ГЕНЕРАТОР ВОЛНЫ СЖАТИЯ С ЗАПУСКАЕМЫМ ПОДДОНОМ ПОРШНЕМ
COMPRESSION WAVE GENERATOR WITH LAUNCHED TRAY PISTON

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее раскрытие в целом относится к генератору волны сжатия, предназначенному для создания волн сжатия в какой-либо среде.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Запускаемые поддом снаряды (подкалиберные снаряды) использовались в артилерии на протяжении более двухсот лет. Использование поддона позволяет осуществить запуск снарядов из орудийного ствола. Во время использования, сразу же после выхода из орудийного ствола, происходит отсоединение поддона от снаряда и последующее уничтожение поддона. На этом функция поддона завершается, и запущенный поддом снаряд продолжает следовать по своей траектории.
Генераторы волны сжатия могут быть использованы для создания волн сжатия, которые могут быть использованы для сжатия среды, передачи части энергии волны сжатия в эту среду, генерирования энергии в среде благодаря концентрации энергии волны сжатия и/или инициирования химических реакций или физических изменений в среде. Среда может быть твердым телом, жидким телом, газом и/или плазмой.
Различные способы могут быть использованы для создания волны сжатия в среде, например, прямой механический удар по поверхности, соединенной со средой, детонация, взрывы, электрические искры, пучки интенсивного излучения, механические вибраторы и усилители и т.п.
Примеры генераторов волны сжатия описаны в публикации заявки на выдачу патента №2010/0163130 и публикации международной заявки № WO 2012/113057 этого же заявителя, которые полностью включены ссылкой в настоящий документ. В этих двух публикациях раскрыты примеры генератора волны сжатия, предназначенного для генерирования в среде волны сжатия (или множества волн сжатия). Любой из иллюстративных генераторов волны сжатия, компонентов генераторов или способов работы генераторов, описанных в любой из этих публикаций, может быть использован совместно с вариантами осуществления устройств и способов генерирования волны сжатия, которые описаны в настоящем документе. Волна сжатия может быть использована для сжатия среды и повышения ее температуры, давления, энергии и/или плотности. Волна сжатия может быть сгенерирована при помощи механического удара разогнанным поршнем по преобразующему устройству, соединенному со средой. Преобразующее устройство может, по меньшей мере, частично преобразовывать кинетическую энергию движущегося поршня в волну сжатия в среде.
Поршень генератора волны сжатия может быть выполнен из термообработанной стали, при этом в нем посредством механической обработки выполнены элементы для сопряжения с опорными кольцами, уплотнениями, штангой управления, креплением штанги управления и другими устройствами. Эти элементы могут быть сложными в изготовлении, могут нарушать однородность поршня и могут вносить концентрации напряжений в углах и полостях, что приводит к преждевременному отказу при использовании поршня. Они также могут затруднять термообработку поршня, что также может приводить к разрушению поршня, например, вызывать термическое растрескивание поршня.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Согласно одному аспекту предлагается генератор волны сжатия, предназначенный для генерирования в среде волны сжатия. Генератор волны сжатия содержит корпус, поршень, поддон, поверхность динамического воздействия, средство для ускорения поддона и средство для замедления поддона. Корпус характеризуется наличием внутреннего канала, первого конца и второго конца. Поддон несет с возможностью высвобождения поршень и выполнен с возможностью перемещения во внутреннем канале корпуса от первого конца в направлении второго конца. Поверхность динамического воздействия соединена со средой, расположена во втором конце корпуса и сообщается с внутренним каналом. Средство для ускорения поддона сконфигурировано для разгона поддона, несущего поршень, в направлении поверхности динамического воздействия. Средство для замедления поддона сконфигурировано для замедления поддона путем прикладывания к нему удерживающей силы таким образом, чтобы при замедлении поддона происходил запуск поршня вперед перед поддоном, чтобы при столкновении поршня с поверхностью динамического воздействия указанный поршень, по меньшей мере, частично был отделен от поддона.
Согласно одному аспекту масса поршня превышает массу поддона, в результате чего во время разгона энергия, прикладываемая к поршню, не будет вызывать отделение поршня от поддона, а при замедлении поддона энергия, прикладываемая к поршню, будет вызывать отделение поршня от поддона, перемещая его вперед.
Согласно другому аспекту поддон характеризуется чашеобразной формой с основанием и боковой стенкой, которая выступает из основания для ограничения внутренней полости, предназначенной для вставки поршня. Внутренняя полость поддона характеризуется размерами и формой, позволяющими вставить поршень таким образом, чтобы его вторая поверхность могла взаимодействовать с основанием поддона.
Согласно одному аспекту средство для ускорения поддона, несущего поршень, содержит источник сжатой текучей среды. Корпус генератора волны сжатия содержит одно или несколько отверстий для текучей среды, сообщающихся по текучей среде с источником сжатой текучей среды и с частью внутреннего канала между первым концом и поддоном, чтобы сжатая текучая среда могла быть подана во внутренний канал для ускорения поддона, несущего поршень, в направлении второго конца корпуса.
Поддон дополнительно содержит одно или несколько отверстий, выполненных в нем для того, чтобы сжатая текучая среда могла протекать через них и воздействовать на поршень для продолжения его разгона, после того как поддон начнет замедляться.
Согласно одному аспекту фиксирующее средство выполнено для фиксации поршня в поддоне, когда указанное фиксирующее средство находится в зацеплении с указанным поршнем, и для высвобождения поршня из поддона, когда указанное фиксирующее средство выведено из зацепления с указанным поршнем.
Фиксирующее средство может содержать электромагнит, установленный на поддоне, и источник энергии, электрически соединенный с электромагнитом. Когда источник энергии включен, электромагнит активирован и генерирует магнитное поле, удерживающее поршень в поддоне. Когда источник энергии выключен, электромагнит деактивирован, позволяя поршню выйти из поддона.
Источник энергии может быть электрически соединен с электромагнитом при помощи линии энергоснабжения. Генератор волны сжатия может содержать штангу управления, соединенную с поддоном. Штанга управления сконфигурирована для размещения линии энергоснабжения.
Согласно еще одному аспекту фиксирующее средство содержит источник вакуума, соединенный по текучей среде с отверстиями в поддоне для создания вакуума в полости поддона, в результате чего при включении источника вакуума созданное разряжение будет удерживать поршень в поддоне.
Согласно одному аспекту генератор волны сжатия содержит блок управления для управления фиксирующим средством и средствами для ускорения и замедления поддона. Блок управления сконфигурирован для управления работой средств для ускорения и замедления так, чтобы, после того как удерживающая сила начала воздействовать на поддон, и поршень, по меньшей мере, частично отделился от поддона, поддон продолжал двигаться вперед для повторного зацепления с поршнем в точке динамического воздействия. Блок управления сконфигурирован для управления работой средств для ускорения и замедления так, чтобы скорость поддона, движущегося с замедлением в направлении точки динамического воздействия, была меньше скорости поршня, движущегося с ускорением в направлении поверхности динамического воздействия. Блок управления также управляет работой средства для возвращения поддона, несущего поршень, в первый конец корпуса для повторного запуска.
Согласно другому аспекту предлагается устройство, содержащее поршень и поддон, сконфигурированный для переноса с возможностью высвобождения поршня вдоль пути. Устройство дополнительно содержит фиксирующее средство, предназначенное для фиксации поршня в поддоне, когда фиксирующее средство находится в зацеплении с поршнем, и для высвобождения поршня из поддона, когда фиксирующее средство выведено из зацепления с поршнем; средство для ускорения поддона, несущего поршень; средство для замедления поддона, в результате чего происходит запуск поршня вперед перед поддоном так, чтобы поршень, по меньшей мере, частично отделился от поддона; датчик положения, сконфигурированный для обнаружения положения поддона, перемещающегося по пути; и блок управления, предназначенный для управления запуском поршня. Блок управления связывается с датчиком положения, фиксирующим средством и средством для замедления поддона, при этом он сконфигурирован для определения положения поддона на основании позиционного сигнала, получаемого от датчика положения. Когда поддон достигает заданного положения, блок управления посылает сигнал в фиксирующее средство для высвобождения поршня и в средство для замедления поддона для прикладывания удерживающей силы к поддону, в результате чего происходит запуск поршня вперед и, по меньшей мере, частичное отделение поршня от замедляющегося поддона.
Поддон продолжает перемещаться вперед для повторного зацепления с поршнем в точке динамического воздействия. Блок управления дополнительно сконфигурирован для управления работой средства для возвращения поддона, несущего поршень, в исходное положение, чтобы осуществить повторный запуск.
Согласно одному аспекту предлагается способ генерирования в среде волны сжатия. Способ предусматривает: ускорение поддона, несущего с возможностью высвобождения поршень в направлении поверхности динамического воздействия, соединенной со средой; последующее замедление поддона перед тем, как он достигнет поверхности динамического воздействия, тем самым вызывая отделение поршня от поддона и последующее перемещение указанного поршня в направлении поверхности динамического воздействия до тех пор, пока он не столкнется с поверхностью динамического воздействия; перемещение поддона в направлении точки динамического воздействия для повторного зацепления с указанным поршнем; и возвращение поддона, несущего поршень, в исходное положение для повторного запуска.
Способ дополнительно предусматривает стадию фиксации поршня в поддоне во время ускорения поддона и высвобождения поршня из поддона во время его замедления.
Дополнительно к аспектам и вариантам осуществления, описанным выше, специалистам в данной области техники, после ознакомления с фигурами и приведенным ниже подробным описанием, будут очевидны другие аспекты и варианты осуществления.
Краткое описание фигур
На фигурах возможно повторное использование позиций для указания на соответствие между обозначаемыми элементами. Фигуры предоставлены для иллюстрации представленных в качестве примера вариантов осуществления, описанных в настоящее документе, и не должны рассматриваться в качестве ограничивающих объем настоящего раскрытия. Размеры и относительные положения элементов на фигурах могут быть изображены без соблюдения масштаба. Например, формы различных элементов и углов изображены без соблюдения масштаба, и некоторые из этих элементов специально выполнены увеличенными для улучшения удобочитаемости фигур.
На фиг. 1 представлен частичный вид в поперечном разрезе примера генератора волны сжатия, на котором схематически изображены поддон и поршень, вставленный полость поддона.
На фиг. 2 представлен вид в поперечном разрезе примера генератора волны сжатия, изображенного на фиг. 1, на котором схематически изображено исходное положение поддона, несущего поршень.
На фиг. 3 представлен вид в поперечном разрезе примера генератора волны сжатия, изображенного на фиг. 1, на котором изображено ускорение поддона, несущего поршень, в направлении поверхности динамического воздействия.
На фиг. 4 представлен вид в поперечном разрезе примера генератора волны сжатия, изображенного на фиг. 1, на котором изображен запуск поршня в направлении вперед к поверхности динамического воздействия после замедления поддона.
На фиг. 5 представлен вид в поперечном разрезе примера генератора волны сжатия, изображенного на фиг. 1, на котором изображен удар поршня об поверхность динамического воздействия в точке динамического воздействия, а также перемещение замедляющегося поддона в направлении поршня.
На фиг. 6 представлен вид в поперечном разрезе примера генератора волны сжатия, изображенного на фиг. 1, на котором изображено повторное соединение поддона и поршня в точке динамического воздействия.
На фиг. 7 представлен вид в поперечном разрезе примера генератора волны сжатия, изображенного на фиг. 1, на котором изображено отведение поддона, несущего поршень, из положения динамического воздействия в направлении исходного положения, при этом поршень зафиксирован внутри поддона.
Подробное раскрытие вариантов осуществления настоящего изобретения
В настоящем раскрытии описан поршень 1 с отделяемым поддоном 2, который может быть использован в качестве носителя поршня. Некоторые элементы, такие как подшипники, уплотнения, крепление штока и/или любые другие элементы, могут быть выполнены путем механической обработки в поддоне 2, в результате чего поршень 1 может представлять собой тело с простой геометрической формой, которое будет менее дорогим при изготовлении, термическая обработка которого будет более простой, и которое является более износостойким (так как отсутствует концентрации напряжений в углах и полостях, поскольку указанный поршень не содержит углов или полостей). Кроме того, если произошло повреждение поршня, он может быть легко и просто заменен без каких-либо манипуляций (таких как демонтаж или замена) с поддоном или устройствами, прикрепленными к поддону. Поддон 2 может быть использован для запуска поршня 1 по трубе или стволу в направлении поверхности динамического воздействия. На небольшом расстоянии от места динамического воздействия поршень 1 может быть высвобожден из поддона 2 для продолжения своего движения до тех пор, пока не произойдет динамическое воздействие. Разрушение поддона 2 не происходит, при этом указанный поддон может быть использован для последующего отведения поршня и в дальнейших циклах запуск/отведение.
Пример поршня 1, ускоренного и запущенного при помощи поддона 2, изображен на фиг. 1. Поршень 1 может характеризоваться простой цилиндрической формой без каких-либо элементов, выполненных в нем путем механической обработки. Поршень 1 может характеризоваться первой передней поверхностью 6 и второй задней поверхностью 7. Например, поршень 1 может иметь цилиндрическое тело или тело любой формы, которая подходит для такого устройства, с диаметром приблизительно 50-500 мм, массой приблизительно 5-200 кг и высотой приблизительно 50-500 мм. Специалистам в данной области техники будет понятно, что поршень 1 может характеризоваться любыми другими размерами и/или формой, которая может быть сконфигурирована для удерживания поддоном 2. Поршень 1 может быть сформирован из жесткого материала, такого как металл. Большое количество материалов может быть использовано для изготовления поршня 1 и/или поддона 2. Например, любая ковкая сталь, которой присуща достаточная прочность для того, чтобы выдержать динамические воздействия, может быть использована для изготовления поршня 1 и/или поддона 2. Поскольку поддон 2 является компонентом, который не оказывает динамического воздействия, при его изготовлении могут быть использованы менее дорогие материалы.
Согласно одной реализации поддон 2 может быть тонким и легким, при этом масса поддона 2 может быть меньше массы поршня 1. Поддон 2 может иметь чашеобразное тело, которое характеризуется наличием основания 3, кольцеобразной боковой стенки 4, выступающей из основания 3, и открытой верхней части. Основание 3 и боковая стенка 4 могут образовывать внутреннюю полость 5, в которую может быть установлен поршень 1. Полость 5 может быть сконфигурирована таким образом, чтобы поршень 1 мог быть расположен в ней, упираясь задней поверхностью 7 в основание 3. После того как поршень 1 вставили в полость 5, он может оставаться в ней во время ускорения поддона 2 под воздействием силы ускорения, перемещающей поддон 2 вперед. После того как поддон 2 начал замедляться, поршень 1 может быть запущен вперед благодаря своей инерции.
Поддон 2 может также содержать средство для фиксации с возможностью высвобождения поршня 1 в полости 5. Согласно реализации, изображенной на фиг. 1-7, электромагнит 8 может быть использован для фиксации поршня 1 в неподвижном положении внутри полости 5 поддона 2. Электромагнит 8 может быть установлен на основании 3 поддона 2. Электромагнит 8 может быть запитан источником энергии (не показан) через силовые линии, такие как линия 9 энергоснабжения. Когда источник энергии включен, происходит запитывание электромагнита 8, в результате чего он генерирует магнитное поле, которое может осуществлять фиксацию поршня 1 в неподвижном положении внутри полости 5 поддона. Когда источник энергии выключен, питание электромагнита 8 отсутствует и поршень 1 может быть высвобожден от фиксации и извлечен из поддона 2. Согласно одной реализации поршень 1 может быть зафиксирован в неподвижном положении внутри полости 5 посредством создания внутри полости вакуума, в результате чего поршень 1 может быть плотно прижат к внутренней поверхности задней стенки 3 под действием разряжения. Например, вакуумный насос (не показан) может быть установлен на основании 3, при этом поддон 2 может содержать одно или несколько отверстий для того, чтобы вакуумный насос сообщался с внутренней полостью 5 через эти отверстия. Когда вакуумный насос включен, поршень 1 может удерживаться в неподвижном положении внутри полости 5 при помощи разряжения, но когда вакуумный насос выключен, поршень может быть высвобожден из полости 5. Согласно другой реализации поршень 1 может быть механически прикреплен к поддону 2 при помощи крюка, удерживающего кольца, пальца или любого другого крепежного средства или комбинации крепежных средств, сконфигурированных для крепления поршня 1 к поддону 2 с возможностью высвобождения.
Поддон может дополнительно содержать штангу 10 управления, предназначенную для управления ускорением поддона 2. Штанга 10 управления может быть присоединена к основанию 3 поддона 2. Тормозной механизм (не показан) может быть сконфигурирован для прикладывания удерживающей силы к штанге 10 управления. Следовательно, штанга 10 управления может предоставить поверхность, к которой может быть приложена удерживающая сила, обеспечиваемая, например, тормозным устройством. Тормозной механизм может содержать магнитный тормоз, основанный на действии токов Фуко, фрикционный тормоз и т.п. Штанга 10 управления может быть полой и может быть сконфигурирована для размещения в ней линий 9 энергоснабжения, обеспечивающих питание электромагнита 8. Дополнительно, штанга 10 управления может быть применена для контроля положения поддона посредством использования, например, оптического датчика линейных перемещений, описанного в публикации заявки на выдачу патента США №2010/0163130, которая полностью включена данной ссылкой в настоящий документ. Другие устройства, такие как оптический интерферометр, сверхвысокочастотный интерферометр, магнитный датчик линейных перемещений, могут быть использованы для измерения положения поддона 2 и/или поршня 1 без ограничения объема настоящего изобретения.
Согласно одной реализации штанга 10 управления может отсутствовать. В этом случае движение поддона может быть замедлено путем прямого воздействия на поддон 2 силы магнитного поля (например, создаваемого постоянным электромагнитом, который расположен вокруг поддона).
Поддон 2 может дополнительно содержать одно или несколько опорных колец 11 и одно или несколько уплотнительных колец 12, установленных на внешней и/или внутренней поверхности кольцеобразной стенки 4. Поддон 2 и поршень 1 могут быть вставлены в канал 14 корпуса 16 генератора волны сжатия. Корпус 16 генератора 20 волны сжатия (см. фиг. 2) может благодаря присущей ему цилиндрической форме ограничивать внутренний канал 14. Следует отметить, что цилиндрическая форма приведена лишь в качестве примера и не является ограничивающей, при этом корпус 16, внутренний канал 14, поддон 2 и поршень 1 могут характеризоваться любыми другими подходящими формами (например, различными формами поперечного сечения).
На фиг. 2 представлен вид в поперечном разрезе варианта осуществления генератора 20 волны сжатия, частично изображенного на фиг. 1. Корпус 16 может содержать первый конец 21 и второй конец 22. Первый конец 21 корпуса 16 может быть, по меньшей мере, частично закрыт, и штанга 10 управления может выступать, по меньшей мере, частично за пределы первого конца 21 корпуса 16. Второй конец 22 корпуса 16 может быть открытым концом, внутри которого может быть установлено преобразующее устройство 24. Преобразующее устройство 24 может содержать переднюю поверхность 25 и заднюю поверхность 26 (поверхность динамического воздействия). Передняя поверхность 25 преобразующего устройства 24 может быть соединена со средой, такой как твердое тело, жидкость, газ и/или плазма, в которой может быть сгенерирована волна сжатия. Поверхность 26 динамического воздействия преобразующего устройства 24 обращена в сторону внутреннего канала 14 корпуса и передней поверхности 6 поршня 1. Согласно одной реализации преобразующее устройство 24 может быть подвижно установлено во втором конце 22 корпуса таким образом, чтобы при динамическом воздействии поршня 1 могло иметь место небольшое смещение указанного устройства по оси относительно второго конца 22 корпуса 16. Преобразующее устройство 24 дополнительно содержит удерживающий механизм (не показан), который может предотвратить вытеснение преобразующего устройства 24 в среду во время динамического воздействия поршня 1. Согласно другой реализации преобразующее устройство 24 может отсутствовать, и поверхность динамического воздействия 26 может представлять собой стенку, например, стенку камеры со средой, в которой может быть сгенерирована волна сжатия, или стенку такой среды.
Поддон 2 и поршень 1 могут перемещаться с ускорением по внутреннему каналу 14 от первого конца 21 к преобразующему устройству 24 вдоль оси 15 канала. Поддон 2 может быть разогнан, например, энергией сжатой текучей среды или электрически, например, при помощи рельсовой пушки, линейного индукторного двигателя или линейного индукционного ускорителя. В примере генератора 20 волны сжатия, изображенном на фиг. 2, поддон 2, несущий поршень 1, может быть разогнан при помощи энергии сжатой текучей среды, используемой в качестве движущей силы. Следует отметить, что этот пример приведен лишь в качестве иллюстрации и не является ограничивающим, при этом любая другая подходящая электрическая, пневматическая и/или гидравлическая движущая сила может быть использована без выхода за пределы объема настоящего изобретения.
Пример генератора 20 волны сжатия, изображенный на фиг. 2, может содержать одно или несколько отверстий 28 для текучей среды, сформированных в первом конце 21 корпуса 16, через которые внутренний канал 14 сообщается с источником сжатой текучей среды, например, сосудом высокого давления (не показан). Сосуд высокого давления может хранить сжатую текучую среду (например, газ), которая может протекать через отверстия 28 в пространство, находящееся сзади поддона 2, для осуществления разгона поддона 2, несущего поршень 1, вдоль оси 15 канала в направлении преобразующего устройства 24. Согласно вариантам осуществления генератора 20 волны сжатия, в котором используют сжатую текучую среду в качестве движущей силы, одно или несколько отверстий 17 могут быть выполнены в основании 3 поддона 2 для того, чтобы сжатая текучая среда могла проходить через отверстия 17 и вступать во взаимодействие с поршнем 1. Когда к поддону 2 прикладывают удерживающую силу для осуществления его замедления, сжатая текучая среда может продолжать осуществлять разгон поршня 1, при этом скорость перемещения поддона 2 будет замедляться. Отверстия 17 могут выполнены вдоль центральной части основания 3, например, вокруг электромагнита 8. Край основания 3 может быть выполнен без каких-либо отверстий или выемок с образованием сплошного края 3а. Поддон 2 может быть тонким и легким, в результате чего меньшая удерживающая сила может обеспечить желаемую величину замедления поддона 2 и запуск поршня 1. Согласно некоторым вариантам осуществления масса поддона 2 может быть меньше массы поршня 1. Когда сжатую текучую среду подают через отверстия 28 в область, расположенную за поддоном, поддон, несущий поршень, будет ускоряться со скоростью, пропорциональной прикладываемой движущей силе. Поскольку масса поддона меньше массы поршня, сила, прикладываемая к поршню через отверстия 17, не будет разгонять поршень 1 быстрее поддона 2. Поршень 1 может оставаться в полости 5 поддона 2 во время разгона поддона 2. Когда к поддону 2 прикладывают удерживающую силу, например, посредством прикладывания тормозной силы к штанге 10 или поддону 2, поддон 2 начнет замедляться, а поршень 1 может продолжить свое движение вперед, в результате чего его вторая поверхность 7 отделится от основания 3 (см. фиг. 4). Полная остановка поддона 2 может не произойти, при этом он будет продолжать перемещение вперед с небольшой скоростью в направлении второго конца 22 корпуса. Скорость во время замедления перемещающегося вперед поддона намного меньше скорости поршня 1, в результате чего, когда поршень 1 ударится о поверхность 26 динамического воздействия, поддон 2 будет находиться на расстоянии от поверхности 26 динамического воздействия и второго конца 22 корпуса 16.
Согласно некоторым реализациям генератора 20 волны сжатия может быть предусмотрено наличие блока управления (не показан), предназначенного для управления временем запуска поршня. Время запуска поршня может быть точно вымерено и/или проконтролировано для обеспечения улучшенного управления временем столкновения с преобразующим устройством 24. Один представленный в качестве примера способ запуска поршня 1 в направлении преобразующего устройства 24 предусматривает подачу сжатой текучей среды в пространство, расположенное позади поддона 2, и удержание поддона 2 в устойчивом положении путем приложения удерживающей силы к поддону 2 или штанге 10 управления. Во время запуска прикладывание удерживающей силы может быть моментально прервано, и сила, прикладываемая сжатой текучей средой, может разогнать поддон 2, несущий поршень 1, в направлении преобразующего устройства 24. Согласно одному варианту осуществления сжатая текучая среда может быть подана в объем, расположенный позади поддона (между основанием 3 и первым концом 21 корпуса 16), при этом поддон устойчиво удерживается на месте прикладываемой удерживающей силой. Поршень 1 может быть зафиксирован внутри полости 5 путем активации электромагнита 8. Затем прикладывание удерживающей силы может быть прервано, и сжатая текучая среда, находящаяся в объеме позади поддона, может предоставить энергию для разгона поддона 2. Размер и положение отверстий 28 и/или объем позади поддона могут быть изменены в зависимости от размеров корпуса 16, поддона 2, поршня 1 и желаемой движущей силы. Например, некоторые из отверстий 28 могут быть расположены вокруг корпуса 16 рядом с его первым концом 21, что подробно описано в публикации международной заявки №WO 2012/113057, которая ссылкой полностью включена в настоящий документ.
Согласно иллюстративному варианту осуществления, изображенному на фиг. 2, поддон 2, несущий поршень 1, находиться в начальном, исходном положении. В начальном положении электромагнит 8 может быть запитан путем активации источника энергии, в результате чего происходит фиксация поршня 1 в полости 5 поддона 2. Внутренний канал 14 корпуса 16 может быть вакуумирован при помощи насосной системы (например, использующей одно или несколько отверстий 29, расположенных рядом со вторым концом 22 корпуса 16) с образованием области, по меньшей мере, низкого вакуума в канале 14 перед поршнем 1. Согласно некоторым реализациям во внутреннем канале 14 может быть создан, меньшей мере, низкий вакуум при помощи насосной системы, так что давление внутри внутреннего канала будет снижено по сравнению с атмосферным давлением.
На фиг. 3 приведена схема примера генератора 20 волны сжатия с поддоном 2 и поршнем 1, разгоняемыми в направлении к преобразующему устройству 24. Движущая сила, например, сообщаемая сжатой текучей средой, может быть приложена позади поддона, чтобы обеспечить разгон поддона 2, несущего поршень 1, в направлении преобразующего устройства 24. Электромагнитное устройство 8 может быть по-прежнему запитано, удерживая поршень 1 в поддоне 2. Согласно одной реализации, после того как произойдет разгон поддона 2, питание электромагнита 8 может быть отключено посредством выключения источника энергии. Благодаря продольному ускорению поддон 2, несущий поршень 1, разгоняется в направлении преобразующего устройства 24. Когда поддон 2 находится в определенном положении в канале 14, например, пройдя 2/3 длины канала 14, или на некотором расстоянии до поверхности 26 динамического воздействия (см. фиг. 4), движение поддона может быть заторможено, например, путем прикладывания тормозной силы к штанге управления/поддону, для замедления поддона 2. При замедлении поддона 2 поршень 1 под воздействием инерции и сжатого воздуха, проходящего через отверстия 17, может быть запущен вперед в направлении преобразующего устройства 24, вследствие чего он столкнется с преобразующим устройством 24 (см. фиг. 5). Когда поршень 1 сталкивается с преобразующим устройством 24, он передает, по меньшей мере, часть своей кинетической энергии преобразующему устройству 24. Во время динамического воздействия может произойти эластичное сжатие преобразующего устройства, при этом, по меньшей мере, часть кинетической энергии поршня может быть преобразована в волну сжатия в среде. Когда волны сжатия связаны с высокими значениями скорости встречи поршня с преобразующим устройством (в некоторых случаях, например, значениями скорости более приблизительно 10 м/с), такие волны могут вызывать значения локального давления, которые могут превышать 1 ГПа согласно некоторым реализациям генератора 20. Согласно одной реализации преобразующее устройство 24 может смещаться по оси и, по меньшей мере, частично заходить в упомянутую выше среду. Поддон 2 будет продолжать медленное движение вперед до тех пор, пока снова не войдет во взаимодействие с поршнем 1 (см. фиг. 6).
Точное управление ускорением и запуском поршня 1 может быть осуществлено путем управления средствами для ускорения и замедления поддона 2, такими как тормозное устройство и приводная система (например, система подачи сжатой текучей среды), и согласно некоторым реализациям путем управления фиксирующим средством (например, устройством управления питанием электромагнита 8). Система управления может содержать один или несколько процессоров, контроллеров или универсальных или специализированных компьютеров. Согласно различным реализациям система управления может управлять ускорением поддона 2, запуском поршня 1, временем динамического воздействия поршня 1 на преобразующее устройство 24 и/или может управлять скоростью и/или положением поддона 2 и/или поршня 1 на протяжении, по меньшей мере, части пути поддона/поршня внутри генератора 20. Согласно одной реализации система управления может принимать сигнал положения поддона от датчика положения (например, кодового датчика положения) в качестве входных данных, а также может посылать выходные сигналы в тормозное устройство для замедления поддона 2 и в фиксирующее средство для высвобождения и запуска поршня 1 в направлении поверхности 26 динамического воздействия. Система управления может внести регулировки, например, в прикладываемую движущую силу, прикладываемую тормозную силу и т.п., чтобы отрегулировать время запуска, силу динамического воздействия и/или время динамического воздействия. Система управления может содержать или быть связанной с одним или несколькими машинно-читаемыми носителями, которые могут быть использованы для целенаправленного или другого хранения данных управления. Блок управления может дополнительно управлять средством для возвращения поддона, несущего поршень, в исходное положение для повторного запуска. Например, возвращающее средство может содержать источник сжатой текучей среды и одно или несколько отверстий для текучей среды, например, отверстий 29, выполненных на втором конце 22 корпуса 16. В одном режиме работы отверстия 29 могут быть соединены по текучей среде с источником сжатой текучей среды, а в другом режиме работы отверстия 29 могут быть соединены по текучей среде с насосной системой, предназначенной для создания вакуума во внутреннем канале 14, как описано выше. Сжатая текучая среда может быть подана во внутренний канал между преобразующим устройством 24 и поддоном для того, чтобы переместить поддон, несущий поршень, обратно в исходное положение рядом с первым концом корпуса 16. Блок управления может посылать сигнал в возвращающее средство для обеспечения связи (например, путем открытия клапана) между отверстиями 29 и источником сжатой текучей среды, чтобы позволить потоку сжатой текучей среды толкнуть поддон, несущий поршень, в его исходное положение. Во время использования возвращающего средства отверстия 28 (выполненные в первом конце) могут быть использованы для выпуска сжатой текучей среды, нагнетание которой было осуществлено во время ускорения поддона. Как только поддон 2, несущий поршень 1, окажется в исходном положении, блок управления может закрыть клапан между отверстиями 29 и источником сжатой текучей среды. После этого блок управления может послать сигнал в насосную систему для создания разряжения во внутреннем канале 14 генератора 20 волны сжатия. Согласно некоторым реализациям возвращающее средство может содержать крюк или механическое захватное устройство, которое соединено с двигателем таким образом, чтобы указанное захватное устройство могло войти в зацепление с поддоном и оттянуть/толкнуть его обратно в исходное положение. Согласно другой реализации возвращающее средство может содержать рельсовую пушку для отведения поддона, несущего поршень, в исходное положение.
Согласно некоторым способам работы, когда генератор 20 волны сжатия находится в исходном положении, поддон 2, несущий поршень 1, может находиться в положении, схематически показанном на фиг. 2, при этом поршень 1 расположен внутри поддона 2. Когда генератор находится в исходном положении, система управления может посылать сигнал в фиксирующее средство, например, электромагнит 8, и тормозное устройство соответственно для фиксации поршня 1 в поддоне 2 и прикладывания тормозной силы к поддону 2. Система управления может затем посылать сигнал в приводную систему, например, содержащую один или несколько клапанов, для подачи сжатой текучей среды из сосуда высокого давления. Пространство канала 14 между преобразующим устройством 24 и поршнем 1 может быть, по меньшей мере, частично вакуумированно, например, при помощи откачки среды, находящейся в указанном пространстве, через одно или несколько отверстий 29, расположенных поблизости от второго конца 22 корпуса 16. В нужный момент система управления может подать сигнал в тормозное устройство для снижения или устранения удерживающей силы, что вызовет разгон поддона, несущего поршень, вдоль канала 14 в направлении преобразующего устройства 24. Датчик положения может послать сигнал в систему управления, в котором содержится информация о положении поддона внутри канала 14. Когда поддон будет находиться в определенном положении внутри канала, система управления может подать сигнал в тормозное устройство для прикладывания удерживающей силы к поддону 2 или штанге 10 управления, и может выключить источник энергии электромагнита для отключения питания электромагнита 8. Время приложения тормозной силы зависит от скорости поддона, удерживающей силы, удаления поддона от поверхности динамического воздействия и т.п., и может быть определено блоком управления. Согласно некоторым реализациям блок управления может принять решение, касающееся параметром запуска (время, кривая скорости), в реальном времени. При замедлении поддона 2, вызванном прикладываемой удерживающей силой, поршень 1 может продолжить свое движение в направлении к преобразующему устройству 24 до тех пор, пока он не удариться о поверхность 26 динамического воздействия преобразующего устройства 24, передавая свою кинетическую энергию преобразующему устройству 24 и генерируя волну сжатия в среде, соединенной с преобразующим устройством 24. Когда удерживающую силу прикладывают к поддону 2, в результате чего он начинает замедляться, поршень 1 может продолжать свое движение, по меньшей мере, на некотором расстоянии от основания 3 поддона 2 до тех пор, пока он не столкнется с преобразующим устройством 24 (см. фиг. 5).
При столкновении поршня с преобразующим устройством замедляющийся поддон 2 может продолжать движение с небольшим замедлением вдоль оси 15 в направлении преобразующего устройства до тех пор, пока поршень 1 снова полностью не войдет в полость 5 и задняя поверхность 7 поршня не прижмется к основанию 3 (см. фиг. 6). Как только поршень 1 будет расположен внутри полости 5, блок управления может активировать фиксирующее средство и средство для возвращения поддона, несущего поршень, в начальное, исходное положение рядом с первым концом 21 корпуса 16. Поддон, несущий поршень, может быть возвращен в исходное положение посредством приложения движущей силы к поддону 2 и/или поршню 1. Движущая сила может быть механической, пневматической, гидравлической или электрической силой, прикладываемой к поддону 2 и/или штанге 10 управления. Согласно примеру, приведенному на фиг. 7, поддон, несущий поршень, может быть возвращен в исходное положение посредством подачи сжатой текучей среды через одно или несколько отверстий 29, при этом отверстия 28 могут быть использованы для отвода сжатой текучей среды, закачанной ранее в пространство позади поддона. Как только поддон 2, несущий поршень, возвратится в исходное положение, во внутреннем канале 14 генератора 20 волны сжатия может быть создано разрежение. Согласно одной реализации поддон 2, несущий поршень 1, может быть возвращен в его исходное положение рядом с первым концом 21 корпуса 16 посредством его оттягивания или выталкивания при помощи некоторого типа механического устройства (не показано). Любое другое механическое, электрическое или пневматическое устройство может быть использовано для возвращения поддона, несущего поршень, в исходное положение без выхода за пределы объема настоящего изобретения.
Согласно некоторым способам работы генератора 20 волны сжатия поршень 1 может повторно сталкиваться с преобразующим устройством 24, в результате следующих один за другим «выстрелов». Калибровка времени «выстрелов», скорости (или кинетической энергии, или импульса) поршня и т.п. может быть желательной. В некоторых случаях момент динамического воздействия поршня 1 на преобразующее устройство 24, время запуска поршня, кривая скорости поддона и/или поршня могут быть точно определены для того, чтобы выполнить калибровку следующих один за другим «выстрелов» поршнем 1 по преобразующему устройству 24.
Раскрыты варианты осуществления системы запускаемого поддоном поршня. Любой из вариантов осуществления системы запускаемого поддоном поршня может быть использован совместно с вариантами осуществления генератора волны сжатия. Варианты осуществления генератора волны сжатия могут быть использованы для передачи волн сжатия в любую подходящую среду (например, твердое вещество, жидкость, газ и/или плазму). Согласно некоторым реализациям генератор волны сжатия может быть использован в качестве пресса для штамповки, выдавливания рельефа, сгибания, отбортовывания, чеканки, вырубки заготовки, перфорирования или обработки материалов, таких как, например, металлы (например, металлообработки). Согласно некоторым реализациям к среде относятся жидкость, газ или смесь жидкости и газа. Согласно некоторым таким реализациям к среде относится жидкий металл, такой как жидкий свинец или смесь жидкого свинца и лития. Генератор волны сжатия может быть использован для генерирования волн сжатия в среде, что может вызвать повышение давления, температуры, энергии и/или плотности среды, а также может увеличить скорость химических реакций в среде. Например, варианты осуществления генератора волны сжатия могут быть использованы для управления поршнем в газовом двигателе (например, паровом двигателе). Варианты осуществления генератора волны сжатия, раскрытые в настоящем документе, могут быть использованы для генерирования других форм энергии, которые могут являться результатом концентрации энергии акустических волн. Такие формы энергии могут быть использованы для генерирования локальных горячих участков, ультрафиолетового излучения, рентгеновских лучей, медицинских изотопов, нейтронов, расплава и побочных продуктов такого преобразования и концентрирования энергии акустических волн. Например, некоторые варианты осуществления генератора волны сжатия могут быть использованы для увеличения давления в камере ядерного реактора, содержащей среду (такую как жидкий свинец или смесь жидкого свинца и лития), чтобы вызывать увеличение скоростей ядерной реакции, достаточное для осуществления генерирования нейтронов или энергии при помощи реакций ядерного синтеза.
Несмотря на то, что были описаны и показаны на фигурах специфические элементы, варианты исполнения и применения настоящего изобретения, следует иметь в виду, что объем раскрытия не ограничивается этим, так как различные модификации могут быть сделаны специалистами в данной области, не выходя за рамки настоящего изобретения, особенно в свете приведенного описания изобретения. Так, например, в любой описанный здесь способ могут быть введены стадии или операции, позволяющие осуществлять этот способ в любой подходящей последовательности, но не обязательно в конкретной последовательности, описанной в настоящем документе. Описанные в настоящем документе элементы и компоненты могут быть сконфигурированы или расположены иным образом, а также могут быть объединены и/или исключены, в различных вариантах осуществления. Различные описанные выше детали и процессы могут быть использованы независимо друг от друга или же могут быть объединены друг с другом. Все такие возможные комбинации и субкомбинации не выходят за пределы объема настоящего изобретения. Ссылки в тексте описания на «некоторые варианты осуществления», на «вариант осуществления» и т.п., означают, что конкретная деталь, конструкция, операция, способ или характеристика, описанная в связи с этим вариантом осуществления, включена по меньшей мере в один такой вариант осуществления. Таким образом, появление в тексте описания фразы «согласно некоторым вариантам осуществления», «согласно одному варианту осуществления» и т.п., означает, что все ссылки не обязательно относятся к одному и тому же варианту осуществления, и что они могут относиться к одному или нескольким аналогичным или различным вариантам осуществления. Фактически, новые описанные в настоящем документе способы и системы могут быть реализованы в различных других формах; кроме того, различные исключения, добавления, замены, эквиваленты, перегруппировки и изменения в формах описанных здесь вариантов осуществления могут быть сделаны не выходя за пределы объема настоящего изобретения и в соответствии с его сущностью.
Различные аспекты и преимущества вариантов осуществления настоящего изобретения были описаны там, где это представляется целесообразным. Однако следует иметь в виду, что не обязательно все такие аспекты или преимущества могут быть обеспечены в соответствии с любым специфическим вариантом осуществления. Таким образом, например, следует иметь в виду, что различные варианты осуществления могут быть реализованы так, чтобы получить или оптимизировать одно преимущество или группу преимуществ, указанных здесь, что совсем не обязательно позволяет получить или оптимизировать другие указанные в настоящем документе аспекты или преимущества.
Использование слова «может» и его производных обычно означает, если специально не указано иное, или если из контекста прямо не следует иное, что некоторые варианты осуществления содержат, в то время как другие варианты осуществления не содержат некоторые характеристики, элементы и/или операции. Таким образом, такой язык обычно не означает, что характеристики, элементы и/или операции обязательно требуются в одном или нескольких вариантах осуществления, или что один или несколько вариантов осуществления обязательно включают в себя логику для принятия решения, с вводом или подсказкой оператора или без нее, относительно введения или осуществления этих характеристик, элементов и/или операций в каком-либо специфическом варианте осуществления. Никакая отдельная характеристика или группа характеристик не требуется или не является необходимой в каком-либо специфическом варианте осуществления. Термин «содержит» и его аналоги используют включительно, в незавершенном смысле, что не исключает использования дополнительных элементов, характеристик, операций и т.п. Кроме того, термин «или» также используют в незавершенном смысле (а не в исключающем смысле), так что когда этот термин используют, например, в списке элементов, он означает один, несколько или все элементы в списке.
Использование фразы «по меньшей мере один из Χ, Y и Ζ» обычно означает, если специально не указано иное, или если из контекста прямо не следует иное, что элемент, условие и т.п., может быть любым Χ, Y или Z. Таким образом, такой язык обычно не означает, что определенные варианты осуществления требуют наличия каждого по меньшей мере одного из X, по меньшей мере одного из Y и по меньшей мере одного из Z.
Представленные в качестве примера расчеты, модели, результаты, графики, числовые значения и параметры, приведенные в описанных здесь вариантах осуществления, служат для пояснения, а не для ограничения раскрытых вариантов осуществления. Другие варианты осуществления могут быть сконфигурированы и/или могут функционировать иным образом, чем описанные здесь иллюстративные примеры. Фактически, описанные в настоящем документе новые способы и системы могут быть реализованы в различных других формах; кроме того, различные исключения, замены и изменения в форме описанных здесь способов и систем могут быть сделаны без выхода за пределы настоящего изобретения и в соответствии с его сущностью.