CN104968444B - 具有发射载体发射式柱塞的压力波发生器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种压力波发生器的示例，该压力波发生器构造成在介质中产生高能量压力波。该压力波发生器可以包括承载柱塞的发射载体。该发射载体还可以包括锁定装置，所述锁定装置在锁定装置被激活时将柱塞锁定在固定位置中。当锁定装置位于去激活位置时，柱塞可以被释放并且可以至少部分地远离发射载体移动。承载柱塞的发射载体可以设置在压力波发生器的壳体的内孔内并且可以在壳体的内孔内从壳体的第一端部沿着孔的纵向轴线朝向壳体的第二端部移动。转换器可以容置在壳体的第二端部中。该转换器可以联接至介质并且可以在柱塞与转换器碰撞时将柱塞的动能的一部分转换成介质中的压力波。承载柱塞的发射载体可以通过将动力施加至发射载体而加速。一旦发射载体在壳体的内孔内加速，则发射载体可以通过将约束力施加至发射载体而减速，同时柱塞可以从发射载体至少部分地释放以继续朝向转换器移动，直到柱塞碰撞转换器为止。公开了一种操作压力波发生器的方法的示例。

Description

具有发射载体发射式柱塞的压力波发生器
技术领域
本公开总体上涉及一种用于在介质中产生压力波的压力波发生器。
背景技术
发射载体发射式射弹已经在火炮中使用了两百多年。发射载体的使用允许射弹从炮筒发射。一旦发射载体被使用，发射载体就在其离开炮筒时被丢弃并且随后被毁坏，在此刻，发射载体的功能结束并且发射载体发射式射弹被释放以在其弹道上继续行进。
压力波发生器可以用于产生压力波，压力波可以用于压缩介质，将压力波能的一部分传递至所述介质，由于压力波能的集中而在介质中产生能量和/或引发介质中的化学反应或物理变化。该介质可以为固体、液体、气体和/或等离子体。
可以使用各种方法以将压力波发送到在介质中，例如在联接至介质的表面上施加直接的机械碰撞、爆震、***、电火花、强辐射光束、振荡和放大过程等。
在其全部内容均通过参引并入本文中的共同所有的美国专利申请公报No.2010/0163130和国际专利申请(PCT)公报No.WO2012/113057中描述了压力波发生器的示例。这两篇公报描述了用于在介质中产生压力波(或多个压力波)的压力波发生器的示例。在任意这些公报中描述的示例压力波发生器、发生器的部件或者用于操作发生器的方法的任意示例可以与本文中描述的压力波产生装置和方法的实施方式一起使用。压力波可以用于对介质进行压缩并且使介质的温度、压力、能量和/或密度增大。压力波可以通过加速柱塞在联接至介质的转换器上的机械碰撞而产生。转换器可以将可移动柱塞的动能至少部分地转换成介质中的压力波。
位于压力波发生器中的柱塞可以由热处理钢制成并且具有机加工到柱塞上用作支承环、密封件、控制杆、控制杆附接件和其他装置的零件。这些零件的生产可能是复杂的，这些件可能干扰柱塞的一致性，并且这些件可能在拐角和腔中引入应力集中，从而导致柱塞使用的过早失效。这些零件还可能使柱塞的热处理复杂化，这会导致柱塞的失效，例如柱塞的热破裂。
发明内容
在一方面中，提供了一种用于在介质中产生压力波的压力波发生器。该压力波发生器包括壳体、柱塞、发射载体、碰撞表面、用于使发射载体加速的加速装置以及用于使发射载体减速的减速装置。该壳体具有内孔、第一端部和第二端部。该发射载体以可释放的方式承载柱塞并且能够在壳体的内孔内从第一端部朝向第二端部移动。该碰撞表面联接至介质且该碰撞表面位于壳体的第二端部处并且与内孔连通。用于使发射载体加速的加速装置构造成使承载柱塞的发射载体朝向碰撞表面加速。用于使发射载体减速的减速装置构造成通过将约束力施加至发射载体而使发射载体减速，使得当发射载体减速时，柱塞被向前发射到发射载体的前方，使得柱塞在柱塞碰撞碰撞表面时与发射载体至少部分地分开。
在一方面中，柱塞的质量大于发射载体的质量，使得在加速期间，施加至柱塞的动力不会使柱塞加速到发射载体前方，而当柱塞减速时，施加至柱塞的动力将使柱塞发射到发射载体的前方。
在另一方面中，发射载体为具有基部和从该基部延伸的侧壁的杯形形状，以限定内腔，柱塞***穿过内腔。发射载体的内腔定形并定尺寸成接纳柱塞，使得柱塞的第一表面能够接触发射载体的基部。
在一方面中，用于使承载柱塞的发射载体加速的加速装置包括增压流体源。压力波发生器的壳体包括与增压流体源以及与内孔的位于第一端部与发射载体之间的一部分流体连通的一个或更多个孔口，使得增压流体可以传送到内孔中，以使承载柱塞的发射载体朝向壳体的第二端部加速。
发射载体还包括形成在其中的一个或更多个孔口，以允许增压流体流动穿过所述一个或更多个孔口并且接触柱塞，使得增压流体可以在发射载体减速时使柱塞继续加速。
在一方面中，提供锁定装置以在锁定装置接合柱塞时将柱塞锁定至发射载体以及在锁定装置与柱塞断开时将柱塞从发射载体释放。
锁定装置可以包括安装至发射载体的电磁体以及与电磁体电连通的电源。当打开电源时，电磁体被激励，从而产生将柱塞紧固至发射载体的磁场。当关闭电源时，电磁体去激励，使得柱塞远离发射载体释放。
电源可以通过电源线电联接至电磁体。压力波发生器可以包括联接至发射载体的控制杆。控制杆构造成容置电源线。
在又一方面中，锁定装置包括流体联接至发射载体中的孔口的真空源，以在打开真空源时在发射载体的腔中形成真空，从而将柱塞吸至发射载体。
在一方面中，压力波发生器包括控制单元，该控制单元用于控制锁定装置以及用于使发射载体加速及减速的加速装置和减速装置。该控制单元配置成操作用于加速及减速的加速装置和减速装置，使得在约束力施加至发射载体并且柱塞与发射载体至少部分地分开之后，发射载体继续向前移动以在碰撞点处重新接合柱塞。控制单元配置成操作用于加速及减速的加速装置和减速装置，使得发射载体朝向碰撞点减速的速度小于柱塞朝向碰撞表面加速的速度。控制单元还操作用于使承载柱塞的发射载体返回至壳体的第一端部的装置以用于再次发射。
在另一方面，提供了一种具有柱塞和发射载体的装置，该发射载体构造成沿着路径以可释放的方式承载柱塞。该装置还包括锁定装置、用于使承载柱塞的发射载体加速的加速装置、用于使发射载体减速的减速装置、位置传感器以及控制单元，其中，该锁定装置在锁定装置接合柱塞时将柱塞锁定至发射载体并且在锁定装置与柱塞断开接合时将柱塞从发射载体释放，用于使发射载体减速的减速装置将柱塞向前发射到发射载体的前方，使得柱塞与发射载体至少部分地分开，该位置传感器配置成检测发射载体在路径上的位置，该控制单元控制柱塞的发射。该控制单元与位置传感器、锁定装置、用于使发射载体减速的减速装置通信，并且该控制单元配置成根据从位置传感器接收的位置信号来确定发射载体的位置。当发射载体到达特定位置时，控制单元向锁定装置发送用以释放柱塞的信号，并且向用于使发射载体减速的减速装置发送用以将约束力施加至发射载体的信号，使得在发射载体减速的同时柱塞被向前发射并且与发射载体至少部分地分开。
发射载体继续向前移动以在碰撞点处重新接合柱塞。该控制单元还配置成操作用于使承载柱塞的发射载体返回至起始位置的装置以用于再次发射。
在一方面中，提供了一种用于在介质中产生压力波的方法。该方法包括使以可释放的方式承载柱塞的发射载体朝向联接至介质的碰撞表面加速，随后在到达碰撞表面之前使发射载体减速，从而使柱塞与发射载体分开，并且柱塞朝向碰撞表面行进，直到柱塞碰撞到碰撞表面为止；朝向碰撞点驱动发射载体以与柱塞重新接合；以及使承载柱塞的发射载体返回至起始位置以用于再次发射。
该方法还包括在发射载体的加速期间将柱塞锁定至发射载体以及在发射载体的减速期间使柱塞从发射载体解锁的步骤。
除上述的方面和实施方式之外，另外的实施例和方面通过参照附图以及通过研究以下详细说明而变得明显。
附图说明
贯穿附图，可以重复使用附图标记来指示所参考的元件之间的一致性。提供附图以示出文中所描述的示例实施方式并且附图不意在限制本公开的范围。附图中元件的大小和相对位置不一定按比例绘制。例如，各种元件的形状和角度未按比例绘出，并且这些元件中的一些元件被恣意放大并定位以提高附图的易读性。
图1为压力波发生器的示意性地示出了发射载体和***到发射载体的腔中的柱塞的示例的局部截面图。
图2为图1的压力波发生器的示意性地示出了位于起始位置的承载柱塞的发射载体的示例的截面图。
图3为图1的压力波发生器的示出了朝向碰撞表面正加速的承载柱塞的发射载体的示例的截面图。
图4为图1的压力波发生器的示出了发射载体减速同时柱塞被朝向碰撞表面向前发射的示例的截面图。
图5为图1的压力波发生器的示出了柱塞在碰撞点处碰撞碰撞表面以及发射载体朝向柱塞缓慢减速的示例的截面图。
图6为图1的压力波发生器的示出了发射载体在碰撞点处重新附接柱塞的示例的截面图。
图7为图1的压力波发生器的示出了柱塞被锁定在发射载体内以及承载柱塞的发射载体从碰撞位置朝向起始位置缩回的示例的截面图。
具体实施方式
本公开描述了具有单个发射载体2的柱塞1，该发射载体2可以用作柱塞的承载件。诸如轴承、密封件、杆附接件之类的某些零件和/或其他件可以机加工到发射载体2中，使得柱塞1可以为以更低的成本制造的、更容易被热处理的、更耐用的简单的几何形状(由于柱塞中不存在拐角或腔，因此不存在拐角和腔中的应力集中)。另外，柱塞可以在万一发生损坏的情况下被快速且容易地更换而不干扰发射载体或附接至发射载体的装置。发射载体2可以用于沿着管或筒朝向碰撞表面发射柱塞1。在碰撞前的短距离处，柱塞1可以从发射载体2释放以继续柱塞的运动，直到发生碰撞为止。发射载体2不被丢弃并且可以用于随后的柱塞缩回以及另外的发射/缩回循环。
由发射载体2加速并发射的柱塞1的示例在图1中示出。柱塞1可以具有不带有机加工到其上的零件的简单的圆柱形状。柱塞1可以具有第一前表面6和第二后表面7。例如，柱塞1为此可以具有直径为约50mm至500mm、质量为约5kg至200kg以及高度为约50mm至500mm的圆柱形的本体或者任何其他适合的形状。本领域的技术人员将理解的是，柱塞1可以具有可以构造成由发射载体2承载的任何其他形状和/或尺寸。柱塞1可以由刚性材料例如金属制成。可以使用各种材料来制造柱塞1和/或发射载体2。例如，可以使用具有足够的强度以抵抗碰撞的任何锻钢来制造柱塞1和/或发射载体2。由于发射载体2为非碰撞部件，因此发射载体2可以由不同的、较廉价的材料制成。
在一个实施方案中，发射载体2可以为薄且轻的，使得发射载体2的质量可以小于柱塞1的质量。发射载体2可以具有杯形本体以及敞开的顶部，其中，该杯形本体具有基部3和从基部3延伸的环形侧壁4。基部3和侧壁4可以形成内腔5，柱塞1可以***并定位到内腔5中。腔5可以构造成使得柱塞1可以定位在其中，从而使得柱塞的后表面7可以压靠基部3。一旦柱塞1***腔5内，柱塞1就可以在发射载体2由于驱动发射载体2向前的加速力而加速期间保持在腔5中。一旦发射载体2减速，柱塞1由于其惯性就可以被向前发射。
发射载体2还可以包括用于将柱塞1以可释放的方式紧固到腔5中的装置。在图1至图7中示出的实施方案中，可以使用电磁体8将柱塞1锁定在发射载体2的腔5内的固定位置中。电磁体8可以安装在发射载体2的基部3处。电磁体8可以由电源(未示出)通过电力管道例如电源线9激励。当打开电源时，电磁体8可以被激励，从而产生能够将柱塞1锁定在发射载体2的腔5内的固定位置中的磁场。当关闭电源时，电磁体8去激励并且柱塞1可以从发射载体2释放并移出。在一个实施方案中，柱塞1可以通过在腔内提供真空使得柱塞1可以被吸住并紧紧地压靠底壁3的内表面而紧固在腔5内的固定位置中。例如，真空泵(未示出)可以安装在基部3处，并且发射载体2可以包括一个或更多个孔口，使得真空泵通过这些孔口与内腔5连通。当打开真空泵时，柱塞1通过吸力保持在腔5内的固定位置中，而当关闭真空泵时，柱塞可以被释放离开腔5。在另一实施方案中，柱塞1可以利用钩、保持环、销或任何其他紧固件或者构造成将柱塞1以可拆卸的方式紧固至发射载体2的紧固件的组合机械地紧固至发射载体2。
发射载体还可以包括用来控制发射载体2的加速的控制杆10。控制杆10可以连接至发射载体2的基部3。制动机构(未示出)可以构造成将约束力施加至控制杆10。因此，控制杆10可以提供下述表面：例如制动件提供的约束力可以施加在该表面上。制动机构可以包括磁性涡流制动件、摩擦制动件等。控制杆10可以为中空的，并且可以适于容置至电磁体8的电源线9。另外，控制杆10可以用于通过采取例如在其全部内容通过参引并入本文中的美国专利申请公报No.2010/0163130中描述的光学线性编码器来监测发射载***置。在不限制本发明范围的情况下，可以使用诸如光干涉仪、微波干涉仪和磁线性编码器之类的其他装置来测量发射载体2和/或柱塞1的位置。
在一个实施方案中，控制杆10可以被省略。在这种情况下，发射载体可以通过向发射载体2(例如，发射载体周围的永磁体)直接施加磁力来减速。
发射载体2还可以包括安装在环形壁4的外表面和/或内表面处的一个或更多个支承环11和一个或更多个密封环12。发射载体2和柱塞1可以***到压力波发生器的壳体16的孔14中。压力波发生器20的壳体16(图2)可以为限定内孔14的圆筒形状。这为仅说明性的并且并非限制性的，并且壳体16、内孔14、发射载体2和柱塞1可以具有任何其他形状(例如，不同的横截形状)。
图2示出了在图1中部分地示出的压力波发生器20的实施方式的截面图。壳体16可以包括第一端部21和第二端部22。壳体16的第一端部21可以至少部分地封闭，并且控制杆10可以至少部分地在壳体16的第一端部21的外侧突出。壳体16的第二端部22可以为敞开端部，转换器24可以安装到该敞开端部中。转换器24可以包括前表面25和碰撞(后)表面26。转换器24的前表面25可以联接至可以产生压力波的诸如固体、液体、气体和/或等离子体之类的介质。转换器24的碰撞表面26面向壳体的内孔14以及柱塞1的前表面6。在一个实施方案中，转换器24可以以可滑动的方式容置到壳体的第二端部22中，使得转换器24能够在由柱塞1碰撞期间相对于壳体16的第二端部22略微轴向地移位。转换器24还包括保持机构(未示出)，该保持机构可以在由柱塞1碰撞时防止转换器24移动到介质中。在另一实施方案中，转换器24可以被省略，并且碰撞表面26可以为壁，例如包括可以产生压力波的介质的室的壁或者这种介质的壁。
发射载体2和柱塞1可以在内孔14内从第一端部21沿着孔轴线15朝向转换器24加速。发射载体2可以通过例如压缩流体加速或者通过诸如轨道炮、线性马达或线性感应等电力地加速。在图2中示出的压力波发生器20的示例中，承载柱塞1的发射载体2可以利用压缩流体作为驱动力来加速。这意在仅说明性而非限制性的，并且在不背离本发明的范围的情况下可以使用任何其他适合的电驱动力、气动驱动力和/或液压驱动力。
图2中示出的压力波发生器20的示例可以包括形成在壳体16的第一端部21处的一个或更多个流体孔口28，内孔14与增压流体源例如压力容器(未示出)通过所述一个或更多个流体孔口28连通。压力容器可以存储增压流体(例如，气体)，该增压流体可以流动穿过孔口28进入发射载体2后面的空间以使承载柱塞1的发射载体2沿着孔的轴线15朝向转换器24加速。在利用压缩流体作为驱动力的压力波发生器的实施方式中，发射载体2的基部3中可以形成有一个或更多个孔口17，使得增压流体可以流动穿过孔口17以接触柱塞1。当约束力施加至发射载2以使发射载体2减速时，增压流体可以在发射载体2减速时使柱塞1继续加速。孔口17可以沿着基部3的中央部、例如在电磁体8周围形成。基部3的边缘可以没有任何孔口或凹部，从而形成实心边缘3a。发射载体2可以为薄且轻的，使得较小的约束力可以提供使发射载体2减速以及使柱塞1发射所需的量。在一些实施方式中，发射载体2的质量可以小于柱塞1的质量。当压缩流体穿过孔口28提供在发射载体后方时，承载柱塞的发射载体将以与所施加的驱动力成比例的速度加速。由于发射载体的质量小于柱塞的质量，因此，穿过孔口17向柱塞施加的力将不会使柱塞1加速超过发射载体2。柱塞1可以在发射载体2的加速期间保持在发射载体2的腔5内。当约束力例如通过将制动施用于杆10或发射载体2而施加至发射载体2时，发射载体2将开始减速并且柱塞1可以向前发射，使得柱塞7的第二表面7与基部3分开(见图4)。发射载体2不会停止，而会继续朝向壳体的第二端部22缓慢向前移动。发射载体在其减速期间向前移动的速度远远小于柱塞1的速度，使得当柱塞1碰撞碰撞表面26时，发射载体2与碰撞表面26以及壳体16的第二端部22分开并且发射载体2远离碰撞表面26以及壳体16的第二端部22。
在压力波发生器20的一些实施方案中，可以设置控制单元(未示出)来控制柱塞发射的正时。可以精确地测量和/或控制柱塞发射的正时以提供与转换器24碰撞的正时的改进的控制。在用于朝向转换器24发射柱塞1的方法的一个示例中，增压流体可以引到发射载体2的后面，同时发射载体2通过将约束力施加至发射载体2或控制杆10而保持在稳定的位置中。在发射时，可以迅速地释放约束力并且增压流体的力可以使承载柱塞1的发射载体2朝向转换器24加速。在一个实施方式中，增压流体可以供给到发射载体2后面的容积(位于基部3与壳体16的第一端部21之间)中，同时发射载体通过所施加的约束力而保持稳定在适当位置。柱塞1可以通过激励电磁体8而锁定在腔5内。随后，可以释放约束力，并且位于发射载体后面的容积中的增压流体可以提供动力以使发射载体2加速。孔口28的尺寸和位置和/或发射载体后面的容积可以根据壳体16、发射载体2、柱塞1和所需的驱动力的大小而改变。例如，如在其全部内容通过参引并入本文中的国际专利申请(PCT)公开No.WO2012/113057中详细描述的，孔口28中的一些孔口可以靠近壳体16的第一端部21绕壳体16地定位。
在图2中示出的实施方式中，承载柱塞1的发射载体2位于最初的起始位置中。在最初的位置中，电磁体8可以通过触发电源被激励，从而将柱塞1锁定到发射载体2的腔5中。壳体16的内孔14可以通过泵送***(例如，利用定位在壳体16的第二端部22附近的一个或更多个孔口29)抽真空，从而在柱塞1前面的孔14中形成至少部分的真空区域。在一些实施方案中，内孔14可以通过泵送***至少部分地抽真空，使得内孔内的压力相对于环境压力被减小。
图3示意性地示出了具有朝向转换器24加速的发射载体2以及柱塞1的压力波发生器20的示例。诸如例如压缩流体的驱动力可以施加在发射载体的后面，从而使承载柱塞1的发射载体2朝向转换器24加速。电磁装置8仍可以被激励，从而将柱塞1紧固到发射载体2中。在一个实施方案中，一旦发射载体2加速，电磁体8就可以通过关闭电源而去激励。由于向前加速，承载柱塞1的发射载体2朝向转换器24加速。当发射载体2处于孔14中的特定位置例如孔14的长度的2/3处或者碰撞表面26前的某一距离处(见图4)时，制动可以通过例如将制动力施加至控制杆/发射载体而施用于发射载体2，以使发射载体2减速。当发射载体2减速时，柱塞1由于其惯性以及穿过孔口17的压缩空气而朝向转换器24向前发射，直到柱塞1碰撞转换器24为止(见图5)。当柱塞1碰撞转换器24时，柱塞1将其动能的至少一部分传递至转换器24。在碰撞时，转换器可以被弹性地压缩并且可以将柱塞的动能至少部分地转变成介质中的压力波。当压力波与柱塞对转换器的较大的碰撞速度(例如，在一些情况下，速度比约10m/s更大)相关联时，这些波可以产生局部压力，这些局部压力在发生器20的一些实施方案中可能超过1GPa。在一些实施方案中，转换器24可以至少部分地轴向移位到介质中。发射载体2继续向前缓慢地移动，直到发射载体2又重新接合柱塞1为止(见图6)。
柱塞1的加速和发射可以通过控制用于使发射载体2加速及减速的装置例如制动件及驱动***(例如，增压流体)以及在一些实施方案中通过控制锁定装置(例如，电磁体8的动力驱动件)而精准地控制。控制***可以包括一个或更多个处理器、控制器、通用或专用计算硬件。在各种实施方案中，控制***可以控制发射载体2的加速、柱塞1的发射、柱塞1与转换器24之间的碰撞正时和/或可以针对在发生器20内的发射载体/柱塞的运动的至少一部分而控制发射载体2和/或柱塞1的速度和/或位置。在一个实施方案中，控制***可以接收来自位置传感器(例如，编码器)的发射载体的位置信号作为输入，并且控制***可以将输出信号发送至制动件以使发射载体2减速，并且将输出信号发送至锁定装置以将柱塞1断开，从而朝向碰撞表面26发射柱塞1。控制***可以对例如所施加的驱动力、所施加的制动力等进行调节以调节发射时间、碰撞力和/或碰撞时间。控制***可以包括一个或更多个计算机可读存储介质或者与所述一个或更多个计算机可读存储介质通信，所述一个或更多个计算机可读存储介质可以用于永久地或以其他方式存储控制信息。控制单元还可以控制用于使承载柱塞的发射载体返回至起始位置的装置以用于再次发射。例如，返回装置可以包括增压流体源以及一个或更多个流体孔口——例如形成在壳体16的第二端部22处的孔口29。在一种操作模式中，孔口29可以与增压流体源流体连通，而在另一种操作模式中，如上文中所述的，孔口29可以与泵送***流体连通以将内孔14抽真空。增压流体可以传送到位于转换器24与发射载体之间的内孔中以驱动承载柱塞的发射载体返回到靠近壳体16的第一端部的起始位置。控制单元可以将信号发送至返回装置以打开孔口29与增压流体源之间的连通(例如，打开阀)，从而允许增压流体流动以将承载柱塞的发射载体推动至发射载体的起始位置。当启动返回装置时，孔口28(形成在第一端部处)可以用于使在发射载体的加速期间先前注入的增压流体排出。一旦承载柱塞1的发射载体2位于起始位置，控制单元就可以关闭孔口29与增压流体源之间的阀。随后，控制单元可以将信号发送至泵送***以将压力波发生器20的内孔14抽真空。在一些实施方案中，返回装置可以包括机械手/钩，该机械手/或钩与马达通信，使得该手可以接合发射载体并且将发射载体拉动/推动回至起始位置。在另一实施方案中，返回装置可以包括轨道跑，以使承载柱塞的发射载体缩回至起始位置。
在一些操作方法中，当压力波发生器20位于起始位置时，承载柱塞1的发射载体2可以位于图2中示意性地示出的位置，其中，柱塞1定位在发射载体2内。当位于起始位置时，控制***可以将信号发送至例如电磁体8的锁定装置以及制动件，以相应地将柱塞1锁定至发射载体2并将制动力施加至发射载体2。控制***随后可以将信号发送至驱动***以例如使一个或更多个阀打开，从而供给来自压力容器的增压流体。孔14的位于转换器24与柱塞1之间的空间可以例如通过靠近壳体16的第二端部22定位的一个或更多个孔口29被至少部分地抽真空。在期望的时候，控制***可以向制动件发信号以减小或消除约束力，并且承载柱塞的发射载体可以沿孔14朝向转换器24加速。位置传感器可以将关于发射载体在孔14内的位置的信号发送至控制***。在发射载***于孔内的某一位置处，控制***可以向制动件发信号以将约束力施加至发射载体2或控制杆10，并且控制***可以关闭电磁体的电源以使电磁体8去激励。施加制动力的正时取决于发射载体的速度、约束力、发射载体距碰撞表面的距离等，并且施加制动力的正时可以通过控制单元来确定。在一些实施方案中，控制单元可以实时确定发射参数(正时、速度轨迹)。当发射载体2由于所施加的约束力而减速时，柱塞1可以朝向转换器24继续移动，直到柱塞1碰撞转换器24的碰撞表面26为止，从而将柱塞1的动能传递至转换器24并且在联接至转换器24的介质中产生压力波。当约束力施加至发射载体2并且因此发射载体2开始减速时，柱塞1可以至少部分地远离发射载体2的基部3继续移动，直到柱塞1碰撞转换器24为止(见图5)。
在碰撞之后，减速的发射载体2可以继续沿着轴线15朝向转换器缓慢地减速，直到柱塞1再一次完全***腔5内并且柱塞的后表面7压靠基部3为止(见图6)。一旦柱塞1定位在腔5内，控制单元就可以激活锁定装置以及用于使承载柱塞的发射载体返回到靠近壳体16的第一端部21的最初起始位置的装置。承载柱塞的发射载体可以通过将驱动力施加至发射载体2和/或柱塞1而返回至起始位置。驱动力可以为施加至发射载体2和/或控制杆10的机械力、气动力、液压力或电力。在图7中示出的示例中，承载柱塞的发射载体可以通过使压缩流体穿过一个或更多个孔口29而返回至起始位置，而孔口28可以用于使先前注入到发射载体后面的压缩流体排出。一旦承载柱塞的发射载体2返回至起始位置，压力波发生器20的内孔14就可以被抽真空。在一个实施方案中，承载柱塞1的发射载体2可以通过利用某种机械装置(未示出)将发射载体2推回或者拉动发射载体2而返回至靠近壳体16的第一端部21的发射载体2的起始位置。在不背离本发明的范围的情况下，可以使用任何其他机械、电动或气动装置来使承载柱塞的发射载体返回至发射载体的起始位置。
在操作压力波发生器20的一些方法中，柱塞1可以以连续“射击”的方式反复碰撞在转换器24上。可能需要对柱塞的射击正时、速度(或动能或动量)等进行校正。在一些情况下，为了对柱塞1在转换器24上的连续射击进行校正，柱塞1碰撞转换器24的时刻、柱塞的发射时间、发射载体和/或柱塞的速度轨迹会被精准地确定。
公开了发射载体发射式柱塞***的实施方式。任何发射载体发射式柱塞***的实施方式可以与压力波发生器的实施方式一起使用。压力波发生器的实施方式可以用于将压力波传递到任何适合的介质(例如，固体、液体、气体和/或等离子体)中。在一些实施方案中，压力波发生器可以用作用于冲压、压纹、弯曲、翻边、压印、冲裁、冲孔或加工诸如例如金属的材料(例如，金属加工)的压力机。在一些实施方案中，介质包括液体、气体或者液体和气体的混合物。在一些这种实施方案中，介质包括液体金属，例如液体铅或液体铅和锂的混合物。压力波发生器可以用于在介质中产生压力波，压力波可以使介质的压力、温度、能量和/或密度升高，并且压力波可以使介质中的化学反应速率增大。例如，压力波发生器的实施方式可以用于控制气动发动机中的柱塞(例如，蒸汽发动机)。文中公开的压力波发生器的实施方式可以用于产生由声能的集中引起的其他能量形式。这些能量形式可以用于产生局部热点、紫外(UV)射线、x射线、医学同位素、中子、聚变以及由这些声能转换及集中形成的副产品。例如，压力波发生器的一些实施方式可以用于使包括介质(例如液体铅或液体铅-锂)的核反应室中的压力增大，使得核反应速率增大足以通过聚变反应提供中子的生成或能量的生成。
尽管已经示出并描述了本公开的具体元件、实施方式和应用，但应当理解的是，在不背离本公开的范围的情况下，尤其鉴于上述教示，可以作出修改，因此本公开内容的范围不限于此。因此，例如，在本文中所公开的任何方法或过程中，构成方法/过程的动作或操作可以以任何适合的顺序执行，而不一定限于所公开的任何特定顺序。在各种实施方式中，元件和部件可以被不同地构造或设置，组合和/或消除。上述各种特征和过程可以相互独立地使用，或可以以各种方式组合。所有可能的组合和子组合意在落入本公开的范围内。贯穿本公开内容，对“一些实施方式”、“实施方式”等的参考意味与该实施方式结合所描述的具体特征、结构、步骤、过程或特性包括在至少一个实施方式中。因此，贯穿本公开内容的短语“在一些实施方式中”、“在实施方式中”等的出现不一定都指的是同一实施方式，而可以指相同或不同的实施方式中的一个或更多个实施方式。实际上，本文中所描述的新颖的方法和***可以以各种其他形式来实现；此外，在不背离本文中所描述的本发明的精神的情况下，可以作出本文中以实施方式的形式描述的各种省略、添加、替代、等同、重新布置和变化。
在适当的情况下描述了实施方式的各个方面和各种优势。应当理解的是，并不一定所有这样的方面或优势可以根据任何特定的实施方式实现。因此，例如，应当认识到，可以以如本文中所教示的实现或优化一个优势或一组优势的方式来实施各种实施方式，而不一定如本文中所教示的或本文中所提出的那样实现其他方面或优势。
除非另外具体陈述或在所使用的背景下以其他方式理解，否则本文中所使用的条件语言如其中“能够”、“能”、“会”、“可以”、“例如”等通常意在表达某些实施方式包括而其他实施方式不包括某些特征、元件和/或步骤。因此，这样的条件语言通常不意在暗示一个或更多个实施方式以任何方式需要的特征、元件和/或步骤或者一个或更多个实施方式必须包括用于通过或不通过操作者输入或提示来确定这些特征、元件和/或步骤是否包括在任何特定实施方式中或在任何特定实施方式中被执行的逻辑。对于任何特定实施方式，不认为单个特征或特征组是必须或必不可少的。术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义的，并且以开放式方式包括性地使用，而不排除另外的元件、特征、动作、操作等。另外，术语“或”以其包括性含义(而非以其排除性含义)被使用，使得当用于例如连接元件列表时，术语“或”意为列表中的一个、一些或全部元件。
除非另外具体地陈述，否则例如短语“X、Y和Z中的至少一者”的条件语言根据上下文理解为通常用于传达术语、物品等可以为X、Y或Z。因此，这种连接语言通常不意在暗示某些实施方式要求X中的至少一者、Y中的至少一者以及Z中的至少一者各自都存在。
本文中所描述的实施方式的示例计算、模拟、结果、曲线、值和参数意在说明而非限制所公开的实施方式。其他实施方式可以以与本文中所描述的说明性示例不同的方式构造和/或操作。实际上，文中描述的新颖方法和装置可以以各种其他的形式实施；此外，在未背离本文中所公开的发明的精神的情况下，可以作出文中以方法和***的形式描述的各种省略、替代和改变。

Claims (21)

1.一种用于在介质中产生压力波的压力波发生器，所述压力波发生器包括：
柱塞，所述柱塞具有本体和纵向轴线，所述本体具有第一表面和第二表面，所述纵向轴线位于所述第一表面与所述第二表面之间；
壳体，所述壳体具有内孔、第一端部和第二端部；
发射载体，所述发射载体能够在所述内孔内移动，并且所述发射载体构造成在所述内孔内从所述第一端部沿所述内孔的纵向轴线朝向所述第二端部以可释放的方式承载所述柱塞；
碰撞表面，所述碰撞表面联接至所述介质，并且所述碰撞表面位于所述壳体的与所述内孔连通的所述第二端部处；
加速装置，所述加速装置用于使承载所述柱塞的所述发射载体朝向所述碰撞表面加速；以及
减速装置，所述减速装置用于通过将约束力施加至所述发射载体而使所述发射载体减速，从而将所述柱塞向前发射到所述发射载体的前方，使得所述柱塞在所述柱塞碰撞到所述碰撞表面时与所述发射载体至少部分地分开。
2.根据权利要求1所述的压力波发生器，其中，所述发射载体的质量小于所述柱塞的质量。
3.根据权利要求1所述的压力波发生器，其中，所述发射载体包括杯形壳体，所述杯形壳体具有基部和从所述基部延伸的侧壁以限定内腔，所述柱塞***穿过所述内腔，所述内腔定形状并定尺寸成接纳所述柱塞，使得所述柱塞的所述第二表面能够接触所述发射载体的所述基部。
4.根据权利要求2所述的压力波发生器，其中，用于使所述发射载体加速的所述加速装置包括增压流体源，并且所述壳体包括一个或更多个流体孔口，所述一个或更多个流体孔口与所述增压流体源流体连通并与所述内孔的位于所述第一端部与所述发射载体之间的部分流体连通，使得增压流体能够被传送到所述内孔中并且使承载所述柱塞的所述发射载体朝向所述壳体的所述第二端部加速。
5.根据权利要求4所述的压力波发生器，其中，在所述发射载体中还形成有一个或更多个孔口，以在所述发射载体减速时允许所述增压流体流动穿过所述一个或更多个孔口并接触所述柱塞，从而使所述柱塞继续加速。
6.根据权利要求1所述的压力波发生器，其中，用于使所述发射载体加速的所述加速装置包括多个传导轨道和与所述传导轨道电连通的电源，承载所述柱塞的所述发射载体为在所述传导轨道之间的滑动电枢。
7.根据权利要求1所述的压力波发生器，还包括锁定装置，所述锁定装置用以在所述锁定装置接合所述柱塞时将所述柱塞锁定至所述发射载体且在所述锁定装置与所述柱塞断开接合时将所述柱塞从所述发射载体释放。
8.根据权利要求7所述的压力波发生器，其中，所述锁定装置包括安装至所述发射载体的电磁体和与所述电磁体电连通的电源，其中，当打开所述电源时，所述锁定装置与所述柱塞接合，且当关闭所述电源时，所述锁定装置与所述柱塞断开接合。
9.根据权利要求8所述的压力波发生器，其中，所述电源通过电源线电联接至所述电磁体，并且所述压力波发生器还包括联接至所述发射载体的控制杆，其中，所述控制杆的至少一部分设置在所述壳体的所述内孔中，所述控制杆构造成容置所述电源线。
10.根据权利要求7所述的压力波发生器，其中，所述发射载体包括内腔，所述柱塞***到所述内腔中，所述发射载体包括与所述内腔连通的孔口，并且所述锁定装置包括真空源，所述真空源流体联接至所述发射载体中的所述孔口，并且所述真空源能够操作成在打开所述真空源时在所述内腔中产生真空，从而将所述柱塞吸至所述发射载体。
11.根据权利要求9所述的压力波发生器，其中，用于使所述发射载体减速的所述减速装置包括能够与所述控制杆接合的制动件。
12.根据权利要求1所述的压力波发生器，还包括泵送***，所述泵送***与所述壳体的所述内孔的位于所述碰撞表面与所述柱塞之间的部分流体连通，并且所述泵送***能够操作成减小所述壳体的所述内孔的所述部分中的压力。
13.根据权利要求1所述的压力波发生器，还包括控制单元，所述控制单元控制用于使所述发射载体加速及减速的所述加速装置和所述减速装置，所述控制单元配置成操作所述加速装置和所述减速装置，使得在所述约束力施加至所述发射载体并且所述柱塞与所述发射载体至少部分地分开之后，所述发射载体继续向前移动以在碰撞点处重新接合所述柱塞，所述发射载体朝向所述碰撞表面减速运动的速度比所述柱塞被朝向所述碰撞表面发射的速度更小，并且所述控制单元配置成操作用于使承载所述柱塞的所述发射载体返回至所述壳体的所述第一端部的装置以用于再次发射。
14.一种设备，包括：
柱塞；
发射载体，所述发射载体构造成沿着路径以可释放的方式承载所述柱塞；
锁定装置，所述锁定装置用以在所述锁定装置接合所述柱塞时将所述柱塞锁定至所述发射载体且在所述锁定装置与所述柱塞断开接合时将所述柱塞从所述发射载体释放；
加速装置，所述加速装置用于使承载所述柱塞的所述发射载体加速；
减速装置，所述减速装置用于通过将约束力施加至所述发射载体而使所述发射载体减速，从而将所述柱塞向前发射到所述发射载体的前方使得所述柱塞与所述发射载体至少部分地分开；
位置传感器，所述位置传感器配置成检测所述发射载体在所述路径中的位置，并且所述位置传感器配置成产生表示所述发射载体的所述位置的位置信号；以及
控制单元，所述控制单元控制所述柱塞的发射，所述控制单元与所述位置传感器、锁定装置以及用于使所述发射载体减速的所述减速装置通信，并且所述控制单元配置成根据所述位置信号确定所述发射载体的所述位置，且所述控制单元配置成在所述发射载体到达特定位置时向所述锁定装置发送信号以释放所述柱塞，并且向用于使所述发射载体减速的所述减速装置发送信号以将约束力施加至所述发射载体，使得所述柱塞被向前发射并且与正减速的发射载体至少部分地分开。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述控制单元配置成操作所述加速装置和所述减速装置，使得所述发射载体继续向前移动以在碰撞点处重新接合所述柱塞，所述控制单元还配置成操作用于使承载所述柱塞的所述发射载体返回至起始位置的装置以用于再次发射。
16.根据权利要求14所述的设备，其中，所述发射载体的质量小于所述柱塞的质量。
17.根据权利要求14所述的设备，其中，所述发射载体包括杯形壳体，所述杯形壳体具有基部和从所述基部延伸的侧壁以限定内腔，所述柱塞***穿过所述内腔，所述内腔定形状并定尺寸成接纳所述柱塞，使得所述柱塞能够接触所述发射载体的所述基部。
18.根据权利要求14所述的设备，其中，所述锁定装置包括安装至所述发射载体的电磁体以及与所述电磁体电连通的电源，其中，当打开所述电源时，所述锁定装置与所述柱塞接合，且当关闭所述电源时，所述锁定装置与所述柱塞断开接合。
19.根据权利要求14所述的设备，其中，所述发射载体包括内腔以及与所述内腔连通的孔口，所述柱塞***到所述内腔中，并且所述锁定装置包括真空源，所述真空源流体联接至所述发射载体中的所述孔口以在打开所述真空源时在所述内腔中产生真空，从而将所述柱塞吸至所述发射载体。
20.一种用于在介质中产生压力波的方法，所述方法包括：
使以可释放的方式承载柱塞的发射载体朝向联接至介质的碰撞表面加速；
使所述发射载体在到达所述碰撞表面之前减速，从而使所述柱塞与所述发射载体分开并朝向所述碰撞表面行进，直到所述柱塞与所述碰撞表面接触；
朝向碰撞点驱动所述发射载体以重新接合所述柱塞；以及
使承载所述柱塞的所述发射载体返回至起始位置以用于再次发射。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括在所述发射载体的加速期间将所述柱塞锁定至所述发射载体以及在减速期间将所述柱塞从所述发射载体解锁。
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