專利名稱：爆震波防止器的制作方法
爆震波防止器相關申請的交叉引用本申請要求2009 年 7 月 7 日提交的題為 “Propulsion Systems and ComponentsThereof”的美國臨時專利申請號61/223,611的優先權，其以引用方式結合于本文。另夕卜，本申請涉及 2007 年 12 月 4 提交的題為 “Spark-Integrated Propellant InjectorHead With Flashback Barrier “的美國專利申請號 11/950，174、以及 2009 年 12 月8 日提交的題為"Regeneratively Cooled Porous Media Jacket "的美國專利申請號 12/633,770。另夕卜，本申請涉及題為 “Tiered Porosity Flashback SuppressingElements For Monopropellant Or Pre-Mixed Bipropellant Systems，，(Attorney Docket
No. 488-011-USP1)的美國專利申請號_、題為 “Flashback Shut-off” (Attorney
Docket No. 488-011-USP3)的美國專利申請號 12/831，767、以及題為"Aluminum Porous
Media" (Attorney Docket No. 488-011-USP4)的美國專利申請號_，所有上述三者均于
2010年7月7日提交，其以引用方式結合于本文。
背景技術：
能量產生系統經常使用有限存儲燃料源(例如，燃料箱)連同存儲氧化劑源來將燃料提供給能量產生系統。在上述雙元推進劑(bipropellant)火箭系統中，經常期望存儲確切數量的有限存儲燃料源和氧化劑源，以致在燃燒期間它們同時被用盡。花費了相當多的時間和精力來計算存儲在火箭上的適當數量的燃料和氧化劑，測量燃料和氧化劑的消耗，以及檢測何時燃料和氧化劑被消耗。因而，若干能量產生系統采用存儲單元推進劑源(或預混合雙元推進劑源)。單元推進劑(monopropellant)是單高能流體(液體、氣體或兩者的組合，并且有時具有夾帶的固體顆粒)，其分解以釋放氣體和熱量。這種加熱的氣體可以用來促使其它應用(例如，火箭推進器、充氣袋等)。単元推進劑通常組成自単一化學物質，或可替換地，化學物質的混合物，當結合時其產生單元推進劑共混物。在単元推進劑共混物中，成分最常保持充分混合并有效地表現為單高能流體。當混合在一起時，許多雙元推進劑(例如，燃料和氧化劑如汽化燃料和空氣的組合)有效地作為單元推進劑。在ー種典型的實施方式中，單元推進劑存儲為液體并且在引入高能火花以后、或在引入類似的點源點火裝置以后，在有適當的催化劑存在的條件下，分解成熱氣。典型的単元推進劑包括肼，其經常用于宇宙飛船姿態控制噴射器，以及羥基硝酸銨(HAN)。考慮到単元推進劑的特性，在単元推進劑的無意管路點火中，単元推進劑可以表現得像保險絲并產生燃燒波，其可以非常迅速地移動通過充滿單元推進劑的流體導管或通路。當爆震(爆轟)從燃燒室向上游進行到并通過供給管路時，用于火箭發動機和其它工作系統的單元推進劑和供應系統容易遭受損害。從單元推進劑的點火點(或沿著単元推進劑供給管的其它點)返回到単元推進劑儲存罐的回火的危險已阻止了単元推進劑的廣泛運用。瀑燃(deflagration)是ー種常見形式的燃燒,其中火焰以低于火焰的局部音速的速度傳播。爆燃燃燒最經常伴隨相對更慢的燃燒過程并且更經常在低壓、低能量密度系統中看到。然而，具有快速化學分解和/或化學反應速率的更高能量密度系統(如高能量密度液體或高壓單元推進劑氣體)可以產生更強大的瀑震現象。瀑震(瀑轟,detonation)是ー種現象，其特點在于超音速火焰(其以比火焰的局部音速更高的速度進行傳播)前鋒傳播。通過伴隨爆震波(爆轟波)的是壓力/溫度尖峰和沖擊波。上述條件可以導致包含巨大力量的短暫現象，其可以用于破壞性的或精心控制的建設性的目的。可以用單元推進劑來操作火箭發動機、氣體發生器、動カ裝置等，和更加常規的雙元推進劑(例如，空氣/燃料混合物或低壓燃料和氧化劑混合物)的能量密度和化學反應速率相比，上述単元推進劑可以具有非常高的氣體和/或液體局部可燃能量密度和/或化學分解速率。防止由在這樣的系統(包含具有非常高的氣體和/或液體密度的単元推進劑)中引起的潛在回火所產生的爆震波是重大的技術挑戰。
發明內容
除了別的之外，本文描述和聲稱的實施方式通過提供用于偏轉和減弱爆震波的爆 震波防止器(瀑轟波制止器，detonation wave arrestor)解決上述問題。本文披露的瀑震波防止器的一種實施方式包括爆震波偏轉器和爆裂元件。本文披露的爆震波防止器可以減弱和偏轉特征在于超音速火焰前峰傳播的爆震波的傳播。爆震波防止器使爆震波向爆裂元件偏轉。爆裂元件的破裂排出依然來自爆震的熱氣，從而分離和衰減燃燒氣體殘余物。本文披露的爆震波防止器可以用于可燃燃料或推進劑輸送系統。在一種可替換的實施方式中，爆裂膜進ー步構造成至少部分地圍繞爆震波偏轉器。在又一種實施方式中，爆震波偏轉器和爆裂膜構造成在爆震波偏轉器和爆裂膜之間形成用于可燃流體流動的一系列流路。在又一種可替換的實施方式中，爆震波偏轉器構造為單ー塊體(單體塊，single mass),該單ー塊體包括多側面基礎塊體部分(multi-sidedbase mass portion),以及維形塊體部分(conical mass portion),其附著在基礎塊體的頂部上井向著其頂點延伸。在一種可替換的實施方式中，爆震波防止器可以進一歩包括阻火器結構(flame-arrestor structure)、帽結構、以及連接機構,連接機構適合于以使瀑震波防止器和爆裂膜保持在阻火器結構和帽結構之間的方式連接阻火器結構和帽結構，。在一種實施方式中，爆震波防止器可以包括位于可燃流體的通路中的爆震波偏轉器，以及構造成至少部分地圍繞爆震波偏轉器的爆裂膜，其中爆裂膜構造成使爆震波遠離爆震波偏轉器消散。然而可替換地，爆震波防止器可以進一歩包括孔密度變化的多孔介質元件，其鄰近于爆震波偏轉器的基底而定位。在一種可替換的實施方式中，爆震波偏轉器的熱質量構造成防止產生自爆震波的熱量的消散達到多孔介質元件。在一種實施方式中，多孔介質元件可以由以下任何一種制成鋁、鐵材料、非鉄材料、以及耐火材料。在又一種可替換的實施方式中，爆震波偏轉器由以下至少ー種制成鐵材料、非鐵材料、耐火材料、碳、以及碳復合材料。本文披露的系統的ー種實施方式提供了用于在可燃燃料輸送系統中抑制爆震波的傳播的方法，該方法包括確定回火防止器組件在可燃燃料的通路中的位置；提供爆震波偏轉器，其構造成使爆震波向著爆裂膜偏轉；以及以至少部分地圍繞爆震波偏轉器的方式提供爆裂膜，其中爆裂膜構造成在爆震波存在的條件下發生破裂。此方法的又一種實施方式提供了多孔介質元件，其構造成鄰近多側面基礎塊體的基底定位。此方法的另ー種實施方式提供了可拆卸地連接于爆裂膜的截止閥，其中截止閥位于可燃流體的通路中。在此方法的一種可替換的實施方式中，截止閥構造成在爆裂膜發生破裂以后切斷可燃流體的流動。在又一種可替換的實施方式中，爆震波偏轉器構造成具有第一熱質量，其可以防止產生自爆震波的熱量的消散達到多孔介質元件。本文還描述和列舉的其它實施方式。
通過參照附圖，可以進一歩理解本發明的特征和優點，其中附圖在說明書的其余部分加以描述。在附圖中，相同的標記數字在若干附圖中用來指示類似的部件。在ー些情況下，標記數字可以具有伴隨的子標記(由小寫字母構成)以表示多個類似部件之一。當引用沒有子標記的標記數字吋，則標記數字用來指所有這樣的多個類似部件。圖I是具有若干姿態或遠地點推進器(使用本發明披露的回火防止裝置)的軌道或宇宙飛船的透視示意圖。圖IA是放大的示意截面圖，其示出使用根據目前披露的技術的回火防止裝置的軌道飛行器中的示例性単元推進劑推進系統。圖2示出単元推進劑或雙元推進劑系統的示例性流程圖，其中使用用于推進系統、工作流體產生系統、和/或能量產生系統的爆震防止裝置。圖3示出包括爆震波防止器的示例性實施方式的回火防止器的示例性幾何形狀和構成。圖3A是示意圖，其示出通過圖3的爆震波防止器的各種部件的流體通路。圖4示出了在圖3的爆震波防止器中所使用的爆震波偏轉器的三維視圖。圖5示出圖4的爆震波偏轉器的各種視圖，包括三維視圖、側視圖、以及剖視圖。圖6示出在爆震波防止器中所使用的爆裂膜的各種視圖，包括三維視圖、側視圖、以及剖視圖。圖7示出和爆震波防止器一起使用的帽結構的各種視圖，包括三維視圖、側視圖、以及剖視圖。圖8示出和爆震波防止器一起使用的阻火器結構的各種視圖，包括三維視圖、側視圖、以及剖視圖。圖9示出和爆震波防止器一起使用的壓合接頭結構的三維視圖。圖10示出回火防止器以及其各種部件的一種可替換的實施方式。圖11示出回火防止器以及其各種部件的又一種可替換的實施方式。圖12示出回火防止器以及其各種部件的又一種可替換的實施方式。圖13示出用于在可燃流體的通路中提供回火防止器組件的方法。
具體實施例方式在下面描述中，為便于解釋，闡述了許多具體的細節，以透徹理解本發明。然而，對于本領域技術人員來說，顯而易見的是，可以在沒有這些具體細節的ー些的情況下來實施本發明。例如，雖然各種特征針對特定的實施方式，但應當明了，相對于ー種實施方式描述的特征也可以并入其它實施方式。然而，同樣的道理，不應認為任何所描述的實施方式的單ー特征或多個特征對于本發明是必不可少的，因為本發明的其它實施方式可以省略這樣的特征。化學反應單元推進劑以及混合的燃料和氧化劑包含通過熱分解和/或燃燒來釋放能量的成分。在燃燒反應中，反應物處于比在反應物的燃燒以后剰余的產物更高的能量狀態。然而，需要輸入一定量的能量(即，活化能)以釋放存儲在反應物的化學鍵內的能量。經常通過點火源來引發化學能釋放，其向所選擇的単元推進劑或混合的燃料和氧化劑提供活化能。通常將點火源加入噴射器頭附近和能量產生系統的燃燒室內。存在許多點火源，其包括但不限于電火花、催化劑(即，通過提供増加反應的化學動力學的表面來降低活化能的物質)、熱源、沖擊負載、壓縮、或它們的任何組合。如果點火源位于單元推進劑或燃料和氧化劑的混合物的下游(即，在遠離流體能量儲存裝置的方向)，則在點火源處的火焰可以向上游傳播(即，在向著流體能量存儲的方向)通過供給管到對燃料和氧化劑進行混合的地方、或進入單元推進劑儲存箱。這種事件，通常表示為回火，可以引起災難性系統故障(例如，能量產生系統的破壞、周邊設備的 破壞、和/或附近人員的受傷或死亡)。回火可以采用爆燃或爆震波傳播的形式。爆燃是常見形式的燃燒，其中火焰以亞音速進行傳播。爆燃通常伴隨相對較低的能含量和化學反應速率。爆震是特征在于超音速火焰前峰傳播的現象。壓カ和溫度尖峰以及沖擊波通常伴隨爆震波。爆震波包含巨大力量，其在受控環境下可以是非常有用的或在不受控制的環境下則極具破壞性。設計成防止爆燃回火的常規回火防止裝置經常不足以堅固到能挺過爆震回火波。本文披露的回火防止器具體地構造成有效地防止和/或控制爆震回火波以及爆燃回火。圖I是使用本文披露的回火防止裝置具有若干姿態或遠地點推進器的軌道或宇宙飛船100的透視示意圖。推進器110可以使用単元推進劑推進系統110，其詳細描述在圖IA中。圖IA是剖視圖，其示出示例性単元推進劑推進系統110，其可以使用根據目前披露的技術的回火防止裝置102、104、106。示例性単元推進劑推進系統110包括単元推進劑箱112。點火接ロ 106位于箭體110和燃燒室114之間，其送入擴散形噴管116。在此圖中，將從左至右推進火箭。經由單元推進劑管路118，將來自單元推進劑箱112的推進劑輸送到燃燒室114。在發生回火的情況下，回火防止截止閥102可以切斷燃料。回火防止器104使由回火引起的能量轉向，而遠離管路118和箱112。回火防止點火接ロ 106可以包含燒結金屬或其它耐熱材料的微流體多孔介質結構。另外，截止閥102和/或回火防止器104也可以包含微流體多孔介質結構。請注意，雖然在圖I中相對于火箭披露了回火防止裝置102、104、106，但這樣的裝置也可以用于其它推進劑和/或能量產生系統。例如，在一種實施方式中，可變密度的材料或者燒結金屬或其它材料的分層孔隙微流體多孔介質結構可以用于微流體多孔介質結構。在一種實施方式中，這樣的微流體多孔介質結構可以由鋁制成。圖2示出用于單元推進劑或雙元推進劑系統的典型的流程圖200，其中使用回火防止裝置用于推進系統(例如，推進器220)、工作流體生產系統(例如，氣體發生器222)、和/或發電系統(例如，動カ裝置224)的回火保護。在第一描述的實施方式中，単元推進劑箱226是用于能量產生系統220、222、或224的燃料/氧化劑源。回火閥228、回火防止器236、和/或調節器232包含如本發明披露的回火防止技木。該回火防止技術可以防止或停止爆震波向上游傳播以及防止或停止在単元推進劑供給管和/或単元推進劑箱226中引起災難性系統故障。另外，目前披露的回火防止技術(例如，回火防止器236)還可以使爆震波的能量轉向而遠離供給管和/或単元推進劑箱226。在第二描述的實施方式中，在注入能量產生系統220、222、或224以前，預混合雙元推進劑箱(即，燃料箱228和氧化劑箱230)。用于這樣的系統的示例性燃料包括但不限于天然氣、汽油、柴油、煤油、こ烷、こ烯、こ醇、甲醇、甲烷、こ炔、以及硝基甲烷。用于這樣的系統的示例性氧化劑包括但不限于空氣、氧氣/惰性氣體混合物、氧氣、ー氧化ニ氮、以及過氧化氫。可以以許多不同比例來混合燃料組分和氧化組分，以獲得所期望的燃燒反應。雖然此圖示出采用分開的燃料和氧化劑箱的雙元推進劑構造，但應該認識到，這種基本前提可以應用于涉及ー種以上燃料和/或氧化劑成分以及另外的微量成分的混合物，上述另外的微量成分可以有助于燃燒過程或在所產生的氣體卷流中提供所期望的最終結果(例如，抑制不期望的微量氣體物質如NOx形成，促進燃料/空氣燃燒引發，促進良好燃料/空氣混合，改變具有嵌入的固體顆粒的流體物質)。回火閥234、回火防止器236、和/或調節器228可以包含如本發明披露的回火防止技木。該回火防止技術可以防止或停止爆震波向上游向著箱228、230傳播并防止或停止在預混合燃料和氧化劑處的下游的供給管中引起災難性系統故障。另外，目前披露的回火防止技術(例如，回火防止器236)還可以包括爆震波防止器/轉向器以使爆震波的能量轉向而遠離供給管和/或燃料箱228和氧化劑箱230。另外，圖2示出三種可替換的能量產生系統(例如，推進器220、氣體發生器222、或動カ裝置224)，各自具有相應的噴射器238。本文還包括其它能量產生系統。例如，各種工作提取循環可以采用回火防止技術(例如，燃氣輪(布雷頓)循環、顎圖循環、狄塞爾循環以及等壓循環)。噴射器238還可以裝備有上述回火防止技木，其可以防止或停止爆震波向噴射器234的上游傳播以及引起災難性系統故障。圖2所示的實施方式說明回火防止器236可以用來保護單點火源，即，一個回火防止器用于保護箱226，以及ー個回火防止器236用來保護箱228、230。然而，在一種可替換的實施方式中，單個回火防止器可以用來保護多個可燃混合物源。此外，可以將回火防止器236放置在點火源和可燃混合物的容器之間的任何地方。圖3示出回火防止器組件300的一種實施方式的部件的組件(組合體)的典型的幾何形狀和構成。回火防止器組件300可以包括爆震波偏轉器302、帽304、阻火器結構306、爆裂膜308、底部壓合接頭310、以及頂部壓合接頭312。若干螺釘或其它機構可以將回火防止器組件300保持在一起。例如，在所示實施方式中，帽304和阻火器結構306具有用 于螺釘的螺紋320，其將在帽304和阻火器結構306之間的爆震波偏轉器302和爆裂膜308保持在一起。帽304具有沿其中心軸線的孔ロ 322以及阻火器結構306具有沿其中心軸線的孔ロ 324。在一種可替換的實施方式中，孔ロ 322和324各自可以位于垂直于帽304和阻火器結構306的中心軸線的方向、或任何其它方向。在回火防止器300的典型的實施方式中，經由孔ロ 324、底部壓合接頭310連接于阻火器結構306，以及經由孔ロ 322頂部壓合接頭312連接于帽304。
底部壓合接頭310和頂部壓合接頭312各自通過在它們體中的空腔來提供用于流體(氣體、液體、或它們的組合)的通路。底部壓合接頭310可以設計成使得可以將它連接于管道、導管或其它機構，其用來從箱226、228、230向底部壓合接頭310輸送流體。類似地，頂部壓合接頭312以設計成使得其可以連接于管道、導管或其它機構，其用來遠離底部壓合接頭312井向著噴射器238輸送流體。阻火器結構306可以設計成在它的ー個表面上結合接收器326，從而保持多孔介質元件330。請注意，雖然在圖3所示的實施方式中，所示出的接收器326具有扁平結構，但如下面將討論的，接收器326可以具有各種可替換的幾何結構。在這樣的可替換的實施方式中，多孔介質元件330還可以具有不是扁平的幾何結構。回火防止器組件300的各種部件的詳細設計詳細示于以下圖4-12中。回火防止器組件300構造成位于從流體容器如箱226、228、230至噴射器238的流體通路中。因此，來自箱的流體可以通過連接導管、管道、或其它機構移向底部壓合接頭310。以這樣的方式將底部壓合接頭310連接于阻火器結構306 :使來自底部壓合接頭310的流體移向包含多孔介質元件330的接收器326。如上面所討論的，多孔介質元件330允許流體通過它。另外，流體還可以在接收器326的表面的方向移動，因而，垂直于流體通過多 孔介質的流動。在圖3中，方向箭頭332表示沿著接收器326的表面的流體的通路，而方向箭頭334則表示通過多孔介質330的流體通路。爆震波偏轉器302的底部表面設計成使得它偏轉流體通過多孔介質元件330移向爆震波偏轉器302的周邊。此外，以這樣的方式設計爆震波偏轉器302的側表面使得當將爆裂膜308安裝在爆震波偏轉器302的周圍時，沿著爆震波偏轉器302的側表面形成若干流路。來自多孔介質元件330的流體和沿著接收器326的表面移動的流體可以通過在爆震波偏轉器302和爆裂膜308之間的形成的上述流路移向帽304。方向箭頭336表示在爆震波偏轉器302和爆裂膜308之間的這樣的流體流動的通路。設計成相鄰于帽304的爆震波偏轉器302的外表面也可以以這樣的方式加以設計使得在爆震波偏轉器302和帽304之間形成若干流路338。在爆震波偏轉器302和爆裂膜308之間沿著通路336移動的流體可以通過通路338流向在帽304體內的中心孔ロ。隨后，流體可以通過在帽304中的孔ロ流向頂部壓合接頭312并從那里流向導管、管道、或其它機構，其將頂部壓合接頭連接于噴射器238。圖3A是示意圖，其示出通過回火防止器組件300的各種部件的流體通路。在一種可替換的實施方式中，可以連同截止閥一起來使用回火防止器組件300。例如可以相鄰于接收器326放置截止閥并連接于爆裂膜308，使得在回火的情況下，截止閥關閉流體從箱226、228、230至噴射器238的流動。如下面所討論的，可以以這樣的方式將這樣的截止閥連接于爆裂膜308 :使得在爆裂膜308發生破裂的情況下觸發關閉。一種可替換的實施方式可以提供在發生回火的情況下用于隔離推進劑源的推進劑關閉組件，其中推進劑關閉組件可以包括爆裂膜，其構造成在有回火的情況下失效；以及偏壓關閉截止閥，其連接于爆裂膜。可以通過爆裂膜使上述截止閥保持打開，同時破裂構件完好無損。又一種實施方式可以提供在發生回火的情況下隔離推進劑源的方法。在這樣的實施方式中，當推進劑在推進劑流動方向移動通過推進劑關閉組件時，推進劑關閉組件可以經歷回火。結果，由于回火，可以使推進劑關閉組件內的爆裂膜破裂，從而失效。爆裂膜的上述失效引起推進劑關閉組件關閉和隔離來自推進劑輸送系統(由于回火，其已失效)的任何部件的推 進劑源。這樣的截止閥可以設計成使得它具有足夠的力量來抵抗來自可燃流體的流動(從其來源)的最高可能的壓力。在一種實施方式中，截止閥組件的關閉會停止混合物的正常流動，其將快速斷絕潛在的后爆震火災事件的燃料的主要來源。在具有回火防止器組件300的ー個或多個部件位于流體的通路中的系統中，在引起回火的事件的情況下，通常，回火在上游方向移動，即，從噴射器向著箱。因此，如上所述，在通路中沒有放置回火防止器組件300的情況下，回火可以從頂部壓合接頭312的方向潛在地移向底部壓合接頭310。然而，如下文進ー步說明的，回火防止器組件300的各種部件有助于偏轉、減弱和/或制止這樣的回火以及伴隨的爆燃和爆震向著底部壓合接頭310。在意外造成回火的情況下，多孔介質元件330作為熱海綿工作，其以比爆震波可以釋放燃燒能量的速率更快的速率吸收燃燒能量。因此，多孔介質元件330提供爆震淬滅。然而，由于在正常操作中，多孔介質元件330還提供用于可燃流體的通路，所以對于每種特定應用，基于可燃流體的能量密度、燃燒能量釋放速率、質量流速要求以及允許壓降，來策略性地選擇多孔介質元件330的有效的微通道直徑的大小和表面積。雖然多孔介質元件330的淬滅距離可以足以制止原爆震波，但是，通過機械故障和/或通過固體材料的熱傳輸，釋放自管路回火的能量可以引起二次點火。在直接接觸未燃燒的可燃流體足以點燃回火防止器組件300的上游的推進劑時，這種導電熱傳輸可以產生熱點。然而，爆震波偏轉器302連同爆裂膜308 —起可以對可燃流體源提供額外的保護，使其免受由上述另外的爆震波引起的潛在危害。具體地，爆震波偏轉器302，連同爆裂膜308—起，使爆震產物，在它們達到多孔介質元件330或至少緊鄰多孔介質元件330以前，自在頂部壓合接頭312中的孔ロ移動被通風。此外，爆震波偏轉器302，當被燃燒波擊中時，會驅散沖擊波，使其遠離多孔介質元件330。具體地，爆震波偏轉器302將沖擊波能量引向爆裂膜308。為防止發生起因于爆震波的二次點火，爆震波偏轉器302的熱質量應足以能夠吸收足夠的來自剩余熱廢氣的熱能，其中上述剩余熱廢氣從在頂部壓合接頭312中的孔ロ吹向爆震波偏轉器302。如果存在足夠的熱量來使接觸未燃燒的可燃流體的表面升高到足以引起熱點火的溫度，則可以發生上述二次點火。具有足夠的熱質量的爆震波偏轉器302有助于減輕上述二次點火機制。爆震波偏轉器302可以由各種各樣的不同材料制造，包括鐵金屬、非鉄金屬、高熔點金屬、碳(例如，石墨、金剛石)、復合材料(例如，碳纖維復合材料)、以及在一些情況下陶瓷。通常，具有吸收較大沖擊能的壓縮強度和能力的任何材料是所期望的。一般來說，高熱導率也是所期望的，以有助于快速吸收熱能。在爆震波偏轉器302的一些實施方式中，可以施加用于特定推進劑的惰性涂層(例如，MgO, Al2O3、氧化釔)，以允許使用對推進劑催化的材料而沒有損壞爆震波偏轉器302。在回火防止器組件300中添加爆震波偏轉器302還可以用來減小在鄰近回火防止裝置處可燃流體可以占據的容積，消散伴隨管路傳播的沖擊波，以及吸收來自熱燃燒氣體(來自爆震波)的ー些量的熱能。如上面所討論的，爆震波偏轉器302的形狀使它可以偏轉爆震和/或爆震波返回可燃流體源，因而，向著爆裂膜308。可以將爆裂膜308設計成在爆震和/或爆震波的流路中的最薄弱部分，使得當上述擴散爆震波擊中時爆裂膜308將破裂和分開。在回火防止器組件300的一種實施方式中，可以將爆裂膜308設計成具有薄壁，其可以在回火防止器組件300的組裝期間在拉伸下加載。這種拉伸可以用來將在回火防止器組件300中的流路的進一步上游上的處的彈簧閥組件(此處未示出)保持打開。爆裂膜308的分離或破裂會引起爆震波的進ー步分散和排氣并釋放彈簧閥組件以切斷來自源的可燃混合物的流動。在一種可替換的實施方式中，通過爆震波直接和/或間接啟動ー種可替換的機構可以用來產生關閉控制。在這樣的實施方式中，爆裂膜308可以被設計成具有ー些特征以將由爆震波壓カ引起的分離引到某些所期望的區域。例如，一種這樣的特征可以是進入爆裂膜308中的ー個或多個圓周槽。在這樣的實施方式中，由除去材料(以產生槽)所引起的更小的橫截面積在期望的情況下可以提供分離通路。可以外部和/或內部地切割上述槽。一般來說，這些槽或類似于槽的特征有兩個目的。首先，在設計成發生所期望的分離或失效的區域中，槽會局部降低結構強度。其次，在設計成發生所期望的分離或失效的位置處，類似于管路進料，槽會增加推進劑負載。爆裂膜308可以由許多材料制造，包括但不限于塑料(例如，聚こ烯)、金屬(例 如，鈦、鋁、不銹鋼)。在爆裂膜308的一種可替換的實施方式中，可以施加用于特定推進劑的惰性涂層(例如，18031203、氧化釔)以允許使用對推進劑催化的材料。一般來說，可以將爆裂膜308設計成適應正常進料系統操作壓カ(包括設計余量)而沒有失效，但當暴露于甚至最弱的預計爆震波時則徹底地和可靠地失效。下文參照圖6，詳細提供爆裂膜308的詳細描述。在一種可替換的實施方式中，回火防止器組件300還可以設置有外殼,其圍繞帽304、阻火器結構306、以及爆裂膜308。這樣的外殼(此處未示出)可以保護圍繞回火防止器組件300的部件，使其免受由爆裂膜308的破裂所產生的碎片的影響。此外，這樣的外殼還可以以更加可控和以定向方式來弓I導爆震波的排氣。當回火防止器組件300用于可能密切接觸操作者等的位置時，上述外殼可以是特別重要的。在回火防止器組件300的一種實施方式中，多孔介質元件330可以由燒結金屬制成并設計成具有多個足夠小和盤繞的流路。這樣的流路可以淬滅和停止爆震波的任何殘余部份和伴隨的沖擊波。在一種可替換的實施方式中，多孔介質元件330還可以具有可變密度設計。又一種實施方式可以包括利用不同的微通道實施方式的多孔介質元件330，并且可以構造成不同的幾何形狀，如杯形幾何形狀等。圖4示出爆震波偏轉器402的一種實施方式的三維視圖。具體地，圖4示出從底部的角度來看的爆震波偏轉器402的視圖，以下稱為底視圖404，以及從頂部的角度來看的爆震波偏轉器302的視圖，以下稱為頂視圖406。爆震波偏轉器402由兩個幾何塊體構成，擬圓柱形基礎塊體(quasi-cylindrical base mass)408,以及錐形塊體410,其在擬圓柱形基礎塊體408的頂部并連接于擬圓柱形基礎塊體408。請注意，爆震波偏轉器402的上述分區說明僅用于說明的目的，而在實踐中，擬圓柱形基礎塊體408、以及錐形塊體410可以由單件材料制成。此外，在一種可替換的實施方式中，擬圓柱形基礎塊體408和錐形塊體410的ー種或二者可以具有不同的幾何形狀。擬圓柱形基礎塊體408顯示為具有12個平面的外表面如平面412、414等。雖然本文描述的實施方式包括6個平面和6個圓柱體的截面，但ー種可替換的實施方式可以具有不同數目的上述平面。如底視圖404所示，爆震波偏轉器402的底部表面可以具有在擬圓柱形基礎塊體408的底部表面蝕刻的若干同心槽和若干徑向槽。這樣的開槽底部表面允許以這樣方式將爆震波偏轉器402放置在阻火器結構306的頂部使得同心和徑向槽能夠接收來自多孔介質元件330的可燃流體的流動。另外，這些槽，尤其是徑向槽，還將可燃流體的流動引向爆震波偏轉器302的周邊。選擇圓柱形基礎塊體408的形狀，使得即使擬圓柱形基礎塊體408的外側表面靠近爆裂膜308的內表面，在擬圓柱形基礎塊體408的外側表面和爆裂膜308的內表面之間，仍然存在一定的選擇性間距。上述在擬圓柱形基礎塊體408和爆裂膜308之間的間距允許可燃流體沿著在擬圓柱形基礎塊體408的側面上的平面412、414向上流向頂部壓合接頭312。可替換地，圓柱形塊體408的若干部分可以配對爆裂膜308的內表面。平面412和414可以提供流路，同時借助于在爆裂膜308內的其它同心表面實現部件的強制聯鎖。
如頂視圖406所示，錐形塊體410的外表面還可以設置有若干平面。在圖4中，錐形塊體410示出，在錐形塊體410外表面上具有6個平面，如表面416、418。然而,在ー種可替換的實施方式中，可以設置可替換數目的上述表面。優選地，在錐形塊體410上的平面數目可以對應于在擬圓柱形基礎塊體408上的平面數目。錐形塊體410的形狀構造成即使錐形塊體410的外側表面靠近帽304的內底部表面(如下文相對于圖7詳細描述的)，在錐形塊體410的外側表面和帽304的內底部表面之間仍然存在一定的選擇性間距。上述在錐形塊體410和帽304的內底部表面之間的間距允許可燃流體沿著在錐形塊體410的側面上的平面416、418向上流向頂部壓合接頭312。可替換地，錐形塊體410的若干部分可以配對帽304的內底部表面。平面416和418可以提供流路，同時借助于在阻火器結構306和帽304之間的其它表面實現部件的強制聯鎖。圖5示出爆震波偏轉器402的各種視圖，包括三維視圖、側視圖、以及剖視圖。具體地，圖5示出橫斷面底視圖502、橫截面側視圖504、橫斷面前視圖506、以及橫斷面三維視圖508。圖5所示的各種視圖各自進ー步示出擬圓柱形基礎塊體408、錐形塊體410、平面412、414、416、418、以及在擬圓柱形基礎塊體408的底部表面上的徑向和同心槽的幾何形狀。具體地，如圖5所示的擬圓柱形基礎塊體408的底部表面的視圖示出這些槽如何可以允許可燃流體向著爆震波偏轉器302的外表面的流動。將爆震波偏轉器402的錐形塊體410的表面設計成首先遭遇從頂部壓合接頭312移向爆震波偏轉器402的潛在爆震波。錐形塊體410偏轉上述爆震波軸向向外地，或遠離爆震波偏轉器402的中心軸線，如在錐形塊體410的頂部的箭頭420所示。確定爆震波偏轉器402的高度(包括錐形塊體410的高度和擬圓柱形基礎塊體408的高度)以確保爆震波偏轉器402具有足夠的熱質量來吸收來自爆震波的足夠的熱能。有助于爆震波偏轉器402的這種設計的有效性的另外的特征是在爆震波偏轉器402的未受保護側(向著底部表面)的容積的減小(由于提供了同心和軸向槽)。在沒有這樣的槽的情況下，在多孔介質元件330附近的更大容積可以引起通過沖擊、壓力、或熱方式發生的多孔介質元件330的失效。爆震波偏轉器402的這種設計(具有在底部表面的槽)提供了通道以允許可燃流體在正常操作期間流動。然而，周圍材料也可以吸收來自燃燒氣體的熱能，其引起材料増加它們的溫度。因此，在發生回火或爆震波的情況下，相同的流體通道可以為能夠引起多孔介質元件330的失效的能量提供通路。對于給定溫度變化，材料質量吸收或釋放熱量的特性通常被稱為體熱質量(body’s thermal mass)。熱質量是姆度溫度變化下由材料可以吸收的總能量的度量。對于在給定熱負荷下的更小體溫變化，應使用更多熱質量。在大多數情況下，熱質量應能夠吸收可以預期相互作用于爆震防止器的大部分能量而沒有達到可以引起單元推進劑的二次點火的溫度。一般來說，應如此設計爆震波偏轉器402的容積和熱質量，以減少鄰近敏感元件如多孔介質元件330 (其中初始爆震事件或二次加熱可以引起元件失效)的単元推進劑的管路進料。例如，需要考慮，在最壞情況下，燃燒后熱氣如何可以將能量存入周圍材料以潛在地局部加熱材料至可以引起単元推進劑的二次點火的溫度。需要平衡這種最少爆震和熱能的設計和使単元推進劑的質量流速可以在最小壓降下在順利(nominally)移動通 過回火防止器的需要。圖6示出爆裂膜308的各種視圖，包括三維視圖、側視圖、以及剖視圖。具體地，圖6示出爆裂膜308的三維視圖602、前視圖604、以及剖視圖606。如圖6所示，爆裂膜308可以設計成使得它的外壁608具有沿其長度的變化厚度。因此，例如，和邊緣612、614相比，夕卜壁608可以向著中心610變得更薄。雖然圖6所示的爆裂膜308具有圓柱形，但在ー種可替換的實施方式中，可以將爆裂膜308設計成具有可替換的形狀，如具有多側面(八面等)外表面。圖6所示的爆裂膜308的結構引起它的外表面向著它的中間610變得更弱(和邊緣612、614)。因此，當爆震波被偏轉向著爆裂膜308，更容易在中間610發生破裂。可以通過使用不同厚度的膜來實現爆裂膜308沿其長度的上述不同強度。然而，在ー種可替換的實施方式中，可以通過使用沿爆裂膜308的長度的材料的不同混合物、通過使用沿爆裂膜308的長度不同大小的槽、或通過ー些其它機制，來實現爆裂膜308沿其長度的上述不同強度。在其外表面上具有12個平面的爆震波偏轉器402和爆裂膜308的圓柱形的組合在上述兩者之間產生一系列流路。然而，在一種可替換的實施方式中，爆震波偏轉器可以設置有圓柱形外表面以及爆裂膜308的內表面可以具有若干平面，使得在爆震波偏轉器和爆裂膜308的這樣的組合之間產生流路。爆裂膜308的頂部邊緣612還可以設置有槽614，其允許將爆裂膜608連接于帽304。在一種實施方式中，可以提供環形墊圈(Ο-ring)以將爆裂膜308密封于帽304。圖7示出在回火防止器組件300中所使用的帽304的各種視圖，包括三維視圖、側視圖、以及剖視圖。具體地，圖7示出帽304的三維視圖702、底視圖704、以及側視圈706。如圖7所示，帽304具有4個螺紋320，其可以用來組裝帽304和阻火器結構306。帽304還可以設置有軸向孔ロ 322，其提供可燃流體從底部壓合接頭310向著頂部壓合接頭312的通路。軸向孔ロ 322可以是至少部分錐形的。如圖7所示，軸向孔ロ 322的錐形剖面712在向外方向上形成錐度，并遠離帽304的中心軸。錐形剖面312的尺寸可以設計成使得當帽結構裝配在爆震波檢測器302的頂部吋，則將錐形剖面712定位于錐形塊體410的頂部。由于錐形塊體410的外表面具有若干平面以及軸向孔ロ 322的錐形部分具有光滑內表面，在一起它們形成用于可燃流體的若干流路。這些流路還允許爆震波被耗散而遠離帽的軸線井向著圍繞爆震波偏轉器302的爆裂膜。在一種可替換的實施方式中，可以在非軸向位置，將孔ロ 322的非錐形部分，即，孔ロ 322的頂端部分，連接于孔ロ 322的錐形部分。圖8示出和防止器組件300 —起使用的阻火器結構306的各種視圖，包括三維視圖、側視圖、以及剖視圖。具體地，圖8示出三維視圖802、頂視圖804、以及側視圈806。如圖8所示，阻火器結構306具有4個螺紋320，其可以用來組裝阻火器結構306和帽304。阻火器結構306還包括接收器326，其可以用來接收多孔介質元件330。孔ロ 324可以提供用于可燃流體的從底部壓合接頭310向著接收器330的通路。接收器326的底部表面可以設置有若干同心槽808和軸向槽810。這些槽808、810提供各種通路，用于來自孔ロ 324的可燃流體流向多孔介質元件330的周邊，從這里，可燃流體可以沿著爆震波偏轉器302的平面流動。在阻火器結構306的一種實施方式中，可以將截止閥(這里未披露)定位于在接收器326正下方的孔ロ 324中。圖9示出可以和回火防止器組件300 —起使用的壓合接頭結構900的三維視圖。壓合接頭結構900可以用作底部壓合接頭310或用作頂部壓合接頭312。壓合接頭結構900在其兩端可以設置有螺紋或其它連接機構以將回火防止器組件300連接到用于可燃流體 的供給管中。圖10示出回火防止器組件1000以及其各種部件的可替換的實施方式。具體地，回火防止器組件1000顯示為具有爆震波偏轉器1002和阻火器結構1004。將爆震波偏轉器1002的底部表面設計成具有錐形。錐形底部表面1008可以包括若干圓形臺階1010以及若干槽1012，從爆震波偏轉器1002的中心向外擴展。類似地，阻火器結構1004可以具有錐形凸出表面1014和在錐形凸出表面1014上并圍繞它的中心軸線的若干圓形臺階。成形為錐形的多孔介質元件1006可以位于爆震波偏轉器1002的錐形底部表面和阻火器結構1004的錐形凸出表面1014之間。圖11示出回火防止器組件1100以及其各種部件的可替換的實施方式。具體地，回火防止器組件1100顯示為具有爆震波偏轉器1102和阻火器結構1104。將爆震波偏轉器1102的底部表面設計成具有半球形。半球形底部表面1108可以包括若干圓形臺階1110以及若干槽1112，其從爆震波偏轉器1102的中心向外擴展。類似地，阻火器結構1104可以具有半球形凸出表面1114以及在半球形凸出表面1114上并圍繞其中心軸的若干圓形臺階。成形為半球形式的多孔介質元件1106可以位于爆震波偏轉器1102的半球形底部表面和阻火器結構1104的半球形凸出表面1114之間。圖12示出回火防止器組件1200以及其各種部件的可替換的實施方式。具體地，回火防止器組件1200顯示為具有爆震波偏轉器1202和阻火器結構1204。將爆震波偏轉器1202的底部表面設計成具有倒杯形狀。類似地，阻火器結構1204可以具有凸出表面1206。成形為杯狀形式的多孔介質元件1208可以位于爆震波偏轉器1202的杯形底部表面和阻火器結構1204的杯形凸出表面1206之間。帽1210可以設置成安裝在回火防止器組件1200的頂部。圖13示出用于在可燃流體的通路中提供回火防止器組件的流程圖1300。由流程圖1300提供的方法可以用于提供回火防止器組件，如在從可燃燃料源226、228、230輸送到噴射器238的可燃燃料的通路中的回火防止器組件300。方塊1302確定可燃燃料通路以及回火防止器組件待放置的位置。一般來說，爆震防止器應位于主要能源存儲介質的緊接下游。在冗余架構中，將另外的爆震防止器放置在潛在點火源(例如，機械致動器、燃燒室)的緊接上游。在組件的位置被確定以后，方塊1304提供待放置在可燃流體的通路中的爆震波偏轉器。在提供爆震波偏轉器以后，方塊1306可以提供爆裂膜。在一種實施方式中，爆裂膜可以設置成至少部分地圍繞爆震波偏轉器。隨后，方塊1308可以提供可以鄰近爆震波偏轉器的多孔介質元件。因而，例如，在一種實施方式中，可以安置多孔介質元件以提供在爆震波偏轉器和多孔介質元件之間的通路，其允許可燃流體的流動。方塊1310可以提供圍繞爆裂膜的外売。如上面所討論的，這樣的外殼可以在爆裂膜發生破裂的情況下用于防止碎片的排出(由于爆震波和/或爆燃)。方塊1312可以將截止閥組件連接至回火防止器組件。在一種實施方式中，可以以這樣的方式將上述截止閥連接于爆裂膜使得當爆裂膜破裂時，它引起截止閥的關閉。上述說明、實施例、和數據提供了本發明的示例性實施方式的結構和應用的完整描述。因為可以實施本發明的許多實施方式而不偏離本發明的精神和范圍，所以本發明由下文所附權利要求來限定。另外，在又一種實施方式中可以結合不同實施方式的結構特征 而不偏離所詳述的權利要求。
權利要求
1.一種用于在可燃燃料輸送系統中抑制爆震波傳播的組件，所述組件包括 爆震波偏轉器，構造成使所述爆震波朝向爆裂膜偏轉； 其中所述爆裂膜被構造成在所述爆震波存在的條件下破裂。
2.根據權利要求I所述的組件，其中，所述爆裂膜被進ー步構造成至少部分地圍繞所述爆震波偏轉器。
3.根據權利要求2所述的組件，其中，所述爆震波偏轉器和所述爆裂膜被構造成在所述爆震波偏轉器和所述爆裂膜之間形成用于所述可燃流體流動的一系列流路。
4.根據權利要求I所述的組件，其中，所述爆震波偏轉器被構造為單ー塊體，包括 多側面基礎塊體部分；以及 錐形塊體部分，所述錐形塊體部分附著在所述基礎塊體的頂部并向著其頂點延伸。
5.根據權利要求4所述的組件，其中，所述爆震波偏轉器進一歩包括在所述多側面基礎塊體的基底處的一系列槽。
6.根據權利要求5所述的組件，進ー步包括 多孔介質元件，所述多孔介質元件構造成鄰近于在所述多側面基礎塊體的所述基底處的所述槽而定位。
7.根據權利要求6所述的組件，其中，所述多孔介質元件鄰近于在所述多側面基礎塊體的所述基底處的所述槽而定位以產生用于所述可燃流體的流動的多個徑向通路。
8.根據權利要求6所述的組件，進ー步包括 阻火器結構； 帽結構；以及 連接機構，所述連接機構適合于以這樣的方式連接所述阻火器結構和所述帽結構使所述爆震波防止器和所述爆裂膜保持在所述阻火器結構和所述帽結構之間。
9.根據權利要求6所述的組件，其中，所述阻火器結構進一歩包括用來保持所述多孔介質元件的接收器結構。
10.根據權利要求2所述的組件，進ー步包括可拆卸地連接于所述爆裂膜的截止閥。
11.根據權利要求10所述的組件，其中，所述截止閥位于所述可燃流體的通路中。
12.根據權利要求10所述的組件，其中，所述截止閥被構造成在所述爆裂膜的破裂以后切斷所述可燃流體的流動。
13.根據權利要求I所述的組件，其中，與所述爆裂膜朝向邊緣的厚度相比，所述爆裂膜朝向其中心的至少一部分被設計成具有更薄的壁。
14.根據權利要求I所述的組件，其中，所述爆裂膜進ー步包括沿著所述爆裂膜的長度的多個圓周槽。
15.根據權利要求14所述的組件，其中，所述圓周槽的厚度沿所述爆裂膜的長度而變化。
16.根據權利要求I所述的組件，進ー步包括圍繞所述爆裂膜的外売。
17.根據權利要求6所述的組件，其中，所述爆震波偏轉器被構造成具有第一熱質量，所述第一熱質量防止產生自所述爆震波的熱量消散達到所述多孔介質元件。
18.一種用于在可燃燃料輸送系統中抑制爆震波傳播的方法，所述方法包括 確定回火防止器組件在所述可燃燃料的通路中的位置；提供爆震波偏轉器，所述爆震波偏轉器構造成將所述爆震波偏轉向爆裂膜；以及 以使至少部分地圍繞所述爆震波偏轉器的方式提供所述爆裂膜； 其中所述爆裂膜構造成在有所述爆震波存在下破裂。
19.根據權利要求18所述的方法，進ー步包括 提供多孔介質元件，構造成在鄰近于所述多側面基礎塊體的基底定位。
20.根據權利要求19所述的方法，進ー步包括 提供可拆卸地連接于所述爆裂膜的截止閥，其中所述截止閥位于所述可燃流體的通路中。
21.根據權利要求20所述的方法，其中，所述截止閥被構造成在所述爆裂膜破裂以后切斷所述可燃流體的流動。
22.根據權利要求21所述的方法，其中，所述爆震波偏轉器被構造成具有第一熱質量，所述第一熱質量防止產生自所述爆震波的熱量的消散達到所述多孔介質元件。
23.—種瀑震波防止器,包括 爆震波偏轉器，位于可燃流體的通路中；以及 爆裂膜，構造成至少部分地圍繞所述爆震波偏轉器； 其中，所述爆裂膜構造成使爆震波遠離所述爆震波偏轉器消散。
24.根據權利要求23所述的爆震波防止器，進ー步包括 孔密度變化的多孔介質元件，鄰近于所述爆震波偏轉器的基底而定位。
25.根據權利要求24所述的爆震波防止器，其中，所述多孔介質元件由鋁制成。
26.根據權利要求25所述的爆震波防止器，其中，所述爆震波偏轉器的熱質量被構造成防止產生自所述爆震波的熱量的消散達到所述多孔介質元件。
27.根據權利要求24所述的爆震波防止器，其中，所述多孔介質元件由鋁制成。
28.根據權利要求27所述的爆震波防止器，其中，所述多孔介質元件由多個鋁介質元件制成，其中所述多個鋁介質元件的至少兩個具有不同的孔隙度。
29.根據權利要求24所述的爆震波防止器，其中，所述多孔介質元件由以下至少ー種材料制成鐵材料、非鐵材料、以及耐火材料。
30.根據權利要求24所述的爆震波防止器，其中，所述爆震波偏轉器由以下至少ー種材料制成鐵材料、非鐵材料、耐火材料、碳、以及碳復合材料。
全文摘要
本文披露的裝置和系統提供了爆震波防止器，其包括爆震波偏轉器和爆裂元件。本文披露的爆震波防止器可以減弱和偏轉特征在于超音速火焰前峰傳播的爆震波的傳播。爆震波防止器使爆震波偏轉向爆裂元件。爆裂元件的破裂可以提供依然來自爆震的熱氣的排氣，因而提供燃燒氣體殘余物的分離和衰減。本文披露的爆震波防止器可以用于可燃燃料輸送系統。
文檔編號A62C4/02GK102648025SQ201080039650
公開日2012年8月22日 申請日期2010年7月7日 優先權日2009年7月7日
發明者戴維·J·費希爾, 格雷戈里·蒙加斯 申請人:火星工程有限公司