專利名稱:用于引燃氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明主要地涉及用于引燃氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物的系 統(tǒng)和方法。具體而言,本發(fā)明涉及控制在管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)流動的氣態(tài)或者擴散 式燃料-氧化劑混合物的引爆。
背景技術(shù):
用于引燃氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物的現(xiàn)有系統(tǒng)和方法效率
低、成本高并且常常有危險。在內(nèi)燃引擎中使用的現(xiàn)^a^于火花塞的引燃 技術(shù)在燃燒循環(huán)之后會在此類引擎的汽缸中留有未用燃料并且需要使用 催化轉(zhuǎn)換器將有毒的燃燒副產(chǎn)物轉(zhuǎn)換成更安全的但是仍然造成向大氣中 排放危險污染物的副產(chǎn)物。另外,火花塞隨時間而性能降級,逸造成燃燒 效率越來越低并且因此燃料里程數(shù)越來越低而污染越來越大。因此希望有 一種用于在內(nèi)燃引擎中引燃燃料-氧化劑混合物的改進系統(tǒng)和方法。
主要為了在飛機和火箭引擎中使用而正在開發(fā)的脈沖引爆引擎技術(shù) 有望提供比內(nèi)燃引擎高得多的性能。然而,在這樣的脈沖引爆引擎中有使 用的燃料-氧化劑混合物引燃方法需要使用有危險并且成本高的燃料-氧 化劑混合物和大量能量以實現(xiàn)引爆。另夕卜,在這樣的引擎中產(chǎn)生的引爆的 定時和量值由于正在部署的引燃方法的限制而難以控制。這樣,也希望有 一種用于在脈沖引爆引擎中引燃燃料-氧化劑混合物的改進系統(tǒng)和方法。
發(fā)明內(nèi)容
簡而言之,本發(fā)明是一種用于引燃氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合 物的改進系統(tǒng)和方法。以所需流速將具有所需燃燒特征的燃料-氧化劑混 合物引入管狀結(jié)構(gòu)中。在一個示例實施例中,管狀結(jié)構(gòu)包括具有指定長度
和直徑的引爆器。通it^引燃點處在流動的燃料-氧化劑混合物內(nèi)引入火 花在引爆器內(nèi)引燃流動的燃料-氧化劑混合物。所得的引爆沖激繼續(xù)引燃 從引燃點到引爆器的退出端的流動燃料-氧化劑混合物。可以選擇燃料-氧 化劑混合物的燃燒特征和流速以控制引爆沖激的能量。
本發(fā)明提供一種用于引燃氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物的方 法,該方法包括以下步驟在具有填充點和開放端的引爆器的引爆器管內(nèi) 的引燃點放置引燃器;向填充點供應(yīng)退出開放端的氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物; 以及使用引燃器來引燃流動的氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化 劑混合物以產(chǎn)生從引燃點向引爆器管的開放端傳播的引爆沖激??梢栽谝?爆管內(nèi)部在引燃點之前或者在引燃點之后放置例如止回閥這樣的閥。引爆 沖激可以供應(yīng)到引爆管、內(nèi)燃引擎或者脈沖引爆引擎??梢曰谝艿?br>
氧化劑的質(zhì)量比。氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物可以是乙烷、甲烷、 丙烷、氫、丁烷、乙醇、乙炔、MAPP氣體、汽油和航空燃料或者一些 組合。燃料也可以是任何石油餾出物如石腦油、礦物油、煤油或者柴油或 者更復(fù)雜的原料如苯或者DEET??梢允褂糜|發(fā)機構(gòu)、固定邏輯或者控制 處理器來控制引燃器的定時。
本發(fā)明提供一種用于引燃氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物的系 統(tǒng),該系統(tǒng)包括引爆器和燃料-氧化劑混合物供應(yīng)子系統(tǒng)。引爆器包括 具有填充點和開放端的引爆器管;以;5Ut置于引爆器管內(nèi)引燃點處的引燃 器。燃料-氧化劑混合物供應(yīng)子系統(tǒng)向引爆器管的填充點供應(yīng)流過引爆器 管并且從其開放端退出的氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物。引燃器在 氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物流過引爆器管之時引燃氣態(tài)或者擴散 式燃料-氧化劑混合物,由此在引燃點產(chǎn)生向引爆器管的開放端傳播的引 爆沖激。該系統(tǒng)可以包括位于引爆管內(nèi)部在引燃點之前或者在引燃點之后 的閥、比如止回閥。該系統(tǒng)可以包括控制引燃器定時的定時控制機構(gòu)。定 時控制^可以A)Si發(fā)機構(gòu)、固定邏輯或者控制處理器。引燃器可以是高 電壓脈沖源、受觸發(fā)火花隙源、激光器或者爆絲。
本發(fā)明也提供一種包括引爆器管的引爆器,該引爆器管具有填充點和開放端以M置于所述引爆器管內(nèi)引燃點處的引燃器。向引爆管的填充點 供應(yīng)流過引爆器管并且從其開放端退出的氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混 合物。引燃器在氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物流過引爆器管之時因 繞氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物,由此在引燃點產(chǎn)生向引爆器管的 開放端傳播的引爆沖激。引爆器可以包括位于引爆管內(nèi)部的閥,比如止回 閥。
參照附圖描述本發(fā)明。在附圖中,相似的標號表示相同或者功能相似 的元件。此外,標號最左邊的數(shù)字標識該標號首次出現(xiàn)的附圖。
圖1A圖示了一個示例現(xiàn)有技術(shù)引爆管,該引爆管具有分離的燃料供 應(yīng)和氧化劑供應(yīng)、以及在管已經(jīng)填充之后在管的閉合端引燃燃料-氧化劑 混合物的火花塞;
圖1B圖示了第二示例現(xiàn)有技術(shù)引爆管,該引爆管具有燃料-氧化劑供 應(yīng)、以及在管已經(jīng)填充之后在管的閉合端引燃燃料-氧化劑混合物的火花
塞;
圖2A圖示了本發(fā)明的一個示例引爆管,該引爆管具有從燃料-氧化劑 混合物供應(yīng)接收燃料-氧化劑混合物并且在燃料-氧化劑混合物流入管中 時引燃燃料-氧化劑混合物的引爆器;
圖2B描繪了通it^氣體混合物的流內(nèi)產(chǎn)生電弧來工作的本發(fā)明引爆 器的第一實施例;
圖2C描繪了與圖2B中所示引爆器相似的本發(fā)明引爆器的第二實施 例,不同之處在于它包括分叉到主管中的兩個導(dǎo)體從而使火花長度隨著它 行進到主引爆管中而增加;
圖3A描繪了本發(fā)明引爆器的另一實施例的端視圖3B描繪了圖3A的引爆器的側(cè)視圖3C描繪了本發(fā)明引爆器的一個示例實施例,該引爆器包括用來控 制所供應(yīng)的燃料-氧化劑混合物的流量的止回閥,其中止回閥放置于引爆 器管中引燃點之前;
圖3D描繪了本發(fā)明引爆器的一個示例實施例,該引爆器包括用來控 制所供應(yīng)的燃料-氧化劑混合物的流量的止回閥,其中止回閥放置于引爆器管中引燃點之后;
圖3E描繪了可以與圖3C和3D中所示本發(fā)明引爆器的示例實施例 一起〗吏用的一個示例止回閥;
圖4描繪了一個示例逐級引爆管組合,由此直徑越來越大的管組合用 來放大引爆波;
圖5描繪了直徑跨it^大引爆波的管的長度而增加的一個示例引爆
管;
圖6圖示了管外圍逐漸收縮、然后逐漸擴大的管;
圖7A描繪了并排的第一引爆管和第二引爆管;
圖7B描繪了布置為使得引爆管組合的更大引爆管相互接觸的四個引 爆管組合;
圖7C描繪了直徑擴大的三個引爆管;
圖7D描繪了布置為類似于六邊形結(jié)構(gòu)的七個引爆管;
圖7E描繪了以圓形方式布置的十二個引爆管;
圖8描繪了具有第一直徑的三個引爆管連接到具有第二更大直徑的 更大引爆管以放大由更小管生成的組合脈沖的側(cè)視圖9提供了單獨引爆管的點燃定時如何在遠場中的單點處聚焦功率 的圖解;
圖10描繪了引爆4個引爆管的稀疏陣列以便引導(dǎo)過壓波使得它們在 所需位置組合;
圖11描繪了引爆4組引爆管的稀疏陣列以便引導(dǎo)過壓波使得它們在 所需位置組合;
圖12圖示了將7個引爆管的六邊形子陣列高效打包成共計224個引 爆管的組合陣列的一個例子;
圖13A-13L描繪了在常規(guī)四沖程(奧托循環(huán))引擎的每一工作循環(huán) 中在兩次曲柄旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)的進料、壓縮、燃燒和排氣沖程;
圖14描繪了使用本發(fā)明的引爆器來引燃燃料-氧化劑混合物的圖 13A-13L四沖程(奧托循環(huán))引擎的燃燒沖程的開始;
圖15描繪了使用本發(fā)明的兩個引爆器的一個示例汪克爾引擎;圖16描繪了具有使用本發(fā)明引爆器的四個脈沖引爆引擎的飛機翼的
橫截面圖17描繪了以使用本發(fā)明引爆器的多個脈沖引爆引擎為^ftb的一個 示例渦輪;以及
圖18描繪了可以用來為火箭提供推進的使用本發(fā)明引爆器的脈沖引 爆引擎的一個示例布置。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照其中示出本發(fā)明示例實施例的附圖更完全地具體描述本 發(fā)明。然而,本發(fā)明不應(yīng)理解為限于這里闡述的實施例;實際上,4C供實 施例是為了使本公開將是透徹和完整的并且將向本領(lǐng)域技術(shù)人員完全地 傳達本發(fā)明的范圍。相似的標號通篇指代相似的元件。
本發(fā)明提供一種用于生成和控制也稱為聲波或者聲脈沖的過壓波的 改進系統(tǒng)和方法。示例過壓波可以通過它們在0.1Hz到30KHz范圍中的 頻率來表征。該系統(tǒng)的^l是在一端開放的管內(nèi)引燃高能量、可爆炸氣態(tài) 或者擴散式燃料空氣或者燃料氧氣混合物,其中可以使用多種可燃燃料中 的任一種,包括乙烷、曱烷、丙烷、氫、丁烷、乙醇、乙炔、MAPP氣 體、汽油和航空燃料。燃料也可以是任何石油餾出物如石腦油、礦物油、 煤油或者柴油或者更復(fù)雜的原料如苯或者DEET。氣體混合物在管的閉合 端引爆,itit成引爆波沿著管的長度傳播,其中引爆端和引爆波作為it^ 波退出管的開放端。管在這里稱為引爆管,而引爆波在這里稱為引爆脈沖 或者沖激。
本發(fā)明第一個實施例包括至少一種引爆管裝置和用于控制引爆定時 的定時控制^J。引爆管裝置包括至少一個引爆管、至少一個引爆器和燃 料-氧化劑混合物供應(yīng)子系統(tǒng)。 一個或者多個引爆器可以與給定的引爆管 一起使用,而引爆器可以與多個引爆管一起使用。 一個或者多個火花引發(fā) 器與一個或者多個引爆器關(guān)聯(lián),其中單個火花引發(fā)器可在可以并聯(lián)或者串 聯(lián)的多個引爆管中引發(fā)火花,而多個火花引發(fā)器可以在單個引爆管中引發(fā) 火花。定時控制機構(gòu)控制一個或者多個引發(fā)器的定時。
火花引發(fā)器可以是高電壓脈沖源。作為對高電壓脈沖源的一種替代, 受觸發(fā)火花隙方式可以用作火花引發(fā)器。用于火花引發(fā)器的其它替代包括 激光器和爆絲。定時控制機構(gòu)可以是簡易觸發(fā)機構(gòu)、固定邏輯或者是更復(fù)雜的控制處 理器??刂铺幚砥饕部梢杂脕砜刂迫剂?氧化劑混合物供應(yīng)子系統(tǒng)的可變 M或者這樣的^可以固定。
燃料-氧化劑混合物供應(yīng)子系統(tǒng)維持燃料-氧化劑混合物的燃料與氧 化劑的所需質(zhì)量比和燃料-氧化劑混合物的所需流速??梢愿鶕?jù)引爆器的 長度和直徑特征來選擇所需燃料與氧化劑之比和流速以實現(xiàn)所需引爆特
征。例如, 一個實施例將丙烷-空氣燃料-氧化劑混合物、5.5的質(zhì)量比和 50升/分鐘的流速用于長度為l,,而直徑為V4,,和由聚四氟乙烯制成、具有 第一引爆管的引爆器,該第一引爆管由不銹鋼制成、長度為9"并且直徑 從連接到引爆器的一端為0.8"到連接到第二引爆管的一端為0.65"逐漸 變小,該第二引爆管由鈦制成、長度為32"而直徑為3"。取而代之,第 一引導(dǎo)管可以具有0.8"的恒定直徑。
商用質(zhì)量流量控制閥技術(shù)可以用來控制燃料-氧化劑混合物的燃料與 氧化劑的質(zhì)量比和燃料-氧化劑混合物的流速。取而代之,商用技術(shù)可以 用來測量進入燃料-氧化劑混合物混合裝置中的氧化劑的質(zhì)量流量,而精 確的氧化劑質(zhì)量流量測量可以用來控制質(zhì)量流量控制閥以調(diào)節(jié)為了實現(xiàn) 燃料-氧化劑混合物的燃料與氧化劑的所需質(zhì)量比而需要的燃料的質(zhì)量流 量。
在流動的燃料-氧化劑混合物內(nèi)的引爆
現(xiàn)有技術(shù)的氣體引爆系統(tǒng)需要長管或者高度可引爆的氣體混合物如
氧氣和氫氣以便產(chǎn)生引爆。否則它們將僅為"可爆燃",這是一個緩慢而幾
乎靜默的過程。對照而言,本發(fā)明的一個方面提M使用適度爆炸氣體混
合物(如丙烷和空氣)在長度如一英尺那樣短而直徑為2英寸的管內(nèi)產(chǎn)生
短的高強度聲脈沖的能力。與現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)不同,本發(fā)明的這一方面實
施于如下示例系統(tǒng)中,該系統(tǒng)使電弧穿itxt其中將發(fā)生引爆的管進行填充
的氣體和氧化劑混合物的流動(或者移動)流。當(dāng)管基本上充滿時,在管
中的填充點處流動氣體內(nèi)引發(fā)快速火花,這觸發(fā)了管內(nèi)部所有氣體的后續(xù)
引爆。取而代之,可以通過激光(器)或者通過根據(jù)本發(fā)明的任何其它適 當(dāng)引燃和引爆方法來引爆流動氣體。在流動氣體技術(shù)內(nèi)的這一引燃在與引
了產(chǎn)生引爆而需要的管長度。另外,根據(jù)本發(fā)明這一方面的引爆需要1 焦耳級的能量以引爆燃料-氧化劑混合物,而現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)可能需要100 焦耳到1000焦耳能量以實現(xiàn)引爆。這一方法的更多合乎需要的結(jié)果是在電弧觸發(fā)與聲波從管的后續(xù)發(fā)射之間時間的不確定性減少以及引爆脈沖 量值的可重復(fù)性。這樣,根據(jù)本發(fā)明這一方面的引爆器實現(xiàn)了對過壓波的 精確定時和量值控制。
圖1A描繪了現(xiàn)有技術(shù)引爆系統(tǒng)的側(cè)視圖。引爆管100具有分開的燃 料供應(yīng)102和氧化劑供應(yīng)104,該燃料供應(yīng)102和氧化劑供應(yīng)104在向引 爆管100填充燃料-氧化劑混合物106的填充時段中開放。在填充時段之 后,燃料供應(yīng)102和氧化劑供應(yīng)104關(guān)閉,而在所需時間通過高壓線108 向火花塞110施加引燃燃料-氧化劑混合物106的放電,這造成引爆波沿 著引爆管100的長度傳播并且退出它的開放端112。類似地,圖1B描繪 了另 一現(xiàn)有技術(shù)引爆系統(tǒng)的側(cè)視圖,其中引爆管100具有在向引爆管100
105。在填充時段后,燃料-氧化劑混合物供應(yīng)105關(guān)閉,而在所需時間通 過高壓線108向火花塞110施加引燃燃料-氧化劑混合物106的放電,這 造成引爆波沿著引爆管100的長度傳播并且退出它的開放端112。
圖2A描繪了經(jīng)由引爆器114由燃料-混合物供應(yīng)105供應(yīng)的本發(fā)明過 壓波生成器11的引爆管100,其中火花在燃料-氧化劑混合物106內(nèi)引燃 而向引爆管100填充燃料-氧化劑混合物106, itit成引爆波沿著引爆管 100的長度傳播并且退出它的開放端112。在一個實施例中,在流動的燃 料-氧化劑混合物內(nèi)的引燃過程中維持適當(dāng)?shù)娜剂?氧化劑混合物itil。已 經(jīng)發(fā)現(xiàn)在相當(dāng)?shù)牧髁糠秶?^il越高則引爆波的演變越快。因此, 一個示 例實施例使用高的流速。對于給定的火花能量,某一流速限定流速的實際 上限。在一個實施例中,饋給引爆管的管道系統(tǒng)(tubing)在臨界半徑以 下以防止引爆回進到燃料-氧化劑混合物供應(yīng)。例如, 一個實施例使用直 徑為V4"的管道系統(tǒng)以防止這樣的回閃(flashback)而又呈現(xiàn)對氣流的 低阻力。例如,具有直徑為V4"的鉆孔的l,,長的引爆器可以在以50升/ 分鐘流動的MAPP氣體-空氣混合物內(nèi)使用1焦耳火花來實現(xiàn)引爆。
在圖2A中也示出了可選的輔助燃料-氧化劑混合物供應(yīng)105,。 一個 或者多個輔助燃料-氧化劑混合物供應(yīng)105,可以用來加速對大型引爆管 (或者管組合)的填充。利用一種方式, 一個或者多個輔助燃料-氧化劑 混合物供應(yīng)105,用來加速與(主要)燃料-氧化物混合物供應(yīng)105并行的 對引爆管100的填充,使得引爆器114可以引燃在所需力tit的流動燃料-氧化劑混合物。利用另一方式,燃料-氧化劑混合物供應(yīng)105可以在流動 的燃料-氧化劑混合物被引燃之前在第一更高速率向引爆管供料、然后改變成第二速率。在又一方式中,輔助燃料-氧化劑混合物供應(yīng)105/將與燃 料-氧化劑混合物供應(yīng)105供應(yīng)到引爆器114中的燃料-氧化劑混合物106 不同的燃料-氧化劑混合物106,(在圖2A中未圖示)供應(yīng)到引爆管100 中。
對于某些燃料,可能有必要加熱燃料-氧化劑混合物以便實現(xiàn)引爆。 取決于引爆管的點燃速率,可能有必要冷卻引爆管。在本發(fā)明第一個優(yōu)選 實施例之下,燃料-氧化劑混合物供應(yīng)105 (和/或105,)包括與引爆管接 觸、用以將熱量從引爆管傳送到燃料-氧化劑混合物的至少一個熱交換裝 置(未圖示)。熱交換裝置可以采用各種公知形式中的任何形式,比如從 一端到另 一端在引爆管周圍螺旋的小型管道系統(tǒng),其中螺線的緊密度可以 恒定或者可以沿著引爆管的長度而變化。另 一示例熱交換器方式讓引爆管 由包封容器(containment vessel)包圍,使得在與引爆管接觸的包封容器 內(nèi)的燃料-氧化劑混合物從引爆管吸熱。取而代之,可以使用獨立于燃料-氧化劑混合物供應(yīng)105的熱交換器裝置,在該情況下可使用除了燃料-氧 化劑混合物之外例如(如水等)液體或者珪這樣的一些物質(zhì)從引爆管吸熱。 取而代之,其它熱源可以用來加熱燃料-氧化劑混合物。 一般而言,各種 公知技術(shù)可以用來冷卻引爆管和/或加熱燃料-氧化劑混合物,包括將熱從 引爆管傳送到燃料-氧化劑混合物的方法。
圖2B描繪了通it^可引爆氣體混合物的流內(nèi)產(chǎn)生電弧來工作的本發(fā) 明引爆器的第一實施例。例如圖2B中所示,經(jīng)由引爆器114的填充點208 將具有恰當(dāng)可引爆比率的可燃氣體和氧化劑的氣體混合物106傳遞到引 爆管100中。當(dāng)管基本上充滿時,在高電壓脈沖輸入214觸發(fā)高電壓線 108以使火花212跨棵線210出現(xiàn)并且穿過;iL^引爆管100中的氣體混合 物106,從而引發(fā)氣體在引爆管100中的引爆。定時控制M 216控制對 高電壓脈沖的觸發(fā)。
圖2C描繪了也通it^可引爆氣體混合物的流內(nèi)產(chǎn)生電弧來工作的本 發(fā)明引爆器的第二實施例。如圖2C中所示,經(jīng)由引爆器114的填充點208 將具有恰當(dāng)可引爆比率的可燃氣體和氧化劑的氣體混合物106傳遞到引 爆管100中。當(dāng)管基本上充滿時,在高電壓脈沖輸入214觸發(fā)高電壓線 108以使火花212跨棵線210出現(xiàn)并且穿過$"引爆管100中的氣體混合 物106,從而引發(fā)氣體在引爆管100中的引爆。在這一變形中,在引爆器 114內(nèi)引發(fā)火花、然后它通過流動氣體沿著兩個分叉導(dǎo)體快速掃入引爆管 100中,火花的長度隨著它行進到引爆管100中而增加。當(dāng)在小的縫隙中引發(fā)火花時,它產(chǎn)生穩(wěn)定的低阻抗區(qū)域,該區(qū)域能夠傳導(dǎo)同一電壓電力跨
過大得多的縫隙。取而代之,線210可以并聯(lián)但是一起略微更靠近地彎曲 以保證火花在引爆器114內(nèi)部開始。
圖3A和3B提供了本發(fā)明的過壓波生成器11的一個示例實施例的端 視圖和側(cè)視圖。如圖3A和3B中所示,引爆器114包括圍繞引爆器管304 的絕緣汽釭302。電極306從絕緣汽缸302的側(cè)面插入并且連接到高電壓 線108。引爆器管304在填充點208連接到燃料-氧化劑混合物供應(yīng)105(圖 3B中所示)而在它的相對開放端310連接到引爆管100。如圖3B中所示, 氣體混合物106經(jīng)由引爆器114的填充點208傳遞到引爆管304中、然后 流出它的開放端310輸出到引爆管100中。當(dāng)引爆管10實質(zhì)上充滿時, 觸發(fā)高電壓線108以使火花212跨電極306出現(xiàn),由此引燃氣體混合物 106并且在引燃點產(chǎn)生引爆沖激,該引爆沖激從引燃點經(jīng)過i"引爆器管 304中的氣體混合物106傳播到引爆器114的開放端310以引發(fā)氣體在引 爆管100中的引爆。在圖3B中也示出了恰在引爆管100的閉合端以內(nèi)的 Shchelkin螺線308。 Shchelkin螺線308作為爆燃到引爆的轉(zhuǎn)變(DDT) 增強器件在本領(lǐng)域中是公知的。在本發(fā)明的一個示例實施例中,Shchelkin 螺線308具有10匝、長度為7"并且使用在它的基部(閉合端)抵靠引爆 管100的內(nèi)部緊密纏繞的#4銅線來構(gòu)造。
圖3C描繪了與圖3A和3B中所示相同但是也包括止回閥312的本 發(fā)明引爆器的一個示例實施例,該止回閥用來控制所供應(yīng)的燃料-氧化劑 混合物的流量,其中止回閥312放置于也稱為引燃點的火花212之前。
圖3D描繪了與圖3C中所示相同的本發(fā)明引爆器的一個示例實施例, 不同之處在于止回閥312放置于引燃點212之后。
圖3E描繪了可以與圖3C和3D中所示本發(fā)明引爆器的示例實施例 一:^4吏用的一個示例止回閥312。止回閥包括通過彈簧318抵靠開口 316 來保持的球314。當(dāng)向球314供應(yīng)適當(dāng)壓力時,它壓縮彈簧318,這允許 燃料-氧化劑混合物106經(jīng)過開口 316。也可以根據(jù)本發(fā)明使用其它類型的 閥。
過壓波量值控制
一般而言,可以選擇引爆管的長度和內(nèi)徑以在所選流動燃料-氧化劑 混合物的最大所選流速實現(xiàn)所需的最大生成it^波量值,并且可以減少流 速以降低生成的過壓波的量值。如果需要,則逐漸增大的管可以用iMi大在更小引爆管中初始產(chǎn)生的引爆脈沖。 一個或者多個管各自可以由一種材
料或者材料組合制成并且允許包括PVC或者各種不同化合物、金屬或者
甚至混凝土以實現(xiàn)所需結(jié)果。在一個示例實施例中,引爆管由鈦制成。在
一個示例實施例中,其中引入火花的引爆器具有小的直徑、例如約V4"的
直徑。這一組件與更大的第二引爆管的基部對準,使得引爆其中容納的氣 體。此第二引爆管然后可以與直徑陸續(xù)更大的管的基部對準以引發(fā)氣體混 合物在其中的引爆。以這一方式,可以用精確的定時準確度引發(fā)直徑很大
的引爆管引爆。
在圖4中示出了使用直徑逐漸增大的管,該示了逐級引爆管組合 400包括放大引爆脈沖的逐漸增大引爆管。在初始引爆管10A中產(chǎn)生的引 爆脈沖經(jīng)過直徑更大的引爆管100B和100C行進。 一般而言,隨著氣體 混合物的引爆從直徑更小的引爆管轉(zhuǎn)變到直徑更大的引爆管,脈沖的尺寸 M大。根據(jù)本發(fā)明,直徑不同的一個或者多個引爆管可以組合成逐級引 爆管組合400。
在上述示例實施例中,假設(shè)引爆管(和引爆器管)是一種外圍并不沿 著管的長度而變化的管。作為一種替代,引爆管(或者引爆器管)可以開 始是小的直徑并且逐漸變大以便具有如針對圖4中所述放大脈沖的類似 效果。在圖5中示出了一個示例方式,該圖描繪了直徑逐漸擴大的引爆管 100的側(cè)視圖。以與圖4的逐級管技料目似的方式,變得越來越大的引爆 管的直徑使脈沖隨著它沿著管的長度行進而放大。如圖所示,引爆管100 在一端具有比在另一端的第二直徑504更小的第一直徑502。也可以組合 具有擴大直徑的多個管。引爆管的另一變形使用壓縮器/膨脹器技術(shù),其 中管的外圍逐漸變細為更小外圍以壓縮氣體、然后膨脹為更大外圍以膨脹
氣體。在圖6中示出了這一方式,該圖描繪了基于壓縮器/膨脹器技術(shù)的 引爆管100的側(cè)視圖,該引爆管具有在一端的第一直徑602、在另一端的 第二直徑603和在引爆管100的兩端之間的第三直徑604。第一直徑602 視所需壓縮/膨脹特征而定可以等于或者可以不等于第二直徑603。
引爆管陣列
引爆管可以用各種方式分組以在同時被觸發(fā)時產(chǎn)生組合脈沖。圖 7A-7D描繪了可以如何組合引爆管的例子。圖7A描繪了引爆管陣列702 包括并排的第一引爆管和第二引爆管。圖7B描繪了引爆管陣列704包括 布置為使得引爆管組合的更大引爆管相互接觸的四個引爆管組合。圖7C 描繪了引爆管陣列706包括直徑擴大的三個引爆管。圖7D描繪了引爆管陣列708包括布置為類似于六邊形結(jié)構(gòu)的七個引爆管。圖7E描繪了引爆 管陣列710包括以圓形方式布置的十二個引爆管。
取而代之,也可以在不同時間觸發(fā)組成此類引爆管組或者陣列的引爆 管。在一個布置之下,使用如下定時序列來引燃引爆管,該定時序列使它 們依次引爆,使得向給定的引爆管填充它的燃料-氧化劑混合物而同時其 它引爆管在生成it^波的各種狀態(tài)下。利用這一方式,可以對引爆管的引 燃和填充進行定時使得裝置在它將表現(xiàn)為連續(xù)引爆這樣高的速率生成過 壓波。
如圖8中所示,成組更小的管可以連接到更大的管,使得它們的組合 脈沖產(chǎn)生繼續(xù)在更大的管中引爆的更大脈沖。圖8描繪了具有第一直徑的 3個更小引爆管100A的側(cè)視圖,這些更小的引爆管連接到具有更大第二 直徑的更大引爆管100B以放大組合脈沖。
一般而言,可以根據(jù)本發(fā)明的這一方面使用逐級管、外圍逐漸增大的 管、管陣列、連接到更大管的成組更小管和利用壓縮器/膨脹器技術(shù)的管 的各種可能組合中的任何組合以生成滿足具體應(yīng)用要求的過壓波。所有這 樣的組合需要平衡由于管外圍的膨脹而引起的勢能與隨著管外圍增加由 氣體的膨脹所造成的冷卻。
it^波的相干聚焦和引導(dǎo)
如前文所述,本發(fā)明這一方面的引爆器具有在電弧觸發(fā)與聲波從管后 續(xù)發(fā)射之間的時間的、低的不確定性。引爆器也提供對所生成的聲脈沖量 值的可重復(fù)精確控制。這一低不確定性(或者抖動)和精確量值控制實現(xiàn) 了對引爆管陣列所生成的it^波的相干聚焦和引導(dǎo)。這樣,引爆器可以用
來生成可引導(dǎo)、可聚焦、高"^值脈沖功率過壓波。
圖9圖示了單獨管的點燃定時如何在遠場中的單個點聚焦所生成的 過壓波的功率。更早地觸發(fā)更遠的管以4M嘗為了行進更大距離而需要的更 大時間量,這使所有脈沖同時到達空間同一點。圖9描繪了引爆管 100A-100E的陣列卯0,其中以由定時控制^ 216控制的受控定時引燃 (或者點燃)引爆管,使得它們生成的聲脈沖同時到達空間902中的點。 引爆管100A-100E產(chǎn)生的聲脈沖卯6分別沿著直接路徑904A-卯4E行進。 這樣,考慮到為了行進不同直接路徑而需要的不同行進時間、以在點燃之 間的適當(dāng)延遲按順序100E-100A點燃它們,侵_得聲脈沖卯6同時到達空 間卯2中的點以產(chǎn)生組合聲脈沖卯8??梢栽谙∈桕嚵兄胁贾脝为氁芑蛘叱山M的管。圖IO描繪了在稀
疏陣列中布置的單獨引爆管的陣列,其中控制各管中引爆的定時以便引導(dǎo)
it^波使得它們在所需位置組合。圖11類似地描繪了在稀疏陣列中布置 的成組管陣列,其中給定組的管同時引爆但不同組的引爆定時則不同以便 引導(dǎo)it^波使得它們在所需位置組合。
參照圖10,以由定時控制機構(gòu)216控制的精確定時按相反順序點燃 引爆管100A-100D,使得聲脈沖沿著直接路徑卯4A-904D行進并且在空 間902中的點組合。參照圖11,由定時控制機構(gòu)216控制按相反順序點 燃引爆管1100A-1100D,使得聲脈沖沿著直接路徑卯4A-卯4D行進并且 在空間卯2中的點組合。
在稀疏陣列實施例中使用的定時控制機構(gòu)216可以包括經(jīng)由有線或 者無線網(wǎng)絡(luò)與組成陣列的過壓波生成器通信的單個定時控制機構(gòu)。取而代 之,各過壓波生成器可以具有它自己的定時控制機構(gòu),其中已經(jīng)通過某裝 置同步所述定時控制機構(gòu)。
引爆管陣列的工作原理
一般而言,當(dāng)以精確定時觸發(fā)引爆管陣列時,產(chǎn)生作為窄波束在取決 于定時的方向上傳播的壓力波。以這一方式,它的工作類似于在雷達系統(tǒng) 中"fit使用的定相陣列天線。由于上述定時是以電方式確定的,因此可以 從一個脈沖到下一個脈沖使束方向重新定向??梢栽O(shè)計在例如每秒10個、 20個、50個或者100個脈沖這樣的不同速率工作的系統(tǒng),并且可以在唯 一方向上瞄準各脈沖。僅有的對重復(fù)速率的限制是管可以被重新填充的速 度。在音速重新填充速率將需要約五毫秒來重新填充五英尺長的管。由于 脈沖一旦引爆則輸出也需要五亳秒,所以限制性的重復(fù)速率為100Hz。
由于陣列的各元件發(fā)射它自己的相干能量,所以在遠場中波的幅度接 近各單獨管的強度的平方。以這一方式可以指引的瞬間過壓因此可以接近 高水平。這樣,系統(tǒng)擁有大的開銷動態(tài)范圍,該范圍可以用來到達i^巨離 或者經(jīng)過比如硬靶(hardtarget)這樣的結(jié)構(gòu)中的小孔徑傳播。
可以通過在由探測激光器確定的恰當(dāng)時間間隔施加脈沖使小孔徑背 后的結(jié)構(gòu)共振,其中該探測激光器用來測量粒子在開口的多普勒移位。由 此可以確定結(jié)構(gòu)的自然頻率,隨后在閉環(huán)模式下使用激光器以控制系統(tǒng)的 定時從而產(chǎn)生最大效果。由于聲學(xué)Q為高,所以在這樣的硬耙內(nèi)部的瞬 間壓力可以很大。例如,對于僅為10的Q,峰值壓力可以接近1000psi。成組引爆管可以視為更大陣列內(nèi)的子陣列。圖12圖示了由7個引爆 管組成的32個六邊形子陣列1202的一個示例實施例,其中各子陣列以 6.2,x2.5,的格式高效地打包成具有共計224個直徑為3"的引導(dǎo)管的陣列 1200中。這一系統(tǒng)的遠場強度可以是一個此類3"引爆管的強度的50,000 倍以上。
這一實施例的陣列元件的點燃定時簡單直接。波形長約1毫秒而相干 約束為它的波長的、或者更少。定時系統(tǒng)因此將需要200微秒或者更少 的分辨率和準確度??梢杂每删幊逃嫈?shù)器-定時器實現(xiàn)這一定時準確度級, 比如在0.1微秒的分辨率每芯片提供三個定時信道的英特爾8254 PCA。
在一個實施例中,在可引導(dǎo)陣列中的各元件需要例如以具有Vj皮長 以下的孔徑使它的能量遍布整個可引導(dǎo)區(qū)域。對于一亳秒的波形,孔徑約 為六英寸。在圖12中所示示例實施例中,六邊形子陣列捆跨距為九英寸, 因而它們將不允許在完全半球之上引導(dǎo),但是將管分組成按組點燃的六邊 形捆則減少了硬件要求,這允許使用三十二個可編程定時信道來引導(dǎo)和聚 焦陣列。這樣,僅以十一個8254即可滿足所有定時需要。由S叩erLogics 制造的PCI板包含提供十二個可編程計數(shù)器-定時器的四個8254,因而三 個模塊將夠用。在另一實施例中,圖12中各成捆的管可以充分地間隔開 以實現(xiàn)在全半球之上引導(dǎo)并且所有管的點燃可以獨立而無需分組。
陣列的焦斑(focalspot)是陣列波長和大小的函數(shù)。在陣列正面附近 焦斑包括直徑為一個波長、即一英尺的近似圓圏。在更大距離處斑將以大 直徑在陣列的小直徑方向上的橢圓形狀逐漸展開。也就是說,橢圓就圖 12中所示水平陣列而言變?yōu)樨Q直。當(dāng)焦斑在線性域中工作直至約半個大 氣壓或者7psi時,可以使用波動方程易于對焦斑的形狀進行建模。然而, 當(dāng)在波形中的瞬間壓強接近大氣壓時,它將為非線性并且計算有所不同。
可以用寬帶聲學(xué)傳感器來對陣列壓力輸出進行測量。它們通常具有 10Hz-20,000Hz的帶寬和約ldB的準確度。在陣列的遠場中以三十英尺或 者更大的距離進行的測量提供了足以在任何范圍中外推(extrapolate)特 征的準確度。此類儀器的校準輸出是與壓力具有直接關(guān)系的聲學(xué)聲壓電 平、即 馬。例如,180dBSPL等效于20,000Pa或者約3psi
的壓強。與這一電平關(guān)聯(lián)的瞬間聲強為1,000,000W/m2。用于線性介質(zhì)的廣義波動方程的結(jié)果是當(dāng)波疊加時它們的幅度添加。 對于電磁波,這意味著如果兩個相同波以相同時間和相位到達空間中的點 則它們將產(chǎn)生相比單個波倍增的電勢或者電壓。
結(jié)果在聲波情況下相似,但是在這一情況下電勢變?yōu)閴簭姸皇请妷骸?br>
注意由于相位相等,所以余弦等于1而壓強的值等于單個源的壓強的兩 倍。這一關(guān)系適用于]\個源的相加=]\*卩。
倍增聲波的壓強將^^它的功率變?yōu)樗谋?,因為功率與它的壓強的平方 成比例,也就是當(dāng)兩個相同聲波波形以相同時間和相位到達空間中的同一 點時它們的功率將變?yōu)樗谋丁?br>
與電磁波類似,波形的功率或者聲資與它的壓強的平方成比例。
其中M是在這一情況下為空氣的介質(zhì)的聲學(xué)阻抗值。
因此一般而言,在過壓波形的主瓣中的自由空間遠場功率可以計算為
單個引爆管的壓強的N2。然而,當(dāng)它接近地面工作時,也可以利用地波 的附加效應(yīng)。當(dāng)來自地面的波和自由空間波形在靶上會聚時,兩個波形的 壓強同樣相加并且同樣使功率變?yōu)樗谋丁?br>
通過調(diào)節(jié)單獨元件的定時使得延遲更近的元件以恰好足以讓來自陣 列更遠部分的波迎頭趕上來,以實現(xiàn)波束引導(dǎo)。因此在給定的引導(dǎo)方向上 所有波將同時到達并且滿足W功率標準。這類似于定相陣列天線,但是 由于聲學(xué)波形為瞬態(tài)而不是連續(xù)波,所以時間延i^L代相位。
本發(fā)明引爆器的附加應(yīng)用
除了如上所述向具有開放端的引爆管供應(yīng)引爆沖激之外,本發(fā)明引爆 器的附加應(yīng)用包括但不限于向內(nèi)燃引擎(或者燃燒室)和向脈沖引爆引擎 供應(yīng)引爆沖激。
本發(fā)明的引爆器可以用來取代當(dāng)前用來在汽車、卡車、飛機、輪船、 摩托車、叉車起重機、便攜發(fā)電機、剪草機、鏈鋸和無數(shù)其它機構(gòu)中使用 的內(nèi)燃引擎中引燃燃料-氧化劑混合物的火花塞。圖13A-13L描繪了在常規(guī)四沖程(奧托循環(huán))引擎的每一工作循環(huán)的兩次曲柄旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)的 進料、壓縮、燃燒和排氣沖程。
參照圖13A-13L,一個示例奧托循環(huán)內(nèi)燃引擎1300包括*閥1302、 燃料-氧化劑混合物入口 1304、排氣閥1306、排氣出口 1308、活塞1310、 汽缸1312、曲柄1314和火花塞1316。圖13A-13L描繪了隨著奧托循環(huán) 引擎1300經(jīng)過它的iittl、壓縮2、提供動力(power) 3和排氣4這四 個循環(huán)而選艮的不同時間的奧托循環(huán)引擎。圖13入-13<:描繪了通過燃料-氧化劑混合物入口 1304經(jīng)由開放的i^閥1302向引擎1300供料。圖 13D-13F示出了引擎1300的活塞1310壓縮汽缸1312內(nèi)部的燃料-氧化劑 混合物。圖13G描繪了火花塞引燃汽缸1312內(nèi)部的燃料-氧化劑混合物, 這如圖13H和131中所示下推活塞1310。圖13J至13L描繪了引擎1300 經(jīng)由開放的排氣閥1306將廢氣從汽缸1310排出排氣出口 1308。然后重 復(fù)4個循環(huán)的過程。
圖14描繪了圖13A-13L中所示的相同引擎1300,不同之處在于火花 塞316為引爆器114所取代。圖14對應(yīng)于圖13G。在圖14中,示出了引 爆器114向燃燒引擎1300提供引爆沖激以引燃燃料-氧化劑混合物,這開 始它的燃燒沖程3。
圖15描繪了使用本發(fā)明兩個引爆器114的一個示例汪克爾引擎1500。 本發(fā)明可以類似地使用于其它類型的內(nèi)燃引擎中,包括但不限于兩沖程、 五沖程、BeareHead、 Bourke和氣渦輪引擎。
本發(fā)明的引爆器可以用來向在各類應(yīng)用中使用的脈沖引爆引擎(如飛 機和火箭引擎)供應(yīng)引爆沖激。圖16描繪了具有使用本發(fā)明引爆器的四 個脈沖引爆引擎的飛機翼的橫截面圖。如圖所示,四個脈沖引爆引擎各包 括引爆管100和經(jīng)由燃料-氧化劑混合物供應(yīng)105接收燃料-氧化劑混合物 106的引爆器114。可以在不同時間或者在相同時間點燃引爆管100。
圖17描繪了以使用本發(fā)明引爆器的多個脈沖引爆引擎為^J的脈沖 引爆渦輪引擎的一個示例渦輪1700。如圖所示,各包括引爆管100和引 爆器114的十二個脈沖引爆引擎被布置為用以下方式點燃即使得渦輪 1700逆時針方向轉(zhuǎn)動??梢栽诓煌瑫r間或者在相同時間點燃引爆管100。
圖18描繪了可以用來為火箭引擎1800提供推進的使用本發(fā)明引爆器 的脈沖引爆引擎的一個示例布置。如圖所示,引爆管100以圓形方式布置 于更大引爆管100b內(nèi)部。更小引爆管IOOA各具有對應(yīng)引爆器114??梢栽诓煌瑫r間或者在相同時間點燃引爆管100。
提供這里描述的引爆器、引燃系統(tǒng)和引燃方法的應(yīng)用被提供為本發(fā)明 所實現(xiàn)的應(yīng)用類型的例子。盡管已經(jīng)描述本發(fā)明的特定實施例和數(shù)個示例 應(yīng)用(或者實施),然而將理解本發(fā)明不限于此,因為本領(lǐng)域技術(shù)人員可 以具體地按照前述教導(dǎo)來做出修改。因此所附權(quán)利要求旨在于涵蓋任何這 樣的修改,這些修改并入了體現(xiàn)本發(fā)明實質(zhì)和范周的那些特征或者那些改 進。
權(quán)利要求
1. 一種引爆器,包括引爆器管,所述引爆器管具有填充點和開放端,所述填充點被供應(yīng)有流過所述引爆器管并且退出所述開放端的氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物;以及引燃器,所述引燃器放置于所述引爆器管內(nèi)的引燃點,所述引燃器在所述氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物流過所述引爆器管之時引燃所述氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物,由此在所述引燃點產(chǎn)生向所述引爆器管的所述開放端傳播的引爆沖激。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的引爆器,還包括 閥,所述閥位于所述引爆器管的內(nèi)部。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的引爆器,其中所述閥是止回閥。
4. 一種用于引燃氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物的系統(tǒng),包括引爆器管,所述引爆器管具有填充點、開放端和在所述引爆器管內(nèi)引 燃點處的引燃器;以及燃料供應(yīng),用于向所述引爆器管的所述填充點供應(yīng)氣態(tài)或者擴散式燃 料-氧化劑混合物,所述氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物流過所述引爆 器管并且退出所述開放端,所述引燃器在所述氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化 劑混合物流過所述引爆器管之時引燃所述氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混 合物,由此在所述引燃點產(chǎn)生向所述引爆器管的所述開放端傳播的引爆沖 激。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng),還包括 閥,所述閥位于所述引爆器管的內(nèi)部。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng),其中所述閥是止回閥。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng),其中所述閥位于所述引燃點之前。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng),其中所述引爆沖激供應(yīng)到具有開放 端的引爆管、燃燒室、內(nèi)燃引擎或者脈沖引爆引擎之一。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng),其中基于所述引爆器管的長度和直
10. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng),其中所述氣態(tài)或者擴散式燃料-氧 化劑混合物包括乙烷、甲烷、丙烷、氬、丁烷、乙醇、乙炔、MAPP氣 體、汽油、航空燃料、石油鎦出物、石腦油、礦物油、煤油、柴油、苯或 者DEET。
11. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng),還包括 定時控制機構(gòu),用于控制所述引燃器的定時。
12. —種用于引燃氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物的系統(tǒng),包括 引爆器,包括引爆器管,所述引爆器管具有填充點和開放端;以及引燃器,所述引燃器放置于在所述引爆器管內(nèi)的引燃點;以及燃料-氧化劑混合物供應(yīng),所述燃料-氧化劑混合物供應(yīng)向所述引爆器 管的所述填充點供應(yīng)氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物,所述氣態(tài)或者 擴散式燃料-氧化劑混合物流過所述引爆器管并且退出所述開放端,所述 引燃器在所述氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物流過所述引爆器管之時 引燃所述氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物,由此在所述引燃點產(chǎn)生向 所述引爆器管的所述開放端傳播的引爆沖激。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng),所述引爆器還包括 閥,所述閥位于所述引爆器管的內(nèi)部。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng),其中所述閥是止回閥。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng),其中所述閥位于所述引燃點之前。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng),其中基于所述引爆器管的長度和量比和$組。
17. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng),其中所述氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物包括乙烷、甲烷、丙烷、氫、丁烷、乙醇、乙炔、MAPP 氣體、汽油、航空燃料、石油餾出物、石腦油、礦物油、煤油、柴油、苯 或者DEET。
18. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng),還包括 定時控制機構(gòu),所述定時控制機構(gòu)控制所述引燃器的定時。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng),其中所述定時控制機構(gòu)包括觸發(fā) ^、固定邏輯或者控制處理器之一。
20. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng),其中所述引燃器包括高電壓脈沖 源、受觸發(fā)火花隙源、激光器或者爆絲。
全文摘要
提供一種用于引燃氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物的改進系統(tǒng)和方法,其中氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物供應(yīng)到引爆器管,該引爆器管具有填充點和開放端,放置于引爆器管內(nèi)引燃點處的引燃器在氣態(tài)或者擴散式燃料-氧化劑混合物流過引爆器管之時被引燃。在引燃點產(chǎn)生向所述引爆器管的開放端傳播的引爆沖激,其中它可以供應(yīng)到具有開放端的引爆管、內(nèi)燃引擎、燃燒室和脈沖引爆引擎。
文檔編號G01V1/104GK101443680SQ200780017749
公開日2009年5月27日 申請日期2007年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月17日
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