НАПРАВЛЕННОЕ ВЫДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ОБЛЕГЧЕНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ
DIRECTED ENERGY RELEASE TO FACILITATE HIGH-SPEED APPLICATIONS

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА СВЯЗАННЫЕ ЗАЯВКИ
[001] По настоящей патентной заявке испрашивается приоритет 1) международной заявки № PCT/US2016/038239, поданной 17 июня 2016 г.; 2) заявки США № 15/186337, поданной 17 июня 2016 г.; и 3) предварительной заявки США № 62/181625, поданной 18 июня 2015 г. Все указанные заявки во всей их полноте включены в настоящий документ посредством ссылки.
[002] В дополнение к этому, каждый из следующих патентов США во всей его полноте включен в настоящий документ посредством ссылки: US 6527221, выданный 4 марта 2003 г., US 7063288, выданный 20 июня 2006 г., US 7121511, выданный 17 октября 2006 г., US 7648100, выданный 19 января 2010 г., US 8079544, выданный 20 декабря 2011 г., US 8141811, выданный 27 марта 2012 г., US 8511612, выданный 20 августа 2013 г., US 8534595, выданный 17 сентября 2013 г., US 8827211, выданный 9 сентября 2014 г., и US 8960596, выданный 24 февраля 2015 г.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[003] Ранее были раскрыты способы выделения энергии для того, чтобы достичь значительных эффектов в ряде применений, таких как, среди прочих, управление потоком, снижение лобового сопротивления, и управление транспортным средством. При изучении значительных выгод от выделения энергии может быть сделано множество модификаций того, как и/или когда энергия выделяется для того, чтобы улучшить выгоды, получаемые от выделения энергии, по сравнению со случаем без этих модификаций. Одна такая модификация заключается в том, чтобы координировать выделение энергии с одним или более другими процессами для того, чтобы синхронизировать «время» или «фазу» эффектов выделения энергии с такими другими процессами для того, чтобы достичь дополнительных выгод или максимизировать интересующий эффект (термины «синхронизировать», «время» и «фаза» могут использоваться относительно взаимозаменяемо для того, чтобы указать выбор времени события или процесса относительно одного или более других событий и/или процессов). Такие события и/или процессы среди многих других включают в себя, не ограничиваясь этим: процессы реактивного движения; процессы жидкостной динамики; химические процессы; конкретные движения; введение, добавление и/или выделение дополнительной энергии; введение, добавление и/или выделение дополнительного материала; удаление энергии; удаление материала; изменения давления; приложение одной или более сил; процессы горения; процессы зажигания; процессы детонации. Кроме того, концепция выделения энергии в широкой интерпретации включает в себя любой процесс, который добавляет энергию в среду или приводит к нагреву среды. Этот нагрев или выделение энергии может быть выполнено в достаточной степени быстро (например, импульсно), чтобы привести к расширению среды быстрее скорости распространения звука в упомянутой среде, что приводит к образованию позади этого расширения области с более низкой плотностью, чем у исходной среды. Другая возможность состоит в том, что выделение энергии и/или процесс, приводящий к нагреванию, могут привести к изменению фазы среды, которое может модифицировать плотность и/или другие свойства упомянутой нагретой среды или сред, такие как, среди прочих, вязкость и/или прочность. Эти изменения среды или сред, включая плотность, вязкость и/или прочность, могут приводить к модификациям реологических свойств среды или сред, а также к модификации других свойств и реакций упомянутых затронутых сред.
[004] Увеличивая скорости движения в ткацких применениях воздушных струй, водяных струй, челноков, утков и т.д. за счет уменьшения лобового сопротивления. Синхронизация выделения энергии для совпадения с перемещением материала, ткущегося ткацким станком. Уменьшение лобового сопротивления наземному транспортному средству за счет синхронизации выделения энергии с движением наземного транспортного средства и кратковременными подъемными и движущими силами, а также энергиями, используемыми для создания этих сил.
Выделение энергии в стволе пушки, огнестрельного оружия или устройства для проделывания проходов, а также других типов стволов, используемых для приведения в движение снаряда, для убирания воздуха из ствола. Уменьшенное лобовое сопротивление снаряду обеспечивает большую дульную скорость при том же самом количестве приводящей в движение энергии (например, боезаряда в обычной пушке или электрической энергии в рельсотроне). Уменьшенное лобовое сопротивление также обеспечивает достижение скоростей, сопоставимых со скоростями, достигаемыми без модификации, при использовании меньшего количества приводящей в движение энергии (например, меньшего заряда, такого как заряд меньше чем 90%, например, от 50% до 90%, заряд меньше чем 70% или меньше чем 80% по сравнению со стандартным зарядом для этого конкретного устройства). В обычной пушке это означает, что та же самая эффективность может быть достигнута с меньшим боезарядом. Более низкие требования к боезаряду приводят к уменьшенному истечению газов из дула при выходе снаряда из ствола. Такая уменьшенная акустическая сигнатура является полезной для минимизации вредного воздействия на слух находящихся рядом людей, включая оператора (операторов). Такая уменьшенная акустическая сигнатура может также затруднить обнаружение орудия акустическими средствами (аналогично акустическому подавителю). Выделение энергии для устранения воздуха из ствола может применяться во многих формах. Например, буксирные варианты осуществления могут включать в себя: i) выделение электромагнитной энергии внутри ствола; или ii) выделение энергии, которое может быть химическим по своей природе; а также некоторую комбинацию этих двух подходов выделения энергии. Электромагнитная энергия может иметь, например, форму электрического разряда внутри ствола пушки. Химическая энергия может иметь, например, форму дополнительного боезаряда, который расширяется перед снарядом при выстреле для того, чтобы вывести газ из ствола (в противоположность традиционной роли боезаряда, расширяющегося позади снаряда для выталкивания его из ствола). Этот дополнительный боезаряд может быть объединен с самим боеприпасом. При покрытии порошками, например, в применениях с осаждением сверхзвуковым распылением, фазирование выделения энергии с помощью: взрывов пороха; применения нагревания; применения электрического разряда; применения лазерной энергии; применения плазмы. При сверхзвуковом и гиперзвуковом движении фазирование выделения энергии относительно детонаций в двигателе (например, в импульсном детонационном двигателе), которое приводит к подходящему фазированию динамических процессов в текучей среде (выбор времени будет зависеть, среди прочих факторов, от масштабов длины транспортного средства и силовой установки (установок), а также от условий и параметров полета). Движущий импульс может также синхронизироваться с созданием лазерного импульса и энергии для обеспечения импульсного источника энергии.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[005] С самого начала компания PM&AM Research была пионером широкого спектра применений для выделения энергии, революционизирующих способы полета и управления высокоскоростным потоком, в частности высокоскоростного полета и управления потоком в пределах от высокоскоростных дозвуковых до гиперзвуковых режимов. Существует ряд применений, которые обеспечивают интуитивное ощущение множества возможностей, открываемых этим новым подходом. Основной эффект связан с нашим подходом к быстрому расширению газа в тех областях, через которые желателен поток газа высокой скорости/высокого давления. В качестве простой аналогии (требующей некоторого воображения и вольности) рассмотрим разницу в эффективности попыток прострелить Красное море пулей с высокой скоростью, либо стреляя пулей прямо через воду с одной стороны на другую, либо сначала «разделяя» Красное море, а затем стреляя той же пулей по траектории, которая уже не содержит воды (см. Фиг.1).
[006] В первом случае стрельбы пулей прямо в плотную воду высокой плотности даже массивная обтекаемая пуля со скоростью 1000 м/с проникнет в воду менее чем на 1 м. Во втором случае после предварительного «разделения» воды (то есть создания пути, из которого была удалена вода) та же самая пуля даже при скорости 300 м/с может легко пролететь очень большое расстояние (этот эвристический пример не учитывает воздействие гравитации, которое будет учтено позже). Именно эту концепцию и геометрию мы используем для достижения революционного контроля над высокоскоростными потоками и высокоскоростными транспортными средствами/снарядами.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[007] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ перемещения объекта через текучую среду, содержащий: (i) импульсное нагревание части текучей среды для образования области с более низкой плотностью, окруженной областью с более высокой плотностью, причем указанная область более высокой плотности содержит по меньшей мере некоторую долю нагретой части жидкости; (ii) направление по меньшей мере части этого объекта в область с более низкой плотностью; синхронизированное с (iii) детонированием реагента в импульсной силовой установке, приводящей в движение этот объект. В некоторых вариантах осуществления, например, стадии (i) - (iii) могут повторяться, например, со скоростью в диапазоне от 0,1 Гц до 100 кГц, например, от 1 Гц до 80 кГц, от 10 Гц до 50 кГц, от 100 Гц до 20 кГц, от 1 до 10 кГц, от 5 до 10 кГц, от 10 до 25 кГц, от 25 до 50 кГц или от 50 до 100 кГц.
6
7
[008] В некоторых вариантах осуществления один или более (включая, например, все) из следующих вариантов осуществления может содержать каждый из других вариантов осуществления или их частей. В некоторых вариантах осуществления, например, реагент может присутствовать в области более высокой плотности. В некоторых вариантах осуществления, например, нагревание может содержать выделение в текучую среду энергии в диапазоне от 1 кДж до 10 МДж, например, от 10 кДж до 1 МДж, от 100 до 750 кДж или от 200 кДж до 500 кДж. В некоторых вариантах осуществления, например, нагревание может содержать выделение в текучую среду энергии в диапазоне 10-1000 кДж на квадратный метр площади поперечного сечения объекта, например, в диапазоне 10-50 кДж, 50-100 кДж, 100-250 кДж, 250-500 кДж или 500-1000 кДж на квадратный метр. В некоторых вариантах осуществления, например, нагревание может содержать создание ударной волны. В некоторых вариантах осуществления, например, область с более низкой плотностью может иметь плотность в диапазоне 0,01-10% относительно плотности окружающей текучей среды, например, 0,5-5%, 1,0-2,5% или 1,2-1,7% относительно плотности окружающей текучей среды. В некоторых вариантах осуществления, например, часть текучей среды может нагреваться вдоль по меньшей мере одного пути. В некоторых вариантах осуществления этот по меньшей мере один путь может быть сформирован с помощью энергии, выделяемой лазером, например, путь, направляемый лазерной нитью. В некоторых вариантах осуществления это лазерное выделение энергии может содержать лазерный импульс, длящийся от 1 фемтосекунды (фс) до 100 наносекунд (нс), например, от 10 фс до 20 пикосекунд (пс), от 100 фс до 25 пс, от 100 пс до 20 нс или от 100 фс до 30 пс. В некоторых вариантах осуществления количество энергии, выделяемой лазерным импульсом, может находиться в диапазоне от 0,2 мДж до 1 кДж, например, от 1 мДж до 10 мДж, от 10 мДж до 3 Дж, от 100 мДж до 10 Дж, от 10 Дж до 100 Дж, от 100 Дж до 1000 Дж или от 500 мДж до 5 Дж. В некоторых вариантах осуществления лазер может генерировать свет в ультрафиолетовой, инфракрасной или видимой части спектра. В некоторых вариантах осуществления этот по меньшей мере один путь может быть параллельным направлению движения объекта. В некоторых вариантах осуществления область с более низкой плотностью может содержать некоторый объем части нагретой текучей среды, расширяющейся наружу от этого по меньшей мере одного пути. В некоторых вариантах осуществления, например, нагретая часть текучей среды может нагреваться с помощью электрического разряда, например, импульсного электрического разряда. В некоторых вариантах осуществления этот электрический разряд может проходить через текучую среду со скоростью в диапазоне 10-10 м/с. В некоторых вариантах осуществления этот электрический разряд может иметь длительность в диапазоне 0,1-100 мкс, например, 0,1-2 мкс, 1-5 мкс, 5-40 мкс, 10-30 мкс или 30-100 мкс. В некоторых вариантах осуществления область с более низкой плотностью может быть сформирована за время в диапазоне 10-30 мкс, например, 20-300 мкс, 20-200 мкс, 30-100 мкс, 100-500 мкс, 400-1500 мкс или 500-3000 мкс. В некоторых вариантах осуществления область с более низкой плотностью может быть разрушена силами термической плавучести после промежутка времени в диапазоне 10-1000 мс, например, 20-80 мс, 30-60 мс, 80-120 мс, 150-600 мс или 400-1000 мс. В некоторых вариантах осуществления, например, упомянутый объект может сообщаться с импульсным детонационным двигателем, причем упомянутый импульсный детонационный двигатель может содержать упомянутый реагент. В некоторых вариантах осуществления время детонации может быть рассчитано таким образом, чтобы входное сопло импульсного детонационного двигателя находилось в области с более высокой плотностью. В некоторых вариантах осуществления текучая среда может быть воздухом, а импульсный детонационный двигатель может работать на окружающем воздухе. Некоторые варианты осуществления, например, могут дополнительно содержать: засасывание некоторого количества воздуха в работающий на воздухе импульсный детонационный двигатель перед стадией (ii). В некоторых вариантах осуществления импульсный детонационный двигатель может обеспечивать по меньшей мере часть мощности, требуемой для нагрева упомянутой части текучей среды. В некоторых вариантах осуществления импульсный детонационный двигатель может подавать энергию к импульсному источнику энергии. В некоторых вариантах осуществления этот импульсный источник энергии может обеспечивать энергию для нитеобразующего лазера, формирующего упомянутый путь, способный направлять импульсный электрический разряд. В некоторых вариантах осуществления этот импульсный источник энергии может обеспечивать энергией импульсный генератор электрического разряда, используемый для нагрева упомянутой части текучей среды. Некоторые варианты осуществления, например, могут дополнительно содержать: нагревание дополнительной части текучей среды для формирования дополнительной области с более низкой плотностью. В некоторых вариантах осуществления область с более низкой плотностью и дополнительная область с более низкой плотностью могут быть разделены некоторой областью. Некоторые варианты осуществления, например, могут дополнительно содержать: направление по меньшей мере некоторой дополнительной части объекта в упомянутую область. Некоторые варианты осуществления, например, могут дополнительно содержать: направление по меньшей мере некоторой дополнительной части объекта в дополнительную область с более низкой плотностью. В некоторых вариантах осуществления, например, нагретая часть текучей среды может определять некоторую трубу. В некоторых вариантах осуществления скорость звука внутри этой трубы может быть по меньшей мере на 100% больше, чем скорость звука в окружающей текучей среде, например, по меньшей мере на 150%, 200%, 500%, или по меньшей мере на 1000% больше. В некоторых вариантах осуществления движение объекта в этой трубе может быть дозвуковым. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере часть движения объекта вне этой трубы может быть сверхзвуковой. В некоторых вариантах осуществления эта труба может иметь диаметр в диапазоне 5%-100% эффективного поперечного диаметра объекта, например, в диапазоне 5%-20%, 20%-75%, 30%-50%, 75%-96% или 35%-45%. В некоторых вариантах осуществления, например, объект может иметь основной диаметр в диапазоне 0,5-4 м, например, 1-3 м или 1-2 м. В некоторых вариантах осуществления объект может перемещаться в текучей среде со скоростью в диапазоне 6-20 Мах, например, 6-15 Мах, 6-10 Мах, 6-8 Мах или 7-8 Мах. В некоторых вариантах осуществления нагревание может содержать выделение в текучую среду энергии в диапазоне 100-750 кДж; причем объект может характеризоваться основным диаметром в диапазоне 0,5-4 м. В некоторых вариантах осуществления движение объекта может быть сверхзвуковым. В некоторых вариантах осуществления объект может перемещаться со скоростью в диапазоне 6-20 Мах, например, 6-15 Мах, 6-10 Мах, 6-8 Мах или 7-8 Мах. В некоторых вариантах осуществления нагревание может содержать выделение в текучую среду энергии в диапазоне 100-200 кДж на квадратный метр площади поперечного сечения объекта, например, в диапазоне 125-175 или 140-160 кДж. В некоторых вариантах осуществления эта труба может иметь площадь поперечного сечения, составляющую 1-25%, например, 2-15%, 3-10% или 3,5-4,5% от площади поперечного сечения объекта, когда этот объект находится на высоте 10-20 км, например, 12,5-17,5 км, 14-16 км или 14,5-15,5 км. В некоторых вариантах осуществления эта труба может иметь площадь поперечного сечения, составляющую 6,25-56,25% от площади поперечного сечения объекта, например, 10-40%, 20-30% или 24-26%, когда этот объект находится на высоте 20-40 км, например, 25-35 км, 28-32 км или 29,5-30,5 км. В некоторых вариантах осуществления эта труба может иметь площадь поперечного сечения, составляющую 25-225%, например, 50-200%, 75-150% или 95-105% от площади поперечного сечения объекта, когда этот объект находится на высоте 40-60 км, например, 40-50 км, 42-48 км или 44-46 км. В некоторых вариантах осуществления лобовое сопротивление, испытываемое объектом, может быть уменьшено по меньшей мере на 96% на стадии (ii). В некоторых вариантах осуществления, например, объект может находиться в контакте с направляющим рельсом. В некоторых вариантах осуществления, например, объект может быть камерой, трубой или стволом.
[009] Некоторые варианты осуществления могут обеспечить, например, транспортное средство, содержащее: i) нитеобразующий лазер, выполненный с возможностью создавать путь в части текучей среды, окружающей транспортное средство; ii) устройство направленного выделения энергии, выполненное с возможностью выделения энергии вдоль этого пути для формирования области низкой плотности; и iii) импульсный детонационный двигатель. В некоторых вариантах осуществления один или более (включая, например, все) из следующих вариантов осуществления может содержать каждый из других вариантов осуществления или их частей. В некоторых вариантах осуществления, например, нитеобразующий лазер может представлять собой импульсный лазер. В некоторых вариантах осуществления, например, устройство направленного выделения энергии может содержать импульсный генератор электрического разряда. Некоторые варианты осуществления, например, могут дополнительно содержать: iv) чувствительный элемент, выполненный с возможностью обнаружения, присутствует ли предопределенная часть транспортного средства в области низкой плотности; и v) синхронизирующий контроллер, выполненный с возможностью соединения с устройством направленного выделения энергии и импульсным детонационным двигателем, причем упомянутый синхронизирующий контроллер выполнен с возможностью синхронизации моментов времени: a) создания пути; b) выделения энергии вдоль этого пути; и c) работы импульсного детонационного двигателя.
[0010] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ модернизации импульсного транспортного средства с использованием подузла направленного выделения энергии. Этот подузел может работать для достижения и/или включения любого одного или более вариантов осуществления, описанных в настоящем документе.
[0011] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ работы транспортного средства, содержащий: повторение следующих стадий (i) - (iv) со скоростью в диапазоне 0,1-100 раз в секунду: i) зажигание нитеобразующего лазера, синхронизированное с ii) разрядом устройства направленного выделения энергии, синхронизированным с iii) направлением по меньшей мере части объекта в область низкой плотности; синхронизированным с iv) детонированием импульсного детонационного двигателя, когда предопределенная часть транспортного средства входит в область низкой плотности.
[0012] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ уменьшения донного сопротивления, создаваемого областью низкого давления около задней части транспортного средства, содержащий: i) импульсное выделение энергии вдоль по меньшей мере одного пути перед транспортным средством, посредством чего некоторый объем текучей среды смещается с этого по меньшей мере одного пути; и ii) направление части смещенного объема текучей среды в область низкого давления, посредством чего давление в области низкого давления увеличивается. Некоторые дополнительные варианты осуществления, например, могут дополнительно содержать: транспортное средство, приводимое в движение импульсной силовой установкой и синхронизацией разряда устройства выделения энергии с движущим импульсом импульсной силовой установки.
[0013] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ уменьшения волнового сопротивления, создаваемого текучей средой для переднего поперечного сечения фюзеляжа, причем упомянутый фюзеляж содержит множество воздухозаборных сопел, причем упомянутый способ содержит: i) импульсное нагревание части текучей среды для формирования области с более низкой плотностью (например, выровненной или по существу выровненной с продольной центральной осью фюзеляжа), окруженную областью с более высокой плотностью, причем упомянутая область с более высокой плотностью содержит по меньшей мере долю части нагретой текучей среды; ii) направление первой части фюзеляжа в область с более низкой плотностью, причем упомянутая первая часть фюзеляжа не включает в себя множеств сопел забора текучей среды; и одновременно iii) направление второй части фюзеляжа в область с более высокой плотностью, причем упомянутая вторая часть фюзеляжа содержит по меньшей мере одно из воздухозаборных сопел.
[0014] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ для формирования в текучей среде вблизи от объекта области с более низкой плотностью, содержащий: i) использование устройство для направленного выделения энергии, оборудованное лазерным узлом для формирования множества лучей импульсного лазера, исходящих от объекта и пересекающихся в одних или более координатах в текучей среде, причем упомянутые одни или более координаты определяются относительно самого объекта; и ii) выделение энергии вдоль одного или более путей, определяемых этим множеством лазерных лучей. В некоторых вариантах осуществления один или более (включая, например, все) из следующих вариантов осуществления может содержать каждый из других вариантов осуществления или их частей. В некоторых вариантах осуществления, например, выделение энергии может содержать выделение предопределенного количества энергии на единицу длины одного или более путей. В некоторых вариантах осуществления, например, область с более низкой плотностью может иметь некоторый характеристический диаметр вдоль одного или более путей, причем упомянутый характеристический диаметр может быть пропорционален квадратному корню выделяемого количества энергии на единицу длины одного или более путей. В некоторых вариантах осуществления, например, диаметр трубы может быть равен упомянутому характеристическому диаметру. В некоторых вариантах осуществления, например, характеристический диаметр может быть дополнительно пропорционален обратному квадратному корню из давления окружающей текучей среды. В некоторых вариантах осуществления диаметр трубы может быть равен упомянутому характеристическому диаметру. В некоторых вариантах осуществления, например, по меньшей мере два из множества лучей импульсного лазера могут быть сформированы путем расщепления исходного лазерного луча, генерируемого лазерной подсистемой объекта. В некоторых вариантах осуществления, например, часть текучей среды может быть сжата между упомянутой областью с более низкой плотностью и объектом. В некоторых вариантах осуществления, например, по меньшей мере часть выделяемой энергии может обеспечиваться по меньшей мере одним электродом, и по меньшей мере некоторая доля выделяемой энергии извлекается по меньшей мере одним другим электродом. В некоторых вариантах осуществления, например, некоторый подузел объекта может содержать по меньшей мере один электрод. В некоторых вариантах осуществления, например, некоторый подузел объекта может содержать по меньшей мере один другой электрод. В некоторых вариантах осуществления, например, по меньшей мере один электрод и/или по меньшей мере один другой электрод могут размещаться в некоторой утопленной полости на поверхности объекта.
[0015] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ для формирования в текучей среде вблизи от объекта области с более низкой плотностью, содержащий: i) направление лазерного луча вдоль линии, начинающейся на координате на объекте, и заканчивающейся на координате, удаленной от объекта; и ii) выделение энергии вдоль путей, определяемых лазерным лучом.
[0016] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ для формирования области с более низкой плотностью в текучей среде, содержащий: i) формирование пути передачи, выполненного с возможностью направления выделения энергии; и ii) выделение энергии вдоль этого пути передачи для формирования области с более низкой плотностью.
[0017] В некоторых вариантах осуществления, например, один или более (включая, например, все) из следующих вариантов осуществления может содержать каждый из других вариантов осуществления или их частей. В некоторых вариантах осуществления, например, этот путь передачи может проходить через текучую среду, например, атмосферу, и/или вдоль твердой поверхности, например, вдоль поверхности транспортного средства (такого как самолет, ракета, поезд, торпеда, а также другие высокоскоростные транспортные средства). В некоторых вариантах осуществления, например, этот способ может дополнительно содержать: повторение стадий (i)-(ii) со скоростью в диапазоне 0,1 Гц - 100 кГц, например, в диапазоне 1 Гц - 80 кГц, 10 Гц - 50 кГц, 100 Гц - 20 кГц, 1-10 кГц, 5-10 кГц или 10-30 кГц. В некоторых вариантах осуществления, например, формирование этого пути передачи может содержать излучение одного или более источников энергии, например, одного источника энергии, двух источников энергии, трех источников энергии или четырех источников энергии. В некоторых вариантах осуществления, например, один или более излучающих источников энергии могут представлять собой электромагнитное излучение, например, рентгеновское излучение, ультрафиолетовые лучи, видимый свет, инфракрасные лучи, микроволны и/или радиоволны; радиочастотный плазменный разряд; электрический ток; электронный луч; пучок частиц; пучок заряженных частиц; электрический разряд и/или коронный разряд. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, электромагнитное излучение может представлять собой по меньшей мере один лазерный луч. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, первый источник энергии, второй источник энергии и/или третий источник энергии могут представлять собой по меньшей мере один направленный энергетический луч. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, электромагнитное излучение может содержать по меньшей мере один лазерный луч. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, один или более источников энергии могут содержать по меньшей мере один направленный энергетический луч. В некоторых вариантах осуществления, например, формирование пути передачи содержит испускание лазерного луча и электронного луча. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, лазерный луч и электронный луч могут испускаться одновременно. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, лазерный луч и электронный луч могут испускаться последовательно. В некоторых вариантах осуществления, например, излучение одного или более источников энергии для формирования пути передачи может содержать излучение одного или более импульсов, ряда импульсов, ряда ультракоротких импульсов, спорадических импульсов, случайных импульсов, излучение, приближающееся к непрерывному излучению, такому как непрерывное излучение энергии, и/или комбинацию любых из этих типов излучений. В некоторых вариантах осуществления излучение одного или более источников энергии для формирования пути передачи может содержать по меньшей мере один импульс, например, множество импульсов, длящихся от 1 аттосекунды до 1 фс, например, от 100 аттосекунд до 1 фс. В некоторых вариантах осуществления излучение одного или более источников энергии для формирования пути передачи может содержать по меньшей мере один импульс, например, множество импульсов, длящихся от 1 фс до 100 нс, например, от 10 фс до 20 пс, от 100 фс до 25 пс, от 100 пс до 20 нс или от 100 фс до 30 пс. В некоторых вариантах осуществления излучение одного или более источников энергии для формирования пути передачи может содержать по меньшей мере один импульс, например, множество импульсов, длящихся от 100 нс до 1 мкс, например, от 500 нс до 1 мкс. В некоторых вариантах осуществления излучение одного или более источников энергии для формирования пути передачи может содержать по меньшей мере один импульс, например, множество импульсов, длящихся от 1 мкс до 10 с, например, от 10 мкс до 1 с или от 100 мкс до 500 мкс. В некоторых вариантах осуществления излучение одного или более источников энергии для формирования пути передачи может содержать по меньшей мере один импульс, например, множество импульсов, длящихся от 10 с до 1 мин, например, от 20 с до 40 с. В некоторых вариантах осуществления, например, формирование пути передачи может содержать: a) прохождение первого источника энергии, который нарушает характеристики текучей среды (например, область более высокой плотности и/или давления, такая как волна или фронт волны); b) введение второго источника энергии в нарушенную текучую среду (например, через целую или нарушенную посредством волны или фронта волны, созданных первым источником энергии); с последующим c) введением третьего источника энергии в текучую среду. В некоторых вариантах осуществления, например, формирование пути передачи может содержать: a) излучение первого источника энергии для разрушения стоячей волны текучей среды вблизи транспортного средства; b) прохождение второго источника энергии через разрушенную часть текучей среды; с последующим c) введением третьего источника энергии в текучую среду для того, чтобы сформировать путь передачи. В некоторых вариантах осуществления, например, первый источник энергии может представлять собой лазерный луч; второй источник энергии может представлять собой электронный луч; и третий источник энергии может представлять собой лазерный луч. В некоторых вариантах осуществления, например, разрушенная характеристика текучей среды может быть волной, например, стоячей волной или динамической волной, например, волной, смежной с объектом, например, волной, формируемой при движении транспортного средства. В некоторых вариантах осуществления, например, формирование пути передачи может содержать a) введение первого источника энергии в текучую среду; с последующим b) введением второго источника энергии в текучую среду. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, первый источник энергии может быть лазерным лучом или электронным лучом, а второй источник энергии может быть микроволновым лучом. В некоторых вариантах осуществления, например, формирование пути передачи может содержать формирование проводящих и/или ионных частиц. В некоторых вариантах осуществления, например, выделение энергии может содержать один или более источников энергии, например, один источник энергии, два источника энергии, три источника энергии или четыре источника энергии. В некоторых вариантах осуществления, например, выделяемая энергия может содержать одну или более форм энергии, представляющей собой электромагнитное излучение, например, рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, видимый свет, инфракрасные лучи, микроволны и радиоволны; радиочастотный плазменный разряд; электрический ток; электронный луч; пучок частиц; пучок заряженных частиц; электрический разряд; коронный разряд и/или их комбинацию. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, электромагнитное излучение может содержать по меньшей мере один лазерный луч. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, первый источник энергии, второй источник энергии и/или третий источник энергии могут представлять собой по меньшей мере один направленный энергетический луч. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, электромагнитное излучение может содержать по меньшей мере один лазерный луч. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, один или более источников энергии могут содержать по меньшей мере один направленный энергетический луч. В некоторых вариантах осуществления, например, выделяемая энергия может содержать по меньшей мере одну другую форму энергии, отличающуюся от одного или более источников энергии, используемых для формирования пути передачи. В некоторых вариантах осуществления, например, выделяемая энергия может содержать по меньшей мере одну общую форму энергии для одного или более источников энергии, используемых для формирования пути передачи. В некоторых вариантах осуществления, например, выделяемая энергия может выделяться в виде одного или более импульсов, ряда импульсов, ряда ультракоротких импульсов, спорадических импульсов, случайных импульсов, в виде, приближающемся к непрерывному выделению, либо в виде непрерывного выделения энергии. В некоторых вариантах осуществления выделение энергии может представлять собой по меньшей мере один импульс, например, множество импульсов с длительностью в диапазоне от 1 аттосекунды до 1 фс, например, от 100 аттосекунд до 1 фс. В некоторых вариантах осуществления выделение энергии может представлять собой по меньшей мере один импульс, например, множество импульсов, длящихся от 1 фс до 100 нс, например, от 10 фс до 20 пс, от 100 фс до 25 пс, от 100 пс до 20 нс или от 100 фс до 30 пс. В некоторых вариантах осуществления выделение энергии может представлять собой по меньшей мере один импульс, например, множество импульсов, длящихся от 100 нс до 1 мкс, например, от 500 нс до 1 мкс. В некоторых вариантах осуществления выделение энергии может представлять собой по меньшей мере один импульс, например, множество импульсов, длящихся от 1 мкс до 10 с, например, от 10 мкс до 1 с или от 100 мкс до 500 мкс. В некоторых вариантах осуществления выделение энергии может представлять собой по меньшей мере один импульс, например, множество импульсов, длящихся от 10 с до 1 мин, например, от 20 с до 40 с. В некоторых вариантах осуществления, например, выделение энергии и излучение одного или более источников энергии для формирования пути передачи могут происходить в различных масштабах времени. В некоторых вариантах осуществления, например, выделение энергии и излучение одного или более источников энергии для формирования пути передачи могут происходить в одном и том же масштабе времени или почти в одном и том же масштабе времени. В некоторых вариантах осуществления, например, выделение энергии может происходить в более быстром масштабе времени, чем излучение одного или более источников энергии для формирования пути передачи. В некоторых вариантах осуществления, например, выделение энергии может происходить в более медленном масштабе времени, чем излучение одного или более источников энергии для формирования пути передачи.
[0018] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ перемещения транспортного средства (например, средства транспорта, средства доставки, грузового воздушного судна, сверхзвукового транспортного средства, гиперзвукового транспортного средства или высотного транспортного средства) через атмосферу, содержащий: i) нагревание части атмосферы перед и/или рядом с транспортным средством для формирования области с более низкой плотностью, содержащее: a) формирование инициирующей области перед транспортным средством, причем упомянутая инициирующая область выполнена с возможностью объединения и поглощения выделяемой энергии; и b) выделение энергии в инициирующей области для образования области низкой плотности; ii) направление по меньшей мере части объекта в область с более низкой плотностью; синхронизированное с iii) детонацией реагента в импульсной силовой установке, приводящей в движение это транспортное средство.
[0019] В некоторых вариантах осуществления, например, один или более (включая, например, все) из следующих вариантов осуществления может содержать каждый из других вариантов осуществления или их частей. В некоторых вариантах осуществления, например, инициирующая область может находиться в контакте с транспортным средством. В некоторых вариантах осуществления, например, инициирующая область может не находиться в контакте с транспортным средством, например, инициирующая область может быть расположена перед транспортным средством в направлении движения. В некоторых вариантах осуществления, например, инициирующая область может быть сформирована за 4 секунды перед движущимся транспортным средством, например, за 3 с, 1 с, 500 мс, 10 мс или 1 мс перед движущимся транспортным средством. В некоторых вариантах осуществления, например, инициирующая область может быть сформирована за 1 мс - 4 с перед движущимся транспортным средством, например, за 10 мс - 3 с, за 50 мс - 1 с или за 100-500 мс перед движущимся транспортным средством. В некоторых вариантах осуществления, например, нагретая часть атмосферы может быть сформирована за 4 секунды перед движущимся транспортным средством, например, за 3 с, 1 с, 500 мс, 10 мс или 1 мс перед движущимся транспортным средством. В некоторых вариантах осуществления, например, нагретая часть атмосферы может быть сформирована за 1 мс - 4 с перед движущимся транспортным средством, например, за 10 мс - 3 с, за 50 мс - 1 с или за 100-500 мс перед движущимся транспортным средством. В некоторых вариантах осуществления, например, формирование инициирующей области может содержать формирование проводящих и/или ионных частиц. В некоторых вариантах осуществления, например, способ может дополнительно содержать: выбор по меньшей мере одной формы энергии для излучения с тем, чтобы сформировать инициирующую область в зависимости от высоты транспортного средства. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, выбранная по меньшей мере одна форма энергии для излучения может представлять собой лазерный луч, когда транспортное средство движется ниже предопределенной пороговой высоты. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, выбранная по меньшей мере одна форма энергии для излучения может представлять собой электронный луч, когда транспортное средство движется на или выше предопределенной пороговой высоты. В некоторых вариантах осуществления, например, способ может дополнительно содержать: выбор по меньшей мере одной формы энергии для выделения в инициирующей области для того, чтобы сформировать область с более низкой плотностью. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, выбранная по меньшей мере одна форма энергии для выделения может представлять собой электрический разряд, когда транспортное средство движется со скоростью ниже предопределенной пороговой скорости. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, выбранная по меньшей мере одна форма энергии для выделения может представлять собой микроволновую энергию, когда транспортное средство движется со скоростью равной или выше предопределенной пороговой скорости. В некоторых вариантах осуществления, например, этот способ может дополнительно содержать: повторение стадий (i) - (iii) со скоростью в диапазоне 0,1 Гц - 100 кГц, например, в диапазоне 1 Гц - 80 кГц, 10 Гц - 50 кГц, 100 Гц - 20 кГц, 1-10 кГц, 5-10 кГц или 10-30 кГц. В некоторых вариантах осуществления, например, формирование инициирующей области может содержать излучение одного или более источников энергии, например, одного источника энергии, двух источников энергии, трех источников энергии или четырех источников энергии. В некоторых вариантах осуществления, например, один или более источников излучаемой энергии могут быть выбраны из группы, состоящей из: электромагнитного излучения, например, рентгеновских лучей, ультрафиолетовых лучей, видимого света, инфракрасных лучей, микроволн и радиоволн; радиочастотного плазменного разряда; электрического тока; электронного луча; пучка частиц; пучка заряженных частиц; электрического разряда и коронного разряда. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, электромагнитное излучение может представлять собой по меньшей мере один лазерный луч. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, первый источник энергии, второй источник энергии и/или третий источник энергии могут представлять собой по меньшей мере один направленный энергетический луч. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, электромагнитное излучение может содержать по меньшей мере один лазерный луч. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, один или более источников энергии могут содержать по меньшей мере один направленный энергетический луч. В некоторых вариантах осуществления, например, формирование инициирующей области содержит испускание лазерного луча и электронного луча. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, лазерный луч и электронный луч могут испускаться одновременно. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, лазерный луч и электронный луч могут испускаться последовательно. В некоторых вариантах осуществления, например, излучение одного или более источников энергии для формирования инициирующей области может содержать излучение одного или более импульсов, ряда импульсов, ряда ультракоротких импульсов, спорадических импульсов, случайных импульсов, либо излучение, приближающееся к непрерывному излучению, такое как непрерывное излучение энергии. В некоторых вариантах осуществления излучение одного или более источников энергии для формирования инициирующей области может содержать по меньшей мере один импульс, например, множество импульсов, длящихся от 1 аттосекунды до 1 фс, например, от 100 аттосекунд до 1 фс. В некоторых вариантах осуществления излучение одного или более источников энергии для формирования инициирующей области может содержать по меньшей мере один импульс, например, множество импульсов, длящихся от 1 фс до 100 нс, например, от 10 фс до 20 пс, от 100 фс до 25 пс, от 100 пс до 20 нс или от 100 фс до 30 пс. В некоторых вариантах осуществления излучение одного или более источников энергии для формирования инициирующей области может содержать по меньшей мере один импульс, например, множество импульсов, длящихся от 100 нс до 1 мкс, например, от 500 нс до 1 мкс. В некоторых вариантах осуществления излучение одного или более источников энергии для формирования инициирующей области может содержать по меньшей мере один импульс, например, множество импульсов, длящихся от 1 мкс до 10 с, например, от 10 мкс до 1 с или от 100 мкс до 500 мкс. В некоторых вариантах осуществления излучение одного или более источников энергии для формирования инициирующей области может содержать по меньшей мере один импульс, например, множество импульсов, длящихся от 10 с до 1 мин, например, от 20 с до 40 с. В некоторых вариантах осуществления, например, выделение энергии может содержать один или более источников энергии, например, один источник энергии, два источника энергии, три источника энергии или четыре источника энергии. В некоторых вариантах осуществления, например, выделенная энергия может представлять собой одну или более форм энергии, выбираемых из группы, состоящей из: электромагнитного излучения, например, рентгеновских лучей, ультрафиолетовых лучей, видимого света, инфракрасных лучей, микроволн и радиоволн; радиочастотного плазменного разряда; электрического тока; электронного луча; пучка частиц; пучка заряженных частиц; электрического разряда и коронного разряда. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, электромагнитное излучение может представлять собой по меньшей мере один лазерный луч. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, первый источник энергии, второй источник энергии и/или третий источник энергии могут представлять собой по меньшей мере один направленный энергетический луч. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, электромагнитное излучение может содержать по меньшей мере один лазерный луч. В некоторых дополнительных вариантах осуществления, например, один или более источников энергии могут содержать по меньшей мере один направленный энергетический луч. В некоторых вариантах осуществления, например, выделяемая энергия может содержать по меньшей мере одну другую форму энергии, отличающуюся от одного или более источников энергии, используемых для формирования инициирующей области. В некоторых вариантах осуществления, например, выделяемая энергия может содержать по меньшей мере одну общую форму энергии для одного или более источников энергии, используемых для формирования инициирующей области. В некоторых вариантах осуществления, например, выделяемая энергия может выделяться в виде одного или более импульсов, ряда импульсов, ряда ультракоротких импульсов, спорадических импульсов, случайных импульсов, в виде, приближающемся к непрерывному выделению, либо в виде непрерывного выделения энергии. В некоторых вариантах осуществления выделение энергии может представлять собой по меньшей мере один импульс, например, множество импульсов с длительностью в диапазоне от 1 аттосекунды до 1 фс, например, от 100 аттосекунд до 1 фс. В некоторых вариантах осуществления выделение энергии может представлять собой по меньшей мере один импульс, например, множество импульсов, длящихся от 1 фс до 100 нс, например, от 10 фс до 20 пс, от 100 фс до 25 пс, от 100 пс до 20 нс или от 100 фс до 30 пс. В некоторых вариантах осуществления выделение энергии может представлять собой по меньшей мере один импульс, например, множество импульсов, длящихся от 100 нс до 1 мкс, например, от 500 нс до 1 мкс. В некоторых вариантах осуществления выделение энергии может представлять собой по меньшей мере один импульс, например, множество импульсов, длящихся от 1 мкс до 10 с, например, от 10 мкс до 1 с или от 100 мкс до 500 мкс. В некоторых вариантах осуществления выделение энергии может представлять собой по меньшей мере один импульс, например, множество импульсов, длящихся от 10 с до 1 мин, например, от 20 с до 40 с. В некоторых вариантах осуществления, например, выделение энергии и излучение одного или более источников энергии для формирования инициирующей области могут происходить в различных масштабах времени. В некоторых вариантах осуществления, например, выделение энергии и излучение одного или более источников энергии для формирования инициирующей области могут происходить в одном и том же масштабе времени или почти в одном и том же масштабе времени. В некоторых вариантах осуществления, например, выделение энергии может происходить в более быстром масштабе времени, чем излучение одного или более источников энергии для формирования инициирующей области. В некоторых вариантах осуществления, например, выделение энергии может происходить в более медленном масштабе времени, чем излучение одного или более источников энергии для формирования инициирующей области.
[0020] В некоторых вариантах осуществления, например, один конкретный лазерный узел может быть неэффективным или может иметь уменьшенную эффективность для формирования пути для выделения энергии в текучей среде, например, лазерный узел может быть неэффективным, когда текучая среда имеет давление и/или плотность меньше некоторых пороговых значений, и/или когда транспортное средство движется со скоростью и/или высотой выше некоторых пороговых значений. В некоторых других вариантах осуществления, например, пучок частиц, например, электронный пучок, один или в сочетании с другим источником энергии, таким как лазерный луч, может быть использован для формирования пути для выделения энергии, когда конкретная лазерная конфигурация не полностью эффективна. В некоторых вариантах осуществления устройство, например, транспортное средство, может содержать чувствительный элемент для обнаружения уменьшенной эффективности, и устройство может дополнительно содержать контроллер, выполненный с возможностью переключаться с использования лазерной конфигурации к использованию электронного луча (или комбинации источников энергии) для того, чтобы увеличить эффективность формирования пути.
[0021] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ перемещения наземного транспортного средства (например, поезда, поезда на магнитной подушке, высокоскоростного поезда, сверхскоростного экспресса и сверхзвукового вакуумного поезда), связанного с направляющим узлом, содержащий: i) накопление запаса электроэнергии на борту этого наземного транспортного средства; ii) импульсный разряд по меньшей мере части электроэнергии из наземного транспортного средства к проводящей части направляющего узла, причем упомянутая часть располагается перед фюзеляжем наземного транспортного средства, посредством чего часть воздуха в непосредственной близости от выпущенной электроэнергии расширяется, формируя область с более низкой плотностью, окруженную областью с более высокой плотностью; iii) направление по меньшей мере части объекта в область с более низкой плотностью; синхронизированное с iv) детонированием реагента в импульсной силовой установке, приводящей в движение этот объект. В некоторых вариантах осуществления один или более (включая, например, все) из следующих вариантов осуществления может содержать каждый из других вариантов осуществления или их частей. В некоторых вариантах осуществления, например, запас электроэнергии может импульсно передаваться наземному транспортному средству от одного или более ускорительных подузлов направляющего узла. В некоторых вариантах осуществления, например, наземное транспортное средство может опираться на магнитную подушку.
[0022] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, систему транспортировки наземного транспортного средства (например, поезда, поезда на магнитной подушке, высокоскоростного поезда, сверхскоростного экспресса и сверхзвукового вакуумного поезда), содержащую: i) направляющий узел, содержащий: a) дорожку; b) электропитание; ii) устройство хранения, например, конденсатор, выполненный с возможностью получать и сохранять часть электропитания; iii) лазер, выполненный с возможностью создания по меньшей мере одного пути, соединяющего один или более электродов, присутствующих на фюзеляже наземного транспортного средства, с частью направляющего узла, причем упомянутая часть направляющего узла располагается перед транспортным средством; iv) устройство направленного выделения энергии, выполненное с возможностью выделения части сохраненного электропитания вдоль по меньшей мере одного пути; и v) контроллер, выполненный с возможностью синхронизации приема части электропитания, создания по меньшей мере одного пути и выделения части сохраненного электропитания.
[0023] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ модернизации наземного транспортного средства (например, поезда, поезда на магнитной подушке, высокоскоростного поезда, сверхскоростного экспресса, сверхзвукового вакуумного поезда, высокоскоростного пассажирского транспортного средства и автомобиля) для уменьшения лобового сопротивления, содержащий: установку подузла направленного выделения энергии, выполненного с возможностью получения энергии от источника питания наземного транспортного средства и выделения упомянутой энергии на пути, соединяющем фюзеляж транспортного средства с наземной координатой, располагающейся перед фюзеляжем.
[0024] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ перемещения объекта в стволе (например, в стволе, связанном с огнестрельным оружием и рельсотроном), содержащем текучую среду, содержащий: i) нагревание по меньшей мере части текучей среды; ii) удаление по меньшей мере части текучей среды из ствола для формирования области с более низкой плотностью в стволе; а также последующее iii) воспламенение и/или детонирование реагента, находящегося рядом с объектом.
[0025] В некоторых вариантах осуществления один или более (включая, например, все) из следующих вариантов осуществления может содержать каждый из других вариантов осуществления или их частей. В некоторых вариантах осуществления, например, реагент может быть зарядом взрывчатого вещества и/или боезарядом (например, химического топлива). В некоторых вариантах осуществления, например, реагент может быть присоединен к объекту. В некоторых вариантах осуществления, например, текучая среда может быть воздухом. В некоторых вариантах осуществления, например, по меньшей мере часть текучей среды может нагреваться электрическим разрядом, например, путем образования электрической дуги между двумя электродами (например, изолированными электродами), располагающимися внутри, вдоль или около отверстия ствола. В некоторых вариантах осуществления, например, по меньшей мере часть текучей среды может быть нагрета путем поджига химического реагента. В некоторых вариантах осуществления химический реагент может быть присоединен к объекту или размещен рядом с ним. В некоторых вариантах осуществления химический реагент может воспламеняться электрическим импульсом. В некоторых вариантах осуществления электрический импульс может подаваться самим объектом. В некоторых вариантах осуществления электрический импульс может подаваться пьезоэлектрическим генератором. В некоторых вариантах осуществления, например, текучая среда может быть газом. В некоторых вариантах осуществления, например, текучая среда может быть воздухом. В некоторых вариантах осуществления текучая среда может быть жидкостью. В некоторых вариантах осуществления текучая среда может быть сжимаемой. В некоторых вариантах осуществления текучая среда может быть несжимаемой. В некоторых вариантах осуществления нагретая часть текучей среды может нагреваться так, чтобы она подверглась фазовому переходу. В некоторых вариантах осуществления, например, часть текучей среды может нагреваться путем воспламенения и/или детонирования химического реагента, например, электрическим импульсом. В некоторых вариантах осуществления электрический импульс может подаваться самим объектом, например, механизмом, частично или полностью содержащимся внутри объекта. В некоторых вариантах осуществления электрический импульс может подаваться пьезоэлектрическим генератором, например, пьезоэлектрическим генератором, частично или полностью содержащимся внутри объекта. В некоторых вариантах осуществления, например, объект представляет собой снаряд, например, пулю. В некоторых вариантах осуществления, например, ствол может быть компонентом огнестрельного оружия или компонентом рельсотрона. В некоторых вариантах осуществления, например, нагревание может уменьшать вязкость нагретой части текучей среды. В некоторых вариантах осуществления, например, по меньшей мере часть текучей среды может быть нагрета электрическим разрядом, имеющим энергию в диапазоне 5-120 Дж, например, 10-100 Дж, 10-30 Дж, 25-75 Дж или 25-50 Дж. В некоторых вариантах осуществления, например, способ может дополнительно содержать выброс объекта из ствола. В некоторых вариантах осуществления объект может быть снарядом. В некоторых вариантах осуществления ствол может быть компонентом, например, компонентом рельсотрона. В некоторых вариантах осуществления, например, величина создаваемой акустической сигнатуры может быть по меньшей мере на 10% меньше, например, на 10-50% меньше, по меньшей мере на 25%, 50% или по меньшей мере на 75% меньше величины акустической сигнатуры обычной винтовки 0,30-06, обычной крупнокалиберной винтовки 300, реактивного двигателя на взлете и/или гаубицы M2. В некоторых вариантах осуществления, например, величина создаваемой акустической сигнатуры может составлять меньше чем 300 дБ, например, 50-150 дБ, меньше чем 250 дБ, 200 дБ, 175 дБ, 150 дБ, или меньше чем 125 дБ.
[0026] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ для доставки снаряда, содержащий: i) ствол, содержащий казенную часть, способную принимать снаряд в отверстие ствола; ii) систему прочистки ствола, содержащую: импульсную систему нагрева, расположенную внутри и/или вблизи от отверстия, выполненную с возможностью удаления части текучей среды, присутствующей в отверстии; и iii) систему воспламенения снаряда.
[0027] В некоторых вариантах осуществления один или более (включая, например, все) из следующих вариантов осуществления может содержать каждый из других вариантов осуществления или их частей. В некоторых вариантах осуществления, например, импульсная система нагрева может размещаться вблизи от казенной части. В некоторых вариантах осуществления, например, импульсная система нагрева может дополнительно содержать химическое топливо. В некоторых вариантах осуществления химическое топливо может являться неотъемлемой частью снаряда и/или гильзы, содержащей снаряд. В некоторых вариантах осуществления, например, импульсная система нагрева может дополнительно содержать импульсный генератор электрического разряда, который может быть выполнен с возможностью выделения энергии вдоль по меньшей мере одного пути в отверстии. В некоторых вариантах осуществления импульсная система нагрева может дополнительно содержать импульсный нитеобразующий лазер, который может быть выполнен с возможностью создания по меньшей мере одного пути. В некоторых вариантах осуществления импульсный нитеобразующий лазер может снабжаться энергией за счет химического топлива, расположенного рядом со снарядом и/или составляющего единое целое с гильзой, содержащей снаряд. В некоторых вариантах осуществления импульсный нитеобразующий лазер может быть неотъемлемой частью снаряда и/или гильзы, содержащей снаряд.
[0028] Некоторые варианты осуществления, например, могут дополнительно содержать синхронизирующий контроллер, который может быть выполнен с возможностью управления относительной синхронизацией работы системы прочистки ствола и работы системы воспламенения снаряда.
[0029] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ модернизации системы доставки снаряда, содержащий: монтаж подузла направленного выделения энергии, выполненного с возможностью выделения энергии в отверстие ствола системы доставки снаряда.
[0030] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ перемещения снаряда через отверстие ствола, оборудованного системой прочистки ствола, содержащий: i) работу системы прочистки ствола для удаления части текучей среды из отверстия; со следующим за этим через несколько мс ii) инициированием системы воспламенения снаряда.
[0031] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ уменьшения акустической сигнатуры снаряда за счет оборудования ствола системой прочистки.
[0032] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, огнестрельное оружие, выполненное с возможностью проламывания некоторого барьера (иногда называемое устройством для проделывания проходов), например, двери, содержащее: i) переносимый ствол, содержащий казенную часть, способную принимать патрон в отверстие ствола; ii) систему прочистки ствола, содержащую: импульсную систему нагрева, расположенную внутри отверстия, выполненную с возможностью удаления по меньшей мере части текучей среды из отверстия; и iii) систему воспламенения.
[0033] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, патрон огнестрельного оружия, выполненный с возможностью его использования в устройстве для проделывания проходов, содержащий: i) боезаряд, расположенный ближе к тыльной части ствола, а также вблизи от по меньшей мере одного снаряда; ii) устройство направленного выделения энергии, например, предварительный боезаряд, расположенный вблизи от по меньшей мере одного снаряда по другую сторону от метательного боезаряда, причем упомянутое устройство направленного выделения энергии выполнено с возможностью удаления по меньшей мере 98% газа, первоначально находящегося при атмосферных условиях, из ствола при воспламенении предварительного боезаряда; и iii) систему синхронизации воспламенения, выполненную с возможностью синхронизации работы устройства направленного выделения энергии перед детонацией боезаряда. В некоторых вариантах осуществления один или более (включая, например, все) из следующих вариантов осуществления может содержать каждый из других вариантов осуществления или их частей. В некоторых вариантах осуществления, например, система синхронизации воспламенения может дополнительно содержать предварительный детонирующий заряд, соединенный с системой воспламенения.
[0034] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ модификации ударной волны, приближающейся к шасси транспортного средства (например, военного автомобиля, бронированной машины, многоцелевого автомобиля повышенной проходимости, бронетранспортера, пассажирского транспортного средства, поезда и/или минного тральщика), причем упомянутое транспортное средство контактирует с нижней поверхностью и существует в текучей среде, причем упомянутый способ содержит: i) нагревание части текучей среды вдоль по меньшей мере одного пути для формирования по меньшей мере одного объема нагретой текучей среды, простирающегося в стороны от пути, проходящего между шасси и нижней поверхностью; и ii) выбор времени нагрева для того, чтобы модифицировать упомянутую ударную волну.
[0035] В некоторых вариантах осуществления один или более (включая, например, все) из следующих вариантов осуществления может содержать каждый из других вариантов осуществления или их частей. В некоторых вариантах осуществления, например, полный импульс, придаваемый транспортному средству ударной волной, может быть уменьшен по меньшей мере на 10%, например, по меньшей мере на 20%, 30%, 40% или по меньшей мере на 50%. В некоторых вариантах осуществления, например, среднее ускорение, испытываемое транспортным средством в результате воздействия ударной волны, может быть уменьшено по меньшей мере на 40%, например, по меньшей мере на 50%, 60%, 70%, или по меньшей мере на 80%. В некоторых вариантах осуществления, например, часть текучей среды может быть нагрета электрическим разрядом. В некоторых вариантах осуществления, например, часть текучей среды может быть нагрета путем выделения по меньшей мере 3PV единиц энергии, где P - давление окружающей текучей среды, а V - объем текучей среды между шасси и нижней поверхностью.
[0036] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ модификации ударной волны, приближающейся к поверхности, содержащий: i) нагревание части поверхности для формирования по меньшей мере одного отверстия в этой поверхности; и ii) выбор времени нагревания, посредством которого это по меньшей мере одно отверстие формируется до выхода ударной волны из поверхности.
[0037] В некоторых вариантах осуществления один или более (включая, например, все) из следующих вариантов осуществления может содержать каждый из других вариантов осуществления или их частей. В некоторых вариантах осуществления, например, часть поверхности может быть нагрета путем выделения энергии на эту поверхность. В некоторых вариантах осуществления, например, количество энергии, выделяемой на поверхность, может находиться в диапазоне 1 кДж - 10 МДж, например, 10 кДж - 1 МДж, 100-750 кДж или 200-500 кДж. В некоторых вариантах осуществления, например, поверхность может представлять собой дорожное покрытие, грунт и/или покрытие, находящееся под шасси транспортного средства. В некоторых вариантах осуществления часть поверхности может быть нагрета путем выделения на поверхность энергии в количестве 200-500 кДж на кубический метр объема между шасси и поверхностью, например, 250-400 кДж или 300-350 кДж. В некоторых вариантах осуществления ударная волна может иметь энергию в диапазоне 100-500 МДж, например, 200-400 МДж. В некоторых вариантах осуществления выделенное количество энергии может уменьшать энергию, передаваемую от ударной волны к транспортному средству, на величину, которая больше выделенного количества энергии по меньшей мере в 10 раз, например, по меньшей мере в 20 раз, 50 раз, 100 раз или по меньшей мере в 200 раз. В некоторых вариантах осуществления чистое ускорение, придаваемое транспортному средству в результате воздействия ударной волны, может быть уменьшено по меньшей мере на 10%, например, по меньшей мере на 20%, 30%, 40% или по меньшей мере на 50%. В некоторых вариантах осуществления часть поверхности может нагреваться посредством электрического излучения транспортного средства.
[0038] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ смягчения взрывных газов, приближающихся к шасси транспортного средства (например, военного автомобиля, бронированной машины, многоцелевого автомобиля повышенной проходимости, бронетранспортера, пассажирского транспортного средства, поезда и/или минного тральщика), причем упомянутое транспортное средство существует в текучей среде, причем упомянутый способ содержит: i) нагревание части текучей среды вдоль по меньшей мере одного пути для формирования по меньшей мере одного канала низкой плотности, причем упомянутый путь проходит от шасси и вверх по внешней поверхности транспортного средства; и ii) выбор времени нагревания, посредством которого по меньшей мере один канал низкой плотности принимает по меньшей мере часть взрывных газов.
[0039] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, транспортное средство, оборудованное устройством для смягчения взрыва, содержащим: i) чувствительный элемент, выполненный с возможностью обнаружения зарождающейся взрывной волны под шасси транспортного средства; ii) устройство направленного выделения энергии, выполненное с возможностью выделения энергии вдоль по меньшей мере одного пути, располагающегося под шасси транспортного средства; и iii) синхронизирующий контроллер, выполненный с возможностью синхронизации срабатывания устройства направленного выделения энергии относительно обнаружения зарождающейся ударной волны. В некоторых вариантах осуществления один или более (включая, например, все) из следующих вариантов осуществления может содержать каждый из других вариантов осуществления или их частей. В некоторых вариантах осуществления, например, упомянутое выделение энергии может быть выполнено с возможностью нагревания части текучей среды вдоль по меньшей мере одного пути для формирования по меньшей мере одного объема горячей текучей среды, расширяющейся в стороны от этого пути. В некоторых вариантах осуществления, например, упомянутое выделение энергии может быть выполнено с возможностью формирования по меньшей мере одного отверстия в поверхности, находящейся под шасси транспортного средства.
[0040] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, транспортное средство (например, военный автомобиль, бронированную машину, многоцелевой автомобиль повышенной проходимости, бронетранспортер, пассажирское транспортное средство, поезд и/или минный тральщик), оборудованное устройством для смягчения взрыва, содержащим: i) чувствительный элемент, выполненный с возможностью обнаружения зарождающейся взрывной волны под шасси транспортного средства; ii) устройство направленного выделения энергии, выполненное с возможностью выделения энергии вдоль по меньшей мере одного пути, проходящего от шасси транспортного средства к внешней поверхности транспортного средства; и iii) синхронизирующий контроллер, выполненный с возможностью синхронизации срабатывания устройства направленного выделения энергии относительно обнаружения зарождающейся ударной волны.
[0041] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ смягчения взрыва самодельного взрывного устройства с помощью транспортного средства (например, военного автомобиля, бронированной машины, многоцелевого автомобиля повышенной проходимости, бронетранспортера, пассажирского транспортного средства, поезда и/или минного тральщика), оборудованного устройством для смягчения взрыва. В некоторых вариантах осуществления, например, самодельное взрывное устройство может быть заглубленным.
[0042] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ модернизации транспортного средства для противостояния взрыву, содержащий: монтаж подузла направленного выделения энергии, выполненного с возможностью выделения энергии под шасси транспортного средства.
[0043] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ сверхзвукового осаждения спрея на поверхность, содержащий: i) направление по меньшей мере одного лазерного импульса через текучую среду на поверхность для формирования по меньшей мере одного пути через текучую среду, расположенного между сверхзвуковым распылительным соплом и поверхностью; ii) разряд некоторого количества электроэнергии вдоль этого пути для формирования трубки низкой плотности; с последующим через несколько мкс iii) выбросом порошка, частиц и/или распыленного или аэрозольного материала из сверхзвукового распылительного сопла в трубку низкой плотности. В некоторых вариантах осуществления один или более (включая, например, все) из следующих вариантов осуществления может содержать каждый из других вариантов осуществления или их частей. В некоторых вариантах осуществления, например, стадии (i) - (iii) могут повторяться со скоростью в диапазоне от 0,1 Гц до 100 кГц, например, от 1 Гц до 80 кГц, от 1 Гц до 10 кГц, от 100 Гц до 20 кГц, от 1 до 10 кГц, от 5 до 10 кГц или от 10 до 30 кГц.
[0044] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, устройство для осаждения спрея, содержащее: i) сопло, выполненное с возможностью распыления частиц и/или распыленного материала на поверхность; ii) импульсный нитеобразующий лазер, выполненный с возможностью формирования по меньшей мере одного пути, располагающегося между соплом и поверхностью; iii) импульсный генератор электрического разряда, выполненный с возможностью выделения энергии вдоль этого по меньшей мере одного пути для формирования трубки низкой плотности; и iv) синхронизирующий контроллер, выполненный с возможностью синхронизации формирования по меньшей мере одного пути, выделения энергии и распыления. В некоторых вариантах осуществления один или более (включая, например, все) из следующих вариантов осуществления может содержать каждый из других вариантов осуществления или их частей. В некоторых вариантах осуществления, например, спрей может быть сверхзвуковым спреем.
[0045] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ физического осаждения из паровой фазы с помощью этого устройства для осаждения спрея. Некоторые варианты осуществления, например, могут содержать осаждение металлического порошка на металлическую поверхность.
[0046] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ абразивной струйной обработки с использованием устройства для осаждения спрея.
[0047] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ модернизации устройства сверхзвукового распыления, содержащий: монтаж подузла направленного выделения энергии, выполненного с возможностью выделения энергии вдоль пути, соединяющего сопло устройства распыления и поверхность.
[0048] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ работы прерывистой ткацкой машины или ткацкого станка (например, пневматического бесчелночного ткацкого станка, бесчелночного гидравлического ткацкого станка, челночного ткацкого станка, ткацкого станка с верхним боем и/или быстроходного ткацкого станка) для формирования ткани, причем упомянутый пневматический бесчелночный ткацкий станок выполнен с возможностью принимать уточную пряжу и дополнительно выполнен с возможностью формировать пролет основы (зев основы), причем упомянутый способ содержит: выделение энергии для формирования направляющего пути низкой плотности для прохода уточной пряжи через этот пролет.
[0049] В некоторых вариантах осуществления один или более (включая, например, все) из следующих вариантов осуществления может содержать каждый из других вариантов осуществления или их частей. В некоторых вариантах осуществления, например, выделение энергии может содержать выделение 5-50 мДж на 10 см направляющего пути на 1 мм диаметра уточной пряжи, например, 5-8 мДж, 8-10 мДж, 10-15 мДж, 15-20 мДж, 20-30 мДж, 30-40 мДж или 40-50 мДж, или по меньшей мере 8 мДж, по меньшей мере 20 мДж или по меньшей мере 40 мДж. В некоторых вариантах осуществления, например, уточная пряжа может иметь диаметр в диапазоне 0,1-1 мм, например, 0,25-0,75 мм или 0,5-0,7 мм, такой как 0,6 мм. В некоторых вариантах осуществления, например, уточная пряжа может проходить по направляющему пути со скоростью в диапазоне 100-500 м/с, например, 200-400 м/с или по меньшей мере 200 м/с, например, по меньшей мере 250 м/с, 300 м/с или по меньшей мере 350 м/с. В некоторых вариантах осуществления, например, уточная пряжа может проходить по направляющему пути со скоростью больше чем 0,1 Мах, например, больше чем 0,3 Мах, 0,8 Мах, 1 Мах или больше чем 1,5 Мах. В некоторых вариантах осуществления, например, ткань может формироваться со скоростью в диапазоне 500-60000 прокидок в минуту, например, 2000-50000 прокидок в минуту, 8000-30000 прокидок в минуту или 15000-25000 прокидок в минуту. В некоторых вариантах осуществления, например, направляющий путь может быть цилиндрическим.
[0050] Некоторые варианты осуществления, например, могут дополнительно содержать: перемещение уточной нити в направляющий путь низкой плотности с помощью выброса воздуха высокого давления. В некоторых вариантах осуществления этот выброс воздуха высокого давления может быть синхронизирован с выделением энергии. В некоторых вариантах осуществления направляющий путь низкой плотности может формироваться после выброса воздуха высокого давления.
[0051] В некоторых вариантах осуществления один или более (включая, например, все) из следующих вариантов осуществления может содержать каждый из других вариантов осуществления или их частей. В некоторых вариантах осуществления, например, дополнительная часть энергии может выделяться после импульсной подачи воздуха для формирования дополнительного направляющего пути низкой плотности. В некоторых вариантах осуществления, например, уточная пряжа может быть увлажнена некоторым количеством воды. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере часть этого количества воды может испаряться в направляющем пути низкой плотности.
[0052] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, ткацкую машину (например, пневматический бесчелночный ткацкий станок, гидравлический бесчелночный ткацкий станок, челночный ткацкий станок, ткацкий станок с верхним боем и/или быстроходный ткацкий станок), пневматический бесчелночный ткацкий станок, выполненный с возможностью формирования ткани, причем упомянутая машина содержит: i) устройство, содержащее множество профильных зубьев берда, установленных на батане, выполненное с возможностью формировать зев основы; ii) узел направленного выделения энергии, выполненный с возможностью формирования направляющего пути низкой плотности через этот зев основы; и iii) сопло уточной пряжи, сообщающееся с источником сжатого воздуха, выполненное с возможностью приведения в движение части уточной пряжи через направляющий путь низкой плотности. В некоторых вариантах осуществления один или более (включая, например, все) из следующих вариантов осуществления может содержать каждый из других вариантов осуществления или их частей. В некоторых вариантах осуществления, например, зев основы может иметь длину 3-30 м, например, 4-4,5 м, 4,5-6 м, 6-8 м, 8-10 м, 5-25 м или 10-20 м.
[0053] Некоторые варианты осуществления могут обеспечивать, например, способ модернизации ткацкой машины (например, пневматического бесчелночного ткацкого станка, бесчелночного гидравлического ткацкого станка, челночного ткацкого станка, ткацкого станка с верхним боем и/или быстроходного ткацкого станка), содержащий: монтаж подузла направленного выделения энергии, выполненного с возможностью выделения энергии вдоль пути, соединяющего дозирующее сопло ткацкого станка с электродом, расположенным с противоположной стороны ткацкого станка, и пропускания нити через множества профильных зубьев берда.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0054] Фиг.1A и 1B. Схематическое сравнение (1A) неэффективности пули, пытающейся пройти через воду на высокой скорости, с (1B) той же самой пулей, перемещающейся без усилий после того, как вода была раздвинута в стороны от ее пути. В первом случае энергия пули очень быстро передается воде (а также расходуется на деформацию материала). В нашем подходе пуля перемещается на гораздо более длинное расстояние, взаимодействуя со своим окружением посредством намного более слабых сил.
[0055] Фиг.2A и 2B. Сильные электрические разряды могут использоваться для выделения энергии вдоль произвольных траекторий на поверхности, примерами которых являются изображенные на Фиг.2A полукруглая траектория и на Фиг.2B прямые линии.
[0056] Фиг.3A-3C. Временная последовательность шлирен-изображений, которые показывают ударную (сверхзвуковую) волну, открывающую область горячего газа низкой плотности (левое (3A) и центральное (3B) изображения), в результате того, что энергия выделяется перед ударной волной, распространяющейся со скоростью звука после того, как она уменьшится по силе до 1 Маха (правое изображение, (3C)), и больше не может вести/открывать область низкой плотности.
[0057] Фиг.4: Энергия выделяется в воздух путем фокусирования интенсивного лазерного импульса на некоторой точке в воздухе с интенсивностью, достаточной для того, чтобы ионизировать молекулы газа, практически мгновенно по сравнению с реакцией текучей среды.
[0058] Фиг.5. Рентгенограмма, демонстрирующая ударную волну от лазерной «вспышки», такой как показанная на Фиг.4, создающую область газа низкой плотности, которая остается в течение длительного периода времени как область низкой плотности в окружающем газе.
[0059] Фиг.6. Лазерные нити создают прямые ионизированные каналы вдоль пути ультракороткого лазерного импульса.
[0060] Фиг.7A и 7B. Лазерные нити от ультракоротких лазерных импульсов могут использоваться для точного инициирования и направления электрических разрядов вдоль их прямых путей (7B), в отличие от менее контролируемых в пространственном и временном плане разрядов (7A).
[0061] Фиг.8. Эта иллюстрация показывает очень малую «трубку» низкой плотности, предназначенную для замены намного более крупных трубок.
[0062] Фиг.9A и 9B. (9A) Интегрированная сила и (9B) импульс как функция времени, прикладываемые взрывом под тестовой пластиной при различных начальных плотностях под транспортным средством (100%, 10% и 7,5% от плотности окружающей среды).
[0063] Фиг.10. Условная схема проводящих путей вдоль поверхности транспортного средства для быстрого направления газов высокого давления из ограниченного пространства под наземным транспортным средством.
[0064] Фиг.11. Лобовое сопротивление на конусе значительно уменьшается, когда конус проходит через трубку низкой плотности, создаваемую путем выделения энергии перед ним вдоль линии его движения. Буквы на диаграмме соответствуют моментам времени, отмеченным вертикальными линиями около них, которые соответствуют чертежам на Фиг.14, отмеченным теми же буквами.
[0065] Фиг.12. Параметры, которые варьировались для результатов исследования, показанных на Фиг.13, включают в себя: четыре числа Маха → M =2,4,6,8; три половинных угла конуса → 15°, 30°, 45°; а также четыре диаметра «трубки» низкой плотности → 25%, 50%, 75% и 100% от диаметра основания конуса.
[0066] Фиг.13. Снижение лобового сопротивления и выигрыш от вложенной энергии показаны для конусов с углом 15/30/45 градусов, перемещающихся со скоростью 2, 4, 6, 8М через трубки с диаметрами 25%, 50%, 75% и 100% от диаметра основания конуса. В некоторых случаях, почти все лобовое сопротивление устраняется, и во всех случаях энергия, требуемая для создания «трубок», меньше, чем энергия, сэкономленная на снижении лобового сопротивления, что дает выигрыш, вплоть до 65 раз превышающий энергию, выделенную перед конусом).
[0067] Фиг.14A-14D. Профили плотности, полученные в моменты времени, соответствующие отметкам на Фиг.11, показывающие модификацию потока при пролете конуса через «трубку» низкой плотности. Последовательность чертежей 14A - 14D демонстрирует сильное уменьшение головного скачка уплотнения (и связанного с ним волнового сопротивления и звукового удара), а также сильное восстановление давления у основания, означающее устранение донного сопротивления и увеличение движущей эффективности выхлопных продуктов у основания.
[0068] Фиг.15. Электропроводящий путь 108 может быть нарисован и направлен в воздухе для того, чтобы обеспечить электрический разряд, требуемый для управления/модификации ударной волны (волн) транспортного средства.
[0069] Фиг.16. Схема расщепления лазерного импульса посредством нескольких электрически изолированных устройств фокусировки/разряда.
[0070] Фиг.17. Схема, показывающая оптическую траекторию/элементы для фокусировки лазерного импульса через электрод с конической оболочкой (123).
[0071] Фиг.18. Схематические примеры того, как массив разрядных устройств может использоваться для увеличения выделения энергии и создания намного большего ядра путем фазирования множества более мелких разрядов.
[0072] Фиг.19. Схематический пример того, как массив разрядных устройств может использоваться для увеличения выделения энергии и «рассеивания» потока в желаемом направлении путем фазирования множества более мелких разрядов.
[0073] Фиг.20A и 20B. В трехмерных прогонах исходное положение ядра является осесимметричным с транспортным средством (20a), давая максимальное снижение лобового сопротивления и отсутствие боковой силы или вращающего момента. Затем ядро постепенно сдвигается вверх по ходу прогона, позволяя отслеживать квазистационарное значение управляющих сил и вращающих моментов во всем диапазоне положений ядра. Мы провели исследования вплоть до сдвига примерно на 1/2 радиуса основания (20b).
[0074] Фиг.21A-D. Кадр тестового прогона, использующего стандартный конус для исследования эффектов нагревания, лобового сопротивления и управляющих сил при создании горячего ядра низкой плотности перед ударной волной гиперзвукового транспортного средства. (Верхняя часть (20A) - плотность; Левая нижняя часть (20B) - давление; Правая нижняя часть (20C) - температура; Правая нижняя часть (20D) - лобовое сопротивление, силы и моменты)
[0075] Фиг.22. Трубка низкой плотности также может быть создана с боковой стороны транспортного средства через наклонную ударную волну для облегчения визуализации и выпуска полезной нагрузки без замедления самого транспортного средства.
[0076] Фиг.23A-F. Верхний ряд (слева направо, 23A-C) - Ударная волна открывает «полусферу» низкой плотности на поверхности в покоящемся воздухе, возникающую в результате импульсного выделения энергии с использованием лазерного импульса на расстоянии; Нижний ряд (слева направо, 23D-F) - Тот же самый лазерный импульс используется для импульсного выделения энергии и создания ударной волны, которая открывает аналогичную «полусферу» низкой плотности, которая, как показано, конвектируется воздухом, текущим вдоль той же самой поверхности.
o
[0077] Фиг.24A-D. Графики изменения относительного давления в зависимости от безразмерного радиуса для цилиндрического удара в различные моменты безразмерного времени. Начальное (невозмущенное) давление газа равно p.
o
[0078] Фиг.25A-D. Графики числа Маха потока в зависимости от безразмерного радиуса для цилиндрического удара в различные моменты безразмерного времени. Скорость звука перед ударом равна a.
o
[0079] Фиг.26A-D. Графики относительной плотности в зависимости от безразмерного радиуса для цилиндрического удара в различные моменты безразмерного времени. Начальная (невозмущенная) плотность газа равна ρ.
[0080] Фиг.27A-C. Упорядоченные по времени (слева направо, 27A-C) шлирен-изображения разряда лазера Nd:YAG в потоке со скоростью 3,45М. Лазер излучает снизу вверх, и отметка остается видимой, потому что пиксели CCD насыщаются. Направление свободного потока - справа налево.
[0081] Фиг.28A-C. Временная последовательность шлирен-фотографий расширяющегося нагретого пятна по мере того, как оно течет влево в сверхзвуковой аэродинамической трубе для взаимодействия со стоячим головным скачком уплотнения сферической модели. Измеренные базовые и мгновенные значения давления вдоль сферы также показаны на этом изображении как линии вокруг сферы.
[0082] Фиг.29. Временная история давления в точке стагнации модели для трех энергетических уровней.
[0083] Фиг.30. Результаты моделирования диаметра нити и концентрации электронов как функции расстояния распространения для начальной мощности 49,5 МВт. Существенная фотоионизация заметна только на коротких отрезках, для которых изоляция луча является максимальной.
[0084] Фиг.31. Результаты моделирования диаметра огибающей нити в зависимости от расстояния распространения при начальной мощности 160 МВт. Диаметр нити остается ограниченным величиной примерно 100 мкм на расстоянии тысяч метров.
[0085] Фиг.32. Инициированный/направленный лазером электрический разряд длиной 30 см. Ионизирующий ультрафиолетовый лазерный импульс посылается через отверстие нижнего электрода и через отверстие верхнего электрода.
[0086] Фиг.33A-D. Фиг.33A показывает одиночный ионизированный лазером путь; Фиг.33B показывает электрический разряд вдоль пути, созданного ионизированным лазером путем; Фиг.33C показывает два ионизированных пути, произведенные двумя отдельными лазерными импульсами; Фиг.33D показывает электрический разряд вдоль V-образного пути, созданного двумя лазерными импульсами.
[0087] Фиг.34A и 34B. Фиг.34A показывает воздушное окно, разработанное под наблюдением доктора Вильгельма Беренса из бывшей компании TRW. Фиг.34B показывает полную установку с входным отверстием высокого давления, воздушным окном, вакуумной трубкой и выхлопной линией.
[0088] Фиг.35. Схема цикла импульсного детонационного двигателя.
[0089] Фиг.36A-H. Второе условное изображение динамики в импульсном детонационном двигателе.
[0090] Фиг.37. Схематическое изображение одного варианта осуществления пневматического бесчелночного ткацкого станка, имеющего интегральное устройство выделения направленной энергии.
[0091] Фиг.38. Схематическое изображение одного варианта осуществления подсистемы огнестрельного оружия, имеющей интегральное устройство выделения направленной энергии.
[0092] Фиг.39. Схема, изображающая условный пример области сверхзвукового налетающего потока, которая может возникать в применении непрерывного сверхзвукового многофазного потока, таком как, среди прочего, покрытие спреем или порошком.
[0093] Фиг.40. Схема, изображающая условный пример системы динамического нанесения покрытия распылением с холодным газом.
[0094] Фиг.41. Схематическое изображение одного варианта осуществления транспортного средства, оборудованного устройством смягчения взрыва.
[0095] Фиг.42. Схематическое изображение одного варианта осуществления транспортного средства, оснащенного устройством модификации грунта.
[0096] Фиг.43. Схематическое изображение одного варианта осуществления устройства направленного выделения энергии, имеющего подузел импульсного лазера.
[0097] Фиг.44. Схематическое изображение одного варианта осуществления патрона огнестрельного оружия, имеющего интегральное устройство выделения направленной энергии.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0098] Основная идея нашего подхода к выделению энергии заключается в том, что мы можем перераспределить/формировать профиль плотности воздуха путем быстрого («импульсного») выделения в него энергии. Важно отметить, что для того, чтобы эффективно «разделять» воздух, энергия должна выделяться в воздух намного быстрее, чем газ может расширяться (например, среди других методов, в форме короткого лазерного или микроволнового импульса и/или электрического разряда). Любой нагрев, который позволяет газу расширяться по мере того, как он нагревается, даже если он использует очень высокие температуры, не даст высокоэффективных результатов, которые мы здесь описываем. Как правило, «внезапный»/»импульсный» процесс нагрева будет производить «щелчок» или «звук взрыва».
[0099] Для того чтобы: i) адаптировать интенсивность и пространственное распределение конкретных режимов выделения энергии; ii) поддерживать конкретные пути и каналы для надлежащей передачи; и iii) достигать передачи энергии в поток; может применяться множество методов выделения энергии может применяться множество методов для удовлетворения разнообразных атмосферных условий и условий потока в самом широком диапазоне применений. Самые эффективные подходы к выделению энергии, заключающиеся либо в формировании зародышеобразующей/направляющей/инициирующей области (например, начального пути), в которую будет выделяться дополнительная энергия; либо в выделении дополнительной энергии в такую начальную область или путь; будут зависеть от атмосферных условий (включая все представленные среды и смешанные фазы, такие как газы, жидкости, твердые тела, плазма), внутри которых они должны быть сформированы, а также от связанных с ними рабочих условий потока. Некоторые атмосферные условия и условия потока могут требовать, чтобы посредством выделения энергии был сформирован начальный путь, в который на следующей стадии могло бы быть передано больше энергии. Другие атмосферные условия и условия потока могут требовать, чтобы энергия выделялась в одну стадию. В некоторых применениях энергия может выделяться: вдоль одной или более поверхностей; в одной или более областях в атмосфере/потоке; и/или в некоторой их комбинации. Одна или более стадий выделения энергии могут включать в себя комбинации одного или более, но не ограничиваясь ими, следующих методов выделения энергии: электромагнитное излучение (от рентгеновского до микроволнового); радиочастотные плазменные разряды; а также электрический ток в форме электронных лучей, лучей заряженных частиц, электрических разрядов и коронных разрядов; с временной продолжительностью этих методов выделения энергии в пределах от непрерывных лучей до ультракоротких импульсов (например, с шириной импульсов, измеряемой в аттосекундах; фемтосекундах; пикосекундах; наносекундах; микросекундах; миллисекундах; секундах; а также более длительной, вплоть до непрерывного выделения). Эти масштабы времени могут различаться для различных вариантов осуществления и различных режимов выделения энергии, и выделение в различных режимах будет иметь место в их соответствующих масштабах времени. В дополнение к своей собственной полезности, в некоторых режимах непрерывное или продолжительное выделение энергии может также способствовать более короткоимпульсному выделению энергии. Кроме того, применения, включающие в себя пульсацию/фазирование/синхронизацию некоторых процессов с выделением энергии, также могут включать в себя более длинноимпульсные и непрерывные процессы.
[00100] Вышеописанные варианты осуществления различных применений и методов выделения энергии могут облегчать практическое применение на различных высотах и при различных условиях полета. Они также могут фазироваться/синхронизироваться в различные типы методов нанесения покрытия распылением при различных рабочих атмосферах/условиях и средах, включая, но не ограничиваясь этим: термонапыление; плазменное напыление; детонационное напыление; проволочное дуговое напыление; газопламенное напыление; высокоскоростное кислородно-топливное напыление; теплое напыление; холодное напыление; среди других методов нанесения покрытия распылением. Точно так же вышеописанные варианты осуществления различных практических применений и методов выделения энергии могут применяться, среди других вариантов осуществления и применений, (в диапазоне возможных рабочих атмосфер и условий) для ткацких станков, стволов, поездов, двигателей, транспортных средств, смягчения взрыва, зажигания и детонации.
[00101] Для того, чтобы проиллюстрировать следующее объяснение, лучше сначала посмотреть на Фиг.2 и Фиг.3 как на примеры описываемого расширения. Как только энергия была «мгновенно» («импульсно») выделена в конкретной области воздуха (например, вдоль линии или в точке), окружающий воздух вытесняется наружу из нагретой области расширяющейся взрывной волной. Пока взрывная волна, возникающая из-за выделенной энергии, не затухнет/замедлится до скорости звука, окружающий газ сместится наружу, оставив за собой участок горячего, уравновешенного давлением газа, плотность которого намного меньше, чем исходная/окружающая плотность (в некоторых случаях меньше чем 15%, например, меньше чем 10%, 8%, 5%, 3%, 2% или меньше чем 1,5% от плотности окружающей среды, причем остальные 98,5% будут вытолкнуты наружу). Как только расширяющаяся ударная волна замедлится до скорости звука, она будет продолжать расширяться акустически, больше не вытесняя газ наружу и не расширяя область низкой плотности. Область низкой плотности (образовавшаяся, когда ударная волна расширялась сверхзвуковым образом) остается позади, уравновешенная окружающим давлением (например, она остается как «пузырь» атмосферного давления, состоящий из горячего газа низкой плотности, который не схлопывается обратно, то есть это и есть область, в которой «воздух был разделен»). Объем этой уравновешенной давлением области низкой плотности прямо пропорционален энергии, которая выделяется в газ, а также обратно пропорционален окружающему давлению (например, получаемый объем низкой плотности удваивается, если начальное атмосферное давление перед выделением энергии уменьшить в два раза). Пример этого расширения и получаемой области низкой плотности вдоль поверхности показан на Фиг.3, изображающей последовательность шлирен-фотографий вида с торца одного прямого участка электрического разряда, такого как показанный на Фиг.2(b), если смотреть вдоль пути электрического разряда.
[00102] Самый простой пример расширения «пузыря» низкой плотности может быть получен при выделении энергии в точку в воздухе (Фиг.4), из которой газ расширяется сферически симметрично, образуя сферу низкой плотности (Фиг.5).
[00103] Похожая простая геометрия возникает, когда энергия выделяется вдоль прямой линии (Фиг.6, 7 и 8). Это заставляет газ расшириться и создавать цилиндрический объем низкой плотности (или «трубку»), центрированную вокруг первоначальной линии/оси, вдоль которой была первоначально выделена энергия.
[00104] Тот факт, что горячие геометрии низкой плотности уравновешиваются давлением окружающей среды и сохраняются в течение длительных промежутков времени по сравнению с интересующей динамикой потока, позволяет областям низкой плотности (например, сферам и «трубкам» в воздухе и полусферам и «полутрубкам» вдоль поверхностей, а также другим более сложным конфигурациям) оставаться «открытыми» в течение достаточно долгого времени для того, чтобы выполнить намеченное управление потоком.
[00105] Одним из самых простых способов представить преимущества этого подхода - это рассмотреть ограниченный взрыв. Полученное при этом интуитивное понимание может быть непосредственно использовано к другим применениям скоростного потока (таким как скоростной полет и движущие системы). В частности, мы можем (почти мгновенно) уменьшать давление и направлять газы при обнаружении нежелательного роста давления и/или ударной волны. Эти проблемы из области смягчения взрыва представляют собой те же самые проблемы, которые возникают при высокоскоростном полете и в двигательных установках, так что этот начальный пример можно расширить и применить эти фундаментальные концепции к широкому спектру гиперзвуковых применений. В одном конкретном примере смягчения взрыва, когда взрывные газы высокого давления заключены между дном транспортного средства и землей, воздуху препятствуют выйти из-под транспортного средства путем образования ударной волны в окружающем газе. Чем дольше газ высокого давления находится под транспортным средством, давя на его днище, тем больше интегрированный импульс давит на транспортное средство вверх. Цель при таком применении состоит в том, чтобы как можно быстрее убрать газ высокого давления из-под транспортного средства, снижая тем самым давление под транспортным средством и минимизируя интегрированный импульс, передаваемый транспортному средству. Для того, чтобы достичь этого, газ высокого давления может быть быстро убран из-под транспортного средства за счет создания путей низкой плотности вдоль нижней поверхности транспортного средства для того, чтобы быстро направить газ наружу из-под транспортного средства. Это может быть достигнуто за счет использования нашей технологии (например, устройства направленного выделения энергии) в наземном транспортном средстве для создания путей низкой плотности, вдоль которых взрывные газы от произошедшего рядом взрыва (например, под упомянутым транспортным средством) могут быстро удаляться, сильно уменьшая тем самым силу и время воздействия взрывных газов на транспортное средство и минимизируя тем самым полный импульс, придаваемый транспортному средству взрывом. Фиг.9 показывает пример уменьшения силы и импульса от взрыва при уменьшении плотности воздуха под транспортным средством.
[00106] Для создания высокоскоростных каналов, через которые газ высокого давления может быстрее выходить из-под транспортного средства вокруг него, мы добавляем проводящие пути (аналогичные тем, которые изображены на Фиг.2) вдоль поверхности транспортного средства (схематично изображены на Фиг.10). Они могут использоваться для почти мгновенного выпуска газов высокого давления в ограниченных объемах, а также для высокоскоростного движения, например, в изоляторах, камерах сгорания, диффузорах и выхлопных системах. Это может быть полезным везде, где выгодно быстро смягчить вредное увеличение давления.
[00107] Одна из причин того, что транспортные средства неэффективно летают по воздуху на высоких скоростях, заключается в том, что они фактически ускоряют колонну воздуха (длиной от точки начала до точки конца полета) до существенной части скорости самого транспортного средства. В дополнение к получаемым при этом большим затратам на топливо, большое количество энергии, передаваемой воздуху, связано с дополнительными проблемами, такими как: сильный звуковой удар; разрушительно сильные ударные волны, воздействующие на транспортное средство позади его носовой части; а также нежелательные давления и нагрев вдоль передних кромок и линий стагнации благодаря силам трения, возникающим при ускорении неподвижного воздуха для согласования его скорости со скоростью транспортного средства.
[00108] Когда транспортное средство вместо этого движется через «трубку» низкой плотности, создаваемую устройством направленного выделения энергии вдоль длинной (например, создаваемой лазером) линии, лобовое сопротивление резко уменьшается, с соответствующей внушительной экономией общего потребления энергии. Один пример мгновенной расчетной кривой лобового сопротивления показан на Фиг.11. На этом графике наблюдается небольшое повышение лобового сопротивления относительно базового уровня, когда конус проходит через газ с более высокой плотностью на краю «трубки». Затем лобовое сопротивление резко уменьшается, поскольку конус летит через область «трубки» низкой плотности. Когда конус выходит из области низкой плотности, и ударная волна снова начинает формироваться, лобовое сопротивление снова начинает увеличиваться до номинального, базового уровня лобового сопротивления. На практике после того, как транспортное средство или снаряд пройдет через «трубку» низкой плотности, может быть создана другая «трубка» низкой плотности, чтобы позволить транспортному средству/снаряду продолжать движение с пониженным лобовым сопротивлением. Точный момент для начала инициирования следующей «трубки» является предметом оптимизации для данного применения. Степень, до которой лобовому сопротивлению позволяют увеличиться перед тем, как снова уменьшить его путем выделения энергии для создания другой «трубки», будет определять интенсивность модуляции давления, равной частоте повторения выделения энергии, которая будет примерно равна скорости транспортного средства, деленной на эффективную длину трубки (скорректированная с учетом того, насколько далеко транспортное средство/снаряд перемещается фактически, прежде чем снова выделить энергию). Эта модуляция будет приводить к дополнительному источнику шума самолета, и может быть настроена путем регулировки длины «трубки» для того, чтобы избежать резонанса транспортного средства и неприятных частот. Каждая последующая «трубка» также предоставляет возможность слегка перенаправить ориентацию «трубки» для того, чтобы управлять транспортным средством (что будет дополнительно обсуждено ниже).
[00109] Снижение лобового сопротивления и экономия энергии при реализации этой методики были изучены для того, чтобы оценить влияние различных параметров, таких как число Маха, угол конуса и диаметр «трубки» по сравнению с основанием конуса. Эти параметры показаны на Фиг.12, с учетом того, что число Маха относится к номинальному, неизменному потоку. Как только энергия выделяется перед объектом, обычное определение и концепция равномерного числа Маха становятся неприменимыми. Это является следствием того, что скорость звука в «трубке» является во много раз более высокой, чем снаружи этой трубки в номинальном неизмененном свободном потоке. В соответствии с общепринятым определением число Маха внутри «трубки» значительно ниже, чем за пределами «трубки». Фактически, во многих случаях поток в трубке является дозвуковым по сравнению со сверхзвуковым/гиперзвуковым потоком за пределами трубки, что позволяет создавать поля потока, резко отличающиеся от тех, которые наблюдаются при пролете через однородный воздух, который не был модулирован путем выделения энергии. Некоторые из этих динамик описываются в настоящем документе, и могут быть достигнуты только путем выделения энергии в поток.
[00110] Результаты с точки зрения максимального снижения сопротивления и экономии энергии (выигрыш от вложенной энергии) для различных случаев, показанных на Фиг.12, суммированы на Фиг.13, включая снижение лобового сопротивления свыше 60%, например, от 80 до 95% и даже вплоть до 96%, и более чем 30-кратный, например, более чем 50-кратный или 65-кратный выигрыш от вложенной энергии в полном балансе энергии (то есть для каждого ватта или джоуля, выделенного в воздух перед конусом для создания «трубки» низкой плотности вдоль линии движения конуса, в 65 раз большее количество энергии экономилось в движущей мощности или энергии, которое в противном случае, без выделения энергии перед конусом, должно было бы уравновешивать намного более сильное лобовое сопротивление).
[00111] В результатах наблюдаются некоторые интересные тенденции, причем основной из них является то, что создание больших трубок увеличивает снижение лобового сопротивления для всех чисел Маха и углов конуса. Более тонкое и интересное наблюдение заключается в том, что энергоэффективность (то есть [(сэкономленная движущая энергия) - (вложенная энергия)]/(вложенная энергия)), по-видимому, имеет два режима. Эта энергоэффективность описывает, сколько энергии двигательной установки экономится для каждой единицы энергии, выделяемой перед транспортным средством для того, чтобы создать «трубку» низкой плотности. Один режим имеет место при более высоких числах Маха с более узкими конусами, в которых головная ударная волна имеет тенденцию быть наклонной/присоединенной. В этом режиме энергоэффективность увеличивается с ростом числа Маха, и наиболее эффективный «диаметр трубки» переходит ясным и понятным образом от меньших к большим диаметрам с увеличением числа Маха. Удаление газа вдоль линии движения всегда обеспечивает самую большую выгоду, тогда как выгода от удаления газа дальше от линии движения является функцией скорости транспортного средства, с увеличением выгоды при более высоких числах Маха. В режиме более низких чисел Маха, когда головная ударная волна стремится к нормальному удаленному состоянию, наблюдается сильный рост эффективности для «трубок» малого диаметра, которые могут эффективно применяться для «прокола» головной ударной волны, позволяя сбросить газ высокого давления позади ударной волны, поскольку поток внутри «трубки» теперь может быть дозвуковым (в «трубке» с высокой скоростью звука) и не быть ограниченным головной ударной волной конуса (см. Фиг.14).
[00112] Хотя исследования эффективности могут помочь определить энергию, которую можно выделить для достижения оптимальной эффективности, также стоит отметить, что масштаб эффектов и количество энергии, выделяемое на конкретной платформе, также могут быть определены исходя из того, что могут позволить системные соображения для конкретной платформы/транспортного средства. Даже если создается «трубка» меньшего диаметра, чем оптимальный, она тем не менее будет улучшать характеристики транспортного средства/снаряда с точки зрения увеличенного диапазона и скорости, более низкого расхода топлива и снижения выбросов и шума/звукового удара (с некоторыми другими преимуществами, которые будут описаны ниже). Особенно благоприятно, что значительная выгода может быть получена даже при выделении энергии, намного меньшей оптимального количества. Фактическое количество выделяемой системой энергии и мощности может определяться количеством места, которое может быть выделено для этого, с точки зрения доступного размера, веса и мощности, а также тем, насколько эти параметры улучшаются после применения этой технологии. Этот гибкий итеративный процесс предоставляет удобную возможность внедрения данной технологии в любую систему, которая может извлечь из нее выгоду. В дополнение к этому, учитывая, что энергия, требуемая для создания заданного объема газа низкой плотности, изменяется в зависимости от окружающего давления, заданное количество энергии, выделяемое в воздух, будет создавать все большие объемы при более низких давлениях с увеличением высоты. Этот эффект также хорошо работает в сценарии, в котором заданный диапазон энергетических импульсов будет создавать все большие диаметры «трубок» по мере подъема транспортного средства/снаряда на все большую высоту. Вместо того, чтобы увеличивать диаметр «трубки», увеличенный объем низкой плотности на больших высотах может использоваться для увеличения длины трубки или для одновременного увеличения как длины, так и диаметра трубки. Увеличение длины «трубки» способствует увеличению скорости, и, как видно на Фиг.13, большие диаметры «трубки» могут помочь максимизировать эффективность при более высоких числах Маха.
[00113] Репрезентативные кадры контуров плотности для резко модифицированной динамики потока, получаемой при пролете через «трубку» низкой плотности, показаны на Фиг.14. Буквы A, B, C, D соответствуют временам, отмеченным на кривой лобового сопротивления, показанной на Фиг.11 (где изображение D соответствует моменту, когда конус прошел первоначальную протяженность «трубки», не учитывая деформацию/выдавливание трубки в результате ее взаимодействия с конусом).
[00114] При сравнении отличий от почти невозмущенного распределения плотности в кадре А для последующей динамики можно отметить несколько моментов:
- при обычном полете имеется сильная головная ударная волна и связанный с ней звуковой удар, тогда как полет через «трубку» низкой плотности сильно смягчает как головную ударную волну, так и связанный с ней звуковой удар;
- при обычном полете газ, ускоряемый конусом в боковых направлениях и в направлении вперед, оставляет позади основания конуса область низкого давления/низкой плотности, а когда газ сдвигается в стороны перед конусом за счет выделения энергии для формирования «трубки» низкой плотности, газ, накопленный по периметру «трубки», рециркулирует за конус и служит для восстановления давления на его основание;
- это восстановление давления на основание уменьшает донное сопротивление;
- значительно более высокая плотность газа у основания может также обеспечить некоторый уровень удержания выхлопов двигателя, что может значительно повысить движущую эффективность выхлопной системы и многократно увеличить ее эффективный импульс, что обеспечивается рециркулирующим атмосферным газом, поддерживающим выхлопы двигателя для того, чтобы использовать их высокое давление в течение более длительного времени, в отличие от того, чтобы выхлопы с высоким давлением просто неограниченно выбрасывались бы в область с низким давлением и низкой плотностью.
Поэтапная реализация сообщения движения и выделения энергии для оптимизации динамики
[00115] Учитывая множество полезных динамик, обсуждаемые в настоящем документе варианты осуществления могут быть гибко применены для повышения эффективности и использования/синхронизации симбиотических эффектов/преимуществ различных стадий/процессов. Это может повлечь за собой оптимизацию ряда возможных параметров, включая масштабы длины, зажигание, соотношение воздух-топливо, синхронизацию, скорости повторения, химические процессы, электрические разряды, лазерные импульсы, микроволновые импульсы, электронные лучи, клапаны/дросселирование и др. Некоторые варианты осуществления включают в себя:
- Лазерный запуск: В применениях с лазерным запуском один вариант осуществления включает в себя один или несколько лазеров на земле в качестве источника движения, стреляющих по задней части ракеты-носителя, которая перефокусирует движущий лазерный свет с помощью находящейся сзади оптики для нагрева и расширения газа или продуктов абляции, выходящих из задней части ракеты-носителя. Проектирование лазерной системы и ракеты-носителя должно:
- обеспечивать выделение некоторой лазерной энергии перед транспортным средством для создания «трубки» низкой плотности и уменьшения лобового сопротивления;
- определять размер и сужать корпус и внутренние пути для обеспечения достаточного количества движущего воздуха, который будет нагреваться приводным лазерным импульсом (импульсами);
- определять размер корпуса для того, чтобы гарантировать, что модулированный газ перед транспортным средством течет вокруг него для создания сзади высокой плотности, на которую движущий газ может давить более эффективно;
- доставлять приводные лазерные импульсы так, чтобы позволить транспортному средству полностью использовать «трубку» низкой плотности и движущий толчок до того, как следующий лазерный импульс повторит весь процесс.
- Импульсный детонационный двигатель (PDE)/Химическое генерирование лазерного излучения/Импульсная мощность: Этот тип системы требует учета тех же самых соображений для оптимизации фазирования/выбора времени, что и перечисленные выше. В этом случае, однако, движущая энергия представляет собой ряд импульсных химических детонаций, которые происходят внутри транспортного средства. Выбором времени этой детонации можно управлять посредством правильной синхронизации работы клапанов и зажигания, и детонация фактически может управлять процессами, необходимыми для выделения энергии перед транспортным средством.
- Промышленные и транспортные применения: В этих случаях могут быть применены выбор времени и оптимизация системы, аналогичные вышеупомянутым применениям, для того, чтобы достичь желаемого уровня фазирования, с дополнительным потенциальным рассмотрением другого движителя, такого как электрический движитель, а также магнитная подушка. Каждый элемент может быть синхронизирован не только для того, чтобы гарантировать оптимальный поток жидкости, но также и для уменьшения количества энергии, используемой в бортовых системах, таких как системы движения и левитации.
[00116] Как было заявлено ранее, электрический разряд представляет собой одну возможную методику, способную реализовать гибкие геометрии, которые могут использоваться не только для создания значительных выгод, но также и для управления и фазирования аэродинамики, чтобы в конечном счете получить мощный и эффективный контроль над транспортным средством. Если должен использоваться электрический разряд, должен быть создан проводящий путь для протекания тока. Способность «рисовать» проводящий путь с использованием лазерного импульса (Фиг.6) и направлять/инициировать электрический разряд (Фиг.7) была продемонстрирована в другом месте. Нитеобразующие лазеры могут формировать такие ионизированные пути с достаточной точностью и длиной для того, чтобы гибко намечать любое количество желаемых рисунков.
I
[00117] Один пример показан на Фиг.15, где проводящий путь (108a,b) создается для того, чтобы соединить электроды 106 и 107 с пересечением в точке P. Второй пример на Фиг.16 и Фиг.17 более подробно изображает фактическое разрядное устройство. В этом примере лазерный импульс 111 направляется к трем отдельным электрически изолированным линзовым/электродным узлам 102 (Фиг.17).
[00118] Регулируемые (122) оптические элементы 121 фокусируют различные импульсы посредством своих соответствующих металлических конусов 123 для того, чтобы гарантировать, что нитеобразование начинается настолько близко к кончикам металлических конусов, насколько это возможно. Это гарантирует наилучшее возможное электрическое соединение. Металлические конусы представляют собой электроды, связанные с подходящими полюсами батареи конденсаторов. После создания ионизированного пути конденсаторы будут разряжать свою энергию вдоль упомянутого пути. В результате электроэнергия, которая была запасена в конденсаторах, будет выделена в воздух вдоль проводящих путей в форме омического нагрева.
[00119] Другой вариант осуществления может достигать желаемого управления потоком, используя несколько устройств разряда энергии, выстроенных/фазированных так, чтобы достигать любого количества целей (см. Фиг.18 и 19).
[00120] Массив устройств разряда энергии проиллюстрирован на Фиг.18. Массив механизмов или элементов испускания энергии 106a, 106b, 106c располагается на теле 101. Тело 101 включает в себя центральный элемент 106a, окруженный внутренним кольцевым массивом элементов 106b и внешним кольцевым массивом элементов 106c. Полный массив элементов 106 может использоваться для того, чтобы увеличить эффективность и величину выделения энергии путем последовательного зажигания индивидуальных элементов 106 или групп элементов 106. Это может быть достигнуто путем использования массива элементов 106 для того, чтобы продолжать проталкивать текучую среду 105 цилиндрическим образом наружу после того, как текучая среда расширилась наружу из центрального нагретого ядра, сформированного центральным элементом 106a. В этом примере, когда производится электрический разряд, он следует по ионизированным путям 108, которые объединяют отдельные проводящие цепи между элементами 106b и 106a. Следующий набор проводящих путей и разрядов может затем располагаться между элементами 106c и 106a (или 106b).
[00121] При работе, как проиллюстрировано на Фиг.18 (верхний чертеж), центральный элемент 106a и один или более элементов 106b внутреннего массива могут быть задействованы для того, чтобы создать центральное нагретое ядро 160a. Это нагретое ядро расширялось бы наружу, возможно ограниченное цилиндрической ударной волной, которая будет ослабевать с расширением. Для того, чтобы добавить энергию к ослабевшему цилиндрическому расширению, могут быть задействованы элементы 106b, как проиллюстрировано на Фиг.18 (нижний чертеж). При дальнейшем расширении элементы 106c внешнего массива также были бы задействованы для того, чтобы сохранить сильное продолжительное расширение нагретого ядра 160b.
[00122] Схематическое представление подобного применения, использующего линейный массив устройств 102 разряда энергии, проиллюстрировано на Фиг.19. Устройства 102 разряда энергии устанавливаются на транспортном средстве 101 для того, чтобы проталкивать поступающую текучую среду 105 наружу вдоль крыла 150 с помощью волнообразного движения, путем их последовательного задействования от самого внутреннего устройства 102a разряда энергии к наиболее удаленному устройству 102f разряда энергии, находящемуся дальше всего от центральной линии транспортного средства 101.
[00123] Устройства 102 разряда энергии обычно являются электрически изолированными, как и соединенные с ними зарядные блоки и выключатели. Дополнительно к этому, соседние устройства разряда энергии могут быть задействованы практически одновременно для того, чтобы создать электропроводящий путь 108, как было ранее обсуждено со ссылкой на Фиг.16 и Фиг.17. Устройства 102 разряда энергии также могут быть задействованы последовательно парами для того, чтобы использовать электрические разряды для сдвига текучей среды 105 наружу к концам крыла 150. Этот способ сдвига текучей среды к концам крыла также направляет текучую среду над и под крылом 150. Датчики окружающей среды также могут включаться для того, чтобы контролировать эффективность, и могут быть соединены с устройствами разряда энергии для того, чтобы модифицировать различные параметры выделения энергии.
[00124] В дополнение к снижению лобового сопротивления существует ряд связанных преимуществ, которые сопровождают использование описанной методики выделения энергии.
[00125] Для исследования управляющих сил и моментов, связанных с этой методикой, использовался пакет программ Cobalt CFD для выполнения трехмерного моделирования, в котором генерировались ядра низкой плотности, налетающие на транспортное средство в непрерывном диапазоне внеосевых положений. Смещение положения ядра показано на Фиг.20 как направленное вверх. В этих прогонах исходное положение ядра было коаксиальным с транспортным средством, а затем медленно перемещалось вверх (оставаясь параллельным оси конуса без угла атаки). Это позволило оценить квазистационарное состояние воздействия ядра при смещении на величину в пределах от коаксиального (без смещения) до смещения примерно на половину диаметра основания. Этот случай схематично изображен на Фиг.20. Мы выполнили эту серию прогонов моделирования для того, чтобы изучить полный спектр влияния ядер, выровненных с направлением полета.
[00126] Фиг.21 изображает плотность, давление и температуру на поверхности тела. Моменты и силы перечислены как коэффициенты на той же самой диаграмме. Эти два момента вычисляются как примеры различных центров масс, которые приводят к устойчивому полету для различных полезных нагрузок/миссий. Мы также продемонстрировали, что в противном случае неустойчивые транспортные средства (когда центр масс находится за центром давления) стабилизируются при полете через ядра низкой плотности. Причина этого заключается в том, что газ с более высокой плотностью на внешних краях основания значительно смещает центр давления к хвостовой части транспортного средства, за центр масс. Это преимущество стабилизации нестабильных в противном случае конструкций может привести к значительно большей гибкости в обеспечении стабильных гиперзвуковых транспортных средств, устраняя обычные ограничения на расположение центра масс. Другие преимущества этой технологии еще больше уменьшают конструктивные ограничения, позволяя использовать гораздо более широкие эксплуатационные характеристики, используя гораздо более дешевые материалы, а также значительно снижая требования к тонкости тела, а также значительно снижая вес благодаря уменьшению требований к системе теплозащиты (TPS), более легкому (пере)запуску входного отверстия, а также значительно уменьшенному оборудованию управления/привода.
[00127] Аналитические оценки верхней границы и вычисленные нижние границы на типичном конусе дали управляющие силы от нескольких G до многих десятков G, в зависимости от высоты и числа Маха. Эти верхние и нижние границы дают полезные пределы для оценки полезности этой методики в различных применениях. В некоторых вариантах осуществления, например, ракета-носитель с основанием размером 1 м может использовать выделяемую мощность 480 кВт для того, чтобы производить полезный эффект во всем диапазоне чисел Маха от 6 до 20. Эта мощность позволяет обеспечить: ядра с диаметром 1/5, которые будут создаваться перед гиперзвуковым летательным аппаратом на высоте 15 км; ядра с диаметром 1/2, которые будут создаваться на высоте 30 км; и ядра полного диаметра, которые будут создаваться на высоте 45 км. Если будет доступно только 10% от этой мощности, то мы можем создать «трубки» с размером примерно 1/3 от указанных диаметров, и все еще получить огромную выгоду с точки зрения эффективности, управления и значительно облегченных конструктивных решений.
[00128] Одним из текущих ограничивающих факторов в гиперзвуковых летательных аппаратах является смягчение тепловых эффектов устойчивого полета на гиперзвуковых скоростях. В дополнение к уменьшению лобового сопротивления и обеспечению управления транспортным средством, наш подход уменьшает температуру на поверхности транспортного средства, и соответственно результирующий нагрев. Это позволяет значительно сократить массу TPS и специальных материалов, требуемых на передних кромках. Это также позволяет значительно улучшить эффективность транспортного средства, прежде чем столкнуться с материальными ограничениями. Создание «трубки» малого диаметра перед транспортным средством демонстрирует значительную выгоду и помогает направлять транспортное средство, аналогично тому, как предварительно просверленное отверстие может помочь направить большой гвоздь. Несмотря на это, полезно обдумать крайний случай создания «трубки», которая могла бы вмещать в себя все транспортное средство. В этом случае интуитивно можно представить себе транспортное средство как запертое в «трубе» аналогично санному спорту на Олимпийских играх. Если транспортное средство начнет врезаться в стенку «трубы», то оно будет испытывать очень большие силы, выталкивающие транспортное средство обратно к центру. Это работает в вертикальном направлении, а также во всех других направлениях, и транспортное средство будет находить положение, в котором его вес будет балансироваться направленной вверх силой сопротивления. В результате все тело может служить в качестве подъемной поверхности, равномерно распределяя связанные с этим силы и температуры. Аналогичным образом все тело может служить в качестве управляющей поверхности, поскольку то же самое явление, которое уравновешивает гравитацию, будет последовательно прикладывать восстанавливающие силы для ограничения транспортного средства внутри трубки. С одной стороны, это делает управление очень привлекательным, поскольку оно подразумевает просто направление «трубки» (которое может быть таким же простым, как направление инициирующих/направляющих лазерных импульсов) в желаемом направлении, а силы текучей среды гарантируют, что транспортное средство движется должным образом, распределяя управляющие силы по всему телу. Это говорит о том, что дополнительные требования к нагрузке и объему могут быть удовлетворены для того, чтобы разместить технические средства, требуемые для нашего подхода, за счет устранения тяжелых систем гиперзвукового управления. В некоторых случаях каждый закрылок имеет значительный объем и может весить примерно 20 кг. Эти исполнительные механизмы могут требовать газовых баллонов или питания от транспортного средства, которые имеют дополнительный вес, объемные требования и риск, устранение которых может использоваться для того, чтобы ослабить требования к системе выделения энергии.
[00129] Как было описано выше, наилучшим подходом к полному использованию технологии, описанной в этом документе, является полное проектирование транспортного средства вокруг динамики текучей среды, что позволяет полностью использовать многие преимущества, которые она предоставляет, включая снижение лобового сопротивления, стабилизацию полета, уменьшенные конструктивные ограничения, улучшенные подъем/управление/воздухозаборники/двигатели, а также значительную выгоду в скорости, эффективности, дальности, полезной нагрузке и топливной эффективности. При этом существует множество способов, которыми эта технология может постепенно прокладывать себе путь на существующих платформах, обеспечивая дополнительные улучшения характеристик, которые в противном случае не могли бы быть достигнуты в системах, оптимизированных другим способом. Некоторые примеры этого включают: выделение энергии вдоль поверхности для смягчения лобового сопротивления неизбежных выступов (например, секций вертикального хвостового оперения, соединений, заклепок, стеклоочистителей, швов и т.д.), а также выделение энергии около или перед передними кромками. В дополнение к улучшению характеристик, которые они могут предоставить, они могут также обеспечивать недостижимые иным образом возможности. Один набор применений включает в себя способность прокалывать трубку со стороны транспортного средства через наклонную ударную волну, как схематически показано на Фиг.22, для того, чтобы облегчить проход снарядов/полезной нагрузки, а также оптического изображения и связи.
[00130] Прокалывание ударной волны главного транспортного средства таким способом может быть особенно интересным в некоторых применениях с гиперзвуковым полетом, поскольку это позволяет создавать путь, через который могут быть более четко записаны изображения, и через который вторичные тела могут быть запущены из первичного транспортного средства без сильного взаимодействия, которое они в противном случае испытали бы с непроколотой ударной волной.
[00131] Дополнительные примеры управления высокоскоростным потоком и облегчения сверхзвукового/гиперзвукового распространения/перемещения включают в себя применения двигателя и внутреннего потока, в частности, начальные сверхзвуковые воздухозаборники и смягчение шума двигателя/форсажной камеры, включая визг и другие резонансы. Они используют поверхностные разряды, которых мы достигаем с использованием различных типов электродов, как с лазерами, так и без них, в зависимости от конкретных деталей. Мы также применяем выделение энергии вдоль поверхностей и/или на открытом воздухе в наземных применениях для улучшения характеристик аэродинамической трубы, промышленных/производственных процессов и транспортировки.
[00132] Для вышеупомянутых применений полета наша первоочередная задача состоит в том, чтобы обеспечить значительные выгоды в возможностях и эффективности. В наземных промышленных/производственных/транспортных применениях могут быть ослаблены ограничения на размер, вес и мощность. Желание управлять невзаимодействующими транспортными средствами на расстоянии также подвело нас к тому, чтобы передавать энергию на удаленные платформы. Для этого применения динамика жидкости, получаемая в результате выделения энергии, остается той же самой. Однако вместо тщательного конструирования собственной платформы для наиболее эффективного выделения энергии в поток одновременно с уменьшением размера/веса/расхода энергии, главной задачей теперь становится подача энергии на удаленную платформу для того, чтобы управлять ее динамикой. В этом случае вместо выделения энергии посредством эффективных электрических разрядов, мы осуществляем подъем с использованием менее эффективной лазерной (и/или микроволновой) энергии для быстрого/импульсного выделения энергии на или около поверхности удаленной платформы. Стоимость этой энергии (с точки зрения эффективности ее генерирования) является намного более высокой, чем простое использование бортового электрического разряда в качестве главного источника выделения энергии. Однако взамен появляется возможность дистанционно доставлять эту энергию на большие расстояния для осуществления значительного контроля над удаленными снарядами/транспортными средствами путем локальной модификации на них лобового сопротивления и подъемной силы. Фиг.23 показывает шлирен-изображения лазерной энергии, выделяемой на удаленной поверхности как в статическом, так и в текущем воздухе. В наших испытаниях в аэродинамической трубе мы смогли измерить заметное влияние как на подъемную силу, так и на лобовое сопротивление на крыле, связанное с нашей способностью прерывать поверхностный поток и пограничный слой.
[00133] Быстрое/импульсное выделение энергии в поток, быстрее, чем может механически реагировать текучая среда, может быть достигнуто с использованием любого количества вариантов осуществления и механизмов, включая лазеры, электрические разряды, микроволны, электронные лучи, и т.д., для создания ударной волны, которая разрежает некоторый объем газа. Эта энергия может выделяться во множестве полезных геометрий для того, чтобы значительно модулировать/формировать плотность текучей среды и достигать огромных возможностей управления. Это управление может проистекать из большой разницы в силах, образующихся при взаимодействии тела с плотностью окружающей текучей среды по сравнению с областями резко уменьшенной плотности. Обычными геометриями являются комбинации сферических и цилиндрических областей низкой плотности («трубок»), создаваемые вне тела, а также «полусферические» и «полуцилиндрические» области низкой плотности, создаваемые вдоль поверхностей. Эти геометрии обеспечивают значительное увеличение скорости, эффективности, управления и общей эффективности, что напрямую следует из сильного сокращения лобового сопротивления, нагрева, давлений и ударных волн при перемещении через текучую среду с очень низкой плотностью (в отличие от плотности окружающей среды). Наиболее выгодное использование нашего революционного подхода будет заключаться в разработке системы вокруг выгодной динамики путем соответствующего подбора воздухозаборников; синхронизации и двигателей для того, чтобы максимизировать эффекты во всем диапазоне желаемой работы. Меньшие усилия также могут быть затрачены на включение этих выгод таким образом, чтобы постепенно внедрять данную технологию на существующих или ожидаемых платформах и/или обеспечивать конкретные возможности. Такие усилия могут включать в себя: точечное смягчение сильных ударов/лобового сопротивления/нагревания/давления; внутреннее управление потоком в высокоскоростных силовых установках; (пере)запуск воздухозаборников при низких числах Маха; среди многих других; наземное тестирование; производство; наземный транспорт; а также прокалывание ударной волны, создаваемой сверхзвуковой/гиперзвуковой платформой, для облегчения прохода оптических сигналов и полезной нагрузки.
[00134] Ряд фундаментальных физических механизмов, лежащих в основе различных вариантов осуществления, используются при выделении энергии для достижения значительных успехов, которые они дают при управлении высокоскоростным потоком. Наш подход к революционизированию высокоскоростного полета и управления потоком заключается в том, что мы предпочтительно перемещаем воздух для оптимизации взаимодействия в некоторых вариантах осуществления. Когда энергия выделяется практически мгновенно («импульсно») в некоторой точке, возникает сферическая ударная волна, создающая сферу низкой плотности, внутри которой остается лишь 1-2% от плотности окружающего воздуха. Когда энергия импульсно выделяется вдоль линии, тогда то же самое расширение создает цилиндр низкой плотности, содержащий ~1-2% от плотности окружающего воздуха. Объем низкой плотности, который мы создаем, прямо пропорционален энергии, которую мы выделяем, и прямо пропорционален давлению окружающего воздуха, и поэтому требует меньшего количества энергии для создания заданного объема низкой плотности на больших высотах (где обычно происходит полет на гиперзвуковых скоростях), чем на малых высотах. Преимущества полета через среду с плотностью в 1-2% от плотности окружающей среды являются многочисленными, и включают в себя: сильное снижение лобового сопротивления; улучшенную стабильность; значительно уменьшенный расход энергии; отсутствие звукового удара; уменьшенная температура и давление торможения; уменьшенный шум; восстановление давления за объектом (устранение донного сопротивления и значительное усиление движущей эффективности силовой установки); сокращение выбросов и значительное увеличение диапазона режимов полета на каждой высоте.
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
1/2
[00135] Основным эффектом, который мы используем при разработке новых практических применений, является возможность импульсно добавлять энергию в воздух и целенаправленно изменять его плотность. На протяжении десятилетий эволюция больших количеств энергии, сосредоточенных вдоль точечных и линейных источников, была тщательно охарактеризована. В своем тщательном вычислительном исследовании Плустер предоставляет свои данные в безразмерных единицах для бесконечного линейного источника мгновенно выделенной энергии (см. Фиг.24-26). Во всех его графиках энергия выделяется при r=0, и расстояние от этой начальной точки (в одномерных цилиндрических координатах) описывается с использованием безразмерного радиуса λ. На каждом графике λ отложена по абсциссе, и представляет отношение истинного расстояния r к характеристическому радиусу R=(E/bγp), где E - энергия, выделяемая на единицу длины, p - давление перед ударной волной, γ=1,4, и b=3,94. Несколько линий показаны на каждом графике и обозначены числами над каждой отдельной линией. Эти числа представляют собой безразмерное время τ, которое является отношением истинного времени t к характеристическому времени t=R/a, где a - скорость звука в окружающей атмосфере перед ударной волной. Все параметры текучей среды нанесены на график относительно параметров текучей среды в окружающей атмосфере перед цилиндрической ударной волной, включая давление (p/p) на Фиг.24, радиальную скорость (u/a) на Фиг.25 и плотность (ρ/ρ) на Фиг.26.
[00136] Дополнительная полезность этих результатов исходит из того факта, что Плустер проверил их для различных начальных условий (например, небольшие отклонения от идеального линейного источника). Долгосрочные динамики (представляющие для нас интерес) в основном идентичны для начальных условий в пределах от идеальных линейных источников до более диффузных источников, таких как конечный участок выделяемой энергии, включая несколько линейных источников. Предполагается, что эти результаты являются достаточно надежными для того, чтобы дополнительно охватить любой мыслимый способ выделения энергии вдоль расширенной области перед ударной волной, которую мы хотели бы смягчить/контролировать.
[00137] Поскольку цилиндрическая ударная волна распространяется радиально наружу, Фиг.25 показывает расширяющуюся ударную волну, становящуюся звуковой примерно при τ=0,147. Это примерно соответствует времени, за которое расширяющийся цилиндр ослабевает от ударной волны, создающей трубку низкой плотности, до звуковой волны, развивая характерное сжатие и разрежение, которое начинает проявляться в следах давления на Фиг.24 приблизительно при τ=0,2. В результате примерно в это же самое время труба низкой плотности прекращает быстро расширяться и остается примерно стационарной приблизительно от τ=0,14 до значения, превышающего τ=6,0. Фиг.26 показывает, что ядро с очень низкой плотностью остается практически стационарным и неизменным от радиуса λ=0 до приблизительно λ=0,5, поскольку звуковая ударная волна продолжает распространяться радиально наружу. Красота и полезность этого длинного цилиндрического ядра низкой плотности состоят в том, что оно сохраняется в течение очень долгого времени, и может использоваться в качестве канала низкой плотности, через который транспортное средство (и/или воздух высокого давления, продвигаемый этим транспортным средством, и/или газ высокого давления, который должен быть сброшен), может проходить практически без сопротивления.
[00138] Параметры и масштабы из результатов Плустера использовались для оценки энергии, требуемой для создания трубок низкой плотности различных радиусов, для выполнения параметрического исследования, чтобы охарактеризовать влияние трубок низкой плотности на тело в полете. В частности, это моделирование должно было показать убедительное преимущество в смягчении удара и уменьшении лобового сопротивления при внезапном выделении тепла вдоль линии потока (в данном случае вдоль линии торможения) перед головной ударной волной, создаваемой сверхзвуковым/гиперзвуковым конусом. Устойчивая выгода, продемонстрированная в геометрии линейного выделения, приводит к длительным периодам снижения ударного воздействия/снижения лобового сопротивления без непрерывного добавления энергии. Это позволяет использовать механизм импульсного выделения энергии в форме последовательных импульсов. Когда энергия быстро/импульсно выделяется, воздух расширяется, как описано выше, и создает «трубку» низкой плотности. Два механизма, которые разрушают эту идеализированную стационарную трубку низкой плотности (а также сферы или любые другие формы, создаваемые расширением при выделении энергии), представляют собой i) тепловую плавучесть и ii) термическую диффузию. На практике также возникают как межфазные, так и объемные неустойчивости текучей среды, поскольку эти два механизма действуют на неоднородное распределение плотности.
2
[00139] Подобно воздушному шару (только без баллона), тепловая плавучесть обеспечивается плавучестью горячего газа с более низкой плотностью внутри «трубки» или «пузырька». Пренебрегая вязкостью, неустойчивостью, другими диссипативными силами, а также очень низкой конечной скоростью для легких объектов, таких как воздух, самое высокое направленное вверх ускорение, которое может испытывать газ низкой плотности, является ускорение гравитации (9,8 м/с). Для тех масштабов длины, которыми мы вообще интересуемся, 1 см можно рассматривать как небольшое, но все же существенное движение для газа низкой плотности. При нереалистичной верхней границе полного гравитационного ускорения газ будет перемещаться на 1 см примерно за 0,05 секунды, что, как правило, намного быстрее, чем тепловая диффузия могла бы в значительной степени подействовать на большую особенность низкой плотности, размером порядка сантиметров или больше. Для того, чтобы учесть многие допущения, которые делают нашу верхнюю границу слишком быстрой, мы предполагаем, что существенная особенность низкой плотности останется жизнеспособной в течение по меньшей мере 0,1 с. В это время, даже при скорости 0,9 Мах транспортное средство пролетит примерно 30 м, что обеспечивает достаточное количество времени для любого интересующего транспортного средства, чтобы завершить его взаимодействие с любой структурой низкой плотности, которую мы намереваемся создать.
[00140] Для имеющих разумный размер особенностей низкой плотности (например, для особенностей размером в несколько см и больше), масштабы времени, в которых эти особенности будут диссипированы за счет тепловой диффузии, являются намного более длинными чем аппроксимированные выше для тепловой плавучести. Тепловая диффузия обусловлена в основном потоком тепловой энергии вдоль температурного градиента, чтобы в конечном счете достичь теплового равновесия (то есть теплом, проводимым от горячего газа к соседнему холодному газу). Как можно видеть из Фиг.26, граница «трубки» имеет очень сильный градиент плотности, который соответствует очень сильному температурному градиенту. Это приводит к тепловой диффузии на границе «трубки» низкой плотности. Поскольку этот эффект имеет место на поверхности и действует в малых масштабах длины, он является наиболее значимым для чрезвычайно малых особенностей, таково как сферы с очень малым диаметром или «трубки» с очень малым диаметром.
[00141] Первичный момент, в котором малые особенности низкой плотности играют существенную роль, происходит, когда энергия, выделенная в воздух лазерным импульсом, создает трубку с очень малым диаметром и низкой плотностью в качестве предшественника для направления/инициации электрического разряда. В этом случае диаметр трубки низкой плотности может составлять порядка от десятков до сотен микронов или больше, в зависимости от параметров импульса. В таких случаях мы отображали динамику «трубок» и оценивали их долговечность в пределах от 100 мкс до 1 мс (см. Фиг.8), и использовали дополнительную диагностику для подтверждения этих масштабов времени.
[00142] Основная роль, которую играют такие очень маленькие «трубки» низкой плотности, образованные интенсивными лазерными импульсами, заключается в том, чтобы помочь направлять и инициировать электрические разряды, которые могут выделить значительно больше энергии вдоль этого пути. Эти разряды формируются вдоль небольшого канала-предшественника со скоростью порядка 106 м/с или быстрее, в результате чего срок службы «трубки» является достаточным для распространения электрического разряда на десятки метров.
[00143] Одной из дополнительных проблем, которые могут возникнуть в отношении ионизированного пути и небольшой «трубки», создаваемой лазером, является влияние турбулентности. На практике это, как было показано, не вызывает большой озабоченности по нескольким причинам: i) для распространения лазерного импульса требуются десятки наносекунд; ii) было показано, что эти нити и сфокусированные импульсы сохраняются при распространении через не только турбулентность, но также и через сложные высокоскоростные ударные/турбулентные потоки (пример которых более подробно описан в нашем разделе об аэродинамических окнах); iii) развитие ожидаемых электрических разрядов требует микросекунд. Для этих масштабов времени и динамик, которые являются фундаментальными для формирования более крупных, практически полезных «трубок» с использованием электрических разрядов, турбулентность не представляет существенного препятствия благодаря намного более медленным масштабам времени, в которых она развивается.
o
o
o
o
o
o
o
o*
o
o
o
o
o
o
1/2
2
2
2
[00144] Стандартной особенностью, которую мы будем использовать для обсуждения аэродинамических преимуществ, является ядро низкой плотности, которое, как показал Плустер, простирается приблизительно на λ=0,5 (см. Фиг.26). Если мы хотим, чтобы радиус этого ядра имел некоторое значение, мы можем вычислить необходимое выделение энергии на длину (E), используя определение λ=r/R, где R=(E/5,34*p), а p является давлением окружающего воздуха (константа 5,34 выводится с использованием значения для γ, которое немного отличается от 1,4, для того, чтобы учесть водяной пар, и может быть также вычислена для сухого воздуха). Это дает нам энергию на длину, необходимую для того, чтобы создать ядро низкой плотности радиуса r. Сначала выполним преобразование для того, чтобы получить E=5,34*pR. Затем, выражая R через λ и r, получим: E=5,34*p*(r/λ). Основное значение λ, о котором мы заботимся, составляет λ=0,5, так как это приблизительная безразмерная ширина ядра низкой плотности. Основным размером, который предоставляет нам физическую информацию, является фактический радиус r ядра низкой плотности, которое мы хотели бы создать. Как и следовало ожидать, энергия на длину, требуемая для создания заданного ядра низкой плотности, пропорциональна квадрату его радиуса (т.е. пропорциональна площади его поперечного сечения) E=21,5*p*(r). При учете дополнительного коэффициента 1/2 (в квадрате) уравнение для вычисления фактической энергии на длину станет следующим:
o
o
2
E=5,34*p*(r)
o
[00145] Для того, чтобы получить требуемую полную энергию, мы должны просто умножить E на длину нагреваемого пути. Эта длина представляет собой один из системных параметров, которые будут оптимизироваться на фазе тестирования, и она также играет роль в определении частоты повторения импульсов (которая также должна быть оптимизирована). Однако, мы выберем некоторые номинальные значения, чтобы обсудить диапазоны энергии импульса и средняя мощность, позволяющие нам определить некоторые номинальные требования к нагреву газа.
[00146] Один подход к нагреву газа перед транспортным средством заключается в предотвращении «разрывов» горячего пути путем создания каждого нового «ядра» низкой плотности так, чтобы его начало примыкало к концу предыдущего ядра. Однако способ экономии энергии и полного выделения энергии состоит в том, чтобы оставлять перемычку ненагретого воздуха между последовательными ядрами. Это позволит нам использовать некоторую часть времени, требуемого для фактического повторного образования головной ударной волны перед транспортным средством. По мере того, как головная ударная волна транспортного средства образуется заново, следующее горячее ядро будет снова ее рассеивать. Фактическое расстояние для повторного формирования эффективно тормозящей ударной волны после того, как транспортное средство выходит из ядра низкой плотности, зависит от формы транспортного средства, угла атаки и параметров полета, но независимо от этой длины мы можем приспособиться к ней за счет регулирования длины выделения энергии и частоты повторения. В качестве примера, если мы адаптируем эти значения, чтобы гарантировать создание трубки, длина которой совпадает с расстоянием, необходимым для создания новой головной ударной волны, мы можем вдвое уменьшить потребность в энергии для выделения энергии (поскольку мы будем иметь соотношение ненагретого газа к нагретому вдоль линии торможения, равное 1:1). Аналогичное явление было продемонстрировано при использовании точечного нагрева перед транспортным средством. На практике оптимальное соотношение длины нагретого ядра к длине ненагретого газа будет определяться с помощью испытаний в аэродинамической трубе и более подробного моделирования. Наша основная мотивация для очень тщательного тестирования этого параметра, чтобы наилучшим образом использовать его, заключается в том, что, как представляется, требуется очень долгое время для повторного образования ударной волны после того, как транспортное средство выходит из предыдущей «трубки» низкой плотности. В приведенном выше условном случае (что согласуется с выполненным нами моделированием) такой подход может сэкономить 50% выделяемой энергии, что позволяет нам удвоить существующую эффективность (вдвое уменьшить потребление энергии, чтобы получить те же преимущества).
[00147] Причиной обсуждения вышеупомянутого способа (способов) нагревания протяженного пути в воздухе является его применимость к управлению/смягчению ударной волны. Начнем с рассмотрения исследований развития во времени точечного нагрева перед ударной волной, а затем суммируем проведенные нами эксперименты с областями расширенного нагрева.
[00148] Красивые аэродинамические исследования, выполненные Адельгреном с сотрудниками (см. Фиг.27 и 28) позволили наблюдать влияние выделения энергии на головную ударную волну сферической модели при скорости 3,45М. Область лазерного нагрева представляет собой приблизительно точечный источник, однако она несколько удлинена вдоль направления распространения импульса и поперек потока воздуха в аэродинамической трубе (луч входит со стороны аэродинамической трубы). Результирующий нагрев можно эффективно аппроксимировать как точечный источник, развитие которого в качестве расширяющейся сферической ударной волны было подробно изучено. Основной сигнатурой этого расширения является сферическая ударная волна, создающая волну высокую плотности/высокого давления, направленную наружу, и оставляющая в центре горячий «пузырек» низкой плотности. Этот «пузырек» низкой плотности расширяется до заданного размера (в зависимости от количества энергии, выделенной в воздух), а затем останавливается, в то время как звуковая ударная волна продолжает расширяться наружу и ослабевает.
[00149] Фиг.27 показывает добавление приблизительно десятков мДж в поток с помощью инфракрасного импульса длительностью 10 нс. Расширение результирующей сферической ударной волны наблюдается по мере ее распространения. Можно заметить, что «пузырек» низкой плотности сохраняет свой эффективно постоянный радиус, в то время как слабеющая звуковая ударная волна продолжает расширяться. Этот «пузырек» низкой плотности представляет собой сферический аналог цилиндрической «трубки/ядра» низкой плотности, производимой при выделении энергии вдоль линии, как было количественно определено Плустером.
[00150] Фиг.28 показывает ту же самую геометрию со сферической моделью в аэродинамической трубе, помещенной в поток позади точки выделения энергии. Нанесенное на шлирен-изображения распределение давления показывает, как вызванное лазером сферическое расширение взаимодействует с ударной волной модели. Используя поверхность модели в качестве нулевой оси, «круговая» линия перед моделью представляет собой базовое поверхностное давление (измеренный во время невозмущенного потока). Другая линия представляет собой поверхностное давление, измеренное во время фотографирования. Эти три кадра демонстрируют мгновенное снижение давления по мере того, как потоки «пузырьков» низкой плотности, нагретых лазером, проходят через отверстия для сброса давления на поверхности модели.
[00151] Фиг.29 показывает развитие во времени давления на критической точке модели (точке с самым большим колебанием давления). Поскольку «пузырек» низкой плотности взаимодействует с моделью и ее ударной волной, повышение давления отмечается по мере того, как высокая плотность расширяющейся ударной волны сначала взаимодействует с ударной волной модели и датчиками давления. Затем падение давления происходит по мере подхода «пузырька» низкой плотности. Это приводит к наружному шлейфу на Фиг.30, который затем возмущает остальную часть структуры головной ударной волны, и результаты демонстрируют прямую природу взаимодействия нагретого лазером газа с головной ударной волной сверхзвукового объекта и полем потока.
[00152] Для того, чтобы исследовать более эффективную цилиндрическую геометрию, компания PM&AM Research выполнила некоторые исследовательские экспериментальные работы для оценки того, что потребуется в экспериментах в аэродинамической трубе, а также провела аналитические расчеты и численное моделирование на геометрии ударной трубки с обычной ударной волной, налетающей на различные геометрии низкой плотности. Эти работы показали большое преимущество использования трубчатой геометрии. Заданное количество энергии выделялось либо в точке перед ударной волной, либо вдоль линии впереди той же ударной волны (ориентированной в направлении распространения ударной волны). Точечный нагрев приводил к некоторому перемешиванию газа, и общее воздействие на ударную волну было минимальным. С точки зрения сверхзвукового транспортного средства очень мало воздуха выталкивается с пути транспортного средства с помощью геометрии «точечного нагрева». Почти половина газа расширяется в направлении к транспортному средству и сталкивается «фронтально» с ударной волной транспортного средства, в то время как другая половина отходит от транспортного средства только для того, чтобы быть подхваченной и поглощенной ударной волной транспортного средства. В отличие от этого, для случая внезапного линейного нагрева почти весь цилиндрически расширяющийся газ выталкивается в стороны с пути транспортного средства (или по меньшей мере от его линии торможения). Наблюдается, что транспортное средство перемещается преимущественно вдоль трубки низкой плотности, наслаждаясь долговременным снижением температуры, давления и плотности на переднем крае и вдоль передней поверхности транспортного средства в целом. Кроме того, когда газ смещается в сторону до того, как транспортное средство столкнется с ним, то вместо того, чтобы быть ускоренным транспортным средством вперед и в стороны, он имеет возможность рециркулировать за транспортное средство. Эта рециркуляция восстанавливает давление около основания, тем самым не только устраняя донное сопротивление, но также и обеспечивая среду более высокой плотности, от которой двигательная установка может отталкиваться, резко увеличивая тем самым эффективность движителя. Эти динамики изображены на Фиг.14, а параметрическое исследование резкого снижения лобового сопротивления и экономии энергии описано в сопроводительной статье в этом сборнике, а также в ссылках.
[00153] Как только транспортное средство полностью использует нагретый путь (ядро), с помощью импульсного нагрева может быть создан другой нагретый путь, что приведет к скорости повторения, основанной на размере и скорости транспортного средства, а также длине нагретого ядра и любого ненагретого пространства, оставляемого между последовательными ядрами.
[00154] Предлагаемая технология критически зависит от электромагнитной энергии, передаваемой в воздух в точно определенной расширенной геометрии перед ударной волной транспортного средства. Лазерные «разряды» или «вспышки» с большим успехом исследовались, начиная с 1960-х годов. Масштабирующие соотношения были получены для различных длин волн, а также были определены сопутствующие механизмы, такие как пыль и диффузия носителя. Однако для нашего применения требуется больше, чем просто вспышка в воздухе. Мы требуем хорошо контролируемого расширенного потока воздуха, который будет нагреваться максимально эффективно. Эти способы могут быть оптимизированы, и одним из наших основных интересов является ионизация и выделение энергии, возникающее в результате прохождения лазерных импульсов в атмосферу.
[00155] Преимуществом использования ультрафиолетовых длин волн является контролируемая ионизация и выделение энергии. Многие исследователи выделяют энергию в воздух с помощью инфракрасных лазеров, что также имеет свои преимущества. Одним из преимуществ является большой диапазон доступных материалов инфракрасного лазера-усилителя, а другой - возможность интенсивного нагрева и ионизации. С другой стороны, значительно большее количество вторичного света, создаваемого инфракрасным поглощением, приводит к меньшему количеству энергии, доступной для нагревания воздуха.
5
[00156] При сравнении ионизации, вызванной ультрафиолетовым и инфракрасным лазерами, фактические механизмы сильно отличаются. Одно из основных отличий заключается в том, что более высокая частота ультрафиолетового излучения позволяет проникать в больший диапазон плазмы. Это происходит потому, что для того, чтобы не отражаться ионизированным газом, частота лазера должна превышать частоту ионизации плазмы. Следовательно, как только (низкочастотный) инфракрасный лазер начинает ионизировать газ, незадолго до того, как он сильно отразится, рассеивается и поглощается плазмой, которую он только что создал. Результатом, как правило, является либо одиночное ионизованное пятно, которое препятствует распространению вперед оставшейся энергии импульса, либо серия «шариков» плазмы вдоль пути импульса. В случае одиночного ионизованного пятна общее удлинение может возникать вдоль пути импульса благодаря множеству механизмов, связанных с лазерной детонационной волной, которая распространяется назад к лазеру. Эта детонационная волна может распространяться со скоростью 10 м/с, что делает ее кандидатом для создания расширенного горячего пути перед транспортным средством. К сожалению, мы видели только сообщения об относительно коротких путях (порядка сантиметров), которые в лучшем случае были бы полезными только для намного меньших применений, чем это сейчас возможно. Однако индуцированное инфракрасным лазером образование серии плазменных шариков наблюдалось на нескольких метрах, и даже эта «пунктирная» линия может служить приближением к генерации нашего требуемого «расширенного горячего пути».
[00157] Другое отличие в механизме ионизации инфракрасным излучением от ультрафиолетового излучения заключается в конкуренции между «лавинной» или «каскадной» ионизацией и многофотонной ионизацией. Результатом их анализа является то, что более короткие длины волн, более короткие импульсы и газ с более низким давлением способствуют многофотонной ионизации, тогда как более длинные волны, более длинные импульсы и более высокие давления газа способствуют каскадной ионизации. Каскадная ионизация происходит в присутствии высоких плотностей фотонов через обратное тормозное излучение. Этот процесс, которому способствует атом/молекула газа, ускоряет электрон вперед после того, как он поглощает импульс лазерного фотона. Наращивание импульса свободного электрона продолжается до тех пор, пока он не получит достаточного количества кинетической энергии для того, чтобы ударно ионизировать другой электрон, связанный с атомом/молекулой газа. Это приводит уже к двум электронам, поглощающим фотоны и наращивающим свою кинетическую энергию. Продолжая эту динамику, один электрон может размножиться многократно, если для этого достаточно фотонов, достаточно молекул газа для взаимодействия и достаточно времени для множества стадий. Оценка пороговой интенсивности, необходимой для достижения пробоя таким образом, составляет:
th
eff
p
eff
2
2
-1
I ~(ω+ν)*(τ*ν)
eff
p
th
где ν - эффективная скорость передачи импульса между электроном и газовой частицей (пропорциональная давлению газа); ω - частота лазера; и τ - ширина импульса. Очевидно, что I является более низкой для более низких лазерных частот, более высоких давлений и более длительных ширин импульса.
[00158] В случае многофотонной ионизации столкновение высшего порядка имеет место между атомом/молекулой неионизированного газа и n фотонами (достаточно, чтобы обеспечить энергию ионизации). В качестве примера, первый потенциал ионизации молекулярного азота составляет 15,5 эВ, в то время как излучение KrF с длиной волны 248 нм имеет энергию фотона hν, равную 5 эВ. Поскольку по меньшей мере 4 таких фотона необходимо для того, чтобы обеспечить 15,5 эВ, ионизация должна являться процессом с 4 фотонами (то есть n=4). Для фотонов с длиной волны 1,06 мкм значение hν=1,165 эВ, что приводит к фотонному процессу с n=13, а для фотонов с длиной волны 10,6 мкм значение hν=0,1165 эВ, что приводит к фотонному процессу с n=134 (крайне маловероятное столкновение). Дополнительное эмпирическое правило может быть использовано для обозначения длительностей импульсов, для которых доминирует многофотонная ионизация:
p
-7
P*τ<10(мм рт.ст*с)
p
[00159] Это означает, что при атмосферном давлении τ должно быть ниже 100 пс для многофотонной ионизации, чтобы она стала доминирующей, в то время как более длинные импульсы с большим количеством энергии могут использоваться при более низких давлениях (на больших высотах).
R
[00160] Как было обсуждено ранее, каскадная ионизация, происходящая при длинном инфракрасном импульсе, будет сильно отражать и рассеивать большую часть света в импульсе. Для ультрафиолетового импульса ионизированная область может оставаться относительно прозрачной для импульса, и поэтому может быть ионизирована расширенная область газа. Фактически может быть ионизирована область, сосредоточенная вокруг оптического фокуса системы, размером в один «рэлеевский диапазон» (z) в любом направлении, где:
R
o
o
o
2
z=ω/Θ=ω*f/d=π*ω/λ
(для гауссова луча)
o
R
где ω - сужение луча (минимальная ширина фокального пятна), f - фокусное расстояние линзы, d - диаметр линзы и λ - длина волны излучения лазера. Используя линзы с f=1 м и 1,5 м, можно ионизировать протяженные пути длиной несколько см. Используя отрицательную оптику для уменьшения f/# линзы, можно получить ионизированный канал длиной 2*z=24 см.
2
13
-
3
19
-
3
[00161] Сравнивая энергии, требуемые двумя различными механизмами ионизации, мы видим, что короткие ультрафиолетовые импульсы являются намного более эффективными при создании проводящего пути. Использование излучения с длиной волны 248 нм для создания канала в воздухе диаметром 1 см и длиной 1 м, ионизированного до 10 e/см, требует импульса с энергией всего 2,4 мДж. С другой стороны, если бы проблему плазменного отражения можно было бы обойти, и инфракрасный лазер можно было бы использовать для ионизации того же самого канала, это было бы сделано почти полностью (2,7×10 e/см) и потребовало бы импульса с энергией приблизительно 6,4 Дж. Использование этого полного количества энергии от лазера является очень дорогим, благодаря в целом неэффективному преобразованию электричества в лазерное излучение. Если вместо этого в воздухе создается лазерная нить, которая выделяет энергию в газ для создания канала низкой плотности очень малого диаметра, этот канал низкой плотности может использоваться для проведения электрического разряда с высокой энергией, который будет выделять свою энергию в воздух намного более эффективно, чем лазер. Энергия, испускаемая электрическим разрядом, является также более дешевой, чем испускаемая лазером. Для того, чтобы смешивать и объединять наиболее полезные элементы каждого способа выделения энергии, следует отметить улучшенную ионизацию воздуха лазерными импульсами с длиной волны 1,06 мкм в присутствии предварительной ионизации. Один из возможных способов использования этого явления состоит в том, чтобы стратегически использовать для нагрева воздуха инфракрасное излучение, используя при этом предварительную ионизацию ультрафиолетовым лазером для указания требуемого места выделения инфракрасной энергии. Для того, чтобы облегчить этот процесс, ультрафиолетовый свет может генерироваться как гармоника инфракрасного света. Кроме того, что ионизация, создаваемая лазерным импульсом, является электропроводящей, она также имеет большое значение, поскольку она также выделяет энергию в воздух и создает канал низкой плотности. В этом канале низкой плотности заряды могут более легко ускоряться, приводя к намного более легкому образованию электрических разрядов вдоль пути ионизирующего лазерного импульса. Короткие временные рамки также увеличивают облегчающие формирование электрического разряда эффекты, которые могут оказывать метастабильные вещества, такие как метастабильный кислород. Потенциальным альтернативным методом выделения более дешевой энергии в область предварительно ионизированного и соответственно разреженного газа является использование микроволновой энергии. Изучение такого выделения в настоящее время находится на ранних стадиях.
12
-
3
16
-
3
[00162] Основным достижением в лазерной импульсной технологии, которое значительно расширяет наши возможности для нагревания расширенного пути, является процесс образования нити. Нити были изучены многими исследователями, и большая часть этой работы была выполнена на инфракрасных нитях. Ультрафиолетовые нити были предложены для преодоления/компенсации многих из недостатков использования инфракрасных длин волн. В соответствии с теорией ультрафиолетовые нити могут иметь километры в длину, могут содержать несколько Дж энергии, иметь радиус приблизительно 100 мкм и ионизировать газ в пределах от 1×10 e/см до 1×10 e/см. В отличие от этого инфракрасные нити не могут содержать больше чем несколько мДж энергии, и как только эта энергия исчерпывается (через потери на распространение), нить разрушается и очень сильно дифрагирует. Бродер предположил, и это позже было показано посредством моделирования, что большая часть энергии нити периодически перемещается к более размытому диаметру 1 мм по мере того, как она дифрагирует из более высокоионизированного внутреннего ядра. Этот свет остается в качестве резервуара для образования новых нитей, когда более ранние нити разрушаются.
15
-
3
[00163] При сравнении ультрафиолетового и инфракрасного излучения было показано, что ультрафиолетовые нити теряют приблизительно 40 мкДж/м, и дают ионизацию приблизительно 2×10e/см. Это, как сообщалось, в 20 раз больше, чем ионизация, измеренная в инфракрасных нитях, что приводит к 20-кратному увеличению проводимости. Другим преимуществом является то, что ультрафиолетовые нити не теряют энергию через «коническую эмиссию» света и поэтому более эффективно используют свою энергию для ионизации и нагрева газа, что приводит к более эффективному образованию небольших трубок низкой плотности, которые облегчают формирование электрического разряда.
[00164] Теоретические результаты показаны на Фиг.30 и демонстрируют колебательный обмен на длинах порядка метров между интенсивностью поля и ионизацией. Эти колебания имеют место внутри оболочки, которая может простираться на километры при достаточной начальной энергии и ширине импульса. На Фиг.30 и на Фиг.31 вертикальный масштаб изображен в мкм, а горизонтальный масштаб - в метрах. Линии на Фиг.31, которые представляют границы нити для 160 МВт начальной мощности, показывают практическое отсутствие размытия луча, и прогнозы этой модели хорошо согласуются с экспериментом. Сходство с инфракрасными нитями в колебании между ионизацией и плотностью фотонов предполагает потенциально интересные взаимодействия между массивами нитей. В этом случае индивидуальные «размытые» поля будут перекрываться, обеспечивая перекрестные взаимодействия или обмен энергий между нитями в массиве. Такой массив может быть создан путем построения начального профиля луча, чтобы иметь локальные максимумы интенсивности в определенных точках для образования зародышей нитей. Массив метровых нитей был бы эффективным способом выделения энергии очень концентрированным и управляемым образом. Одна из возможностей их сочетания может заключаться в том, чтобы использовать массив ультрафиолетовых нитей в качестве волновода для инфракрасного света. Интенсивность инфракрасного света для ионизации газа может быть ниже, чем в противном случае, однако ионизированная область между ультрафиолетовыми нитями может способствовать выделению инфракрасного излучения в газ. Это позволило бы эффективно выделять инфракрасное излучение в газ без необходимых в противном случае высоких интенсивностей поля. Такой дополнительный подход мог бы смягчить (как правило, слишком сильную) инфракрасную ионизацию и связанное с этим расточительное генерирование яркого света. Каналы низкой плотности, созданные ультрафиолетовыми нитями, могли бы также более эффективно направлять инфракрасный свет.
[00165] Способ экономически эффективного масштабирования выделения тепла, на котором мы первоначально сосредоточились, заключается в использовании области низкой плотности, генерируемой ионизированной лазером полосой газа или нитями для образования зародышей и направления электрического разряда.
[00166] Это было выполнено путем направления лазерного импульса с энергией 80 мДж длительностью 1 пс через два тороидальных электрода для того, чтобы создать ионизированный путь между ними. Эти электроды поддерживались под напряжением ниже их обычного разрядного напряжения, и когда ионизированный лазером путь создавал путь низкой плотности между ними, он зарождал разряд и направлял его по прямой линии (см. Фиг.32). Этот предшествующий импульс лазера смог уменьшить пороговое напряжение пробоя на 25-50% (которое обычно составляет порядка 20-30 кВ/см на уровне моря). Улучшенный пробой обусловлен рядом механизмов, причем основная выгода получается от малой области/трубки низкой плотности, создаваемой небольшим количеством энергии, которая выделяется самим лазерным импульсом. Были продемонстрированы разряды, инициируемые/направляемые более длинными нитями, с промежуточной длиной 2 м, как показано на Фиг.7.
[00167] Мы также генерировали электрические разряды (см. Фиг.33) путем соединения множества путей, образуемых множеством лазерных импульсов, как показано на Фиг.6.
[00168] Для дальнейшего приближения к практической реализации этой технологии на реальных платформах нитеобразующие лазеры использовались через аэродинамическое окно. Аэродинамические окна исторически использовались для того, чтобы «разделить» две области, между которыми должна распространяться энергия лазера высокой интенсивности. Это требуется в том случае, когда интенсивность лазера является в достаточной степени высокой, и энергия не может пройти через твердое окно без катастрофического разрушения как окна, так и самого луча. Вместо разделения различных областей твердым окном аэродинамическое окно разделяет их с помощью поперечного потока воздуха. Воздух высокого давления выходит через сопло для создания ударной волны и волны разрежения по обе стороны от окна. Это создает большой градиент давления поперек окна (перпендикулярно к направлению потока). Если соответствующие высокое и низкое давления совпадают с внешними давлениями по обе стороны от окна, то лишь малый или вообще нулевой поток будет проходить через или в/из окна, если просверлить маленькие отверстия для прохождения лазерного импульса (см. Фиг.34).
[00169] Использование аэродинамического окна позволяет обеспечить чистое разделение между устройством разряда энергии и произвольными внешними атмосферными условиями. Это может варьироваться от стационарных применений на уровне моря до сверхзвуковых/гиперзвуковых применений на различных высотах. Фактически поток внутри аэродинамического окна может регулироваться для приспособления к изменяющимся внешним условиям (например, к изменениям внешнего давления из-за высоты и скорости/геометрии транспортного средства).
[00170] В наших демонстрациях нити формировались импульсом, распространяющимся с вакуумной стороны аэродинамического окна (Фиг.34) в окружающую атмосферу. Они также распространялись из атмосферы через турбулентный/ударный поток внутри аэродинамического окна в диапазон давлений от 4 мм рт.ст. до 80 мм рт.ст. При этих низких давлениях нить расфокусировалась и выходила из камеры низкого давления через твердое окно. Затем, как сообщалось, она восстанавливалась в нить при атмосферных условиях. Эти геометрии продемонстрировали устойчивую природу ультрафиолетовых нитей, устраняя опасения, что они являются слишком хрупкими для внедрения и развертывания с любого диапазона платформ, включая сверхзвуковые/гиперзвуковые применения.
[00171] Аналогично нашей методике сопряжения электрических разрядов с лазерной плазмой, как экономически эффективного способа выделения больших количеств «дешевой» энергии в воздух, микроволновая энергия также является более экономически эффективной, чем лазерная энергия, и может аналогичным образом служить в качестве рентабельного способа для увеличения энергии, выделяемой в воздух вдоль плазменных геометрий, создаваемых лазером. Двумя связанными с этим преимуществами использования микроволн для более эффективного выделения энергии в воздух с помощью плазмы, генерируемой лазером, являются: i) отсутствие необходимости в замыкании цепи для выделения энергии; ii) энергия может выделяться с паузами, что может быть выгодным на более высоких скоростях. Сочетание нескольких методов выделения энергии, включая среди прочего лазерные импульсы и/или нити на разных длинах волн, электрические разряды, микроволновые импульсы и/или электронные пучки, может обеспечить еще большую гибкость. Сообщается о некоторых условных геометриях сочетания и результатах, и мы также изучаем детали сочетания коротких микроволновых импульсов с лазерной плазмой и нитями.
[00172] Для различных индивидуальных механизмов, которые происходят последовательно для достижения желаемых аэродинамических преимуществ, Таблица 1 суммирует условные временные рамки, участвующие в каждой стадии условного применения, для обеспечения подходящего контекста, в рамках которого следует рассматривать времена отклика любых датчиков и электроники, используемых в общей системе. В этой таблице показаны два механизма смягчения термодиффузии и тепловой плавучести, в сравнении с режимами, в которых они доминируют. Для очень малых «трубок», создаваемых самой нитью (которые позволяют формироваться электрическому разряду), термодиффузия представляет собой самый быстрый механизм, стирающий горячую трубку низкой плотности. В этом случае трубки существуют в течение времени, более длинного чем несколько микросекунд, требуемых для формирования электрического разряда. Для более крупных «трубок», создаваемых с помощью большого количества энергии, выделяемой электрическим разрядом, термодиффузия (которая действует на границе газа низкой и высокой плотности, определяющей трубку) является незначительной, и главным механизмом, разрушающим трубку, является тепловая плавучесть и неустойчивости, которые незначительно влияют на трубку в течение миллисекунд, что является достаточным количеством времени для прохождения через трубку даже самых медленных транспортных средств. Масштаб времени, требуемый для фактического создания трубки, также оценен, и он является в достаточной степени быстрым для того, чтобы трубка была создана за достаточное количество времени даже для самого быстрого транспортного средства, чтобы получить выгоду от полета через нее. Многие применения являются возможными, включая управление потоком посредством выделения энергии на поверхности (зачастую без потребности в лазере), во время которых применимые шкалы времени остаются примерно теми же самыми. Таблица 1 не содержит временную шкалу сочетания микроволновой энергии с лазерной плазмой, поскольку эта временная шкала еще не определена окончательно.
Таблица 1: Фундаментальные шкалы времени для условного применения
13
16
-
3
Ультракороткий лазерный импульс формирует нить с плотностью плазмы ~10-10e/см
8
a. Скорость света: (3×10м/с) → 1 фут/нс
Электроны рекомбинируют: передают энергию (то есть тепло) газу
b. Плазма рекомбинирует через ~10 нс (вплоть до 100 нс)
Создается малый канал низкой плотности (обеспечивающий разряд)
c. Создается через десятки нс (разрушение начинается благодаря термодиффузии через больше чем 100 мкс и до 1 мс)
Электрический разряд формируется
6
7
d. 10-10м/с → 10 фут/мкс
Электрический разряд длится несколько мкс
e. Ток течет и омически нагревает газ (линейный разряд молнии)
Создается крупномасштабный канал низкой плотности
f. от десятков до сотен мкс (разрушение благодаря тепловой плавучести начинается после десятков мс, что обеспечивает перемещение с низким лобовым сопротивлением на десятки метров для транспортного средства, движущегося со скоростью 1 км/с)
Полное время всего этого процесса приблизительно равно времени, требуемому для создания большой трубки (~100 мкс)
g. Достаточно быстро по сравнению со скоростями полета (транспортное средство, движущееся со скоростью 1-3 км/с, перемещается всего на 10-30 см за то время, которое требуется для того, чтобы создать большую трубку, через которую транспортное средство может перемещаться на десятки метров за десятки миллисекунд)
[00173] При обсуждении различных применений аппаратные средства и задержки являются важными факторами для рассмотрения, и временные масштабы показаны здесь для того, чтобы подчеркнуть важность их учета при определении цепочки синхронизации для конкретного применения, поскольку эти временные шкалы технических средств должны учитываться (в дополнение к фундаментальным шкалам времени, приведенным в Таблице 1) для выполнения реалистичных оценок и построения рабочей системы. Например, физические временные шкалы являются важными при смягчении незапуска воздухозаборников, однако датчики, сигналы и любая обработка (которую мы предпочитаем выполнять с использованием чисто аппаратных решений, когда это возможно) могут добавить задержку (в частности, датчики давления, поскольку другое оборудование обычно является более быстрым). Вышеупомянутые примеры системы подчеркивают быстрое время отклика наших подходов к управлению потоком по сравнению с другими имеющимися в настоящее время технологиями.
[00174] Мы обсудили некоторые тонкости выделения энергии в поток, включая механизмы объединения недорогого электрического разряда и/или источников микроволнового излучения. Множество деталей рассмотрено для того, чтобы помочь обеспечить более хорошее физическое/интуитивное понимание динамики и стимулировать будущее развитие этого широкого спектра революционных технологий с тем, чтобы кардинально изменить способ полета.
[00175] В прошлом были раскрыты подходы к снижению сопротивления за счет выделения энергии таким образом, чтобы смещать текучую среду, такую как воздух, в сторону с пути объекта, облегчая тем самым движение объекта вперед. Выделение энергии было дополнительно раскрыто для управления потоком, во множестве других применений [см. патенты Кремейера]. В одном варианте осуществления снижения лобового сопротивления энергия выделяется для того, чтобы создать область низкой плотности, через которую движется объект. Эта область низкой плотности имеет конечную протяженность, и дополнительные области низкой плотности могут быть созданы по мере движения объекта для того, чтобы продолжать получать выгоду от движения через область низкой плотности. Если эти области создаются в непосредственной близости друг к другу, почти непрерывная область низкой плотности может быть создана для того, чтобы пользоваться почти непрерывной выгодой. Поскольку области низкой плотности требуют для своего создания энергии, дополнительную выгоду можно получить за счет оптимального их использования. Определение/цель «оптимальной выгоды» может изменяться в зависимости от применения и относительной ценности связанных с ним выгод и ресурсов. Эти выгоды могут включать в себя, не ограничиваясь этим, скорость, дальность, энергию, вес, акустическую сигнатуру, импульс, время, мощность, размер, грузоподъемность, эффективность, точность и маневренность среди многих других возможностей. Эти выгоды изменяются от одного применения к другому, и конкретные параметры должны подстраиваться для конкретного варианта осуществления и его конкретных условий и целей. Мы раскрываем здесь концепцию адаптации конкретного варианта осуществления и включения в него импульсного выделения энергии, синхронизированного с другими импульсными или сингулярными событиями, таким образом, чтобы оптимизировать желаемые преимущества. Некоторые примеры этого приводятся ниже.
Синхронизированная работа в импульсном режиме для применений высокоскоростных летательных аппаратов/снарядов
[00176] В прошлых раскрытиях была описана динамика транспортного средства, проходящего через трубку низкой плотности, демонстрирующая импульсный эффект, начинающийся с того момента, как транспортное средство входит в трубку низкой плотности. Этот эффект сохраняется в течение некоторого периода времени, который зависит частично от длины трубки низкой плотности и от скорости транспортного средства. Фиг.14A-D упорядочены последовательно, причем их приблизительное относительное время разграничено на вставленном следе торможения. Один из аспектов динамики, который следует отметить, заключается в том, что сопротивление конусообразному условному транспортному средству несколько возрастает, когда оно проникает в оболочку с более высокой плотностью воздуха, окружающую трубку низкой плотности, созданную линией выделенной энергии. Эта оболочка с более высокой плотностью содержит газ, который был вытолкнут цилиндрически наружу для того, чтобы разредить трубку низкой плотности. После входа в часть трубки низкой плотности транспортное средство испытывает сильно уменьшенное лобовое сопротивление. В момент времени D транспортное средство пересекло первоначальную длину трубки, и это из кривой торможения видно, что дополнительное время требуется для восстановления условий стационарного потока. Еще один момент, который следует отметить, - это, по-видимому, полное устранение головной ударной волны и связанного с ней далеко слышного звукового удара во время прохода транспортного средства через трубку низкой плотности.
[00177] Помимо этих аспектов, представляющих большой интерес, одним из важнейших аспектов динамики является распределение давления вокруг транспортного средства в результате перераспределения плотности.
[00178] Как видно на Фиг.14A, прежде чем транспортное средство проникнет через часть трубки низкой плотности, плотность у основания транспортного средства является чрезвычайно низкой. Эта разреженная область низкой плотности/низким давлением у основания транспортного средства является следствием типичной сверхзвуковой/гиперзвуковой динамики текучей среды. Эта область возникает из-за того, что газ на пути движения транспортного средства выталкивается вперед и в сторону от транспортного средства, аналогично снежному плугу, сбрасывающему снег с его пути (оставляя позади область, свободную от снега). Эта динамика также схожа с динамикой, которую мы используем для создания области низкой плотности, когда мы выделяем энергию. В обоих случаях газ выталкивается наружу, оставляя позади разреженную область. Однако в отличие от типичного случая сверхзвукового/гиперзвукового полета, в котором никакая энергия не выделяется перед транспортным средством, механическая энергия, придаваемая транспортным средством находящемуся перед ним газу, приводит к образованию области высокого давления и ударной волне перед транспортным средством, проявляя то, что известно как волновое сопротивление с высоким давлением позади ударной волны, толкающее транспортное средство назад. Кроме того, вакуум, оставшийся после того, как транспортное средство механически вытолкнет газ вперед и в сторону от транспортного средства, приводит к образованию участка низкого давления у основания транспортного средства, что дает донное сопротивление, которое еще больше тянет транспортное средство назад. Обе эти силы сильно смягчаются, когда мы выделяем линию энергии перед транспортным средством для того, чтобы вытолкнуть газ в сторону от пути транспортного средства. Степень ослабления этих сил определяется количеством энергии, которое мы выделяем на единицу длины перед транспортным средством. Удаление газа из области перед транспортным средством уменьшает волновое сопротивление, а также минимизирует количество газа, которое механически выталкивается наружу под воздействием транспортного средства (что также минимизирует звуковой удар). Как было описано выше, донное сопротивление обычно возникает из области низкого давления, оставляемой позади, когда транспортное средство или снаряд механически раздвигает газ. В противоположность этому, когда газ перед транспортным средством/снарядом выталкивается в сторону путем выделения энергии перед транспортным средством/снарядом, то вместо того, чтобы быть «отброшенным» далеко в сторону, оставляя область низкой плотности позади транспортного средства/снаряда, приводящую к образованию донного сопротивления, этот газ может оставаться в более стационарном виде сразу за пределами пути транспортного средства, или если он находится на пути транспортного средства, он не так сильно ускоряется механически самим транспортным средством, что приводит к меньшему поперечному импульсу, придаваемому газу транспортным средством/снарядом. Чем меньший поперечный импульс придается газу, тем меньше звуковой удар, и меньше разрежение у основания. В пределе, когда газ перед транспортным средством полностью удаляется к краю транспортного средства (например, путем создания трубки, радиус которой равен радиусу транспортного средства), область с высокой плотностью газа, которая была вытолкнута из трубки низкой плотности, наиболее полно рециркулирует за транспортное средство, восстанавливая давление у основания. В дополнение к этому к этому восстановлению давления у основания, являющемуся существенным вкладом в общее снижение лобового сопротивления транспортному средству, этот эффект может быть объединен с процессом импульсного движения для того, чтобы максимизировать общую эффективность работы транспортного средства. В прошлом мы рассматривали главным образом аэродинамические характеристики транспортного средства. Рассмотрение движения, и фактически рассмотрение импульсного движительного процесса, обеспечивает еще большую оптимизацию транспортного средства, в частности в сжимаемых режимах полета, особенно в сверхзвуковых и гиперзвуковых режимах, а также в высокоскоростных дозвуковых/трансзвуковых режимах. В одном варианте осуществления оптимальным преимуществом является проектирование воздушного судна вокруг этой концепции для того, чтобы сделать возможным простейшее и наиболее экономичное транспортное средство. Другие оптимальные преимущества могут включать в себя перечисленные ранее, например, кратчайшее время полета. В дополнение к выделению энергии перед транспортным средством для уменьшения лобового сопротивления и управления судном, мы можем синхронизировать эти динамики с импульсной двигательной установкой (которая является намного более эффективной, чем устойчивое движение, например, импульсный детонационный двигатель, среди прочих импульсных двигателей), чтобы достичь желаемого эффекта (эффектов). Другие и/или дополнительные процессы также могут быть синхронизированы с этой динамикой для достижения еще большей выгоды, и сначала мы рассмотрим импульсное движение, используя пример импульсного детонационного двигателя. На Фиг.18 изображены два условных представления динамики импульсного детонационного двигателя.
[00179] Одним из важных аспектов импульсного движения является давление на выходе/выхлопе системы. В типичном случае очень низкого давления у основания, приводящего к очень низким давлениям на выходе/выхлопе двигательной установки, детонационная труба (часть, в которой происходит сгорание в импульсном детонационном двигателе) очень быстро заполняется реагентами. При очень низком противодавлении часть цикла движения с высоким давлением (время продувки) также длится недолго. Типичная продолжительность цикла двигателя зависит от конструктивного решения двигателя, и геометрия может варьироваться для того, чтобы изменить продолжительность цикла. Дополнительными критическими факторами, влияющими на продолжительность цикла, являются: массовый расход на входе (более конкретно, массовый расход и давление на впускной плоскости детонационной трубы, которая обычно открывается и закрывается клапаном), влияющий на скорость, с которой труба заполняется реагентами; а также давление в плоскости выхода/выхлопа, которое влияет на время пребывания продуктов детонации под высоким давлением и их результирующую тягу. При типичных условиях полета эти давления на впускной и выходной плоскостях определяются параметрами полета. Когда мы добавляем описанную выше динамику выделения энергии, становится возможным очень благоприятно модифицировать условия как на входе, так и на выходе импульсного детонационного двигателя.
[00180] Основной подход будет заключаться в синхронизации импульса выделения энергии перед транспортным средством с движущим импульсом таким образом, чтобы воздух спереди обтекал вокруг транспортного средства для восстановления давления на выходе (выходах) одной или более силовых установок, обеспечивая улучшенное удержание выходящих газов, совпадающих с движущей частью цикла работы импульсного двигателя (например, импульсной детонации). Другими словами, эти динамики включают в себя синхронизацию/фазирование/выбор времени увеличенного основного давления (то есть увеличенного давления в плоскости (плоскостях) выхода/выхлопа двигателя/двигателей) в результате выделения энергии перед транспортным средством для оптимизации движущей силы/тяги, генерируемой одним или несколькими циклами работы импульсного детонационного двигателя. Добавочное удержание, обеспечиваемое повышенной плотностью на выходе (выходах) двигателя/двигателей, будет значительно увеличивать движущую эффективность по сравнению с обычной работой.
[00181] Аналогичным образом установление низкого давления у основания, когда головная ударная волна транспортного средства восстанавливается (после ее смягчения трубкой низкой плотности) может быть синхронизирована/фазирована для облегчения стадий продувки и заполнения цикла работы двигателя. Более низкое давление у основания будет обеспечивать более быструю продувку продуктов сгорания и заполнение новыми горючими реагентами. Это может быть сделано как в режиме забора воздуха снаружи, так и в ракетном режиме (в котором окислитель находится на борту, а внешний воздух не используется). Ракетные режимы могут применяться, когда требуется максимальная мощность/тяга независимо от внешних условий, в частности, когда скорость и мощность оцениваются по уменьшенному весу и объему транспортного средства.
[00182] В тех случаях, когда движительный процесс является воздушно-реактивным, мы можем также так выбрать время выделения энергии, чтобы предпочтительно направить некоторое количество воздуха, смещаемого перед транспортным средством, в воздухозаборник. Все эти детали синхронизируются вместе и диктуются конструкцией транспортного средства, которая может быть оптимизирована для использования преимуществ различных динамик. Согласование периода повышения давления с периодом максимального давления выхлопных газов может быть обусловлено, соответственно, изменением длины создаваемой нами трубки низкой плотности и длины импульсного детонационного двигателя, а также корректировкой времени между ними, и все эти параметры, среди прочего, могут быть скорректированы с целью оптимизации эффективности транспортного средства для данного применения. Аналогичным образом впускное отверстие может быть сконструировано таким образом, чтобы воздух поступал для питания цикла движения, который до некоторой степени уже будет определен более ранними условиями согласования. Для того, чтобы добавить гибкости, мы не должны согласовывать тот же самый цикл (например, если поток газа высокой плотности вокруг корпуса для восстановления давления у основания движется слишком медленно благодаря трению обшивки, то мы можем выбрать размер транспортного средства и время динамик таким образом, чтобы период высокого давления, которое мы создаем у основания, совпадал с фазой создания тяги некоторого цикла импульсного детонационного двигателя, не обязательно того, который начался, когда была инициирована трубка низкой плотности). Дополнительная гибкость может быть обеспечена, например, если мы хотим использовать более короткие трубки низкой плотности или более короткие двигатели (или более короткие детонационные трубы в двигателях), применяя один подход к созданию нескольких двигателей, которые работают последовательно, как пулемет Гэтлинга (или в зависимости от того, какая схема обеспечивает наиболее выгодные силы и динамику). Каждая детонационная труба может иметь свое собственное входное отверстие, которое может быть снабжено аналогичным последовательным применением кольца электродов, которые образуют дугу, обращенную к центральному электроду. Эти разряды создают инициированную/направляемую лазером V-образную форму, которая не только уменьшает общее сопротивление, удаляя воздух перед транспортным средством, но также и сжимает воздух между сторонами этой V-образной формы, чтобы облегчить питание через меньшее входное отверстие. Для того, чтобы обеспечить более высокое давление и кислород для двигателей в их впускных отверстиях, впускные отверстия будут срабатывать в той же последовательности, что и детонации в нескольких трубах двигателя, хотя и с задержкой на некоторое количество времени, определяемое для наилучшего согласования преимуществ восстановления давления у основания в сочетании с представлением газа высокой плотности во входном отверстии вместе с общими циклами двигателя, предназначенными для платформы. Обычно используется клапан в двигателе, который открывается для засасывания воздуха и закрывается во время детонации. Путем добавления вращающегося клапана (следуя, например, тому же самому духу концепции пулемета Гэтлинга), его вращение может регулироваться/сдвигаться для того, чтобы подходящим образом облегчить движущую последовательность. Такое вращательное движение можно аналогичным образом использовать для облегчения создания лазерных нитей.
[00183] Выбор времени выделения энергии перед транспортным средством и циклов двигателя может влиять на конструкцию и рабочие параметры системы для определения требуемых длин и диаметров труб двигателя, а также определять количество самих двигателей, приводя к продолжительности цикла движущего импульса, соизмеримой с продолжительностями цикла выделения энергии. Они могут варьироваться от менее чем 1 мс до нескольких мс. В частности, один интересующий диапазон может быть связан с короткими линиями выделения энергии (предположительно в диапазоне от 10 см до 40 см) на высоких скоростях (предположительно в диапазоне от 6М до 12М), приводя к продолжительности цикла в пределах от 0,025 мс до 0,2 мс). Для того, чтобы согласовать эти продолжительности цикла выделения энергии с сопоставимыми продолжительностями движущего цикла, можно использовать более короткие трубы двигателя с подходящим образом настроенными диаметрами и с подходящим количеством таких труб. Эти трубы также могут быть настроены так, чтобы производить более короткие движущие импульсы, чем эта продолжительность цикла, чтобы использовать цикл как высокого, так и низкого давления, возникающий в результате динамики трубки, уменьшающей лобовое сопротивление. Полное согласование выделения энергии и движущих циклов также может быть неизбежным, если требования выбора времени становятся чрезмерно ограниченными. Дополнительной переменной, которая помогает достичь наилучшего соответствия, с согласованием или без согласования продолжительности движущего импульса с циклом выделения энергии, является степень, до которой воздух модулируется в потенциальный массив входных отверстий, потенциально управляющий потенциальным массивом труб двигателя. Для того, чтобы лучше согласовать динамики, существует также гибкость в том плане, чтобы каждая из потенциального множества труб двигателя выбрасывала выхлоп в ее собственную отдельную плоскость выхлопа, либо трубы двигателя выбрасывали выхлоп в одну или несколько общих плоскостей выхлопа. На другом конце потенциальных продолжительностей цикла более длинные продолжительности цикла могут получаться при полете на более низких скоростях (например, 0,8М - 6М) и использовании более длинных трубок выделенной энергии (например, в пределах 1-10 м), давая диапазон продолжительности циклов снижения лобового сопротивления и давления у основания (согласующиеся с движущим циклом) от ~40 мс до 0,5 мс. Этот диапазон более длинных продолжительностей цикла может быть согласован с использованием меньшего количества труб двигателя, включая одиночную трубу, с деталями, критически зависящими от конструктивного решения и эксплуатационных условий транспортного средства и двигателя (трубы (труб)).
[00184] Аналогично использованию электрических разрядов вдоль замкнутого контура, направляемого и инициируемого ионизирующими лазерными импульсами (такими как лазерные нити), энергия также может выделяться дополнительно перед транспортным средством с использованием способов более удаленного выделения, таких как выделение микроволновой энергии, которое облегчается за счет создания ионизированной области перед транспортным средством, опять же потенциально с использованием лазерной плазмы. Эта микроволновая энергия также может предпочтительно направляться вперед с использованием лазерной плазмы, такой как лазерные нити. Высокие микроволновые энергии, получающиеся в результате достаточно коротких микроволновых импульсов, также могут использоваться с созданием зародышей или без него для увеличения выделения микроволновой энергии в воздух. Среди прочего, три преимущества выделения энергии перед объектом заключаются в том, что: i) не требуется обратный путь, что упрощает и уменьшает выделение энергии в любой направляющий/инициирующий путь или область; ii) возбужденный объем имеет больше времени для расширения, что является выгодным при полете с очень высокими числами Маха (например, 9-25), хотя направляемые лазером электрические разряды по-прежнему демонстрируют огромные преимущества на этих скоростях; iii) для ионизирующих ударных волн, обычно встречающихся на скоростях выше 12М или 13М, более удаленно сфокусировавшая микроволновая и/или лазерная энергия может проникать в ионизированную ударную волну, смягчая любые осложнения, которые могут возникнуть в результате электрического разряда, взаимодействующего с ионизированной ударной волной. Учет этого соображения при использовании электрического разряда требует, чтобы лазерный путь был более благоприятным, чем другие потенциальные пути, содержащие различные уровни ионизации на ионизирующих скоростях.
[00185] В дополнение к выделению энергии в воздухе перед транспортным средством для модулирования воздуха, с которым сталкивается транспортное средство (и который засасывается в воздухозаборники для воздушно-реактивных применений), также возможно использовать поверхностные разряды для фазирования/синхронизации выделения энергии, как внутренним, так и внешним образом, чтобы управлять внутренними и внешними потоками для улучшения эффективности движения, характеристик, управления и/или общей эффективности транспортного средства.
[00186] Аналогично высокоскоростному воздушному транспортному средству/снаряду, описанному выше, энергия может выделяться перед высокоскоростным наземным транспортным средством и фазироваться/синхронизироваться с различными другими рабочими процессами для того, чтобы оптимизировать некоторые выгоды. В случае электрического высокоскоростного поезда большая часть инфраструктуры для выделения энергии уже присутствует. Электрические импульсы уже направляются к дорожке для левитации, приведения в движение, контроля и/или управления наземным транспортным средством. Эта существующая инфраструктура сильно облегчает использование сетевой мощности для обеспечения энергии, которая должна выделяться для создания области низкой плотности перед транспортным средством для резкого уменьшения лобового сопротивления и обеспечения более высокой скорости. В некоторых вариантах осуществления никакие лазерные импульсы не потребуются, поскольку уже существует дорожка для направления транспортного средства, определяющая его путь. Энергия может быть выделена перед транспортным средством вдоль его пути с использованием высокоэнергетических электрических разрядов, создавая область низкой плотности или трубу, которая точно следует за дорожкой. Размером трубы низкой плотности можно управлять для того, чтобы создать желаемый уровень снижения лобового сопротивления при одновременном улучшении аэродинамической устойчивости наземного транспортного средства. Как и при выделении энергии перед летательным аппаратом, диаметр трубы будет определяться энергией, выделяемой на единицу длины, а также окружающим атмосферным давлением. В случае выделения энергии вдоль земли или вдоль дорожки, вместо идеальной формы трубы низкой плотности, являющейся цилиндром, центрированным вокруг линии выделенной энергии (как при выделении энергии вдоль линии на открытом воздухе), форма трубы при выделении энергии вдоль линии на идеальной плоской поверхности будет полуцилиндром.
[00187] Если бы полуцилиндр воспроизводился как отражение на идеальной плоской поверхности, он казался бы полным цилиндром, идентичным случаю выделения энергии на открытом воздухе. Поскольку разрежается только половина цилиндра, нужна только половина энергии для создания полуцилиндра вдоль земли (вдоль дорожки) того же самого диаметра. В действительности геометрические девиации дорожки от совершенно плоской поверхности, а также взаимодействия между ударной волной, создаваемой выделенной энергией, и землей и истинной геометрией дорожки, будут приводить к отклонениям от идеальности. Однако объем низкой плотности, создаваемый перед транспортным средством, будет примерно тем же самым, что и объем идеального полуцилиндра на идеальной плоской поверхности, и его фактическую форму можно регулировать/контролировать путем формирования дорожки. Фактически уровень нечувствительности к деталям выделения энергии позволяет включить в этот процесс ряд благоприятных особенностей. Одной из этих особенностей является способность выделять энергию в электрическом разряде (для создания трубки низкой плотности) в форме нескольких подимпульсов вместо одного большего одиночного импульса. Это может уменьшить размер/мощность многих элементов схемы и проводников, а также обеспечить лучшее использование существующих цепей, например, когда в данный момент времени или в данной точке вдоль дорожки задействовано несколько движущих и левитационных магнитов, тогда энергия из этих индивидуальных цепей может перенаправляться/рециркулировать индивидуально и использоваться для создания электрического разряда (разрядов) вдоль некоторого сегмента дорожки, что обеспечит такую же выгоду, которая была бы достигнута, если бы вся энергия была собрана и консолидирована из временно или частично перекрывающихся движущих и левитационных цепей. Каждая из приводных цепей для этих движущих и левитационных цепей также может быть выполнена с возможностью независимого привода цепи электрического разряда без предварительной консолидации. Как было раскрыто в более раннем патенте, включенном в настоящий документ посредством ссылки, проводящие пути вдоль дорожки (вдоль которой электрический разряд производится для выделения энергии в воздух) могут состоять из немного более проводящих путей, чем менее проводящая среда, в которой они находятся (такая как бетон или другой плохо проводящий электричество материал дорожки). Немного более предпочтительные электропроводящие пути могут также состоять из «пунктирного» проводящего материала, такого как части электродного материала, находящегося в менее проводящем материале дорожки. Аналогично гибкости, обеспечиваемой временным разделением разряда на несколько отдельных разрядов во времени, которые будут консолидироваться в одну трубку низкой плотности, электрический разряд может также состоять из пространственно различных разрядов, которые могут консолидироваться в одну общую трубку низкой плотности. Это пространственное разделение может иметь место, например, между различными частями электродного материала, причем отдельный сегмент этой «пунктирной» линии независимо подпитывается. Это пространственное разделение может также происходить в виде электрических разрядов, проходящих примерно на ту же самую длину, но по отдельным путям (один из вариантов этого - выделение энергии вдоль нескольких пространственно различных, но параллельных путей, из которых трубки низкой плотности расширяются и сливаются в форму одной большой общей трубки низкой плотности. Более реалистично, что такие отдельные пути, вероятно, будут неидеальными и не обязательно идеально параллельными друг другу, с небольшими отклонениями в их индивидуальных путях. Эта гибкость в пространственной и временной частоте также может быть объединена путем выделения энергии вдоль различных путей в разное время, если они достаточно близки во времени и пространстве для того, чтобы они сливались в общую трубку низкой плотности. В дополнение к приспособленности к большим естественным колебаниям эта гибкость уменьшает допуски, а также позволяет более эффективно использовать существующие схемы, не добавляя ненужных схем для консолидации энергии из нескольких источников питания (например, тех, которые питают множество движущих и/или левитационных катушек) или рециркуляции/извлечения энергии из нескольких движущих и/или левитационных катушек. Другой особенностью является возможность размещения небольшого навеса над одним или более предпочтительно проводящих путей в менее проводящем материале дорожки, обеспечивающего защиту пути (путей) и электрического разряда (разрядов) от мусора, погоды, и экологических факторов, таких как, например, птичий помет. Для защиты от накопления дождевой воды водосточные желоба также могут быть установлены без вредного влияния на отверстие трубы, и навес может быть установлен над всей дорожкой в качестве дополнительной защиты окружающей среды, возможно с несколькими слоями, перфорированными таким образом, чтобы минимизировать отражение, и экран или сетка также могут быть по желанию установлены вокруг дорожки для того, чтобы исключить попадание диких животных. Дополнительной эксплуатационной особенностью может быть наличие прохода для транспортного средства, очищающего дорожку, например, буксировка легкой щетки позади транспортного средства. Сами электрические разряды также будут помогать устранять любое потенциальное загрязнение.
[00188] Для движения электрические высокоскоростные наземные транспортные средства (например, транспортные средства на магнитной подушке) могут использовать линейный синхронный двигатель, причем мощность подается на обмотки на направляющей (то есть на «активную направляющую»). После того, как электромагнит был возбужден как для движения, так и для подъема, индуктивная энергия, запасенная в контуре/цепи, должна быть рассеяна. Большие усилия обычно затрачиваются на минимизацию дуг, возникающих в результате диссипации этой энергии, из-за генерирования большого напряжения после прохождения поезда, причем естественная тенденция заключается в том, что для этого большого напряжения возникает сильная дуга, которая исторически рассматривалась как проблема для смягчения. С другой стороны, эта энергия может продуктивно использоваться путем выделения ее перед транспортным средством для удаления воздуха перед транспортным средством вместо того, чтобы рассеивать ее в элементах схемы для рассеивания в течение длительного времени. Кроме того, поскольку при высокой скорости, движущая энергия, требуемая для приведения транспортного средства в движение, имеет тот же самый порядок или больше, чем энергия, требуемая для выталкивания газа с пути транспортного средства, мощность и энергия, подаваемые в индуктивные элементы двигателя, уже достаточны для обеспечения импульсной электрической энергии, необходимой для снижения сопротивления транспортному средству (эта доступная мощность и энергия могут быть дополнены мощностью и энергией от левитационных элементов). Для того, чтобы преобразовать индуктивно сохраненную электрическую энергию в электрический разряд, подходящий для снижения сопротивления и повышения стабильности, потребуются определенные схемы, уникальные для общей конструкции транспортного средства и схемы подачи и преобразования питания, и эта электрическая схема может быть либо установлена в каждом индуктивном магните вдоль дорожки, либо она может включаться в само транспортное средство, сокращая тем самым затраты. Также может быть использован гибридный подход, в котором часть этих схем электрического разряда распределяется вдоль дорожки, а часть электрической включается в транспортное средство, гарантируя, что разряды происходят только впереди транспортного средства во время штатного функционирования. Это может служить в качестве выгодной и естественной особенности системы безопасности. Что касается энергии, то для более низких скоростей, например, 100 м/с - 280 м/с, энергетические импульсы могут выделяться перед транспортным средством в форме электрических разрядов для обеспечения большой скорости и стабильности, имеющих величину примерно 50% - 300% от движущих импульсов, используемых для перемещения транспортного средства против фрикционных и резистивных сил. На более высоких скоростях, например, 250 м/с - 600 м/с, энергетические импульсы могут выделяться перед транспортным средством в форме электрических разрядов для обеспечения большой скорости и стабильности, имеющих величину примерно 20% - 200% от движущих импульсов, используемых для перемещения транспортного средства против фрикционных и резистивных сил. На еще более высоких скоростях, например, 450 м/с - 1200 м/с, энергетические импульсы могут выделяться перед транспортным средством в форме электрических разрядов для обеспечения большой скорости и стабильности, имеющих величину примерно 15% - 150% от движущих импульсов, используемых для перемещения транспортного средства против фрикционных и резистивных сил. В одном варианте осуществления аппаратное обеспечение вдоль дорожки, как ожидается, будет стандартизировано и способно генерировать одинаковые движущие (и левитационные, сообразно обстоятельствам) импульсы с максимальной энергией, а также электрические разряды перед транспортным средством между движущими магнитами. Учитывая эту доступность мощности, всегда будет достаточно электроэнергии для ее выделения в форме электрических разрядов перед транспортным средством, что будет обеспечивать большую скорость и стабильность. Используя эту гибкость, энергия этих импульсов электрического разряда может быть отрегулирована так, чтобы оптимизировать эффективность транспортного средства, и/или облегчить достижение более высоких скоростей, невозможных в противном случае, и/или увеличить стабильность транспортного средства. Эти энергии и энергетические соотношения будут регулироваться на основе конфигураций транспортного средства и электрической схемы, а также их рабочих условий.
[00189] Высокоскоростные поезда не нуждаются в электрическом двигателе или магнитной подушке для того, чтобы извлечь выгоду из выделения энергии перед ними для уменьшения лобового сопротивления и улучшения их стабильности и управления, и любое высокоскоростное наземное транспортное средство может извлечь выгоду из этой динамики. Электрически приводимые в движение транспортные средства, в том числе транспортные средства на магнитной подушке, особенно хорошо поддаются внедрению этой технологии. Независимо от подхода к движению или подвеске, поскольку аэродинамические силы служат для центрирования транспортного средства в трубке низкой плотности, создаваемой вдоль дорожки, эта технология служит для улучшения устойчивости, управления и простоты транспортного средства, а также скорости, с которой оно может перемещаться, когда дорожка отклоняется от прямого пути.
[00190] При переплетении ткани в ткацком станке необходимо, чтобы уточная нить (или наполнитель или пряжа) перемещалась некоторым способом через основу для формирования переплетения. Для перемещения/вставки утка используется ряд способов, включая, но не ограничиваясь этим, челнок, рапиру (одиночную жесткую, двойную жесткую, двойную гибкую и двойную телескопическую), снаряд, воздушную струю и водяную струю. В дополнение к более традиционному введению одиночного утка (или одиночной прокидке), также используется многофазное введение утка (или множественная прокидка). Для всех этих применений одним из факторов, ограничивающих эффективность ткацкого станка, является скорость, с которой уток может пересекать основу. Эта скорость ограничивается рядом факторов, включая, но не ограничиваясь этим, силу лобового сопротивления и турбулентность/стабильность, возникающие во время процесса перемещения. Эти ограничения могут быть сильно смягчены путем синхронизации (или фазирования) выделения энергии перед любым из упомянутых выше движущихся объектов (челноком, рапирой, снарядом, воздушной струей, водяной струей), чтобы уменьшить силу лобового сопротивления, повысить стабильность и увеличить скорость, с которой уток/прокидка может пересекать основу. В частности, это выделение энергии может иметь такую форму, чтобы получать трубку низкой плотности или ряд трубок низкой плотности для ускорения и направления утка поперек основы. Эта увеличенная скорость и стабильность могут способствовать более высокой производительности для любого из однопрокидочных или многопрокидочных подходов к введению утка/прокидки. В дополнение к повышению производительности ткацкого станка путем увеличения его скорости, улучшенная стабильность, которая может быть достигнута при движении через трубку низкой плотности, позволяет утку устойчиво перемещаться на гораздо более длинные расстояния (что позволяет ткацкому станку производить конечный продукт большей ширины). В дополнение к экономии затрат при сооружении более длинного ткацкого станка (который производит ткань большей ширины), дополнительная выгода от перемещения утка на более длинное расстояние заключается в том, что время и энергия ускорения и замедления лучше используются, поскольку больше утка укладывается для каждого события начального ускорения и окончательного торможения. Любое из этих улучшений (более высокая скорость или большая ширина) будет повышать производительность ткацкого станка, а их комбинация может дать еще большее увеличение производительности с точки зрения большей площади ткани, производимой за более короткий промежуток времени. В результате фазирование/синхронизация выделения энергии перед любым из способов, используемых для перемещения утка через основу, может увеличить выход ткацкого станка и его экономическую эффективность.
[00191] При использовании физического объекта, такого как рапира, челнок или снаряд, динамика выделения энергии очень похожа на динамику, описанную для уменьшения сопротивления на воздушном транспортном средстве или наземном транспортном средстве, поскольку эти линии энергии выделяются перед объектом, минимизируя его торможение и увеличивая его устойчивость. Эти же концепции сохраняются при использовании струи воздуха или струи воды, и они описываются здесь более подробно. Струи воздуха и воды обычно используются, когда желательна высокая производительность, потому что нет никакой добавленной инерции, кроме инерции самой нити/наполнителя/пряжи. Добавленная инерция челнока, рапиры или снаряда увеличивает время, требуемое для ускорения и замедления утка, и приводит к дополнительным нежелательным напряжениям на самой нити/наполнителе/пряже. В случае воздушной струи профильные зубья берда могут использоваться для обеспечения пути перемещения утка. Начальный выброс воздуха выстреливает уток, который быстро замедляется благодаря торможению, и скорость которого является ограниченной из-за неустойчивости, которую он испытывает из-за сил турбулентности и сопротивления на более высоких скоростях. (В случае водоструйного ткацкого станка уток приводится в движение посредством струи воды вместо воздушной струи, и для водоструйных бесчелночных ткацких станков остаются справедливыми те же самые соображения, которые мы обсуждаем для пневматических бесчелночных ткацких станков.) Ускорительные струи используются для повторного ускорения утка после того, как он замедлился между ускорительными струями, всегда оставаясь ниже максимальной скорости, которую уток может поддерживать в своей стандартной атмосфере. Один из подходов к решению проблем, связанных с сопротивлением воздуха, заключается в перемещении утка через вакуумную среду, среду с низким давлением и/или высокотемпературную среду. Эта технология была разработана для ряда отраслей (например, покрытие майларовой пленкой для упаковочной промышленности, среди многих других). Вместо того, чтобы работать в условиях вакуума, низкого давления и/или высокой температуры, дополнительным преимуществом использования выделения энергии является огромная стабильность, получаемая утком и его движущей струей при перемещении через трубки низкой плотности, улучшенная за счет возможности превосходно согласовывать длину и масштабы времени трубки с характеристиками утка и его перемещения. Поскольку уток должен быть свободным, чтобы перемещаться туда и обратно, невозможно установить физическую вакуумированную трубку, по которой мы могли бы перемещать уток с помощью ускоряющих струй сжатого воздуха. Выделение энергии для временного создания трубки низкой плотности в воздухе, которая могла бы направлять уток и позволяла бы ему более легко перемещаться с помощью ускоряющего сжатого газа, обеспечивает преимущество жесткой вакуумированной направляющей трубки без введения физического препятствия для блокировки движения основы. Большая часть текущих конструктивных решений могут остаться теми же самыми при внедрении нашего подхода к выделению энергии. Ускорители будут по-прежнему приводить в движении уток, и их опорные конструкции (например, профильные зубья берда) могут также служить в качестве опорной конструкции для выделения энергии, которое будет состоять либо из оптики, либо из электродов высокого напряжения, либо из некоторой комбинации того и другого, причем каждое из этих средств, включая их комбинацию, является намного более простым чем текущие ускорители высокого давления. Если для выделения энергии будет использоваться только лазерная энергия, то только оптические элементы должны быть помещены на опорные конструкции ускорителя. Если будет использоваться только энергия электрического разряда, то только электроды высокого напряжения должны быть помещены на опорные конструкции ускорителя. Если будут использоваться оба типа энергии, то и оптические элементы, и электроды высокого напряжения должны быть помещены на опорные конструкции ускорителя. Тот факт, что существует гораздо меньший износ и протирание утка из-за турбулентности и сопротивления, а также тот факт, что уток гораздо лучше поддерживается с гораздо меньшим сопротивлением при его перемещении через трубку низкой плотности, позволяют утку перемещаться на гораздо более длинные расстояния.
[00192] В одном варианте осуществления согласование диаметра трубки низкой плотности с нитью диаметром 0,6 мм требует выделения примерно 6 мДж энергии на каждые 10 см длины. Вместо типичных пиковых скоростей утка в пределах от 1200 м/мин (~20 м/с) до 4800 м/мин (~80 м/с), если скорость утка, перемещающегося через трубку низкой плотности, является значительно более высокой и составляет 300 м/с, он перемещается в 4-12 раз быстрее, чем в обычном случае. На этой скорости уток перемещается в 4-15 раз быстрее, чем без выделения энергии. Кроме того, если ткацкий станок может быть теперь сделан в 3 раза длиннее (шире), благодаря добавленной устойчивости траектории движения утка и увеличенной скорости в 3 раза больше ткани будет производиться с каждым проходом утка. В результате, если и скорость, и ширина будут увеличены в соответствии с этим примером, то полная производительность ткацкого станка будет увеличена в диапазоне от 12 до 45 раз по сравнению с обычным ткацким станком без выделения энергии. Если диапазон расширенных/улучшенных ширин ткацкого станка будет составлять от 2 до 4 раз, то повышение производительности ткацкого станка за счет выделения энергии перед утком может составить от 8 до 60 раз. Для больших диаметров утка для облегчения его перемещения будут создаваться трубки низкой плотности большего диаметра. Поскольку требуемая энергия растет с ростом объема трубки низкой плотности, которую она создает, энергия на единицу длины будет расти пропорционально квадрату диаметра трубки, следовательно, она будет примерно пропорциональна квадрату диаметра утка, поскольку мы будем поскольку мы будем стремиться создавать трубки немного большего диаметра, чем диаметр утка, чтобы минимизировать износ утка/волокна/материала.
[00193] Для обеспечения дополнительного удержания ионного раствора в водоструйном применении или для электропроводящих волокон в пневматическом или в гидравлическом применении сильное магнитное поле может быть выровнено с желательным направлением распространения высокоскоростной нити для более точного ограничения пути упомянутого проводящего раствора и/или нити.
[00194] Выделение энергии в стволе пушки, огнестрельного оружия или устройства для проделывания проходов, а также других типов стволов, используемых для приведения в движение снаряда, для убирания воздуха из ствола. Уменьшенное лобовое сопротивление снаряду обеспечивает большую дульную скорость при том же самом количестве приводящей в движение энергии (например, боезаряда в обычной пушке или электрической энергии в рельсотроне). Уменьшенный лобовое сопротивление также позволяет достигать скоростей, сопоставимых со скоростями, достигаемыми без модификации, при использовании меньшего количества приводящей в движение энергии. В обычной пушке это означает, что та же самая эффективность может быть достигнута с меньшим боезарядом. Более низкие требования к боезаряду приводят к уменьшенному истечению газов из дула при выходе снаряда из ствола. Такая уменьшенная акустическая сигнатура является полезной для минимизации вредного воздействия на слух находящихся рядом людей, включая оператора (операторов). Такая уменьшенная акустическая сигнатура может также затруднить обнаружение орудия акустическими средствами (аналогично акустическому подавителю).
[00195] Выделение энергии для устранения воздуха из ствола может применяться во многих формах. Двумя такими формами являются: i) выделение электромагнитной энергии внутри ствола; или ii) выделение энергии, которое может быть химическим по своей природе; а также некоторую комбинацию этих двух подходов выделения энергии. Электромагнитная энергия может иметь форму электрического разряда внутри ствола пушки. Один вариант осуществления, в котором это может быть достигнуто, заключается в том, чтобы гарантировать разделение двух электродов, которые могут быть разряжены через непроводящий зазор, или один заряженный электрод, разряжающийся на проводящий ствол или другую часть структуры, содержащей ствол. Химическая энергия может иметь форму дополнительного боезаряда, который расширяется перед снарядом при выстреле для того, чтобы вывести газ из ствола (в противоположность традиционной роли боезаряда, который расширяется позади снаряда для выталкивания его из ствола). Этот дополнительный боезаряд может быть включен в сам боеприпас, и один вариант осуществления заключается во включении проводящего пути в боеприпас, который проводит электрический импульс зажигания для воспламенения боезаряда в наконечнике боеприпаса. Этот путь может быть замкнутым контуром, полностью содержащимся в боеприпасе. Он может также включать в себя проводящую структуру основания и/или ствола для замыкания контура. Один вариант осуществления среди многих для воспламенения очищающего ствол боезаряда состоит в том, чтобы включить пьезоэлектрическую структуру в боеприпас, чтобы она генерировала высокое напряжение, когда боеприпас ударяется обычным механизмом воспламенения. Это высокое напряжение может затем воспламенить очищающий ствол боезаряд в наконечнике боеприпаса для того, чтобы очистить ствол от воздуха и облегчить ускорение снаряда боеприпаса при движении с помощью заряда, используемого для его ускорения.
o
o
[00196] В любом случае общая энергия, выделяемая перед боеприпасом посредством электрического разряда, химического топлива или их комбинации, должна быть такой, чтобы значительно очистить ствол от воздуха перед тем, как снаряд начнет ускоряться от боеприпаса. Эта энергия должна быть достаточной для того, чтобы очистить объем ствола, и по сути должна иметь порядок 3*p*V, где V - объем ствола, а p - окружающее давление. Принимая окружающее давление равным давлению стандартной атмосферы, энергия, необходимая для очистки 16-дюймового ствола дробовика калибра 12, составит примерно 12 Дж. Это особенно полезно для боеприпасов устройства для проделывания проходов, которые в значительной степени выигрывают от большей скорости разрушающей нагрузки и снижения требований к заряду для минимизации акустического воздействия на персонал. Этот же расчет можно выполнить, чтобы по существу удалить воздух из ствола любого размера, просто вычисляя энергетические требования на основе объема. Эти энергетические требования могут быть увеличены для того, чтобы противостоять любому охлаждению, которое может испытывать горячий газ при его распространении вдоль ствола. Другими словами, может быть выделено большее количество энергии, включая количество энергии в 2, 3, 4, 5 и даже в 10 раз больше, чтобы учесть различные соображения, все еще достигая желаемой очистки ствола.
[00197] Устройства для достижения этого могут быть созданы для того, чтобы достичь вышеупомянутой динамики, включая стволы и/или поддерживающие структуры (например, огнестрельное оружие, пушки, минометы и др.), а также любой боеприпас, включая, но не ограничиваясь этим, боеприпасы малого, среднего и большого калибра, включая обычные и нетрадиционные боеприпасы, такие как боеприпасы устройства для проделывания проходов.
[00198] В применениях с многофазным потоком, включая, но не ограничиваясь этим, покрытие порошком и сверхзвуковое напыление, фазирование выделения энергии с другими процессами, включая, но не ограничиваясь этим: выбросы порошка; выбросы аэрозольного спрея; выбросы различных газов при различных давлениях; выбросы плазмы; применение нагревания; применение электрического разряда; применение лазерных импульсов; среди прочего может принести при упомянутом применении с многофазным потоком ряд преимуществ при синхронизации выделения энергии с такими другими процессами по сравнению с применением без синхронизации выделения энергии. Среди других форм выделения энергии, аналогично другим применениям, раскрытым в настоящем документе, электрический разряд может использоваться для выделения энергии в поток и создания трубки низкой плотности от сопла к подложке, более эффективно проводящей частицы к подложке с более высокой скоростью. Электрический разряд может инициироваться/направляться лазерной плазмой, такой как лазерная нить. Поток частиц может также помочь проводить электрический разряд, или предпочтительно проводящий путь может использоваться для проведения электрического разряда вдоль линии, проходящей от сопла к подложке. Для небольших применений трубки низкой плотности малого диаметра (соразмерного с малыми выходами сопла) могут быть созданы с использованием только лазерной плазмы/нити.
o
[00199] В частности, сверхзвуковое напыление различных материалов может быть улучшено путем выделения энергии в сочетании с применением других импульсных процессов для достижения более эффективных скоростей столкновения и получения улучшенных эффектов в зависимости от желаемого результата, такого как однородность покрытия, поверхностная истираемость, адгезия, кристаллические свойства, прочность покрытия, коррозионная стойкость и др. При выделении энергии в сверхзвуковой поток мы можем также модулировать давление и плотность газа для создания более эффективной плазмы для плазменного осаждения. Также возможно модулировать температуру и плотность потока, что позволяет значительно увеличить скорость частиц, потому что импульсные условия позволяют этим более высоким скоростям частиц быть дозвуковыми при гораздо более высокой скорости звука в среде, которую мы создаем. В зависимости от геометрии выделяемой энергии мы можем устранить ударные волны, которые в противном случае вызывают сегрегацию частиц внутри потока, что приводит к более однородному потоку газа, распределению и осаждению частиц. Устранение и смягчение этих ударных волн также уменьшают торможение частиц, гарантируя тем самым более высокие и более равномерные скорости столкновения частиц с поверхностью подложки. Если требуется модулировать радиальное распределение частиц внутри струи, мы можем выделять энергию по центру потока для того, чтобы вытолкнуть частицы к краю потока. Альтернативно мы можем выделять энергию по краям потока для того, чтобы подталкивать частицы к центру потока. Путем импульсной подачи газа, который управляет многофазным материалом, таким как порошок, мы также можем синхронизировать выделение энергии с импульсным потоком частиц. Это позволяет нам создавать трубку низкой плотности путем выделения энергии по оси потока от выхода сопла до подложки. Более высокая скорость звука в этой трубке низкой плотности позволяет импульсу частиц дозвуковым образом перемещаться по трубке низкой плотности на скоростях, которые в противном случае были бы сверхзвуковыми. В тех случаях, когда поток по трубке низкой плотности не является полностью дозвуковым, его число Маха уменьшается, а отрицательные эффекты сверхзвукового потока (такие как ударные волны на подложке) минимизируются из-за уменьшенного числа Маха, которое мы достигаем. В дополнение к изменению и синхронизации распределения плотности частиц с выделением энергии, мы можем также совместить различные формы выделения энергии для того, чтобы влиять на взаимодействие частиц с поверхностью мишени. Например, при синхронизации с модулированным распределением частиц и образованием трубки низкой плотности мы можем выпускать на поверхность мишени один или более лазерных импульсов, один или более электрических разрядов, модулированную температуру газа, а также плазму и др. При выполнении этого осаждения возможно множество диапазонов параметров, причем их эффективность зависит от атмосферы, условий потока, геометрии, частиц, скорости подачи, материала мишени и желаемых эффектов. В качестве одного примера, мы можем применять электрические разряды, синхронизированные таким образом, что за трубкой низкой плотности, которую они создают, следует подача частиц, которые заполняют трубку низкой плотности и достигают намного более высоких скоростей. Подача частиц начинается при инициировании разряда (который может длиться несколько микросекунд). Подача частиц осуществляется в форме импульса, совпадающего с установлением и истощением трубки низкой плотности. Этот выбор времени и скорость повторения диктуют условия потока и геометрия, а энергия разряда диктуется диаметром сопла и расстоянием до подложки. В частности, энергия разряда может быть, как было описано ранее, примерно в три раза превышающей произведение давления внутри потока на объем V, определяемый площадью поперечного сечения выхода распылительного сопла и расстоянием до поверхности мишени (примерно 3*p*V). Скорость повторения диктуется скоростью потока, деленной на расстояние до поверхности мишени, а период импульсной подачи частиц меньше или равен периоду, в течение которого трубка низкой плотности может быть заполнена многофазным потоком прежде, чем она истощится и образует более сильные вредные ударные структуры на поверхности подложки. Чтобы оставаться меньше периода, в течение которого трубка низкой плотности может быть заполнена многофазным потоком перед созданием неблагоприятных ударных структур, многофазный поток может синхронизироваться/впрыскиваться в течение более 20-95% от периода распространения трубки низкой плотности. Он может также течь немного дольше, чем период распространения трубки низкой плотности (например, от 95 до 160% этого периода), с учетом времени, необходимого для создания неблагоприятных ударных структур на поверхности подложки. Оставшийся поток частицы, по мере того, как ударная структура начинает вновь образовываться внутри струи, может также помочь проводить электрический разряд в качестве источника выделения энергии к подложке в качестве земли. В принципе, выделение энергии может также служить для модулирования потока частиц, выдавливая его в боковом направлении от подложки в замедляющий газ высокой плотности, когда плотность струи начинает повышаться, и после того, как выделение энергии создаст трубку низкой плотности, частицы предпочтительно захватываются внутри и направляются к подложке с высокой скоростью. В такой геометрии мы можем гарантировать намного большие скорости столкновения, с намного более однородным осаждением, с потоком, намного лучше заключенным в трубке низкой плотности, созданной линией выделенной энергии. В дополнение к частицам, которые текут по этой трубке низкой плотности, мы можем также инициировать гораздо более эффективную плазму более низкой плотности, используя либо коронный разряд источника высокого напряжения, который мы используем для выделения энергии, либо радиочастотный источник. Аналогичным образом лазерный импульс или поток лазерных импульсов с высокой частотой повторения могут быть синхронизированы с частицами, воздействующими на поверхность мишени. Эти формы дополнительной подачи энергии в процесс (например, плазма и лазеры, среди прочего) могут быть применены для всей или некоторой части продолжительности столкновения частицы с поверхностью, возможно включая эту дополнительную подачу энергии до и/или после столкновения частиц, чтобы дополнительно обработать/воздействовать либо поверхность перед столкновением, и/или частицы после столкновения, и/или и то, и другое, в частности, по мере того, как покрытие растет. Этот процесс во время одного периода трубки низкой плотности можно повторить после того, как трубка низкой плотности и модулированный/синхронизированный поток частиц будут исчерпаны.
3
3
2
[00200] Эта синхронизация является эффективной для широкого диапазона размеров частиц и плотности материала, а также для широких диапазонов условий потока, что приводит к более гибким, эффективным и экономичным высокоскоростным технологиям распыления, таким как покрытие, очистка и наклеп, среди других методов обработки поверхности. Плотность частиц может колебаться от 0,8 до 23 г/см, рабочее давление может колебаться от 1 до 60 атм (бар), число Маха несмягченного потока колеблется в диапазоне 1-12 при скорости частиц в пределах 150-3000 м/с, а отношение скорости частиц в зависимости от условий может варьироваться от 0,1 до 1,0. Примеры частиц включают в себя, не ограничиваясь этим, абразивы, материалы для наклепа, диэлектрики и металлы. В качестве конкретного примера, при использовании плотности порошка в диапазоне от 2 до 10 г/см и скорости потока 2-5М при скоростях частиц в пределах 400-1200 м/с, сопло может иметь выходную площадь А и может быть расположено на расстоянии L от подложки (так, чтобы площадь струйной колонны между соплом и подложкой была примерно равна произведению A*L). Для того, чтобы создать трубку низкой плотности внутри этой колонны, требуется количество энергии, примерно равное 3*A*L, умноженное на давление внутри колонны, которое может быть выше атмосферного в зависимости от условий. Для того, чтобы создать непрерывный поток из трубок низкой плотности, требуется синхронизация применения этой энергии с частотой повторения скорости расхода газа, деленной на расстояние L. В качестве условного примера может служить выходная площадь сопла 50 мм, расстояние L 10 см и условное давление ~2 бар, что приводит к потреблению энергии примерно 1 Дж для создания трубки. Для расстояния L 1 см эта энергия уменьшится до 100 мДж, однако частота повторения будет подстраиваться так, чтобы требовать ту же самую мощность, поскольку частота повторения обратно пропорциональна L. Полезная частота повторения может находиться в диапазоне 0,2-3 от просто рассчитанной частоты непрерывного повторения скорости газа/L, более типично от 0,8 до 1,6 от этой просто рассчитанной частоты повторения. Аналогичным образом полезное количество энергии для выделения находится в диапазоне от 0,2 до 3 от просто рассчитанной энергии 3*A*L, умноженной на давление внутри колонны (что трудно обобщить, так как оно варьируется внутри колонны, и это значение лучше всего оценивать для каждого применения, рабочей геометрии и набора условий). Выгода, получаемая от добавления энергии, заключается в улучшении покрытий и результатов обработки, а также в возможности достижения результатов, которые в противном случае были бы невозможны. Поскольку скорости частицы могут быть увеличены, а материальные процессы улучшены с помощью выделения энергии, общие требования к мощности могут быть смягчены посредством выделения энергии, с увеличивающейся эффективностью при увеличении управляющих давлений и скоростей потока газа.
o
o
2
[00201] Выделение энергии вдоль поверхности транспортного средства для создания (высокотемпературных) каналов низкой плотности и высокой скоростью звука было раскрыто в прошлом. В большинстве случаев удаление воздуха из-под транспортного средства позволяет более быстро выходить взрывным газам высокого давления, уменьшая тем самым время пребывания газов высокого давления под транспортным средством и минимизируя силу и импульс, придаваемые транспортному средству газами высокого давления. Аналогичные соображения могут быть применены к любой поверхности, подвергающейся воздействию ударной волны. В дополнение к этой общей концепции и применению мы дополнительно раскрываем выделение энергии в землю или другой материал под транспортным средством, под которым взрыв первоначально является локальным и ограниченным. Это выделение энергии используется для разрушения ограничивающей почвы/материала, позволяя продуктам взрыва выходить более постепенно и быстрее удаляться из-под транспортного средства через область низкой плотности и высокой скоростью звука под транспортным средством, а также выходить после выделения энергии в грунт или другой материал, ограничивающий взрыв. Если бы взрывные газы не были выпущены, они бы очень эффективно передали импульс материалу покрытия, ограничивающему их, которые в свою очередь очень эффективно передали бы этот импульс транспортному средству. Когда энергия выделяется для пробивания материала покрытия и снижения давления под упомянутым материалом покрытия, не только газ высокого давления продувается и быстро выходит через область низкой плотности и высокой скоростью звука под транспортным средством (что следует из выделения энергии в грунт, также создающего ударную волну в воздухе, которая эффективно удаляет газ из-под транспортного средства), но и материал почвы или покрытия, который в противном случае был бы более равномерно ускорен в транспортное средство, теперь распределяется в большей части колонны, окружающей пробой, и эта колонна материала воздействует на транспортное средство более постепенно, чем в неконтролируемом случае. В результате в обоих случаях выделения энергии под транспортным средством для удаления газа из-под транспортного средства (обычно с использованием электрического разряда для импульсного/внезапного нагрева газа для создания взрывной волны, которая вытесняет окружающий воздух из-под транспортного средства) и выделения энергии в грунт или материал покрытия, ограничивающий заглубленный взрыв/заряд под транспортным средством, чтобы разрушить упомянутый грунт или материал покрытия и выпустить взрывные газы (обычно с использованием электрического разряда, лазерного импульса или их комбинации для выделения энергии в грунт или материал покрытия), общий импульс, передаваемый транспортному средству от взрыва, может быть уменьшен не менее чем на 30%, а среднее ускорение, испытываемое транспортным средством и его содержимым, может быть уменьшено по меньшей мере на 70%. Для того, чтобы удалить или разредить газ под транспортным средством, можно использовать энергию, равную примерно 3*p*V, где p - окружающее атмосферное давление под транспортным средством, а V - объем под транспортным средством, подлежащий удалению/разрежению. Количество энергии, требуемое для пробития или прокола грунта или другого материала покрытия, зависит от самого материала покрытия, а также от того, какая его часть должна быть разрушена. В результате лучше всего просто выделять некоторое количество энергии, которое можно эффективно переносить и развертывать, и которое не является не слишком сильным, ни слишком слабым для конкретного транспортного средства. Все эти соображения зависят от самого транспортного средства и от того, как оно конфигурируется. Это количество в большинстве случаев может иметь порядок от 10 кДж до 1 МДж. Предполагая, на верхней границе этого диапазона, что площадь шасси составляет ~8 м при клиренсе транспортного средства ~20 см, энергия, требуемая для удаления воздуха, составит ~0,5 МДж, оставляя дополнительные 0,5 МДж для того, чтобы проткнуть/пробить грунт/материал покрытия. Учитывая, что энергосодержание большинства взрывных устройств может исчисляться сотнями МДж, выделение 1 МДж или меньше для того, чтобы сильно уменьшить получаемое транспортным средством ускорение и устранить более 30% полного импульса на транспортном средстве, например, при взрыве в 300 МДж направленное выделение <1 МДж может уменьшить взрывную нагрузку на транспортное средство примерно на 100 МДж.
[00202] Фиг.37 представляет собой схему, изображающую один вариант осуществления пневматического бесчелночного ткацкого станка 1000, оборудованного устройством 1016 выделения направленной энергии. Устройство 1016 выделения направленной энергии содержит подузел 1014 импульсного лазера, выполненный с возможностью создания прямого пути, проходящего от сопла 1004 уточной пряжи до противоположного электрода 1018 через часть пролета, определяемого нитями 1010A-B основы (переднее и заднее положения) и профильными зубьями 1008A-B берда, присоединенных к батану 1012. При работе в предопределенное время устройство 1016 выделения направленной энергии выделяет электричество вдоль прямого пути для того, чтобы создать направляющий путь А низкой плотности. Сопло 1004, сообщающееся с источником 1006 воздуха высокого давления затем выстреливает часть уточной пряжи 1002 через направляющий путь А низкой плотности.
[00203] Фиг.38 представляет собой схему, изображающую один вариант осуществления подузла 2000 огнестрельного оружия, имеющего интегральное устройство 2002 выделения энергии. При работе устройство 2002 направленного выделения энергии может быть использовано для удаления текучей среды из отверстия ствола 2004, создавая область А низкой плотности. В то время как область А низкой плотности существует, снаряд 2006 может быть выпущен через ствол путем воспламенения боезаряда 2008. Устройство 2002 выделения энергии может содержать, например, источник питания, соединенный с изолированными электродами в области отверстия ствола. В таком подходе выделение энергии может содержать образование электрической дуги. В других подходах к очистке отверстия газы в отверстии могут быть нагреты и тем самым выброшены путем воспламенения химического предварительного боезаряда перед воспламенением боезаряда 2008.
[00204] Фиг.41 представляет собой схему, изображающую один вариант осуществления транспортного средства 3000, снабженного устройством смягчения взрыва. Это устройство смягчения взрыва включает в себя чувствительные элементы 3002A-B и устройство 3008 направленного выделения энергии, расположенное вокруг корпуса 3004 транспортного средства на шасси 3006 транспортного средства. Когда чувствительные элементы 3002A-B срабатывают, устройство 3008 выделения энергии выделяет энергию в пространство между шасси 3006 и землей вдоль пути A, создавая область B с более низкой плотностью.
[00205] Фиг.42 представляет собой схему, изображающую один вариант осуществления транспортного средства 4000, снабженного устройством модификации грунта. Это устройство модификации грунта включает в себя чувствительные элементы 4002A-B и устройство 4008 направленного выделения энергии, расположенное вокруг корпуса 4004 транспортного средства на шасси 4006 транспортного средства. Когда чувствительные элементы 4002A-B срабатывают, устройство 4008 выделения энергии выделяет энергию в грунт вдоль пути A, что приводит к проникновению по меньшей мере через поверхность и к разрушению или разделению (например, отверстию) B в поверхностном материале.
[00206] Фиг.43 представляет собой схему, изображающую один вариант осуществления устройства 5000 направленного выделения энергии, имеющего подузел 5002 импульсного лазера. Подузел 5002 импульсного лазера содержит импульсный лазер 5004 выровненный с делителем 5006, который, в свою очередь, выровнен с отражателем 5008. При работе импульсный лазер 5004 может генерировать лазерный луч, который может быть расщеплен на два луча, и эти два луча могут быть направлены в текучую среду снаружи устройства 5000 направленного выделения энергии.
[00207] Фиг.44 представляет собой схему, изображающую один вариант осуществления патрона 6000 огнестрельного оружия, имеющего интегрированное в нем устройство 6002 направленного выделения энергии. Патрон 6000 дополнительно содержит синхронизирующий контроллер 6004, выполненный с возможностью синхронизации работы устройства 6002 направленного выделения энергии с воспламенением боезаряда 6006. Синхронизация контроллера 6004 может быть выполнена с возможностью сначала инициировать работу устройства 6002 направленного выделения энергии, а затем воспламенение боезаряда 6006 и выброс снаряда 6008.
[00208] В то время как предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения были показаны и описаны в настоящем документе, специалистам в данной области техники будет очевидно, что такие варианты осуществления даны исключительно в качестве примера. Предполагается, что нижеследующая формула изобретения определяет область охвата настоящего изобретения, и тем самым покрывает все способы и структуры, входящие в область охвата этой формулы изобретения и ее эквивалентов.