一過性プラズマを用いて連続爆轟波を維持するための燃焼システムおよびその方法
回転する爆轟波を維持するために、環状燃焼室２２と、該環状燃焼室２２と連通した一過性プラズマシステム４２とが提供される。この一過性プラズマシステム４２は、「ナノ秒プラズマ」システムとも呼ばれ、パルス発生装置４８が、強力でかつ高電圧であるが低エネルギのパルスを発生し、一過性プラズマＰを供給するように動作し、これにより、推進剤の化学種の反応性が向上する。推進は、一定圧力の燃焼（ＣＤＷＥ）に依存している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続爆轟波エンジンに関し、特に、該連続爆轟波エンジンの回転する爆轟波の維持に関する。
【０００２】
なお、本発明は、２００９年９月２３日に出願された米国仮特許出願第６１／２４５０３４号の優先権の利益を主張する。
【背景技術】
【０００３】
連続爆轟波エンジンは、環状燃焼室において、回転する爆轟波を発生させる。種々の要因により、回転する爆轟波が弱まるとともに放散するので、回転する爆轟波を維持することが困難となり得る。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】連続爆轟波エンジンの概略図である。
【図２】回転する爆轟波を示す、連続爆轟波エンジンの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
図１には、連続爆轟波エンジン（ＣＤＷＥ）２０が概略的に示されている。連続爆轟波エンジン２０は、小型かつ効率的なシステムを提供し、該システムは、比較的低い供給圧力および比較的高い燃焼効率を可能とする。連続爆轟波エンジンにより、エネルギの利用率が高くなる。
【０００６】
連続爆轟波エンジン２０は、一般に、外周壁構造体２４および内周壁構造体２６によって画定された環状燃焼室２２を備えている。環状燃焼室２２は、推進剤システム３０と連通した噴射システム２８によって一方の端部が閉じられており、推進剤システム３０は、推進剤、例えば、反応混合物を生成する燃料および酸化剤を供給する。反応混合物は、噴射システム２８によって推進剤を深く混合することにより生成される。ある噴射システム２８は、混合の程度に基づいて選択される外形を有することができる。例えば、噴射システム２８の外形は、衝突ジェットと、渦巻構成要素と、予混合室と、推進剤を深く混合するための他の特徴部とを備えることができる。これに限定されない一実施例においては、燃料は、エチレンを備えており、酸化剤は、酸素を備えている。また、環状燃焼室２２は、噴射システム２８とは反対側において、ノズル３２を画定するように開いている。
【０００７】
点火システム３４が、回転する爆轟波に着火するように用いられる。一実施例では、点火システム３４は、混合室３６、点火プラグ３８および接線爆轟チューブ４０を備えることができる。図示されていない他の実施例においては、点火システム３４は、点火プラグ３８に代わりに、またはこれに加えて、パイロット点火装置、グロープラグ、自燃性燃料、自燃性流体等を有する、燃焼物に着火するための装置を用いることができる。他の実施例においては、点火システム３４は、爆轟コード、イクスプロウディングワイヤ、および／または噴射部に隣接して配置された局所点火システムを備えることができる。
【０００８】
図１においては、比較的少量の推進剤が混合室３６内で予め混合され、点火プラグ３８は、推進剤に着火し、そして、燃焼混合物（爆燃）が、接線爆轟チューブ４０内において爆轟波へと遷移する。接線爆轟チューブ４０は、回転する爆轟波に点火するために、環状燃焼室２２へと接線方向に爆轟波を噴射する。点火システムと共に代替的または付加的な構成要素を用いることができることを理解されたい。一旦、プロセスが開始されると、一般に、付加的な点火エネルギは必要ではなく、点火システム３４は停止され得る。
【０００９】
推進剤は、一般に理解されるように、環状燃焼室２２内の軸方向に噴射される推進剤から方位方向に通常は伝播する少なくとも１つの横断するまたは回転する爆轟波を形成するように燃焼する（図２）。回転する爆轟波は、回転爆轟前面に沿って伝播し、衝撃圧縮された混合物を燃焼させる。環状燃焼室２２内の回転する爆轟波は、通常の一定圧力の燃焼のときよりも化学エネルギの利用率を増加させる。
【００１０】
より効率的な熱力学特性に部分的に起因して、連続爆轟波エンジン２０は、一定圧力の燃焼プロセスに依存するより通常の推進システムよりも高い性能レベルを示す。回転する爆轟波を維持することは比較的困難であり、動作環境にさらされ易い。種々の要因により、回転する爆轟波が弱まるとともに放散し、これにより、推進剤の混合が不十分となり、推進剤が反応しなくなり、さらに、噴射速度、化学反応速度、壁の伝熱や境界層の増強（ｂｕｉｌｄ−ｕｐ）等が不適当なものとなる。
【００１１】
ナノ秒パルスプラズマシステムとしても知られている一過性プラズマシステム４２が、回転する爆轟波を維持するために、連続爆轟波エンジン２０内に配置されている。一過性プラズマシステム４２は、電位が環状燃焼室２２内の外周壁構造体２４と内周壁構造体２６との間にあるように、外周壁構造体２４の陰極４４および内周壁構造体２６の陽極４６を備えるか、または外周壁構造体２４の陽極４６および内周壁構造体２６の陰極４４を備える。パルス発生装置４８が、強力でかつ高電圧であるが低エネルギのパルスを発生し、一過性プラズマＰを供給するように動作する。ここで、高速の電子が環状燃焼室２２を通して移動する。１つの例では、パルスは、１０〜１００キロボルトで２０ナノ秒である。一過性プラズマＰにより、高速の電子およびストリーマが生成される。高速の電子およびストリーマは、基と、イオンと、振動により励起される化学種を生成し、これにより、反応率が増加する。また、一過性プラズマＰは、基の形成およびイオン化によって、化学種の反応性が大いに増加し、したがって、回転する爆轟波上の化学反応の減衰効果が最小化される。化学反応率の増加により、爆轟プロセスが増大されるとともに維持される。
【００１２】
界磁電圧の非常に迅速なパルス化に基づいて、アーク放電が防止される。ここで、電子速度の損失が実質的に防止される。この構成により、連続爆轟波エンジン２０は、設計や動作環境の変化にさらされなくなり、これにより、一定圧力構成のエンジンよりも向上したエネルギ解放性を備えて機能することができる。１つの例では、一過性プラズマシステム４２により、通常の一定圧力のエンジンおよびバーナよりもエネルギの利用率が約３７％だけ高いエンジンおよびバーナを実現することができる。これにより、反応推進システムの特定の推進力が約１７％だけ増加する。
【００１３】
さらに、空気吸入の用途においては、一過性プラズマシステム４２は、酸素の補充を必要とすることなく、回転する爆轟波の維持を容易にすることになる。
【００１４】
種々の図の全体について、同様の参照番号が、対応するまたは同様の構成要素を示すことを理解されたい。特定の構成要素の配置が図示した実施例において開示されているが、他の構成も本発明から恩恵を受けることになることを理解されたい。
【００１５】
特定のステップの順序が示され、説明され、特許請求されているが、これらのステップは、他の指示が無ければ、任意の順序で実施され、分離され、または組み合わされ得るものであり、本発明から恩恵を受けたままであることを理解されたい。
【００１６】
上記の説明は、例示的なものであって、限定的なものではない。本明細書では、これらに限定されない種々の実施例が説明されているが、当業者であれば、上記の教示に照らして、種々の修正および変更が、付記の特許請求の範囲内でなされることになることを理解されたい。したがって、付記の特許請求の範囲内において、本発明は、詳細に説明されたものとは異なる方法で実施され得ることを理解されたい。このため本発明の真の範囲および意義を画定するために付記の特許請求の範囲を検討するべきである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続爆轟波エンジンに関し、特に、該連続爆轟波エンジンの回転する爆轟波の維持に関する。
【０００２】
なお、本発明は、２００９年９月２３日に出願された米国仮特許出願第６１／２４５０３４号の優先権の利益を主張する。
【背景技術】
【０００３】
連続爆轟波エンジンは、環状燃焼室において、回転する爆轟波を発生させる。種々の要因により、回転する爆轟波が弱まるとともに放散するので、回転する爆轟波を維持することが困難となり得る。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】連続爆轟波エンジンの概略図である。
【図２】回転する爆轟波を示す、連続爆轟波エンジンの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
図１には、連続爆轟波エンジン（ＣＤＷＥ）２０が概略的に示されている。連続爆轟波エンジン２０は、小型かつ効率的なシステムを提供し、該システムは、比較的低い供給圧力および比較的高い燃焼効率を可能とする。連続爆轟波エンジンにより、エネルギの利用率が高くなる。
【０００６】
連続爆轟波エンジン２０は、一般に、外周壁構造体２４および内周壁構造体２６によって画定された環状燃焼室２２を備えている。環状燃焼室２２は、推進剤システム３０と連通した噴射システム２８によって一方の端部が閉じられており、推進剤システム３０は、推進剤、例えば、反応混合物を生成する燃料および酸化剤を供給する。反応混合物は、噴射システム２８によって推進剤を深く混合することにより生成される。ある噴射システム２８は、混合の程度に基づいて選択される外形を有することができる。例えば、噴射システム２８の外形は、衝突ジェットと、渦巻構成要素と、予混合室と、推進剤を深く混合するための他の特徴部とを備えることができる。これに限定されない一実施例においては、燃料は、エチレンを備えており、酸化剤は、酸素を備えている。また、環状燃焼室２２は、噴射システム２８とは反対側において、ノズル３２を画定するように開いている。
【０００７】
点火システム３４が、回転する爆轟波に着火するように用いられる。一実施例では、点火システム３４は、混合室３６、点火プラグ３８および接線爆轟チューブ４０を備えることができる。図示されていない他の実施例においては、点火システム３４は、点火プラグ３８に代わりに、またはこれに加えて、パイロット点火装置、グロープラグ、自燃性燃料、自燃性流体等を有する、燃焼物に着火するための装置を用いることができる。他の実施例においては、点火システム３４は、爆轟コード、イクスプロウディングワイヤ、および／または噴射部に隣接して配置された局所点火システムを備えることができる。
【０００８】
図１においては、比較的少量の推進剤が混合室３６内で予め混合され、点火プラグ３８は、推進剤に着火し、そして、燃焼混合物（爆燃）が、接線爆轟チューブ４０内において爆轟波へと遷移する。接線爆轟チューブ４０は、回転する爆轟波に点火するために、環状燃焼室２２へと接線方向に爆轟波を噴射する。点火システムと共に代替的または付加的な構成要素を用いることができることを理解されたい。一旦、プロセスが開始されると、一般に、付加的な点火エネルギは必要ではなく、点火システム３４は停止され得る。
【０００９】
推進剤は、一般に理解されるように、環状燃焼室２２内の軸方向に噴射される推進剤から方位方向に通常は伝播する少なくとも１つの横断するまたは回転する爆轟波を形成するように燃焼する（図２）。回転する爆轟波は、回転爆轟前面に沿って伝播し、衝撃圧縮された混合物を燃焼させる。環状燃焼室２２内の回転する爆轟波は、通常の一定圧力の燃焼のときよりも化学エネルギの利用率を増加させる。
【００１０】
より効率的な熱力学特性に部分的に起因して、連続爆轟波エンジン２０は、一定圧力の燃焼プロセスに依存するより通常の推進システムよりも高い性能レベルを示す。回転する爆轟波を維持することは比較的困難であり、動作環境にさらされ易い。種々の要因により、回転する爆轟波が弱まるとともに放散し、これにより、推進剤の混合が不十分となり、推進剤が反応しなくなり、さらに、噴射速度、化学反応速度、壁の伝熱や境界層の増強（ｂｕｉｌｄ−ｕｐ）等が不適当なものとなる。
【００１１】
ナノ秒パルスプラズマシステムとしても知られている一過性プラズマシステム４２が、回転する爆轟波を維持するために、連続爆轟波エンジン２０内に配置されている。一過性プラズマシステム４２は、電位が環状燃焼室２２内の外周壁構造体２４と内周壁構造体２６との間にあるように、外周壁構造体２４の陰極４４および内周壁構造体２６の陽極４６を備えるか、または外周壁構造体２４の陽極４６および内周壁構造体２６の陰極４４を備える。パルス発生装置４８が、強力でかつ高電圧であるが低エネルギのパルスを発生し、一過性プラズマＰを供給するように動作する。ここで、高速の電子が環状燃焼室２２を通して移動する。１つの例では、パルスは、１０〜１００キロボルトで２０ナノ秒である。一過性プラズマＰにより、高速の電子およびストリーマが生成される。高速の電子およびストリーマは、基と、イオンと、振動により励起される化学種を生成し、これにより、反応率が増加する。また、一過性プラズマＰは、基の形成およびイオン化によって、化学種の反応性が大いに増加し、したがって、回転する爆轟波上の化学反応の減衰効果が最小化される。化学反応率の増加により、爆轟プロセスが増大されるとともに維持される。
【００１２】
界磁電圧の非常に迅速なパルス化に基づいて、アーク放電が防止される。ここで、電子速度の損失が実質的に防止される。この構成により、連続爆轟波エンジン２０は、設計や動作環境の変化にさらされなくなり、これにより、一定圧力構成のエンジンよりも向上したエネルギ解放性を備えて機能することができる。１つの例では、一過性プラズマシステム４２により、通常の一定圧力のエンジンおよびバーナよりもエネルギの利用率が約３７％だけ高いエンジンおよびバーナを実現することができる。これにより、反応推進システムの特定の推進力が約１７％だけ増加する。
【００１３】
さらに、空気吸入の用途においては、一過性プラズマシステム４２は、酸素の補充を必要とすることなく、回転する爆轟波の維持を容易にすることになる。
【００１４】
種々の図の全体について、同様の参照番号が、対応するまたは同様の構成要素を示すことを理解されたい。特定の構成要素の配置が図示した実施例において開示されているが、他の構成も本発明から恩恵を受けることになることを理解されたい。
【００１５】
特定のステップの順序が示され、説明され、特許請求されているが、これらのステップは、他の指示が無ければ、任意の順序で実施され、分離され、または組み合わされ得るものであり、本発明から恩恵を受けたままであることを理解されたい。
【００１６】
上記の説明は、例示的なものであって、限定的なものではない。本明細書では、これらに限定されない種々の実施例が説明されているが、当業者であれば、上記の教示に照らして、種々の修正および変更が、付記の特許請求の範囲内でなされることになることを理解されたい。したがって、付記の特許請求の範囲内において、本発明は、詳細に説明されたものとは異なる方法で実施され得ることを理解されたい。このため本発明の真の範囲および意義を画定するために付記の特許請求の範囲を検討するべきである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室と、
少なくとも２つの推進剤を深く混合するように選択された外形を有した噴射部と、
前記燃焼室に対して配置された一過性プラズマシステムと、
を備える連続爆轟波を維持するシステム。
【請求項２】
前記燃焼室は、環状燃焼室であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
点火システムをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記点火システムは、点火プラグを備えることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記環状燃焼室の少なくとも一部が、外周壁構造体および内周壁構造体によって画定されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記一過性プラズマシステムは、前記外周壁構造体および前記内周壁構造体の一方に陽極を備え、前記外周壁構造体および前記内周壁構造体の他方に陰極を備えることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記一過性プラズマシステムは、前記環状燃焼室内において低エネルギかつ高電圧のパルスを発生させることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記低エネルギかつ高電圧のパルスは、１０〜１００キロボルトで２０ナノ秒であることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記一過性プラズマシステムは、前記低エネルギかつ高電圧のパルスを発生させるパルス発生装置を備えることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
反応混合物を形成するために、推進剤システムから前記環状燃焼室へと推進剤を通流させる噴射システムをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記一過性プラズマシステムは、前記反応混合物と連通する低エネルギかつ高電圧のパルスを発生させることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記推進剤システムは、酸化剤を備えることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記環状燃焼室は、連続爆轟波エンジン内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記環状燃焼室は、空気吸入エンジン内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
一過性プラズマシステムを用いて環状燃焼室内において低エネルギかつ高電圧のパルスを発生させることにより回転する爆轟波を維持することを含む燃焼方法。
【請求項１６】
動作全体にわたって前記低エネルギかつ高電圧のパルスを連続的に発生させることをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の燃焼方法。
【請求項１７】
点火システムを用いて前記回転する爆轟波に点火し、
前記回転する爆轟波が点火されたときに前記点火システムを停止することをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の燃焼方法。
【請求項１８】
動作全体にわたって、前記低エネルギかつ高電圧のパルスを連続的に発生させることをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の燃焼方法。
【請求項１】
燃焼室と、
少なくとも２つの推進剤を深く混合するように選択された外形を有した噴射部と、
前記燃焼室に対して配置された一過性プラズマシステムと、
を備える連続爆轟波を維持するシステム。
【請求項２】
前記燃焼室は、環状燃焼室であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
点火システムをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記点火システムは、点火プラグを備えることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記環状燃焼室の少なくとも一部が、外周壁構造体および内周壁構造体によって画定されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記一過性プラズマシステムは、前記外周壁構造体および前記内周壁構造体の一方に陽極を備え、前記外周壁構造体および前記内周壁構造体の他方に陰極を備えることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記一過性プラズマシステムは、前記環状燃焼室内において低エネルギかつ高電圧のパルスを発生させることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記低エネルギかつ高電圧のパルスは、１０〜１００キロボルトで２０ナノ秒であることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記一過性プラズマシステムは、前記低エネルギかつ高電圧のパルスを発生させるパルス発生装置を備えることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
反応混合物を形成するために、推進剤システムから前記環状燃焼室へと推進剤を通流させる噴射システムをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記一過性プラズマシステムは、前記反応混合物と連通する低エネルギかつ高電圧のパルスを発生させることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記推進剤システムは、酸化剤を備えることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記環状燃焼室は、連続爆轟波エンジン内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記環状燃焼室は、空気吸入エンジン内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
一過性プラズマシステムを用いて環状燃焼室内において低エネルギかつ高電圧のパルスを発生させることにより回転する爆轟波を維持することを含む燃焼方法。
【請求項１６】
動作全体にわたって前記低エネルギかつ高電圧のパルスを連続的に発生させることをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の燃焼方法。
【請求項１７】
点火システムを用いて前記回転する爆轟波に点火し、
前記回転する爆轟波が点火されたときに前記点火システムを停止することをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の燃焼方法。
【請求項１８】
動作全体にわたって、前記低エネルギかつ高電圧のパルスを連続的に発生させることをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の燃焼方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公表番号】特表２０１３−５０５３９９（Ｐ２０１３−５０５３９９Ａ）
【公表日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５３０８５５（Ｐ２０１２−５３０８５５）
【出願日】平成２１年１２月１８日（２００９．１２．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０６８６３０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０３７５９７
【国際公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（５０７１８０３６４）プラット アンド ホイットニー ロケットダイン，インコーポレイテッド (20)
【公表日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１８日（２００９．１２．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０６８６３０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０３７５９７
【国際公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（５０７１８０３６４）プラット アンド ホイットニー ロケットダイン，インコーポレイテッド (20)
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