一種用于航空航天飛行器的動(dòng)力推進(jìn)裝置及其用途
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于航空航天飛行器的動(dòng)力推進(jìn)裝置，該動(dòng)力推進(jìn)裝置由傘面結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置構(gòu)成；傘面結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)向內(nèi)連接有一根旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置相連。所述傘面結(jié)構(gòu)是軸對稱碟形面、軸對稱圓錐形面或軸對稱拋物面的剛性結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的動(dòng)力推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、能耗極低、操縱方便、控制簡單、可靠安全、能量轉(zhuǎn)換高效、清潔環(huán)保節(jié)能，適用范圍廣，對材料的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有航空航天工業(yè)，運(yùn)行時(shí)幾乎沒有廢棄物，不依賴空氣動(dòng)力，不受空氣氣流或天氣影響；用于宇宙探索領(lǐng)域時(shí)，推進(jìn)器在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的持續(xù)推動(dòng)力會(huì)為航天器提供持續(xù)的加速度而不是傳統(tǒng)火箭的初速度。
【專利說明】—種用于航空航天飛行器的動(dòng)力推進(jìn)裝置及其用途

【技術(shù)領(lǐng)域】
:
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械領(lǐng)域，涉及一種動(dòng)力推進(jìn)裝置，尤其是一種用于航空航天飛行器的動(dòng)力推進(jìn)裝置。

【背景技術(shù)】
:
[0002]自有史以來，人類在征服大自然的漫長歲月中，早就產(chǎn)生了翱翔天空、遨游宇宙的愿望。在生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)水平都很低下的時(shí)代，這種愿望只能停留在幻想的階段。雖然人類很早就做過種種飛行的探索和嘗試，但實(shí)現(xiàn)這一愿望還是從18世紀(jì)的熱空氣氣球升空開始的。這比后來出現(xiàn)的飛機(jī)，早了 120年。自從20世紀(jì)初萊特兄弟發(fā)明的第一架帶動(dòng)力的、可操縱的飛機(jī)完成了短暫的飛行之后，人類在大氣層中飛行的古老夢想才真正成為現(xiàn)實(shí)。飛機(jī)的誕生更激發(fā)對飛翔的狂熱，由其是第二次世界大戰(zhàn)中，飛機(jī)發(fā)揮了它無可代替的優(yōu)勢，更從而開辟了飛機(jī)的新紀(jì)元。在軍用飛機(jī)迅猛發(fā)展過后，飛機(jī)應(yīng)用到更廣闊的民用領(lǐng)域，飛翔的夢想更得以發(fā)揚(yáng)光大，真正發(fā)揮其本能作用?？梢哉f，航空器是隨著人類的夢想的萌生而誕生，又伴著科技的發(fā)展而進(jìn)步，與歷史與文明攜手同行。經(jīng)過許多前輩的艱苦探索和不懈努力，航空科學(xué)技術(shù)得到迅速發(fā)展，飛機(jī)性能不斷提高。
[0003]在大氣層內(nèi)或太空飛行的器械都叫飛行器。飛行器分為三類:航空器、航天器、火箭/導(dǎo)彈。
[0004]飛行器在地球大氣層內(nèi)的航行活動(dòng)稱為航空。在大氣層內(nèi)飛行的飛行器稱為航空器，如氣球、飛艇、飛機(jī)等。氣球，飛艇是利用比空氣輕的氫氣、氦氣或者熱空氣在空氣中的浮力于大氣層內(nèi)飛行，飛機(jī)則是利用與空氣相互作用產(chǎn)生的空氣動(dòng)力在大氣層內(nèi)飛行。飛機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)依靠飛機(jī)攜帶的燃料(汽油)和大氣中的氧氣工作。但是飛機(jī)飛行高度如果超過30千米，就會(huì)因?yàn)樯厦娴目諝馓”《胁粍?dòng)飛機(jī)。
[0005]在太空飛行的飛行器稱為航天器，如人造地球衛(wèi)星、載人飛船、空間探測器、航天飛機(jī)、空間站等。
[0006]航空與航天是20世紀(jì)人類認(rèn)識和改造自然進(jìn)程中最活躍、最有影響的科學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，也是人類文明高度發(fā)展的重要標(biāo)志。航天技術(shù)發(fā)展是當(dāng)今世界上最引人注目的事業(yè)之一，它推動(dòng)著人類科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使人類活動(dòng)的領(lǐng)域由大氣層內(nèi)擴(kuò)展到宇宙空間。航天技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的結(jié)晶，是基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)科學(xué)的集成，航天技術(shù)是一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。航天技術(shù)更是一門綜合性的工程技術(shù)，主要包括:制導(dǎo)與控制技術(shù)，熱控制技術(shù)，噴氣推進(jìn)技術(shù)，能源技術(shù)，空間通信技術(shù)，遙測遙控技術(shù)，生命保障技術(shù)，航天環(huán)境工程技術(shù)，火箭及航天器的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)技術(shù)，航天器的發(fā)射、返回和在軌技術(shù)等。由多種技術(shù)融于一體的航天系統(tǒng)是現(xiàn)代高技術(shù)的復(fù)雜大系統(tǒng)，不僅規(guī)模龐大，技術(shù)高新、尖端，而且人力、物力耗費(fèi)巨大，工程周期長。時(shí)至今日，航天技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到政治、軍事、經(jīng)濟(jì)和科學(xué)探測等領(lǐng)域，已成為一個(gè)國家綜合國力的象征。
[0007]航天飛行的歷史是從火箭技術(shù)的歷史開始的，沒有火箭也就沒有航天飛行。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，現(xiàn)代意義上的火箭才真正蓬勃地發(fā)展起來。近代的火箭技術(shù)和航天飛行的發(fā)展，涌現(xiàn)出許多勇于探索的航天先驅(qū)者，其中代表人物有K.齊奧爾科夫斯基，R.戈達(dá)德，H.奧伯特。
[0008]前蘇聯(lián)科學(xué)家齊奧爾科夫斯基一生從事利用火箭技術(shù)進(jìn)行航天飛行的研究。在他的經(jīng)典著作中，對火箭飛行的思想進(jìn)行了深刻的論證，最早從理論上證明了用多級火箭可以克服地心引力進(jìn)入太空的論點(diǎn)。其主要貢獻(xiàn)有:
[0009](I)建立了火箭運(yùn)動(dòng)的基本數(shù)學(xué)方程，奠定航天學(xué)的基礎(chǔ)。
[0010](2)首先肯定了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是航天器最適宜的動(dòng)力裝置，論述了關(guān)于液氫一液氧作為推進(jìn)劑用于火箭的可能性，為運(yùn)載器的發(fā)展指出了方向，這些觀點(diǎn)僅僅幾十年就成為了現(xiàn)實(shí)。
[0011](3)指出過用新的燃料(原子核分解的能量)來作火箭的動(dòng)力；并具體地闡明了用火箭進(jìn)行航天飛行的條件，火箭由地面起飛的條件，以及實(shí)現(xiàn)飛向其他行星所必須設(shè)置中間站的設(shè)想。
[0012](4)提出過許多的技術(shù)建議，如他建議使用燃?xì)舛鎭砜刂苹鸺?，用泵來?qiáng)制輸送推進(jìn)劑到燃燒室中，以及用儀器來自動(dòng)控制火箭等，都對現(xiàn)代火箭和航天飛行的發(fā)展起了巨大的作用。
[0013]美國的火箭專家、物理學(xué)家和現(xiàn)代航天學(xué)奠基人之一戈達(dá)德博士在1910年開始進(jìn)行近代火箭的研究工作，他在1919年發(fā)表的《達(dá)到極大高度的方法》的論文中，闡述了火箭飛行的數(shù)學(xué)原理，指出火箭必須具有7.9km/s以上的速度才能克服地球的引力，并研究了利用火箭把有效載荷送至月球的幾種可能方案。
[0014]德國的奧伯特教授在他1923年出版的《飛向星際空間的火箭》一書中不僅確立了火箭在宇宙空間真空中工作的基本原理，而且還說明火箭只要能產(chǎn)生足夠的推力，便能繞地球軌道飛行。同齊奧爾科夫斯基和戈達(dá)德一樣，他也對許多推進(jìn)劑的組合進(jìn)行了廣泛的研究。
[0015]航空航天技術(shù)為航空航天活動(dòng)的順利進(jìn)行而創(chuàng)立的一系列高級復(fù)雜的施工作業(yè)程序。它涉及人力資源配置，設(shè)備儀器搭配與安裝使用等艱深的學(xué)術(shù)作業(yè)。是國家，民族，乃至整個(gè)人類發(fā)展的高度追求。從1957年世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功算起，迄今僅40余年，航天技術(shù)取得了如此巨大的成就是前所未有的，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。
[0016]現(xiàn)有技術(shù)的不足:
[0017]1、無論是航空器還是航天器，使用的動(dòng)力原理雖然是作用力與反作用力，但都高度依賴于外部物質(zhì)的存在。比如航空器依賴空氣，航天器依賴燃燒的氣體。失去或耗盡外部物質(zhì)(空氣或燃料)，即失去升力或動(dòng)力來源。燃料的總量也決定了其活動(dòng)半徑；
[0018]2、利用外部物質(zhì)的效率低下，也顯著受到外部物質(zhì)及環(huán)境變化的影響。如航空器受空氣氣流變化影響，航天器燃料及助燃劑狀態(tài)受氣候溫度影響較大；
[0019]3、飛行器造價(jià)高昂，運(yùn)行費(fèi)用畸高。特別是航天器，造價(jià)昂貴，發(fā)射一次需要長期準(zhǔn)備，動(dòng)輒耗資數(shù)億乃至數(shù)十億元，而且最要命的是發(fā)射一次有效載荷與發(fā)射單元之間不成比例，即每一次發(fā)射的主要荷載都是燃料和助燃劑部分，一次耗盡無法回收，浪費(fèi)驚人。需要舉國國力的支持才能實(shí)現(xiàn)一次發(fā)射計(jì)劃；
[0020]4、飛行速度受限，飛機(jī)的飛行速度受飛行器飛行原理或飛行模式的影響，要么速度較快而不能垂直起落需要借助滑行起飛和降落跑道，要么可以垂直起降但飛行速度受到影響如直升機(jī)?；鸺娘w行速度更受到燃料和自重的限制，而且發(fā)射完后大部分航天器只能由發(fā)射時(shí)獲得的初速度大小不同，進(jìn)入不同的軌道慣性飛行。即使調(diào)整其飛行速度、軌道或姿態(tài)也是在非常有限的范圍內(nèi)，一旦離開預(yù)定軌道意味著不受控制而失效墜落或任其自生自滅；
[0021]5、燃料利用率低下。無論是航空器或航天器高度依賴燃料的燃燒熱能，有效能量利用率極端低下。
[0022]6、飛行區(qū)域受到限制。如飛機(jī)只能在大氣層內(nèi)活動(dòng)，火箭運(yùn)送荷載只能到預(yù)定軌道即完成使命被徹底拋棄成為太空垃圾；迄今為止，人類探索空間的有效活動(dòng)，均停留在太陽系內(nèi)屈指可數(shù)的幾個(gè)點(diǎn)；
[0023]7、無論是航空器或者航天器，對環(huán)境的影響都是巨大的，對外太空對污染也是嚴(yán)重的；
[0024]8、迄今為止，還沒有一個(gè)真正意義上的兼顧航天和航空的飛行器，即使航天飛機(jī)或最新研發(fā)的空天飛機(jī)也是只能在近地活動(dòng)。也沒法逃脫地球引力的約束；
[0025]9、特別需要指出的是，傳統(tǒng)航天器這種靠發(fā)射初速度來決定入軌模式是非常高耗、極端低效，甚至可以說是非常笨拙的飛行模式，是不可持續(xù)的。


【發(fā)明內(nèi)容】

:
[0026]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種用于航空航天飛行器的動(dòng)力推進(jìn)裝置，該動(dòng)力推進(jìn)裝置通過簡單結(jié)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)換成推進(jìn)能。
[0027]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的:
[0028]一種用于航空航天飛行器的動(dòng)力推進(jìn)裝置，由傘面結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置構(gòu)成；傘面結(jié)構(gòu)連接有一根旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置相連。
[0029]所述傘面結(jié)構(gòu)以旋轉(zhuǎn)軸為中軸線嚴(yán)格對稱，傘面與中軸的夾角不等于90°。
[0030]所述傘面結(jié)構(gòu)是軸對稱碟形面、軸對稱圓錐形面或軸對稱拋物面的剛性結(jié)構(gòu)。
[0031]所述旋轉(zhuǎn)軸疊裝多個(gè)的傘面結(jié)構(gòu)形成傘面結(jié)構(gòu)組。
[0032]所述旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置是電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、輪機(jī)或其他一切能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的設(shè)備。
[0033]所述傘面結(jié)構(gòu)由串珠錐構(gòu)成，串珠錐由偶數(shù)對完全相同的剛性球在一個(gè)平面上排列成一個(gè)圓形，穿過此圓中心有一根旋轉(zhuǎn)軸并垂直于該平面，旋轉(zhuǎn)軸由同一點(diǎn)分別伸出同等數(shù)量的剛性連接桿與各剛性球體穿心相連并與旋轉(zhuǎn)軸保持一個(gè)同樣的固定夾角，此夾角不等于90° ;各對剛性球及其連接桿關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸中心軸嚴(yán)格對稱并相互獨(dú)立。
[0034]所述傘面結(jié)構(gòu)的過軸剖面上，從傘面結(jié)構(gòu)的邊沿向頂點(diǎn)方向?qū)ΨQ切開2?4對切口，切口方向是沿傘面邊緣向頂點(diǎn)的方向，切口長短不超過傘面半徑的2/3。
[0035]所述動(dòng)力推進(jìn)裝置設(shè)置在真空環(huán)境中。
[0036]所述動(dòng)力推進(jìn)裝置安裝在航天航空飛行器的重心軸上，用于為航天航空飛行器提供動(dòng)力，通過調(diào)整動(dòng)力推進(jìn)裝置旋轉(zhuǎn)軸與航天航空飛行器的重心之間的偏離角度和距離，來控制飛行器的橫向飛行方向和速度。
[0037]所述動(dòng)力推進(jìn)裝置用于作為陸上汽車、單人飛行、列車、坦克、水上輪船、水下潛水裝置、或人力車等各類交通工具及模型、玩具等的動(dòng)力系統(tǒng)。
[0038]本發(fā)明的有益效果在于:
[0039]本發(fā)明的動(dòng)力推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、能耗極低、操縱方便、控制簡單、可靠安全、能量轉(zhuǎn)換高效、清潔環(huán)保節(jié)能，適用范圍廣，對材料的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有航空航天工業(yè)，運(yùn)行時(shí)幾乎沒有廢棄物，不依賴空氣動(dòng)力，不受空氣氣流或天氣影響；用于宇宙探索領(lǐng)域時(shí)，推進(jìn)器在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的持續(xù)推動(dòng)力會(huì)為航天器提供持續(xù)的加速度而不是傳統(tǒng)火箭的初速度。

【專利附圖】

【附圖說明】
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[0040]圖1為本發(fā)明的動(dòng)力推進(jìn)裝置工作原理圖；
[0041]圖2為本發(fā)明的動(dòng)力推進(jìn)裝置負(fù)載狀態(tài)工作原理圖；
[0042]圖3-1為本發(fā)明的動(dòng)力推進(jìn)裝置碟型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖3-2為本發(fā)明的動(dòng)力推進(jìn)裝置圓錐型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖3-3為本發(fā)明的動(dòng)力推進(jìn)裝置拋物面型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖3-4為本發(fā)明的動(dòng)力推進(jìn)裝置串珠錐型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046]圖4-1為本發(fā)明的動(dòng)力推進(jìn)裝置傘型兩對切口結(jié)構(gòu)俯視示意圖；
[0047]圖4-2為本發(fā)明的動(dòng)力推進(jìn)裝置傘型四對切口結(jié)構(gòu)俯視示意圖；
[0048]圖5-1為本發(fā)明的動(dòng)力推進(jìn)裝置傘型等徑組合結(jié)構(gòu)示意圖；
[0049]圖5-2為本發(fā)明的動(dòng)力推進(jìn)裝置傘型不等徑組合結(jié)構(gòu)示意圖；
[0050]其中:1為傘面結(jié)構(gòu)；2為旋轉(zhuǎn)軸；3為軸對稱碟形面；4為軸對稱圓錐形面；5為軸對稱拋物面；6為串珠錐。

【具體實(shí)施方式】
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[0051]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0052]1、參見圖3-1、3-2、3-3、一種對稱碟形面、圓錐形面或拋物面的剛性結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱傘面結(jié)構(gòu)，材料可以是硬金屬、硬合金或其他堅(jiān)固的材料。其頂點(diǎn)向內(nèi)連接有一根旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置相連。傘面結(jié)構(gòu)以旋轉(zhuǎn)軸為中軸線保持嚴(yán)格對稱。傘面與中軸的夾角可以因應(yīng)用領(lǐng)域、性能或用途的不同而取不同的數(shù)值，但必須不等于90°。另外，也可以設(shè)計(jì)成如圖3-4中的串珠錐形，串珠錐由偶數(shù)對完全相同的剛性球在一個(gè)平面上排列成一個(gè)圓，穿過此圓中心有一根旋轉(zhuǎn)軸并垂直于該平面，旋轉(zhuǎn)軸頂部分別伸出同等數(shù)量的剛性連接桿與各剛性球體穿心相連并與旋轉(zhuǎn)軸保持一個(gè)同樣的固定夾角，此夾角也必須不等于90°。各對剛性球及其連接桿根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸保持嚴(yán)格對稱并相互獨(dú)立。材料同前述傘面結(jié)構(gòu)，須確保在旋轉(zhuǎn)時(shí)形狀保持不變。由于工作原理相同，為敘述方便，后面涉及的“傘面”工作原理及應(yīng)用時(shí)均包括串珠錐形結(jié)構(gòu)；
[0053]2、如圖4-1、4_2，在傘面的過軸剖面上，從傘面的邊沿向頂點(diǎn)方向?qū)ΨQ切開若干對切口，一般2?4對足夠，切口方向是沿傘面邊緣向頂點(diǎn)的方向，切口長短依傘面材料的成分、密度、硬度、用途的不同而有所不同，但一般不超過傘面半徑的2/3以保持結(jié)構(gòu)完整性、耐久性和運(yùn)行穩(wěn)定性。如此形成的若干“葉片”從大小、長短、面積等必須相對于旋轉(zhuǎn)軸保持嚴(yán)格對稱。切口的形成不能對“葉片”及傘面整體的強(qiáng)度、硬度、脆度、抗撓曲性或其他物理指標(biāo)造成影響或改變。切口的存在旨在消除在傘面旋轉(zhuǎn)時(shí)各部位環(huán)形應(yīng)力以避免其橫向抵消各質(zhì)點(diǎn)的離心力而導(dǎo)致推進(jìn)力分量無法獲得。高速旋轉(zhuǎn)時(shí)“葉片”變形程度、偏心率、抖動(dòng)率，平穩(wěn)性、平衡度、噪音等都是判定設(shè)計(jì)制造質(zhì)量高低的重要指標(biāo)；
[0054]3、如圖5-1、5_2，為節(jié)省空間，增加推動(dòng)力，在同一根軸上也可疊裝超過一個(gè)的傘面形成一個(gè)傘面組。數(shù)量根據(jù)實(shí)際需要確定，各個(gè)傘面的直徑可以有所不同，但材質(zhì)要求、結(jié)構(gòu)均應(yīng)符合前述標(biāo)準(zhǔn)；
[0055]4、旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置可以是電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、輪機(jī)或其他一切能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的設(shè)備。旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置可根據(jù)需要連接在傘面軸的內(nèi)外方向均可。由于飛行姿勢和狀態(tài)調(diào)整對航天航空器的重心有依賴，所以航天航空器的形狀和結(jié)構(gòu)一般要求盡量保持圓形體或軸對稱多面體及其變種。并將推進(jìn)裝置安裝在航天航空器的重心軸上，橫向操縱系統(tǒng)(一般就是重心調(diào)整裝置)也應(yīng)該安裝在其附近；
[0056]5、當(dāng)傘面旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置連接后,啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置帶動(dòng)傘面旋轉(zhuǎn)而保持其原有形狀不變，就會(huì)在傘面的沿軸銳角方向上產(chǎn)生一個(gè)推動(dòng)力，推動(dòng)力大小正比于葉片尺寸、質(zhì)量和角速度的平方。通過在設(shè)計(jì)、制造或使用過程中調(diào)整以上指標(biāo)可以調(diào)整系統(tǒng)的推動(dòng)力大小以滿足不同的性能、用途或任務(wù)要求。在飛行系統(tǒng)中，一般傘面中軸銳角的方向與重力的方向相反，當(dāng)傘面的中軸與包括旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置在內(nèi)的負(fù)載的重心重合時(shí)，系統(tǒng)只有在軸向方向產(chǎn)生推動(dòng)力并軸向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)負(fù)載的重心離開傘面的中軸橫向移動(dòng)一個(gè)距離時(shí)，系統(tǒng)會(huì)持續(xù)朝重心偏移的方向移動(dòng)直到重心與中軸重新重合為止。系統(tǒng)橫移的速度與傘面的旋轉(zhuǎn)角速度、質(zhì)量、尺寸正相關(guān)，也與重心離開傘面中軸的平移距離相關(guān)。特別是重心平移距離這個(gè)指標(biāo)為精確操縱系統(tǒng)的橫向位移速度和距離提供了可能。本發(fā)明中，負(fù)載方向與傘面頂方向需要保持相反；
[0057]6、在宇宙空間飛行時(shí)，考慮到失重狀態(tài)和旋轉(zhuǎn)傘面啟動(dòng)、加速、減速和停止時(shí)扭矩的因素，可以在旋轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)質(zhì)量與傘面相當(dāng)?shù)珶o動(dòng)力效果的扭矩平衡盤以平衡旋轉(zhuǎn)扭矩；
[0058]7、旋轉(zhuǎn)傘面可以作為系統(tǒng)的外殼成為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成部分，這在軍事上或者特殊領(lǐng)域有獨(dú)特效果。也可單獨(dú)只作為動(dòng)力系統(tǒng)安裝在系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)部。在只作為動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)，為降低空氣摩擦力節(jié)約動(dòng)力消耗，可將傘面運(yùn)行空間隔離成一個(gè)真空腔；
[0059]8、這種旋轉(zhuǎn)傘面動(dòng)力裝置不但可以用在航天航空領(lǐng)域，也可以作為陸上汽車、單人飛行、列車、坦克、水上輪船、水下潛水裝置、甚至人力車等一切交通工具的動(dòng)力系統(tǒng)。具有造價(jià)低廉、能耗低、污染小、動(dòng)力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、安全性高、可靠性強(qiáng)、抗碰撞、操縱性強(qiáng)、能效顯著等特點(diǎn)。特別是用在潛水艇里面，可以顯著提高水下潛行速度、有效降低噪音、減少能源消耗，消除環(huán)境污染；
[0060]9、在必要時(shí)，在同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)可以安裝不止一個(gè)的旋轉(zhuǎn)傘面動(dòng)力裝置用于調(diào)整姿態(tài)和靈活換向等目的。如航天器或者陸上汽車需要減速、倒車等場合；
[0061]10、在陸上、水面或水下主要作為動(dòng)力裝置而不用克服重力的應(yīng)用領(lǐng)域，用機(jī)械裝置調(diào)整傘面旋轉(zhuǎn)軸的方向即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。
[0062]本發(fā)明碟形飛行器飛行原理:
[0063]如圖1所示，假設(shè)兩個(gè)大小、材質(zhì)和重量相等的理想剛性球體A和球體B通過兩個(gè)大小、材質(zhì)和重量相等的剛性桿Al和BI分別以Θ角與軸C在O點(diǎn)相交并根據(jù)軸C在同一個(gè)平面內(nèi)互為鏡像對稱。以球體A為研究對象并假定為理想質(zhì)點(diǎn)，當(dāng)C軸按一定方向(順時(shí)針或反時(shí)針均可)以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，球體A會(huì)產(chǎn)生一個(gè)在旋轉(zhuǎn)面上與旋轉(zhuǎn)軸垂直的離心力Fe。根據(jù)作用力與反作用力原理，會(huì)在連接桿Al上產(chǎn)生一個(gè)拉力Fa以平衡其離心力Fe。Fa在與軸C垂直的方向上的分力Fb與離心力Fe大小相等、方向相反。并有如下關(guān)系:
[0064]Fb = — Fe = Fa.sin Θ ；(公式 I)
[0065]由于連接桿的方向與Fe不在一條直線上，根據(jù)平行四邊形原理，F(xiàn)a除在與Fe反方向上產(chǎn)生一個(gè)大小相等方向相反的向心分力Fb抵消Fe外,會(huì)在垂直方向上產(chǎn)生一個(gè)分量Fua。并滿足如下關(guān)系:
[0066]Fua = Fa.cos θ ；(公式 2)
[0067]同理,在球B上也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與Fua大小相等、方向相同的垂直分量Fub。兩者相疊加就能在軸C上產(chǎn)生一個(gè)軸向上的分力Fu，此時(shí):
[0068]Fu = Fua+Fub ；(公式 3)
[0069]根據(jù)牛頓力學(xué)關(guān)于向心力的計(jì)算公式:Fb = πιω2R,從而有:
[0070]Fu = 2.mco2L.cos θ ；(公式 4)
[0071 ] 這里，m代表球體A、B的質(zhì)量，R代表球體A、B離軸的直線距離(即旋轉(zhuǎn)半徑)，L代表連接桿的長度。
[0072]由此可知，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)體系里，如果有圖一中的結(jié)構(gòu)，當(dāng)體系保持勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于對球體離心力的反作用力，在旋轉(zhuǎn)軸的軸向上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)分力，這個(gè)分力有如下特征:
[0073](I)當(dāng)這個(gè)分力克服自重和旋轉(zhuǎn)軸上的負(fù)載后，系統(tǒng)有沿著軸向運(yùn)動(dòng)的趨勢，這是該體系的軸向推進(jìn)力的表現(xiàn)；
[0074](2)此推進(jìn)力伴隨著旋轉(zhuǎn)體系的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生，也隨著旋轉(zhuǎn)體系的停止旋轉(zhuǎn)而消失，只要該體系保持旋轉(zhuǎn)，不管是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)還是非勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，該推進(jìn)力就始終存在；
[0075](3)由公式4可知，當(dāng)球體質(zhì)量越大,推進(jìn)力越大；同理，當(dāng)角速度和連接桿長度越大，推進(jìn)力也越大；而當(dāng)夾角Θ越大，推進(jìn)力反而越小，當(dāng)夾角Θ =90°時(shí),推進(jìn)力為零；
[0076](4)此工作原理也可看成是一種把旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)換成推進(jìn)能的有效方式。
[0077]下面進(jìn)一步考查體系負(fù)載情況。
[0078]如圖2所示，在有負(fù)載及重力場的情況下，負(fù)載重量為G。在系統(tǒng)處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)情況下，當(dāng)負(fù)載重心P偏離旋轉(zhuǎn)軸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸繞重心轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩Fp并使旋轉(zhuǎn)軸向偏離方向傾斜。在此情況下，旋轉(zhuǎn)到處于偏離方向兩端的球體A和球體B的重力方向會(huì)與旋轉(zhuǎn)軸分別形成一個(gè)偏離角Φ，此時(shí)有:
[0079]Fha = (Ga+Fca.sin Φ) /cos ( θ - φ) = Fua/cos ( θ - φ)；(公式 5)；
[0080]和
[0081 ] Fhb = (Gb-Fcb.sin Φ) /cos ( θ + φ) = Fub/cos ( θ + φ)；(公式 6)；
[0082]而此處:Ga = Gb，各為球A和球B的重量。且:Fca = Fcb ;各為球A和球B的離心力。Fha為Ga和Fca的合力，F(xiàn)hb為Gb和Fcb的合力；Fa和Fb分別代表作用在球A和球B上的拉力，也即克服Fha和Fhb的反作用力。
[0083]由于:Fha= — Fa ;且:Fhb = — Fb ；
[0084]由公式5和公式6可知，處于重心偏離方向近端的球體A的離心力Fca與重力的合力Fha會(huì)大于處于重心偏離方向遠(yuǎn)端的球體B的離心力Fcb與重力的合力Fhb，故而克服此合力的球體A的反作用力Fa也會(huì)比球體B的反作用力Fb大。同時(shí)，F(xiàn)a沿重力方向的分力Fua也比Fb的分力Fub大。如此形成一個(gè)對抗力矩Fp的反力矩Fo以矯正系統(tǒng)姿態(tài)而保持一種動(dòng)態(tài)平衡。另一方面，由于力矩Fp導(dǎo)致的是系統(tǒng)先繞重心P轉(zhuǎn)動(dòng)，由此形成的反力矩Fo則是使系統(tǒng)繞軸與連接桿的連接點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)，這種偏離一力矩Fp —反力矩Fo —反偏離的效果疊加結(jié)合，就會(huì)使系統(tǒng)沿重心與旋轉(zhuǎn)軸偏離方向水平移動(dòng)。事實(shí)上，這也是陀螺原理的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)。
[0085]本發(fā)明的獨(dú)特優(yōu)勢和應(yīng)用前景:
[0086]1、運(yùn)行原理簡單，能量轉(zhuǎn)換高效。特別是慣性能量轉(zhuǎn)換模式徹底顛覆了傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)、空氣動(dòng)力或者燃燒物反作用力推動(dòng)模式，是推進(jìn)系統(tǒng)的劃時(shí)代變革；
[0087]2、結(jié)構(gòu)簡單,造價(jià)低廉,能耗極低,操縱方便,控制簡單,可靠安全。由于對材料的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有航空航天工業(yè)，運(yùn)行時(shí)幾乎沒有廢棄物，所需能量只需維持核心部件基本的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)就可產(chǎn)生持續(xù)推動(dòng)力，造價(jià)相對于傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)要節(jié)省90%以上。用于航天器將節(jié)約大量材料和燃料，運(yùn)行費(fèi)用不到傳統(tǒng)航天器的千分之一甚至萬分之一。并可反復(fù)使用，壽命也比傳統(tǒng)的航天器高很多倍；
[0088]3、用于宇宙探索領(lǐng)域時(shí)，由于推進(jìn)器在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的持續(xù)推動(dòng)力會(huì)為航天器提供持續(xù)的加速度而不是傳統(tǒng)火箭的初速度。所以理論上，只要材料、結(jié)構(gòu)和輔助系統(tǒng)支持，安裝本發(fā)明推進(jìn)裝置的航天器在速度上不受限制，甚至可以接近或達(dá)到光速。只要在能源和給養(yǎng)上得到有效解決，自由遨游太空，飛出太陽系乃至遍游銀河系絕對不是夢想。人類的活動(dòng)范圍將大幅延伸；
[0089]4、不受起飛降落跑道、航線或者運(yùn)行軌道的限制，直升直降，一機(jī)多用，隨心所欲，無拘無束。既可在大氣層中飛行，也可無礙離開大氣層進(jìn)入外部空間飛行，從此再無航天和航空的區(qū)別。如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，甚至可直接入水暢游；
[0090]5、可用于在指定軌道上安置、調(diào)整、維護(hù)及回收衛(wèi)星、空間站等，比現(xiàn)有衛(wèi)星發(fā)射方式至少節(jié)省99%的成本。也可用于處理太空垃圾；
[0091]6、不依賴空氣動(dòng)力，不受空氣氣流或天氣影響。即使在飛行中發(fā)生碰撞，只要推進(jìn)系統(tǒng)沒被破壞，就沒有墜機(jī)之虞，安全性高；
[0092]7、操縱靈活，利用特殊的構(gòu)造和設(shè)計(jì)，可以完成瞬時(shí)起飛，空中快速急停、瞬時(shí)轉(zhuǎn)向等傳統(tǒng)航空航天器無法想像的動(dòng)作。特別突出的是，在近地飛行時(shí)，橫向移動(dòng)的操控由于依賴的是自動(dòng)重心偏移調(diào)整功能，其反應(yīng)時(shí)間與重心偏離或重合的時(shí)間幾乎完全一致，即取決于重心偏移或重合的快慢，所以沒有橫向慣性運(yùn)動(dòng)問題。也就是說，橫向飛行的啟動(dòng)或停止與重心偏移位置同步，理論上都可以瞬時(shí)完成，不會(huì)像普通交通工具啟動(dòng)或剎車時(shí)的加速延時(shí)或有一段剎車距離。所以大大降低了空中碰撞的幾率，安全性能無與倫比；
[0093]8、清潔環(huán)保節(jié)能。由于采用慣性推力，只要維持傘面旋轉(zhuǎn)就能持續(xù)提供動(dòng)力。能耗比常規(guī)動(dòng)力大為降低，而且?guī)缀鯖]有污染物排放，可大幅降低環(huán)保成本。可以廣泛使用太陽能電池或可充電電池做動(dòng)力，緊急情況下甚至人力也可臨時(shí)替用；
[0094]9、操作簡單、使用方便，可滿足普通人士上天翱翔的基本需求。不需要專門培養(yǎng)宇航員，普通人就可輕松登陸太陽系各大行星；
[0095]10、如前所述，本發(fā)明可應(yīng)用在地球上一切可能的交通工具上，而且相比現(xiàn)在的陸上、水上和水下交通工具，其造價(jià)、費(fèi)用、能耗、廢氣、噪聲等均將大幅降低。操縱更便捷、可靠性更高；
[0096]11、本發(fā)明也可用于依照本發(fā)明原理設(shè)計(jì)的飛行或動(dòng)力模型及玩具制造。
[0097]總之，本發(fā)明技術(shù)的廣泛采用，將有力促進(jìn)現(xiàn)代動(dòng)力技術(shù)的快速進(jìn)步和發(fā)展，并有望成為迄今為止最完美的動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)解決方案。必將深刻改變?nèi)祟惿罴俺鲂蟹绞?，拓展人類生存空間和宇宙資源。
[0098]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的方法及技術(shù)內(nèi)容作出些許的更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于航空航天飛行器的動(dòng)力推進(jìn)裝置，其特征在于:由傘面結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置構(gòu)成；傘面結(jié)構(gòu)連接有一根旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置相連。
2.如權(quán)利要求1所述的動(dòng)力推進(jìn)裝置，其特征在于:所述傘面結(jié)構(gòu)以旋轉(zhuǎn)軸為中軸線嚴(yán)格對稱，傘面與中軸的夾角不等于90°。
3.如權(quán)利要求1所述的動(dòng)力推進(jìn)裝置，其特征在于:所述傘面結(jié)構(gòu)是軸對稱碟形面、軸對稱圓錐形面或軸對稱拋物面的剛性結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的動(dòng)力推進(jìn)裝置，其特征在于:所述旋轉(zhuǎn)軸疊裝多個(gè)的傘面結(jié)構(gòu)形成傘面結(jié)構(gòu)組。
5.如權(quán)利要求1所述的動(dòng)力推進(jìn)裝置，其特征在于:所述旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置是電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、輪機(jī)或其他一切能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的設(shè)備。
6.如權(quán)利要求1所述的動(dòng)力推進(jìn)裝置，其特征在于:所述傘面結(jié)構(gòu)由串珠錐構(gòu)成，串珠錐由偶數(shù)對完全相同的剛性球在一個(gè)平面上排列成一個(gè)圓，穿過此圓中心有一根旋轉(zhuǎn)軸并垂直于該平面，旋轉(zhuǎn)軸頂部分別伸出同等數(shù)量的剛性連接桿與各剛性球體穿心相連并與旋轉(zhuǎn)軸保持一個(gè)同樣的固定夾角，此夾角不等于90° ;各對剛性球及其連接桿以旋轉(zhuǎn)軸中心軸對稱并相互獨(dú)立。
7.如權(quán)利要求1所述的動(dòng)力推進(jìn)裝置，其特征在于:所述傘面結(jié)構(gòu)的過軸剖面上，從傘面結(jié)構(gòu)的邊沿向頂點(diǎn)方向?qū)ΨQ切開2?4對切口，切口方向是沿傘面邊緣向頂點(diǎn)的方向，切口長短不超過傘面半徑的2/3。
8.如權(quán)利要求1所述的動(dòng)力推進(jìn)裝置，其特征在于:所述動(dòng)力推進(jìn)裝置設(shè)置在真空環(huán)境中。
9.如權(quán)利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的動(dòng)力推進(jìn)裝置的用途，其特征在于:所述動(dòng)力推進(jìn)裝置安裝在航天航空飛行器的重心軸上，用于為航天航空飛行器提供動(dòng)力，通過調(diào)整動(dòng)力推進(jìn)裝置旋轉(zhuǎn)軸與航天航空飛行器的重心之間的偏離角度和距離，來控制飛行器的橫向飛行方向和速度。
10.如權(quán)利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的動(dòng)力推進(jìn)裝置的用途，其特征在于:所述動(dòng)力推進(jìn)裝置用于作為陸上汽車、單人飛行、列車、坦克、水上輪船、水下潛水裝置、各類交通工具模型、玩具或人力車的動(dòng)力系統(tǒng)。
【文檔編號】B64C11/00GK104443358SQ201410285910
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】朱江, 謝勇, 白建廷 申請人:朱江