の振幅は、それぞれの個々の管の強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）の二乗に近づく。このようにして方向づけることができる瞬間的な超過気圧は、それゆえ高レベルに近づき得る。そのようなものとして、このシステムは、長距離に達せしめ、または硬い標的などの構造物中の小さなアパーチャーを通して伝播させるために使用できる、大きなダイナミック・レンジを頭上に有する。
【００４０】
開口部での媒質のドップラーシフトを測定するために使用される探査レーザーによって測定されるように、前記小さなアパーチャーの後ろの構造物を、ちょうど的確な時間間隔でパルスを発生させることによって共鳴させることができる。これによって前記構造物の固有振動数を測定することができ、そしてその後閉ループモードでレーザーを使用し、最大の効果を産出するようにシステムのタイミングを制御する。音響上のＱ値が高いので、このような硬い標的の内部の瞬間的圧力はきわめて大きくなり得る。例えば、Ｑがたったの１０でも、ピーク圧力は１０００ｐｓｉに近づき得る。
【００４１】
デトネーション管のグループを、より大きなアレイ内に設置するサブアレイとして扱うこともできる。図１２に示す実施形態の例では、７本のデトネーション管で構成される６面構造のサブアレイ１２０２を３２個それぞれ効率よくアレイ１２００に詰め込んでおり、該アレイ１２００は１８９．０ｃｍ（６．２′）×７６．２ｃｍ（２．５′）のフォーマット中に全部で２２４本の直径７．６２ｃｍ（３″）のデトネーション管を保持する状態になっている。このシステムの非近接場での強度は、このような直径７．６２ｃｍ（３″）デトネーション管１本による強度の５０，０００倍を超えるものとなることができる。
【００４２】
この実施形態のアレイ要素の点火のタイミングは単純である。波形は長さが約１ｍｓで、可干渉性の制約がその波長の１／４以下である。タイミングのサブシステムには、それゆえ２００μｓ以下の分解能及び正確さが必要とされる。このレベルのタイミングの正確さは、０．１μｓの分解能でチップ当り３個のタイミングチャンネルを備えるＩｎｔｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの８２５４ＰＣＡなどのプログラム可能なカウンター−タイマーで達成することができる。
【００４３】
１つの実施形態では、舵取り可能なアレイの各要素は、例えば波長の１／２未満のアパーチャーを用いるときなどに、舵取り可能な全領域にわたってそのエネルギーを拡張する必要がある。１ｍｓの波形では、このアパーチャーは約１５．２ｃｍ（ｓｉｘ  ｉｎｃｈｅｓ）である。図１２に示す実施形態の例では、６面構造のサブアレイ束の直径は２２．９ｃｍ（ｎｉｎｅ  ｉｎｃｈｅｓ）あり、これはこのサブアレイを全四半球にわたって舵取りをすることをできなくしているが、デトネーション管を、束ごとに点火される６面構造束へグループ化することでハードウェアの要件を減らし、該アレイの焦点調節及び舵取りに使用するプログラム可能タイミングチャンネルの数を３２個で済ませている。そのようなものとして、全ての必要とされるタイミングは、たった１１個の８２５４ＰＣＡで制御することができている。ＳｕｐｅｒＬｏｇｉｃ，Ｉｎｃ製のＰＣＩボードは、４個の８２５４を含み１２個のプログラム可能カウンター−タイマーを与えているので、このモジュールが３個あれば、図１２のアレイのタイミング制御が十分行える。別の実施形態では、図１２における各束のデトネーション管は十分に離して設置され、全四半球にわたる舵取りが可能になっており、全ての管がどれもグループ化されることなく、その点火は独立に行い得るようになっている。
【００４４】
アレイの焦点は、該アレイの波長及びサイズの関数である。アレイ正面の近くでは、焦点は、直径が１波長、即ち３０．５ｃｍ（ｏｎｅ  ｆｏｏｔ）の略円からなる。アレイ正面からだんだん遠ざかるに従い、焦点は次第に、その長径が該アレイの短径の方向になる卵形に広げられる。即ち、図１２に示した水平に広がるアレイでは、この卵形は長径が垂直になる。この焦点の形は、およそ大気圧の半分または７ｐｓｉまでの線形領域で焦点形成させるときは、波動方程式を使用して簡単に表すことができる。しかし、波形の瞬間的圧力が大気圧に近づくとき、焦点形成の領域は非線形となり、計算は異なってくる。
【００４５】
アレイの圧力出力の測定は、広帯域音響センサー（ｗｉｄｅ  ｂａｎｄ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｓｅｎｓｏｒ）で行うことができる。これらは通常、１０〜２０，０００Ｈｚの帯域幅と１ｄＢくらいの正確さを有する。アレイの非近接場の９．１４ｍ（ｔｈｉｒｔｙ  ｆｅｅｔ）以上の離れた距離でなされる測定では、いかなる範囲の特性を推定するのにも十分な正確さが与えられる。このような機器の較正された出力が、音響音圧レベル（ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｓｏｕｎｄ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｌｅｖｅｌ）であり、これは圧力と直接の関係がある：即ち
（数１）
Ｌｐ（ｄＢＳＰＬ）＝１０・ｌｏｇ１０（ｐ／ｐ０）
である。例えば、１８０ｄＢＳＰＬは、２０，０００Ｐａまたは約３ｐｓｉの圧力に等しい。このレベルでの瞬間的音響インテンシティは、１，０００，０００Ｗ／ｍ２である。
【００４６】
線形媒体に対して一般波動方程式を適用した結果は、波が重ね合わせられると、波の振幅が足し合わされるということである。電磁波ではこれは、２つの同一の波が空間内のある地点に同時に到達し、その２つの波の位相が同一になっていると、これらは単一波の２倍のポテンシャルまたは電圧を産出することを意味する。
【００４７】
この結果は音波の場合も同様であるが、この場合ポテンシャルは電圧でなく圧力である。
（数２）
ｐ＝√（ｐ１２＋ｐ２２＋２ｐ１ｐ２ｃｏｓ（θ１−θ２））  Ｎ／ｍ２
なお、位相は同一なのでコサイン値は１になり、圧力値は単一源の圧力の２倍となる。この関係はＮ個の音波源にも適用でき、
（数３）
Ｎ源＝Ｎ*ｐ
である。
【００４８】
音響波形の圧力を２倍にすると、音響波形の圧力の二乗にパワーは比例するので、パワーは４倍になる。即ち、２つの同一の音響波形が空間内の同一地点に同時に到達し、これらの位相が同一になっていると、これらのパワーは４倍になる。
【００４９】
電磁波の場合と同様に、音波形の前記パワーもしくは音響インテンシティ（ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）は、音波の圧力の二乗に比例する。
（数４）
Ｉ＝ｐ２／（ρｃ）  Ｗａｔｔｓ／ｍ２
ここで分母は、媒体の、この場合空気の音響インピーダンス（ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）の値である。
【００５０】
従って、一般に超過気圧波形のメインローブ中の自由空間非近接場パワーは、単一デトネーション管の圧力のＮ２倍に予測することができる。しかし、音波を地表近くで作動させると、地表波の相加効果による有利点もまた得ることができる。地表からの音波及び自由空間の波形が１つの標的上に収束するとき、また両方の波形の圧力は加算され、またパワーは４倍にされる。
【００５１】
音波ビームの舵取りは、アレイのより離れた部分からの波がより近接する要素の波に追いつけるように、より近接する要素の点火タイミングを過不足なく遅らせるというふうに、個々の要素のタイミングを調節することで達成される。特定の舵取り方向においてはそれゆえ、全ての音波は同時に到着し、パワーがＮ２倍になる基準を満たす。これはフェーズドアレイアンテナと類似するが、音響波形は連続的な波ではなく一時的なものなので、「位相を一致させる（ｐｈａｓｅ）」ところが「タイミングを遅延させる（ｔｉｍｅ  ｄｅｌａｙ）」ところと置き換えられる。
（本発明の起爆装置のその他の用途）
【００５２】
上述したように、開口端を有するデトネーション管に爆発インパルス供給する用途の他に、本発明の起爆装置はその他の用途として、これらに限られるわけではないが、爆発インパルスを内燃エンジン（または燃焼室）に及びパルスデトネーションエンジンに供給する用途を有する。
【００５３】
本発明の起爆装置は、乗用車、トラック、航空機、船舶、オートバイ、フォークリフト、携帯用発電機、芝刈り機、チェーンソー、及び数え切れないほどの他の装置において使用される内燃エンジン中で燃料−酸化剤混合物に点火するのに現在使用されているスパークプラグの代わりに使用できる。図１３Ａ〜１３Ｌは、従来の４サイクルエンジン（ｆｏｕｒ−ｓｔｒｏｋｅ  ｅｎｇｉｎｅ）（オットーサイクル（Ｏｔｔｏ−ｃｙｃｌｅ）エンジン）の１運転サイクル当りのクランク軸（ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ）の２回転の間に生じた、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、及び排気行程を示す。
【００５４】
図１３は、吸気弁１３０２、燃料−酸化剤混合物注入口１３０４、排気弁１３０６、排気口１３０８、ピストン１３１０、シリンダー１３１２、クランク１３１４、及びスパークプラグ１３１６を含む、オットーサイクル内燃エンジン１３００の例である。図１３のＡ〜Ｌは、オットーサイクルエンジン１３００が、吸気１、圧縮２、出力３、及び排気４のその４サイクルを経過するときの様々な時点でのエンジンの状態を示す。図１３のＡ〜Ｃは、開かれた吸気弁１３０２を経由して燃料−酸化剤混合物注入口１３０４から燃料−酸化剤混合物を供給されるときの前記エンジン１３００を示す。図１３のＤ〜Ｆは、シリンダー１３１２の内部の燃料−酸化剤混合物をエンジン１３００のピストン１３１０が圧縮する様子を示す。図１３のＧは、シリンダー１３１２の内部の燃料−酸化剤混合物がスパークプラグによって点火される様子を示し、これによって図１３のＨ及びＩに示されるようにピストン１３１０が押し下げられる。図１３のＪ〜Ｌは、エンジン１３００が開かれた排気弁１３０６を経由して排気口１３０８からシリンダー１３１０内の排ガスを除去する様子を示す。この４サイクル行程は次に繰り返される。
【００５５】
図１４は、スパークプラグ１３１６が起爆装置１１４で置き換わっている点だけが違う、図１３に示したものと同様のエンジン１３００を示す。図１４は図１３のＧに相当する。図１４では、起爆装置１１４が燃焼エンジン１３００へと爆発インパルスを与え、燃料−酸化剤混合物に点火し燃焼行程３を開始させる様子が示されている。
【００５６】
図１５は、本発明の起爆装置１１４を２本使用したロータリーエンジン（Ｗａｎｋｅｌ  ｅｎｇｉｎｅ）１５００の例を示す。本発明は、これらに限られるわけではないが、２サイクルエンジン、５サイクルエンジン、６サイクルエンジン（Ｂｅａｒｅ  Ｈｅａｄ  ｅｎｇｉｎｅ）、バークエンジン（Ｂｏｕｒｋｅ  ｅｎｇｉｎｅ）、及びガスタービンエンジンを含む他の種類の内燃エンジンにおいても同様に使用できる。
【００５７】
本発明の起爆装置は、航空機エンジン及びロケットエンジンなどの様々な種類の用途において使用されるパルスデトネーションエンジンに爆発インパルスを供給するのに使用できる。図１６は、本発明の起爆装置を使用したパルスデトネーションエンジンを４個有する飛行機の翼の断面を示す。示されているように、４個のパルスデトネーションエンジンはそれぞれ、燃料−酸化剤混合物供給装置１０５を経由して燃料−酸化剤混合物１０６を受容するデトネーション管１００及び起爆装置１１４を含む。デトネーション管１００は、異なるタイミングでもまた同時にでも点火する事ができる。
【００５８】
図１７は、本発明の起爆装置を使用した複数のパルスデトネーションエンジンに基づくパルスデトネーションタービンエンジンのタービン１７００の例を示す。それぞれデトネーション管１００及び起爆装置１１４を含む１２個のパルスデトネーションエンジンが、タービン１７００が反時計方向に回るように発射するふうに、配列されるのが示されている。デトネーション管１００は異なるタイミングでもまた同時にでも点火する事ができる。
【００５９】
図１８は、ロケットエンジン１８００に推進力を与えるために使用してもよい、本発明の起爆装置を使用したパルスデトネーションエンジンの配置の例を示す。示されているように、デトネーション管１００が、より大きなデトネーション管１００Ｂの内部に輪状に配置されている。それぞれのより小さなデトネーション管１００Ａは、対応する起爆装置１１４を有する。デトネーション管１００Ａは、異なる時点でもまた同時にでも点火する事ができる。
【００６０】
本明細書において説明された起爆装置、点火システム、及び点火方法の用途は、本発明によって可能となる種類の用途の例として提供した。本発明の特定の実施形態及びいくつかの用途（または実行）の例が説明されたが、特に上述の教示を踏まえて当業者が本発明の変更形態を作製し得るので、本発明がこれらだけには限られないことは当然である。それゆえ、添付される特許請求の範囲には、本発明の精神と範囲を実施する特徴または改良点を組み込むようないずれの変更形態も含まれることが意図される。
【関連出願の相互参照】
【００６１】
本出願は、２００６年４月１７日に出願された米国仮出願番号第６０／７９２，４２０号及び２００６年１０月１０日に出願された米国仮特許出願番号第６０／８５０，６８５号の優先権を主張し、両出願は参照により本明細書に組み込まれる。本出願は、２００６年１０月１０日に同時に出願された、「非常に大きな音を発生させそして方向づけるシステム及び方法」（Ａ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｇｅｅｎｅｒａｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｄｉｒｅｃｔｉｎｇ  Ｖｅｒｙ  Ｌｏｕｄ  Ｓｏｕｎｄｓ）という名称の米国仮特許出願にも関連する。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
本発明は、添付する図面を参照して説明される。図面の中で類似の参照番号は、同一のまたは機能的に類似の要素を示す。加えて、参照番号の最左端の数字が、該参照番号が初めて出現した図面を特定する。
【図１Ａ】別個の燃料供給装置及び酸化剤供給装置、並びにデトネーション管が充填された後に該デトネーション管の閉鎖端で燃料−酸化剤混合物に点火するスパークプラグを有する従来技術のデトネーション管の例を示す。
【図１Ｂ】燃料−酸化剤混合物供給装置、及びデトネーション管が充填された後に該デトネーション管の閉鎖端で燃料−酸化剤混合物に点火するスパークプラグを有する第２の従来技術のデトネーション管の例を示す。
【図２Ａ】燃料−酸化剤混合物供給装置からの燃料−酸化剤混合物を受容し、該燃料−酸化剤混合物が雷管に流れている時に該燃料−酸化剤混合物に点火する起爆装置を、有する本発明のデトネーション管の例を示す。
【図２Ｂ】ガス混合物の流れの中に電気アークを作り出すことによって機能する本発明の起爆装置の第１の実施形態を示す。
【図２Ｃ】図２Ｂに描かれているものと類似するが、主管中に向かって分岐する２本の導線を含み、主管中に向かって進むにつれ火花の長さが増加する点が図２Ｂとは違う、本発明の起爆装置の第２の実施形態を示す。
【図３Ａ】本発明の起爆装置の別の実施形態の端面図を示す。
【図３Ｂ】図３Ａの起爆装置の側面図を示す。
【図３Ｃ】雷管の点火地点より前に設置され、供給される燃料−酸化剤混合物の流れを制御するために使用される逆止め弁を含む、本発明の起爆装置の実施形態の１例を示す。
【図３Ｄ】雷管の点火地点より後に設置され、供給される燃料−酸化剤混合物の流れを制御するために使用される逆止め弁を含む、本発明の起爆装置の実施形態の１例を示す。
【図３Ｅ】図３Ｃ及び図３Ｄに示される本発明の起爆装置の実施形態の例で使用できる逆止め弁の１例を示す。
【図４】直径がだんだん大きくなるように管を組み合わせて使用し爆発波を増幅する、累進的なデトネーション管組合わせの１例を示す。
【図５】管の全長にわたって直径を増加させ、爆発波を増幅するデトネーション管の１例を示す。
【図６】管の円周が次第に短縮されそして次に次第に増加させられる管を示す。
【図７Ａ】第２のデトネーション管に平行して第１のデトネーション管が設置される例を示す。
【図７Ｂ】デトネーション管組合せの中のより大きなデトネーション管同士がお互いに接触するように配列される４本のデトネーション管の群の組合せを示す。
【図７Ｃ】それぞれ直径が漸増する３本のデトネーション管を示す。
【図７Ｄ】６面構造に類似するように配列された７本のデトネーション管を示す。
【図７Ｅ】輪状に配列された１２本のデトネーション管を示す。
【図８】第１の直径を有するデトネーション管３本をより大きな第２の直径を有する１本のデトネーション管に連結し、より小さなデトネーション管群が発生した結合パルスを増幅させるデトネーション管組合せの側面図を示す。
【図９】個々のデトネーション管の点火のタイミングによって、どのようにして非近接場の１地点にパワーの焦点が合わせられるのかを示す図を与える。
【図１０】超過気圧波が望まれる場所で結合するように舵が取れるように爆発させる、まばらな配置の４本のデトネーション管を示す。
【図１１】超過気圧波が望まれる場所で結合するように舵が取れるように爆発させる、まばらな配置の４グループのデトネーション管を示す。
【図１２】７本のデトネーション管からなる６面構造のサブアレイ（ｓｕｂ−ａｒｒａｙｓ）の全部で２２４本のデトネーション管を有する結合アレイ（ｃｏｍｂｉｎｅｄ  ａｒｒａｙ）への効率的パッキングの１例を示す。
【図１３】図１３Ａから図１３Ｌは、従来の４サイクルエンジン（ｆｏｕｒ−ｓｔｒｏｋｅ  ｅｎｇｉｎｅ）（オットーサイクル（Ｏｔｔｏ−ｃｙｃｌｅ）エンジン）の１運転サイクル当りのクランク軸（ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ）の２回転の間に生じた、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、及び排気行程を示す。
【図１４】燃料−酸化剤混合物に点火するための本発明の起爆装置を使用した、図１３Ａ〜１３Ｌの４サイクルエンジン（オットーサイクルエンジン）の燃焼行程の開始を示す。
【図１５】本発明の起爆装置を２個使用したロータリーエンジン（Ｗａｎｋｅｌ  ｅｎｇｉｎｅ）の１例を示す。
【図１６】本発明の起爆装置を使用したパルスデトネーションエンジンを４機搭載した飛行機の翼の横断面図を示す。
【図１７】本発明の起爆装置を使用した複数のパルスデトネーションエンジンに基づくタービンの１例を示す。
【図１８】ロケットに推進力を与えるために使用してもよい、本発明の起爆装置を使用したパルスデトネーションエンジンの配列の１例を示す。
【符号の説明】
【００６３】
１００  デトネーション管
１０２  燃料供給装置
１０４  酸化剤供給装置
１０５  燃料−酸化剤混合物供給装置
１０５′  第２の燃料−酸化剤混合物供給装置
１０６  燃料−酸化剤混合物、ガス混合物
１０８  高電圧線
１１０  スパークプラグ
１１２  開口端
１１  超過気圧波発生装置
１１４  起爆装置
２０８  充填開始点
２１０  裸線
２１２  スパーク
２１４  高電圧パルスインプット
２１６  タイミング制御機構
３０２  絶縁シリンダー
３０４  雷管
３０６  電極
３０８  シェルキンスパイラル
３１０  開口端
３１２  逆止め弁
３１４  ボール
３１６  開口部
３１８  バネ
４００  段階的デトネーション管組合せ
５０２  第１の直径
５０４  第２の直径
６０２  第１の直径
６０３  第２の直径
６０４  第３の直径
７０２、７０４、７０６、７０８、７１０  デトネーション管アレイ
９００  アレイ
９０２  地点
９０４  直接路
９０６  音波パルス
９０８  結合音波パルス
１１００  デトネーション管グループ
１２００  アレイ
１２０２  ６面構造のサブアレイ
１３００  オットーサイクル内燃エンジン
１３０２  吸気弁
１３０４  燃料−酸化剤混合物注入口
１３０６  排気弁
１３０８  排気口
１３１０  ピストン
１３１２  シリンダー
１３１４  クランク
１３１６  スパークプラグ
１５００  ロータリーエンジン（Ｗａｎｋｅｌ  ｅｎｇｉｎｅ）
１７００  タービン
１８００  ロケットエンジン
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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