CN101447727A - 将摆动转化为平动的推进系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种将摆动转化为平动的推进系统及实现方法，其利用旋转物体在受到外力作用时会同时出现平动和转动的自然现象，实现了将一定范围内往复转动(即摆动)的能量转化为平动能量的目的，实现不需要燃料就可以推进，可以用于航天、航空、汽车等行业。本发明包括发生摆动的摆子和不发生旋转的定子，摆子的摆动轴与定子连接，受力装置安装在摆子上，发力装置安装在定子上。摆子和定子之间通过电场或磁场产生相互作用力，受力装置旋转到指定的位置上时，安装在定子上的发力装置对受力装置产生作用力，作用力一定不能通过摆子的轴心，并应使摆子受的合力不为零，对摆心的力矩和不为零。

Description

将摆动转化为平动的推进系统及实现方法

一、技术领域：

本发明涉及一种动力装置，是涉及一种将摆动运动的动能转化为平动运动的动能的推进系统及实现方法，适用于火箭、飞机、汽车、潜艇、轮船等移动物体的动力装置。

二、背景技术：

在发明CN200810017979.8“将转动转化为平动的推进系统及实现方法”中，提出了如果有转动轮在转动时可以产生平动推力的设想，在对该发明进行试验的过程中，发现了另外一种产生推力的方法，这种方法是对将转动转化为平动的改进，此时转子不一定需要出现完整的旋转，只要出现摆动就可以了，这样就可以大大缩小转动轮所需要的空间，因而可以使整个推进系统的体积大大缩小。

和转动转化为平动的推进系统一样，本发明也具有不需要燃料就能产生推力的优点，长期以来，由于受到牛顿第一定律的思维拘束，人们一直误以为系统内力不可能使系统产生平动加速度，因而必须利用反喷或外力来使物体移动，本发明人注意到牛顿第一定律其实不是一个普适的定律，它只能在惯性系中成立，而在非惯性系中牛顿第一定律的反例比比皆是，最常见的反例就是刚体旋转，这就是一个非惯性系，它在旋转发生以后，即使不受外力，各点的速度也会时时刻刻在变化，无法保持静止或匀速直线运动，利用这个非惯性系，在发明“将转动转化为平动的推进系统及实现方法”中实现了内力产生平动加速度的目标，本发明则注意到摆动可以看作是转动的一个特殊情况，这样就可以把转动产生平动的思想和方法移植到摆动这种场合，采用类似转动的理论分析方法来分析摆动产生平动推力的过程，由于摆动所需要的体积较小，因此该推进装置可以大大缩小发动机的体积。

与一般的推进方式相比，将摆动能量转化为平动能量，带来一个好处是这种动力装置不需要燃料，只需要能量输入就可以保证动力装置的正常运行，因而可以用于解决太空飞行时长期动力的问题，而且这种装置没有喷出任何物质，因而它还可以作为飞机、汽车、潜艇、轮船等的理想的动力装置。

三、发明内容：

本发明的目的在于提供一种将摆动现象转化为平动现象的推进系统原理及实现方法，其利用旋转物体在受到外力作用时会同时出现平动和转动的自然现象，实现了将一定范围内往复转动(即摆动)的能量转化为平动能量的目的，实现不需要燃料就可以推进，可以用于航天、航空、汽车等行业。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种将摆动转化为平动的推进系统，其特征在于：包括发生摆动的摆子和不发生旋转的定子，摆子的摆动轴与定子连接，受力装置安装在摆子上，发力装置安装在定子上。

上述摆子的形状为一字形、十字形、圆柱形、空心杯形。

一种将摆动转化为平动的推进系统的实现方法，其特征在于：摆子和定子之间通过电场或磁场产生相互作用力，受力装置旋转到指定的位置上时，安装在定子上的发力装置对受力装置产生作用力，作用力一定不能通过摆子的轴心，并应使摆子受的合力不为零，对摆心的力矩和不为零；通过反复施加相反方向的力矩，使不需要的力矩总的效果为零；通过改变受力装置与发力装置之间作用力大小来改变推力的大小。

上述受力装置与发力装置之间通过电场、磁场或电磁场来产生相互作用力；或通过直接接触的杆或软索产生相互作用力。

在不同的时间或摆子摆角内，电流只对摆子的一边通电；在不同的时间或摆子摆角内，电流只对定子的一边通电；通过改变摆子受力的方向，来改变推进装置推力的方向；通过改变电流的方向，来改变摆子受力的方向。

摆子在一个摆动周期内，[0，T1)时间段出现由摆子一边受力产生的推力，在[T2，T3)时间段出现由摆子另一边受力产生的推力，满足T1>0，T2-T1≥0，T3-T2>0，T4-T3≥0。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

本发明如果采用电力来推进，不使用燃料，那么只要能够提供足够的电能，就能使星际宇宙航行成为可能，而且由于没有燃料，不会造成污染，它同样也可以成为飞机、汽车等运载器的动力装置，作为汽车发动机，它最大的优点就是对路面没有任何要求，即使在水面或沙地，也能产生推力。

四、附图说明：

图1为摆动转化为平动的推进装置基本原理图；

图2为摆动转化为平动时摆子受力分析图；

图3为基于磁芯的推进装置的方案图；

图4为推进装置的推力特性图；

图5为一种基于直流电流的推进装置的设计方案图；

图6为一种基于传力杆的推进装置结构原理图；

图中，1—转动轮、2—受力装置、3—发力装置、4—不转动的结构部分、5—定子、6—摆子、7—换向器、8—摆动轴、9—接电源的簧片、10—传力杆、11—挡块。

五、具体实施方式：

本发明为一种动力系统，和火箭发动机功能相同，和火箭发动机不一样的是它不需要燃料，也不借助反喷原理工作，而是使摆动过程中的转动动能转化为平动动能，产生推力，因而也可以用于替代汽车、飞机等的发动机。

本发明含有在一定角度往复转动的物体(即摆子)和不发生旋转的物体(即定子)，两者之间能够通过某种方式(电场、磁场或电磁场等)产生相互影响。与电动机不同的是，该动力装置在工作过程中，摆子所受到的场的合力一定不通过摆动轴的轴心，从而使相对于轴心的力矩总和不为零，且摆子的合力也不为零。

为了实现上述摆动方案，摆子上需要设置有受力装置，定子上需要设置有发力装置，摆子或者定子可以通过控制电路进行控制，只有摆子旋转到指定的位置上时才能使摆子及定子之间产生相互作用，相互作用的结果应使摆子受到不为零的合力，并使相对于轴心的力矩总和不为零，使摆子相对于定子出现了角加速度。当采用磁场作为作用力的传递场时，受力装置或发力装置可以选用永磁材料，也可以用电流来产生磁场；当采用电场作为作用力的传递场时，受力装置或发力装置可以选用驻极体，也可以用通电的方式产生电场。也可以用其它的方式如流场、传力杆、传力绳等作为作用力的传递方式。

在理解摆动转化为平动的工作原理前，先需要理解转动转化为平动的工作原理。

如图1所示为转动转为为平动的推进装置基本原理图，本发明利用作用力不通过转动轮质心时一部分力会使转动轮产生转动，从而导致作用力中平动的作用力分量与该作用力的反作用力之和不为0的现象实现平动推进。

图1所示的转动转为为平动的推进装置包含1个转动轮、多个受力装置、1个发力装置、1个不转动的结构和相关控制电路，受力装置应当安装在转动轮上，转动轮的轴心与发力装置均与不产生转动的结构连接；转动轮1的转动轴和发力装置3都刚性连接在不转动结构4上，若干个受力装置2均布在转动轮上，受力点距转动中心的距离为d，只有当受力装置转到使转动中心、受力点、发力装置三者构成近似的直角三角形(转动中心、发力装置的连线为斜边)时受力装置才能受到作用力，图1中所示的是产生磁场的情形，除需要受力的那个受力装置外，其它受力装置均不通电，因而也就不产生磁场。在图1的设计方案中，当受力装置产生磁场后就能与发力装置产生相互作用，推动转动轮转动，这种相互作用力可以是斥力，也可以是吸力，但作用力一定不能通过转动轮的轴心。

现在来分析转动轮受力情况。图2是转动轮受力图，图中A为转动轴的中心，受力装置受力点为B，d＝AB，设受力装置受到的作用力为F，F垂直于AB。F分解为两个力，F₁传递到转动轴(在A这个位置)上，F₂使转动轮出现转动，因而有

F＝F₁+F₂                    (1)

现在需要计算F₁和F₂的大小。将F平移到A点，平移的力为F′，F′与F大小相等，方向相同，F′的反作用力为-F′，那么在B点受到作用力F等效于在A点受到作用力F′，同时还受到力偶(F，-F′)的作用。设转动轮质量为m，不受转动轴阻挡时转动轮A点平动加速度为a，转动惯量为I，角加速度为β，则有

F′导致A点的平动加速度为a_A1＝F′/m

力偶(F，-F′)导致A点的平动加速度满足a_A2＝d β，其中β满足-F′d＝(I+md²)β，即相当于力偶(F，-F′)使得A绕B点旋转。

因而有

$a=a_{A1}+a_{A2}=\frac{F\′}{m}-\frac{F\′d^2}{I+m{d}^2}=\frac{F}{m}(1-\frac{{\mathrm{md}}^2}{I+m{d}^2})=\frac{F}{m}\frac{I}{I+{\mathrm{md}}^2}---\left(2\right)$

由(2)得到

$F_1=\mathrm{ma}=\frac{I}{I+{\mathrm{md}}^2}F---\left(3\right)$

$F_2=F-F_1=\frac{{\mathrm{md}}^2}{I+{\mathrm{md}}^2}F---\left(4\right)$

以上分析针对的是

与

垂直的情形，作者还进一步分析了如果这两个向量不垂直的情形，此时仍可使用图2的分析方法，有

${\stackrel{\→}{a}}_{A1}=\frac{\stackrel{\→}{F}}{m}---\left(5\right)$

${\stackrel{\→}{a}}_{A2}=\stackrel{\→}{d}\×\stackrel{\→}{\mathrm{\β}}---\left(6\right)$

其中满足

$-\stackrel{\→}{F}\×\stackrel{\→}{d}=(I+{\mathrm{md}}^2)\stackrel{\→}{\mathrm{\β}}---\left(7\right)$

因而有

$\stackrel{\→}{a}={\stackrel{\→}{a}}_{A1}+{\stackrel{\→}{a}}_{A2}=\frac{\stackrel{\→}{F}}{m}-\frac{\stackrel{\→}{d}\×\stackrel{\→}{F}\×\stackrel{\→}{d}}{I+{\mathrm{md}}^2}---\left(8\right)$

${\stackrel{\→}{F}}_1=m\stackrel{\→}{a}=\stackrel{\→}{F}-\frac{m\stackrel{\→}{d}\×\stackrel{\→}{F}\×\stackrel{\→}{d}}{I+{\mathrm{md}}^2}---\left(9\right)$

${\stackrel{\→}{F}}_2=\stackrel{\→}{F}-{\stackrel{\→}{F}}_1=\frac{m\stackrel{\→}{d}\×\stackrel{\→}{F}\×\stackrel{\→}{d}}{I+{\mathrm{md}}^2}---\left(10\right)$

现在来分析不转动部分所受到的力

首先它受到F的反作用力(-F)的作用，另外它还受到转动轮作用在转动轴上的作用力F₁，因而合力F*为

$\stackrel{\→}{F}*=(-\stackrel{\→}{F})+{\stackrel{\→}{F}}_1=-{\stackrel{\→}{F}}_2=-\frac{m\stackrel{\→}{d}\×\stackrel{\→}{F}\×\stackrel{\→}{d}}{I+{\mathrm{md}}^2}---\left(11\right)$

可见不转动部分所受到的合力不为0，因而会发生运动，运动的方向与受力装置所受到的力F的方向相反，即受力装置受到的是斥力时，不转动部分的加速度是由受力装置指向发力装置，而受力装置受到吸引力时则方向相反。

摆动转化为平动的原理与转动转化为平动的原理相同，差别在于摆子转动一定角度后受力点B就需要调整到摆子的另外一侧，使摆子受到往复的作用力，产生摆动。

图3为摆动转化为平动的推进装置一种方案图，包括定子5(即不转动部分)，为一块永磁体，在该图中N极指向摆心，图中摆子6是一个由缠绕着线圈的铁芯组成，图中还包括摆子的摆动轴8，摆动轴上安置有换向器7，直流电源通过簧片9与换向器7相连。

换向器的设计应使无论摆子的哪一个边在靠近定子时都会使电流换向并导致受到斥力，使用常规的换向器就能实现这个任务。此时发力装置3为永磁体，受力装置2为通电后产生磁场的、靠近定子的那一边的铁芯。

根据图2的分析，该推进装置在摆子的某一边靠近定子时就会产生斥力，导致定子受到大致由N指向S的作用力，定子所受到的力与摆动轴受到的力的合力将不为零，导致推进装置运动，运动方向为由N指向S，其推力特征图如图4所示。

推进装置的一个摆动周期0～T4中，[0，T1)为摆子的一边靠近定子时产生，推进装置产生向前的推力，[T1，T2)时间段是换向器的换向时间间隙，这段时间摆子按惯性转动，不产生推力，[T2，T3)时间段是摆子的另一边靠近定子时产生，推进装置也产生向前的推力，[T3，T4)时间段为换向器的换向时间间隙。实际设计时可以取T1＝T3-T2>0，T2-T1＝T4-T3≥0。

将摆动转化为平动的装置可以有很多设计方案，图5给出了另外一种基于直流电流的设计方案，该设计方案中两个簧片9之间通直流电流后，会在摆子6的一边上产生垂直于磁场的作用力，导致摆子6出现运动，摆动到一定角度后，由于换向器7的作用，摆子6另外一个边通电，同样由于洛伦兹力的作用摆子6开始摆动。由于摆子受力点不在摆动轴8的中心线上，受力的合力不为零，同时力矩也不为零，因此该装置能够产生推力。这个推进装置设计方案的优点在于只要改变直流电源的极性，就能很方便地使推进装置的动力方向翻转。在本设计方案中，受力装置2为通电导线，发力装置为永磁体。

本推进装置不一定必须使用电磁场作为力量源，也可以使用其它力量源，只要使摆子受力，满足摆子受到的合力不为零，且对摆心的力矩和不为零的要求，就能产生推力。图6给出了一种基于传力杆的推进装置原理图，图中包括传力杆10，挡块11，它实质上是受力装置，挡块11固定在摆子6上，传力杆10可以通过挤压挡块11将力传递给摆子6，通过交替使两个传力杆向摆子传递推力的方式使摆子发生摆动，摆子在摆动的过程中同样具有合力不为零且对摆心的力矩和不为零，因而使推进装置产生动力。在这个设计方案中，受力装置2为挡块11，传力杆的推力可以来自内燃机、外燃机或其它动力机械，即发力装置3可以是任何一种能够产生直线推力的机械以及传力杆。

摆子可以设计成各种形状，除一字形外，还可以设计成十字形、圆柱形、空心杯等，视产品的需求而定。

摆子的最大摆角视设计需求而定，可以较小也可以较大，甚至可以远远大于360°，此时可以往一个方向摆动若干周以后再往另外一个方向摆动。

摆动轴需要通过轴承与定子连接，这样摆子和定子就共同组成推进装置。

这样就能看到该发明完整的结构，其特点是：

1.本发明应利用作用力不通过摆子质心时一部分力会使摆子产生转动，从而导致作用力中平动的作用力分量与该作用力的反作用力之和不为0的现象实现平动推进；

2.本发明在实现时至少包含1个摆子、1个定子和相关控制电路，摆子上有受力装置，定子上有发力装置，摆子的轴心与定子连接；

3.本发明中摆子及定子的形式可以有很多种，相互作用力可以通过多种方式进行传递，但无论千变万化，摆子所受的合力一定不为零，摆心的力矩和也一定不为零，这是本发明产生推力的关键；

4.本发明中摆子需要在一定角度范围内往复摆动；

5.本发明在实现时，推进装置摆子的受力装置只有旋转到指定的位置上时才能受力，而发力装置提供受力装置所需的力，发力装置与受力装置之间的作用力可以是斥力，也可以是吸力，或其它类型的作用力，但作用力一定不能通过转动轮的轴心；

6.在原理图1中，当不旋转的结构部分受力时，会导致不旋转的部分出现一个力矩，使其受到力矩作用而出现旋转的倾向，本发明消除定子不需要的力矩不是通过设置镜像推力装置的方法，而是通过给定子反复提供相反方向的力矩来达到最终消除该力矩的影响的目的。

7.本发明在实现时可以通过改变受力装置与发力装置之间作用力大小来改变推力的大小。

Claims (6)

1、一种将摆动转化为平动的推进系统，其特征在于：包括发生摆动的摆子(6)和不发生旋转的定子(5)，摆子的摆动轴与定子连接，受力装置(2)安装在摆子(6)上，发力装置(3)安装在定子上。

2、根据权利要求1所述的将摆动转化为平动的推进系统，其特征在于：摆子(6)的形状为一字形、十字形、圆柱形、空心杯形。

3、根据权利要求1所述的一种将摆动转化为平动的推进系统的实现方法，其特征在于：摆子(6)和定子(5)之间通过电场或磁场产生相互作用力，受力装置旋转到指定的位置上时，安装在定子上的发力装置(3)对受力装置(2)产生作用力，作用力一定不能通过摆子的轴心，并应使摆子受的合力不为零，对摆心的力矩和不为零；通过反复施加相反方向的力矩，使不需要的力矩总的效果为零；通过改变受力装置(2)与发力装置(3)之间作用力大小来改变推力的大小。

4、根据权利要求3所述的将摆动转化为平动的推进系统的实现方法，其特征在于：受力装置(2)与发力装置(3)之间通过电场、磁场或电磁场来产生相互作用力；或通过直接接触的杆或软索产生相互作用力。

5、根据权利要求4所述的将摆动转化为平动的推进系统的实现方法，其特征在于：在不同的时间或摆子摆角内，电流只对摆子(6)的一边通电；在不同的时间或摆子摆角内，电流只对定子(5)的一边通电；通过改变摆子(6)受力的方向，来改变推进装置推力的方向；通过改变电流的方向，来改变摆子(6)受力的方向。

6、根据权利要求5所述的将摆动转化为平动的推进系统的实现方法，其特征在于：摆子在一个摆动周期内，[0，T1)时间段出现由摆子一边受力产生的推力，在[T2，T3)时间段出现由摆子另一边受力产生的推力，满足T1>0，T2-T1≥0，T3-T2>0，T4-T3≥0。

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