ТРУБА ПРЯМОТОЧНОГО УСКОРИТЕЛЯ С ОТРАЖАТЕЛЬНЫМИ ПЕРЕГОРОДКАМИ
BAFFLED-TUBE RAM ACCELERATOR

Ссылка на сопутствующую заявку
[0001] В настоящей заявке испрашивается приоритет по предварительной заявке на патент США № 62/061,542 поданной 8 октября 2014, содержание которой включено в настоящее описание путем отсылки.
Область изобретения
[0002] Настоящее изобретение относится к гиперскоростным пусковым установкам и, в частности, но не исключительно, к прямоточным ускорителям (Ram accelerator).
Справочная информация
[0003] Прямоточный ускоритель - это устройство для ускорения снарядов до чрезвычайно высоких скоростей с применением циклов, подобных применяемым в реактивном двигателе, основанных на процессах горения в прямоточном воздушно-реактивном двигателе и гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе. Устройство работает, приводя в движение снаряд сквозь стационарную трубу, заполненную воспламеняемой смесью газообразного метательного заряда. Прямоточные ускорители имеют большой потенциал в областях, связанных с большими полезными грузами, например, при космических запусках без применения ракет.
[0004] В обычных пороховых орудиях метательный заряд сгорает за снарядом, в казенной части, генерируя газ высокого давления, который, расширяясь, выталкивает снаряд из ствола. При ускорении снаряда этот выталкивающий газ должен тратить больше энергии, ускоряя самого себя, чтобы не отставать от снаряда. Когда снаряд достигает критической скорости, выталкивающий газ выделяет энергию, достаточную лишь для преодоления силы трения, и после этого снаряд начинает замедляться, если длина ствола слишком велика.
[0005] Наоборот, прямоточный ускоритель работает, заполняя пусковую трубу (ствол) метательным зарядом для ускорения снаряда. При соответствующей конфигурации трубы/снаряда можно инициировать уникальный цикл движения, при котором снаряд при движении по трубе сжимает и поджигает метательный заряд. Это приводит к ускорению импульса горения вдоль длины трубы, при этом импульс горения автоматически синхронизируется с задним концом снаряда. По существу, снаряд находится на вершине собственного фронта горения при движении по длине пусковой трубы, что позволяет снаряду ускоряться до скоростей, существенно превышающих скорости, достижимые в обычном пороховом орудии.
Краткое описание чертежей
[0006] Не ограничивающие и не исчерпывающие примеры изобретения будут описаны со ссылками на приложенные чертежи, на которых одинаковые детали на разных видах обозначены одинаковыми позициями, если прямо не оговорено иное.
[0007] Фиг. 1А-1С - сечения одного примера системы прямоточного ускорителя с перегородками на разных этапах работы согласно идее настоящего изобретения.
[0008] Фиг. 2А-2D - сечения примеров труб прямоточного ускорителя с перегородками согласно идее настоящего изобретения.
[0009] Фиг. 2Е - вид в изометрии иллюстративной трубы прямоточного ускорителя с перегородками, показанной на фиг. 2D согласно идее настоящего изобретения.
[0010] Фиг. 2F - вид в изометрии иллюстративной трубы прямоточного ускорителя с перегородками, где равномерно разнесенные отверстия расположены в треугольном порядке согласно идее настоящего изобретения.
[0011] Фиг. 3А-3В - один пример конструкции трубы прямоточного ускорителя с перегородками согласно идее настоящего изобретения.
[0012] Фиг. 4А-4С - три примера ориентации перегородок в трубе прямоточного ускорителя с перегородками согласно идее настоящего изобретения.
Подробное описание
[0013] Ниже описаны примеры устройства и способа работы прямоточного ускорителя. В нижеследующем описании изложены многочисленные конкретные детали для глубокого понимания этих примеров. Однако, специалистам в соответствующей области понятно, что описанные технологии могут быть реализованы без одной или более из этих конкретных деталей или другими способами, с помощью других компонентов, материалов и т.д. В других случаях хорошо известные структуры, материалы или приемы подробно не показаны или не описаны, чтобы не усложнять некоторые аспекты.
[0014] Упоминание в описании "одного примера" или "одного варианта" означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанные в связи с этим примером, присутствуют по меньшей мере в одном примере настоящего изобретения. Поэтому фраза "в одном примере" или "в одном варианте" в разных местах настоящего описания не обязательно относятся к одному и тому же примеру. Кроме того, конкретные признаки, структуры или характеристики можно комбинировать в любом подходящем сочетании в одном или более из примеров.
[0015] В настоящем описании используются некоторые профессиональные термины. Эти термины следует толковать в их обычном значении, которое они имеют в той области, из которой они взяты, если они специально не определены в описании или контекст их применения явно не требует иного.
[0016] На фиг. 1А-1С приведены сечения одного примера прямоточной ускорительной системы 101 с перегородками на разных этапах работы. Система 101 прямоточного ускорителя содержит трубу 103 прямоточного ускорителя с внутренней поверхностью и внешней поверхностью. На внутренней поверхности трубы 103 прямоточного ускорителя расположено множество перегородок 109, образуя последовательную серию камер для метательного заряда, расположенную вдоль продольной оси трубы 103 прямоточного ускорителя. В одном примере можно использовать прорези для формирования множеств перегородок 109, врезаясь во внутреннюю поверхность трубы 103 прямоточного ускорителя. Эти прорези могут образовать боковые каналы или боковые отверстия, которые проходят от внутренней поверхности трубы 103 прямоточного ускорителя сквозь внешнюю поверхность трубы 103 прямоточного ускорителя. Эти прорези могут быть закрыты на внешней поверхности трубы 103 прямоточного ускорителя дополнительной трубой большего диаметра или другой закрывающей структурой. В показанном примере множество перегородок 109 расположено линейно вдоль продольной оси трубы 103 прямоточного ускорителя, однако в других примерах, не показанных на фиг. 1А-1С, множество перегородок 109 может быть расположено в форме спирали или двойной спирали, которая окружает трубу 103 прямоточного ускорителя (см. ниже, фиг. 2В).
[0017] В показанном примере пушка-ускоритель 105 расположена на входном конце трубы 103 прямоточного ускорителя, и пушка-ускоритель 105 расположена так, чтобы выстреливать снаряд 121 в трубу 103 прямоточного ускорителя. Пушка-ускоритель 105 может быть пушкой на легком газе, пушкой на метательном порохе и пр. В одном примере между пушкой-ускорителем 105 и трубой 103 прямоточного ускорителя может быть расположена диафрагма, разделяющая пушку-ускоритель 105 и трубу 103 прямоточного ускорителя. Диафрагмой может быть тонкий лист пластика, такого как Mylar или подобного.
[0018] Следует отметить, что линия 111 разрыва обозначает средний сегмент трубы 103 прямоточного ускорителя, не показанный на фиг. 1А-1С. Этот средний сегмент может иметь такую же структуру, что и участок трубы 103 прямоточного ускорителя, показанный на фиг. 1А-1С, или другую структуру. В одном примере средний сегмент трубы 103 прямоточного ускорителя содержит перегородки 109, которые могут быть расположены под углом. В другом примере множество перегородок 109 может проходить лишь вдоль части внутренней поверхности трубы 103 прямоточного ускорителя, а средняя часть трубы 103 прямоточного ускорителя может быть гладкоствольной. Множество перегородок 109 может проходить от входного конца трубы 103 прямоточного ускорителя, расположенного напротив выходного конца трубы 103 прямоточного ускорителя, вдоль лишь части внутренней поверхности трубы 103 прямоточного ускорителя. Аналогично, множество перегородок 109 может проходить от выходного конца трубы 103 прямоточного ускорителя, расположенного напротив входного конца трубы 103 прямоточного ускорителя вдоль лишь части внутренней поверхности трубы 103 прямоточного ускорителя.
[0019] На фиг. 1А показана труба 103 прямоточного ускорителя, принимающая снаряд 121 из пушки-ускорителя 105, перед воспламенением смеси метательного заряда в трубе 103 прямоточного ускорителя. Перед снарядом 121 штриховыми линиями показано поле обтекания. Перед работой в трубу 103 прямоточного ускорителя закачивают газообразную смесь топлива и окислителя, которая воспламеняется за снарядом 121, и снаряд 121 движется по перегородкам 121 (и/или внутренним рельсам на внутренней поверхности трубы прямоточного ускорителя) при движении в трубе 103 прямоточного ускорителя. Множество перегородок 109 (или кольцевых шайб), вставленных или вырезанных в трубе 103 прямоточного ускорителя, изолирует процесс горения за снарядом 121. Этот изолирующий эффект позволяет использовать более энергетические топливные смеси без риска возникновения волн давления, генерируемых в результате горения перед снарядом 121. Применение более энергетического метательного заряда в сочетании с большей эффективной площадью трубы (образующейся в результате глубины пространств между множеством перегородок 109) работает на увеличение осевого усилия, действующего на снаряд, без необходимости увеличения давления заполняющего метательного заряда/топлива. Поэтому множество перегородок 109 в трубе 103 прямоточного ускорителя можно обработать до такого диаметра, при котором процесс горения в трубе 103 прямоточного ускорителя удерживается за снарядом 121. Кроме того, длина снаряда 121 может быть больше, чем расстояние между двумя соседними перегородками 109 в трубе прямоточного ускорителя.
[0020] На фиг. 1 показана труба 103 прямоточного ускорителя после воспламенения и после того, как снаряд 121 прошел сквозь серию перегородок 109. Перед снарядом 121 штриховыми линиями показано поле обтекания. Здесь видео, что множество перегородок 109 предотвращают выталкивание движущихся вперед пульсаций горения в пространство перед снарядом 121. Дополнительно перегородки 109 работают как обратные клапаны, благодаря которым метательный заряд засасывается в результате движения снаряда 121.
[0021] На фиг. 1С показана труба прямоточного ускорителя после воспламенения и после того, как снаряд 121 прошел через дополнительные перегородки 109. Перед снарядом 121 штриховыми линиями показано поле обтекания. Как и на фиг. 1В, снаряд 121 засасывает топливо и перегородки 121 действуют как обратные клапаны, предотвращая выталкивание движущихся вперед пульсаций горения в пространство перед снарядом 121.
[0022] На фиг. 2А-2D показаны сечения примеров труб 201 прямоточного ускорителя с перегородками. В показанных примерах во втором полом цилиндре 203 выполнены отверстия 205 равномерно разнесенные вдоль продольной оси второго полого цилиндра 203. Второй полый цилиндр 203 помещен внутрь первого полого цилиндра (см. ниже, фиг. 3А-3В, "первый полый цилиндр 307") так, чтобы равномерно разнесенные отверстия 205 во втором цилиндре 203 были закрыты внутренней поверхностью первого полого цилиндра (напр., "первого полого цилиндра 307"). Полученная структура отверстий образует перегородки (или множество перегородок 109) в первом полом цилиндре. Способ изготовления "труба в трубе" может дать преимущества по сравнению с изготовлением перегородок во внутренней поверхности трубы прямоточного ускорителя, сокращая стоимость и сроки изготовления.
[0023] На фиг. 2А показан пример трубы 201 прямоточного ускорителя с перегородками, где равномерно разнесенные отверстия 205 расположены линейно вдоль продольной оси второго полого цилиндра 203. Дополнительно равномерно разнесенные отверстия 205 являются не круглыми и образуют кольцевую периодическую структуру вокруг второго полого цилиндра 203.
[0024] На фиг. 2В показан пример трубы 201 прямоточного ускорителя с перегородками, где равномерно разнесенные отверстия 205 расположены нелинейно вдоль продольной оси второго полого цилиндра 203. В показанном примере равномерно разнесенные отверстия 205 расположены по спирали. Однако в другом примере отверстия могут быть расположены в форме многовитковой спирали, например, в форме двойной спирали.
[0025] На фиг. 2С показан пример трубы 201 прямоточного ускорителя с перегородками, где равномерно разнесенные отверстия 205 расположены линейно вдоль продольной оси второго полого цилиндра 203. В показанном примере равномерно разнесенные отверстия 205 расположены в смещенном (нелинейно) шахматном порядке.
[0026] На фиг. 2D показан пример трубы 201 прямоточного ускорителя с перегородками, где равномерно разнесенные отверстия расположены линейно вдоль продольной оси второго полого цилиндра 203. В показанном примере равномерно разнесенные отверстия 205 расположены в смещенном шахматном порядке и имеют форму прямоугольников со скошенными кромками. Дополнительно, кромки равномерно разнесенных отверстий 205 могут иметь кромки, профиль которых построен по степенному закону или иные кромки.
[0027] На фиг. 2Е показан вид в изометрии примера трубы 201 прямоточного ускорителя с перегородками, показанной на фиг. 2D. В показанном примере видны рельсы, образованные кромками прямоугольных сужающихся отверстий 205. Дополнительно показаны крепежные отверстия для крепления труб 201 прямоточного ускорителя с перегородками друг с другом.
[0028] На фиг. 2F показан вид в изометрии примера трубы 201 прямоточного ускорителя с перегородками, где равномерно разнесенные отверстия 205 организованы как периодическая структура треугольников. В показанном примере эти треугольные отверстия образуют изорешетчатую структуру перегородок (периодическую структуру равнобедренных треугольников). Такие перегородки образуют кольца в трубе 201 прямоточного ускорителя с перегородками, а также расположенные под углом кромки (спиральные рельсы), которые проходят вдоль продольной оси трубы 201 прямоточного ускорителя с перегородками. В одном примере изорешетчатые кольца могут быть наклонены в направлении, противоположном направлению движения снаряда. В другом примере изорешетчатые кольца могут быть наклонены в направлении движения снаряда. В одном или более примере изорешетчатая структура (и все другие примеры труб 201 прямоточного ускорителя с перегородками) могут быть изготовлены из углеродного волокна, композитов из фенольной смолы со стекловолоконным наполнителем, волокон бора, алюминиевых сплавов, высокопрочной стали и пр.
[0029] На фиг. 3А-3В показан один пример конструкции трубы прямоточного ускорителя с перегородками. Второй полый цилиндр 303 помещен внутрь первого полого цилиндра 307 так, что равномерно разнесенные отверстия 305 во втором полом цилиндре закрыты внутренней поверхностью первого полого цилиндра 307, а полученные структуры в свою очередь образуют перегородки (т.е., "множество перегородок 109"). Второй полый цилиндр 303 может быть закреплен в первом полом цилиндре 307 с помощью прессовой посадки/фрикционной посадки, сварки, клея, крепежного средства или других средств. Дополнительно, в один первый полый цилиндр 307 можно вставить множество вторых полых цилиндров 303. В одном примере множество вторых полых цилиндров 303 одинаковой конструкции вставлено в один первый полый цилиндр 307. В другом примере в один первый полый цилиндр 307 вставлено множество вторых полых цилиндров 303, имеющих разные конструкции. Они могут включать вторые полые цилиндры 303 линейной конструкции, спиральной конструкции или гладкоствольные.
[0030] Первый полый цилиндр 307 и второй полый цилиндр 303 могут быть изготовлены из разных металлов, металлических сплавов, керамики и композитных материалов. В одном примере и первый полый цилиндр 307, и второй полый цилиндр 303 изготовлены из труб из высокопрочной стали.
[0031] На фиг. 4А-4С показаны три примера ориентации перегородки 409 в трубе 401 прямоточного ускорителя с перегородками. ВВ нескольких примерах настоящего изобретения, где множество перегородок 409 изготовлено путем прорезания отверстий в трубе 403 прямоточного ускорителя, равномерно разнесенные отверстия можно вырезать под углом (θ) к поверхности, нормальной к внутренней поверхности второго полого цилиндра. В примере, показанном на фиг. 4А, отверстия прорезаны под углом (θ) к выходному концу. Однако в примере, показанном на фиг. 4В отверстия прорезаны под углом (θ) к входному концу. Альтернативно, множество перегородок 409 можно изготовить непосредственно на внутренней поверхности трубы 403 прямоточного ускорителя, при этом перегородки могут быть наклонены в направлении входного конца или выходного конца трубы 403 прямоточного ускорителя.
[0032] При работе наклон перегородок 408 в направлении снаряда 421 может повысить рабочее число Маха в данном метательном заряде за счет дифракции создаваемых снарядом ударных волн. Это ослабляет мощность ударной волны перед снарядом 421 и предотвращает детонацию метательного заряда перед снарядом 421. Альтернативно, наклон перегородок 409 в направлении, противоположном направлению движения снаряда, дает преимущество, заключающееся в воспламенении метательного заряда в камере вокруг заплечика снаряда 421 при низком числе Маха. Соответственно, угол внутренней перегородки и конфигурация трубы прямоточного ускорителя можно настроить в соответствии с вариантом использования, требуемой скоростью снаряда, размерами снаряда ограничениями на длину трубы и пр. В одном примере наклонные перегородки 409 можно использовать на всей длине трубы 403 прямоточного ускорителя. В другом примере наклонные перегородки 409 можно использовать на части длины трубы 403 прямоточного ускорителя. В любом из двух вышеприведенных примеров все перегородки 409 в трубе 403 прямоточного укорителя могут быть наклонены под одним углом или могут быть наклонены под разными углами для оптимизации скорости и ускорения снаряда 421 в зависимости от конкретных требований. Дополнительно, части или вся труба 403 прямоточного ускорителя может не иметь перегородок и быть гладкоствольной.
[0033] На фиг. 4С показан один пример пилообразной конфигурации перегородок 409. В показанном примере одна сторона перегородок 409 наклонена в направлении движения снаряда, а диаметр перегородки 409 уменьшается, приближаясь к центру трубы 403 прямоточного ускорителя. В не показанном примере одна стороне перегородки 409 наклонена в направлении, противоположном движению снаряда. В другом примере обе стороны перегородок 409 могут быть наклонены.
[0034] Следует отметить, что в некоторых примерах конфигурации трубы/перегородок могут быть изготовлены аддитивным производственным процессом, включая 3D-печать и т.п. Например, применимыми вариантами процессов аддитивного изготовления являются моделирование наплавкой, изготовление из расплавленных нитей, робокастинг, плавление пучком электронов, ламинирование, селективное лазерное спекание, прямое спекание металла лазером, селективное лазерное плавление и т.п. 3D-печать и другие процессы аддитивного изготовления могут облегчить изготовление сложных/асимметричных конфигураций перегородок-трубы.
[0035] В некоторых вариантах можно использовать оперенный снаряд. Можно изготовить множество перегородок, соответствующих самым разным конфигурациям. В некоторых примерах кольцевые перегородки образуют поверхность, по которым движется оперение снаряда при движении снаряда по трубе с перегородками. Аналогично, можно использовать снаряды с оперением, которые перекрывают по меньшей мере расстояние между двумя перегородками, чтобы стабилизировать стабилизации снаряда с оперением. Использование оперение в некоторых примерах может способствовать началу процесса прямоточного горения при скоростях на 30%-50% ниже, чем в гладкоствольной трубе при использовании того же оперенного снаряда. В одном примере оперение на снаряде может быть расположено симметрично на периметре снаряда, однако в других примерах оперение может быть расположено асимметрично. В одном примере на снаряде может иметься четное число элементов оперения, в другом примере таких элементов оперения может быть нечетное число. В некоторых примерах труба прямоточного ускорителя может иметь фигурный внутренний диаметр и фигурные перегородки, способствующие применению снарядов с оперением. Геометрия снаряда и оперения может принимать любое количество форм и ориентаций в зависимости от варианта применения.
[0036] Вышеприведенное описание проиллюстрированных примеров, включая реферат, не является исчерпывающим и не ограничивает изобретение точными описанными формами. Хотя выше в целях иллюстрации были описаны конкретные примеры изобретения специалистам понятно, что возможны различные их модификации, входящие в объем изобретения.
[0037] Эти модификации могут быть внесены в изобретение в свете вышеприведенного подробного описания. Термины, используемые в формуле изобретения не должны толковаться для ограничения изобретения конкретными примерами, приведенными в описании. Объем изобретения полностью определяется приложенной формулой, которую следует толковать в соответствии с принятыми доктринами толкования формул изобретения.