高速適用例を容易にする指向性エネルギー堆積

(関連出願の相互参照) 本出願は、(1)2016年6月17日に出願の国際出願PCT/US2016/038239号;(2)2016年6月17日に出願の米国特許出願15/186,337号;及び(3)2015年6月18日出願の米国仮特許出願第62/181,625号の優先権の恩典を請求する。前述の関連出願の全ては、それらの全容が、引用により本明細書中に組み込まれる。

加えて、以下の米国特許のそれぞれは、それらの全容が、引用により本明細書中に組み込まれる:2003年3月4日に付与された米国特許第6,527,221号、2006年6月20日に付与された米国特許第7,063,288号、2006年10月17に付与された米国特許第7,121,511号、2010年1月19日に付与された米国特許第7,648,100号、2011年12月20日に付与された米国特許第8,079,544号、2012年3月27日に付与された米国特許第8,141,811号、2013年8月20日に付与された米国特許第8,511,612号、2013年9月17日に付与された米国特許第8,534,595号、2014年9月9日に付与された米国特許第8,827,211号、及び2015年2月24日に付与された米国特許第8,960,596号。

(発明の分野) 多数の適用例、例えば、数ある中で特に、流れの制御、抵抗の低減、及び移動体の制御において劇的な効果を達成するために、エネルギー堆積技術が過去に開示されている。エネルギー堆積の大きな利点の研究では、変更を行わないときにエネルギー堆積から得られる利点を高めるために、エネルギーをどのように及び/又はいつ堆積させるかについてのいくつかの変更を行うことができる。1つのこのような変更は、エネルギー堆積と1つ以上の他のプロセスとの効果を同期させる、「時間調整する」、又は「整相する」ために、更なる利点を達成する又は目的の効果を最大化するために、エネルギー堆積をこのような他のプロセスに適合させることである(用語「同期させる」、「時間調整する」、又は「整相する」は、事象又はプロセスを1つ以上の他の事象及び/又はプロセスに対して時間調整することを示すために互いに同義的に使用することができる)。このような事象及び/又はプロセスとしては、限定されるものではないが:数ある中で特に、推進プロセス;流体力学的プロセス;化学的プロセス;特定の運動;更なるエネルギーの注入、追加、及び/又は堆積;更なる材料の注入、追加、及び/又は堆積;エネルギーの除去;材料の除去;圧力変化;1つ以上の力の適用;燃焼プロセス;点火プロセス;爆発プロセスが挙げられる。更に、エネルギー堆積の概念は、媒体にエネルギーを加える又は媒体の加熱をもたらすあらゆるプロセスを含むと広く解釈される。この加熱又はエネルギー堆積は、媒体の音速よりも速く該媒体の膨張をもたらし、結果として、元の媒体よりも密度の低い領域が膨張後に残るように十分に迅速に(例えば、瞬間的に)行うことができる。別の可能性は、加熱をもたらすエネルギー堆積及び/又はプロセスが、媒体中の位相変化を生じさせることができ、これにより、該加熱された1つ又は複数の媒体の密度及び/又は他の特性、例えば、特に、粘度及び/又は強度を変更できることである。特に、密度、粘度、及び/又は強度を含む、1つ又は複数の媒体のこれらの変化は、該1つ又は複数の媒体の流れ特性の変更、並びに該影響を受けた媒体の他の特性及び応答の変更をもたらし得る。

織機を横断する際の抵抗を低減することにより、エアジェット、ウォータージェット、シャットル、ピックなどの織機適用例において通過速度を上げること。織機によって織られる材料の移動に一致するようにエネルギー堆積を同期させること。地上車の運動及び一時的な浮上力及び推進力、及びこれらの力を達成するために使用されるエネルギーとエネルギー堆積を同期させることにより該地上車の抵抗を低減すること。銃身から空気を押し出すために、発射体の推進に使用される数ある銃身のタイプの中で特に、銃、小火器、又はブリーチャー(breacher)の銃身にエネルギーを堆積すること。発射体の抵抗の低減は、同じ量の駆動エネルギー(例えば、従来の銃の推進剤又はレールガンの電気駆動エネルギー)でより速い銃口速度を可能にする。抵抗の低減はまた、少ない駆動エネルギー(例えば、より少ない装薬、例えば、特定の装置の標準的な装薬と比較して90%未満の装薬、例えば、50%〜90%の間、70%未満、又は80%未満の装薬)を使用することによって、変更なしで達成される速度に匹敵する速度の達成も可能にする。従来の銃では、これは、少ない推進剤で同じ性能を達成できることを意味する。従って、推進剤の少ない必要量により、発射体が銃身を出るときの衝撃波が軽減される。この音響学的特性の低減は、操作者(複数可)を含む近くの人々の聴覚に対する悪影響を最小限にするのに有用である。この音響学的特性の低減はまた、(消音装置と同様に)音響手段による検出を緩和することもできる。銃身から空気を押し出すためのエネルギー堆積は、様々な形態で適用することができる。例えば、2つの実施態様は:(i)銃身の内部での電磁エネルギーの堆積;又は(ii)エネルギーの堆積が化学的性質であり得ること;並びにこれらの2つのエネルギー堆積アプローチのある組み合わせを含み得る。電磁エネルギーは、例えば、銃身の内部での放電の形態であり得る。化学エネルギーは、例えば、(発射体の後ろで膨張して該発射体を銃身から押し出す従来の推進剤の役割とは対照的に)点火時に発射体の前で膨張してガスを銃身から押し出す追加の推進剤の形態であり得る。この追加の推進剤は、弾自体に含めることができる。粉体塗装、例えば、超音速噴霧堆積の適用例では、エネルギー堆積を:粉末の噴流(burst);加熱の適用;放電の適用;レーザーエネルギーの適用;プラズマの適用と整相する。超音速推進及び極超音速推進では、エンジン(例えば、パルスデトネーションエンジン)内のデトネーションに対してエネルギー堆積を整相し、これにより、流体力学的プロセスが適切に整相する(このタイミングは、移動体の長さスケール及び推進ユニット(複数可)、並びに、数ある因子の中でも特に、飛行条件及びパラメーターによって決まる)。推進パルスも同期させて、レーザーパルスを生成して、パルス電源に給電することができる。

(発明の背景) その開設以来、PM & AM Research社は、特に、万物がどのように飛行し、高速の流れを制御するか、本発明者らが、どのように高亜音速領域から極超音速領域にわたる高速飛行及び流れの制御を行うかを変革するために広範囲のエネルギー堆積の適用例を開拓してきた。この新規なアプローチによって開拓された多数の可能性の直観的感覚を提供するいくつかの適用例が存在する。基本的な効果は、本発明者らが高速/高圧ガスを流したい領域からガスを急速に膨張させるための本発明者らのアプローチから生じる。(ある程度の想像力と自由を必要とする)単なる例として、発射体を直接水中で発射させて一側から他側に移動させる場合、又は最初に紅海を「分離」させて、次いで同じ銃弾を発射させて水を含まない経路の中を移動させる場合の、発射体を高速で紅海を横断させようとする際の有効性の違いを考えてみる(図1)。

銃弾を高密度の水中に直接発射させる第1の場合では、たとえ巨大な流線型の1000 m/秒の銃弾であっても、水中を1 m未満しか通過しない。第2の場合では、最初に水を「分離させた」(即ち、水が除去され経路を形成した)後、たとえ300 m/秒の同じ銃弾であっても、非常に長い距離を容易に移動することができる(この発見的な例は、重力による落下に対処していないが、本明細書の後半で対処する)。高速の流れ及び高速の移動体/発射体に対する革新的な制御を達成するために本発明者らが利用するのがこの概念及びジオメトリである。

(発明の概要) 特定の実施態様は、例えば、流体中を通る物体を推進する方法を提供することができ、該方法は:(i)流体の一部を瞬間的に加熱して、より高い密度領域に囲まれたより低い密度領域を形成するステップであって、該より高い密度領域が、該流体の加熱部分の少なくともほんの一部を含む、該ステップ;(ii)該物体の少なくとも一部を該より低い密度領域の中に誘導するステップ;同期させて(iii)該物体を推進するパルス推進ユニットで反応物を爆発させるステップを含む。特定の実施態様では、例えば、ステップ(i)〜(iii)を、例えば、0.1 Hz〜100 kHzのレートで繰り返す、例えば、1 Hz〜80 kHz、10 Hz〜50 kHz、100 Hz〜20 kHz、1〜10 kHz、5〜10 kHz、10〜25 kHz、25〜50 kHzのレートで繰り返す、又は50〜100 kHzのレートで繰り返すことができる。

特定の実施態様では、以下の実施態様の1つ又は2つ以上(例えば、全てを含む)は、他の実施態様又はその一部のそれぞれを含み得る。特定の実施態様では、例えば、反応物は、より高い密度領域に存在し得る。特定の実施態様では、例えば、加熱するステップは、1 kJ〜10 MJ、例えば、10 kJ〜1 MJ、100〜750 kJ、又は200 kJ〜500 kJのエネルギーを流体中に堆積させることを含み得る。特定の実施態様では、例えば、加熱するステップは、物体の断面積1平方メートル当たり10〜1000 kJ、例えば、1平方メートル当たり10〜50 kJ、50〜100 kJ、100〜250 kJ、250〜500 kJ、又は500〜1000 kJのエネルギーを流体中に堆積させることを含み得る。特定の実施態様では、例えば、加熱するステップは、衝撃波を生成することを含み得る。特定の実施態様では、例えば、より低い密度領域は、周囲流体の密度に対して0.01〜10%の密度、例えば、周囲流体の密度に対して0.5〜5%、1.0〜2.5%の密度、又は1.2〜1.7%の密度を有し得る。特定の実施態様では、例えば、流体の一部を、少なくとも1つの経路に沿って加熱することができる。特定の実施態様では、この少なくとも1つの経路は、レーザー、例えば、レーザーフィラメント誘導経路から堆積されるエネルギーによって形成することができる。特定の実施態様では、このレーザー堆積は、1フェムト秒〜100ナノ秒の時間持続する、例えば、10フェムト秒〜20ピコ秒、100フェムト秒〜25ピコ秒、100ピコ秒〜20ナノ秒の時間持続する、又は100フェムト秒〜30ピコ秒の時間持続するレーザーパルスを含み得る。特定の実施態様では、レーザーパルスによって堆積されるエネルギーの量は、0.2 mJ〜1 kJ、例えば、1 mJ〜10 mJ、10 mJ〜3 J、100 mJ〜10 J、10 J〜100 J、100 J〜1000 J、又は500 mJ〜5 Jであり得る。特定の実施態様では、このレーザーは、紫外線、赤外線、又は可視部分のスペクトルの光を生成することができる。特定の実施態様では、少なくとも1つの経路は、物体の運動方向と平行であり得る。特定の実施態様では、より低い密度領域は、少なくとも1つの経路から外側に膨張する加熱流体の部分の一定量を含み得る。特定の実施態様では、例えば、流体の加熱部分は、放電、例えば、パルス放電によって加熱することができる。特定の実施態様では、放電は、10⁶〜10⁷ m/秒の速度で流体中を移動することができる。特定の実施態様では、放電は、0.1〜100マイクロ秒の時間、例えば、0.1〜2マイクロ秒、1〜5マイクロ秒、5〜40マイクロ秒、10〜30マイクロ秒の時間、又は30〜100マイクロ秒の時間持続し得る。特定の実施態様では、より低い密度領域は、10〜30マイクロ秒の時間、例えば、20〜300マイクロ秒、20〜200マイクロ秒、30〜100マイクロ秒、100〜500マイクロ秒、400〜1500マイクロ秒の時間、又は500〜3000マイクロ秒の時間以内に形成することができる。特定の実施態様では、より低い密度領域は、10〜1000ミリ秒、例えば、20〜80ミリ秒、30〜60ミリ秒、80〜120ミリ秒、150〜600ミリ秒の時間後、又は400〜1000ミリ秒の時間後に熱浮力によって破壊することができる。特定の実施態様では、例えば、前記物体は、パルスデトネーションエンジンと連通させることができ、該パルスデトネーションエンジンは、前記反応物を含み得る。特定の実施態様では、デトネーションは、パルスデトネーションエンジンの吸入ノズルがより高い密度領域に存在するように時間調整することができる。特定の実施態様では、流体は空気であり得、パルスデトネーションエンジンは、エアブリージングであり得る。特定の実施態様は、例えば、ステップ(ii)の前に、一定量の空気をエアブリージングパルスデトネーションエンジンに取り込むステップを更に含み得る。特定の実施態様では、パルスデトネーションエンジンは、前記流体の一部を加熱するために必要な電力の少なくとも一部を提供することができる。特定の実施態様では、パルスデトネーションエンジンは、エネルギーをパルス電源に供給することができる。特定の実施態様では、パルス電源は、フィラメントレーザー(filamenting laser)にエネルギーを供給することができ、該フィラメントレーザーは、前記経路を形成し、該経路は、パルス放電を誘導することができる。特定の実施態様では、パルス電源は、パルス放電発生器にエネルギーを供給することができ、該発生器は、前記流体の一部を加熱するために使用される。特定の実施態様では、例えば、流体の更なる部分を加熱して更に低い密度領域を形成するステップを更に含み得る。特定の実施態様では、より低い密度領域と更に低い密度領域はある領域によって分離することができる。特定の実施態様は、例えば、少なくとも物体の更なる部分を前記領域に誘導するステップを更に含み得る。特定の実施態様は、例えば、少なくとも物体の更なる部分を更に低い密度領域に誘導するステップを更に含み得る。特定の実施態様では、例えば、流体の加熱部分が、チューブを画定することができる。特定の実施態様では、チューブ内の音速は、周囲流体内の音速よりも少なくとも100%高い、例えば、少なくとも150%、200%、500%、又は少なくとも1000%高くすることができる。特定の実施態様では、チューブ内の物体の運動は、亜音速であり得る。特定の実施態様では、チューブの外部の物体の運動の少なくとも一部は超音速であり得る。特定の実施態様では、チューブは、物体の有効断面直径の5%〜100%、例えば、5%〜20%、20%〜75%、30%〜50%、75%〜96%、又は35%〜45%の直径を有し得る。特定の実施態様では、例えば、物体は、0.5〜4 m、例えば、1〜3 m、又は1〜2 mの底部直径を有し得る。特定の実施態様では、物体は、マッハ6〜20の速度、例えば、マッハ6〜15、マッハ6〜10、マッハ6〜8の速度、又はマッハ7〜8の速度で流体中を移動することができる。特定の実施態様では、加熱するステップは、100〜750 kJのエネルギーを流体中に堆積させることを含み得;物体は、0.5〜4 mの底部直径によって特徴付けることができる。特定の実施態様では、物体の運動は極超音速であり得る。特定の実施態様では、物体は、マッハ6〜20の速度、例えば、マッハ6〜15、マッハ6〜10、マッハ6〜8の速度、又はマッハ7〜8の速度で移動することができる。特定の実施態様では、加熱するステップは、物体の断面積1平方メートル当たり100〜200 kJ、例えば、125〜175、又は140〜160 kJのエネルギーを流体中に堆積させることを含み得る。特定の実施態様では、チューブは、物体が10〜20 kmの高度、例えば、12.5〜17.5 km、14〜16 kmの高度、又は14.5〜15.5 kmの高度にあるときに該物体の断面積の1〜25%、例えば、2〜15%、3〜10%、又は3.5〜4.5%の断面積を有し得る。特定の実施態様では、チューブは、物体が20〜40 kmの高度、例えば、25〜35 km、28〜32 kmの高度、又は29.5〜30.5 kmの高度にあるときに該物体の断面積の6.25〜56.25%、例えば、10〜40%、20〜30%、又は24〜26%の断面積を有し得る。特定の実施態様では、チューブは、物体が40〜60 kmの高度、例えば、40〜50 km、42〜48 kmの高度、又は44〜46 kmの高度にあるときに該物体の断面積の25〜225%、例えば、50〜200%、75〜150%、又は95〜105%の断面積を有し得る。特定の実施態様では、物体が受ける抵抗は、ステップ(ii)で少なくとも96%低減することができる。特定の実施態様では、例えば、物体は、ガイドレールに接触してもよい。特定の実施態様では、例えば、物体は、部屋、チューブ、又は銃身であり得る。

特定の実施態様は、例えば、移動体を提供することができ、該移動体は:(i)該移動体を取り囲んでいる流体の一部に経路を形成するように構成されたフィラメントレーザー;(ii)該経路に沿ってエネルギーを堆積させて低密度領域を形成するように構成された指向性エネルギー堆積装置;及び(iii)パルスデトネーションエンジンを含む。特定の実施態様では、以下の実施態様の1つ又は2つ以上(例えば、全てを含む)は、他の実施態様又はその一部のそれぞれを含み得る。特定の実施態様では、例えば、フィラメントレーザーは、パルスレーザーを含み得る。特定の実施態様では、例えば、指向性エネルギー堆積装置は、パルス放電発生器を含み得る。特定の実施態様は、例えば、(iv)移動体の所定の部分が低密度領域内に存在するか否かを検出するように構成されたセンサー;及び(v)指向性エネルギー堆積装置及びパルスデトネーションエンジンに機能的に接続された同期制御装置であって、(a)経路の形成;及び(b)該経路に沿ったエネルギーの堆積;及び(c)該パルスデトネーションエンジンの運転の相対的なタイミングを同期させるように構成されている、該同期制御装置を更に含み得る。

特定の実施態様は、例えば、パルス推進移動体を指向性エネルギー堆積サブアセンブリで改良する方法を提供することができる。このサブアセンブリは、本明細書のいずれか1つ以上の実施態様を達成するように動作し得る及び/又は該実施態様を含み得る。

特定の実施態様は、例えば、移動体を運転する方法を提供することができ、該方法は:1秒当たり0.1〜100回のレートで以下のステップ(i)〜(iv)を繰り返すことを含む:(i)フィラメントレーザーを発射するステップ;同期させて(ii)指向性エネルギー堆積装置を放電させるステップ;同期させて(iii)物体の少なくとも一部を低密度領域に誘導するステップ;同期させて(iv)移動体の所定の部分が該低密度領域に進入するときにパルスデトネーションエンジンを爆発させるステップ。

特定の実施態様は、例えば、移動体の後部の近傍の低圧領域によって生成される底部抵抗を低減する方法を提供することができ、該方法は:(i)該移動体の前方の少なくとも1つの経路に沿ってエネルギーを瞬間的に堆積させ、これにより一定量の流体を該少なくとも1つの経路から移動させるステップ;及び(ii)該流体の移動された量の一部を低圧領域に誘導し、これにより該低圧領域の圧力を高めるステップを含む。特定の更なる実施態様は、例えば、パルス推進ユニットによって推進される移動体、及びエネルギー堆積装置の放電を該パルス推進ユニットによる推進パルスの生成と同期させることを更に含み得る。

特定の実施態様は、例えば、複数の吸気ノズルを備える胴体の前部の断面に対して流体によって加えられる造波抗力を低減する方法を提供することができ、該方法は:(i)該流体の一部を瞬間的に加熱して、加熱流体の部分の少なくともほんの一部を含むより高い密度領域によって取り囲まれた(例えば、該胴体の長手方向の中心軸に整合又は実質的に整合した)より低い密度領域を形成するステップ;(ii)該複数の流体吸入ノズルを備えていない該胴体の第1の部分を該より低い密度領域に誘導するステップ;及び同時に(iii)該吸気ノズルの少なくとも1つを備える該胴体の第2の部分を該より高い密度領域に誘導するステップを含む。

特定の実施態様は、例えば、物体に近接した低密度領域を流体中に形成する方法を提供することができ、該システムは:(i)レーザーアセンブリを装備した指向性エネルギー分散装置を用いて、該物体から出て、該流体中の1つ以上の座標で交差する複数のパルスレーザービームを形成するステップであって、該1つ以上の座標が該物体に対して位置している、該ステップ;及び(ii)該複数のレーザービームによって画定される1つ以上の経路に沿ってエネルギーを堆積させるステップを含む。特定の実施態様では、以下の実施態様の1つ又は2つ以上(例えば、全てを含む)は、他の実施態様又はその一部のそれぞれを含み得る。特定の実施態様では、例えば、エネルギーを堆積させるステップは、1つ以上の経路の単位長さ当たり所定量のエネルギーを堆積させることを含み得る。特定の実施態様では、例えば、低密度領域は、1つ以上の経路に沿った特徴的な直径を有することができ、該特徴的な直径は、該1つ以上の経路の単位長さ当たり堆積されたエネルギーの量の平方根に比例し得る。特定の実施態様では、例えば、チューブの直径は、前記特徴的な直径であり得る。特定の実施態様では、例えば、特徴的な直径は、流体の周囲圧力の逆平方根に更に比例し得る。特定の実施態様では、チューブの直径は、前記特徴的な直径であり得る。特定の実施態様では、例えば、複数のパルスレーザービームの少なくとも2つを、物体のレーザーサブアセンブリによって生成されるソースレーザービーム(source laser beam)を分割することによって生成することができる。特定の実施態様では、例えば、流体の一部を、前記低密度領域と物体との間で圧縮することができる。特定の実施態様では、例えば、堆積されたエネルギーの少なくとも一部を、少なくとも1つの電極によって送達することができ、該堆積されたエネルギーの少なくともほんの一部が、少なくとも1つの他の電極によって回収される。特定の実施態様では、例えば、物体のサブアセンブリは、少なくとも1つの電極を含み得る。特定の実施態様では、例えば、物体のサブアセンブリは、少なくとも1つの他の電極を含み得る。特定の実施態様では、例えば、この少なくとも1つの電極及び/又はこの少なくとも1つの他の電極は、物体の表面の凹んだ空洞部に配置することができる。

特定の実施態様は、例えば、物体に近接した低密度領域を流体中に形成する方法を提供することができ、システムは:(i)該物体に入射する座標で始まって該物体から出る座標で終わっている見通し線に沿ってレーザービームを誘導するステップ;及び(ii)該レーザービームによって画定される経路に沿ってエネルギーを堆積させるステップを含む。

特定の実施態様は、例えば、低密度領域を流体中に形成する方法を提供することができ、該方法は:(i)エネルギーの堆積を誘導するように構成された伝送経路を形成するステップ;及び(ii)該伝送経路に沿ってエネルギーを堆積させて該低密度領域を形成するステップを含む。

特定の実施態様では、例えば、以下の実施態様の1つ又は2つ以上(例えば、全てを含む)は、他の実施態様又はその一部のそれぞれを含み得る。特定の実施態様では、例えば、伝送経路は、流体、例えば、大気中を通過する、及び/又は固体表面、例えば、移動体(例えば、航空機、ミサイル、列車、魚雷、及び他の高速移動体)の表面に沿うことができる。特定の実施態様では、例えば、この方法は、0.1 Hz〜100 kHzのレートでステップ(i)〜(ii)を繰り返すこと、例えば、1 Hz〜80 kHz、10 Hz〜50 kHz、100 Hz〜20 kHz、1〜10 kHz、5〜10 kHzのレートでステップ(i)〜(ii)を繰り返すこと、又は10〜30 kHzのレートでステップ(i)〜(ii)を繰り返すことを更に含み得る。特定の実施態様では、例えば、伝送経路を形成するステップは、1つ以上のエネルギー源、例えば、1つのエネルギー源、2つのエネルギー源、3つのエネルギー源、又は4つのエネルギー源を放射することを含み得る。特定の実施態様では、例えば、この1つ以上の放射されるエネルギー源は、電磁放射線、例えば、X線、紫外線、可視光、赤外線、マイクロ波、及び/又は電波;RFプラズマ放電;電流;電子ビーム;粒子ビーム;帯電粒子ビーム;放電;及び/又はコロナ放電を含み得る。特定の更なる実施態様では、例えば、電磁放射線は、少なくとも1つのレーザービームであり得る。特定の更なる実施態様では、例えば、第1のエネルギー源、第2のエネルギー源、及び/又は第3のエネルギー源は、少なくとも1つの指向性エネルギービームを含み得る。特定の更なる実施態様では、例えば、電磁放射線は、少なくとも1つのレーザービームを含み得る。特定の更なる実施態様では、例えば、1つ以上のエネルギー源は、少なくとも1つの指向性エネルギービームを含み得る。特定の実施態様では、例えば、伝送経路を形成するステップは、レーザービーム及び電子ビームを放射することを含む。特定の更なる実施態様では、例えば、レーザービームと電子ビームを、同時に放射することができる。特定の更なる実施態様では、例えば、レーザービームと電子ビームを連続的に放射することができる。特定の実施態様では、例えば、1つ以上のエネルギー源を放射して伝送経路を形成するステップは、1つ以上のパルス、一連のパルス、一連の超短パルス、散発パルス(sporadic pulse)、ランダムパルス、連続放射に近い放射を、エネルギーの連続放射及び/又はこれらのタイプの放射の一部若しくは全ての組み合わせとして放射することを含み得る。特定の実施態様では、1つ以上のエネルギー源を放射して伝送経路を形成するステップは、1アト秒〜1フェムト秒、例えば、100アト秒〜1フェムト秒の時間持続する少なくとも1つのパルス、例えば、複数のパルスを含み得る。特定の実施態様では、1つ以上のエネルギー源を放射して伝送経路を形成するステップは、1フェムト秒〜100ナノ秒の時間持続する、例えば、10フェムト秒〜20ピコ秒、100フェムト秒〜25ピコ秒、100ピコ秒〜20ナノ秒の時間の時間持続する、又は100フェムト秒〜30ピコ秒の時間持続する少なくとも1つのパルス、例えば、複数のパルスを含み得る。特定の実施態様では、1つ以上のエネルギー源を放射して伝送経路を形成するステップは、100ナノ秒〜1マイクロ秒の時間持続する、例えば、500ナノ秒〜1マイクロ秒の時間持続する少なくとも1つのパルス、例えば、複数のパルスを含み得る。特定の実施態様では、1つ以上のエネルギー源を放射して伝送経路を形成するステップは、1マイクロ秒〜10秒の時間、例えば、10マイクロ秒〜1秒の時間、又は100マイクロ秒〜500マイクロ秒の時間持続する少なくとも1つのパルス、例えば、複数のパルスを含み得る。特定の実施態様では、1つ以上のエネルギー源を放射して伝送経路を形成するステップは、10秒〜1分の時間、例えば、20秒〜40秒の時間持続する少なくとも1つのパルス、例えば、複数のパルスを含み得る。特定の実施態様では、例えば、伝送経路を形成するステップは:(a)第1のエネルギー源を通過させて流体の特徴(例えば、より高い密度及び/又は圧力の領域、例えば、波又は波面)を破壊するステップ;(b)(例えば、該第1のエネルギー源によって生成される波若しくは波面全体によって又は該波若しくは波面による破壊によって)第2のエネルギー源を該破壊された流体中に導入するステップ;続いて(c)第3のエネルギー源を該流体中に導入するステップを含み得る。特定の実施態様では、例えば、伝送経路を形成するステップは:(a)第1のエネルギー源を放射して、移動体に近接した流体の定常波を破壊するステップ;(b)第2のエネルギー源を該流体の破壊された部分を通過させるステップ;続いて(c)第3のエネルギー源を該流体中に導入して伝送経路を形成するステップを含み得る。特定の実施態様では、例えば、第1のエネルギー源はレーザービームを含み得;第2のエネルギー源は電子ビームを含み得;そして第3のエネルギー源はレーザービームを含み得る。特定の実施態様では、例えば、破壊された流体の特徴は、波、例えば、定常波又は動的波、例えば、物体に隣接した波、例えば、移動体の運動によって生成される波であり得る。特定の実施態様では、例えば、伝送経路を形成するステップは、(a)第1のエネルギー源を流体中に導入するステップ;続いて(b)第2のエネルギー源を該流体中に導入するステップを含み得る。特定の更なる実施態様では、例えば、第1のエネルギー源はレーザービーム又は電子ビームであり得、そして第2のエネルギー源はマイクロ波ビームであり得る。特定の実施態様では、例えば、伝送経路を形成するステップは、導電性粒子及び/又はイオン粒子を形成することを含み得る。特定の実施態様では、例えば、堆積されるエネルギーは、1つ以上のエネルギー源、例えば、1つのエネルギー源、2つのエネルギー源、3つのエネルギー源、又は4つのエネルギー源を含み得る。特定の実施態様では、例えば、堆積されるエネルギーは、電磁放射線、例えば、X線、紫外線、可視光、赤外線、マイクロ波、及び電波;RFプラズマ放電;電流;電子ビーム;粒子ビーム;帯電粒子ビーム;放電;コロナ放電、及び/又これらの組み合わせを含むエネルギーの1つ以上の形態を含み得る。特定の更なる実施態様では、例えば、電磁放射線は、少なくとも1つのレーザービームを含み得る。特定の更なる実施態様では、例えば、第1のエネルギー源、第2のエネルギー源、及び/又は第3のエネルギー源は、少なくとも1つの指向性エネルギービームを含み得る。特定の更なる実施態様では、例えば、電磁放射線は、少なくとも1つのレーザービームを含み得る。特定の更なる実施態様では、例えば、1つ以上のエネルギー源は、少なくとも1つの指向性エネルギービームを含み得る。特定の実施態様では、例えば、堆積されるエネルギーは、伝送経路を形成するために使用される1つ以上のエネルギー源とは異なる少なくとも1つの形態のエネルギーを含み得る。特定の実施態様では、例えば、堆積されるエネルギーは、伝送経路を形成するために使用される1つ以上のエネルギー源と共通の少なくとも1つの形態のエネルギーを含み得る。特定の実施態様では、例えば、堆積されるエネルギーは、1つ以上のパルス、一連のパルス、一連の超短パルス、散発パルス、ランダムパルス、連続堆積に近い堆積を、又はエネルギーの連続堆積として堆積させることができる。特定の実施態様では、エネルギー堆積は、1アト秒〜1フェムト秒、例えば、100アト秒〜1フェムト秒の時間持続する少なくとも1つのパルス、例えば、複数のパルスを含み得る。特定の実施態様では、エネルギー堆積は、1フェムト秒〜100ナノ秒の時間持続する、例えば、10フェムト秒〜20ピコ秒、100フェムト秒〜25ピコ秒、100ピコ秒〜20ナノ秒の時間持続する、又は100フェムト秒〜30ピコ秒の時間持続する少なくとも1つのパルス、例えば、複数のパルスを含み得る。特定の実施態様では、エネルギー堆積は、100ナノ秒〜1マイクロ秒の時間持続する、例えば、500ナノ秒〜1マイクロ秒の時間持続する少なくとも1つのパルス、例えば、複数のパルスを含み得る。特定の実施態様では、エネルギー堆積は、1マイクロ秒〜10秒の時間、例えば、10マイクロ秒〜1秒の時間、又は100マイクロ秒〜500マイクロ秒の時間持続する少なくとも1つのパルス、例えば、複数のパルスを含み得る。特定の実施態様では、エネルギー堆積は、10秒〜1分の時間、例えば、20秒〜40秒の時間持続する少なくとも1つのパルス、例えば、複数のパルスを含み得る。特定の実施態様では、例えば、エネルギー堆積、及び伝送経路を形成するための1つ以上のエネルギー源の放射は、異なる時間スケールで行うことができる。特定の実施態様では、例えば、エネルギー堆積、及び伝送経路を形成するための1つ以上のエネルギー源の放射は、同じ時間スケール又はほぼ同じ時間スケールで行うことができる。特定の実施態様では、例えば、エネルギー堆積は、伝送経路を形成するための1つ以上のエネルギー源の放射よりも速い時間スケールで行うことができる。特定の実施態様では、例えば、エネルギー堆積は、伝送経路を形成するための1つ以上のエネルギー源の放射よりも遅い時間スケールで行うことができる。

特定の実施態様は、例えば、移動体(例えば、運搬用車両、輸送車、貨物輸送機、超音速車両、極超音速車両、又は高高度車両)を大気中を推進する方法を提供することができ、該方法は:(i)該移動体の前方及び/又は横の大気の一部を加熱して低密度領域を形成するステップであって:(a)エネルギー堆積に結合してこれを吸収するように構成された開始領域を該移動体の前方に形成すること;及び(b)該開始領域にエネルギーを堆積させて該低密度領域を形成することを含む、該ステップ;(ii)物体の少なくとも一部を該低密度領域内に誘導するステップ;同期させて(iii)該移動体を推進するパルス推進ユニット内の反応物を爆発させるステップを含む。

特定の実施態様では、例えば、以下の実施態様の1つ又は2つ以上(例えば、全てを含む)は、他の実施態様又はその一部のそれぞれを含み得る。特定の実施態様では、例えば、開始領域は、移動体と接触してもよい。特定の実施態様では、例えば、開始領域は、移動体と接触しなくてもよく、例えば、該開始領域は、該移動体の運動方向の前方に配置することができる。特定の実施態様では、例えば、開始領域は、推進される移動体の最大4秒前に、例えば、該移動体の最大3秒前、1秒前、500ミリ秒前、10ミリ秒前、又は1ミリ秒前に形成することができる。特定の実施態様では、例えば、開始領域は、推進される移動体の1ミリ秒〜4秒前に、例えば、10ミリ秒〜3秒前、50ミリ秒〜1秒前に形成することができる、又は該推進される移動体の100ミリ秒〜500ミリ秒前に形成することができる。特定の実施態様では、例えば、大気の加熱部分は、推進される移動体の最大4秒前に、例えば、該移動体の最大3秒前、1秒前、500ミリ秒前、10ミリ秒前、又は1ミリ秒前に形成することができる。特定の実施態様では、例えば、大気の加熱部分は、推進される移動体の1ミリ秒〜4秒前に、例えば、10ミリ秒〜3秒前、50ミリ秒〜1秒前に形成することができる、又は該推進される移動体の100ミリ秒〜500ミリ秒前に形成することができる。特定の実施態様では、例えば、開始領域を形成することは、導電性粒子及び/又はイオン粒子を形成することを含み得る。特定の実施態様では、例えば、この方法は:移動体の高度に応じて、開始領域を形成するための放射のために少なくとも1つの形態のエネルギーを選択するステップを更に含み得る。特定の更なる実施態様では、例えば、放射のために選択される少なくとも1つの形態のエネルギーは、移動体が所定の閾値高度よりも下を移動する場合はレーザービームを含み得る。特定の更なる実施態様では、例えば、放射のために選択される少なくとも1つの形態のエネルギーは、移動体が所定の閾値高度又はそれよりも上を移動する場合は電子ビームを含み得る。特定の実施態様では、例えば、この方法は:低密度領域を形成するために開始領域に堆積させる少なくとも1つの形態のエネルギーを選択するステップを更に含み得る。特定の更なる実施態様では、例えば、堆積のために選択される少なくとも1つの形態のエネルギーは、移動体が所定の閾値速度よりも低い速度で移動する場合は放電を含み得る。特定の更なる実施態様では、例えば、堆積のために選択される少なくとも1つの形態のエネルギーは、移動体が所定の閾値速度又はそれよりも速い速度で移動する場合はマイクロ波エネルギーを含み得る。特定の実施態様では、例えば、この方法は:0.1 Hz〜100 kHzのレートでステップ(i)〜(iii)を繰り返すこと、例えば、1 Hz〜80 kHz、10 Hz〜50 kHz、100 Hz〜20 kHz、1〜10 kHz、5〜10 kHzのレートでステップ(i)〜(ii)を繰り返すこと、又は10〜30 kHzのレートでステップ(i)〜(iii)を繰り返すことを更に含み得る。特定の実施態様では、例えば、開始領域を形成するステップは、1つ以上のエネルギー源、例えば、1つのエネルギー源、2つのエネルギー源、3つのエネルギー源、又は4つのエネルギー源を放射することを含み得る。特定の実施態様では、例えば、この1つ以上の放射されるエネルギー源は:電磁放射線、例えば、X線、紫外線、可視光、赤外線、マイクロ波、及び電波;RFプラズマ放電;電流;電子ビーム;粒子ビーム;帯電粒子ビーム;放電;及びコロナ放電からなる群から選択することができる。特定の更なる実施態様では、例えば、電磁放射線は、少なくとも1つのレーザービームであり得る。特定の更なる実施態様では、例えば、第1のエネルギー源、第2のエネルギー源、及び/又は第3のエネルギー源は、少なくとも1つの指向性エネルギービームを含み得る。特定の更なる実施態様では、例えば、電磁放射線は、少なくとも1つのレーザービームを含み得る。特定の更なる実施態様では、例えば、1つ以上のエネルギー源は、少なくとも1つの指向性エネルギービームを含み得る。特定の実施態様では、例えば、開始領域を形成するステップは、レーザービーム及び電子ビームを放射することを含む。特定の更なる実施態様では、例えば、レーザービームと電子ビームを、同時に放射することができる。特定の更なる実施態様では、例えば、レーザービームと電子ビームを連続的に放射することができる。特定の実施態様では、例えば、1つ以上のエネルギー源を放射して開始領域を形成するステップは、1つ以上のパルス、一連のパルス、一連の超短パルス、散発パルス、ランダムパルス、連続放射に近い放射を、エネルギーの連続放射として放射することを含み得る。特定の実施態様では、1つ以上のエネルギー源を放射して開始領域を形成するステップは、1アト秒〜1フェムト秒、例えば、100アト秒〜1フェムト秒の時間持続する少なくとも1つのパルス、例えば、複数のパルスを含み得る。特定の実施態様では、1つ以上のエネルギー源を放射して開始領域を形成するステップは、1フェムト秒〜100ナノ秒の時間持続する、例えば、10フェムト秒〜20ピコ秒、100フェムト秒〜25ピコ秒、100ピコ秒〜20ナノ秒の時間、又は100フェムト秒〜30ピコ秒の時間持続する少なくとも1つのパルス、例えば、複数のパルスを含み得る。特定の実施態様では、1つ以上のエネルギー源を放射して開始領域を形成するステップは、100ナノ秒〜1マイクロ秒の時間持続する、例えば、500ナノ秒〜1マイクロ秒の時間持続する少なくとも1つのパルス、例えば、複数のパルスを含み得る。特定の実施態様では、1つ以上のエネルギー源を放射して開始領域を形成するステップは、1マイクロ秒〜10秒の時間、例えば、10マイクロ秒〜1秒の時間、又は100マイクロ秒〜500マイクロ秒の時間持続する少なくとも1つのパルス、例えば、複数のパルスを含み得る。特定の実施態様では、1つ以上のエネルギー源を放射して開始領域を形成するステップは、10秒〜1分の時間、例えば、20秒〜40秒の時間持続する少なくとも1つのパルス、例えば、複数のパルスを含み得る。特定の実施態様では、例えば、堆積されるエネルギーは、1つ以上のエネルギー源、例えば、1つのエネルギー源、2つのエネルギー源、3つのエネルギー源、又は4つのエネルギー源を含み得る。特定の実施態様では、例えば、堆積されるエネルギーは:電磁放射線、例えば、X線、紫外線、可視光、赤外線、マイクロ波、及び電波;RFプラズマ放電;電流;電子ビーム;粒子ビーム;帯電粒子ビーム;放電;及びコロナ放電からなる群から選択される1つ以上の形態のエネルギーを含み得る。特定の更なる実施態様では、例えば、電磁放射線は、少なくとも1つのレーザービームであり得る。特定の更なる実施態様では、例えば、第1のエネルギー源、第2のエネルギー源、及び/又は第3のエネルギー源は、少なくとも1つの指向性エネルギービームを含み得る。特定の更なる実施態様では、例えば、電磁放射線は、少なくとも1つのレーザービームを含み得る。特定の更なる実施態様では、例えば、1つ以上のエネルギー源は、少なくとも1つの指向性エネルギービームを含み得る。特定の実施態様では、例えば、堆積されるエネルギーは、開始領域を形成するために使用される1つ以上のエネルギー源とは異なる少なくとも1つの形態のエネルギーを含み得る。特定の実施態様では、例えば、堆積されるエネルギーは、開始領域を形成するために使用される1つ以上のエネルギー源と共通の少なくとも1つの形態のエネルギーを含み得る。特定の実施態様では、例えば、堆積されるエネルギーは、1つ以上のパルス、一連のパルス、一連の超短パルス、散発パルス、ランダムパルス、連続堆積に近い堆積で、又はエネルギーの連続堆積として堆積させることができる。特定の実施態様では、エネルギー堆積は、1アト秒〜1フェムト秒、例えば、100アト秒〜1フェムト秒の時間持続する少なくとも1つのパルス、例えば、複数のパルスを含み得る。特定の実施態様では、エネルギー堆積は、1フェムト秒〜100ナノ秒の時間持続する、例えば、10フェムト秒〜20ピコ秒、100フェムト秒〜25ピコ秒、100ピコ秒〜20ナノ秒の時間持続する、又は100フェムト秒〜30ピコ秒の時間持続する少なくとも1つのパルス、例えば、複数のパルスを含み得る。特定の実施態様では、エネルギー堆積は、100ナノ秒〜1マイクロ秒の時間持続する、例えば、500ナノ秒〜1マイクロ秒の時間持続する少なくとも1つのパルス、例えば、複数のパルスを含み得る。特定の実施態様では、エネルギー堆積は、1マイクロ秒〜10秒の時間、例えば、10マイクロ秒〜1秒の時間、又は100マイクロ秒〜500マイクロ秒の時間持続する少なくとも1つのパルス、例えば、複数のパルスを含み得る。特定の実施態様では、エネルギー堆積は、10秒〜1分の時間、例えば、20秒〜40秒の時間持続する少なくとも1つのパルス、例えば、複数のパルスを含み得る。特定の実施態様では、例えば、エネルギー堆積、及び開始領域を形成するための1つ以上のエネルギー源の放射は、異なる時間スケールで行うことができる。特定の実施態様では、例えば、エネルギー堆積、及び開始領域を形成するための1つ以上のエネルギー源の放射は、同じ時間スケール又はほぼ同じ時間スケールで行うことができる。特定の実施態様では、例えば、エネルギー堆積は、開始領域を形成するための1つ以上のエネルギー源の放射よりも速い時間スケールで行うことができる。特定の実施態様では、例えば、エネルギー堆積は、開始領域を形成するための1つ以上のエネルギー源の放射よりも遅い時間スケールで行うことができる。

特定の実施態様では、例えば、特定のレーザーアセンブリは、エネルギー堆積の経路を流体中に形成する上で有効でない場合があり、又は有効性が低い場合がある。例えば、レーザーアセンブリは、流体が閾値圧力及び/若しくは密度よりも低い場合、並びに/又は移動体が閾値速度及び/若しくは高度で動作している場合は有効でない場合がある。特定の更なる実施態様では、特定のレーザー構成が完全には有効でない場合は、例えば、単独の、又は別のエネルギー源、例えば、レーザービームと組み合わせた粒子ビーム、例えば、電子ビームを利用してエネルギー堆積の経路を形成することができる。特定の実施態様では、装置、例えば、移動体は、低い有効性を検出するためのセンサーを備えることができ、かつ該装置は、経路形成の有効性を高めるためにレーザー構成の使用から電子ビーム(又はエネルギー源の組み合わせ)の使用に切り替えるように構成された制御装置を更に含み得る。

特定の実施態様は、例えば、線路アセンブリに結合された地上車(例えば、列車、磁気浮上高速列車、超特急列車、及びハイパーループ列車)を推進する方法を提供することができ、該方法は:(i)該地上車に搭載される電気エネルギーの貯蔵を蓄積するステップ;(ii)該電気エネルギーの少なくとも一部を該地上車から線路アセンブリの導電部分に瞬間的に放電させるステップであって、該一部が、該地上車の胴体の前方に配置され、これにより該放電された電気エネルギーの近傍の空気の一部が膨張して、より高い密度領域によって囲まれたより低い密度領域を形成する、該ステップ;(iii)物体の少なくとも一部を該より低い密度領域に誘導するステップ;同期させて(iv)該物体を推進するパルス推進ユニットの反応物を爆発させるステップを含む。特定の実施態様では、以下の実施態様の1つ又は2つ以上(例えば、全てを含む)は、他の実施態様又はその一部のそれぞれを含み得る。特定の実施態様では、例えば、電気エネルギーの貯蔵は、線路アセンブリの1つ以上のブースターサブアセンブリから地上車に瞬間的であり得る。特定の実施態様では、例えば、地上車は、磁気的に浮上させることができる。

特定の実施態様は、例えば、地上車輸送システム(例えば、列車、磁気浮上高速列車、超特急列車、及びハイパーループ列車)を提供することができ、該システムは:(i)(a)線路;(b)電力供給を含む線路アセンブリ;(ii)該電力供給の一部を受け取って貯蔵するように構成された貯蔵装置、例えば、コンデンサー;(iii)該地上車の胴体に存在する1つ以上電極を該線路アセンブリの一部に接続する少なくとも1つの経路を形成するように構成されたレーザーであって、該線路アセンブリの一部が、該地上車の前部に配置されている、該レーザー;(iv)貯蔵された電力供給の一部を該少なくとも1つの経路に沿って堆積させるように構成された指向性エネルギー堆積装置;及び(v)該電力供給の一部の受信、該少なくとも1つの経路の形成、及び貯蔵された電力供給の一部の堆積を同期させるように構成された制御装置を含む。

特定の実施態様は、例えば、抵抗を低減するために地上車(例えば、列車、磁気浮上高速列車、超特急列車、ハイパーループ列車、高速乗用車、及び自動車)を改良する方法を提供することができ、該方法は:指向性エネルギー堆積サブアセンブリを装着するステップを含み、該サブアセンブリは、該地上車の電力供給からのエネルギーを受信して、該地上車の胴体を該胴体の前部に位置する地面の座標に接続する経路に該エネルギーを堆積させるように構成されている。

特定の実施態様は、例えば、流体を含む銃身(例えば、小火器及びレールガンに関連した銃身)内の物体を推進する方法を提供することができ、該方法は:(i)該流体の少なくとも一部を加熱するステップ;(ii)該流体の少なくともほんの一部を該銃身から発射させて該銃身内に低密度領域を形成するステップ;続いて(iii)該物体の近傍の反応物を点火及び/又は爆発させるステップを含む。

特定の実施態様では、以下の実施態様の1つ又は2つ以上(例えば、全てを含む)は、他の実施態様又はその一部のそれぞれを含み得る。特定の実施態様では、例えば、反応物は、爆発装薬及び/又は推進剤(例えば、化学推進剤)であり得る。特定の実施態様では、例えば、反応物は、物体に取り付けることができる。特定の実施態様では、例えば、流体は空気であり得る。特定の実施態様では、例えば、流体の少なくとも一部は、放電によって、例えば、銃身の内腔内に、該内腔に沿って、又は該内腔の近傍に配置された2つの電極(例えば、絶縁電極)間の電気アークによって加熱することができる。特定の実施態様では、例えば、流体の少なくとも一部は、化学反応物の点火によって加熱することができる。特定の実施態様では、化学反応物は、物体に取り付ける又は該物体に配置することができる。特定の実施態様では、化学反応物は、電気パルスによって点火することができる。特定の実施態様では、電気パルスは、物体によって供給することができる。特定の実施態様では、電気パルスは、圧電発電機によって供給することができる。特定の実施態様では、例えば、流体は気体であり得る。特定の実施態様では、例えば、流体は空気であり得る。特定の実施態様では、流体は液体であり得る。特定の実施態様では、流体は圧縮性であり得る。特定の実施態様では、流体は非圧縮性であり得る。特定の実施態様では、流体の加熱部分を加熱して位相を変化させることができる。特定の実施態様では、例えば、流体の一部は、化学反応物の点火及び爆発によって、例えば、電気パルスによって加熱することができる。特定の実施態様では、電気パルスは、物体によって、例えば、該物体内に部分的に又は完全に含められる機構によって供給することができる。特定の実施態様では、電気パルスは、圧電発電機、例えば、物体内に部分的に又は完全に含められる圧電発電機によって供給することができる。特定の実施態様では、例えば、物体は、発射体、例えば、銃弾であり得る。特定の実施態様では、例えば、銃身は、小火器の部品、又はレールガンの部品であり得る。特定の実施態様では、例えば、加熱は、流体の加熱部分の粘度を低下させることができる。特定の実施態様では、例えば、流体の少なくとも一部は、5〜120 Jのエネルギー、例えば、10〜100 J、10〜30 J、25〜75 Jのエネルギー、又は25〜50 Jのエネルギーを有する放電によって加熱することができる。特定の実施態様では、例えば、この方法は、物体を銃身から発射させるステップを更に含み得る。特定の実施態様では、物体は発射体であり得る。特定の実施態様では、銃身は、部品、例えば、レールガンの部品であり得る。特定の実施態様では、例えば、生成される音響学的特性の大きさは、従来の30−06ライフル、従来の300マグナムライフル、離陸時のジェットエンジン、及び/又はM2榴弾砲の音響学的特性の大きさよりも少なくとも10%少ない、例えば、10%〜50%少ない、少なくとも25%、50%、又は少なくとも75%少ない音響学的特性であり得る。特定の実施態様では、例えば、生成される音響学的特性の大きさは、300 dB未満、例えば、50 dB〜150 dB、250 dB未満、200 dB未満、175 dB未満、150 dB未満、又は125 dB未満であり得る。

特定の実施態様は、例えば、発射体を送達する方法を提供することができ、該方法は:(i)銃身の内腔への該発射体の機能的な収容を可能にする銃尾を含む該銃身;(ii)該内腔内に存在する流体の一部を排出するように構成され、該内腔内及び/又は該内腔に近接して配置されたパルス加熱システムを含む銃身一掃システム;及び(iii)発射体発射システムを含む。

特定の実施態様では、以下の実施態様の1つ又は2つ以上(例えば、全てを含む)は、他の実施態様又はその一部のそれぞれを含み得る。特定の実施態様では、例えば、パルス加熱システムは、銃尾に近接して配置することができる。特定の実施態様では、例えば、パルス加熱システムは、化学推進剤を更に含み得る。特定の実施態様では、化学推進剤は、発射体及び/又は該発射体を含むカートリッジと一体にすることができる。特定の実施態様では、例えば、パルス加熱システムは、内腔内の少なくとも1つの経路に沿ってエネルギーを堆積させるように構成することができるパルス放電発生器を更に含み得る。特定の実施態様では、パルス加熱システムは、少なくとも1つの経路を形成するように構成することができるパルスフィラメントレーザーを更に含み得る。特定の実施態様では、パルスフィラメントレーザーは、発射体に近接した、及び/又は発射体を含むカートリッジに一体化された化学推進剤によって動力を供給することができる。特定の実施態様では、パルスフィラメントレーザーは、発射体及び/又は該発射体を含むカートリッジと一体にすることができる。

特定の実施態様は、例えば、銃身一掃システムの動作と発射体発射システムの動作との相対的なタイミングを制御するように構成することができる同期制御装置を更に含み得る。

特定の実施態様は、例えば、発射体送達システムを改良する方法を提供することができ、該方法は:指向性エネルギー堆積サブアセンブリを装着するステップを含み、該サブアセンブリは、該発射体送達システムの銃身の内腔内にエネルギーを堆積させるように構成されている。

特定の実施態様は、例えば、銃身一掃システムを装備した銃身の内腔内で発射体を推進する方法を提供することができ、該方法は:(i)該銃該一掃システムを作動させて流体の一部を該内腔から排出するステップ;続いて数ミリ秒後に(ii)発射体発射システムを始動するステップを含む。

特定の実施態様は、例えば、銃身に一掃システムを装備することによって発射体の音響学的特性を低減する方法を提供することができる。

特定の実施態様は、例えば、障壁、例えばドアを破壊するように構成された銃(時にはブリーチングガンとも呼ばれる)を提供することができ、該銃は:(i)銃身の内腔へのショットガンカートリッジの機能的な収容を可能にする銃尾を含むポーテッドバレル;(ii)該内腔内に存在する流体の少なくとも一部を排出するように構成され、該内腔内配置されたパルス加熱システムを含む銃身一掃システム;及び(iii)発射システムを含む。

特定の実施態様は、例えば、ブリーチングガンに使用されるように構成された小火器カートリッジを提供することができ、該小火器カートリッジは:(i)銃身の後部に近接し、かつ少なくとも1つの発射体にも近接した推進剤;(ii)該推進剤の反対側の少なくとも1つの発射体に近接して配置された指向性エネルギー堆積装置、例えば、予備推進剤であって、該予備推進剤の点火時に銃の銃身から、大気条件での当初のガスの少なくとも98%を排出するように構成された、該指向性エネルギー堆積装置;及び(iii)該推進剤の爆発の前に該指向性エネルギー堆積装置の動作を同期させるように構成された発射システムカップラーを含む。特定の実施態様では、以下の実施態様の1つ又は2つ以上(例えば、全てを含む)は、他の実施態様又はその一部のそれぞれを含み得る。特定の実施態様では、例えば、発射システムカップラーは、銃の発射システムに機能的に接続された予備推進剤点火装置(pre-propellant priming charge)を更に含み得る。

特定の実施態様は、例えば、下面に接触して流体中に存在する移動体(例えば、軍用車両、装甲車両、ハンヴィー、装甲人員輸送車両(armoured personnel vehicle)、乗用車、列車、及び/又は地雷除去車)の下部構造に接近する衝撃波を変更する方法を提供することができ、該方法は:(i)該流体の一部を少なくとも1つの経路に沿って加熱して、該経路から外側に膨張する少なくとも1つの体積の加熱流体を生成するステップであって、該経路が、該下部構造と該下面との間に延在する、該ステップ;及び(ii)該加熱の時間を調節して該衝撃波を変更するステップを含む。

特定の実施態様では、以下の実施態様の1つ又は2つ以上(例えば、全てを含む)は、他の実施態様又はその一部のそれぞれを含み得る。特定の実施態様では、例えば、衝撃波によって移動体に加えられる総運動量を、少なくとも10%、例えば、少なくとも20%、30%、40%、又は少なくとも50%低減することができる。特定の実施態様では、例えば、衝撃波の結果として移動体が被る平均加速度を、少なくとも40%、例えば、少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、又は少なくとも80%低減することができる。特定の実施態様では、例えば、流体の一部を放電によって加熱することができる。特定の実施態様では、例えば、流体の一部を、少なくとも3 PV単位のエネルギーを堆積することによって加熱することができ、このPは流体の周囲圧力であり、そしてこのVは下部構造と下面との間に存在する流体の体積である。

特定の実施態様は、例えば、表面に接近する爆風を変更する方法を提供することができ、該方法は:(i)該表面の一部を加熱して該表面に少なくとも1つの穴を形成するステップ;及び(ii)該加熱の時間を調整して、該爆風が該表面から出る前に該少なくとも1つの穴が形成されるようにするステップを含む。

特定の実施態様では、以下の実施態様の1つ又は2つ以上(例えば、全てを含む)は、他の実施態様又はその一部のそれぞれを含み得る。特定の実施態様では、例えば、表面の一部を、エネルギーの該表面への堆積によって加熱することができる。特定の実施態様では、例えば、表面に堆積されるエネルギーの量は、1 kJ〜10 MJ、例えば、10 kJ〜1 MJ、100〜750 kJ、又は200 kJ〜500 kJであり得る。特定の実施態様では、例えば、表面は、舗道、土、及び/又は移動体の下部構造の下に存在する被覆材であり得る。特定の実施態様では、表面の一部を、下部構造と該表面との間に存在する体積1立方メートル当たり200〜500 kJ、例えば、250〜400 kJ、又は300〜350 kJの量のエネルギーを該表面に堆積させることによって加熱することができる。特定の実施態様では、爆風は、100〜500 MJ、例えば、200〜400 MJのエネルギーを有し得る。特定の実施態様では、堆積されるエネルギーの量は、爆風から移動体に伝達されるエネルギーを、堆積されるエネルギーの量の少なくとも10倍、例えば、少なくとも20倍、50倍、100倍、又は堆積されるエネルギーの量の少なくとも200倍の量低減することができる。特定の実施態様では、爆風の結果として移動体に加えられる正味の加速度を、少なくとも10%、例えば、少なくとも20%、30%、40%、又は少なくとも50%低減することができる。特定の実施態様では、表面の一部は、移動体からの電気放射によって加熱することができる。

特定の実施態様は、例えば、流体中に存在する移動体(例えば、軍用車両、装甲車両、ハンヴィー、装甲人員輸送車両、乗用車、列車、及び/又は地雷除去車)の下部構造に接近する爆発ガスを緩和する方法を提供することができ、該方法は:(i)流体の一部を少なくとも1つの経路に沿って加熱して少なくとも1つの低密度通路を形成するステップであって、該経路が、該下部構造から該移動体の外部まで延びている、該ステップ;及び(ii)該加熱の時間を調節して、該少なくとも1つの低密度通路が該爆発ガスの少なくとも一部を受け取るようにするステップを含む。

特定の実施態様は、例えば、爆風緩和装置を装備した移動体を提供することができ、該爆風緩和装置は:(i)該移動体の下部構造の下の初期爆風を検出するように構成されたセンサー;(ii)該移動体の下部構造の下に位置する少なくとも1つの経路に沿ってエネルギーを堆積させるように構成された指向性エネルギー堆積装置;及び(iii)該初期爆風の検出に対する該指向性エネルギー堆積装置の作動を時間調整するように構成された同期制御装置を含む。特定の実施態様では、以下の実施態様の1つ又は2つ以上(例えば、全てを含む)は、他の実施態様又はその一部のそれぞれを含み得る。特定の実施態様では、例えば、前記エネルギー堆積は、少なくとも1つの経路に沿って流体の一部を加熱して、該経路から外側に膨張する少なくとも1つの体積の加熱流体を生成するように構成することができる。特定の実施態様では、例えば、前記エネルギー堆積は、移動体の下部構造の下に位置する表面に少なくとも1つの穴を形成するように構成することができる。

特定の実施態様は、例えば、爆風緩和装置を装備した移動体(例えば、軍用車両、装甲車両、ハンヴィー、装甲人員輸送車両、乗用車、列車、及び/又は地雷除去車)を提供することができ、該爆風緩和装置は、(i)該移動体の下部構造の下の初期爆風を検出するように構成されたセンサー;(ii)該移動体の下部構造から該移動体の外部まで延びた少なくとも1つの経路に沿ってエネルギーを堆積させるように構成された指向性エネルギー堆積装置;及び(iii)該初期爆風の検出に対する該指向性エネルギー堆積装置の作動を時間調整するように構成された同期制御装置を含む。

特定の実施態様では、例えば、爆風緩和装置を装備した移動体(例えば、軍用車両、装甲車両、ハンヴィー、装甲人員輸送車両、乗用車、列車、及び/又は地雷除去車)を用いて、急造爆破装置からの爆風を緩和する方法を提供することができる。特定の実施態様では、例えば、急造爆破装置は埋められていてもよい。

特定の実施態様は、例えば、爆発に耐えるように移動体を改良する方法を提供することができ、該方法は:指向性エネルギー堆積サブアセンブリを装着するステップを含み、該サブアセンブリが、該移動体の下部構造の下にエネルギーを堆積させるように構成されている。

特定の実施態様は、例えば、表面に噴霧を超音速で堆積させる方法を提供することができ、該方法は:(i)少なくとも1つのレーザーパルスを流体を通って該表面に誘導して、流体を通る少なくとも1つの経路を形成するステップであって、該少なくとも1つの経路が、超音速噴霧ノズルと該表面との間に位置する、該ステップ;(ii)一定量の電気エネルギーを該経路に沿って放射して低密度チューブを形成するステップ;続いて数マイクロ秒後に(iii)該超音速噴霧ノズルから粉末、微粒子、及び/又は噴霧若しくはエアロゾル材料を該低密度チューブの中に放出するステップを含む。特定の実施態様では、以下の実施態様の1つ又は2つ以上(例えば、全てを含む)は、他の実施態様又はその一部のそれぞれを含み得る。特定の実施態様では、例えば、ステップ(i)〜(iii)を、0.1 Hz-100 kHzのレートで繰り返す、例えば、1 Hz〜80 kHz、10 Hz〜50 kHz、100 Hz〜20 kHz、1〜10 kHz、5〜10 kHzのレートで繰り返す、又は10〜30 kHzのレートで繰り返すことができる。

特定の実施態様は、例えば、噴霧堆積装置を提供することができ、該噴霧堆積装置は:(i)微粒子及び/又は噴霧材料を表面に噴霧するように構成されたノズル;(ii)該ノズルと該表面との間に位置する少なくとも1つの経路を形成するように構成されたパルスフィラメントレーザー;(iii)エネルギーを少なくとも1つの経路に沿って堆積させて低密度チューブを形成するように構成されたパルス放電発生器;及び(iv)該少なくとも1つの経路の形成、該エネルギーの堆積、及び該噴霧の相対的なタイミングを同期させるように構成された同期制御装置を含む。特定の実施態様では、以下の実施態様の1つ又は2つ以上(例えば、全てを含む)は、他の実施態様又はその一部のそれぞれを含み得る。特定の実施態様では、例えば、この噴霧は、超音波噴霧であり得る。

特定の実施態様は、例えば、噴霧堆積装置を用いた物理的蒸着の方法を提供することができる。特定の実施態様は、例えば、金属粉を金属表面に堆積させることを含み得る。

特定の実施態様は、例えば、噴霧堆積装置を用いた吹き付け加工の方法を提供することができる。

特定の実施態様は、例えば、超音速噴霧装置を改良する方法を提供することができ、該方法は:指向性エネルギー堆積サブアセンブリを装着するステップを含み、該サブアセンブリは、該噴霧装置のノズルと表面とを接続する経路にエネルギーを堆積させるように構成されている。

特定の実施態様は、例えば、間欠製職機又は織機(例えば、エアジェット製織機、ウォータージェット製織機、シャットル織機、ピック織機(picks loom)、及び/又は高速織機)を運転して織物を製造する方法を提供することができ、該エアジェット製織機は、横糸を受け取るように構成され、かつ更に経糸スパン(warp span)を形成するように構成され、該方法は:エネルギーを堆積させて、該横糸が該スパンを通過するための低密度ガイド経路を形成するステップを含む。

特定の実施態様では、以下の実施態様の1つ又は2つ以上(例えば、全てを含む)は、他の実施態様又はその一部のそれぞれを含み得る。特定の実施態様では、例えば、エネルギーを堆積させるステップは、直径1 mmの横糸につき誘導経路10 cm当たり5〜50 mJ、例えば、5〜8 mJ、8〜10 mJ、10〜15 mJ、15〜20 mJ、20〜30 mJ、30〜40 mJ、又は40〜50 mJ、又は少なくとも8 mJ、少なくとも20 mJ、又は少なくとも40 mJを堆積させることを含み得る。特定の実施態様では、例えば、横糸は、0.1〜1 mmの直径、例えば、0.25〜0.75 mmの直径、又は0.5〜0.7 mmの直径、例えば、0.6 mmの直径を有し得る。特定の実施態様では、例えば、横糸は、100〜500 m/秒の速度、例えば、200〜400 m/秒の速度、又は少なくとも200 m/秒の速度、例えば、少なくとも250 m/秒、少なくとも300 m/秒、又は少なくとも350 m/秒の速度で誘導経路を通って移動することができる。特定の実施態様では、例えば、横糸は、マッハ0.1を超える速度、例えば、マッハ0.3を超える速度、マッハ0.8を超える速度、マッハ1を超える速度、又はマッハ1.5を超える速度で誘導経路を通って移動することができる。特定の実施態様では、例えば、織物は、500〜60,000ピック/分のレートで、例えば、2000〜50,000ピック/分、8,000〜30,000ピック/分、又は15,000〜25,000ピック/分のレートで製造することができる。特定の実施態様では、例えば、誘導経路は、円筒であり得る。

特定の実施態様は、例えば、横糸を高圧空気の噴流で低密度誘導経路内を前進させることを更に含み得る。特定の実施態様では、この高圧空気の噴流は、エネルギー堆積と同期させることができる。特定の実施態様では、低密度誘導経路は、高圧空気の噴流の下流に形成することができる。

特定の実施態様では、以下の実施態様の1つ又は2つ以上(例えば、全てを含む)は、他の実施態様又はその一部のそれぞれを含み得る。特定の実施態様では、例えば、更にエネルギーの一部を、ブースター空気の供給の下流に堆積させて、更なる低密度誘導経路を形成することができる。特定の実施態様では、例えば、横糸を、一定量の水で湿潤させることができる。特定の実施態様では、一定量の水の少なくとも一部を、低密度誘導経路内で気化させることができる。

特定の実施態様は、例えば、製織機(例えば、エアジェット製織機、間欠エアジェット製織機、ウォータージェット製織機、シャットル織機、ピック織機、及び/又は高速織機)、織物を製造するように構成されたエアジェット製織機を提供することができ、該製織機は:(i)経糸杼口(warp shed)を形成するように構成された、スレーに取り付けられた複数の変形おさ(profiled reed)を備える装置;(ii)該経糸杼口にわたる低密度誘導経路を形成するように構成された指向性エネルギー堆積アセンブリ;及び(iii)横糸の一部を該低密度誘導経路内を前進させるように構成された、加圧空気の供給に連通した横糸ノズルを含む。特定の実施態様では、以下の実施態様の1つ又は2つ以上(例えば、全てを含む)は、他の実施態様又はその一部のそれぞれを含み得る。特定の実施態様では、例えば、経糸杼口は、3〜30 mの長さ、例えば、4〜4.5 m、4.5〜6 m、6〜8 m、8〜10 m、5〜25 m、又は10〜20 mの長さであり得る。

特定の実施態様は、例えば、製職機(例えば、エアジェット製織機、ウォータージェット製織機、シャットル織機、ピック織機、及び/又は高速織機)を改良する方法を提供することができ、該方法は:指向性エネルギー堆積サブアセンブリを装着するステップを含み、該サブアセンブリは、該織機のヤーンディスペンスノズルを該織機の反対側に配置された電極に接続し、かつ複数のおさの外形部(profile)を通過する経路にエネルギーを堆積させるように構成されている。

(図面の詳細な説明)

水中を高速で移動しようとする銃弾(1A)の無効性を、水がその経路から横方向に動かされた後の楽々と移動する同じ銃弾(1B)と対比させている概略的な画像。力づくのアプローチでは、弾丸のエネルギーは非常に迅速に水に伝達される(そして材料を変形させる)。本発明者らのアプローチでは、弾丸は、遥かに長い距離移動し、その周囲と遥かに弱い力で相互作用する。

強い放電を使用して、表面上の任意のジオメトリに沿ってエネルギーを堆積することができ、ここでは、(2A)半円経路及び(2B)直線の例が示されている。

強度がマッハ1に低下し、もはや低密度領域を駆動/押し開くことができなくなった後に離れる方向に音速で伝播する衝撃波(右の画像(3C))と共に堆積されるエネルギーの結果として、高温低密度ガスの領域を押し開く爆風(超音速衝撃波)(左の画像(3A)及び中心の画像(3B))を示す時系列のシュリーレン画像。

流体の応答と比較して事実上瞬間的に気体分子をイオン化するのに十分な強度で、非常に強いレーザーパルスを空気中の一点に集束させることによってエネルギーが空気中に堆積されている。

シャドーグラフ画像が、図4に示されているようなレーザー「スパーク」からの爆風が、周囲ガス中の低密度領域として長期間残存する低密度ガスの領域を開いていることを実証している。

レーザーフィラメントが、超短レーザーパルスの経路に沿って直線のイオン化通路を形成している。

典型的には空間的及び時間的に制御しにくい放電(7A)に対して、超短レーザーパルスからのレーザーフィラメントを使用して、放電を発生させて正確にそれらの直線経路に沿って誘導することができる(7B)。

図8では、遥かに大きいチューブの代わりとなる非常に小さい低密度「チューブ」が写真で示されている。

移動体の下の異なる初期密度(周囲密度の100%、10%、及び7.5%)で、試験プレートの下の爆風によって加えられる、時間の関数としての(9A)統合された力及び(9B)衝撃。

地上車の下の限定された空間から高圧ガスを迅速に誘導する、車両の表面に沿った導電経路の概念図。

円錐体のよどみ線に沿ってエネルギーが上流に堆積されることによって生成される低密度チューブを内を該円錐体が移動するときに、該円錐体に対する抵抗が著しく低減される。グラフの文字は、図14の同様に記されたフレームに対応するこれらの文字の傍の垂直線によって示された時間に対応している。

図13に示されている研究結果で変化したパラメーターは:4つのマッハ数→M=2、4、6、8;3つの円錐体の半角→15°、30°、45°;及び4つの低密度「チューブ」の直径→円錐体の底部直径の25%、50%、75%、及び100%。

投入エネルギーに対する抵抗の低減及びリターンが、円錐体の底部直径の25%、50%、75%、及び100%の直径を有するチューブ内をマッハ2、4、6、8で移動する15°/30°/45°の円錐体についてプロットされている。場合によっては、抵抗の殆ど全てが取り除かれ、いずれの場合も、「チューブ」を開くために必要なエネルギーが、抵抗の低減で節約されるエネルギーよりも少なく、円錐体の前方に堆積されるエネルギーに対して最大65倍のリターンを示している。

円錐体が低密度「チューブ」内を飛行するときの流れの変化を示す、図11で記された時間に対応する時間に取られた密度プロフィール。連続した14Aから14Dは、(その関連した造波抗力及びソニックブームを伴う)弧状衝撃波(bow shock)の大幅な低減、並びに底部の強力な再加圧を実証し、底部抵抗の除去及び該底部での排気生成物の推進有効性の増大を示唆している。

移動体の衝撃波(複数可)を制御/調節するために必要な放電を可能にするために、導電経路108を空気中に描いて誘導することができる。

複数の電気的に絶縁された集束/放電装置によるレーザーパルスの分割の概略図。

円錐シェル電極(123)によってレーザーパルスを集束させるための光学経路/要素を示す概略図。

どのように放電装置のアレイを使用して、多数のより小さい放電の整相によってエネルギー堆積を増強して遥かに大きなコアを形成できるかの例の概略図。

どのように放電装置のアレイを使用して、多数のより小さい放電の整相によってエネルギー堆積を増強して、所望の方向の流れを「一掃」できるかの例の概略図。

3D実験において、初期コア位置が移動体と軸対称であり(20a)、最大の抵抗の低減がもたらされ、横方向の力又はトルクが生じていない。次いで、実験が進むにつれてコアが徐々に上方に移動し、制御力及びトルクの準定常状態値を、コア位置の全範囲にわたって監視することができる。本発明者らは、底部の半径の約1/2の移動まで特徴付けた(図20b)。

極超音速の移動体の衝撃波の前方に高温の低密度コアを形成するときの加熱、抵抗、及び制御力に対する影響を調べるための標準的なコアを使用した試運転のフレーム。(上部(20A)−密度;下部左(20B)−圧力;下部右(20C)−温度;下部右(20D)−抵抗、力、及びモーメント)

主移動体を減速することなくサブ移動体のイメージング及び放出を促進するために、斜めの衝撃波によって移動体の側面から低密度チューブを形成することもできる。

上部の行(左から右へ、23A〜23C)−衝撃波が、離れたレーザーパルスを用いて瞬間的に堆積されたエネルギーから生じた、静止空気中の表面上の低密度「半球」を開いている;下部の行(左から右へ、23D〜23F)−同じレーザーパルスを使用して瞬間的にエネルギーを堆積させて、同様の低密度「半球」を開く衝撃波を生成し、該低密度半球は、同じ表面に沿って流れる空気によって対流していることが示されている。

異なる無次元時間での円筒衝撃波の無次元半径の関数としての相対圧力のプロット。初期(乱されていない)ガス圧はp

_oである。

異なる無次元時間での円筒衝撃波の無次元半径の関数としての流れマッハ数のプロット。衝撃波の前方の音速はa

_oである。

異なる無次元時間での円筒衝撃波の無次元半径の関数として相対密度のプロット。初期(乱されていない)ガス密度は

_oである。

マッハ3.45の流れでのNd:YAGレーザー放電の時系列(左から右へ、27A〜27C)シュリーレン画像。レーザーの入射は、底部から上部であり、CCD画素が飽和しているため、スポットは見え続けている。自由流れの方向は右から左である。

膨張している加熱スポットが極超音速風洞内を左に流れて半球モデルの定在弧状衝撃波と相互作用するときの、該加熱スポットの経時的シュリーレン写真。測定された圧力基準値及び球に沿った瞬時データが両方とも、該球の周りの線としてこの図面に示されている。

3つのエネルギーレベルについてのモデルのよどみ点での圧力の時刻歴。

49.5 MWの初期電力での伝播距離の関数としてのフィラメント直径及び電子濃度のシミュレーション結果。著しい光イオン化は、ビーム制限が最大である短い長さでしか起こらないようである。

160 MWの初期電力での伝播距離の関数としてのフィラメントエンベロープ(filament envelope)の直径のシミュレーション結果。このフィラメント直径は、数千メートルにわたって約100ミクロメートル以内に制限され続けている。

30 cmにわたるレーザー開始/誘導放電。イオン化紫外線レーザーパルスは、底部電極の孔を介して送られ、上部電極の孔を通る。

図33Aは、単一レーザー−イオン化経路であり;図33Bは、レーザー−イオン化経路によって形成された経路をたどる放電であり;図33Cは、2つの別個のレーザーパルスによって生成された2つのイオン化経路であり;図33Dは、2つのレーザーパルスによって形成されたV型経路をたどる放電である。

図34Aは、旧TRWである、Dr. Wilhelm Behrensの監督下で設計された空力窓(aerowindow)である。図34Bは、高圧入口、空力窓、真空チューブ、及び排気ラインを備えた完全な構成である。

パルスデトネーションエンジンサイクルの概略図。

パルスデトネーションエンジンの動力学の第2の概念図。

一体型の指向性エネルギー堆積装置を有するエアジェット織機の一実施態様の概略図。

一体型の指向性エネルギー堆積装置を有する小火器サブアセンブリの一実施態様の概略図。

連続的な極超音速多相流れの適用例、例えば、特に、溶射被膜又は粉体塗装で起こり得る、極超音速の衝突噴流の流れ場の例の概念を示す概略図。

冷温ガス動的−溶射被膜システムの例の概念を示す概略図。

爆風緩和装置を装備した車両の一実施態様の概略図。

地ならし装置を装備した車両の一実施態様を示す概略図。

パルスレーザーサブアセンブリを有する指向性エネルギー堆積装置の一実施態様を示す概略図。

一体型指向性エネルギー堆積装置を有する小火器カートリッジの一実施態様を示す概略図。

発明の詳細な説明 本発明者らのエネルギー堆積アプローチの背景にある基本概念は、本発明者らは、空気の中に急速に(瞬間的に)エネルギーを堆積させることによって空気の密度を再配分する/形を変える(sculpt)ことができることである。空気を効果的に「分離する」ためには、(例えば、数ある技術の中でも特に、短レーザーパルス又はマイクロ波パルス、及び/又は放電の形態で)ガスが膨張し得るよりも遥かに速く空気にエネルギーを堆積させなければならないことに留意することが重要である。ガスが加熱されるときに該ガスが伝播させるあらゆる加熱は、たとえ非常に高温を用いたとしても、本発明者らが本明細書で記載する非常に有効な結果をもたらさない。一般に、「急な」/「瞬間的な」加熱プロセスは、「パチンという音」又は「バンという音」を発生させる。

(i)特定のモードのエネルギー堆積の強度及び空間的分布を調整するため;(ii)適切な伝送のための特定の経路及び通路を維持するため;及び(iii)エネルギーを流れに結合するために;様々なエネルギー堆積技術を適用して、最も広範囲の適用例における様々な可能な大気及び流れの条件に対処することができる。更なるエネルギーを堆積させる核形成/誘導/開始領域(例えば、初期経路)を形成するため;又は更なるエネルギーをこのような初期領域若しくは経路に堆積させるための;最も効果的なエネルギー堆積アプローチは、該領域が形成されるべき(全ての表される媒体及び混合相、例えば、気体、液体、固体、プラズマを含む)大気条件、並びに関連した流れの運用条件に依存する。特定の大気及び流れの条件は、より多くのエネルギーを以下のステップとして結合することができる、エネルギーの堆積によって形成される初期経路を必要とし得る。他の大気及び流れの条件は、単一ステップで堆積されるべきエネルギーを必要とし得る。特定の適用例では、エネルギーは:1つ以上の表面に沿って;大気/流れの1つ以上の領域内に;及び/又はこれらのある組み合わせで堆積させることができる。1つ以上のエネルギー堆積ステップは、限定されるものではないが、次のエネルギー堆積技術:電磁放射線(X線からマイクロ波までの範囲);RFプラズマ放電;並びに、電子ビーム、帯電粒子ビーム、放電、及びコロナ放電の形態の電流;の1つ以上の組み合わせを含み得;これらのエネルギー堆積技術は連続ビームから超短パルスの範囲の一時的な期間である(例えば、アト秒パルス;フェムト秒;ピコ秒;ナノ秒;マイクロ秒;ミリ秒;秒のパルス幅;及びより長いパルス幅、最大で連続的な堆積)。これらの時間スケールは、エネルギー堆積の異なる実施態様及び異なるモードで異なり得、異なるモードの堆積は、それぞれの時間スケールで行われる。それ自体での利用に加えて、連続又は長い期間のエネルギー堆積はまた、特定の領域で短パルス衝撃エネルギー堆積を容易にし得る。更に、エネルギー堆積を用いる特定のプロセスのパルシング/整相/同期を含む適用例は、より長いパルス及び連続プロセスも含み得る。

異なるエネルギー堆積の適用例及び技術の上記実施態様は、様々な高度及び飛行条件での適用を容易にすることができる。エネルギー堆積は、異なる動作大気/条件下で、限定されるものではないが、数ある溶射被膜技術の中で特に;熱溶射;プラズマ溶射;デトネーション溶射;ワイヤアーク溶射;フレーム溶射;高速フレーム溶射被膜(high velocity oxy-fuel coating spraying);ウォームスプレー;コールドスプレー;を含む様々なタイプの溶射被膜技術に整相/同期させることもできる。同様に、異なるエネルギー堆積の適用及び技術の上記実施態様は、(様々な可能な動作大気及び条件で)数ある実施態様及び適用例の中で特に、織機、銃身、列車、エンジン、移動体、爆発の軽減、点火、デトネーションに適用することができる。

以下の説明を例証するためには、記載される膨張の例として図2及び図3を最初に参照するのが最も良い。エネルギーが、(例えば、線又は点に沿って)空気の特定の領域に「効果的に瞬時に」(「瞬間的に」)堆積させると、周囲空気が、膨張する爆風によって加熱領域から外側に押し出される。堆積されたエネルギーから生じる爆風が音速まで減衰/減速するまで、周囲ガスが、外側に一掃され、高温の圧力平衡ガスの領域が残り、その密度は、最初/周囲の密度よりも遥かに低い(場合によっては、周囲密度の15%未満、例えば、10%未満、8%未満、5%未満、3%未満、2%未満、又は1.5%未満であり、他の98.5%は外側に押し出される)。膨張する衝撃波が、音速まで減速すると、更に音速で膨張し続けるが、もはやガスを外側に押し出さないし、低密度領域を膨張させもしない。(爆風が超音速で膨張するときに生成される)低密度領域が残り、取り囲んでいる周囲圧力で圧力平衡する(例えば、該低密度領域は、周囲圧力の低密度の高温ガスの「気泡」として残り、該気泡は、それ自体で潰れることがない、即ち、該気泡は、「空気が分離した」領域である)。この圧力平衡した低密度領域の体積は、ガス中に堆積されるエネルギーに正比例し、かつ周囲圧力にも比例する(例えば、生じる低密度の体積は、エネルギーを堆積する前の最初の大気圧力が半分になると2倍になる)。この膨張及び表面に沿って生じる低密度領域の一例が図3に示されている。図3は、放電の経路に沿って見たシュリーレン写真である図2(b)に示されているような放電の1本の直線状の脚の端面図を示している。

膨張する低密度「気泡」の最も単純な例は、低密度球を開くために、空気中の一点にエネルギーを堆積させたときに見ることができ(図4)、この点からガスが球状かつ対称に膨張する(図5)。

エネルギーが直線に沿って堆積されるときに同様に単純なジオメトリが生じる(図6、図7、及び図8)。これにより、ガスが膨張して、最初の線/軸に沿ってエネルギーが最初に堆積された該線/軸を中心とする低密度円筒体積(又は「チューブ」)が開かれる。

高温で低密度のジオメトリが、周囲圧力と平衡し、対象の流動力学と比較して長い期間維持するという事実により、低密度領域(例えば、空気中の球及び「チューブ」並びに表面に沿った半球及び半「チューブ」、並びに他のより複雑なジオメトリ)が、意図する流れの制御を実行するのに十分に長い時間「開」を維持することができる。

このアプローチの利点を想像する最も単純な方法の1つは、閉じ込められた爆発を見るときである。これが提供する直観的知識を、他の高速の流れの適用例(例えば、高速の飛行及び推進システム)に直接適用することができる。具体的には、本発明者らは、不所望の圧力上昇及び/又は衝撃波の検出時に、(ほぼ瞬時に)圧力を低下させてガスを誘導することができる。爆発の軽減の分野のこれらの問題は、高速の飛行及び推進システムで起こる同じ懸案事項であるため、この最初の例を、基本概念を広範囲の極超音速の適用例に適用するために拡張することができる。爆発の軽減の特定の一例では、高圧の爆発ガスが、移動体の底部と地面との間に閉じ込められたときに、空気が、周囲ガス中での衝撃波の発生によって該移動体の下から出るのが妨げられる。高圧ガスが、移動体の下に長く存在すればするほど、その底部に対する圧力が上昇し、統合された衝撃が、より強く該移動体を上方に押し上げる。この適用例の目標は、可能な限り迅速に移動体の下から高圧ガスをベントし、これにより該移動体の下の圧力を低減して、該移動体に伝達される統合された衝撃を最小限にすることである。これを達成するために、移動体の底面に沿った低密度経路を開いて、高圧ガスを該移動体の下から外側に迅速に誘導することによって該ガスを該移動体の下から迅速にベントすることができる。これは、本発明者らの技術(例えば、指向性エネルギー堆積装置)を地上車に組み込んで低密度経路を形成することによって達成することができ、該経路に沿って、(例えば、該移動体の下側の)近傍の爆風が迅速に逃げることができ、これにより、爆風ガスが移動体を押圧する力及び時間が大幅に低減され、従って、爆風によって該移動体に加えられる全衝撃が最小限になる。図9は、最初に空気密度を移動体よりも低くしたときに、爆発から生じ得る力及び衝撃が低減されることを示す一例を示している。

高圧ガスが移動体の下及び周りからより迅速に逃げることができる高速通路を形成するために、本発明者らは、(図2に示されている経路に類似した)移動体の表面に沿った導電経路を追加する(図10に概略的に示されている)。これらの導電経路は、閉じ込められた体積内の高圧ガスをほぼ瞬時にベントするために使用することができ、そして高速推進装置、例えば、アイソレーター、燃焼器、ディフューザー、排気システムに使用することができる。これは、有害な圧力上昇を迅速に軽減することが有利である全てに有用であり得る。

移動体が、高速で空気中を非効率的に飛行する1つの理由は、該移動体がその大部分の速度に対して(原点から最終的な行き先までの)空気柱を効率的に加速させていることである。結果として生じる大きな燃料コストに加えて、空気に加えられる大量のエネルギーは、更なる問題、例えば:強いソニックブーム;ノーズの後ろの移動体に衝当する損傷を与えるほど強い衝撃波;並びに移動体の速度に一致させるために静止空気を加速させるときに生じる摩擦力による、前縁及びよどみ線に沿った不所望の圧力及び加熱に関連している。

代わりに移動体が、長い(例えば、レーザーフィラメント誘導)線に沿って指向性エネルギー堆積装置によって開かれる低密度「チューブ」を通過する場合は、抵抗が劇的に低減され、相応に総エネルギー消費量が著しく節約される。瞬時に計算された抵抗曲線の一例が図11に示されている。このグラフでは、円錐体が、「チューブ」の縁にある高密度ガスを通過するときに、基準抵抗からの僅かな上昇が観察される。次いで、円錐体が「チューブ」の低密度領域中を飛行するときに、抵抗が劇的に低下する。円錐体が、低密度領域を出て、衝撃波が再び生成されると、抵抗が、公称抵抗値、最初の/不変の抵抗値まで再び上昇する。実際には、移動体又は発射体が、低密度「チューブ」を通過すると、別の低密度「チューブ」を開くことができ、該移動体/発射体は、連続した抵抗の低減を享受することができる。次の「チューブ」が始まる正確な点は、所与の適用例の最適化にとって重要である。エネルギーを堆積させて別の「チューブ」を生成することによって抵抗を再び低減する前の、抵抗が一貫して上昇できる程度は、エネルギー堆積の同じ繰り返し率で駆動される圧力調節の強度を決定し、これは、(再びエネルギーが堆積されるまでに移動体/発射体が実際に移動する距離に適応するために調整される)有効チューブ長で除した移動体の速度にほぼ等しい。この調節は、航空機騒音の更なる源となり得、移動体の共鳴及び不快な周波数を回避するために「チューブ」長を調整することによって調整することができる。それぞれの連続した「チューブ」はまた、「チューブ」の向きを僅かに向け直して移動体を操縦する機会も提示する(これについては、以下で更に取り組む)。

この技術を実施したときの抵抗の低減及びエネルギーの節約を調べて、様々なパラメーター、例えば、マッハ数、円錐体の角度、及び円錐体底部と比較した「チューブ」の直径に対する依存度を評価した。これらのパラメーターは、図12に示されており、マッハ数は、公称の不変の流れに対してのものであることを理解されたい。エネルギーが上流に堆積されると、一様マッハ数(uniform Mach number)の従来の定義及び概念がもはや適用されない。これは、「チューブ」内の音速が、公称の不変の自由な流れにおいて、該チューブの外部の音速の何倍も速いために生じる。従来の定義では、「チューブ」の内部のマッハ数は、「チューブ」の外部のマッハ数よりも著しく低い。実際、多くの場合、チューブの内部の流れは、チューブの外部の超音速/極超音速の流れと比較して亜音速であり、均一な空気中を飛行するときに観察される、エネルギー堆積によって調節されていない流れ場とは劇的に異なる流れ場が可能となる。これらの動力学の一部は、本明細書に記載され、流れの中にエネルギーを堆積させることによってのみ達成することができる。

図12に示されている様々な場合での最大の抵抗の低減及びエネルギー節約(投入エネルギーに対するリターン)に関する結果が、図13に要約され、この結果には、60%超、例えば、80%〜95%、更には最大96%の抵抗の低減、及び総エネルギーバランスにおける投入エネルギーに対して30倍超、例えば、50倍超又は65倍超のリターンが含まれる(即ち、円錐体のよどみ線に沿って低密度「チューブ」を開くために該円錐体の前方の空気中に堆積される各ワット又はジュールに対して、この「投入」エネルギーの65倍が、円錐体の前方にエネルギーが堆積されない場合に遭遇する遥かに強い抵抗に対抗するために通常は必要である推進力又はエネルギーで節約された)。

いくつかの興味深い傾向がこの結果で観察され、最も基本的な観察は、より大きいチューブを開くことにより、マッハ数及び円錐体の角度の全てについての抵抗の低減が大きくなることである。より微妙で興味深い観察は、エネルギー効率(即ち、[(節約される推進エネルギー)−(投入エネルギー)]/(投入エネルギー))が、2つの領域を有するようであることである。このエネルギー効率は、どの程度のエネルギーが、低密度「チューブ」を開くために移動体の前方に堆積される各エネルギー単位に対して推進システムから節約されるかを示す。1つの領域は、円錐体がより狭いより大きいマッハ数で生じ、この領域では、弧状衝撃波が、斜め/付着に向かう傾向にある。この領域では、エネルギー効率は、マッハ数と共に増大し、最も効率的な「チューブ直径」は、マッハ数の増加と共に、明確で分かりやすい形で小さい直径から大きい直径に移行する。よどみ線に沿ったガスの除去は、常に最大の利点を提供し、よどみ線から更に遠ざけるガスの除去の利点は、移動体の速度の関数であり、より高いマッハ数で得られる利点が大きくなる。低いマッハ数の領域では、弧状衝撃波が、通常のスタンドオフ衝撃波(stand-off shock)である傾向にあり、小さい直径の「チューブ」で効率の強い上昇が観察され、これは、弧状衝撃波に効果的に「穴を開ける」役割を果たすことができ、「チューブ」内の流れが、(高い音速の「チューブ」において)現在は亜音速であり得、もはや円錐体の弧状衝撃波によって拘束されていないため、通常の衝撃波の後ろの高圧ガスを解放することができる(図14)。

効率の研究は、最適性能を達成するために堆積させることができるエネルギーの識別に役立ち得るが、効果尺度(effects scale)も注目すべきであり、そして特定のプラットフォームで堆積させるエネルギー量も、プラットフォーム/移動体システムの検討事項が対応できるものに基づいて決定できることに注目すべきである。たとえより小さい直径の「チューブ」が、最適よりも大きく開いたとしてもなお、範囲及び速度の増大、より低い燃料消費、並びに排気及び騒音/ソニックブームの減少に関してより良い移動体/発射体の性能が得られる(その他の利点は以下に記載)。たとえ最適な量よりも大幅に少なくても、エネルギーを堆積したときに著しい利点を得ることができることが特に有益である。エネルギー堆積の実際の限度容量及びシステムに含められる電力は、利用可能なサイズ、重量、及び電力に関して対処できる余地、並びにこれらの同じパラメーターのどの程度が本技術の採用後に改善されるかによって決定することができる。この柔軟な繰り返しプロセスにより、本技術から恩恵を受け得るあらゆるシステムへの該技術の採用の余裕が生まれる。加えて、低密度ガスの所与の体積を開くために必要なエネルギーが、周囲圧力に応じて決まると仮定すると、空気中に堆積される所与の量のエネルギーは、高度の上昇で遭遇するより低い圧力でますます大きい体積を開く。この効果は、所与の範囲のエネルギーパルスが、移動体/発射体が高度を上げるときにますます大きい「チューブ」直径を開くシナリオでも十分に機能する。「チューブ」直径を大きくする代わりに、より高い高度での増加した低密度体積を使用して、チューブ長を増加させる、又は長さ及び直径の両方の増加に対してより大きい体積を与えることができる。「チューブ」長の増加は、それ自体が速度の増加をもたらし、そして図13に示されているように、より大きい「チューブ」直径は、より大きいマッハ数での効率の最大化に役立ち得る。

低密度「チューブ」を通る飛行から生じる、劇的に変更された流動力学からの代表的な密度−外形フレームが、図14に示されている。文字A、B、C、Dは、図11の抵抗曲線で記された時間に一致している(Dは、円錐体が「チューブ」の最初の範囲を移動したときを表し、該チューブと円錐体との相互作用から生じる、該チューブの変形/突出を説明するものではない)。

フレームAにおけるほぼ落ち着いた密度分布から生じる差異と次の動力学との対比により、本発明者らはいくつかの点に気付く: ・通常の飛行では、強い弧状衝撃波及び関連したソニックブームが存在するが、低密度「チューブ」を通る飛行は、弧状衝撃波及び関連したソニックブームの両方を著しく軽減する; ・通常の飛行では、円錐体によって横方向及び前方に加速されるガスが、円錐体の底部の低圧/低密度領域から離れるが、該ガスは、エネルギーを堆積させて低密度「チューブ」を形成することによって円錐体の前方から横方向に移動する場合は、該「チューブ」の周囲の蓄積されたガスが、円錐体の後ろで再循環し、該底部を再加圧する役割を果たす; ・この再加圧された底部は、底部の抵抗を軽減する; ・該底部での著しく高いガス密度は、推進生成物(propulsion product)のあるレベルの閉じ込めも提供することができ、これは、排気システムの推進有効性を大いに高めることができ、かつその有効な衝撃を多数倍増大させる。これは、通常は低密度かつ低圧の底部領域に閉じ込められない高圧生成物の単純な排気を有することに対して、再循環大気ガスが、推進生成物の後退を防止してより長い時間にわたってそれらの高圧を利用することによるものである。

動力学を最適化するための推進及びエネルギー堆積の段階的実施 多数の有益な動力学を考慮すると、本明細書で説明される実施態様は、効率を改善して、様々なステップ/プロセスの共生効果/利点を利用/同期するために柔軟に適用することができる。これは、特に、長さスケール、点火、空気燃料比、タイミング、繰り返し率、化学的プロセス、放電、レーザーパルス、マイクロ波パルス、電子ビーム、弁調節/絞りを含む多数の可能なパラメーターの最適化を伴い得る。いくつかの実施態様は、以下を含む: ・レーザー発射:レーザー発射の適用例では、一実施態様は、後ろを向いた光学部品によって推進レーザー光の焦点を合わせ直してガス又はアブレーション生成物を加熱及び膨張させて該打上げ機の後端部から押し出す、打上げ機の後端部で発射する、推進源としての1つ以上の地上レーザーを伴う。レーザーシステム及び打ち上げ機を: −いくらかのレーザーエネルギーを移動体の前方に堆積させて、低密度「チューブ」を開いて抵抗を低減することを可能にし; −移動体本体をサイズ調整し、内部経路をスロットル調整して、駆動レーザーパルス(複数可)によって十分な推進空気を加熱することを可能にし; −該移動体の前方の調節されたガスを周りに流して、推進ガスをより効率的に押すことができる高密度逆転防止装置を形成するように、該移動体本体をサイズ調整し; −次のレーザーパルスがプロセスを繰り返す前に、駆動レーザーパルスを送達して該移動体が該低密度「チューブ」及び推進する押圧を十分に利用できるように設計する。 ・PDE/化学レージング/パルスパワー:このタイプのシステムは、上に列記されたように同じタイプの整相/タイミングの最適化の検討を必要とする。しかしながら、この場合、駆動エネルギーは、該移動体の内部で起こる一連のパルス化学デトネーションである。このデトネーションのタイミングは、適切に時間が調整された弁調節及び点火によって制御することができ、かつ該デトネーションは、上流のエネルギーを堆積させるために必要なプロセスを実際に推進することができる。 ・産業及び輸送の適用例:これらの場合には、上の適用例でのように同様のタイミング及びシステムの最適化を適用して、異なる推進力、例えば、電気推進力、及び磁気浮揚の更なる潜在的な検討によって所望のレベルの整相を達成することができる。時間を調整/同期して、最適な流体の流れを保障するだけではなく、エネルギーの量も低減できる各要素が、搭載システム、例えば、推進及び浮揚システムに使用される。

既に述べられたように、放電は、劇的な利点を提供するだけではなく、空気力学を制御及び整相して最終的に移動体に対する強力かつ効率的な制御を要求するために使用することができる柔軟なジオメトリを実現することができる1つの可能な技術である。放電が使用される場合は、電流を流すことができるように導電経路を形成しなければならない。レーザーパルス(図6)を用いて導電経路を「描いて」放電(図7)を誘導/開始する能力は他の部分で実証された。フィラメントレーザーは、あらゆる数の所望のパターンを柔軟に描くのに十分な精度及び長さを有するこのようなイオン化経路を形成することができる。

図15に一例が示されており、この例では、導電経路(108a、b)は、点P_Iで交差する電極106と107を接続するために形成されている。図16及び図17の第2の例は、実際の放電装置のさらなる詳細を示している。この例では、レーザーパルス111が、3つの別個の電気的に絶縁されたレンズ/電極アセンブリ102に誘導される(図17)。

調整可能な(122)光学素子121が、それぞれの金属円錐体123を通る異なるパルスを集束させて、該金属円錐体の頂部の可能な限り近くでフィラメンテ—ションが開始するようにする。これは、最良の電気接続を可能にする。金属円錐体は、コンデンサーバンクの適切な極に接続された電極である。イオン化経路の形成時に、コンデンサーが、そのエネルギーを該経路に沿って放電する。結果として、コンデンサーに貯蔵された電気エネルギーが、オーム加熱の形態で導電経路に沿って空気中に堆積される。

別の実施態様は、いくつもの目的を達成するために配列/整相されたいくつかのエネルギー放出装置を用いて所望の流れの制御を達成することができる(図18及び図19)。

エネルギー放出装置のアレイが、図18に例示されている。エネルギー放出機構又は要素106a、106b、106cのアレイが、本体101に配列されている。本体101は、要素106bの内部環状アレイ及び要素106cの外部環状アレイによって取り囲まれた中心要素106aを備える。要素106の全アレイを使用して、個々の要素106又は要素106の群を連続的に発射することによってエネルギー堆積の効率及び大きさを増大させることができる。これは、流れが、中心要素106aによって生成された中心の加熱されたコアから外側に膨張した後に、要素106のアレイを用いて流体105を押し続けて外側に円筒状に押し出すことによって達成することができる。この例では、放電が実施されるときに、電流が、要素106bと106aとの間の別個の導電回路を完成させるイオン化経路108をたどる。次いで、次のセットの導電経路と放電は、106cと106a(又は106b)との間であり得る。

動作中、図18(上部)に例示されているように、中心要素106a及び内部アレイの1つ以上の要素106bを発射させて中心加熱コア160aを生成することができる。この加熱コアは、外側に膨張することになり、場合によっては膨張と共に減弱することになる円筒衝撃波によって囲まれる。弱くなった円筒膨張部にエネルギーを加えるために、図18(下部)に例示されているように要素106bを発射させることができる。更に膨張したら、外部アレイの要素106cも発射させて、加熱コア160bの強い連続した膨張を維持することができる。

エネルギー放出装置102の線形アレイを含む同様の適用例の概略図が図19に例示されている。エネルギー放出装置102は、移動体101に取り付けられており、最内部のエネルギー放出装置102aから、該移動体101の中心線から最も遠い最外部のエネルギー放出装置102fを連続的に発射させることによって、流入流体105を波状運動でウィング150に沿って外側に押し出す。

エネルギー放出装置102は、典型的には、接続充電ユニット及びスイッチと同様に電気的に絶縁するであろう。加えて、図16及び図17に関連して既に説明されたように、隣接するエネルギー放出装置を効率的に同時に発射させて導電経路108を生成することができる。エネルギー放出装置102はまた、放電を使用して流体105をウィング150の先端部に向かって外側に一掃するために連続的に対で発射させることもできる。流体をウィングの先端部に向かって一掃するこの方法は、流体をウィング150の上及び下にも誘導する。また、環境センサーを、性能を監視するために含めることができ、該環境センサーは、エネルギー堆積の様々なパラメーターを変更するためにエネルギー放出装置に結合することができる。

抵抗の低減に加えて、説明されたエネルギー堆積技術の使用を伴ういくつかの関連した利点が存在する。

この技術に関連した制御力及びモーメントを調べるために、Cobalt CFDソルバーを用いて、軸外位置の連続した範囲にわたって移動体に衝当する低密度コアが生成される3Dシミュレーショを行った。コア位置のオフセットは、図20に上方として示されている。これらの実施では、コアの最初の位置は、移動体と同軸であり、次いで、(迎え角なしで円錐軸との平行を維持したまま)徐々に上方に移動した。これにより、(オフセットのない)同軸から底部直径の約半分のオフセットまでの範囲の量でオフセットされたときに、コアの影響の準定常状態の評価が可能となった。これは、図20に概略的に示されている。本発明者らは、飛行方向に整合したコアから生じる全応答範囲を調べるために、この一連の作業を行った。

図21は、本体の表面の密度、圧力、及び温度を示している。モーメント及び力は、同じグラフに係数として記入されている。2つのモーメントは、異なるペイロード/ミッションのための安定した飛行を生み出す異なる質量中心の例として計算されている。本発明者らはまた、通常は不安定な移動体(質量中心が圧力中心の後ろにある)が、低密度コアを通って飛行するときに安定することを実証した。これは、底部の外部縁にあるより高い密度のガスが、圧力中心を移動体の後部及び質量中心の後ろに著しく移動するためである。通常は不安定な設計を安定させるこの利点により、安定した極超音速移動体の保証が遥かに柔軟になり、質量中心の位置に対する従来の制約を解消することができる。この技術の他の利点には、遥かに広範な性能エンベロープを許容することによる設計の制約の軽減、遥かに低コストの材料の使用、及び本体の細かさの要件の著しい緩和、並びに熱保護システム(TPS)要件の緩和による著しい重量の低下、より容易なインレット(再)始動、及び大幅に減少した制御/アクチュエーターハードウェアが更に含まれる。

一般的な円錐体に対する分析的な上界推定値及び計算される下界は、高度及びマッハ数によって数Gから数十Gの制御力をもたらした。これらの上界及び下界は、様々な適用例におけるこの技術の実用性の評価に役立つ限界を提供する。一部の実施態様では、例えば、1 mの底部を有する発射移動体は、マッハ6〜20の全範囲にわたって有用な効果を得るために480 kWの堆積電力を利用することができる。この電力は:1/5の直径のコアを極超音速移動体の15 km先で開くことができ;1/2の直径のコアを30 km先で開くことができ;かつ全直径のコアを45 kmの高度で開くことができる。この電力の10%のみが利用可能な場合は、本発明者らは、記載の直径の約1/3の「チューブ」を開くことができ、効率、制御、及び大幅に易化した設計の点でなお優れた利点を得ることができる。

極超音速移動体における現行の制限因子の1つは、持続的極超音速飛行の熱的影響の軽減である。抵抗の低減及び移動体の制御を可能にすることに加えて、本発明者らのアプローチは、移動体の表面の温度、及び生じる熱を低下させる。これは、TPSの重量、及び前縁に必要な特殊な材料の著しい低減を可能にする。また、材料の限界に達するまで、移動体の性能の大幅な改善を可能にする。移動体の前方の小さい直径の「チューブ」を開くことは、大きな利点を実証し、事前に穿孔された孔が大きい釘の誘導をいかに助けることができるかと同様に、移動体の誘導を助けることになる。これにもかかわらず、移動体全体に適合し得る「チューブ」を開く極端な場合について考えることは有益である。これにより、オリンピックのリュージュ競技のそりと同様に「チューブ」の中に固定されるとして移動体を直感的に理解することができる。移動体が「チューブ」壁に衝突し始めると、該移動体は、該移動体を中心に押し戻す非常に強い力を受ける。これは、垂直方向、及び他の全ての方向でも機能し、移動体は位置を見出し、該移動体の重量が、上向きの抵抗力によって適切な位置に平衡が保たれる。結果として、本体全体が、揚力面として機能し、関連する力及び温度を均一に分散させることができる。同様に、重力の平衡を保つ同じ現象が、常に復元力を加えて移動体をチューブ内に拘束するという点で、本体全体が制御面として機能することができる。他方、これは、制御が、所望の方向に「チューブ」を単純に誘導する(開始/誘導レーザーパルスを誘導するのと同程度に容易であり得る)ことを伴い、流体の力が、移動体を後に続けさせ、必要に応じて本体全体にわたって制御力を分散することを保障するため、該制御を非常に魅力的にする。これは、更なる重量及び体積の要件を、重い極超音速アクチュエーター/制御面システムを不要にすることによって本発明者らのアプローチに必要なハードウェアの収納を助けるためにトレードできることを示唆する。特定の場合には、各フラップは、かなりの関連した体積を有し、約20 kgの重さであり得る。これらのアクチュエーターは、ガスボンベ又は移動体からの動力が必要であり得、これらは、追加の重量、体積の要求、及びリスクを有するため、これらを排除して、エネルギー堆積システムの要件を相殺することができる。

上記のように、本明細書に記載の技術の有益な点を十分に利用する最良のアプローチでは、全面的に流体動力学に基づいて移動体を設計することであり、これにより抵抗の低減、飛行の安定化、設計の制約の低減、揚力/制御/インレット/推進力の促進、並びに速度、性能、距離、ペイロード、及び燃料効率の劇的な進歩を含む、これらが提供する多数の利点の完全な利用が可能になる。それでも、その他の方法で最適化されたシステムで通常は達成できない性能の漸進的な改善を可能にすることによって、この技術を既存のプラットフォームに対して徐々に「採用する(buy its way)」ことができる多数の方法が存在する。このいくつかの例として:表面に沿ってエネルギーを堆積させて、不可避な突出部(例えば、垂直尾部、接合部、リベット、ワイパー、継ぎ目など)の抵抗を低減すること、及び前縁又はその前方にエネルギーを堆積させることが挙げられる。これらの技術が提供できる性能の改善に加えて、これらの技術は、通常は達成できない能力を可能にすることもできる。一組の適用例は、図22に示されているように、斜めの衝撃波によって移動体の側面からチューブに穴を開けて、発射体/サブ移動体の通過、並びに光学的イメージング及び通信を容易にする能力を含む。

このように主移動体の衝撃波に穴を開けることは、特定の極超音速飛行の適用例で特に価値があり得る。なぜなら、穴を開けることは、経路の形成を可能にし、該経路を介して、画像をより明瞭に記録することができ、かつ通常は遭遇することになる、穴の開いていない衝撃波との強い相互作用なしで、二次本体を一次移動体から発射することができるからである。

高速の流れの制御及び超音速/極超音速の伝播/移動の促進の更なる例には、推進及び内部流れの適用例、特に、始動超音速インレット、並びにキーという音及び他の共鳴音を含むエンジン/安定性増加装置(augmentor)のノイズを軽減することが含まれる。これらは、具体的詳細によってレーザーを含む又は含まない様々な電極のタイプを用いて本発明者らが達成する表面放電を含む。本発明者らはまた、風洞性能、産業/製造プロセス、及び輸送を改善するために、表面に沿って及び/又は外気中でエネルギー堆積を地上の適用例に適用している。

上記の飛行の適用例では、本発明者らの一番の関心事は、能力及び効率における劇的な改善を可能にすることである。地上の産業/製造/輸送の適用例では、サイズ、重量、及び電力に対する制約をより緩和することができる。非協力的な移動体を遠隔から制御したいという切望も、本発明者らに、遠隔プラットフォームにエネルギーを堆積させた。この適用例では、エネルギーの堆積から生じる流体動力学は、同じ状態のままである。しかしながら、サイズ/重量/電力の要求を削減して、流れの中に最も効率的にエネルギーを堆積させるためにそれ自体のプラットフォームを慎重に設計するのではなく、主な作業は、現在は、遠隔のプラットフォームの動力学を制御するために該プラットフォームにエネルギーを送達することになっている。この場合、効率的な放電によってエネルギーを堆積させるのではなく、本発明者らは結局、それほど効率的ではないレーザー(及び/又はマイクロ波)エネルギーを用いて遠隔のプラットフォームの表面又はその近傍にエネルギーを迅速に/瞬間的に堆積させる。(その世代の効率性についての)このエネルギーのコストは、搭載放電を一次エネルギー堆積源として単純に使用するよりも遥かに高い。しかしながら、見返りとして、遠隔の発射体/移動体に対する抵抗及び揚力を局所的に変更することによって該発射体/移動体を有意にコントロールするために、遠隔からこのエネルギーを長い距離送達する能力が得られる。図23は、静止空気及び流れる空気の両方における遠隔の表面に堆積されるレーザーエネルギーのシュリーレン画像を示している。本発明者らの風洞試験では、本発明者らは、表面の流れ及び境界層を中断する本発明者らの能力に関連した、翼に対する揚力及び抵抗の両方へのかなりの効果を測定することができた。

流れが機械的に応答できるよりも速い、迅速な/瞬間的なエネルギーの流れへの堆積は、レーザー、放電、マイクロ波、電子ビームなどを含むいくつもの実施態様及び機構を用いて一定量のガスを希薄化する爆風を発生させることによって達成することができる。このエネルギーは、流体の密度を大幅に調節/形を変える様々な有用なジオメトリに堆積させて、優れた制御を達成することができる。この制御は、本体が周囲の流体密度と相互作用したときに生じる力と、該本体が劇的に低減された密度の領域と相互作用したときに生じる力との大きな差異から生じ得る。一般的なジオメトリは、本体外に形成される球形及び円筒の低密度領域(「チューブ」)と表面に沿って形成される「半球形」及び「半円筒」の低密度領域との組み合わせである。これらのジオメトリは、(周囲密度に対して)非常に低い密度の流体中を移動するときに、抵抗、加熱、圧力、及び衝撃波の大きな軽減から直接生じる、速度、効率、制御、及び性能全体の劇的な増加を可能にする。本発明者らの革新的なアプローチの最も有利な利用は、所望の全動作範囲にわたって効果を最大化するために、インレット;タイミング;及び推進力を調整することによって、有益な動力学に基づくシステムを設計することである。既存又は近い将来のプラットフォームに至る技術の方法を「採用し」、かつ/又は特定の能力を可能にするようにこれらの利点を含めることによって、労力をより小規模にすることを追及することもできる。このような努力は:数ある中で特に、強い衝撃/抵抗/加熱/圧力の個別の軽減;高速推進ユニットの内部流れの制御;小さいマッハ数でのインレット(再)始動;地上試験;製造;地上輸送;及び光信号及びサブ移動体の通過を容易にするために超音速/極超音速プラットフォームによって生成される衝撃波に穴を開けることを含み得る。

いくつかの基本的な物理的機構は、これらが高速の流れの制御で提供する劇的な進歩を達成するためのエネルギーの堆積における様々な実施態様の基礎である。高速の飛行及び流れの制御に革命を起こす本発明者らのアプローチは、本発明者らが、特定の実施態様で、空気を優先的に移動させて空気の作用の仕方を最適化することである。エネルギーが、1点で効率的かつ瞬時に(「急激に」)堆積されると、球形の衝撃波が生じ、内部に1〜2%の周囲空気密度しか残っていない低密度球形を押し開く。エネルギーが、線に沿って瞬間的に堆積されると、この同じ膨張が起こって、約1〜2%の周囲空気密度を含む低密度シリンダーを開く。本発明者らが「開く」ことになる体積は、本発明者らが堆積させるエネルギーに正比例し、かつ周囲空気の圧力に正比例し、従って、低い高度よりも高い高度(極超音速飛行が典型的に行われる)の方が、所与の低密度体積を開くために必要なエネルギーが少ない。周囲密度中の飛行に対する1〜2%の周囲密度中を通る飛行の利点は、多数あり、その中には:大きな抵抗の低減;安定性の強化;エネルギー使用の大幅な低減;ソニックブームがないこと;よどみ温度及び圧力の低減;ノイズの低減;底部の再加圧(底部の抵抗を排除し、推進システムの推進有効性を大幅に促進する);排気の低減;及び各高度での飛行エンベロープの劇的な増加が含まれる。

新たな適用例を開発するときに本発明者らが利用する主な効果は、空気の中に瞬間的にエネルギーを加えて、その密度の形を変える本発明者らの能力である。数十年にわたって、点源及び線源に沿って集中される大量のエネルギーの発展が、完全に特徴付けられてきた。Ploosterの詳細な計算器による研究では、Ploosterは、瞬時に堆積されるエネルギーの無限線源に関する無次元単位の彼のデータを提供する(図24〜図26)。彼のグラフの全てにおいて、エネルギーは、r=0で堆積され、(1次元円筒座標の)原点からの距離は、無次元半径λを用いて示される。各グラフにおいて、λは、横座標に沿ってプロットされ、実際の距離rの特徴的な半径R_o=(E_o/bγp_o)^1/2に対する比率を表し、式中、E₀は、単位長さ当たりに堆積されるエネルギーであり、P₀は、衝撃の前方の圧力であり、γ=1.4であり、bは3.94をとる。いくつかのプロットが各グラフに描かれ、それぞれの線の上に数字が付されている。これらの数字は、無次元時間τを表し、τは、実時間tの特徴的な時間t_o=R_o/a_oに対する比率であり、式中、a_oは、衝撃波の前方の周囲大気の音速である。全ての流体パラメーターは、円筒衝撃波の前方の周囲大気の流体パラメーターに対してプロットされ、図24の圧力(p/p_o)、図25の半径方向速度(u/a_o)、及び図26の密度(ρ/ρ₀)を含む。

これらの結果の更なる有用性は、Ploosterが様々な初期条件(例えば、理想的な線源における僅かな変動)でこれらの結果を検証したという事実に由来する。(本発明者らに興味深い)長期の動力学は、初期条件が基本的に同一であり、理想的な線源から、より拡散した源、例えば、複数の線源を含む、有限の広がりの堆積されるエネルギーまでの範囲である。この結果は、本発明者らが低減/制御したい衝撃波の前方の広い領域に沿って本発明者らがエネルギーを堆積させようと考え得るあらゆる方法を更に包含するのに十分にロバストであると思われる。

図25は、円筒衝撃波が径方向外側に伝播するときの、約τ=0.147での膨張衝撃波回転音波を示している。これは、膨張する円筒が、低密度チューブを押し開く爆風から音波に緩和され、特徴的な圧縮及び希薄化が生じ、図24の圧力トレースで、約τ=0.2で明らかになり始めている時間にほぼ一致している。結果として、この時間は、低密度チューブが急速に膨張するのが停止して、約τ=0.14からτ=6.0を十分に超えてほぼ静止を維持するほぼこの同じ時間である。図26は、音波衝撃波が半径方向外側に伝播し続けるときに、非常に低い密度のコアが、効果的に静止したままであり、半径λ=0から約λ=0.5まで変化していないことを示している。この長い低密度円筒コアの美しさ及び有用性は、該低密度円筒コアが非常に長い時間持続し、低密度通路として使用することができ、この通路を介して移動体(及び/又は該移動体によって前方に押されている高圧空気、及び/又は軽減しなければならない高圧ガスの集積)が、事実上抵抗なしで通過することができることである。

パラメーター研究を行って飛行中の本体に対する低密度チューブの効果を特徴付けるために、Ploosterの結果からのパラメーター及びスケールを使用して、様々な半径の低密度チューブを開くために必要なエネルギーを推定した。具体的には、シミュレーションは、超音速/極超音速円錐体によって生成される弧状衝撃波の前方の流線に沿って(この場合は、よどみ線に沿って)熱を急に堆積させるときの衝撃の軽減及び抵抗の低減における説得力のある有益な点を示すことが目的である。線−堆積ジオメトリで実証される持続的な利点により、連続的にエネルギーを加えなくても、衝撃の軽減/抵抗の低減の期間が延びる。これにより、瞬間的なエネルギー堆積機構を連続パルスの形態で繰り返すことができる。エネルギーが急に/瞬間的に堆積されたら、上記のように空気が膨張して低密度「チューブ」を開く。この理想的な静止低密度チューブ(及び堆積されたエネルギーの膨張によって形成される球形又はその他の形状)を損なうように機能する2つの機構は:(i)熱浮力;及び(ii)熱拡散である。実際に、これらの2つの機構が不均一な密度分布に作用するため、界面及び体積の流体不安定性の両方も生じる。

(気球のない)熱気球と同様に、熱浮力は、「チューブ」又は「気泡」の内部の高温低密度ガスの浮力によって駆動される。粘度、不安定性、他の散逸力、及び空気のように軽い物体の非常に低い最終速度を無視すると、低密度ガスが遭遇し得る最も高い上方への加速度は、重力加速度(9.8 m/秒²)である。本発明者らが一般に関心のある長さスケールでは、1 cmは、小さいと見なすことができるが、低密度ガスにとっては意味のある動きである。完全な重力加速度の非現実的な上限では、ガスは、約0.05秒で1 cm移動するであろう。この移動は一般に、およそセンチメートル単位又はそれ以上のかなりの低密度の特徴に著しく作用するはずである熱拡散よりも遥かに速い。本発明者らの上限を速すぎるようにする多数の仮定を説明するため、本発明者らは、著しい低密度の特徴が、少なくとも0.1秒持続すると考える。この時間の間に、たとえマッハ0.9の移動体でも約30 m移動し、これは、あらゆる対象の移動体が、本発明者らが形成しようとするあらゆる低密度構造とのその相互作用を終了するのに十分な時間を提供する。

かなりの大きさの低密度の特徴(例えば、大きさが数cm以上の特徴)では、これらの特徴が熱拡散によって消散される時間スケールは、上記概算された熱浮力の時間スケールよりも遥かに長い。熱拡散は、基本的に熱エネルギーの温度勾配に沿った流れから生じて、最終的に熱平衡(即ち、熱が高温ガスから隣接する冷温ガスに伝導される)に達する。図26から分かるように、「チューブ」の界面は、非常に強い密度勾配を有し、これは、非常に強い温度勾配に対応している。これは、低密度「チューブ」の界面での熱拡散となる。この効果は、表面で起こり、小さい長さスケールに対して作用するため、この作用は、極端に小さい特徴、例えば、非常に小さい直径の球形又は非常に小さい直径の「チューブ」で最も著しい。

小さい低密度の特徴が大きな役割を果たす主な事例は、レーザーパルスによって空気中に堆積されるエネルギーが、放電を誘導/引き起こす先行核として非常に小さい直径の低密度チューブを生成するときに生じる。この場合、低密度チューブの直径は、パルスパラメーターによって、およそ数十から数百マイクロメートル又はそれ以上であり得る。このような場合に、本発明者らは、「チューブ」の動力学を画像化して、それらの100マイクロ秒〜1ミリ秒の寿命を評価し(図8)、そしてこれらの時間スケールを裏付けるために更なる診断に使用した。

強いレーザーパルスによって形成されるこのような非常に小さい低密度「チューブ」によって果たされる主な役割は、経路に沿って非常に多くのエネルギーを堆積させることができる放電を誘導及び開始するのを助けることである。これらの放電は、約10⁶ m/秒又はそれ以上の速度で小さい先行核通路に沿って生成され、数十メートルの放電を容易に伝播するのに十分な「チューブ」寿命となる。

レーザーによって生成されるイオン化経路及び小さい「チューブ」に関して引き起こされ得る1つの追加の問題は、乱流の影響である。実際に、これは、いくつかの理由からそれほど大きな問題ではないことが示されている:(i)レーザーパルスを伝播するためには数十ナノ秒が必要である;(ii)フィラメント及び集束パルスが、乱流だけではなく、複雑な高速の衝撃/乱流を通っても伝播が存続することが実証されている(その一例は、本発明者らの空力窓のセクションで更に詳細に記載される);(iii)予想される放電の発達には数マイクロ秒が必要である。より大きい操作上有用な「チューブ」の放電を使用する形成に必須であるこれらの時間スケール及び動力学では、乱流は、該乱流が発達するよりも遥かに遅い時間スケールのため、大きな障害とはならない。

本発明者らが空気力学の利点を考察するために使用する標準的な特徴は、Ploosterが約λ=0.5まで拡張されることを示した低密度コアである(図26)。本発明者らが、このコアの半径をある値にしたいと思う場合は、本発明者らは、λ=r/R_oの定義を用いて長さ(E_o)当たりの必要なエネルギー堆積を計算することができ、式中、R_o=(E_o/5.34×p_o)^1/2であり、p_oは、周囲空気圧力である(定数5.34は、γの値を用いて導かれ、γは、水蒸気を説明するため1.4とは僅かに異なり、乾燥空気でも計算することができる)。これにより、本発明者らは、半径rの低密度コアを形成するために必要な長さ当たりのエネルギーが分かる。まず、本発明者らは、E_o=5.34×po_×R_o²となるように並べ替える。次いで、R_oを項λ及びrで表し、本発明者らは:E_o=5.34×p_o×(r/λ)²を得る。本発明者らが重要だと考えるλの主な値は、低密度コアのおおよその無次元幅であるため、λ=0.5である。本発明者らに物理的情報を提供する主な寸法は、本発明者らが形成したいと考える低密度コアの実際の半径rである。予想できるように、所与の低密度コアを形成するために必要な長さ当たりのエネルギーは、その半径の二乗に比例する(即ち、その断面積に比例する)、E_o=21.5×p_o×(r)²。追加の因子1/2(二乗)を説明すると、実際のエネルギー/長さを計算する式は、次の通りである。 E_o=5.34×p_o×(r)²

必要な全エネルギーを得るために、本発明者らは、E_oに加熱経路の長さを単純に乗じなければならない。この長さは、試験段階で最適化するべきシステムのパラメーターの1つであり、パルス繰り返し率(これも同様に最適化しなければならない)を決定する際にも役立つ。しかしながら、本発明者らは、本発明者らがいくつかの公称ガス加熱必要量を決定できるようにパルスエネルギー及び平均電力の範囲を考察するために、ここでいくつかの公称値を選択する。

移動体の前方のガスを加熱する1つのアプローチでは、それぞれの新たな低密度「コア」を形成することによって高温経路における「中断」を防止し、これにより、その前部が、先行するコアの後部に衝突するようにする。しかしながら、電力及び全エネルギー堆積を節約する方法では、連続した個々のコア間の非加熱空気の中断が残るようにする。これにより、本発明者らが、移動体の前方に実際に弧状衝撃波を再生成するのに必要な時間の一部を利用することができる。移動体の弧状衝撃波が再生成されると、次の加熱コアが、該弧状衝撃波を再び消散させる働きをする。移動体が低密度コアを出た後に、効果的に妨げる衝撃波を再生成するための実際の距離は、該移動体の形状、迎え角、及び飛行パラメーターによるが、この長さがどうであろうと、本発明者らは、エネルギー堆積長さ及び繰り返し率を調整することによってこの距離に対応することができる。一例として、本発明者らが、チューブを形成できるようにこれらの値を調整する場合、チューブの長さは、新たな弧状衝撃波が生じるのに必要な距離と同じであり、(本発明者らは、よどみ線に沿って1:1の非加熱ガス:加熱ガスの比率を有するため)本発明者らは、エネルギー堆積の電力必要量を半分にすることができる。同様の現象が、移動体の前方にスポット加熱を使用したときに実証された。実際、高温コア長さの非加熱長さに対する最適な比率は、風洞試験及びより詳細なシミュレーションで決定される。このパラメーターを非常に慎重に試験して該パラメーターを最適に使用するための本発明者らの主な動機は、移動体が先行する低密度「チューブ」を出た後に、衝撃波の「再生成」に特に長い時間を必要とするようであることからである。(本発明者らが行ったシミュレーションに一致する)上記の概念的な場合には、このようなアプローチは、本発明者らが堆積するエネルギーの50%を節約することができ、本発明者らは、(エネルギー投入量を半分にして同じ利点を得ることによって)現在の効率を2倍にすることができる。

延長された空気の経路を加熱する上記の方法(複数可)を考察する理由は、衝撃波の制御/軽減へのその適用可能性のためである。本発明者らは、衝撃波の前の点加熱の時間分解研究から判断することによって開始し、次いで、本発明者らが行った実験を要約して、延長された加熱の領域に時刻を付ける。

Adelgrenらの美しい時間分解風洞研究(図27及び図28)により、マッハ3.45での球形モデルの弧状衝撃波に対するエネルギー堆積の効果の観察が可能となった。レーザー加熱の領域は、ほぼ点源であるが、パルスの伝播方向に沿ってやや細長く、風洞の気流に対して横断方向に生じる(ビームは、風洞の側面から進入する)。結果として生じる熱は、点源として有効に近似することができ、膨張する球形衝撃波としてのこの発達は広く論じられる。この膨張の主な特徴は、高密度/高圧波を外側に移動させて、高温低密度「気泡」を中心に残す球形爆風である。この低密度「気泡」は、(空気中に堆積されるエネルギーの量によって)所与のサイズに膨張し、次いで、音速衝撃波が引き続き外側に膨張して減衰するときに停止する。

図27は、10ナノ秒の赤外線パルスを用いた約数十mJの流れへの追加を示している。結果として生じる球形衝撃波の膨張が、下流に前進するときに観察される。低密度「気泡」は、減衰する音速衝撃波が膨張し続けるときに、その事実上一定の半径を維持することが分かる。この低密度「気泡」は、Ploosterによって定量化される、エネルギーが線に沿って堆積されるときに形成される円筒低密度「チューブ/コア」に類似した球形である。

図28は、エネルギー堆積の後ろで、球形風洞モデルが流れに配置された同じジオメトリを示している。シュリーレン画像に重ね合わせると、レーザー誘導球形膨張がモデルの衝撃波と相互作用するときの圧力分布が示される。モデルの表面をゼロ軸として使用すると、モデルの前の「円形の」線が、(流れが乱されていないときに測定される)基準表面圧力である。他方の線は、写真が撮られたときに測定された表面圧力である。これらの3つのフレームは、低密度レーザー加熱「気泡」の流れがモデルの表面の圧力ポートを通過するときの瞬間的な圧力低下を実証している。

図29は、モデルのよどみ点(最も大きい圧力変動のある点)における圧力の時間発展を示している。低密度「気泡」がモデル及びその衝撃波と相互作用するため、圧力の上昇が、高密度の膨張する衝撃波が最初にモデルの衝撃波及び圧力センサーと相互作用するときに見られる。次いで、低密度「気泡」が後に続くと、圧力低下が起こる。これにより、図30の外向きプルーム(outward plume)が生じ、次いで、このプルームが弧状衝撃波構造の残りを破壊し、この結果は、レーザー加熱されたガスと超音速の物体の弧状衝撃波及び流れ場との相互作用の単純な性質を実証している。

より効率的な円筒ジオメトリを詳細に調べるために、PM&AM Research社が、風洞実験に何が必要であるかを評価するためにある予備的な実験研究を行い、そして本発明者らは、通常衝撃波を様々な低密度ジオメトリに衝当させて、衝撃波−チューブジオメトリに対する分析的計算及び数値シミュレーションも行った。これらの考察は、チューブ形状のジオメトリを利用する大きな利点を示唆した。所与の量のエネルギーを、衝撃波の前方の点又は(衝撃波の伝播の方向に向いた)同じ衝撃波の前方の線に沿って堆積させた。点加熱により、ガスがある程度混合され、そして衝撃波に対する全体の衝撃は最小限であった。超音速移動体に関しては、極僅かな空気が、「点−加熱」ジオメトリを有する移動体の経路から押し出される。ガスのほぼ半分が、移動体に向かって膨張し、該移動体の衝撃波と「正面」衝当する一方、あとの半分は、該移動体が離れる方向に移動し、該移動体の衝撃波にただ「追いつかれ」、該衝撃波によって吸収される結果となる。対照的に、急な線の加熱の場合には、ほぼ全ての円筒状に膨張するガスが、移動体の経路から横方向に押し出される(又はそのよどみ線から少なくとも外れる)。移動体は、優先的に低密度チューブに沿って移動することが観察され、前縁での、及び該移動体の前面全体に沿った温度、圧力、及び密度の長く続く低下を享受した。更に、移動体がガスに遭遇する前に該ガスが側方に移動すると、該移動体によって前方及び横方向に加速するのではなく、代わりにガスは、該移動体の後ろの再循環するべき位置に来る。この再循環は、通常は真空の底部が再加圧され、これにより、該底部の抵抗が排除されるだけではなく、推進システムを押すことができるより高密度の媒体が提供され、従って、推進効率が劇的に向上する。これらの動力学は、図14に示され、劇的な抵抗の低減及びエネルギーの節約のパラメーター研究が、この概要の添付書類及び参考文献で報告されている。

移動体が、加熱経路(コア)を十分に利用すると、別の瞬間的に加熱された経路を形成することができ、該移動体のサイズ及び速度、並びに加熱コアの長さ及び連続したコア間での残存が許容されるあらゆる非加熱空間の長さに基づいた繰り返し率となる。

本発明者らの提案する技術は、移動体の衝撃波の前方の正確に定義される拡張されたジオメトリでの電磁エネルギーの空気中への結合に大きく依存する。レーザー「放電」又は「スパーク」は、1960年代の大成功以来、研究され続けている。様々な波長で相似関係が得られ、寄与する機構、例えば、煤塵及びキャリヤの拡散も確認されている。しかしながら、本発明者らの適用例では、本発明者らは、単純ではないスパークを空気中で必要とする。本発明者らは、可能な限り効率的に加熱されるべき、十分に制御されて拡張された帯状の空気を必要とする。これらの方法は、まだなお最適化することができ、そして本発明者らの主な関心事の1つは、大気中を伝播するレーザーパルスから生じるイオン化及びエネルギー堆積である。

紫外線波長を使用する利点は、制御可能なイオン化及びエネルギー堆積である。多数の研究者が、赤外線レーザーを用いて空気中にエネルギーを堆積させており、該赤外線レーザーはそのメリットも有する。利点の1つは、利用可能な赤外線レーザー増幅器の材料が広範囲であることであり、もう1つは、非常に強い加熱及びイオン化の能力である。逆に、赤外線吸収によって生成されるかなり大量の二次光により、空気の加熱に利用可能なエネルギーが少なくなる。

紫外線レーザー誘導イオン化と赤外線レーザー誘導イオン化を比較すると、実際の機構はかなり異なっている。1つの主な相違は、紫外光のより高い周波数により、該紫外線がより広範囲のプラズマに透過できることである。これは、イオン化ガスによって反射されないようにするために、レーザーの周波数がイオン化のプラズマ周波数を超えなければならないため起きる。従って、(低周波数の)赤外線レーザーが、ガスをイオン化し始めるとすぐに、該赤外線レーザーは、生成されたばかりのプラズマによって強力に反射され、散乱され、そして吸収される。その結果は、一般に、パルス中に残存するエネルギーが前方に伝播するのを防止する単一イオン化スポットであるか、又は該パルスの経路に沿った一連のプラズマ「球」である。単一イオン化スポットの場合には、一般的な伸長は、レーザーに向かって後方に伝播するレーザー誘導デトネーション波に関連した様々な機構により、パルス幅に沿って起こり得る。このデトネーション波は、10⁵ m/秒の速度で伝播することができ、これにより、移動体の前方の延長された高温経路を形成するための方法の候補となる。残念なことに、本発明者らは、せいぜい、現在考えられるものよりも大幅に小さい適用例にしか効果的でないと思われる比較的短い経路(センチメートルのオーダー)の報告しか見ていない。しかしながら、一連のプラズマ球の赤外線誘導による形成が、数メートルにわたって観察され、この「点」線でさえも、本発明者らが必要とする「延長された高温経路」の形成の近似として役立ち得る。

赤外線と紫外線のイオン化機構における別の相違は、「アバランシュ」又は「カスケード」イオン化と多光子イオン化との間の競合である。これらの分析の結果は、より短い波長、より短いパルス、及びより低い圧力のガスの全てが、多光子イオン化を促進し、より長い波長、より長いパルス、及びより高いガス圧が、カスケードイオン化を促進する。カスケードイオン化は、逆制動放射によって高い光子密度の存在下で起こる。このプロセスは、ガスの原子/分子によって助けられ、レーザー光子の運動量を吸収した後に電子を前方に加速させる。遊離電子の運動量の増大は、ガスの原子/分子に結合した別の電子を衝撃によりイオン化するのに十分な運動エネルギーを有するまで続く。これにより、現在は光子を吸収してそれらの運動エネルギーを増大する2つの電子となる。これらの動力学が続き、1つの電子が、十分な光子、相互作用するのに十分なガス分子、及び関与する多数のステップにとって十分な時間を有する限り、該1つの電子を何回でも乗ずることができる。このように分解を達成するために必要な閾値強度の推定値は次の通りである: I_th≒(ω²+ν_eff²)×(τ_p×ν_eff)^-1 式中、ν_effは、電子とガス粒子との間の運動量移行の有効レートであり(ガス圧に比例する);ωは、レーザー周波数であり;τ_pは、パルス幅である。I_thが、より低いレーザー周波数、より高い圧力、及びより長いパルス長で低くなることは明らかである。

多光子イオン化の場合には、非イオン化ガス原子/分子及び(イオン化エネルギーを供給するのに十分な)n個の光子の中で高次衝突が起こる。一例として、窒素分子の第1イオン化ポテンシャルが、15.5 eVであり、248 nm KrF放射線は、5 eVの光子エネルギーhνを有する。少なくとも4つのこのような光子が、15.5 eVを提供する必要があるため、イオン化は、4−光子プロセス(即ち、n=4)と見なされる。1.06μmの光子、hν=1.165 eVの場合は、n=13となり、10.6μmの光子、hν=0.1165 eVの場合は、n=134の光子プロセスとなる(可能性が極めて低い衝突)。更なる経験則を使用して、多光子イオン化が優勢であるパルス長を示すことができる: P×τ_p<10^-7(Torr×s)

これは、大気圧では、τ_pは、優勢であるべき多光子イオン化では100ピコ秒未満であるべきであり、よりエネルギーが大きいより長いパルスは、より低い圧力(より高い高度)で使用することができることを示唆している。

既に述べたように、長い赤外線パルスで起こるカスケードイオン化は、パルス中の殆どの光を強力に反射させ散乱させる。紫外線パルスの場合は、イオン化領域は、パルスに対して比較的透明に維持することができ、そして拡張されたガスの領域をイオン化することができる。実際、系の光学焦点を中心とする領域、いずれかの方向に延びた1つの「レイリー範囲」(z_R)をイオン化することができ:

(ガウスビームの場合) 式中、ω_oは、ビームウエスト(最小の焦点スポット幅)であり、fは、レンズの焦点距離であり、dは、レンズの直径であり、そしてλは、レーザー波長である。f=1 m及び1.5 mのレンズを使用すると、数cmの延長された経路をイオン化することが可能である。レンズのf/#を低減するために負の光学素子(negative optics)を使用して、2×z_R=24 cmの長さのイオン化経路を得ることが可能であった。

2つの異なるイオン化機構によって必要とされるエネルギーを比較して、本発明者らは、短い紫外線パルスが、導電経路の形成で遥かに効率的/効果的であることが分かる。248 nmの放射線を使用して、10¹³ e^-/cm³にイオン化された、直径が1 cm²で長さが1メートルの空気通路を生成するためには、僅か2.4 mJのパルスエネルギーしか必要としない。他方、プラズマの反射の問題を回避することができ、そして赤外線レーザーを同じ通路のイオン化に使用できるのであれば、ほぼ完全にそうすることになり(2.7×10¹⁹ e^-/cm³)、約6.4 Jのパルスエネルギーが必要である。レーザーからのこの全量のエネルギーの使用は、一般に非効率的な電気のレーザー光への変換により、非常に費用がかかる。もし代わりに、エネルギーをガスに結合して非常に小さい直径の低密度通路を開くレーザーフィラメントが空気中に形成されるとすると、この低密度通路を使用して高エネルギー放電を行うことができ、該低密度通路は、そのエネルギーをレーザーよりも遥かに効率的に空気に結合する。放電によって放射されるエネルギーはまた、レーザーによって放出されるエネルギーよりも遥かに安価に生成される。それぞれの堆積方法の最も有用な要素を組み合わせて一致させる際に、本発明者らは、予備イオン化が行われている場合に、1.06μmのレーザーパルスによる空気のイオン化が増進されることに気付く。この現象の1つの可能な利用は、紫外線種レーザーからのイオン化を用いて赤外線を空気に戦略的に結合して、赤外線エネルギー堆積がどこで起こるかを示すことである。このプロセスを容易にするために、紫外光を、赤外光の高調波として生成することができる。紫外線は、導電性であるレーザーパルスによって生成されるイオン化を上回り、エネルギーを空気に結合して低密度通路も形成するという点で大きな意義を有する。この低密度通路では、電荷を、より容易に加速させることができ、これにより、イオン化レーザーパルスの経路に沿った放電が遥かに容易に発生する。関連する短い時間スケールもまた、放電の発生中に準安定種、例えば、準安定酸素が有することができる促進効果を増大させる。事前にイオン化されて次に希薄化されるガスの領域に低コストエネルギーを結合する潜在的な代替方法は、マイクロ波エネルギーの使用である。この結合のこの研究は、現在はその初期段階である。

延長された経路を加熱するための本発明者らの選択肢を著しく広げるレーザーパルス技術における主な進展は、フィラメント形成の進展である。フィラメントは、多数の研究者によって詳細に調べられ、この研究の殆どが赤外線フィラメントについてであった。紫外線フィラメントは、赤外線波長を使用する多くの欠点を解消/補完するために推奨されている。一説によると、紫外線フィラメントは、キロメートルの長さであり得、数ジュールのエネルギーを含み得、約100μmの半径を有し、かつ1×10¹² e^-/cm³〜1×10¹⁶ e^-/cm³の間でガスをイオン化する。対照的に、赤外線フィラメントは、数mJを超えるエネルギーを含むことができず、(伝播の喪失によって)このエネルギーが枯渇すると、該フィラメントは破壊され、非常に強く回折する。Brodeurは、フィラメントエネルギーの大部分が、より高いイオン化内部コアから回折するときに、1 mmの大きい境界直径(penumbral diameter)に間欠的に移動することを示唆し、後にこれをシミュレーションによって示している。この光は、前のフィラメントが破壊されたときの新たなフィラメントの形成のための貯蔵部として残る。

紫外線と赤外線を比較すると、紫外線フィラメントは、約40μJ/mを喪失し、約2×10¹⁵ e^-/cm³のイオン化を生じさせることが示された。これは、赤外線フィラメントで測定されたイオン化の20倍を超え、導電性の20倍の増加となると報告された。別の有益な点は、紫外線フィラメントが光の「円錐放射」によってエネルギーを喪失せず、従って、それらのエネルギーをより効率的に使用してガスをイオン化して加熱する。これは、放電の発生を容易にする小さい低密度チューブのより効率的な形成と言い換えられる。

理論的結果が、図30に示され、場の強度とイオン化との間での、メートルの長さスケールにわたる振動交換を実証している。十分な初期エネルギー及びパルス幅であるとすると、これらの振動は、キロメートルにわたって延長することができるエンベロープ内で起こる。図30及び図31の両方において、縦軸はμm単位であり、横軸は、メートル単位である。図31の線は、160 MWの初期電力のフィラメント境界を表し、ビームが事実上広がっていないことを示し、このモデルの予測は、実験に十分に一致している。イオン化と光子密度との間の振動において、赤外線フィラメントと類似していることは、フィラメントアレイの間の潜在的に興味深い相互作用を示唆する。この場合、個々の「境界」場が重複する可能性があり、アレイフィラメント間のクロストーク又はエネルギー交換が可能となる。このようなアレイは、核フィラメントに対する特定の点で最大の局所強度を有するように初期のビームプロフィールを作成することによって形成されることになる。1メートルの長さのフィラメントのアレイは、非常に集中させて制御された方式でエネルギーを堆積させる有効な方法であろう。2つを結合する1つの可能性は、赤外光の導波管として機能するように紫外線フィラメントアレイを使用することであろう。赤外光の強度は、ガスをイオン化するために通常は必要な強度よりも低くすることができるが、紫外線フィラメント間のイオン化領域は、赤外線をガスに結合するのを助けるであろう。これにより、通常は必要な高い場の強度がなくても、赤外線のガスへの効率的な結合が可能となるであろう。このような補完的なアプローチは、(典型的には強すぎる)赤外線イオン化及び関連した無駄な明るい光の生成を緩和することができる。紫外線フィラメントによって形成される低密度通路は、赤外光をより効果的に誘導することもできる。

コスト効率よく熱の蓄積を高める、本発明者らが最初に注目した方法では、レーザーでイオン化された帯状のガス又はフィラメントによって生成される低密度領域を使用して、放電の核を形成して該放電を誘導する。

これは、80 mJ、1ピコ秒のレーザーパルスを2つのトロイダル電極によって誘導してこれらの電極間にイオン化経路を形成することによって行われた。電極は、これらの通常の放電電圧よりも低い電圧に維持され、レーザーによってイオン化された経路が、これらの電極間に低密度経路を形成し、該低密度経路が放電の核となり、該放電を直線に誘導した(図32)。この先行核レーザーパルスは、閾値破壊電圧を25〜50%低下させることができた(該閾値破壊電圧は、通常は海面で約20〜30 kV/cmである)。この破壊電圧の改善は、多数の機構から生じ、主な利点は、レーザーパルス自体によって堆積される少量のエネルギーによって開かれる小さい低密度領域/チューブから得られる。より長いフィラメント−開始/誘導放電が、図7に示されているように実証され、2 mの中間長さが生成されている。

本発明者らはまた、図6に示されているように、複数のレーザーパルスによって形成された複数の経路を接続することによって放電を発生させた(図33)。

実際のプラットフォームへのこの技術の実用的な実施に更に取り組むために、フィラメント形成レーザーを、空力窓を介して伝播させた。空力窓は、歴史的に見て、間に高強度のレーザーエネルギーを伝播させなければならない2つの領域を「分離」するために使用されてきた。これは、レーザー強度が十分に高くて、エネルギーが、固体窓(solid window)及びビームの両方の壊滅的な破壊なしでは該固体窓を通過できない場合に必要である。異なる領域を固体窓で分離するのではなく、空力窓が、横断気流でこれらを分離する。高圧空気が、ノズル/スロートを通過して膨張し、窓の両側に衝撃波及び希薄波を生成する。これは、(流れの方向に対して直角な)窓の前後に強い圧力勾配を生じさせる。それぞれの高圧及び低圧が窓の両側の外圧に一致すると、レーザーパルスが通過できるように小さい孔が穿孔されている場合は(図34を参照)、該窓を通過する又は該窓に流入/流出する流れが殆ど又は全く生じない。

空力窓の使用により、エネルギー放出装置と任意の外部大気条件との間のきれいな分離が可能となる。これは、海面での静止適用例から様々な高度での超音速/極超音速適用例までの範囲であり得る。実際、空力窓内の流れは、変化する外部条件(例えば、高度及び移動体の速度/ジオメトリによる外部圧力の変動)に適合するように調整することができる。

本発明者らの実証では、フィラメントは、空力窓(図34)の真空側から周囲大気へのパルスの伝播によって形成された。フィラメントも、大気から、空力窓内の乱流/衝撃を受けた流れを通って伝播し、4トル〜80トル(約0.53 kPa〜10.67 kPa)の範囲の圧力になった。これらの低圧では、フィラメントは、焦点がぼけ、固体窓を通って低圧室を出た。次いで、大気条件下で再びフィラメントを形成したことが報告された。これらのジオメトリは、紫外線フィラメントのロバストな性質を実証し、超音速/極超音速の適用例を含むあらゆる範囲のプラットフォームで実施して該プラットフォームから展開するには脆弱すぎるという懸念を取り除いている。

大量の「低コスト」エネルギーを空気中に堆積させるコスト効率の良い方法として、放電をレーザープラズマに結合する本発明者らの技術と同様に、マイクロ波エネルギーも、レーザーエネルギーよりもコスト効率が良く、かつレーザーによって設定されるプラズマのジオメトリに沿って空気中に堆積されるエネルギーを増加させるコスト効率の良い方法として同様に役立ち得る。レーザーによって生成されるプラズマによってエネルギーを空気中により効率的に結合するためにマイクロ波を使用する2つの関連した有益な点は:(i)エネルギーを結合するために回路を閉じる必要がないこと;(ii)エネルギーを離れて堆積させることができ、これが高速で有益であり得ることである。複数のエネルギー堆積技術を組み合わせることにより、特に、様々な波長のレーザーパルス及び/若しくはフィラメント、放電、マイクロ波パルス、並びに/又は電子ビームを含むなお更なる柔軟性を提供することができる。ある概念的なジオメトリ及び結果の結合が報告され、本発明者らは、短いマイクロ波パルスのレーザープラズマ及びフィラメントへの結合の詳細も調査している。

連続して起こる様々な個々の機構では、所望の空気力学的利点を達成するために、表1は、全システムに使用されるあらゆるセンサー及び電子機器の応答時間を考慮する適切な文脈を提供する概念的な適用例の各ステップに関係する概念的な時間スケールを要約している。表では、熱拡散及び熱浮力の2つの緩和機構が示され、これらが優勢である領域と比較されている。(放電の発生を可能にする)フィラメント自体によって形成される非常に小さい「チューブ」では、熱拡散は、高温の低密度チューブを消去するように機能する最も速い機構である。この場合、チューブは、放電を発生させるために必要な数マイクロ秒よりも長い時間スケールにわたって残存する。放電によって堆積される大量のエネルギーによって形成されるより大きい「チューブ」では、熱拡散(該チューブを画定する低密度及び高密度ガスの界面で作用する)は無視できるほどであり、チューブを破壊する律速機構が、熱浮力及び不安定性であり、これは、ミリ秒の間、該チューブに著しい衝撃を与えず、この時間は、たとえ最も遅い移動体であってもチューブを介して伝播するのに十分な時間である。実際にチューブを開くために必要な時間スケールも推定され、この推定値は、たとえ最も速い移動体であっても該チューブを通って飛行する利点を得るのに十分な時間でチューブを開くのには十分に速い。(多くの場合、レーザーを必要としない)表面にエネルギーを堆積させることによる流れの制御を含む多くの適用例が可能であり、このエネルギーの堆積中は、適用可能な時間スケールは、ほぼ同じに維持される。表1は、マイクロ波エネルギーのレーザープラズマへの結合の時間スケールがまだ明確に定量化されていないため、この時間スケールに対処していない。 表1:概念的適用例の基本的な時間スケール 超短パルスレーザーは、約10¹³〜10¹⁶ e^-/ccのプラズマ密度でフィラメントを形成する a. 光の速さ:(3×10⁸ m/秒)→1フィート/ナノ秒(30.48 cm/ナノ秒) 電子が再結合する:エネルギー(すなわち、熱)をガスに移動させる b. プラズマが約10ナノ秒(最大100ナノ秒)で再結合する 小型低密度通路を開く(放電を可能にする) c. 数十ナノ秒で開く(100マイクロ秒〜1ミリ秒にわたる熱拡散により破壊が始まる) 放電を発生させる d. 10⁶〜10⁷ m/秒→10フィート/マイクロ秒(304.8 cm/ナノ秒) 放電が数マイクロ秒持続する e. 電流を流して、ガスをオーム加熱する(線形の稲妻) 大型低密度通路を開く f. 数十マイクロ秒〜数百マイクロ秒(数十ミリ秒後の熱浮力による破壊、これにより、1 km/秒で移動する移動体の数十メートルにわたる低抵抗の伝播が可能となる) この全プロセスの総時間は、大きいチューブを開く時間(約100マイクロ秒)にほぼ等しい g. 飛行速度と比較して十分に速い(1〜3 km/秒で移動する移動体は、大きいチューブを開くためにかかる時間で10〜30 cmしか移動せず、該移動体は、該チューブを通って数十ミリ秒の間に数十メートル移動できる)

様々な適用例の考察では、ハードウェア及び待ち時間は、考慮する上で重要な因子であり、かつ本明細書では、特定の適用例のタイミングチェーンの決定におけるそれらの考慮を重視することが示唆される。なぜなら、現実的な推定を行って作業システムを構築するために、(表1に要約されている基本的な時間スケールに加えて)これらのハードウェアの時間スケールも考慮しなければならないためである。例えば、インレットアンスタート(inlet unstart)の緩和では、物理的な時間スケールが重要であるが、センサー、信号、及びあらゆる処理(本発明者らは、可能な場合は、ハードウェアソリューションを純粋に利用することによって不要にすることを好む)が、待ち時間を加算し得る(特に、圧力センサー、なぜなら他のハードウェアアイテムは典型的には速いため)。特定のシステムの例に踏み込むと、現在利用可能な他の技術と比較して、本発明者らの流れの制御のアプローチの速い応答時間が目立つ。

本発明者らは、低コスト放電及び/又はマイクロ波源を結合する機構を含む、エネルギーの流れの中への堆積の一部の微妙な問題を議論した。動力学のより物理的/直観的な理解を深めるのを助けるため、及びこの広範の革新的な技術の将来の開発を刺激して本発明者らがどのように飛行するかを根本的に転換するために多数の細目に取り組んでいる。

これまでに、物体の経路から流体、例えば、空気を横方向に移動させるようにエネルギーを堆積させることによって抵抗を低減し、これにより該物体の前方への運動を促進するアプローチが開示されている。エネルギー堆積は、[Kremeyer特許を引用する]様々な他の適用例で、流れを制御するために更に開示された。抵抗低減の一実施態様では、物体が移動する低密度領域を形成するためにエネルギーが堆積される。この低密度領域は、有限範囲であり、そして低密度領域を通る伝播の利点を持続するために、物体が移動するときに追加の低密度領域を形成することができる。これらの領域が、互いに非常に近接して形成されるとすると、ほぼ連続した低密度領域を形成して、ほぼ連続した利点を享受することができる。低密度領域は、確立するためにエネルギーを必要とするため、それらの利点を最適に利用することが更に有効である。「最良の利点」の定義/目標は、適用例並びに関連する利点及び資源の相対値に基づいて様々であり得る。これらの利点としては、限定されるものではないが、数ある可能性の中でも特に、速度、範囲、エネルギー、重量、音響学的特性、運動量、時間、電力、サイズ、最大積載量、有効性、正確さ、操縦性を挙げることができる。これらの利点は、適用例によって様々であり、そして特定のパラメーターを、所与の実施態様並びにその特定の条件及び目標に合わせて調整しなければならない。本発明者らは、特定の実施態様を調整する概念、及び所望の利点を最適化するように他のパルス事象又は特異な事象と同期されるパルスエネルギー堆積を組み込む概念を本明細書で開示する。一部の例が以下に示される。

(高速飛行体/発射体の適用例のための同期されたパルス運転) 以前の開示では、低密度チューブを通って移動する移動体の動力学が開示され、該移動体が該低密度チューブに入るときに開始するパルス効果が実証されている。この効果は、特定の期間にわたって持続し、その期間は、低密度チューブの長さ及び移動体の速度にある程度依存する。図14A〜図14Dは、連続して順番に並べられ、それぞれのおよその相対時間が差し込み図の抵抗トレースに区切られている。留意するべき動力学の1つの側面は、円錐型の概念的移動体が、エネルギーの堆積された線によって形成された低密度チューブを取り囲んでいる空気のより高い密度のシースを通過するときに、該概念的移動体の抵抗が僅かに上昇することである。このより高い密度のシースは、低密度チューブを希薄化するために円筒状に外側に押し出されたガスを含む。移動体は、チューブの低密度部分に進入すると、大幅に低減された抵抗に遭遇する。時間Dでは、移動体は、チューブの最初の長さを横断しており、抵抗曲線から明らかなように、定常状態の流れの条件を再確立するために追加の時間が必要である。留意するべき更なる点は、移動体の低密度チューブ通過中の弧状衝撃波及び関連する遠距離場のソニックブームの一見した完全な除去である。

非常に興味深いこれらの態様の域を超えて、動力学の1つの重要な様相は、再分布密度から生じる移動体の周りの圧力分布である。

図14Aで観察されるように、移動体がチューブの低密度部分に進入する前は、該移動体の底部の密度は極端に低い。移動体の底部のこの希薄化低密度/低圧領域は、典型的な超音速/極超音速流体の動力学の結果である。この領域は、除雪機の経路から雪を投げ飛ばす該除雪車(その後ろに雪が除去された領域が残る)と同様に、移動体から前方及び横方向に押し出される該移動体の経路のガスから生じる。この動力学はまた、本発明者らがエネルギーを堆積させて低密度領域を形成するために本発明者らが利用する動力学に類似している。いずれの場合も、ガスが外側に押し出されて、希薄化領域が残る。しかしながら、移動体の前方にエネルギーが堆積されない超音速/極超音速飛行の典型的な場合とは対照的に、該移動体によって上流のガスに加えられる機械的エネルギーは、該移動体の前方の高圧領域及び衝撃波となり、衝撃波の後ろの高圧の造波抗力として知られるものが該移動体を後方に押す。また、移動体がガスを該移動体から前方及び横方向外側へ機械的に押した後に残る真空により、該移動体の底部に真空の低圧領域が生じて、該移動体を後方に更に引っ張る底部抵抗が生じる。これらの力の両方は、本発明者らが移動体の前方にエネルギーの線を堆積させて、ガスを該移動体の経路から横方向に押すときに大幅に緩和される。これらの力が緩和される程度は、本発明者らが移動体の前方に堆積させる長さ当たりのエネルギーの量によって決まる。移動体の前方からのガスの除去は、造波抗力を低減し、また、該移動体によって押されたときに機械的に外側に押し出されるガスを最小限にする(また、ソニックブームも最小限にする)。上記のように、底部の抵抗は、典型的には、移動体又は発射体がガスをそこから機械的に外側に押し出たときに残る低圧領域から生じる。対照的に、移動体/発射体の前方のガスが、該移動体/発射体の前方のエネルギーの堆積によって側方に押されると、横方向に「飛ばされる」のではなく、該移動体/発射体の後ろに底部の抵抗となる低密度領域が残り、このガスが、該移動体の経路のすぐ外側により静止して存在し得る、又は該移動体の経路内にある場合は、該移動体自体によってほどは機械的に加速されず、結果として、該移動体/発射体によって該ガスに加えられる横方向の運動量が少なくなる。ガスに加えられる横方向の運動量が少なければ少ないほど、ソニックブームが低減され、底部が希薄化されない。移動体の前方からのガスが、該移動体の縁に完全に除去される(例えば、半径が該移動体の半径と同じチューブを開く)という制限では、低密度チューブから押し出されたガスの高密度領域は、すぐに該移動体の後ろでほぼ完全に再循環されて底部を再加圧する。この再加圧された底部が、移動体の全抵抗の低減に著しく寄与するのに加えて、この効果をパルス推進プロセスと組み合わせて、移動体の動作の全効率を最大化することができる。以前に、本発明者らは、主に移動体の空力特性を考慮した。推進力の考慮、そして実際のパルス推進プロセスの考慮により、特に圧縮可能な飛行領域、とりわけ、超音速及び極超音速領域、並びに高亜音速/遷音速領域での移動体のなお更なる最適化が可能となる。一実施態様では、最良の利点は、可能な最も単純で最もコスト効率の良い移動体を製造するために、この概念で航空機を設計することである。他の最良の利点としては、既に記載されたもの、例えば、最短の可能な飛行時間を挙げることができる。抵抗を低減して航空機を操縦するために移動体の前方にエネルギーを堆積させることに加えて、本発明者らは、所望の効果(複数可)を達成するために、これらの動力学をパルス推進システム(該パルス推進システムは、一定した推進よりも遥かに効率的である、例えば、数ある他のパルス推進選択肢の中でも、パルスデトネーションエンジン)と同期させることができる。他及び/又は追加のプロセスも、なお更なる利点を達成するためにこれらの動力学と同期させることができ、本発明者らは、パルスデトネーションエンジンの例を用いるパルス推進をまず考慮する。パルスデトネーションエンジンの動力学の2つの概念的な表現が、図18に示されている。

パルス推進の1つの非常に重要な側面は、システムの出口/排気平面での圧力である。推進システムの出口/排気平面に非常に低い圧力を生じさせる非常に低い底部圧力の典型的なケースでは、デトネーションチューブ(パルスデトネーションエンジンの燃焼部分)が、反応物で非常に迅速に満たされる。非常に低い背圧と仮定すると、推進サイクル(ブローダウン時間)の高圧部分もあまり長くは持続しない。典型的な推進サイクル時間は、エンジンの設計によって決まり、そのジオメトリは、該サイクル時間を変更するために様々にすることができる。サイクル時間に影響を及ぼす追加の重要な因子は:チューブが反応物で満たされる速度に影響を及ぼす、入口での質量流量(より具体的には、典型的には弁で開閉される、デトネーションチューブの入口平面での質量流量及び圧力);高圧デトネーション生成物の滞留時間及びそれらから得られるスラストに影響を及ぼす、出口/排気平面での圧力である。典型的な飛行条件下、入口及び出口平面でのこれらの圧力は、飛行パラメーターによって決まる。本発明者らが、上記のエネルギー堆積動力学を追加すると、パルスデトネーションエンジンの入口及び出口の両方での条件を非常に都合よく変更することが可能になる。

基本的なアプローチでは、前方からの空気が移動体を包み込んで1つ以上の推進ユニットの出口(複数可)を再加圧し、出るガスの閉じ込めを強化するより高い密度の空気が、パルス推進(例えば、パルスデトネーション)サイクルの推進部分に一致するように、推進パルスを用いた該移動体の前方のエネルギー堆積パルスの時間を調節する。言い換えれば、動力学は、1つ以上のパルスデトネーションエンジンサイクルによって生成される推進力/スラストを最適化するために移動体の前方に堆積されるエネルギーから生じる底部圧力の上昇(即ち、推進ユニット/ユニット出口/排気平面(複数可)での圧力の上昇)の同期/整相/時間調整を含む。推進ユニット又はユニット出口(複数可)での密度の増加によって提供される更なる閉じ込めは、非拡張運転(unaugmented operation)に対する推進有効性を著しく高める。

同様に、(低密度チューブによって低減された後に)移動体の弧状衝撃波が再確立されるときの低い底部圧力の確立は、推進サイクルのパージ及び充填段階を促進するために同期/整相/時間調整することができる。より低い底部圧力は、燃焼生成物のより迅速なパージ及び新しい燃焼反応物の充填を可能にする。これは、エアブリージング又はロケットモード(酸化剤が搭載され、外気が使用されない)で行うことができる。ロケットモードは、外部条件にかかわらず、最大電力/スラストが望ましいとき、特に、速度及び電力が移動体の重量及び体積の減少に対して評価されるときに適用することができる。

推進プロセスがエアブリージングである場合には、本発明者らは、移動体の前部から移動されるある量の空気を優先的に入口に誘導するためにエネルギー堆積の時間を調節することもできる。全てのこれらの詳細は、互いに時間が調節され、様々な動力学を利用するために最適化することができる移動体の設計によって決まる。再加圧の期間と最大排気圧力の期間との一致は、本発明者らが形成する低密度チューブの長さ及びPDEの長さをそれぞれ変更し、そしてこの2つの間のタイミングを調整することによって決定することができ、とりわけ、これらの全てのパラメーターは、移動体の性能を所与の適用例で最適化するために調整することができる。同様に、入口は、以前の一致条件によって既にある程度指定されている推進サイクルに供給するために空気が進入するように設計することができる。柔軟性を追加するために、本発明者らは、同じサイクルを一致させる必要はない(例えば、底部を再加圧するために本体の周りの高密度ガスのスラグ(slug)が、表面摩擦によって移動が遅すぎる場合は、本発明者らは、本発明者らが底部に発生させる高圧の期間が、低密度チューブが開始されたときには必ずしも開始する必要がない、あるPDEサイクルのスラスト生成段階と一致するように移動体のサイズを調整して、動力学の時間を調節することができる)。例えば、本発明者らが、より短い低密度チューブ又はより短いエンジン(又はエンジンのより短いデトネーションチューブ)を望む場合は、更なる柔軟性を、ガトリング砲のように(又は最も有利な力及び動力学を提供するあらゆるパターンで)連続的に動作する複数のエンジンを形成する1つのアプローチを適用することによって提供することができる。各デトネーションチューブは、それ自体の入口を有することができ、該入口は、中心電極に対して交互にアーク放電するリング電極の同様の連続的な適用によって提供することができる。これらの放電は、レーザーによって開始/誘導されるV字型を形成し、該V字型は、移動体の前方から空気を除去して全抵抗を低減するだけではなく、該V字型の脚間の空気を圧縮して、通常必要とされるものよりも小さい入口を通るその取り込みを容易にする。より高い圧力及び酸素を、エンジンにそれらの入口で供給するために、入口が、複数のエンジンチューブでのデトネーションと同じ順序で発射するが、該入口での高密度ガスの提示と合わせた底部の再加圧の利点を、プラットフォームに設計された全エンジンサイクルと一緒に最良に整合するために決定された時間の量だけ遅延させた。空気を取り込むときに開いて、デトネーション中には閉じているエンジンの弁を考慮するのが一般的である。回転弁(例えば、ガトリング砲の概念と同じ精神に従う)を追加することにより、その回転を調整/変更して推進順序を適切に容易にすることができる。このような回転運動を同様に利用して、レーザーフィラメントの生成を容易にすることができる。

上流のエネルギー堆積及びエンジンサイクルのタイミングは、システムの設計並びにエンジンのチューブの長さ及び直径のサイズを調整する動作パラメーターに影響を及ぼすと共に、推進パルスのサイクル時間がエネルギー堆積のサイクル時間に等しくなるようにエンジン自体の数も決定することができる。これらのサイクル時間は、1ミリ秒未満から数ミリ秒の範囲であり得る。特に、1つの興味のある範囲は、高速(概念的にマッハ6〜マッハ12、結果として0.025ミリ秒〜0.2ミリ秒のサイクル時間になる)でのエネルギー堆積の短い線(概念的に10cm〜40cm)であり得る。これらのエネルギー堆積サイクル時間を同等の推進サイクル時間と一致させるために、直径が適切に調整された、適切な数のより短いエンジンチューブを使用して該一致に適合させることが可能である。抵抗を低減するチューブの動力学から生じる高圧サイクル及び低圧サイクルの両方を利用するために、チューブを調整して、このサイクル時間よりも短い推進パルスを生成することもできる。エネルギー堆積と推進サイクルの完全な一致は、タイミングの要件が過度の制約となる場合は見送ってもよい。推進パルスの持続時間とエネルギー堆積の底部の圧力サイクルとの一致を含む又は含まない可能な限り最良の一致の達成に役立つ更なる変数は、空気が調節されて潜在的アレイの入口に入って、エンジンチューブの潜在的アレイを潜在的に駆動する程度である。動力学をより良く一致させるために、潜在的な多数のエンジンチューブをそれぞれそれ自体の別個の排気平面で放出させるか、又は該エンジンチューブを1つ以上の共通の排気平面に放出させるような柔軟性も存在する。潜在的サイクル時間の他端では、より長いサイクル時間は、低速(例えば、マッハ0.8〜マッハ6)で飛行し、堆積されたエネルギーのより長いチューブ(例えば、1〜10 m)を使用したときに得ることができ、一定範囲の抵抗の低減及び(推進サイクル時間に一致するべき)約40ミリ秒〜0.5ミリ秒の底部圧力のサイクル時間が得られる。この範囲のより長いサイクル時間は、単一エンジンチューブを含む少数のエンジンチューブを用いて、移動体及びエンジン(チューブ(複数可))の設計及び動作条件に大きく依存する細部に一致させることができる。

イオン化レーザーパルス(例えば、レーザーフィラメント)によって誘導されて開始される、閉じた経路に沿った放電の使用と同様に、エネルギーを、より遠隔の堆積技術、例えば、マイクロ波エネルギーの堆積を用いて移動体の前方に更に堆積させることもでき、この堆積は、この場合も同様に、潜在的にレーザープラズマを使用して移動体の前方にイオン化領域を形成することによってシーディング(seeded)/促進される。このマイクロ波エネルギーは、レーザープラズマ、例えば、レーザーフィラメントを用いて優先的に上流に誘導することもできる。十分に短いマイクロ波パルスから生じる高いマイクロ波エネルギーを、シーディング(seeding)を用いて又は用いずに使用して、マイクロ波エネルギーの空気中への結合を増加させることもできる。更に上流にエネルギーを堆積させる3つの利点は、特に:(i)戻り経路は必要なく、あらゆる誘導/シーディング経路又は領域のエネルギー投入が簡易化及び低減されること;(ii)エネルギーが供給された体積は、膨張するのにより時間がかかり、非常に大きいマッハ数(例えば、マッハ9〜25)で飛行するときに有利であること、ただし、レーザー誘導放電も、これらの速度で非常に大きな利点を提示する;(iii)典型的にはマッハ12又は13よりも上で衝撃波をイオン化する場合、より離れて集束されるマイクロ波及び/又はレーザーエネルギーは、イオン化衝撃波に進入することができ、イオン化衝撃波と相互作用する放電から生じ得るあらゆる問題を緩和することである。放電を用いるときのこの考察の説明には、レーザー経路が、イオン化マッハ数での様々なレベルのイオン化を含む他の潜在的経路よりも有利であることが必要である。

移動体の前方の空気中にエネルギーを堆積させることに加えて、該移動体が遭遇する(エアブリージングの適用例では入口(複数可)に取り込まれる)空気を調節するために、内部及び外部の両方で、エネルギー堆積の整相/同期において表面放電を利用して内部及び外部の流れを制御し、該移動体の推進有効性、性能、制御、及び/又は全効率を促進することも可能である。

上記の高速飛行体/発射体の適用例と同様に、特定の利点を最適化するために、エネルギーを高速地上車の前方に堆積させ、そして様々な他の動作プロセスと整相/同期/時間調整することができる。高速電車の場合には、エネルギーを堆積させるインフラの大部分が既に存在する。電気パルスは、地上車を浮上させる、推進する、監視する、及び/又は制御するために既に線路に誘導されている。この既存のインフラは、抵抗を劇的に低減して遥かに高速の動作を容易にする低密度領域を地上車の前方に形成するために堆積しなければならないエネルギーを提供する系統電力の使用を著しく容易にする。特定の実施態様では、地上車の経路を画定する、該地上車を誘導する線路が既に存在するため、レーザーパルスが必要ない。高エネルギー放電を用いて、地上車の経路に沿って該地上車の前方にエネルギーを堆積させて、線路に正確に従う低密度領域又はチューブを開くことができる。低密度チューブのサイズは、地上車の空力安定性も促進しながら所望のレベルの抵抗の低減を生じさせるために制御することができる。飛行体の前方にエネルギーを堆積させる限り、チューブの直径は、長さ当たり堆積されるエネルギーによって、及び周囲大気圧によって決定される。地面に沿って又は線路に沿ってエネルギーを堆積させる場合は、(外気中の線に沿ってエネルギーを堆積させる限り)堆積されたエネルギーの線を中心とする円筒である低密度チューブの理想的な形状ではなく、理想的な平面上の線に沿ってエネルギーを堆積させるときのチューブの形状は半円筒である。

半円筒が、理想的な平面に対する反射のように複製されたとすると、該半円筒は、完全な円筒であるように見え、外気中の堆積の場合と全く同じである。円筒の半分のみが希薄化されるため、外気中で完全な円筒を達成するためのエネルギーの半分のみが、同じ直径の地面に沿った(線路に沿った)半円筒を開くために必要である。実際には、完全に平面であることからの線路のジオメトリのずれ、及び堆積されたエネルギーによって生成される衝撃波と地面と該線路の実際のジオメトリとの間の相互作用により、理想から逸脱する。しかしながら、地上車の前方で開かれる低密度体積は、理想的な平面の上の理想的な半円筒の体積とほぼ同じであり、そしてその実際の形状は、線路を成形することによって調整/制御することができる。実際、堆積の細部に対して反応しないレベルでは、多数の有益な特徴をプロセスに組み入れることができる。これらの特徴の1つは、1つの大きい単一パルスではなく複数のサブパルスの形態でエネルギーを(低密度チューブを形成するために)放電中に堆積する能力である。これにより多数の回路要素及び導体のサイズ/容量を低減し、既存の回路をより効果的に活用することが可能となり得る。例えば、所与の時点で、又は線路に沿った所与の点で連動する複数の推進及び及び浮上磁石が存在する場合には、これらの個々の回路からのエネルギーは個別に再配向/再利用され、かつフィードフォワードされて線路のセグメントに沿って放電が駆動され得る。それにより、全てのエネルギーが時間的に近接又は重複して連動する推進及び浮上回路から収集され、統合された場合に達成されたであろう利益と同じ利益が達成される。これらの推進及び浮上回路用の駆動回路のそれぞれは、この場合も同様に最初に統合される代わりに、放電回路を独立に駆動するように構成することもできる。先行特許に開示され、引用により組み込まれているように、線路に沿った導電経路(これに沿って放電が生成されて、エネルギーを堆積させて空気を移動させる)は、該導電経路が組み込まれる導電性の低い媒体(例えば、コンクリート、又は他の潜在的な導電性の低い線路材料)よりも僅かに導電性の高い経路から構成することができる。僅かに優先的に導電性の経路はまた、導電材料の「点線」、例えば、導電性の低い線路材料に埋め込まれる電極材料片から構成することもできる。時間的に放出を分解して単一の低密度チューブへと統合されることとなる、複数の時間的に別個の放出にすることにより提供される柔軟性と同様に、放電はさらに空間的に異なる放出から構成され得る。この放出は、1つのアーチ状の低密度チューブへと統合することができる。この空間的分離は、例として、異なる電極材料片間で行うことができ、この「点線」の異なるセグメントは、独立にエネルギー供給される。空間的分離は、ほぼ同じ長さを走る放電の形態でも行うことができるが、別個の経路を進む(この1つの変更形態は、空間的に異なるが平行の複数の経路に沿ってエネルギーを堆積させ、ここから低密度チューブが膨張して合体し、1つの大きなアーチ状の低密度チューブを形成する)。より現実的には、このような別個の経路は、理想的ではない可能性が高く、互いに完全に平行である必要はなく、それぞれの経路は僅かに脇にそらされている。異なる経路が時間的及び空間的に十分に近くてアーチ状の低密度チューブに合体させることができるのであれば、空間周波数及び時間周波数におけるこの柔軟性を、エネルギーを該異なる経路に沿って異なる時間に堆積させることによって更に組み合わせることができる。かなりの自然変動に対応するのに加えて、この柔軟性は、公差を低減すると共に、複数の給電線(例えば、複数の推進及び/又は浮上コイルに給電する給電線)からのエネルギーを合体させる不必要な回路を追加しなくても、又は複数の推進及び/又は浮上コイルからのエネルギーを再利用/回収しなくても、既存の回路をより完全に利用することができる。別の特徴は、特にデブリ、天候、及び環境障害、例えば、特に鳥の糞からの経路(複数可)及び放電(複数可)の保護を提供する小さいキャノピーを、導電性の低い線路材料の1つ以上の優先的導電経路上に配置できることである。雨により水が溜まるのを防止するために、チューブを開く際に有害とならない排水路も設けることができ、更なる環境からの保護としてキャノピーを線路全体の上に装着することができ、該キャノピーは、場合によっては反射を最小限にするために穿孔された多層を備え、そして所望に応じて、野生生物を排除したい場合は網又はメッシュを線路の周りに装着することもできる。更なる動作の特徴は、例えば、地上車の最後尾で軽いブラシを引きずって、地上車の通過により線路をきれいにすることができる。放電自体は、あらゆる潜在的な汚染の排除にも役立つ。

推進のために、電気的に推進される高速地上車(例えば、磁気浮上式車両)の設計は、ガイドウェイ(即ち、「アクティブなガイドウェイ」)の巻線に電力が供給される線形同期モーターを使用することができる。推進及び浮上の両方の目的で電磁石にエネルギーが供給されたら、ループ/回路に蓄えられた誘導エネルギーを放散させなければならい。列車が通過した後の高電圧の発生による、このエネルギーの放散から生じるアークを最小限にするために、典型的には多大な努力が払われ、自然の傾向として、この高電圧では、従来、軽減することが困難であると見られていた強いアークが発生する。対照的に、このエネルギーは、該エネルギーをより長い時間スケールで放散させるための回路素子で放散させるのではなく、地上車の前方に堆積させて該地上車の前から空気を除去することによって生産的に利用することができる。更に、高速では、地上車を推進するために必要な推進エネルギーは、該地上車の経路からガスを押し出すために必要なエネルギーと同等以上であるため、誘導推進要素に送達される電力及びエネルギーは、該地上車の抵抗を低減するために必要なパルス電気エネルギーを送達するために既に適切にサイズ調整されている(推進要素からのこの利用可能な電力、エネルギー、及び回路は、あらゆる浮上要素からのものによって増大される)。誘導的に貯蔵された電気エネルギーを、抵抗の低減及び安定性の強化に適した放電に変換するために、地上車及び電力送達/変換の設計全体に固有の特定の回路が必要であり、この回路は、線路に沿ったそれぞれの誘導磁石に装着することもできるし、又は実際の地上車に含めることもでき、これによりコストが削減される。ハイブリッドアプローチも利用することができ、該アプローチでは、この放電回路の一部が、線路に沿って分布され、放電回路の一部が、地上車に含められ、通常の動作中には、放電が地上車の前方でしか起こらない。これは、有利で自然な安全機構として役立ち得る。エネルギーに関しては、より低い速度、例えば、100 m/s〜280 m/sでは、エネルギーパルスを放電の形態で地上車の前方に堆積させて、地上車を摩擦力及び抵抗力に向かって前進させるために使用される推進パルスの約50%〜300%の大きさのより高い速度及び安定性を可能にすることができる。より速い速度、例えば、250 m/s〜600 m/sでは、エネルギーパルスを放電の形態で地上車の前方に堆積させて、地上車を摩擦力及び抵抗力に向かって前進させるために使用される推進パルスの約20%〜200%の大きさのより高い速度及び安定性を可能にすることができる。更に速い速度、例えば、450 m/s〜1200 m/sでは、エネルギーパルスを放電の形態で地上車の前方に堆積させて、摩擦力及び抵抗力に向かって該地上車を前進させるために使用される推進パルスの約15%〜150%の大きさのより高い速度及び安定性を可能にすることができる。一実施態様では、線路に沿ったハードウェアは、標準化されることが予想され、そして同じ最大のエネルギー推進(及び必要に応じて浮上)パルス、及び推進磁石間の地上車の前方に放電エネルギーを生成することができる。電力のこの十分な利用可能性を考えると、より高い速度及び安定性を提供する、地上車の前方に放電の形態でエネルギーを堆積させるのに十分な電力が常に存在することになる。この柔軟性を使用すると、これらの放電パルスのエネルギーを調整して、地上車の効率を最適化し、かつ/又は通常は不可能な速い速度を容易にし、かつ/又は地上車の安定性を高めることができる。これらのエネルギー及びエネルギー比率は、地上車及び回路の構成、並びにその動作条件に基づいて調整される。

高速列車は、その前方のエネルギーの堆積から恩恵を受けて抵抗を低減してその安定性及び誘導性を改善するために、電気的に推進する又は磁気的に浮上させる必要がなく、あらゆる高速地上車は、これらの動力学から恩恵を受け得る。磁気浮上車を含む、電気推進車は、特にこの技術を採用するのに適している。推進又は緩衝アプローチにかかわらず、空気力学的な力が、地上車を線路に沿って形成される低密度チューブの中心に置くのに役立つため、この技術は、該地上車の安定性、制御性、及び単純さ、並びに該線路が直線経路からそれたときに該地上車が移動することができる速度を高めるのに役立つ。

織機で織物を織るときに、横糸(weft thread)(又は横糸(filling)又はヤーン)を、織物を製造するために縦糸に通すある方法によって推進する必要がある。限定されるものではないが、シャットル、レピア(シングルリジッド、ダブルリジッド、ダブルフレキシブル、及びダブルテレスコーピング)、プロジェクタイル、エアジェット、及びウォータージェットを含む多数の方法が横糸を推進/挿入するために使用される。より伝統的な単一横糸挿入(又はシングルピック挿入)に加えて、多相横糸挿入(又はピック挿入)も利用されている。これらの適用例の全てにおいて、織機性能の1つの制限因子は、横糸が縦糸を横断できる速度である。この速度は、限定されるものではないが、横断プロセス中に遭遇する抵抗力及び乱流/安定性を含む多数の因子によって制限される傾向にある。これらの制限は、上に列記したいずれかの移動物体(シャットル、レピア、プロジェクタイル、エアジェット、ウォータージェット)の前方でのエネルギー堆積を同期(又は整相又は時間調整)させて抵抗力を低減し、安定性を高め、そして横糸/ピックが縦糸を横断できる速度を速めることによって大幅に緩和することができる。特に、このエネルギー堆積は、1つの低密度チューブ又は一連の低密度チューブを生じさせて横糸の縦糸の横断を速めて誘導する形にすることができる。この増大した速度及び安定性は、単相又は多相横糸/ピック挿入アプローチのいずれかのより速いスループットを促進することができる。速度についてのスループットの増大による織機の生産性の向上に加えて、低密度チューブ中を移動するときに達成できる安定性の向上により、横糸が、遥かに長い距離を安定して移動することができる(これにより、織機が、より幅の広い最終製品を生産することができる)。より長い織機(より幅の広い最終織物を生産する)の製造におけるコスト削減に加えて、より長い距離を移動する横糸の更なる利点は、それぞれの最初の加速事象及び最後の減速事象でより多くの横糸が配置されるという点で、加速時間及び減速時間並びにエネルギーがより良く利用されることである。これらの改善点(速い速度又は広い幅)のいずれも、織機の生産性を向上させ、そしてこれらの組み合わせは、より大きい面積の織物が、より短い時間の量で生産されるという点で、更に大きな生産性の向上をもたらすことができる。結果として、縦糸を横断するように横糸を移動させるために使用されるいずれかの方法の前方でのエネルギー堆積の整相/同期/時間調整により、織機のアウトプット及びコスト効率を向上させることができる。

物理的物体、例えば、レピア、シャットル、又はプロジェクタイルを使用する場合、エネルギー堆積の動力学は、エネルギーの線が該物体の前方で堆積されて、その抵抗を最小限にしてその安定性を高めるという点で、飛行体又は地上車の抵抗の低減で説明された動力学に非常に類似している。これらの同じ概念が、エアジェット又はウォータージェットが利用されるときに当てはまり、そしてこれらは、本明細書でより詳細に説明される。エアジェット及びウォータージェットは、糸/横糸/ヤーン自体以外に更なる慣性が存在しないため、典型的には高スループットが望まれる場合に使用される。シャットル、レピア、又はプロジェクタイルの更なる慣性は、横糸を加速及び減速させるために必要な時間を長くし、糸/横糸/ヤーン自体に更なる不所望の応力をもたらす。エアジェットの場合は、変形おさを使用して、横糸の移動のための経路を提供することができる。最初の空気の噴流が、横糸を発射させ、該横糸は抵抗により急に減速し、そしてこの速度は、より速い速度での乱流及び抵抗力によって引き起こされる不安定性によって制限される。(ウォータージェット織機の場合には、横糸は、エアジェットの代わりにウォータージェットによって推進され、本発明者らがエアジェット織機について述べた同じ考えが、ウォータージェット織機にも当てはまる。)横糸がブースタージェット間で速度が落ちてから、ブースタージェットを使用して横糸を再加速し、常に最高速度よりも低く維持し、横糸をその標準大気中に維持することができる。空気抵抗による問題を緩和する1つのアプローチは、横糸を真空、低圧、及び/又は高温環境に通して移動させることである。この技術は、多くの産業界で開発されている(例えば、特に、包装産業でのマイラーフィルムのコーティング)。真空、低圧、及び/又は高温環境で動作させるのではなく、エネルギー堆積を使用する更なる利点は、低密度チューブを通って移動するときに該横糸及びその推進ジェットによって得られる大きな安定性であり、この安定性は、チューブの長さスケール及び時間スケールを横糸の長さスケール及び時間スケールに見事に一致させる能力並びにその移動によって促進される。縦糸は、前後に動くように自由でなければならないため、本発明者らが圧縮空気ブースタージェットで横糸を推進することができる物理的な真空チューブを設けることが不可能である。空気中に一時的に低密度チューブを形成するためのエネルギーの堆積は、横糸を誘導することができ、かつ圧縮ガスブースターによって該横糸をより容易に推進することができ、縦糸の動きを妨害する物理的な障害物を導入することなく、変形しない真空ガイドチューブの利点を提供する。殆どの現行の設計は、本発明者らがエネルギー堆積アプローチを実施するときに同じままでよい。ブースターは、なお横糸を推進し、それらの支持構造(例えば、変形おさ)は、エネルギー堆積のための支持構造としても機能することができ、該ブースターは、光学素子又は高電圧電極、又は両方のある組合せからなり、それぞれの組み合わせを含むこれらのそれぞれは、現行の高圧ブースターよりも遥かに単純である。レーザーエネルギーのみを使用してエネルギーを堆積させる場合は、光学素子をブースター支持構造に配置するだけでよい。放電エネルギーのみが使用される場合は、高圧電極をブースター支持構造に配置するだけでよい。両方のタイプのエネルギーが使用される場合は、光学素子及び高電圧電極の両方をブースター支持構造に配置する必要がある。乱流及び抵抗による横糸の摩耗及びほつれが遥かに少ないという事実、並びに低密度チューブを通って移動するときに、横糸が遥かに良好に支持され、遥かに抵抗が少ないという事実の両方により、該横糸を遥かに長い距離を移動させることが可能になる。

一実施態様では、低密度チューブの直径を0.6 mmの直径の糸に一致させるためには、約6 mJのエネルギーを各10 cmの長さで堆積させる必要がある。1200メートル/分(約20 m/秒)〜4800 m/分(約80 m/秒)の典型的なピークの横糸の速度ではなく、該横糸が低密度チューブを通って移動する速度が著しく高い300 m/秒である場合は、該横糸は、軽減されていない場合よりも4〜12倍速く移動する。この速度では、横糸は、エネルギー堆積なしで該横糸が移動するよりも4〜15倍速く移動している。また、次に、織機が3倍の長さ(幅)に製造できる場合は、横糸の軌道の更なる安定性及び速度の増加によって、3倍を超える織物が、該横糸が通過するたびに形成される。結果として、速度及び幅の両方がこの例に従って増大されると、織機の総生産量は、エネルギー堆積の使用によって横糸の移動の促進が改善されていない織機の生産量に対して12〜45倍増加する。拡張/改善/向上された織機の幅の範囲が、2〜4倍長いと考えられる場合は、横糸の前方へのエネルギーの堆積による織機の生産量の向上は、8倍〜60倍である。より大きい横糸の直径に対しては、より大きい直径の低密度チューブが、その移動を容易にするために形成される。必要なエネルギーは、該エネルギーが開く低密度チューブの体積に対応するため、単位長さ当たりのエネルギーは、該チューブの直径の二乗に対応し、従って、該エネルギーは、横糸/繊維/材料の摩耗を最小限にするために本発明者らが該横糸の直径よりも僅かに大きい直径のチューブを開く傾向にあるため、該横糸の二乗にほぼ対応する。

ウォータージェット適用例でのイオン溶液又はエアジェット若しくはウォータージェット適用例のいずれかでの導電性繊維に更なる制限を加える際には、強い磁界を、該導電溶液及び/又は糸の経路をより正確に制約するために高速の糸の所望の移動方向に整合させることができる。

銃身から空気を押し出すために、発射体の推進に使用される数ある銃身のタイプの中で特に、銃、小火器、又はブリーチャーの銃身にエネルギーを堆積すること。発射体の抵抗の低減は、同じ量の駆動エネルギー(例えば、従来の銃における推進剤又はレールガンの電気駆動エネルギー)でより速い銃口速度を可能にする。抵抗の低減はまた、少ない駆動エネルギーを使用することによって、変更なしで達成される速度に匹敵する速度の達成も可能にする。従来の銃では、これは、少ない推進剤で同じ性能を達成できることを意味する。従って、推進剤の少ない必要量により、発射体が銃身を出るときの衝撃波が軽減される。この音響学的特性の低減は、操作者(複数可)を含む近くの人々の聴覚に対する悪影響を最小限にするのに有用である。この音響学的特性の低減はまた、(消音装置と同様に)音響手段による検出を緩和することもできる。

銃身から空気を押し出すためのエネルギー堆積は、あらゆる形態で適用することができる。2つのこのような形態は:(i)銃身の内部での電磁エネルギーの堆積;又は(ii)エネルギー堆積が化学的性質であり得ること;並びにこれらの2つのエネルギー堆積アプローチのある組み合わせである。電磁エネルギーは、銃身の内部での放電の形態であり得る。これを達成できる一実施態様は、非導電ギャップにわたって放電され得る2つの電極の分離、又は導電性の銃身若しくは該銃身を収容する構造の他の部分に放電する1つの帯電電極を保障することである。化学エネルギーは、(発射体の後ろで膨張して該発射体を銃身から押し出す従来の推進剤の役割とは対照的に)点火時に発射体の前で膨張してガスを銃身から押し出す追加の推進剤の形態であり得る。この追加の推進剤は、弾自体に含めることができ、一実施態様では、弾に導電経路を含め、該導電経路は、電気点火パルスを伝導して該弾の先端部の推進剤を点火する。この経路は、弾内に完全に含められた閉回路であり得る。この閉回路はまた、その回路を閉じるために導電支持構造及び/又は銃身も含み得る。銃身一掃推進剤を点火するための数ある中の1つの実施態様では、弾がその通常の発射機構によって衝当されたときに高電圧を発生させるように該弾に圧電構造を含める。次いで、この高電圧は、弾の発射体又は装薬弾を加速させるために使用される弾薬によって推進されるときに、銃身の空気を除去して該弾の発射体又は装薬弾のより優れた加速を容易にするために、該弾の先端の銃身一掃推進剤を点火することができる。

いずれの場合も、放電、化学的推進剤、又はこれらの2つの組み合わせのいずれかによって弾の前方に堆積される総エネルギーは、装薬弾又は発射体が弾から加速される前に銃身の空気をかなり除去するようにするべきである。このエネルギーは、銃身の体積を除去するのに十分にするべきであり、従って、約3×p_o×Vにするべきであり、式中、Vは、銃身の体積であり、p_oは、周囲圧力である。標準大気の周囲圧力であると仮定すると、16インチ(40.64 cm)の12ゲージのショットガンの銃身を一掃するために必要なエネルギーは約12 Jのエネルギーである。これは、ブリーチャー弾で特に役立ち、これは、より速い速度のブリーチング弾(breaching load)、及び個人に対する音響の衝撃を最小限にするための推進剤の必要量の低減から大いに恩恵を受ける。この同じ計算を、あらゆるサイズの銃身から空気を実質的に除去するために行うことができ、体積に基づいてエネルギー必要量を単純に計算することができる。このエネルギー必要量は、加熱ガスが銃身に沿って移動するときに該加熱ガスが遭遇し得るあらゆる冷却に対応するために増加させることができる。言い換えれば、様々な考慮すべき事項に対応して、なお銃身の所望の一掃を達成するために、2倍、3倍、4倍、5倍、及び最大10倍を含むより多くのエネルギーを堆積させることができる。

銃身及び/又は支持構造(例えば、特に、小火器、機関砲、迫撃砲)、並びに、限定されるものではないが、従来の弾及び非従来の弾、例えば、ブリーチャー弾を含む小口径弾、中口径弾、大口径弾を含むあらゆる弾を含む、これを達成する装置を、上記の動力学を達成するように製造することができる。

限定されるものではないが、粉体塗装及び超音速噴霧堆積の適用例を含む多相流の適用例では、限定されるものではないが、特に、粉末の噴流;噴霧スプレーの噴流;異なる圧力での異なるガスの噴流;プラズマの噴流;加熱の適用例;放電の適用例;レーザーパルスの適用例を含む他のプロセスを用いた整相エネルギー堆積は、エネルギー堆積をこのような他のプロセスと同期させないときの適用例と比較して、エネルギー堆積をこのような他のプロセスと同期させたときの該多相流適用例に多数の恩恵をもたらし得る。本明細書で開示される他の適用例に類似した、数ある他のエネルギー堆積のタイプの中で特に、放電を使用して流れの中にエネルギーを堆積させてノズルから支持層までの低密度チューブを開いて、粒子を高速で支持層に向かってより効率的に誘導することができる。放電は、レーザープラズマ、例えば、レーザーフィラメントによって開始/誘導することができる。粒子ストリームもまた、放電を案内するのに役立ち得る、又は優先的導電経路を利用して、ノズルから支持層まで延びた線に沿って放電を誘導することができる。小規模での適用例では、小さい直径の低密度チューブ(小さいノズルの出口に等しい)を、レーザープラズマ/フィラメントのみを用いて開くことができる。

具体的には、様々な材料の超音速噴霧堆積は、より効率的な衝撃速度を達成するために他のパルスプロセスの適用例と併せたエネルギー堆積によって促進することができ、かつ所望の結果、例えば、特に、塗装品質、塗装の均一性、表面摩耗、接着性、結晶化特性、塗装強度、腐食耐性によって改善される効果を得ることができる。超音速の流れの中にエネルギーを堆積させる場合は、本発明者らは、圧力及びガスの密度を調節してプラズマの堆積のためのより効果的なプラズマを発生させることもできる。また、流れの温度及び密度を調節することも可能であり、遥かに高い粒子速度が可能となる。なぜなら、パルス条件が、本発明者らが生成する遥かに速い音速環境でこれらの高い粒子速度を亜音速にできるからである。堆積されるエネルギーのジオメトリによっては、本発明者らは、通常は粒子を流れの中で分離させる衝撃波を排除することができ、より均一なガスの流れ、粒子分布、及び堆積が生じる。これらの衝撃波の排除及び緩和は、粒子の原因である減速も緩和し、これにより、支持層表面での該粒子のより速くてより均一な衝撃速度が保障される。ジェット内での半径方向の粒子の分布を調節するのが望ましい場合は、本発明者らは、粒子を流れの縁に向かって押し出すために該流れの中心に沿ってエネルギーを堆積させることができる。別法では、本発明者らは、流れストリームの縁にエネルギーを堆積させて、粒子を該流れストリームの中心に向かって押すことができる。多相材料、例えば、粉末を移動させるガスの供給をパルス化することにより、本発明者らは、エネルギー堆積をパルス粒子の流れに同期させることもできる。これにより、本発明者らは、ノズルの出口から支持層まで流れの軸に沿ってエネルギーを堆積させることによって低密度チューブを形成することができる。この低密度チューブの高い音速により、粒子のパルスを、本発明者らがエネルギーを堆積させて低密度チューブを形成しなければ通常は超音速である速度で、低密度チューブに沿って亜音速で移動させることができる。低密度チューブに沿った流れが十分に亜音速でない場合は、そのマッハ数は低下し、超音速の流れの負の影響(例えば、支持層での衝撃構造)が、本発明者らが達成するマッハ数の低下のために最小限になる。粒子密度の分布の変更及び該分布とエネルギー堆積との同期に加えて、本発明者らは、様々な形態のエネルギー堆積を同時に行って、粒子と標的表面との相互作用に影響を与えることもできる。例えば、調節された粒子分布と低密度チューブの形成の同期により、本発明者らは、数ある様式の中でも特に、標的表面に対する1つ以上のレーザーパルス、1つ以上の放電、調節されたガス温度、並びにプラズマに影響を与えることができる。この堆積の実施では、多数のパラメーター範囲が実現可能であり、これらの有効性は、大気、流れの条件、ジオメトリ、粒子、供給速度、標的材料、及び所望の効果によって決まる。一例として、本発明者らは、本発明者らが形成する低密度チューブが、更に速い速度を達成するために該低密度チューブを生じさせる粒子の供給の後に続くように同期された放電を行うことができる。粒子の供給は、放電が開始されるときに始められる(この放電は数マイクロ秒持続し得る)。粒子の供給は、低密度チューブの形成及び枯渇に一致するように一気に放出される。このタイミング及び繰り返し率は、流れの条件及びジオメトリによって決まり、放電エネルギーは、噴霧ノズルの直径及び支持層までの距離によって決まる。具体的には、放電エネルギーは、上記のように、噴霧ノズルの出口の断面積及び標的表面の距離によって決まる体積Vと流れの中の圧力の積の約3倍であり得る(約3×p_o×V)。繰り返し率は、流速を標的表面までの距離で除した値によって決まり、流れが供給される期間は、枯渇して支持層表面でより強い有害な衝撃構造が増大される前の、低密度チューブが存在して多相流で満たすことができる期間以下である期間パルスされる。不所望の衝撃構造が増大する前に、低密度チューブを多相流で満たすことができる期間以上持続しないようにするために、多相流は、低密度チューブの移動の期間の20%〜95%にわたって同期/注入することができる。また、支持層表面での不所望の衝撃構造の増大に必要な時間を考慮して、低密度チューブの移動の期間よりも僅かに長く(例えば、この期間の95%〜160%)流すことができる。衝撃構造がジェット内で再形成を始めるときに残存する粒子ストリームも、エネルギー堆積源としての放電を接地としての支持層に案内するのに役立ち得る。原則として、エネルギー堆積は、該粒子の流れを支持層から離れる横方向に押して、ジェットストリームの密度が上昇し始めるときに高密度ガスを減速させるように該粒子の流れを調節することもでき、エネルギーの堆積後に低密度チューブが形成され、該粒子は、該低密度チューブ内に優先的に引きずり込まれ、該支持層に高速で誘導される。このようなジオメトリでは、本発明者らは、エネルギーの堆積された線によって形成された低密度チューブ内に遥かに良好にストリームが制限され、堆積が遥かに均一な、遥かに高い衝撃速度を保障することができる。本発明者らがこの低密度チューブに沿って流す粒子に加えて、本発明者らは、本発明者らがエネルギーの堆積で使用する高電圧源からのコロナ又はRF源のいずれかを用いて、より低い密度で遥かに有効なプラズマを開始することもできる。同様に、レーザーパルス又は高い繰り返し率のレーザーパルスのストリームを、標的表面に衝突する粒子と同期させることができる。プロセスへのこれらの形態の追加のエネルギーの注入(例えば、特に、プラズマ及びレーザー)は、粒子の表面との衝突の全ての期間又は一部の期間にわたって適用することができ、特に塗装が集積するときに衝突前の表面、及び/又は衝突後の粒子のいずれか、及び/又はこれらの両方を更に処理する/これらに更に作用するために、粒子の衝突の前及び/又は後のこの追加のエネルギー注入を含む可能性もある。低密度チューブの単一期間中のこのプロセスは、低密度チューブ及び調節/同期された粒子ストリームが排出された後に繰り返すことができる。

この同期は、広範囲の粒径及び材料密度、並びに広範囲の流れの条件で有効であり、より柔軟で適応性、そしてコスト効率の良い高速噴霧プロセス、例えば、数ある表面処理の中でも特に、塗装、清掃、及びピーニングをもたらす。粒子密度は、0.8〜23 g/ccであり得、駆動圧は、1〜60気圧(バール(100〜6000 kPa))であり得、軽減されていない流れマッハ数は1〜12であり、粒子速度は、150〜3000 m/秒であり、そして粒子速度の比率は、条件によって0.1〜1.0であり得る。粒子の例としては、限定されるものではないが、研磨剤、ピーニング材料、誘電体、及び金属が挙げられる。具体的な一例として、2〜10 g/ccの粉末密度及び2〜5の流れマッハ数を用い、粒子速度が400〜1200 m/秒であると、ノズルは、Aの出口面積を有することができ、かつ支持層から距離Lに配置される(従って、該ノズルと該支持層との間のジェットカラムの面積が、A×Lの積にほぼ等しい)。このカラム内の低密度チューブを開くためには、条件によっては気圧よりも高いことがあるカラム内の圧力に3×A×Lを乗じた値にほぼ等しい量のエネルギーが必要である。低密度チューブの連続ストリームを開くためには、端から端までは、ガスの流速が距離Lで除された値の繰り返し率でのこのエネルギーの適用を必要とすることになる。概念的な一例は、50 mm²のノズル出口の面積、10 cmの距離L、及び約2バール(約200 kPa)の概念的な圧力とすることができ、チューブを開くためには約1 Jのエネルギーが必要となる。1 cmの距離Lの場合は、このエネルギーは、100 mJに低減するが、繰り返し率はLに反比例するため、同じ電力を必要とする際は該繰り返し率が調整されることになる。有用な繰り返し率は、単純に計算された端から端までのガス速度/Lの繰り返し率の0.2〜3倍であり得、より典型的には、この単純に計算された繰り返し率の0.8〜1.6倍である。同様に、堆積させるために有用なエネルギーの量は、カラム内の圧力に3×A×Lを乗じた値である単純に計算されたエネルギーの0.2〜3倍である(この圧力は、カラム内で変動するため一般化するのが困難であり、この値は、各適用例、使用可能なジオメトリ、及び一連の条件で評価するのが最良である)。加えられる電力の投入に対して戻る恩恵は、改善された塗装及び処理結果、並びに通常は不可能である結果を達成する能力である。堆積されたエネルギーで粒子速度を速めて材料のプロセスを促進することができるため、総電力必要量を、エネルギー堆積によって低減することができ、駆動圧力及びガスの流速の上昇により、効率が上昇する。

高い音速で低密度(高温)通路を開くための移動体の表面に沿ったエネルギー堆積は過去に開示されている。一般に、移動体の下から空気を排除することにより、高圧爆発ガスがより迅速に逃げることができ、これにより、該移動体の下の高圧ガスの滞留時間が減少し、これにより、該高圧ガスによって該移動体に伝達される力及び衝撃が最小限になる。同様の考えを、爆風を受けるあらゆる表面に適用することができる。この一般的な概念及び適用例に加えて、本発明者らは、爆発が最初に起きて閉じ込められる移動体の下の地面又は他の材料へのエネルギー堆積を更に開示している。このエネルギー堆積を使用して、閉じ込めている土/材料を破壊して、爆発生成物をより漸進的にベントし、そして該爆発生成物を移動体の下の低密度の高音速領域を介して該移動体の下からより迅速に排出することができ、また爆発を閉じ込める土又は他の材料にエネルギーを堆積させたときにも排出することができる。爆発ガスが放出されない場合は、該爆発ガスは、これらを閉じ込めている被覆材に運動量を非常に有効に伝達することになる。次いで、被覆材は、この運動量を移動体に非常に有効に伝達することになる。エネルギーが堆積されて被覆材に穴を開けて該被覆材の下の圧力を解放する場合、高圧ガスがベントされて、移動体の下の低密度の高音速領域を通って迅速に排出されるだけではなく(土へのエネルギー堆積からも衝撃波が生じ、該衝撃波が、空気を通って該移動体の下からガスを効果的に排出する)、通常は該移動体の中により均一に加速されることになる土又は被覆材が、ここでは、穴を取り囲んでいるカラムにより多く分布し、そしてこのカラムの材料が、軽減されていない場合の衝撃よりもゆっくりと該移動体に衝当する。結果として、移動体の下にエネルギーを堆積させて該移動体の下からガスを排出する場合(典型的には放電を使用してガスを瞬間的に/急に加熱して、該移動体の下から周囲空気を押し出す衝撃波を生成する)、及び土又は被覆材にエネルギーを堆積させる場合の両方で、(典型的には、放電、レーザーパルス、又はこれらの2つの組み合わせを用いて、該土又は被覆材の中にエネルギーを堆積させて)該土又は被覆材を破壊して爆風ガスを放出させるために、埋没爆破/爆発を該移動体の下に閉じ込めて、爆風から該移動体に伝達される総運動量を少なくとも30%低減することができ、該移動体及びその内容物が受ける平均加速を少なくとも70%低減することができる。移動体の下からガスを排除する又は該ガスを希薄化するために、約3×p_o×Vのエネルギーを使用することができ、式中、p_oは、該移動体の下の周囲空気圧力であり、Vは、排除/希薄化されるべき該移動体の下の体積である。土又は他の被覆材を破壊する又は穴を開けるために必要なエネルギーの量は、この被覆材及び破壊しなければならない該被覆材の量によって決まる。結果として、効果的に送達して配置することができ、そして移動体にとって強すぎも弱すぎもしない量のエネルギーを単純に堆積させることが最良である。全てのこれらの考察は、移動体自体及び該移動体がどのように構成されたかに左右される。この数値は、一般に、約10 kJ〜1 MJであり得る。このスケールの最大値であると仮定すると、約20 cmの移動体クリアランスを有する約8 m²の下部構造面積では、空気を排除するために必要なエネルギーが約0.5 MJであり、残りの0.5 MJが、土/被覆材に穴を開ける/破壊するためのエネルギーである。殆どの爆破装置のエネルギー含量が、数百MJであり得ると仮定すると、生じる移動体の加速を大幅に低減して、該移動体に対する全運動量の30%超を排除するためには1 MJ以下の投入であり、300 MJの爆発の一例では、堆積されたエネルギーへの1 MJ未満の投入により、該移動体に対する爆発負荷を約100 MJ低減することができる。

図37は、指向性エネルギー堆積装置1016を装備したエアジェット織機1000の一実施態様を示す概略図である。指向性エネルギー堆積装置1016は、横糸送達ノズル1004から反対の電極1018まで延びて、縦糸1010A、1010B(前後の位置)によって画定されるスパンの一部及びスレー1012に取り付けられた変形おさ1008A、1008Bの外形部を通過する直線経路を生成するように構成されたパルスレーザーサブアセンブリ1014を備えている。動作中は、所定の時間に、指向性エネルギー堆積装置1016が、直線経路に沿って電気を堆積させて低密度誘導経路Aを形成する。次いで、高圧空気供給部1006に連通したノズル1004が、横糸1002の一部を低密度誘導経路A内を前進させる。

図38は、一体型の指向性エネルギー堆積装置2002を有する小火器サブアセンブリ2000の一実施態様を示す概略図である。動作中に、指向性エネルギー堆積装置2002を利用して銃身2004の内腔から流体を一掃して、低密度領域Aを形成することができる。低密度領域Aが持続している間、発射体2006は、推進剤2008の点火によって銃身から発射させることができる。エネルギー堆積装置2002は、例えば、銃身の内腔領域に露出された絶縁電極に結合された電源を備えることができる。このようなアプローチでは、エネルギー堆積は、電気アークを含み得る。他の内腔一掃アプローチでは、推進剤2008の点火の前に化学的予備推進剤を点火することによって内腔のガスを加熱し、これにより該ガスを排出することができる。

図41は、爆風軽減装置を装備した車両3000の一実施態様を示す概略図である。爆風軽減装置は、センサー3002A、3002B、及び車体3004の周りに配置されて、車台3006に露出された指向性エネルギー堆積装置3008を備える。センサー3002A、3002Bが作動すると、エネルギー堆積装置3008が、車台3006と地面との間の空間に経路Aに沿ってエネルギーを堆積させ、低密度領域Bを形成する。

図42は、地ならし装置を装備した車両4000の一実施態様を示す概略図である。地ならし装置は、車体4004の周りに配置されて、車両の車台4006に露出されたセンサー4002A、4002B及び指向性エネルギー堆積装置4008を備える。センサー4002A、4002Bが作動すると、エネルギー堆積装置4008が、経路Aに沿って地面にエネルギーを堆積させると、少なくとも表面に浸透して、表面材料中のB(例えば、穴)が破壊又は分離される。

図43は、パルスレーザーサブアセンブリ5002を有する指向性エネルギー堆積装置5000の一実施態様を示す概略図である。パルスレーザーサブアセンブリ5002は、スプリッター5006に整合したパルスレーザー5004を備え、該スプリッター5006は、反射体5008に整合している。動作中に、パルスレーザー5004は、レーザービームAを生成することができ、該レーザービームAは、2つのビームに分割されて、指向性エネルギー堆積装置5000の外部の流体に送達され得る。

図44は、内部に組み込まれた指向性エネルギー堆積装置6002を有する小火器カートリッジ6000の一実施態様を示す概略図である。カートリッジ6000は、指向性エネルギー堆積装置6002の動作を推進剤6006の点火と同期させるように構成された同期制御装置6004を更に備える。同期制御装置6004は、指向性エネルギー堆積装置6002をまず始動させ、続いて推進剤6006を点火し、そして発射体6008を発射させるように構成することができる。

本発明の好ましい実施態様を本明細書で図示して説明してきたが、当業者には、このような実施態様が単なる例として示されることは明らかであろう。以下の特許請求の範囲は本発明の範囲を規定し、これらの特許請求の範囲内の方法及び構造並びにそれらの等価物は本発明に包含されるものする。