CN102040011A - 以速度控制和地形选择调制重力 - Google Patents

Abstract

一种系统、方法与装置，用于在地面上产生减低或调制重力环境，该系统包含评估地形，发现支撑载具导引的适当形状，建造载具导引，提供高速载具和控制系统，用速度方程式集以控制此载具沿载具导引运动，因而产生调制的重力环境。

Description

以速度控制和地形选择调制重力

相关申请的交互引用

此申请要求2009年10月21日提出的美国临时专利申请号61/253,596的优先权，在此将该申请案参考并入。

技术领域

本发明涉及设立各项控制下的环境状态，并特别用于在一种操作环境下有效的控制重力状态。

背景技术

众所周知许多物质、技术过程、生物系统在微重力环境下会展现不同的特性，这种认知的一个早先的例子是在19世纪的应用射击塔生产均匀的球状铅弹头。最近，相似的自由落体系统也被应用在制造球状滚珠轴承。同样，体验微重力的娱乐价值也存在有一段时间了，如应用在各式各样的游乐园设施。

从太空计划的早期，美国航空航天局已用飞机做过抛物线飞行，实施减少重力的试验。更长期间的微重力试验也已在地球轨道和外层空间系统上实施过。

近年，许多公司机构用飞机做商业用低重力试验，这类飞行在航空器结构件上施加过度的应力，且只提供大约每一次20秒短暂的低重力。众所皆知，空中飞机低重力环境是非常昂贵的，在太空航行的低重力环境更是极端昂贵。这些和其它因素限制了这些现有系统的实用性。

值得注意的是，以商用飞机做飞行产生低重力的广告明确地宣称，这样的系统是「独一无二能提供一个未须进入地球轨道的低重力环境」。这样的宣称，看来非常矛盾，本发明可在地面上产生低重力。虽然许多技术过程需要低重力环境，在地面上维持一个时间间隔更长的低重力情况的可能性仍未被注意到。

发明内容

经过反复仔细的思考，发明者了解以上技术和机会未被业界认知或了解。例如，便宜的低重力环境是有用的，详情细节将在以下讨论。依据这个发现，发明者设想和开发了新颖的解决方案包括创新的装置、方法、系统和技术提供一个以费用和低重力时间最佳化的调制重力环境。例如，合并对地貌地形的现有的特点用于一个地面调制重力系统可能提供意想不到的好处。本发明包含这些新颖和有用的解决方案与改善的设备，下述其各方面有关于范例的具体化，包括首选的具体化。

进一步以上的讨论，地面的低重力环境相当有限，这些包括游乐园的设施和类似的娱乐(如，弹跳)，一些宇航员训练设备，应用射击塔和一些空中系统可提供一个低重力环境作为技术和实验过程用途。例如，航空器以高速作一条抛物线飞行，以便提供相当短暂的无重力惯性旅行。在这些短暂的时间间隔内，人员和设备在航空器之内可体验到微重力环境或无重力状态。

本发明涉及使用一种地面上的地形地貌和调制重力的装置，可利用于各种目的，包括娱乐、制造(如，晶体生长)、做实验和其它用途。以各方面视之，本发明包括勘测，挑选，准备地形地貌，专门在地面可移动装置的准备，现有或计划中专用或者共有的装置的重组，为对象提供惯性(微重力)环境。在某些方面，本发明包括为地形分析和系统规划的系统、方法和工具，充分利用特殊区域现有的地形学特点。

这种系统和装置的一个例子包括一个高速轨道系统，或其它在地面上位于一个选择的地形区域里有导引的载具，路轨或其它载具的导引。系统包括高速火车或其它载具和为控制载具的行动的装置，以便产生预期的低重力环境。在某些方面，本发明适于使用现有的高速轨道技术和现有的高速路轨设备。

本发明的系统、方法和装置提供了于地面上得到微重力的环境。一个这样的设备包括使用有客舱或其它内部空间的一种地面载具作为降低重力的装置。客舱内可容纳包括乘客和技术实验装置的载运物。

在某些方面，本发明包括一个维持水平的机制。维持水平的机制主动地并且/或者被动地维持客舱或其它载运物在一个相对于水平面的特定取向，且在特定时间内维持此特定取向。例如，虽重力减少时，但仍可感觉得到的低重力，维持载运物成水平以促进技术过程平顺，并且改善乘客舒适度。

在某些其它方面，本发明包括将一高速轨道从一条城市间的路线改道至另一个次要路径，以提供一个减低重力环境的方法。该次要路径包括一个导引的结构。该导引的结构跨越一个极大的抛物线地形轮廓区域，以便该导引的结构形成了一条极大的抛物线的路径。进一步，本发明根据首选的速度方程式集以操作高速轨道载具跨越该极大的抛物线的路径，以产生预期的减低重力条件。

在其它方面，本发明包括评估介于出发地点和目的地点之间的地形区域，用于辨认一个合适的地形特点以产生减低重力环境。在有些例子，中意的合适的地形特点大致上是抛物线的外形。值得注意的是，其它的地形也是中意的发明具体化(即，其它的地形也可利用)。

除了发现中意的地形特点之外，本发明包括在首选的地形特点附近修建导引结构。安排导引结构以控制载具的轨迹，例如，火车轨道控制了火车运动的轨迹。在发明的某些具体化，轨迹包括一个极大的抛物线轨迹部分。

根据某些方面，本发明包括结合了载具的运动与其导引结构，并且更进一步，载具有载运物与它结合。尔后，载具跨越导引结构的速度是根据首选的速度方程式集所控制的。这样载具和它的载运物则会体验到重力的改变。值得注意的是，同样的重力改变状况将从抛物线的正斜率部分(上坡)延续至负斜率部分(下坡)。

关于本发明的这些和其它好处与特点，将可以在以下详细的描述与伴随的图解中自然被了解。值得注意的是，各种的图解显示发明的各种特点，没有任一图解可单独显示整个发明。而是所有的图解一起说明本发明不同的方面和原则。熟悉此相关技艺者将可了解所有的图解一起反映且举例证明广义的发明与各种具体化方式。

附图说明

图1根据本发明的某些特点，以原理图的形式，显示一个高速导引的载具系统的一部分；

图2根据本发明的原则，以横截面原理图形式，说明一个典型系统的部分；

图3根据本发明的原则，以地形图学原理图形式，说明一个典型系统的部分；

图4根据本发明的原则，以图解形式，显示一个理论上的载具路径的特性；

图5根据本发明的原则，以图解形式，进一步显示一个理论上的载具路径的特性；

图6根据本发明的原则，以图解形式，更进一步显示一个理论上的载具路径的特性；

图7根据本发明的某些方面特点，以结构方块图形式，显示一个控制系统的一部分；

图8A-8C根据本发明，以原理图显示升降取向的次系统的各种特点；

图9A-9B根据本发明，以原理图显示升降取向的次系统进一步的各种特点。

具体实施方式

以下详细叙述是发明者认为目前最佳的具体实施方式，可使任何熟悉此相关技艺者了解或做出并使用本发明。为解释的目的，在以下叙述中，指出许多具体细节以提供对当前发明详尽的理解。然而，对一个熟悉此相关技艺者而言，不用这些具体细节，本发明的实现也会是显而易见的。在其它情况，已知的结构和设备以结构方块图形式表示之。

如上所述，地球轨道和空中飞行系统早先已用于长时间或短时间的活动，以提供微重力环境。此外，射击塔提供非常短时间的微重力情况，用于从19世纪制造球状金属弹丸，和随后制造滚珠轴承。这些提供微重力的方法的缺失是众知的。特别是，射击塔可利用时间非常短，空中飞行环境的微重力时间相当短，且费用高，绕行地球轨道微重力环境的费用极高，这些因素阻碍了许多微重力潜在的应用。

虽然微重力的需求和应用越来越明显，这个情况持续了许多年，这留给当前发明者开发的机会，而对现有的问题创造一个新看法和设想。特别是，当前发明的某些具体实施方式引用高速轨道技术，包括新颖的系统性能，提供一个在地面上产生时间较长的调制重力的工作环境。

图1，以原理图形式显示，一个高速轨道系统100的一部分。如图示，系统100包括一种载具102，内有客舱104，这两个次系统可移动并可被结合至一个引导的结构106。根据发明中说明的具体实施方式，引导的结构106包括一个管状筒形隧道108和多重导引，即，110，112，114，116。虽然说明引用路轨，一个熟悉此相关技艺者可了解导引110，112，114和116意欲代表一个引导的机制，适用于一种特殊应用的需求。因而，如以下细节的讨论，引导的机制也可包括各式各样的设备，例如各种各样材料的路轨，磁性支持设备和其它当前存在或许正被开发中的任一种支持机制。

根据发明的某些方面和具体实施方式，高速轨道系统100包括一个控制载具的次系统120，至少一部分被配置在载具102之内，一个导引控制的次系统122。载具控制次系统120和导引控制的次系统122通过一个通讯次系统124而被结合于系统控制器126。

在某些具体实施方式，系统控制器126被结合到记忆存贮设备128和用户界面次系统130。根据发明的某些方面，用户接口次系统130允许系统和某些监督人员之间的通信，以掌控整体上状态和监督信息。各种各样的次系统在引导的结构106之内允许载具102的控制与操作，在一定的时间间隔内产生一个惯性环境以调制有效的重力。

图2，根据发明，以原理图形式显示，一个高速轨道系统200的部分。图解的具体实施方式显示一种大致为抛物线外形的地形剖面202。应注意的是，显示的地形外形纯粹为举例之用，并不代表一个实际地区。然而，一个熟悉此相关技艺者将了解在世界各地许多地方有此适于本发明应用的特殊地形。另外，值得注意的是，说明中的地形剖面202不是精确地抛物线，而是大致为抛物线且跨越一个很长的地理距离，可适用于支持抛物线载具导引204。

拓扑地形剖面202和所需的抛物线载具导引204形状之间的差异可使用隧道、栈桥支架、和其它土木工程技术等已知的技术使其一致。因此，若部分所需抛物线的路径204低于对应的地形外形202的高度208，该部分路径以隧道206完成。所谓“隧道”应理解为挖掘通过大块的地形，以及封闭的通道。

反之，若部分所需抛物线的路径204高于对应的地形外形202的高度212，则使用栈桥支架218，或其它高架的支架。如下文将进一步讨论，使用栈桥或其它支架，并用管状外壳提供了一个有效的高架隧道。因此，一个部分或几乎真空的环境可以保持在一个连续的隧道结构中。

在具体实施方式的说明中，射入点214和回复点216之间，载具导引204垂直投影在水平面长度210大约3公里。在其它具体实施方式中，垂直投影210长度可达大约10公里。由此，发明说明中的设施于定量和定性而论，均与目前存在小规模设备不同，例如射击塔和游乐园中提供的惯性状态设备，在距离上仅是发明中的数十或百分之一，相对应的微重力的时间规模亦因而非常有限。

图3根据发明具体实施方式的范例，说明重力调制设施在有等高线的地图300的部分。在具体实施方式的图解中，载具导引系统302配置在起点304和终点306之间。载具导引系统302可能包括轨道，一个电磁式设备包括，例如一个超导的电磁式设备，或者沿一条已定义的路径配置的其它装置引导载具以导致一个调制的重力情况。如上所述，范例的载具导引在射入点320和回复点322之间由一个大至为抛物线的地形区域所支持。

在发明的一具体实施方式，地点304和306各对应于一城市。在发明的另一具体实施方式，地点304和306之一可对应于一个目的地例如，机场、轮渡终点站或者赌博娱乐场或者其它名胜。

在具体实施方式的图解中，载具导引系统302包括沿着第一路线部分308和沿着第二路线部分310。第一个路线部分和载具导引部分308，跨越大致为一般的地形。第二个路线部分和载具导引部分310，根据当前发明的特点包括一个大致为抛物线的路径(或其它有效的路径)312。

根据本发明的原则，第二条路线和车辆导引部分310，穿越地形314，大体符合预期的抛物路径312和适合于支持相应大幅抛物路径的车辆导引区域。在所示的体现，车辆导引310遵循一个大幅抛物曲线行驶于射入点316和回复点318之间。很容易明白，在一些实施方案，车辆导引302的射入点316和回复点318是对称的。因此射入点316可作为回复点，和回复点318同样也可以作为射入点。

在等高线地图300也显示了第一个气密室320和第二个气密室322的位置。这些气密室和密闭闸airlocks用于在一个封闭的隧道部分，以保持很低的气压，将讨论更多细节。依据发明的某些具体实施方式，每间气密室包括有一对密闭闸门，以保持隧道(即图1的108)内恒定和低的气压。每一对密闭闸门在隧道之内形成一段密闭室。让我们朝着行进的方向命名闸门A、B、C和D。

乘客可以在隧道以外的任何地方上下载具。闸门A开放和B关闭时，载具进入隧道入口的密闭室。一旦载具进入密闭室，闸门A关闭，密闭室的气压调节至隧道内的气压，然后打开闸门B，载具加速进入隧道。当载具离开隧道时，使用同一个程序，但次序相反。

当然，图3所示只是一种可能的配置。一般来说，载具导引的抛物线的部分是在一个垂直平面上，然而任一特别抛物线的方位角可以根据可利用的地形和其它的有利特点决定，包括但不限于，在起点和终点之间取一条有效的路线。

根据本发明的原则，载具在导引上每点的速度是由计算机所控制的，计算出水平和垂直分量得知速度的向量和，以使载具内部得到想要的重力加速度或称G力。以下将详细讨论一个特殊范例系统，以清楚说明此系统的特性。

为了益于了解观念，我们使用公制和近似值，地表的重力加速度g＝9.8m/sec²；轨道的抛物线方程式可由下导出：

假使水平初速度为v₀，经过t时间，则水平行程距离为

x＝v₀t

t时间内垂直行经的距离则为

y＝-1/2g t²，      负号表示往下方向

将t＝x/v₀   代入

则y＝-g/(2v₀ ²)·x²                方程式(1)

抛物线路径将可由此数学方程式(1)得到

其中x为水平座标，以米(m)表示；y为垂直座标，以米(m)表示；

g＝-9.8m/sec²为重力加速度；v₀为物体水平速度

方程式(1)对x的导数即一次微分为

y’＝dy/dx＝-(g/v₀ ²)·x           方程式(2)

因此得出y’为在(x，y)点抛物线的切线.斜率

由于v_y＝dy/dt，v_x＝dx/dt，我们得到

v_y/v_x＝dy/dx＝-(g/v₀ ²)·x    方程式(3)

因此可由下述方式使得载具达成无重状态或低重力状态。

零重力的情况如下：

y’＝v_y/v_x＝-(g/v₀ ²)·x

由于水平速度保持不变v_x＝v₀

因此v_y＝-(g/v₀)·x

每一个抛物线有其独一的水平速度v₀，因此x与y方向速度之向量和即为载具在抛物线轨道上达成无重状态的速度。

v＝v_x+v_y

向量的大小为v＝|v|＝(v₀ ²+(g²/v₀ ²)·x²)^1/2

现在参见图4，以图解形式显示一个理论的载具路径400，虚线的曲线402和404不是抛物线路径406的一部分。G值是9.8米/sec²。本例中有效的0G失重环境时间是49秒。载具沿路径402加速到一定的速度。载具沿路径404减速或是准备下一个零重力环境行程。

低重力的情况如下：

因为本系统必须“吸收”掉部份的重力加速度，以使载具舱内留下”剩余”的重力加速，例如：月球表面的重力比值P为1/6大约等于16％，载具应以(1-P)g的加速下落，g值约为9.8m/sec²。才会使载具舱内模拟月表的重力。

现在假定

V_h＝V₀(1-P)^1/2                    方程式(4)

V₀是零重力时的水平速度。

$V_y=\frac{-g(1-P)x}{V_{\text{h}}}$ 方程式(5)

其中Vh是一常数而Vy则不是常数，Vy是随着x水平距离改变的变数。

我们将证明

即可得(1-P)g的低重力。

y＝∫v_ydt                        方程式(4)

＝∫-g((1-p)/v_h)xdt              x＝v_ht

＝∫-g((1-p)/v_h)v_htdt            ＝-^1/2g(1-p)t²

＝∫-g(1-p)tdt

可以从另一角度来看看。令V_h代表达成低重力(1-P)g所需的水平速度，方程式(1)不能改变，因为抛物线轨道已固定。即系数-g/2V₀ ²也已固定，把系数的分子和分母各乘以(1-P)得到

和方程式(1)的系数比较；

现在V₀ ²(1-P)必需为系数部份的新水平速度的平方

可得V_h ²＝V₀ ²(1-P)                    方程式(6)

因此V_h＝V₀(1-P)^1/2其中V₀是零重力时的水平速度。

载具速度的垂直分量Vy可从一次微分的方程式(2)得

$y^{,}=V_y/V_h=\frac{-g}{{V_0}^2}\·x$ 方程式(3)

从上列方程式(6)得知V_h ²＝V₀ ²(1-P)因此

将方程式(2)的V₀ ²取代之，得

$V_y=\frac{-g}{{V_0}^2}\·x\·V_h=\frac{-g(1-P)}{V_h}\·x$

Vy即为沿x方向每点的载具垂直速度分量，我们得到载具在轨道上模拟低重力所需的速度，亦为x和y方向的分量和。

V＝(V_h ²+V_y ²)^1/2＝(V₀ ²(1-P)+(g²(1-P)²/V_h ²)·x²)^1/2

因V_h ²＝V₀ ²(1-P)

V＝(V₀ ²(1-P)+(g²(1-P)/V₀ ²)·x²)^1/2

因此我们可以在固定的轨道上模拟任何低重力情况。

由于月球表面的重力为地球表面的16％约1/6；要在载具的客舱内产生月表面的重力，本系统必须”吸收”掉1-P＝5/6的地表重力加速度。假使我们抛物线轨道的V₀＝270公尺/秒。

V_h＝V₀(1-P)^1/2＝246公尺/秒。

V_y＝-(g(1-P)/V_h)·x＝-0.0339x公尺/秒。

火星表面的重力为地球的38％或3/8；要产生火星重力，本系统必须吸收掉1-P＝5/8的地表重力加速度，假设载具在另一抛物线轨道上V₀为245公尺/秒，则V_h＝V₀(1-P)^1/2＝193.7公尺/秒

$V_y=\frac{-g(1-P)}{V_h}\·x=-0.03226x$ 公尺/秒

负号再一次表示垂直方向的加速度一直是往下的

本系统亦可当作两市区间的捷运，一个V₀＝270公尺/秒的抛物线轨道以水平速度为191公尺/秒产生半个地表重力的载具可以合理地用于载客的捷运系统。

图5和图6展示几种其垂直的高度为3公里可能的抛物线路径。这种具体实施方式的水平速度分别245m/s、260m/s和270m/s。

只要轨道的每一段均由方程式(1)所决定，并且从一段到另一段由光滑曲线的轨道相连接，其它抛物线的组合是可能的。例如图5所显示，从一条抛物线504到另外一条抛物线506可以经转折502在任何点508形成轨道500。图6显示从一条抛物线524到另外一条抛物线526在顶点528转折522，形成一个不对称的曲线路径。在图解的具体实施方法中，从抛物线526回到抛物线524在一个转折点532转折530。在某些具体实施方法中，从一个垂直平面至另一个垂直平面的转折也可能被实施。

现在将更进一步根据本发明的原则，叙述关于前所透露的系统和方法与图7至9B。如上所述，根据特殊条件的需要，载具的速度也许需达到大约每秒几百米。有些载具在正常大气条件下可能达到这性能。然而如早先所述，本发明的某些具体实施方法是在一个密闭的空间的内操作载具，于该密闭的空间内可控制大气压力。据此，并参照图1，本发明的某些具体实施方法是在一个管状结构之内操作载具，在行驶载具期间可控制内部至低气压，以减少风阻。

这样一个管状结构是指隧道(例如，在图1中106)。然而，隧道可用适当的材料或组合，由挖掘或建筑方式修建。隧道建材包括所有适当的结构材料，金属材料包括任何适当的合金，聚合材料包括玻璃强化聚合材料，碳强化聚合材料、或者其它适当强化聚合材料，和其它适合达到上述目的的结构，密封材料。

适当的金属或金属合金包括钢，不锈钢；铝；合金例如Ni/Ti合金；任何无定形的金属，包括那些可从Liquid Metal，Inc.得到或类似的金属，例如在美国专利6,682,611和美国专利申请案2004/0121283号所描述的，整个专利内容纳入本发明参考。

如前所述，多种聚合物，根据本发明可用于结构构件和密封隧道。合适的聚合物包括聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯，聚酯，丙烯酸聚合物，聚氯乙烯，聚酰胺，聚醚酰亚胺(如ULTEM.RTM)。一个聚合物合金，如Xenoy.RTM树脂，它是一个聚碳酸酯和polybutyleneterephthalate的聚合物，如Lexan.RTM塑料，这是一个聚碳酸酯共聚物间苯二甲酸和对苯二甲酸乙二醇酯树脂间苯二酚(所有这些聚合物可以从GE塑料集团获得)。液晶聚合物，如芳香聚酯或聚酯酰胺含芳香，作为一个组成部分，至少有一组化合物选自组成一个芳香羟基酸(如羟基刚性单体)，hydroxynaphthoate(灵活单体，芳香羟胺和芳香二胺，(在美国专利6242063，6274242，6643552和6797198，内容纳入本发明引用)，聚酯酸酐与终端酸酐组或横向酐(在美国的专利6730377号，内容纳入本发明参照)。

此外，任何高分子复合材料，如工程预浸或工程复合材料，这些聚合物充满了颜料，碳粒子，氧化硅，玻璃纤维，导电粒子(如金属颗粒或导电聚合物或混合物)，也可使用。例如，一个聚碳酸酯和ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)融合材料也可使用。

熟悉此相关技艺者都会明白，不同的系统和设备都可有效地被使用于控制载具的速度，以及隧道系统内与载具的环境条件。根据本发明的原则，图7以结构图显示重力调制系统的部分监测和控制次系统600。监测与控制次系统600包括第一部分602主要涉及监测控制隧道和轨道，载具在隧道和轨道上的位置。第二部分604主要是有关监测和控制载具本身。通信次系统606提供了监测与控制次系统600，隧道和轨道次系统602和载具控制次系统604之间的状况与控制通信。

轨道和隧道控制次系统602包括并且控制各种的进一步次系统，例如，隧道内大气控制次系统608。隧道大气控制次系统包括并且控制抽空泵浦次系统610，气密室控制次系统612和一个紧急情况的再增压次系统614。

在本发明的某些具体实施方法中，抽空泵浦次系统控制一个或多个抽空设备。抽空设备使隧道内减少大气压力以便减少载具运作时空气的摩擦力和阻力。

气密室控制次系统612控制各气密室的运作，提供了在隧道的入口和出口的运作。例如，气密室控制系统612在隧道之内控制闸门开启和关闭，允许载具进出，而不会改变隧道之内大气压力条件。在本发明的某些具体实施方法中，气密室控制次系统612也控制一个或多个气密室抽空设备。在气密室之内的抽空设备进一步减少载具进出隧道时，隧道大气压力条件改变。

如上所述，在一些具体实施方法中，本发明包括紧急再加压次系统614。紧急再加压次系统检测紧急情况，打开阀门或以其它方式恢复隧道内的正常大气条件。因此，举例来说，如果座舱的压力损失，隧道内正常大气条件可以迅速恢复，以避免任何潜在的危险。

如说明，轨道控制次系统602也包括并且控制一个调度和排班次系统616。调度和排班次系统616接受操作员输入并且计算适当的系统回应包括，例如，预定的控制出发时间。同时，安全监督次系统618报告关于系统条件和自动地保证安全操作的速度和载具之间的距离。

如上所示，控制系统600也包括一个载具控制次系统604。载具控制次系统604控制载具上各种次系统之属性和操作。例如，载具控制次系统包括并且控制一个运动控制次系统620，而运动控制次系统620包括并且控制驱动系统624和一个制动系统622。驱动系统624包括一个电动机、线性电动机和其它适当的推进力设备控制。制动系统622有各种不同的体现包括摩擦闸控制，动态再生制动和其它适当的制动装置。各种控制系统包括计算机处理器、记忆体、界面装置、存贮设备、数模转换器、放大器和马达。控制系统包括控制操作计算机处理器和所述的辅助设备的软件和韧件。

如所述，载具的控制系统604还包括人员支持次系统626和技术支持次系统628。因此，载具需要在低压环境条件中行驶，而相关的人员和装备需要在正常环境条件下，本发明之一具体实施方法包括载具有加压舱，加压设备及控制设备以控制座舱内的气压。

人员支持次系统626和技术支持次系统628控制各种设施，包括维护载具加压舱适当的大气压力与空调。人员支持次系统626也控制，例如，冲水和污水处理系统、环境温度控制系统、光线系统和其它适用于特殊应用或设备的系统。技术支持次系统628有各种不同的体现方法，包括控制实验用水和实验污水处理系统、化学品处置系统、通风系统、动力系统、计算系统和其它适用于特殊应用或设备的系统。

图8A至8C根据本发明显示另一些方面的系统，包括载具内部的水平取向调整设备。鉴于以上的说明，熟悉此相关技艺者都会明白，对245米/秒的抛物线而言，在射入点和回复点的隧道和/或导引部分的坡度为45度角。

例如根据本发明的一具体实施方法，载具800有一个密封加压座舱802，相似于飞机的座舱。座舱802用枢轴结合于底盘804。底盘804可活动地耦合于导引系统以使载具800可行驶于导引上。

如图8B所示，提供一个维持水平取向的设备806以调整座舱802相对于底盘804的取向808以使乘客舒适。在本发明的其它应用和具体实施方法中，有一个相当稳定和水平的座舱提供了进行技术过程和/或试验有利的工作环境。

根据本发明的一些具体实施方法，水平取向装置包括一个适当的线性驱动器810。线性驱动器810可以包含一个或多个液压缸，气动缸，线性电动马达，旋转电动马达，丝杆，滚珠丝杆，齿条和齿轮装置，以及任何其它设备，来提供适当必要的力量，以升高或降低客舱802(相对于底盘804)。根据本发明，线性驱动器810用枢轴耦合到底盘812和用枢轴耦合到座舱814，以便允许取向808所示的调整。

图8C显示，在具体实施方法中进一步包含的线性驱动器820，让客舱802在相反的方向就底盘804对称的以枢轴调整方向822。熟悉此相关技艺者都会明白，方向的调整808，822会自动执行，例如，以计算机控制操作载具800。因此，客舱取向808，822的调整会即时补偿轨道的斜度改变，使客舱802内乘员维持水平，感觉不出载具800沿轨道结构的斜度。

客舱取向808，822的自动调整可以藉由应用各种的经验和分析方法作以下演算。在抛物线轨道上每点的倾斜率可从方程式(2)得知

y′＝-(g/v₀ ²)·x

因而客舱仰角可以取决于以下式：

θ＝tan^-1(-g/v₀ ²·x)        方程式(7)

具体实施方法说明了，客舱802和底盘804由驱动器连接(如液压升降器)810，820，以抵消轨道的坡度角。客舱802可以由任一端被举起，如图8B-8C所示。客舱调整的仰角808，822，结合客舱地板设计，用以维持有效的重力方向与客舱地板成90度角824，826。具体实施方法含，客舱的取向可以举高调整到π/8或22.5°。其它具体实施方法含，客舱的取向可以从任一端举高调整到π/4或45°。因此，在重力不是零的时候，乘客仍可以步行上水平表面上。并且，乘客可在水平的地面来衡量体重，其读数会等于在月球或火星表面上的体重。

图9A，9B进一步说明了本发明包括其它设备900以使载具的客舱内部地板维持水平。如图9A所示，载具有一客舱部分902和底盘部分904。客舱部分902包括一个地板906或多数的平台，即908。具体实施方法说明了，一个座位910耦合到一个平台。如图9A所示，平台908，连同座位910，是可由任一端被举起而成一个斜角。因此，如图9B所示，当客舱在一高坡度时，平台908可做一些调整将达到一个水平取向。这些特殊功能是在低重力情况下使用，使乘客可在水平的地面上活动，当然，这些特殊功能在零重力情况下不需要运作，因为失重时没有上下之别。

在抛物线的一边，固定于客舱可以上下调整的平台，降低了客舱旋转所需的仰角，但相反的，在抛物线的另一边，可以上下调整的平台，对水平效果完全没有帮助。因此，在本发明的一些实施方案，包含一个可相对于客舱旋转的平台，根据这一安排，客舱旋转，平台旋转，平台上下调整，个别的角度不用非常大，但是线性总和可达到所需仰角，使乘客可在水平的地面上活动。

由于客舱调整旋转角度是完全可预测的，隧道在每一地点可以预留足够的高度，以适应任何载具客舱旋转角度需要的空间。一般来说，在这种安排下，当轨道坡度最陡时，隧道的高度将最大。此外，通过减少隧道大小，可以降低整体建筑成本和维持低气压的运营成本。

图9B，显示了一个典型的情况下，客舱902由驱动装置912就底盘904旋转。如图所示，多数的平台907，908，909对载具底盘有一个斜角918。因此，客舱旋转角度922即使小于载具轨道的坡度924，客舱旋转角度922已足够使乘客可在水平的地面上。

载具在调制重力运作前后期间，会产生强大的加速度。具体实施方法是进一步调整乘客座椅的方向。此外，座椅可以提供，手动，半自动或全自动旋转以，以确保乘客的最佳姿势。因此，可以减少对旅客骨骼和肌肉的紧张度。在本发明的一些实施方案，通过适当乘客座位设计，可以减少或消除安全带，或其它限制的需要。

除了上面讨论的方向调整功能，本发明的某些具体实施方法也将提供有利的防震系统。因此，载具包括被动或主动阻尼隔震系统以吸收，消散，和/或对抗环境震动。防震系统将包括气动和/或液压减震器。

具体实施方法也包括机械弹簧等减振系统，或其它弹性装置。弹性材料将益于发明中提供弹性和衰减能量。

还有一些具体实施方法包括使用各种电动机械系统，主动阻尼，振动消除。因此，电脑控制的机电伺服系统，包括例如，将应用加速度计的数位或类比处理系统，和/或线性或旋转驱动器。

有一些具体实施方法包括使用人工载具车窗，例如液晶高清晰度电视，用于产生太空景观，在火星或月球和重新进入地球大气层的情景。电视载具车窗窗口可编应用程序以显示任何想要的景观。

本系统是基于修改现有的技术和材料，如加压客舱，隧道掘进机，基于路轨的运输，真空技术，液压升降器等。本系统在经济上是可行的，并且可以整合到一个运输系统。构建现代防水隧道类似的技术和材料，可用于构建空气密闭的隧道。低压隧道内车辆速度达1至2公里/秒的概念已被提出过。我们有新的载具，客舱，座位区和乘坐舒适度的浮动范围的设计，自动旋转坐位，以纾缓减速力量冲击。该系统可以整合到一个载客运输系统。

熟悉此相关技艺者都明白，迄今描述的系统提供适当的方法和设备，用一种导引的方式和特定的速度方程式集，以加速一个地面载具。加速度的结果包括，在一特定的时间间隔内，控制有效的重力环境。这种有效的重力特征包括正常地球重力至几乎为零的微重力。乘客和载运物因而体验这种控制下的重力作用。

对于乘客而言，这个重力作用的影响可以是令人兴奋和扣人心弦的。技术性的载运物，可进行重力环境科学实验，和执行生产流程。

可能受益于微重力环境在液体和气体材料的科学实验包括，例如，生物医学实验和配药研究。有关材料研究包括有机和无机结晶研究、有机聚化研究、可变的对流和燃烧研究包括液体和气体阶段的对流和物理和化学物质特性研究，例如，光脉冲原子表面张力的干涉测量法、其它材料性质，金属精炼和各种材料的纯化，焊接包括电子束焊和液体和气体扩散系数的测定，包括例如金属，在这样的方式，制造过程和其它技术领域都可能受益于本发明的微重力环境。这样制造过程包括，不局限于水晶材料的准备，包括有机和无机水晶材料，并且无定形的材料的准备，金属材料和设备的形成。并且包括各式各样的过程如化学反应和相变，熟悉此相关技艺者当然都了解。

已知在有机化工领域，材料科学和半导体加工过程中存在有重要的过程，其过程的时间常数介于30-60秒之间。光催化沉积氧化钛薄膜的就是这样过程的范例。

原子层沉积(ALD)是一种化学气态薄膜沉积方法，其中的前导化学气态以脉冲方式轮流一次一个进入反应器。在每个前导脉冲，气体只与某些物种和单层的所需材料反应形成。每个脉冲后，多馀之前导气体和延生产品用惰性气体去除清。在此条件下薄膜的生长是自我限制的。这种独特的生长机制提供了精确控制薄膜厚度及成分，高品质的大面积薄膜和复杂形状的多孔基材....时间长短取决于ALD的周期与反应动学...通常在研究规模的反应器中，ALD的周期需要几秒钟，但在优化条件下的周期时间，短则1秒是可能的。

V.Pore，原子层沉积二氧化钛光催化性能的薄膜，无机化学实验室，化学系，理学院赫尔辛基大学，芬兰，2010年，第12-13页(其整体并入参考)。

因此，这过程中可能会产生相当的利益，重要的时间常数与本发明提供的微重力时间相当。例如，根据本发明提供了陆地上的装置以产生微重力原子层沉积(ALD)晶体生长机会。

因此，这过程中可能会产生相当的利益，重要的时间常数与本发明提供的微重力时间相当。例如，根据本发明提供了陆地上的装置以产生微重力原子层沉积(ALD)晶体生长机会。

最近发表的一篇论文表明了在飞机抛物线飞行中，成功测试冷原子光脉冲干涉测量法。这种测试“提供了一个前所未有的平台，为未来发展的基本物理仪器来测试广义相对论的重力。不同于轨道平台，地面设施(无论是在飞机上或在下落塔)，可提供较短的开发周期，以迅速发展未来感应器的技术。“光脉冲在微重力原子干涉“，斯特恩Stein等人。，European Physics.J.D 53，353-357(2009)；DOI：10.1140/epjd/e2009-00150-5(其整体并入参考)。尽管认知陆地上的发展是有利的，上述引文局限于使用下落塔作实验。

医疗插管(intubations)此前已进行空中微重力实验，类似的实验可能会受益于陆地微重力环境和装置。上述其它进程和成功的实验，包括微重力环境下的蛋白质晶体的生长，各方面的半导体芯片的增长，微型封装过程，熔融沉积制造，光脉冲原子干涉测量法。任何或所有这些过程，将受益于上述陆地的低重力环境。

虽然本发明详述了目前首选的具体实施方法，本发明不仅限于这些披露的具体实施方法。它可以进行修改，加入任意的变化，变异，替换，或同等的安排，但这是和发明相称的精神与范围内。因此，本发明不被先前的描述所限制，但只限于所附的权利要求书的范围。

Claims (23)

1.一种重力调制装置含有：

一种地面载具，所述地面载具可支持载运物；

一种载具的导引，所述载具的导引适用于沿着一已定义的路径，导引所述地面载具，而在其内部产生相当的重力调制情况，所述载具导引路径介于射入点与回复点之间，此段路径由巨观有利的地形特征所支撑。

2.如权利要求1所述的重力调制装置，其中所述巨观有利的地形特征包含有一种大致为抛物线的地形。

3.如权利要求1所述的重力调制装置，其中所述地面载具进一步包含有一种内部空间，所述内部空间于所述地面载具中形成一空穴状，所述空穴状适于在其中接收所述载运物。

4.如权利要求1所述的重力调制装置，进一步包含有一种保持水平的机构，所述保持水平的机构，适用于在特定时间间隔内维持所述载运物一特定的水平方位，于相对于所述地面载具下方的地表平面，一特定的水平方位。

5.如权利要求1所述的重力调制装置，其中所述载运物是适用于，在所述重力调制情况下产出一种所需要的过程。

6.如权利要求5所述的重力调制装置，其中所述需要的过程包含有一种关于光脉动原子干涉测量法的过程。

7.如权利要求5所述的重力调制装置，其中所述需要的过程包含有一种关于液态对流的过程。

8.如权利要求5所述的重力调制装置，其中所述需要的过程包含有一种关于物质结晶的过程。

9.如权利要求5所述的重力调制装置，其中所述需要的过程包含有一种关于相位过渡热传导过程。

10.如权利要求1所述的重力调制装置，其中所述载运物是可用于产出一种物质，该物质具有相关于该重力调制情况下产生的特性。

11.如权利要求10所述的重力调制装置，其中所述物质包含有结晶物质。

12.如权利要求10所述的重力调制装置，其中所述物质包含有金属物质。

13.如权利要求10所述的重力调制装置，其中所述物质包含有聚合物质。

14.如权利要求1所述的重力调制装置，其中所述载运物包含有工作人员。

15.如权利要求1所述的重力调制装置，其中所述载运物包含有乘客人员，且所述重力调制情况下人员可以体验休闲娱乐效果。

16.如权利要求1所述的重力调制装置，其中所述射入点与所谓的回复点之间距离垂直投影至地平面上最少约为3公里。

17.如权利要求1所述的重力调制装置，其中所述射入点与所谓的回复点之间距离垂直投影至地平面上最少约为10公里。

18.一种调制重力环境的方法，包括：

识别一种有利的巨观地形特征；

跨越于所述巨观特征地形上部署载具的导引；

用一种地面载具支持载运物；

沿着所述导引操作所述地面载具使得所述载运物处于调制的重力环境下。

19.如权利要求18所述的调制重力环境的方法，其中，沿着所述导引操作所述载具使得所述载运物处于所述调制的重力环境下含有使得所述载运物处于近乎零的重力环境。

20.如权利要求18所述的调制重力环境的方法，其中，操作所述地面载具进一步包含依据预定的速度方程式集，以计算机控制所述地面载具。

21.如权利要求18所述的调制重力环境的方法，其中，沿着所述导引操作所述地面载具，包含从高速轨道主干线分叉出支线，所述支线包含所述载具导引。

22.一种提供调制重力环境特性的方法，包括：

从高速轨道主干线分叉出支线，所述支线包含一种导引结构，所述导引结构是一抛物线的路径，所述导引结构跨越过大致为抛物线的地形区域，且依据首选的速度方程式集，沿所述抛物线路径，操作所述高速轨道载具，因此可将所述载具在时间和空间非常平顺地移转。

23.如权利要求22所述的提供调制重力环境特性的方法，其中，将所述载具沿所述时间空间移转轨道运行，以产生一种惯性环境供应高速载具内的载运物使用。

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