CN102648025A - 爆震波防止器 - Google Patents

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Abstract

本文披露的装置和***提供了爆震波防止器，其包括爆震波偏转器和爆裂元件。本文披露的爆震波防止器可以减弱和偏转特征在于超音速火焰前峰传播的爆震波的传播。爆震波防止器使爆震波偏转向爆裂元件。爆裂元件的破裂可以提供依然来自爆震的热气的排气，因而提供燃烧气体残余物的分离和衰减。本文披露的爆震波防止器可以用于可燃燃料输送***。

Description

爆震波防止器
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年7月7日提交的题为“Propulsion Systems andComponents Thereof”的美国临时专利申请号61/223,611的优先权，其以引用方式结合于本文。另外，本申请涉及2007年12月4提交的题为“Spark-Integrated Propellant Injector Head With Flashback Barrier“的美国专利申请号11/950,174、以及2009年12月8日提交的题为″RegenerativelyCooled Porous Media Jacket″的美国专利申请号12/633,770。另外，本申请涉及：题为“Tiered Porosity Flashback Suppressing Elements ForMonopropellant Or Pre-Mixed Bipropellant Systems”(Attorney Docket No.488-011-USP1)的美国专利申请号____、题为“FlashbackShut-off”(Attorney Docket No.488-011-USP3)的美国专利申请号12/831,767、以及题为″Aluminum Porous Media″(Attorney Docket No.488-011-USP4)的美国专利申请号____，所有上述三者均于2010年7月7日提交，其以引用方式结合于本文。
背景技术
能量产生***经常使用有限存储燃料源(例如，燃料箱)连同存储氧化剂源来将燃料提供给能量产生***。在上述双元推进剂(bipropellant)火箭***中，经常期望存储确切数量的有限存储燃料源和氧化剂源，以致在燃烧期间它们同时被用尽。花费了相当多的时间和精力来计算存储在火箭上的适当数量的燃料和氧化剂，测量燃料和氧化剂的消耗，以及检测何时燃料和氧化剂被消耗。因而，若干能量产生***采用存储单元推进剂源(或预混合双元推进剂源)。
单元推进剂(monopropellant)是单高能流体(液体、气体或两者的组合，并且有时具有夹带的固体颗粒)，其分解以释放气体和热量。这种加热的气体可以用来促使其它应用(例如，火箭推进器、充气袋等)。单元推进剂通常组成自单一化学物质，或可替换地，化学物质的混合物，当结合时其产生单元推进剂共混物。在单元推进剂共混物中，成分最常保持充分混合并有效地表现为单高能流体。当混合在一起时，许多双元推进剂(例如，燃料和氧化剂如汽化燃料和空气的组合)有效地作为单元推进剂。在一种典型的实施方式中，单元推进剂存储为液体并且在引入高能火花以后、或在引入类似的点源点火装置以后，在有适当的催化剂存在的条件下，分解成热气。典型的单元推进剂包括肼，其经常用于宇宙飞船姿态控制喷射器，以及羟基硝酸铵(HAN)。考虑到单元推进剂的特性，在单元推进剂的无意管路点火中，单元推进剂可以表现得像保险丝并产生燃烧波，其可以非常迅速地移动通过充满单元推进剂的流体导管或通路。当爆震(爆轰)从燃烧室向上游进行到并通过供给管路时，用于火箭发动机和其它工作***的单元推进剂和供应***容易遭受损害。从单元推进剂的点火点(或沿着单元推进剂供给管的其它点)返回到单元推进剂储存罐的回火的危险已阻止了单元推进剂的广泛运用。
爆燃(deflagration)是一种常见形式的燃烧，其中火焰以低于火焰的局部音速的速度传播。爆燃燃烧最经常伴随相对更慢的燃烧过程并且更经常在低压、低能量密度***中看到。然而，具有快速化学分解和/或化学反应速率的更高能量密度***(如高能量密度液体或高压单元推进剂气体)可以产生更强大的爆震现象。爆震(爆轰，detonation)是一种现象，其特点在于超音速火焰(其以比火焰的局部音速更高的速度进行传播)前锋传播。通过伴随爆震波(爆轰波)的是压力/温度尖峰和冲击波。上述条件可以导致包含巨大力量的短暂现象，其可以用于破坏性的或精心控制的建设性的目的。
可以用单元推进剂来操作火箭发动机、气体发生器、动力装置等，和更加常规的双元推进剂(例如，空气/燃料混合物或低压燃料和氧化剂混合物)的能量密度和化学反应速率相比，上述单元推进剂可以具有非常高的气体和/或液体局部可燃能量密度和/或化学分解速率。防止由在这样的***(包含具有非常高的气体和/或液体密度的单元推进剂)中引起的潜在回火所产生的爆震波是重大的技术挑战。
发明内容
除了别的之外，本文描述和声称的实施方式通过提供用于偏转和减弱爆震波的爆震波防止器(爆轰波制止器，detonation wave arrestor)解决上述问题。本文披露的爆震波防止器的一种实施方式包括爆震波偏转器和爆裂元件。本文披露的爆震波防止器可以减弱和偏转特征在于超音速火焰前峰传播的爆震波的传播。爆震波防止器使爆震波向爆裂元件偏转。爆裂元件的破裂排出依然来自爆震的热气，从而分离和衰减燃烧气体残余物。本文披露的爆震波防止器可以用于可燃燃料或推进剂输送***。
在一种可替换的实施方式中，爆裂膜进一步构造成至少部分地围绕爆震波偏转器。在又一种实施方式中，爆震波偏转器和爆裂膜构造成在爆震波偏转器和爆裂膜之间形成用于可燃流体流动的一系列流路。在又一种可替换的实施方式中，爆震波偏转器构造为单一块体(单体块，single mass)，该单一块体包括多侧面基础块体部分(multi-sided base mass portion)，以及锥形块体部分(conical mass portion)，其附着在基础块体的顶部上并向着其顶点延伸。在一种可替换的实施方式中，爆震波防止器可以进一步包括阻火器结构(flame-arrestor structure)、帽结构、以及连接机构，连接机构适合于以使爆震波防止器和爆裂膜保持在阻火器结构和帽结构之间的方式连接阻火器结构和帽结构，。
在一种实施方式中，爆震波防止器可以包括位于可燃流体的通路中的爆震波偏转器，以及构造成至少部分地围绕爆震波偏转器的爆裂膜，其中爆裂膜构造成使爆震波远离爆震波偏转器消散。然而可替换地，爆震波防止器可以进一步包括孔密度变化的多孔介质元件，其邻近于爆震波偏转器的基底而定位。在一种可替换的实施方式中，爆震波偏转器的热质量构造成防止产生自爆震波的热量的消散达到多孔介质元件。
在一种实施方式中，多孔介质元件可以由以下任何一种制成：铝、铁材料、非铁材料、以及耐火材料。在又一种可替换的实施方式中，爆震波偏转器由以下至少一种制成：铁材料、非铁材料、耐火材料、碳、以及碳复合材料。
本文披露的***的一种实施方式提供了用于在可燃燃料输送***中抑制爆震波的传播的方法，该方法包括：确定回火防止器组件在可燃燃料的通路中的位置；提供爆震波偏转器，其构造成使爆震波向着爆裂膜偏转；以及以至少部分地围绕爆震波偏转器的方式提供爆裂膜，其中爆裂膜构造成在爆震波存在的条件下发生破裂。
此方法的又一种实施方式提供了多孔介质元件，其构造成邻近多侧面基础块体的基底定位。此方法的另一种实施方式提供了可拆卸地连接于爆裂膜的截止阀，其中截止阀位于可燃流体的通路中。在此方法的一种可替换的实施方式中，截止阀构造成在爆裂膜发生破裂以后切断可燃流体的流动。在又一种可替换的实施方式中，爆震波偏转器构造成具有第一热质量，其可以防止产生自爆震波的热量的消散达到多孔介质元件。
本文还描述和列举的其它实施方式。
附图说明
通过参照附图，可以进一步理解本发明的特征和优点，其中附图在说明书的其余部分加以描述。在附图中，相同的标记数字在若干附图中用来指示类似的部件。在一些情况下，标记数字可以具有伴随的子标记(由小写字母构成)以表示多个类似部件之一。当引用没有子标记的标记数字时，则标记数字用来指所有这样的多个类似部件。
图1是具有若干姿态或远地点推进器(使用本发明披露的回火防止装置)的轨道或宇宙飞船的透视示意图。
图1A是放大的示意截面图，其示出使用根据目前披露的技术的回火防止装置的轨道飞行器中的示例性单元推进剂推进***。
图2示出单元推进剂或双元推进剂***的示例性流程图，其中使用用于推进***、工作流体产生***、和/或能量产生***的爆震防止装置。
图3示出包括爆震波防止器的示例性实施方式的回火防止器的示例性几何形状和构成。
图3A是示意图，其示出通过图3的爆震波防止器的各种部件的流体通路。
图4示出了在图3的爆震波防止器中所使用的爆震波偏转器的三维视图。
图5示出图4的爆震波偏转器的各种视图，包括三维视图、侧视图、以及剖视图。
图6示出在爆震波防止器中所使用的爆裂膜的各种视图，包括三维视图、侧视图、以及剖视图。
图7示出和爆震波防止器一起使用的帽结构的各种视图，包括三维视图、侧视图、以及剖视图。
图8示出和爆震波防止器一起使用的阻火器结构的各种视图，包括三维视图、侧视图、以及剖视图。
图9示出和爆震波防止器一起使用的压合接头结构的三维视图。
图10示出回火防止器以及其各种部件的一种可替换的实施方式。
图11示出回火防止器以及其各种部件的又一种可替换的实施方式。
图12示出回火防止器以及其各种部件的又一种可替换的实施方式。
图13示出用于在可燃流体的通路中提供回火防止器组件的方法。
具体实施方式
在下面描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节，以透彻理解本发明。然而，对于本领域技术人员来说，显而易见的是，可以在没有这些具体细节的一些的情况下来实施本发明。例如，虽然各种特征针对特定的实施方式，但应当明了，相对于一种实施方式描述的特征也可以并入其它实施方式。然而，同样的道理，不应认为任何所描述的实施方式的单一特征或多个特征对于本发明是必不可少的，因为本发明的其它实施方式可以省略这样的特征。
化学反应单元推进剂以及混合的燃料和氧化剂包含通过热分解和/或燃烧来释放能量的成分。在燃烧反应中，反应物处于比在反应物的燃烧以后剩余的产物更高的能量状态。然而，需要输入一定量的能量(即，活化能)以释放存储在反应物的化学键内的能量。
经常通过点火源来引发化学能释放，其向所选择的单元推进剂或混合的燃料和氧化剂提供活化能。通常将点火源加入喷射器头附近和能量产生***的燃烧室内。存在许多点火源，其包括但不限于电火花、催化剂(即，通过提供增加反应的化学动力学的表面来降低活化能的物质)、热源、冲击负载、压缩、或它们的任何组合。
如果点火源位于单元推进剂或燃料和氧化剂的混合物的下游(即，在远离流体能量储存装置的方向)，则在点火源处的火焰可以向上游传播(即，在向着流体能量存储的方向)：通过供给管到对燃料和氧化剂进行混合的地方、或进入单元推进剂储存箱。这种事件，通常表示为回火，可以引起灾难性***故障(例如，能量产生***的破坏、周边设备的破坏、和/或附近人员的受伤或死亡)。
回火可以采用爆燃或爆震波传播的形式。爆燃是常见形式的燃烧，其中火焰以亚音速进行传播。爆燃通常伴随相对较低的能含量和化学反应速率。爆震是特征在于超音速火焰前峰传播的现象。压力和温度尖峰以及冲击波通常伴随爆震波。爆震波包含巨大力量，其在受控环境下可以是非常有用的或在不受控制的环境下则极具破坏性。设计成防止爆燃回火的常规回火防止装置经常不足以坚固到能挺过爆震回火波。本文披露的回火防止器具体地构造成有效地防止和/或控制爆震回火波以及爆燃回火。
图1是使用本文披露的回火防止装置具有若干姿态或远地点推进器的轨道或宇宙飞船100的透视示意图。推进器110可以使用单元推进剂推进***110，其详细描述在图1A中。
图1A是剖视图，其示出示例性单元推进剂推进***110，其可以使用根据目前披露的技术的回火防止装置102、104、106。示例性单元推进剂推进***110包括单元推进剂箱112。点火接口106位于箭体110和燃烧室114之间，其送入扩散形喷管116。在此图中，将从左至右推进火箭。
经由单元推进剂管路118，将来自单元推进剂箱112的推进剂输送到燃烧室114。在发生回火的情况下，回火防止截止阀102可以切断燃料。回火防止器104使由回火引起的能量转向，而远离管路118和箱112。回火防止点火接口106可以包含烧结金属或其它耐热材料的微流体多孔介质结构。另外，截止阀102和/或回火防止器104也可以包含微流体多孔介质结构。请注意，虽然在图1中相对于火箭披露了回火防止装置102、104、106，但这样的装置也可以用于其它推进剂和/或能量产生***。
例如，在一种实施方式中，可变密度的材料或者烧结金属或其它材料的分层孔隙微流体多孔介质结构可以用于微流体多孔介质结构。在一种实施方式中，这样的微流体多孔介质结构可以由铝制成。
图2示出用于单元推进剂或双元推进剂***的典型的流程图200，其中使用回火防止装置用于推进***(例如，推进器220)、工作流体生产***(例如，气体发生器222)、和/或发电***(例如，动力装置224)的回火保护。在第一描述的实施方式中，单元推进剂箱226是用于能量产生***220、222、或224的燃料/氧化剂源。回火阀228、回火防止器236、和/或调节器232包含如本发明披露的回火防止技术。该回火防止技术可以防止或停止爆震波向上游传播以及防止或停止在单元推进剂供给管和/或单元推进剂箱226中引起灾难性***故障。另外，目前披露的回火防止技术(例如，回火防止器236)还可以使爆震波的能量转向而远离供给管和/或单元推进剂箱226。
在第二描述的实施方式中，在注入能量产生***220、222、或224以前，预混合双元推进剂箱(即，燃料箱228和氧化剂箱230)。用于这样的***的示例性燃料包括但不限于天然气、汽油、柴油、煤油、乙烷、乙烯、乙醇、甲醇、甲烷、乙炔、以及硝基甲烷。用于这样的***的示例性氧化剂包括但不限于空气、氧气/惰性气体混合物、氧气、一氧化二氮、以及过氧化氢。可以以许多不同比例来混合燃料组分和氧化组分，以获得所期望的燃烧反应。虽然此图示出采用分开的燃料和氧化剂箱的双元推进剂构造，但应该认识到，这种基本前提可以应用于涉及一种以上燃料和/或氧化剂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烧过程或在所产生的气体卷流中提供所期望的最终结果(例如，抑制不期望的微量气体物质如NOx形成，促进燃料/空气燃烧引发，促进良好燃料/空气混合，改变具有嵌入的固体颗粒的流体物质)。
回火阀234、回火防止器236、和/或调节器228可以包含如本发明披露的回火防止技术。该回火防止技术可以防止或停止爆震波向上游向着箱228、230传播并防止或停止在预混合燃料和氧化剂处的下游的供给管中引起灾难性***故障。另外，目前披露的回火防止技术(例如，回火防止器236)还可以包括爆震波防止器/转向器以使爆震波的能量转向而远离供给管和/或燃料箱228和氧化剂箱230。
另外，图2示出三种可替换的能量产生***(例如，推进器220、气体发生器222、或动力装置224)，各自具有相应的喷射器238。本文还包括其它能量产生***。例如，各种工作提取循环可以采用回火防止技术(例如，燃气轮(布雷顿)循环、颚图循环、狄塞尔循环以及等压循环)。喷射器238还可以装备有上述回火防止技术，其可以防止或停止爆震波向喷射器234的上游传播以及引起灾难性***故障。图2所示的实施方式说明回火防止器236可以用来保护单点火源，即，一个回火防止器用于保护箱226，以及一个回火防止器236用来保护箱228、230。然而，在一种可替换的实施方式中，单个回火防止器可以用来保护多个可燃混合物源。此外，可以将回火防止器236放置在点火源和可燃混合物的容器之间的任何地方。
图3示出回火防止器组件300的一种实施方式的部件的组件(组合体)的典型的几何形状和构成。回火防止器组件300可以包括爆震波偏转器302、帽304、阻火器结构306、爆裂膜308、底部压合接头310、以及顶部压合接头312。若干螺钉或其它机构可以将回火防止器组件300保持在一起。例如，在所示实施方式中，帽304和阻火器结构306具有用于螺钉的螺纹320，其将在帽304和阻火器结构306之间的爆震波偏转器302和爆裂膜308保持在一起。帽304具有沿其中心轴线的孔口322以及阻火器结构306具有沿其中心轴线的孔口324。在一种可替换的实施方式中，孔口322和324各自可以位于垂直于帽304和阻火器结构306的中心轴线的方向、或任何其它方向。在回火防止器300的典型的实施方式中，经由孔口324、底部压合接头310连接于阻火器结构306，以及经由孔口322顶部压合接头312连接于帽304。
底部压合接头310和顶部压合接头312各自通过在它们体中的空腔来提供用于流体(气体、液体、或它们的组合)的通路。底部压合接头310可以设计成使得可以将它连接于管道、导管或其它机构，其用来从箱226、228、230向底部压合接头310输送流体。类似地，顶部压合接头312以设计成使得其可以连接于管道、导管或其它机构，其用来远离底部压合接头312并向着喷射器238输送流体。阻火器结构306可以设计成在它的一个表面上结合接收器326，从而保持多孔介质元件330。请注意，虽然在图3所示的实施方式中，所示出的接收器326具有扁平结构，但如下面将讨论的，接收器326可以具有各种可替换的几何结构。在这样的可替换的实施方式中，多孔介质元件330还可以具有不是扁平的几何结构。回火防止器组件300的各种部件的详细设计详细示于以下图4-12中。
回火防止器组件300构造成位于从流体容器如箱226、228、230至喷射器238的流体通路中。因此，来自箱的流体可以通过连接导管、管道、或其它机构移向底部压合接头310。以这样的方式将底部压合接头310连接于阻火器结构306：使来自底部压合接头310的流体移向包含多孔介质元件330的接收器326。如上面所讨论的，多孔介质元件330允许流体通过它。另外，流体还可以在接收器326的表面的方向移动，因而，垂直于流体通过多孔介质的流动。在图3中，方向箭头332表示沿着接收器326的表面的流体的通路，而方向箭头334则表示通过多孔介质330的流体通路。
爆震波偏转器302的底部表面设计成使得它偏转流体通过多孔介质元件330移向爆震波偏转器302的周边。此外，以这样的方式设计爆震波偏转器302的侧表面：使得当将爆裂膜308安装在爆震波偏转器302的周围时，沿着爆震波偏转器302的侧表面形成若干流路。来自多孔介质元件330的流体和沿着接收器326的表面移动的流体可以通过在爆震波偏转器302和爆裂膜308之间的形成的上述流路移向帽304。方向箭头336表示在爆震波偏转器302和爆裂膜308之间的这样的流体流动的通路。
设计成相邻于帽304的爆震波偏转器302的外表面也可以以这样的方式加以设计：使得在爆震波偏转器302和帽304之间形成若干流路338。在爆震波偏转器302和爆裂膜308之间沿着通路336移动的流体可以通过通路338流向在帽304体内的中心孔口。随后，流体可以通过在帽304中的孔口流向顶部压合接头312并从那里流向导管、管道、或其它机构，其将顶部压合接头连接于喷射器238。图3A是示意图，其示出通过回火防止器组件300的各种部件的流体通路。
在一种可替换的实施方式中，可以连同截止阀一起来使用回火防止器组件300。例如可以相邻于接收器326放置截止阀并连接于爆裂膜308，使得在回火的情况下，截止阀关闭流体从箱226、228、230至喷射器238的流动。如下面所讨论的，可以以这样的方式将这样的截止阀连接于爆裂膜308：使得在爆裂膜308发生破裂的情况下触发关闭。
一种可替换的实施方式可以提供在发生回火的情况下用于隔离推进剂源的推进剂关闭组件，其中推进剂关闭组件可以包括：爆裂膜，其构造成在有回火的情况下失效；以及偏压关闭截止阀，其连接于爆裂膜。可以通过爆裂膜使上述截止阀保持打开，同时破裂构件完好无损。又一种实施方式可以提供在发生回火的情况下隔离推进剂源的方法。在这样的实施方式中，当推进剂在推进剂流动方向移动通过推进剂关闭组件时，推进剂关闭组件可以经历回火。结果，由于回火，可以使推进剂关闭组件内的爆裂膜破裂，从而失效。爆裂膜的上述失效引起推进剂关闭组件关闭和隔离来自推进剂输送***(由于回火，其已失效)的任何部件的推进剂源。
这样的截止阀可以设计成使得它具有足够的力量来抵抗来自可燃流体的流动(从其来源)的最高可能的压力。在一种实施方式中，截止阀组件的关闭会停止混合物的正常流动，其将快速断绝潜在的后爆震火灾事件的燃料的主要来源。
在具有回火防止器组件300的一个或多个部件位于流体的通路中的***中，在引起回火的事件的情况下，通常，回火在上游方向移动，即，从喷射器向着箱。因此，如上所述，在通路中没有放置回火防止器组件300的情况下，回火可以从顶部压合接头312的方向潜在地移向底部压合接头310。然而，如下文进一步说明的，回火防止器组件300的各种部件有助于偏转、减弱和/或制止这样的回火以及伴随的爆燃和爆震向着底部压合接头310。
在意外造成回火的情况下，多孔介质元件330作为热海绵工作，其以比爆震波可以释放燃烧能量的速率更快的速率吸收燃烧能量。因此，多孔介质元件330提供爆震淬灭。然而，由于在正常操作中，多孔介质元件330还提供用于可燃流体的通路，所以对于每种特定应用，基于可燃流体的能量密度、燃烧能量释放速率、质量流速要求以及允许压降，来策略性地选择多孔介质元件330的有效的微通道直径的大小和表面积。虽然多孔介质元件330的淬灭距离可以足以制止原爆震波，但是，通过机械故障和/或通过固体材料的热传输，释放自管路回火的能量可以引起二次点火。在直接接触未燃烧的可燃流体足以点燃回火防止器组件300的上游的推进剂时，这种导电热传输可以产生热点。
然而，爆震波偏转器302连同爆裂膜308一起可以对可燃流体源提供额外的保护，使其免受由上述另外的爆震波引起的潜在危害。具体地，爆震波偏转器302，连同爆裂膜308一起，使爆震产物，在它们达到多孔介质元件330或至少紧邻多孔介质元件330以前，自在顶部压合接头312中的孔口移动被通风。此外，爆震波偏转器302，当被燃烧波击中时，会驱散冲击波，使其远离多孔介质元件330。具体地，爆震波偏转器302将冲击波能量引向爆裂膜308。
为防止发生起因于爆震波的二次点火，爆震波偏转器302的热质量应足以能够吸收足够的来自剩余热废气的热能，其中上述剩余热废气从在顶部压合接头312中的孔口吹向爆震波偏转器302。如果存在足够的热量来使接触未燃烧的可燃流体的表面升高到足以引起热点火的温度，则可以发生上述二次点火。具有足够的热质量的爆震波偏转器302有助于减轻上述二次点火机制。
爆震波偏转器302可以由各种各样的不同材料制造，包括铁金属、非铁金属、高熔点金属、碳(例如，石墨、金刚石)、复合材料(例如，碳纤维复合材料)、以及在一些情况下陶瓷。通常，具有吸收较大冲击能的压缩强度和能力的任何材料是所期望的。一般来说，高热导率也是所期望的，以有助于快速吸收热能。在爆震波偏转器302的一些实施方式中，可以施加用于特定推进剂的惰性涂层(例如，MgO、Al2O3、氧化钇)，以允许使用对推进剂催化的材料而没有损坏爆震波偏转器302。
在回火防止器组件300中添加爆震波偏转器302还可以用来减小在邻近回火防止装置处可燃流体可以占据的容积，消散伴随管路传播的冲击波，以及吸收来自热燃烧气体(来自爆震波)的一些量的热能。
如上面所讨论的，爆震波偏转器302的形状使它可以偏转爆震和/或爆震波返回可燃流体源，因而，向着爆裂膜308。可以将爆裂膜308设计成在爆震和/或爆震波的流路中的最薄弱部分，使得当上述扩散爆震波击中时爆裂膜308将破裂和分开。在回火防止器组件300的一种实施方式中，可以将爆裂膜308设计成具有薄壁，其可以在回火防止器组件300的组装期间在拉伸下加载。这种拉伸可以用来将在回火防止器组件300中的流路的进一步上游上的处的弹簧阀组件(此处未示出)保持打开。爆裂膜308的分离或破裂会引起爆震波的进一步分散和排气并释放弹簧阀组件以切断来自源的可燃混合物的流动。
在一种可替换的实施方式中，通过爆震波直接和/或间接启动一种可替换的机构可以用来产生关闭控制。在这样的实施方式中，爆裂膜308可以被设计成具有一些特征以将由爆震波压力引起的分离引到某些所期望的区域。例如，一种这样的特征可以是进入爆裂膜308中的一个或多个圆周槽。在这样的实施方式中，由除去材料(以产生槽)所引起的更小的横截面积在期望的情况下可以提供分离通路。可以外部和/或内部地切割上述槽。一般来说，这些槽或类似于槽的特征有两个目的。首先，在设计成发生所期望的分离或失效的区域中，槽会局部降低结构强度。其次，在设计成发生所期望的分离或失效的位置处，类似于管路进料，槽会增加推进剂负载。
爆裂膜308可以由许多材料制造，包括但不限于塑料(例如，聚乙烯)、金属(例如，钛、铝、不锈钢)。在爆裂膜308的一种可替换的实施方式中，可以施加用于特定推进剂的惰性涂层(例如，MgO、Al2O3、氧化钇)以允许使用对推进剂催化的材料。一般来说，可以将爆裂膜308设计成适应正常进料***操作压力(包括设计余量)而没有失效，但当暴露于甚至最弱的预计爆震波时则彻底地和可靠地失效。下文参照图6，详细提供爆裂膜308的详细描述。
在一种可替换的实施方式中，回火防止器组件300还可以设置有外壳，其围绕帽304、阻火器结构306、以及爆裂膜308。这样的外壳(此处未示出)可以保护围绕回火防止器组件300的部件，使其免受由爆裂膜308的破裂所产生的碎片的影响。此外，这样的外壳还可以以更加可控和以定向方式来引导爆震波的排气。当回火防止器组件300用于可能密切接触操作者等的位置时，上述外壳可以是特别重要的。
在回火防止器组件300的一种实施方式中，多孔介质元件330可以由烧结金属制成并设计成具有多个足够小和盘绕的流路。这样的流路可以淬灭和停止爆震波的任何残余部份和伴随的冲击波。在一种可替换的实施方式中，多孔介质元件330还可以具有可变密度设计。又一种实施方式可以包括利用不同的微通道实施方式的多孔介质元件330，并且可以构造成不同的几何形状，如杯形几何形状等。
图4示出爆震波偏转器402的一种实施方式的三维视图。具体地，图4示出从底部的角度来看的爆震波偏转器402的视图，以下称为底视图404，以及从顶部的角度来看的爆震波偏转器302的视图，以下称为顶视图406。爆震波偏转器402由两个几何块体构成，拟圆柱形基础块体(quasi-cylindrical base mass)408，以及锥形块体410，其在拟圆柱形基础块体408的顶部并连接于拟圆柱形基础块体408。请注意，爆震波偏转器402的上述分区说明仅用于说明的目的，而在实践中，拟圆柱形基础块体408、以及锥形块体410可以由单件材料制成。此外，在一种可替换的实施方式中，拟圆柱形基础块体408和锥形块体410的一种或二者可以具有不同的几何形状。
拟圆柱形基础块体408显示为具有12个平面的外表面如平面412、414等。虽然本文描述的实施方式包括6个平面和6个圆柱体的截面，但一种可替换的实施方式可以具有不同数目的上述平面。如底视图404所示，爆震波偏转器402的底部表面可以具有在拟圆柱形基础块体408的底部表面蚀刻的若干同心槽和若干径向槽。这样的开槽底部表面允许以这样方式将爆震波偏转器402放置在阻火器结构306的顶部：使得同心和径向槽能够接收来自多孔介质元件330的可燃流体的流动。另外，这些槽，尤其是径向槽，还将可燃流体的流动引向爆震波偏转器302的周边。
选择圆柱形基础块体408的形状，使得即使拟圆柱形基础块体408的外侧表面靠近爆裂膜308的内表面，在拟圆柱形基础块体408的外侧表面和爆裂膜308的内表面之间，仍然存在一定的选择性间距。上述在拟圆柱形基础块体408和爆裂膜308之间的间距允许可燃流体沿着在拟圆柱形基础块体408的侧面上的平面412、414向上流向顶部压合接头312。可替换地，圆柱形块体408的若干部分可以配对爆裂膜308的内表面。平面412和414可以提供流路，同时借助于在爆裂膜308内的其它同心表面实现部件的强制联锁。
如顶视图406所示，锥形块体410的外表面还可以设置有若干平面。在图4中，锥形块体410示出，在锥形块体410外表面上具有6个平面，如表面416、418。然而，在一种可替换的实施方式中，可以设置可替换数目的上述表面。优选地，在锥形块体410上的平面数目可以对应于在拟圆柱形基础块体408上的平面数目。
锥形块体410的形状构造成：即使锥形块体410的外侧表面靠近帽304的内底部表面(如下文相对于图7详细描述的)，在锥形块体410的外侧表面和帽304的内底部表面之间仍然存在一定的选择性间距。上述在锥形块体410和帽304的内底部表面之间的间距允许可燃流体沿着在锥形块体410的侧面上的平面416、418向上流向顶部压合接头312。可替换地，锥形块体410的若干部分可以配对帽304的内底部表面。平面416和418可以提供流路，同时借助于在阻火器结构306和帽304之间的其它表面实现部件的强制联锁。
图5示出爆震波偏转器402的各种视图，包括三维视图、侧视图、以及剖视图。具体地，图5示出横断面底视图502、横截面侧视图504、横断面前视图506、以及横断面三维视图508。图5所示的各种视图各自进一步示出拟圆柱形基础块体408、锥形块体410、平面412、414、416、418、以及在拟圆柱形基础块体408的底部表面上的径向和同心槽的几何形状。具体地，如图5所示的拟圆柱形基础块体408的底部表面的视图示出这些槽如何可以允许可燃流体向着爆震波偏转器302的外表面的流动。
将爆震波偏转器402的锥形块体410的表面设计成首先遭遇从顶部压合接头312移向爆震波偏转器402的潜在爆震波。锥形块体410偏转上述爆震波：轴向向外地，或远离爆震波偏转器402的中心轴线，如在锥形块体410的顶部的箭头420所示。
确定爆震波偏转器402的高度(包括锥形块体410的高度和拟圆柱形基础块体408的高度)以确保爆震波偏转器402具有足够的热质量来吸收来自爆震波的足够的热能。有助于爆震波偏转器402的这种设计的有效性的另外的特征是在爆震波偏转器402的未受保护侧(向着底部表面)的容积的减小(由于提供了同心和轴向槽)。在没有这样的槽的情况下，在多孔介质元件330附近的更大容积可以引起通过冲击、压力、或热方式发生的多孔介质元件330的失效。
爆震波偏转器402的这种设计(具有在底部表面的槽)提供了通道以允许可燃流体在正常操作期间流动。然而，周围材料也可以吸收来自燃烧气体的热能，其引起材料增加它们的温度。因此，在发生回火或爆震波的情况下，相同的流体通道可以为能够引起多孔介质元件330的失效的能量提供通路。对于给定温度变化，材料质量吸收或释放热量的特性通常被称为体热质量(body’s thermal mass)。热质量是每度温度变化下由材料可以吸收的总能量的度量。对于在给定热负荷下的更小体温变化，应使用更多热质量。在大多数情况下，热质量应能够吸收可以预期相互作用于爆震防止器的大部分能量而没有达到可以引起单元推进剂的二次点火的温度。
一般来说，应如此设计爆震波偏转器402的容积和热质量，以减少邻近敏感元件如多孔介质元件330(其中初始爆震事件或二次加热可以引起元件失效)的单元推进剂的管路进料。例如，需要考虑，在最坏情况下，燃烧后热气如何可以将能量存入周围材料以潜在地局部加热材料至可以引起单元推进剂的二次点火的温度。需要平衡这种最少爆震和热能的设计和使单元推进剂的质量流速可以在最小压降下在顺利(nominally)移动通过回火防止器的需要。
图6示出爆裂膜308的各种视图，包括三维视图、侧视图、以及剖视图。具体地，图6示出爆裂膜308的三维视图602、前视图604、以及剖视图606。如图6所示，爆裂膜308可以设计成使得它的外壁608具有沿其长度的变化厚度。因此，例如，和边缘612、614相比，外壁608可以向着中心610变得更薄。虽然图6所示的爆裂膜308具有圆柱形，但在一种可替换的实施方式中，可以将爆裂膜308设计成具有可替换的形状，如具有多侧面(八面等)外表面。
图6所示的爆裂膜308的结构引起它的外表面向着它的中间610变得更弱(和边缘612、614)。因此，当爆震波被偏转向着爆裂膜308，更容易在中间610发生破裂。可以通过使用不同厚度的膜来实现爆裂膜308沿其长度的上述不同强度。然而，在一种可替换的实施方式中，可以通过使用沿爆裂膜308的长度的材料的不同混合物、通过使用沿爆裂膜308的长度不同大小的槽、或通过一些其它机制，来实现爆裂膜308沿其长度的上述不同强度。
在其外表面上具有12个平面的爆震波偏转器402和爆裂膜308的圆柱形的组合在上述两者之间产生一系列流路。然而，在一种可替换的实施方式中，爆震波偏转器可以设置有圆柱形外表面以及爆裂膜308的内表面可以具有若干平面，使得在爆震波偏转器和爆裂膜308的这样的组合之间产生流路。爆裂膜308的顶部边缘612还可以设置有槽614，其允许将爆裂膜608连接于帽304。在一种实施方式中，可以提供环形垫圈(O-ring)以将爆裂膜308密封于帽304。
图7示出在回火防止器组件300中所使用的帽304的各种视图，包括三维视图、侧视图、以及剖视图。具体地，图7示出帽304的三维视图702、底视图704、以及侧视圈706。如图7所示，帽304具有4个螺纹320，其可以用来组装帽304和阻火器结构306。帽304还可以设置有轴向孔口322，其提供可燃流体从底部压合接头310向着顶部压合接头312的通路。轴向孔口322可以是至少部分锥形的。如图7所示，轴向孔口322的锥形剖面712在向外方向上形成锥度，并远离帽304的中心轴。锥形剖面312的尺寸可以设计成使得当帽结构装配在爆震波检测器302的顶部时，则将锥形剖面712定位于锥形块体410的顶部。由于锥形块体410的外表面具有若干平面以及轴向孔口322的锥形部分具有光滑内表面，在一起它们形成用于可燃流体的若干流路。这些流路还允许爆震波被耗散而远离帽的轴线并向着围绕爆震波偏转器302的爆裂膜。在一种可替换的实施方式中，可以在非轴向位置，将孔口322的非锥形部分，即，孔口322的顶端部分，连接于孔口322的锥形部分。
图8示出和防止器组件300一起使用的阻火器结构306的各种视图，包括三维视图、侧视图、以及剖视图。具体地，图8示出三维视图802、顶视图804、以及侧视圈806。如图8所示，阻火器结构306具有4个螺纹320，其可以用来组装阻火器结构306和帽304。阻火器结构306还包括接收器326，其可以用来接收多孔介质元件330。孔口324可以提供用于可燃流体的从底部压合接头310向着接收器330的通路。接收器326的底部表面可以设置有若干同心槽808和轴向槽810。这些槽808、810提供各种通路，用于来自孔口324的可燃流体流向多孔介质元件330的周边，从这里，可燃流体可以沿着爆震波偏转器302的平面流动。在阻火器结构306的一种实施方式中，可以将截止阀(这里未披露)定位于在接收器326正下方的孔口324中。
图9示出可以和回火防止器组件300一起使用的压合接头结构900的三维视图。压合接头结构900可以用作底部压合接头310或用作顶部压合接头312。压合接头结构900在其两端可以设置有螺纹或其它连接机构以将回火防止器组件300连接到用于可燃流体的供给管中。
图10示出回火防止器组件1000以及其各种部件的可替换的实施方式。具体地，回火防止器组件1000显示为具有爆震波偏转器1002和阻火器结构1004。将爆震波偏转器1002的底部表面设计成具有锥形。锥形底部表面1008可以包括若干圆形台阶1010以及若干槽1012，从爆震波偏转器1002的中心向外扩展。类似地，阻火器结构1004可以具有锥形凸出表面1014和在锥形凸出表面1014上并围绕它的中心轴线的若干圆形台阶。成形为锥形的多孔介质元件1006可以位于爆震波偏转器1002的锥形底部表面和阻火器结构1004的锥形凸出表面1014之间。
图11示出回火防止器组件1100以及其各种部件的可替换的实施方式。具体地，回火防止器组件1100显示为具有爆震波偏转器1102和阻火器结构1104。将爆震波偏转器1102的底部表面设计成具有半球形。半球形底部表面1108可以包括若干圆形台阶1110以及若干槽1112，其从爆震波偏转器1102的中心向外扩展。类似地，阻火器结构1104可以具有半球形凸出表面1114以及在半球形凸出表面1114上并围绕其中心轴的若干圆形台阶。成形为半球形式的多孔介质元件1106可以位于爆震波偏转器1102的半球形底部表面和阻火器结构1104的半球形凸出表面1114之间。
图12示出回火防止器组件1200以及其各种部件的可替换的实施方式。具体地，回火防止器组件1200显示为具有爆震波偏转器1202和阻火器结构1204。将爆震波偏转器1202的底部表面设计成具有倒杯形状。类似地，阻火器结构1204可以具有凸出表面1206。成形为杯状形式的多孔介质元件1208可以位于爆震波偏转器1202的杯形底部表面和阻火器结构1204的杯形凸出表面1206之间。帽1210可以设置成安装在回火防止器组件1200的顶部。
图13示出用于在可燃流体的通路中提供回火防止器组件的流程图1300。由流程图1300提供的方法可以用于提供回火防止器组件，如在从可燃燃料源226、228、230输送到喷射器238的可燃燃料的通路中的回火防止器组件300。方块1302确定可燃燃料通路以及回火防止器组件待放置的位置。一般来说，爆震防止器应位于主要能源存储介质的紧接下游。在冗余架构中，将另外的爆震防止器放置在潜在点火源(例如，机械致动器、燃烧室)的紧接上游。
在组件的位置被确定以后，方块1304提供待放置在可燃流体的通路中的爆震波偏转器。在提供爆震波偏转器以后，方块1306可以提供爆裂膜。在一种实施方式中，爆裂膜可以设置成至少部分地围绕爆震波偏转器。随后，方块1308可以提供可以邻近爆震波偏转器的多孔介质元件。因而，例如，在一种实施方式中，可以安置多孔介质元件以提供在爆震波偏转器和多孔介质元件之间的通路，其允许可燃流体的流动。
方块1310可以提供围绕爆裂膜的外壳。如上面所讨论的，这样的外壳可以在爆裂膜发生破裂的情况下用于防止碎片的排出(由于爆震波和/或爆燃)。方块1312可以将截止阀组件连接至回火防止器组件。在一种实施方式中，可以以这样的方式将上述截止阀连接于爆裂膜：使得当爆裂膜破裂时，它引起截止阀的关闭。
上述说明、实施例、和数据提供了本发明的示例性实施方式的结构和应用的完整描述。因为可以实施本发明的许多实施方式而不偏离本发明的精神和范围，所以本发明由下文所附权利要求来限定。另外，在又一种实施方式中可以结合不同实施方式的结构特征而不偏离所详述的权利要求。

Claims (30)

1.一种用于在可燃燃料输送***中抑制爆震波传播的组件，所述组件包括：
爆震波偏转器，构造成使所述爆震波朝向爆裂膜偏转；
其中所述爆裂膜被构造成在所述爆震波存在的条件下破裂。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述爆裂膜被进一步构造成至少部分地围绕所述爆震波偏转器。
3.根据权利要求2所述的组件，其中，所述爆震波偏转器和所述爆裂膜被构造成在所述爆震波偏转器和所述爆裂膜之间形成用于所述可燃流体流动的一系列流路。
4.根据权利要求1所述的组件，其中，所述爆震波偏转器被构造为单一块体，包括：
多侧面基础块体部分；以及
锥形块体部分，所述锥形块体部分附着在所述基础块体的顶部并向着其顶点延伸。
5.根据权利要求4所述的组件，其中，所述爆震波偏转器进一步包括在所述多侧面基础块体的基底处的一系列槽。
6.根据权利要求5所述的组件，进一步包括：
多孔介质元件，所述多孔介质元件构造成邻近于在所述多侧面基础块体的所述基底处的所述槽而定位。
7.根据权利要求6所述的组件，其中，所述多孔介质元件邻近于在所述多侧面基础块体的所述基底处的所述槽而定位以产生用于所述可燃流体的流动的多个径向通路。
8.根据权利要求6所述的组件，进一步包括：
阻火器结构；
帽结构；以及
连接机构，所述连接机构适合于以这样的方式连接所述阻火器结构和所述帽结构：使所述爆震波防止器和所述爆裂膜保持在所述阻火器结构和所述帽结构之间。
9.根据权利要求6所述的组件，其中，所述阻火器结构进一步包括用来保持所述多孔介质元件的接收器结构。
10.根据权利要求2所述的组件，进一步包括可拆卸地连接于所述爆裂膜的截止阀。
11.根据权利要求10所述的组件，其中，所述截止阀位于所述可燃流体的通路中。
12.根据权利要求10所述的组件，其中，所述截止阀被构造成在所述爆裂膜的破裂以后切断所述可燃流体的流动。
13.根据权利要求1所述的组件，其中，与所述爆裂膜朝向边缘的厚度相比，所述爆裂膜朝向其中心的至少一部分被设计成具有更薄的壁。
14.根据权利要求1所述的组件，其中，所述爆裂膜进一步包括沿着所述爆裂膜的长度的多个圆周槽。
15.根据权利要求14所述的组件，其中，所述圆周槽的厚度沿所述爆裂膜的长度而变化。
16.根据权利要求1所述的组件，进一步包括围绕所述爆裂膜的外壳。
17.根据权利要求6所述的组件，其中，所述爆震波偏转器被构造成具有第一热质量，所述第一热质量防止产生自所述爆震波的热量消散达到所述多孔介质元件。
18.一种用于在可燃燃料输送***中抑制爆震波传播的方法，所述方法包括：
确定回火防止器组件在所述可燃燃料的通路中的位置；
提供爆震波偏转器，所述爆震波偏转器构造成将所述爆震波偏转向爆裂膜；以及
以使至少部分地围绕所述爆震波偏转器的方式提供所述爆裂膜；
其中所述爆裂膜构造成在有所述爆震波存在下破裂。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：
提供多孔介质元件，构造成在邻近于所述多侧面基础块体的基底定位。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
提供可拆卸地连接于所述爆裂膜的截止阀，其中所述截止阀位于所述可燃流体的通路中。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述截止阀被构造成在所述爆裂膜破裂以后切断所述可燃流体的流动。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述爆震波偏转器被构造成具有第一热质量，所述第一热质量防止产生自所述爆震波的热量的消散达到所述多孔介质元件。
23.一种爆震波防止器，包括：
爆震波偏转器，位于可燃流体的通路中；以及
爆裂膜，构造成至少部分地围绕所述爆震波偏转器；
其中，所述爆裂膜构造成使爆震波远离所述爆震波偏转器消散。
24.根据权利要求23所述的爆震波防止器，进一步包括：
孔密度变化的多孔介质元件，邻近于所述爆震波偏转器的基底而定位。
25.根据权利要求24所述的爆震波防止器，其中，所述多孔介质元件由铝制成。
26.根据权利要求25所述的爆震波防止器，其中，所述爆震波偏转器的热质量被构造成防止产生自所述爆震波的热量的消散达到所述多孔介质元件。
27.根据权利要求24所述的爆震波防止器，其中，所述多孔介质元件由铝制成。
28.根据权利要求27所述的爆震波防止器，其中，所述多孔介质元件由多个铝介质元件制成，其中所述多个铝介质元件的至少两个具有不同的孔隙度。
29.根据权利要求24所述的爆震波防止器，其中，所述多孔介质元件由以下至少一种材料制成：铁材料、非铁材料、以及耐火材料。
30.根据权利要求24所述的爆震波防止器，其中，所述爆震波偏转器由以下至少一种材料制成：铁材料、非铁材料、耐火材料、碳、以及碳复合材料。
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