Система и способ генерации и управления введенными акустическими волнами для геофизических поисково-разведочных работ
Иллюстрации
Показать всеИзобретение относится к генерации и управлению введенными акустическими волнами для геофизических поисково-разведочных работ. Множество волн избыточного давления генерируется посредством, по меньшей мере, одного генератора волны избыточного давления, включающего, по меньшей мере, одну трубу детонации с открытым концом. По меньшей мере, один генератор волны избыточного давления ориентируется так, что множество волн избыточного давления направляется прямо в целевую среду. Сила отдачи, по меньшей мере, одной волны избыточного давления генератора, существующая в период генерации множества волн избыточного давления, связывается с целевой средой для генерации проводимых акустических волн. Синхронизация генерации множества волн избыточного давления может быть осуществлена в соответствии с кодом синхронизации. Технический результат - направление введенных акустических волн к заданному месту в целевой среде. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 30 ил.
Реферат
Перекрестная ссылка на родственные заявки.
Эта заявка испрашивает приоритет более ранней первоначальной заявки США 60/792,420, зарегистрированной 17 апреля, 2006, и первоначальной заявки США 60/850,683, зарегистрированной 10 октября, 2006, которые обе включены здесь сноской. Эта заявка также относится к Предварительной Патентной Заявке США, зарегистрированной одновременно 10 октября 2006 г., озаглавленной: "Система и способ образования и управления очень громкими звуками".
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе и способу для генерации и управления волной избыточного давления. В частном случае, данное изобретение относится к управлению детонацией топливно-окислительной смеси, текущей внутри трубчатой конструкции, чтобы генерировать, управлять и фокусировать волну избыточного давления. Настоящее изобретение также относится к системе и способу связывания силы отдачи, а именно обратной или реактивной силы, созданной генерацией волны избыточного давления, с целевой средой, для того чтобы создать введенную акустическую волну, которая может использоваться для зондирования или иного охарактеризования области интереса в пределах целевой среды. Настоящее изобретение также касается управления силой отдачи, вызванной детонацией смеси с топливным окислителем, текущей в пределах одной или более трубчатых устройств, для генерирования и управления введенными акустическими волнами в целях геофизических исследовательских работ.
Уровень техники
Волна избыточного давления является кратковременным воздушным давлением, таким как взрывная волна, которая значительно больше окружающего атмосферного давления. Такие волны избыточного давления возникают в точке взрыва и обычно распространяются во внешнюю область от точки взрыва по всем направлениям. При таких взрывах также может создаваться интенсивный нагрев.
Используют различные методы, чтобы направить волну избыточного давления в нужную сторону. Например, методы направленного взрыва могли бы включать размещение взрывчатого вещества рядом с объектом, способным выдержать взрывную волну (например, толстая железобетонная конструкция), так что энергия взрыва будет направлена во внешнюю сторону от объекта. Точно так же используются различные методы "кумулятивных зарядов", чтобы большая часть энергии взрыва была направлена в нужном направлении. Аналогичным образом, преграды для взрывной волны, такие как бетонные стены или глиняные обочины, часто используются для того, чтобы перенаправить энергию потенциальных взрывов подальше от ценных активов типа зданий. Патент Великобритании 1,269,123 описывает детонацию этилена и кислорода в трубах горения и использование волны детонации для создания покрытий, привода газотурбинного двигателя для ракетного двигателя. Патенты США 4,662,844 и 4,664,631 описывают горение смеси топлива и окислителя внутри камер сгорания, чтобы создать детонационную взрывную волну для моделирования оружейных эффектов. Патент США 5,864,517 описывает импульсный генератор акустической взрывной волны для создания акустических волн, которые могут использоваться для несмертельного поражения, повреждения или иммобилизации толпы или самообороны; рудничной детонации; контроля живой природы; акустической очистки; и запуска лавин. Эти методы подобны в том, что они заставляют волну избыточного давления направляться наружу из открытого конца трубы детонации. Также существуют различные методы для управления волнами избыточного давления.
Однако желательно иметь улучшенную систему и метод для генерации и управления волнами избыточного давления в полезных целях.
Сейсмические ударные волны, направленные в землю, часто используются в геофизических исследовательских системах. Такие сейсмические ударные волны обычно вводятся или направляются в землю с помощью взрывчатых веществ или вибрационных источников. Использование взрывчатых веществ для таких целей опасно, дорого, и получающейся взрывной волной трудно точно управлять. Транспортировка вибрационного источника обычно требует 5- или 10-тонного грузовика и отнимает много времени для его установки.
Патент Великобритании 934,749 раскрывает сущность акустического генератора и сейсмической исследовательской системы, в которой используется камера сгорания с открытыми концами для генерации импульсов акустической энергии, которые направляются в воду или в землю, а сейсмограф используется для записи отраженных импульсов в целях сейсмической съемки.
Патенты США 3,235,026 и 4,043,420 описывают закрытые детонационные камеры, связанные с землей через плиты основания, в которых детонация смеси кислород-окислитель топлива создает ударную волну, которая импульсно воздействует на каждую плиту основания и поверхность земли, на которой плита покоится, таким образом направляя сейсмическую волну в низлежащие слои. Патенты раскрывают альтернативные формы поглотителей удара, которые вызывают открытие детонационных камер, чтобы дать выход отработанным газам.
Патент США 5,864,517 утверждает, что путем "ввода в землю звуковых волн и записи их отражений, ученые могут определять состав земных подслоев " и что импульсный генератор акустической взрывной волны может генерировать прецизионнные звуковые волны с точными интервалами, чтобы увеличить количество информации, которая могла быть получена "от геофизических поисково-разведочных работ". Этот предшествующий способ, однако, не раскрывает, как такие прецизионные звуковые волны с точными интервалами могут быть сгенерированы.
Альтернативный представленному в настоящем изобретении геофизический исследовательский подход, описанный в Патенте США 6,360,173, использует трубу детонации как импульсный сейсмический источник, чтобы генерировать последовательность кодированных по времени моноциклических волновых форм, которые распространяются в геофизические структуры и/или свойства для создания в них отраженного эха, а также сенсорные средства для распознавания данных, отображающих это эхо.
Желательно иметь улучшенную систему и способ для введения энергии в толщу пород или иную среду для исследовательских целей.
Сущность изобретения
Кратко, настоящее изобретение представляет собой улучшенную систему и способ для генерации волн избыточного давления, имеющих желательные размеры. Смесь топлива и окислителя, имеющая желаемые взрывные характеристики, вводится с необходимой скоростью течения в трубчатую конструкцию. В одном варианте изобретения трубчатая конструкция включает в себя трубу детонации, имеющую заданные длину и диаметр. Текущая смесь топливо-окислитель детонирует на одном конце трубы с помощью искры, созданной внутри текущей смеси топлива и окислителя. Получающийся импульс детонации перемещается по трубе, поскольку он поджигает текущую по трубе смесь с топливным окислителем. Характеристики горения и скорость течения смеси топливо-окислитель могут быть подобраны так, чтобы управлять энергией импульса детонации. Одна или более дополнительные трубы детонации, имеющие постепенно увеличивающиеся (то есть, больше и больше) диаметры, могут быть произвольно скомпонованы с начальной трубой детонации, чтобы сделать комбинацию располагаемых по порядку труб детонации для создания импульса детонации, который будет усилен, когда он перемещается сквозь каждую последующую трубу детонации, имеющую больший диаметр.
В первом варианте изобретения труба детонации (или комбинация калиброванных труб детонации) имеет открытый конец, из которого волна избыточного давления распространяется в нужном направлении. В другом устройстве множество труб детонации (или комбинации труб детонации) совмещено и сгруппировано в одной из различных возможных конфигураций, заставляющих созданные волны избыточного давления объединяться. Интенсивность комбинированных созданных волн избыточного давления равна числу труб детонации, N раз избыточного давления одной трубы детонации. Суммарная мощность в дальнем поле созданных объединенных волн избыточного давления равна N2 раз мощности волны одной трубы детонации. Альтернативным устройством являются многократные индивидуальные трубы детонации (или комбинации располагаемых по порядку труб детонации), которые расположены в виде разреженного массива, позволяющего осуществить синхронизацию детонаций в пределах различных труб детонации, управляемых так, чтобы создаваемые волны избыточного давления имели желательную мощность и направление. Точно так же, одна или более труб детонации могут использоваться для фокусирования и управления волнами избыточного давления, чтобы создать желаемую мощность и направление. Приложения первого преимущественного варианта изобретения включают, но не ограничены: конкуренцией взрывчатых веществ для целей обучения, испытаний преграды, защищающей от взрыва, разрушения шахт/зданий, контроля толпы, защиты границы, контроля над животными/птицами/насекомыми, контроля над заключенными, испытания прочности/целостности конструкции, придания вращения ветряку или турбине, использования как источника тяги для ракетного двигателя, удаления пыли/песка/снега/льда с дорог/железнодорожных путей/самолетов и т.д., фруктов/овощей/зерна и т.д., сбора урожая с деревьев/кустов/полей и в других областях сельского хозяйства, для промышленной очистки (например, в дымовых трубах/осадителях), формования объекта (например, в процессах прессования и плавления), прекращения горения и, в общем, в наибольшей степени в приложении к любой области отказа/защиты.
Во втором преимущественном варианте изобретения сила отдачи, вызванная каждой из сгенерированных с временной последовательностью волн избыточного давления, прикладывается к исследуемой среде типа земли, льда, или воды, чтобы создать последовательность введенных акустических волн, которые могут использоваться для исследования области, представляющей интерес в пределах целевой среды, например включений нефти в толще пород. В одном образце устройства сила отдачи сгенерированных волн избыточного давления прикладывается к целевой среде посредством соединительного устройства. В этом варианте конструкции сила отдачи равна производной обратного момента количества движения, являющегося следствием сгенерированных волн избыточного давления. Альтернативным образцом устройства является генератор волн избыточного давления для соединения силы отдачи сгенерированных волн избыточного давления напрямую с целевой средой. Последовательность введенных акустических волн перемещается сквозь целевую среду, отражается от области, представляющей интерес; соответствующие отражения получаются каждой множественностью приемных устройств, соединенных в массив. Полученные отражения могут быть обработаны, чтобы получить трехмерный набор данных, характеризующий область, представляющую интерес. В этом варианте волна избыточного давления может быть по выбору введена в шумоглушитель, который приглушает звук, вызванный волной избыточного давления, а также демпфирует волну избыточного давления до ее выпуска в окружающую среду. Соединительный элемент этого варианта включает в себя пружиноподобный механизм, который имеет регулятор затухания с выбираемыми формой и материалом соединительного элемента так, чтобы достичь подходящего баланса между преобразованием энергии и обратным ударом на части системы (то есть, износом). Соединительный элемент включает импедансную пластину, имеющую заданный профиль, или посадочное место, которое находится в прямой связи с поверхностью целевой среды. Импедансная пластина передает силу отдачи к целевой среде, создавая введенную акустическую волну. В первом варианте изобретения в одном устройстве множественные трубы детонации (или комбинации калиброванных труб детонации) совмещены и сгруппированы в одной из различных возможных конфигураций, заставляя созданные ими волны избыточного давления соединяться, как было описано выше, обеспечивая соответствующее увеличение располагаемой силы отдачи для воздействия на целевую среду. В альтернативном образце устройства множественные индивидуальные трубы детонации (или комбинации располагаемых по порядку труб детонации) расположены в виде разреженного массива, позволяющего осуществлять синхронизацию детонаций внутри различных труб детонации, которые должны управляться. В этом подходе управление синхронизацией введенных акустических волн производится для того, чтобы фокусировать и управлять ими так, чтобы объединить и расположить волны желательным образом в пределах целевой среды. Приложения второго варианта изобретения включают, но не ограничены: снабжением энергией двигателя или насоса, забиванием столбов ограждения/свай в землю, использованием как устройства набивания (например, для уплотнения грунта), использованием как форсированного ввода (подобно тарану), отображением профиля водного дна, и использованием для измельчения/деформации объектов/металлических штампов и т.д.
В третьем варианте изобретения генератор волны избыточного давления настоящего изобретения используется для генерации поперечной волны. В одном устройстве генератор волн избыточного давления ориентируется параллельно целевой среде и используется для создания волн избыточного давления. Его сила отдачи используется для генерации плоской поперечной волны. В альтернативном устройстве два или больше генератора волн избыточного давления ориентируются параллельно целевой среде и устроены таким образом, что они направляют волны избыточного давления во встречных направлениях так, что их сила отдачи может быть использована для генерации сферической поперечной волны.
Настоящее изобретение обеспечивает способ генерации введенной акустической волны, включающий в себя шаги порождения, по меньшей мере, одной детонацией внутри, по меньшей мере, одной трубы детонации, имеющей открытый конец, генерации, по меньшей мере, одной волны избыточного давления и связывания силы отдачи, по меньшей мере, одной волны избыточного давления с целевой средой, чтобы генерировать, по меньшей мере, одну указанную введенную акустическую волну. В одном устройстве открытый конец, по меньшей мере, одной трубы детонации ориентируется так, чтобы направить волну избыточного давления перпендикулярно к целевой среде и в обратную сторону из целевой среды. В другом устройстве открытый конец, по меньшей мере, одной трубы детонации ориентируется так, чтобы направить волны избыточного давления параллельно целевой среде, заставляя силу отдачи создать либо плоскую поперечную волну, либо поперечную сферическую волну, зависящие от того, как устроен, по меньшей мере, один генератор волн избыточного давления.
Целевая среда может быть любой: землей, льдом или водой. Волны избыточного давления могут быть сгенерированы с помощью управления детонацией смеси топливо-окислитель, текущей внутри каждой из указанной, по меньшей мере, одной трубы детонации. Волны избыточного давления могут быть сгенерированы в соответствии с параметром детонации, которым может быть код синхронизации типа кода Баркера (Barker). Звук, по меньшей мере, одной волны избыточного давления может быть заглушен.
Акустические волны могут также быть направлены к заданной области в пределах целевой среды посредством управления соответствующей синхронизацией генерации волн избыточного давления.
Настоящее изобретение обеспечивает систему генерации введенной акустической волны, включая, по меньшей мере, одну трубу детонации, имеющую открытый конец, для генерации, по меньшей мере, одной волны избыточного давления и соединительное устройство для связи указанной силы отдачи, по меньшей мере, одной волны избыточного давления с целевой средой, чтобы генерировать, по меньшей мере, одну указанную введенную акустическую волну. Система может дополнительно включать стабилизирующий механизм, который обеспечивает стабилизацию движения, по меньшей мере, одной трубы детонации.
В одном подходе открытый конец, по меньшей мере, одной трубы детонации ориентируется так, чтобы направить, по меньшей мере, одну волну избыточного давления перпендикулярно к целевой среде и в обратную сторону от целевой среды, и причем стабилизирующий механизм допускает только движение вверх и вниз. Альтернативно, открытый конец, по меньшей мере, одной трубы детонации ориентируется так, чтобы направить, по меньшей мере, одну волну избыточного давления параллельно целевой среде, и где стабилизационный механизм допускает движение только из стороны в сторону.
Каждая из волн избыточного давления генерируется посредством управления детонацией смеси топлива и окислителя, текущей внутри каждой из указанной, по меньшей мере, одной трубы детонации. Волны избыточного давления могут генерироваться в соответствии с параметрами детонации, которыми мог бы быть код синхронизации типа кода Баркера (Barker).
Глушитель может быть связан, по меньшей мере, с одной трубой детонации.
Изобретение обеспечивает систему для генерации и направления введенных акустических волн, включающую множество генераторов волн избыточного давления, расположенных в виде разреженного массива, каждый из множества генераторов волн избыточного давления, включающий, по меньшей мере, одну трубу детонации, имеющую открытый конец и используемую для генерирования множества волн избыточного давления, каждую из множества волн избыточного давления, имеющую силу отдачи; множество соединительных устройств для передачи сил отдачи указанного множества волн избыточного давления к целевой среде, чтобы генерировать указанные введенные акустические волны, введенные акустические волны, будучи направленными к заданной области в пределах целевой среды, базирующиеся на соответствующей синхронизации генерации множественности волн избыточного давления.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение описывается в соответствии с прилагаемыми чертежами. На чертежах одинаковые номера показывают идентичные или функционально подобные элементы. Дополнительно, крайняя левая цифра(ы) номера ссылки идентифицирует чертеж, на котором номер ссылки появляется впервые.
На фиг.1A показан пример трубы детонации предшествующего уровня техники, имеющей отдельные устройства подачи топлива и окислителя, и свечу зажигания, которая поджигает смесь топливо-окислитель около закрытого конца трубы после того, как труба была заполнена.
Фиг.1B иллюстрирует вторую трубу детонации предшествующего уровня техники, имеющую устройство подачи смеси топлива и окислителя, и свечу зажигания, которая поджигает смесь топлива и окислителя в закрытой трубе после того, как труба была заполнена.
Фиг.2A иллюстрирует экземпляр трубы детонации настоящего изобретения, имеющей детонатор, который получает смесь топлива и окислителя от устройства подачи топлива и окислителя и поджигает смесь топлива и окислителя, как только она течет внутри трубы.
На фиг.2B изображен первый вариант детонатора настоящего изобретения, который функционирует путем создания электрической дуги внутри потока газовой смеси.
Фиг.2C изображает второй вариант детонатора настоящего изобретения, подобный изображенному на рис.2B, за исключением того, что он включает два проводника, которые расходятся в главной трубе, приводя к увеличению длины искры, когда она распространяется внутри основной трубы детонации.
Фиг.3А изображает вид снизу другого варианта детонатора настоящего изобретения.
На фиг.3B показан вид сбоку детонатора фиг.3А.
Фиг.4 изображает вариант располагаемых в определенном порядке труб детонации, где все большие и большие диаметры труб используются совместно, чтобы усилить волну детонации.
Фиг.5 изображает вариант трубы детонации, имеющей диаметр, который увеличивается по длине трубы, что приводит к усилению волны детонации.
Фиг.6 иллюстрирует трубу, имеющую постепенное сужение, а затем постепенное расширение трубы.
Фиг.7А изображает первую трубу детонации, расположенную вдоль второй трубы детонации.
Фиг.7B изображает комбинации из четырех труб детонации, устроенные таким образом, что большие трубы детонации комбинаций труб детонации находятся в контакте друг с другом.
Фиг.7C изображает три трубы детонации увеличивающегося диаметра.
Фиг.7D изображает семь труб детонации, соединенные так, чтобы походить на шестигранную конструкцию.
Фиг.7E изображает двенадцать труб детонации, соединенные круговым способом.
Фиг.8 изображает вид сбоку трех труб детонации, имеющих первый диаметр и соединенных с большей трубой детонации, имеющей второй, больший диаметр для того, чтобы усилить объединенный импульс, генерируемый меньшими трубами.
Фиг.9 иллюстрирует, как синхронизация горения единичной трубы детонации фокусирует мощность в отдельной точке дальнего поля.
Фиг.10 изображает разреженный массив из 4 труб детонации, детонирующих так, чтобы управлять волнами избыточного давления таким образом, чтобы они объединялись в нужном месте.
Фиг.11 изображает разреженный массив из 4 групп труб детонации, которые детонируют так, чтобы управлять волнами избыточного давления таким образом, чтобы они объединялись в нужном месте.
Фиг.12 иллюстрирует пример эффективной упаковки шестиугольных субмассивов из 7 труб детонации в общий массив из 224 труб детонации.
Фиг.13 изображает систему, которая использует силу отдачи генератора волны избыточного давления настоящего изобретения для сейсмических поисково-разведочных работ.
Фиг.14 изображает логическую блок-схему для сейсмических поисково-разведочных работ.
Фиг.15 изображает массив сейсмических систем поисково-разведочных работ настоящего изобретения.
Фиг.16 изображает вид снизу в масштабе образца кольцевого массива сейсмических систем поисково-разведочных работ настоящего изобретения.
На фиг.17А показан вид сбоку генератора плоской поперечной волны в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения.
На фиг.17B показана плоская поперечная волна.
На фиг.18A показан вид сверху генератора сферической поперечной волны в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения.
На фиг.18В показана сферическая поперечная волна; фиг.18C изображает вид сверху генератора сферической поперечной волны в соответствии с другим вариантом настоящего изобретения.
Фиг.18D изображает вид сверху генератора сферической поперечной волны в соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения.
Детальное описание изобретения
Настоящее изобретение будет теперь описано более полно и подробно со ссылками на сопутствующие чертежи, на которых показаны образцы вариантов изобретения. Это изобретение не должно быть, однако, истолковано как ограниченное вариантами, представленными здесь; скорее, они даются так, чтобы описание изобретения было полным и завершенным и полностью передавало область уровня техники, к которой оно относится. Повсюду одинаковые цифры обозначают одинаковые элементы.
Настоящее изобретение представляет собой улучшенную систему и способ генерации и управления волной избыточного давления, которая также упоминается здесь как звуковая волна или звуковой импульс. Образцы волн избыточного давления могут быть охарактеризованы их частотой в диапазоне от 0,1 Гц до 30 кГц. Основой системы является зажигание высокоэнергетических, детонирующих газообразных или дисперсных смесей топлива с воздухом или топлива с кислородом внутри трубы, открытой с одного конца, в которой может быть использовано любое из перечисленных воспламеняющихся топлив, включая этан, метан, пропан, водород, бутан, этиловый спирт, ацетилен, МАРР газ, бензин и авиационное топливо. Газообразная смесь детонирует вблизи закрытого конца трубы, заставляя волну детонации распространяться по всей длине трубы до ее конца, где детонация заканчивается и детонационная волна выходит из открытого конца трубы как волна избыточного давления.
Труба, упомянутая здесь, - это труба детонации, а волна детонации, упомянутая здесь, - это детонационный импульс или импульс.
Один вариант осуществления настоящего изобретения включает, по меньшей мере, один прибор с трубой детонации и механизм управления синхронизацией для управления синхронизацией детонаций. Устройство с трубой детонации включает, по меньшей мере, одну трубу детонации, по меньшей мере, один детонатор, и подсистему питания смесью топлива и окислителя. С данной трубой детонации могут быть использованы один или большее количество детонаторов, а детонатор может использоваться с множеством труб детонации. С одним или большим количеством детонаторов связан один или большее количество инициаторов искры, где единичный искровой инициатор может инициировать искры в множестве детонаторов, которые могут быть параллельными или последовательными, а множество искровых инициаторов могут инициировать искры в единственном детонаторе. Механизм управления синхронизации управляет синхронизацией одного или большего количества инициаторов искры.
Инициатором искры может быть источник импульса высокого напряжения. Как альтернатива источнику импульса высокого напряжения в качестве инициатора искры может использоваться пусковой искровой разрядник. Другими альтернативами для инициатора искры являются лазер и детонирующий шнур.
Механизмом управления синхронизацией может быть простой пусковой механизм с фиксированной логикой или более сложный управляющий процессор. Управляющий процессор может также использоваться для управления переменными параметрами подсистемы снабжения смесью топлива и окислителя, или такие параметры могут быть фиксированными.
Подсистема питания смесью топлива и окислителя устанавливает желательное отношение массы топлива к массе окислителя топливно-окислительной смеси и необходимый расход смеси топлива и окислителя. Могут быть выбраны желательное соотношение топлива и окислителя и расход для того, чтобы достичь желательных детонационных характеристик, которые зависят от длины и диаметра детонатора. Например, в одном варианте используется смесь пропана, воздуха, топлива и окислителя; при этом массовое отношение, равное 5,5, а расход, равный 50 л/мин, имеют место для детонатора с длиной в 1" и диаметром в 1/4", сделанного из тефлона, первой трубы детонации, сделанной из нержавеющей стали, имеющей длину в 9" и диаметр, плавно уменьшающийся от 0,8" на конце, где присоединен детонатор, до 0,65" на конце, подсоединенном ко второй трубе детонации, сделанной из титана и имеющей длину 32" и диаметр, равный 3". Альтернативно, первая труба детонации может иметь постоянный диаметр, равный 0,8".
Имеющаяся в продаже технология регулирующего клапана массового расхода может использоваться для управления отношением масс топлива и окислителя смеси топливо-окислитель и расхода смеси топлива и окислителя. Альтернативно, имеющаяся в продаже технология может использоваться для измерения массового расхода окислителя в устройстве смешения топлива и окислителя, а точное измерение массового расхода окислителя может использоваться для управления клапаном массового расхода, чтобы регулировать массовый расход топлива, необходимого для достижения желательного отношения масс топлива и окислителя смеси топлива с окислителем.
Детонация внутри текущей смеси топлива и окислителя
Предшествующие системы газовой детонации либо требуют длинных труб, либо сильно детонирующих газовых смесей, таких как кислород и водород, чтобы создать детонацию. Или же они будут только "быстро гореть", что является медленным и почти тихим процессом. Напротив, один подход настоящего изобретения дает возможность создать короткие импульсы звука высокой интенсивности внутри трубы длиной в один фут и диаметром 2 дюйма, используя только умеренно взрывчатые газообразные смеси, такие как пропан и воздух. В отличие от предшествующих систем этот подход настоящего изобретения воплощен в варианте системы, которая пропускает дуговой разряд сквозь текущий (или перемещающийся) поток смеси газа и окислителя, заполняющей трубу, внутри которой будет происходить детонация. Когда труба в основном заполнена, внутри текущего газа около питающей точки в трубе инициируется быстрая искра, искра вызывает последовательную детонацию всего газа внутри трубы. Альтернативно, текущий газ может сдетонировать от лазера или любым другим подходящим зажиганием и способом детонации согласно настоящему изобретению. Это зажигание внутри аппаратуры с текущим газом поразительно укорачивает длину трубы, требуемую для создания детонации, по сравнению с предшествующими системами, в которых поджигались нетекущие или же неподвижные газовые смеси. Кроме того, согласно этому подходу настоящего изобретения детонация требует порядка 1 джоуля энергии, чтобы смесь топлива и окислителя сдетонировала, в то время как предшествующие системы могут требовать от 100 до 1000 джоулей энергии, чтобы достичь детонации. Далее, желательными результатами этого способа являются сокращение неопределенности времени между запуском дугового разряда и последовательным излучением звукового импульса из трубы и повторяемость величины импульса детонации. Также согласно этому подходу настоящего изобретения детонатор способен обеспечить точную синхронизацию и управление величиной волны избыточного давления.
На фиг.1A показан вид сбоку предшествующей детонационной системы. Труба 100 детонации имеет отдельное устройство 102 подачи топлива, устройство 104 подачи окислителя, которые открыты в течение периода наполнения, чтобы заполнить трубу 100 детонации смесью 106 топлива и окислителя. После наполнения устройство 102 подачи топлива и устройство 104 подачи окислителя закрываются, и в нужное время с помощью провода 108 высокого напряжения создается разряд свечой 110 зажигания, которая поджигает смесь 106 топлива и окислителя, заставляя волну детонации распространяться по трубе детонации 100 и выходить через ее открытый конец 112. Точно так же на фиг.1B показан вид сбоку другой предшествующей системы детонации, в которой труба 100 детонации имеет устройство подачи смеси топлива и окислителя, открытое в течение периода наполнения, чтобы заполнить трубу 100 детонации смесью 106 топлива и окислителя. После наполнения устройство 105 подачи смеси топлива и окислителя закрывается и в нужное время с помощью высоковольтного провода 108 подается ток к свече 110 зажигания, которая поджигает смесь 106 топлива и окислителя, заставляя волну детонации распространяться вдоль трубы 100 детонации и выходить через ее открытый конец 112.
Фиг.2А изображает трубу 100 детонации генератора волн избыточного давления 11 настоящего изобретения, оснащенную устройством 105 подачи смеси топлива и окислителя через детонатор 114, где загорается искра в смеси 106 топлива и окислителя, в то время как труба 100 детонации заполняется смесью 106 топлива и окислителя, заставляя волну детонации распространяться вниз вдоль трубы 100 детонации и выходить через ее открытый конец 112. В этом варианте подходящий расход смеси топлива и окислителя устанавливается в течение зажигания внутри текущей смеси топлива и окислителя. Было найдено, что чем выше реальный диапазон течений, чем выше расход, тем более быстро происходит эволюция детонационной волны. Следовательно, один предпочтительный вариант осуществления использует высокую скорость потока. Для данной энергии искры некоторый расход определяет практический верхний предел расхода. В одном варианте осуществления трубка, питающая трубу детонации, имеет радиус ниже критического, чтобы предотвратить детонацию, распространяющуюся назад к устройству снабжения топливом. Например, в одном варианте осуществления используется трубка с диаметром в 1/4", чтобы предотвратить такой проскок пламени, и все же она имеет низкое сопротивление течению газа. Например, детонатор с длиной 1" и диаметром высверленного отверстия, равным 1/4", может достигать детонации, используя искру с энергией в 1 джоуль в MAPP газовоздушной смеси, текущей с расходом 50 л/мин.
На фиг.2А также показано необязательное вторичное устройство 105' подачи смеси топлива и окислителя. Одно из вторичных устройств 105' подачи смеси топлива и окислителя может быть использовано для ускорения наполнения большой трубы детонации (или комбинации труб). В одном из подходов одно или более вторичных устройств 105' подачи смеси топлива и окислителя используется для ускорения наполнения трубы 100 детонации параллельно с (первичным) устройством 105 подачи смеси топлива и окислителя так, что детонатор 114 может поджигать текущую смесь топлива и окислителя с требуемым расходом. В другом подходе устройство 105 подачи смеси топлива и окислителя может снабжать трубу детонации сначала с большей скоростью, а затем переходить ко второй скорости, при которой текущая смесь топлива и окислителя зажигается. Еще в одном подходе вторичное устройство 105' подачи смеси топлива и окислителя подает различную смесь 106' топлива и окислителя (не показано на фиг.2А) в трубу 100 детонации, а затем смесь 106 топлива и окислителя подается с помощью устройства 105 подачи смеси и окислителя в детонатор 114.
Для некоторых видов топлива может быть необходимо нагреть смесь топлива и окислителя для того, чтобы достичь детонации. В зависимости от скорости, при которой труба детонации зажигается, может быть необходимо охладить трубу детонации. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения устройство 105 подачи топлива (и/или 105") включает, по меньшей мере, один теплообменник (не показан) в контакте с трубой детонации, который служит для передачи тепла от трубы детонации к смеси топлива и окислителя. Теплообменник может иметь любые различные хорошо известные формы, такие как трубки малого диаметра, которые скручены в спираль вокруг трубы детонации от одного ее конца до другого и где плотность спирали может быть постоянной или может изменяться по длине трубы детонации. Другой вариант теплообменника предназначен для трубы детонации, окруженной защитной оболочкой так, что смесь топлива и окислителя внутри оболочки находится в контакте с трубой детонации и поглощает тепло от нее. Альтернативно, теплообменник может быть использован так, что он является независимым от устройства 105 подачи топлива, в котором находится другое вещество, а не смесь топлива и окислителя, например жидкость, такая как вода или силикон, может быть использована для поглощения тепла от трубы детонации. Альтернативно, другой источник тепла может быть использован для нагрева смеси топлива и окислителя. В общем, различные хорошо известные способы могут быть использованы для охлаждения трубы детонации и/или для нагрева смеси топлива и окислителя, включая способы передачи тепла от трубы детонации к смеси топлива и окислителя.
На фиг.2В показан первый вариант детонатора настоящего изобретения, который функционирует путем создания электрической дуги в потоке детонирующей газовой смеси. Как показано на фиг.2В, газовая смесь 106, состоящая из горючего газа и окислителя в правильном детонационном отношении, входит в трубу 100 детонации через питающую точку 208 детонатора 114. Когда труба в основном заполнена, высоковольтный провод 108 запускает высоковольтный триггерный вход 214, чтобы заставить искру 212 пробежать между неизолированными проводами 210 и пройти через газовую смесь 106, текущую по трубе 100 детонации, чтобы инициировать детонацию газа в трубе 100 детонации. Пуск триггера высокого напряжения управляется механизмом 216 управления синхронизацией.
Фиг.2С изображает второй вариант детонатора настоящего изобретения, который также функционирует посредством создания электрической дуги в потоке детонирующей газовой смеси. Как показано на фиг.2С, газовая смесь 106, состоящая из горючего газа и окислителя в правильном детонационном отношении, проходит в трубу 100 детонации через питающую точку 208 детонатора 114. Когда труба в основном заполнена, высоковольтный провод 108 запускает при высоком напряжении триггерный вход 214, чтобы заставить искру 212 пробе