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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Reaktionskräften mit mindestens einem Paar von Kreiseleinrichtungen, die symmetrisch zum Schwerpunkt der Vorrichtung angeordnet sind.
In vielen Bereichen der Technik ist es erforderlich, auf fliegende oder schwebende Objekte Kräfte auszuüben, um diese zu stabilisieren oder anzutreiben und fortzubewegen. So wird beispielsweise bei einem Hubschrauber durch einen Rotor eine nach unten gerichtete Luftströmung erzeugt, um die Gewichtskraft, die auf den Hubschrauber wirkt, auszugleichen und ein Abheben des Hubschraubers zu ermöglichen. In ähnlicher Weise wird bei Flugzeugen durch Propeller oder Düsentriebwerke eine Vortriebskraft erzeugt, die im Zusammenhang mit geeigneten Tragflächen eine Flugbewegung ermöglicht. Ausserhalb der Erdatmosphäre ist eine solche Antriebsart nicht möglich, da im Vakuum kein Medium zur Verfügung steht, das von einem Raumflugkörper beschleunigt werden könnte.
Daher ist die technisch derzeit einzige bekannte Möglichkeit, einen Raumflugkörper anzutreiben oder zu stabilisieren, die Verwendung von Raketentriebwerken. Bei Raketentriebwerken wird ein Teil der Masse des Flugkörpers unter einem hohen Druck, der im Allgemeinen durch Verbrennung erzeugt wird, gerichtet durch Düsen ausgestossen, wodurch sich eine entsprechende Rückstosskraft ergibt, die den Raumflugkörper antreibt. Auch eine blosse Lagekorrektur von Satelliten, beispielsweise von geostationären Satelliten, wird derzeit durch den Ausstoss von Gasströmen aus Düsen durchgeführt. Da die Treibstoffmasse, die von einem solchen Satelliten mitgeführt werden kann, naturgemäss begrenzt ist, ist die Lebensdauer eines solchen Satelliten sehr oft durch die mitgeführte Treibstoffmenge determiniert.
Dabei ist es wichtig anzumerken, dass die wirkliche Einschränkung nicht in der Begrenztheit der zur Verfügung stehenden Energie liegt, da insbesondere bei Satelliten Energie durch Sonnenkollektoren oder dergleichen über einen nahezu unbeschränkten Zeitraum zur Verfügung steht. Die eigentliche Beschränkung liegt vielmehr in der Beschränktheit der auszustossenden Gasmasse, die nicht nachbeschafft werden kann.
Aus der GB 2 211 937 A ist eine Stabilisierungsvorrichtung mit mehreren Kreiseln bekannt, die in verschiedenen Ebenen angeordnet smd. Eine solche Vorrichtung erscheint grundsätzlich funktionsfähig zu sein, jedoch treten aufgrund der grossen mechanischen Belastung kaum beherrschbare Festigkeitsprobleme auf. Die DE 31 00 032 zeigt einen Antriebsmotor für Raumfahrzeuge, der darauf beruht, dass Räder, die eine exzentrisch angeordnete Masse tragen, mit einer Winkelgeschwindigkeit angetrieben werden, die innerhalb jeder Umdrehung ansteigt und abfällt. Abgesehen von grundsätzlichen Problemen sind dabei sehr grosse Drehmomente wechselnder Richtung erforderlich, die zu grossen mechanischen Beanspruchungen führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der aufgrund des Trägheitsprinzips Reaktionskräfte auf Körper ausgeübt werden können, die keine Verbindung mit dem festen Boden aufweisen. Insbesondere soll dabei auf die mechanische Belastbarkeit der Bauteile Bedacht genommen werden.
Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben dadurch gelöst, dass jede Kreiseleinrichtung einen nicht rotierenden Basisteil aufweist, an dem ein Drehkörper um eine Achse drehbar gelagert ist, und dass in dem Drehkörper mehrere Kreisel vorgesehen sind, deren Achsen in einem Winkel zur Achse des Drehkörpers angeordnet sind, dass jeder Kreisel mit dem nicht rotierenden Basisteil gekoppelt ist, und dass ein Motor zum Antrieb der Kreisel und des Drehkörpers ausgebildet ist.
Diese Reaktionskräfte können zum Antrieb solcher Körper beitragen oder diese stabilisieren.
Bei entsprechender Dimensionierung der Bauteile kann die erfindungsgemässe Vorrichtung auch fliegende Objekte antreiben. Wesentlich dabei ist, dass die Vorrichtung ohne die äussere Bewegung von Massen auskommt, das heisst, dass beispielsweise störende Effekte und Verluste durch Luftbewegungen von Flugobjekten in der Erdatmosphäre vermieden werden können. Besondere Vorteile ergeben sich bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung ausserhalb der Erdatmosphäre, da hier kein Massenverlust durch den Ausstoss aus Raketentriebwerken auftritt. Die notwendige Antriebsenergie kann auf die verschiedenste Art bereitgestellt werden. So kann beispielsweise elektrische Energie aus Batterien oder Brennstoffzellen für den Antrieb herangezogen werden. Für die Anwendung in Raumschiffen oder Satelliten bietet sich die Verwendung von Solarenergie an.
Eine kurzfristige Energiespeicherung kann jedoch auch innerhalb der Vorrichtung in Form von kinetischer Energie erfolgen.
Durch die äussere Lagerung der Kreisel in dem Drehkörper können auch grosse Reaktionskräfte
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aufgenommen werden, ohne die Bauteile übermässig zu beanspruchen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Antrieb durch einen einzelnen festen Motor erfolgen kann, der ausserhalb des Drehkörpers angeordnet ist, so dass eine Energieversorgung über Schleifringe o. dgl. nicht erforderlich ist. Es können jedoch zusätzliche Motoren zum direkten Antrieb der Kreisel vorgesehen werden, wenn besonders hohe Kräfte benötigt werden. Gegenläufige aussenliegende Stabilisierungskreisel ermöglichen eine weitere Steigerung der Wirkung, insbesondere bei der Verwendung als Antriebssystem für Flugobjekte.
In einer konstruktiv besonders begünstigten Ausführungsvanante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Motor koaxial zum Drehkörper angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine kompakte Ausführung erreicht werden.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Kopplung der Kreisel mit dem nicht rotierenden Basisteil über Getriebe erfolgt, die als Kegelradgetriebe ausgebildet sind, von denen jeweils ein Kegelrad an jedem Kreisel befestigt ist. Dadurch können die mechanischen Verluste gering gehalten werden.
Eine besonders kompakte Ausführung ist in diesem Zusammenhang möglich, wenn alle an den Kreiseln befestigte Kegelräder einer Kreiseleinrichtung in ein gemeinsames Kegelrad eingreifen, das fest mit dem nicht rotierenden Basisteil verbunden ist.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist besonders fein steuerbar und ermöglicht eine hochgradige Stabilität, wenn drei Paare von Kreiseleinrichtungen vorgesehen sind, die in der Form eines regelmässigen Sechsecks angeordnet sind. Dabei ist die Wirkungsweise optimal, wenn die Achsen der Kreiseleinrichtungen zueinander parallel ausgerichtet sind. Eine Beeinflussung der Vorrichtung in allen sechse Freiheitsgraden wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass jede Kreiseleinnchtung unabhängig von den übrigen steuerbar ist.
Eine weitere Stabilisierung der Vorrichtung kann wie oben angedeutet dadurch erreicht werden, dass zusätzlich ein Aussenkreisel vorgesehen ist, dessen Achse durch den Schwerpunkt der Vorrichtung geht und der die Kreiseleinrichtungen umgibt. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, dass der Aussenkreisel als Zwischenspeicher für Energie verwendet werden kann.
Es ist vorteilhaft, wenn die Achsen der einzelnen Kreisel im Wesentlichen rechtwinkelig auf die Achse des zugehörigen Drehkörpers angeordnet sind. Durch eine geringfügig von einem rechten Winkel abweichenden Winkel kann jedoch die Lagerbelastung verringert werden, was bei sehr schnell laufenden Kreiseln vorteilhaft ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Kreisel über direkt gekoppelte Motoren angetrieben sind. Auf diese Weise kann ein Getriebe zum Antrieb der Kreisel entfallen, wodurch eine Vereinfachung der Vorrichtung erreicht wird. Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsvariante besteht darin, dass es in einfacher Weise möglich ist, die Drehrichtung der Kreisel zu ändern und damit die Richtung der Kraftentfaltung umzukehren.
In der Folge wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen schematisch die Fig. 1 eine Ansicht einer erfindungsgemässen Vorrichtung von unten, die Fig. 2 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung, die Fig. 3 ein Detail einer Kreiseleinrichtung im Schnitt, die Fig. 3a und 3b Details von alternativen Ausführungsvarianten der Erfindung und die Fig. 4 ein weiteres Detail einer unterschiedlichen Ausführungsvariante.
Die Vorrichtung von Fig. 1 besteht aus einem Grundkörper 1, der im Wesentlichen kreisförmig aufgebaut ist und einen Schwerpunkt S aufweist. Am Umfang des Grundkörpers 1 ist ein Aussenkreisel 2 angeordnet, der um den Schwerpunkt S drehbar ist. Innerhalb des Aussenkreisels 2 sind im Grundkörper 1 sechs Kreiseleinrichtungen 3 in Form eines regelmässigen Sechsecks um den Schwerpunkt S angeordnet. Die Pfeile 4 geben die grundsätzliche Bewegungsrichtung innerhalb der Kreiseleinrichtungen 3 an, wobei aus Fig. 1 ersichtlich ist, dass zwei benachbarte Kreiseleinrichtungen 3 jeweils gegenläufig rotieren.
In der Fig. 2 ist eine Ausführungsform des Aussenkreisels 2 ersichtlich. Diese besteht aus zwei gegenläufigen Rotoren 2a, 2b. Durch diese Ausführung können mehrere Effekte gleichzeitig erreicht werden. So kann durch gleichmässige Beschleunigung der Kreisel 2a, 2b in unterschiedliche Richtungen Energie zwischengespeichert werden. Gleichzeitig stabilisiert die Kreiselwirkung die Vorrichtung gegenüber Kippmomenten um den Schwerpunkt S. Gleichzeitig kann eine Drehung der Vorrichtung um die Achse 5 der Kreisel 2a, 2b hervorgerufen werden, indem die beiden Kreisel
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2a, 2b unterschiedlich beschleunigt oder verzögert werden.
In der Fig. 3 ist eine Kreiseleinrichtung 3 in einem Schnitt teilweise dargestellt. Die Kreiseleinrichtung 3 besteht aus einem nicht rotierenden Basisteil 7, der einstückig mit dem Grundkörper 1 der erfindungsgemässen Vorrichtung ausgeführt sein kann. In dem nicht rotierenden Basisteil 7 ist über Lager 8, 9 ein Drehkörper 10 um eine Achse 6 drehbar gelagert. Innerhalb der Drehkörper 10 ist eine Mehrzahl von Kreiseln 11in gleichen Winkelabständen über Lager 12,13 drehbar gelagert. Die Achsen 14 der Kreisel 11 schneiden die Achse 6 in rechten Winkeln. Über ein Kegelradgetriebe 15 sind die Kreisel 11mit dem nicht rotierenden Basisteil 7 verbunden. Das Getriebe 15 besteht aus einem Kegelrad 16, das fest mit dem Kreisel 11 verbunden ist und einem weiteren Kegelrad 17, das fest mit dem nicht rotierenden Basisteil 7 in Verbindung steht.
Ein Antriebsmotor 18 treibt über ein Ritzel 19 die Drehkörper 10 an. Der Antriebsmotor 18 ist fest mit dem nicht rotierenden Basisteil 7 verbunden. Ein weiteres Lager 20 dient zur Aufnahme der Kräfte in Radialrichtung zwischen dem Motor 18 und dem Drehkörper 10.
Indem die Motoren 18 der einzelnen Kreiseleinrichtungen 3 unterschiedlich angesteuert werden, können Kräfte und Momente so erzeugt werden, dass Kippbewegungen in alle Raumrichtungen gezielt möglich sind.
Die Ausführungsvariante von Fig. 3a unterscheidet sich von der oben beschriebenen Lösung dadurch, dass das Getriebe 15 mit den Kegelrädern 16,17 nicht am äusseren Ende des Kreisels 11 angeordnet ist, sondern in einem mittleren Bereich. Auf diese Weise kann die mechanische Belastung der Bauteile bei hohen Drehzahlen verringert werden.
Bei der Ausführungsvariante von Fig. 3b weist der nicht rotierende Basisteil 7 einen kleinen Durchmesser auf, so dass er den Drehkörper 10 nur zu einem geringen Teil überdeckt. Durch die innenliegende Anordnung der Kegelräder 16,17 des Getriebes 15 ist eine grössere Ausführung des nicht rotierenden Basisteils 7 nicht notwendig, so dass eine beträchtliche Gewichtseinsparung erzielt werden kann. Konstruktiv muss jedoch die stärkere Belastung der Kegelräder 16,17 und der Lager 20 beachtet werden.
Bei der Ausführung nach Fig. 4 erfolgt die Kopplung der Drehbewegung der Kreisel 11 mit der Rotation des Drehkörpers 10 nicht über ein Getriebe, sondern über entsprechend angesteuerte Motoren 21. Da die Drehzahlen der einzelnen Kreisel 11 unabhängig geregelt werden können, ist so eine besonders feinfühlige Steuerung sowie eine starke Leistungssteigerung bei relativ geringer Rotationsgeschwindigkeit des Drehkörpers möglich. Das Lager 22 dient zur Abstützung der Reaktionskräfte, wenn diese nach unten wirken.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ermöglicht es, ohne Massenverlust die Flugbewegung von fliegenden Objekten zu beeinflussen und/oder zu stabilisieren. Besonders vorteilhaft sind diese Wirkungen ausserhalb der Erdatmosphäre einsetzbar. Ausserdem ist mit der erfindungsgemässen Vorrichtung ein universelles Antriebssystem für fliegende Objekte darstellbar.
PATENTANSPRÜCHE :
1 Vorrichtung zur Erzeugung von Reaktionskräften mit mindestens einem Paar von Kreisel- einrichtungen (3), die symmetrisch zum Schwerpunkt (S) der Vorrichtung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kreiseleinrichtung (3) einen nicht rotierenden Basis- teil (7) aufweist, an dem ein Drehkörper (10) um eine Achse (6) drehbar gelagert ist, und dass in dem Drehkörper (10) mehrere Kreisel (11) vorgesehen sind, deren Achsen (14) in einem Winkel zur Achse (6) des Drehkörpers (10) angeordnet sind, dass jeder Kreisel (11) mit dem nicht rotierenden Basisteil (7) gekoppelt ist, und dass ein Motor (18) zum Antrieb der Kreisel (11) und des Drehkörpers (10) ausgebildet ist.