CN103507960A - 一种动力桨 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可不借助空气或水等任何外部工作介质产生反推力，通过自身机械运动能自主形成反推力的动力桨。它是在支撑体(1)上设置可在该支撑体(1)上作回转运动的转动体(2)；在转动体(2)上设置可随该转动体(2)同步运动，同时自身又作高速自回转运动的回转体(3)。该动力桨工作时，支撑体(1)固定在物体(4)上，并令转动体(2)和回转体(3)同时运动，当转动体(2)转动或作一定角度的来回往复回转运动时，回转体(3)的高速自回转运动速度的方向受到改变，从而对转动体(2)产生“惯性反作用力”，这个反作用力类似传统动力桨工作时受到空气或水的反作用力，结果推动物体(4)运动，从而实现本发明动力桨目的。

Description

一种动力桨

技术领域：

本发明涉及一种动力推进装置，尤其涉及一种利用机械运动产生推力的动力桨。

背景技术：

传统动力桨一般是飞机螺旋桨或者船舶螺旋桨，也包括直升机旋翼和其他形式的动力桨。该类动力桨通过高速旋转或者其它机械运动形式，利用空气或水产生反作用力形成推力，从而举起飞机或者推动飞机以及船舶等物体作做功运动。但是，该类动力桨要依靠空气或者水作为产生反推力的外部工作介质，因此不能适应在无水或无大气层环境下以及不借助外部工作介质的特殊要求下工作，从而使这类传统动力桨的应用范围受到一定程度限制。

针对上述问题，本发明的目的是：提供一种可不借助任何外部工作介质，由自身通过物理机械运动而能自主产生推力，能适应于真空环境等更宽范围工作环境的动力桨设计方案。

发明内容：

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：它包括支撑体、转动体和回转体，其中，转动体置于支撑体上，并可在支撑体上作回转运动；回转体置于转动体上，并可在转动体上作自回转运动，从而形成一动力桨。所述转动体和回转体的“回转运动”，是指圆周旋转运动和非圆周循环运动以及运动方向周期变化的往复运动的统称。

转动体可在支撑体上作围绕转动体旋转轴心的圆周旋转运动或者运动方向周期变化的往复运动。回转体在转动体上的运动方式可以是圆周旋转运动，也可以是非圆周循环运动，还可以是运动方向周期变化的往复运动。其运动方向周期变化的往复运动，可以表现在圆周旋转运动和非圆周循环运动的运动状态中。回转体物理状态可以是固体、液体、气体或者物质第四态，即：等离子体。

回转体与转动体的机械运动力可来自电力、燃气机械力等动力源。驱动回转体与转动体运动的方式可以采用电动机机械驱动、电磁感应机械驱动(包括磁悬浮驱动)、燃油发动机机械驱动、液体泵驱动、气体泵驱动、离子泵驱动等。

作为是固体的回转体，可以是安装在转动体上的实心飞轮、空心圆环等作圆周旋转运动的物体；作为是液体或气体以及等离子体的回转体，可以是封闭在转动体上密封循环管道内的水、空气、等离子等循环运动物质，它们可以做圆周旋转运动，也可以做非圆周循环运动。

作为圆周旋转运动的回转体在转动体上的设置方位，要使其圆周旋转运动的平面与转动体回转运动方向的平面彼此呈相互垂直状态；作为非圆周循环运动的回转体在转动体上的设置方位，要使其回转体有运动速度的方向能被转动体做回转运动时改变。

当动力桨应用于需要动力桨产生推力的物体上时，其动力桨的支撑体将固定在该物体上。在动力桨不工作时，其转动体和回转体均处于静止不动状态；当动力桨工作时，其转动体和回转体都将同时运动起来。原则上，对于回转体的运动，作为做圆周旋转运动的回转体，希望其运动速度、回转体质量和回转体旋转直径尽可能都大；作为做非圆周循环运动的回转体，则希望做有用功部分的一段回转体直线长度、运动速度和质量都尽可能大。这些要求是为了增大回转体在运动时的“动量”，因为本发明正是利用回转体做自回转运动时有足够大的动量来实现本发明的目的。根据物理常识，我们知道动量大的物体其惯性大，作用在惯性大的物体上所受到的反作用力大。根据牛顿第三定律：“两个物体之间的作用力和反作用力，总是大小相等方向相反，同时作用在一条直线上”。我们可把回转体看做相互作用的其中一个物体，而把转动体看做相互作用的另一个物体，不难分析，转动体带着回转体随转动体运动时，回转体的高速自回转运动惯性对转动体产生了反作用力，从而使转动体运动受阻，反过来使带动转动体运动的运动机械其反扭矩力增大，该反扭矩力也形成反作用力。因此这种反作用力一定比回转体不做运动而处于静止时的反作用力大，正是利用这种反作用力使物体获得推动力，继而向反作用力矢量和的方向运动。假如回转体不做自回转运动，虽然不做运动的回转体因有一定质量而可以形成一定惯性，在转动体运动的带动下也能产生一定惯性反作用力，但是根据牛顿第三定律和动量守恒定律，物体与转动体和回转体的运动方向相反，物体受到的反作用力的大小与回转体和转动体反作用力的矢量和相等，两者反作用力同时作用在一条直线上；物体与转动体和回转体相互作用的动量总是相等而相互平衡。由于动力桨的转动体连接支撑体，而支撑体是固定在物体上的，转动体、支撑体和物体三者彼此不能分离，转动体和回转体与物体之间由于动量相等，则只能在原地相对的做张弛运动或者震荡运动，而不能做特定方向的持续运动，所以物体不能真正向前运动。而回转体一旦做高速自回转运动后，其所产生的惯性反作用力是与回转体固有质量的惯性反作用力形成矢量叠加，总的惯性反作用力将增大，对转动体的运动产生较大阻力，因转动体通过支撑体连接物体，又由于转动体的运动由机械运动机构带动，其机械运动机构因此将产生较大的反扭矩力，促使物体向着与转动体运动方向相反的方向运动，这个反扭矩力就是使物体获得推力而运动的作用力。也可以这样理解为：由于转动体(包含回转体)的运动速度因回转体作高速自回转运动的惯性阻尼作用而减小，结果使回转体与转动体的总动量减小，相反，而使物体受到的反作用力增大，从而使物体运动速度增大，结果使物体的动量增大。但因此使转动体、回转体与物体两者之间动量不平衡，形成“动量差”，由于物体与转动体、回转体的运动方向相反，动量大的物体将向着上述反扭矩力的方向运动，从而实现物体获得推力而运动。

由于回转体是设置在转动体上并跟随转动体同步运动，进行上述分析时，为便于理解，可以将回转体视为转动体的一部分。

由于支撑体的作用是用于支撑和稳定转动体，并能使转动体可在支撑体上作回转运动，因此，若在物体上直接设有起到支撑体作用的部分，该部分或该物体也可视为本动力桨的支撑体，因此，支撑体与物体可以共为一体。

只要转动体的运动能改变回转体自回转运动速度的方向，回转体就会对转动体产生惯性反作用力，因为运动物体的速度是一种矢量，如果有作用力使物体运动速度的方向或者大小发生改变，那么它将对作用力产生反作用力，即产生“惯性反作用力”。因此回转体在转动体上设置的方位和物理形态必须布局合理，如果设置方位和物理形态布局不合理，将不能产生这种惯性反作用力，或者不能高效的产生这种惯性反作用力，那么物体将不能获得推力或者理想推力而运动。不管是做圆周自回转运动的回转体还是做非圆周自回转运动的回转体，都要满足其在转动体上设置的方位和物理形态布局合理，才能形成有效惯性反作用力。

上述实现本发明的有关理论解释，是居于在特定真空环境下忽略空气阻力因素所作的论述。如果本发明涉及在大气层环境下工作，应考虑其空气阻力因素带来的相关影响，应结合空气动力学将本发明与传统动力桨巧妙结合，形成一种即利用本发明原理工作，又利用传统动力桨原理工作的综合应用形式，这样可最高效的发挥动力桨的功能。当然，也可根据实际应用需要只单独使用一种工作模式。但在大气环境下单独使用本发明工作模式时，必须使空气阻力对本发明工作时的不利影响降到最低，以便使本发明最高效的发挥其作用。综上所述，因此可实现本发明动力桨。

由于采用上述技术解决方案，本发明的有益之处在于：1.它不像传统火箭或者螺旋桨等动力推进装置那样要消耗工质、排放工质或者利用外部工质才能产生推力；2.它是纯机械运动的工作形式，结构简单，制造成本低，可以很方便的使用清洁能源(如电能)作为动力能源，工作时不产生高温高热形成热辐射和排放任何有害物质。

以上两方面的有益之处使它应用于以下领域具有一些特殊的优点：

1.当应用于星际飞行器时，该动力桨整个可隐藏于飞行器内部，以防止太空垃圾撞击损坏，同时宇航员不必出舱就能很方便的在舱内检修、维护该设备。由于该动力桨不消耗工质，且工作寿命长，很适于作为长途星际旅行的动力推进装置。

2.当应用于潜水艇时，该动力桨整个可隐藏于潜水艇内部，以防暴露于艇外而遭受各种破坏，并便于在艇内对动力桨进行维护、检修。可将整个动力桨系统封闭在潜水艇内特制隔音舱室中，抽去舱室内传播声音的空气，可大幅降低动力桨工作噪声，提高潜水艇抗声纳探测的隐蔽性。

3.当应用于隐形飞行器时，该动力桨因无热辐射产生，且可完全隐蔽在飞行器内部，不仅能使飞行器可躲避红外线雷达探测追踪，而且因此可对飞行器外形作更加利于隐形的灵活设计，从而可最大程度提高飞行器的隐身效果，比如可制成外形酷似“UFO”的蝶形飞行器。

4.当应用于航天运输飞行器时，可让飞行器像普通飞机一样从地面起飞，在近地大气层中，令该动力桨先工作于普通动力桨工作模式，依靠空气阻力的反作用力使飞行器飞行。当飞行器到达稀薄大气环境后，再令动力桨工作于自身特有的工作模式并对飞行器提供一定升力，以确保飞行器保持飞行高度，直到飞行器飞达预定高度且飞行速度的加速度达到第一宇宙速度后，可令动力桨停止工作。从而完成该动力桨推动飞行器运送航天员或者人造卫星等载荷到达地球预定轨道的任务。

5.当运用于空天飞行的太阳能飞机时，其驱动动力可考虑完全来自太阳能电力，可将飞机从近地大气层一直带到地球轨道上，可以运载微型卫星到达地球轨道。

6.当应用于充满氦气的气球或飞艇上时，可令气球或飞艇上升到稀薄大气层中后，再启动该动力桨使气球或飞艇获得升力和推力，持续的升力和推力产生的加速度可使气球或飞艇进入真空环境并绕地球做高速圆周运动，最终可绕地球轨道运行，可让气球或飞艇搭载宇航员、小卫星或者其他载荷进入地球轨道。

7.当应用于玩具领域时，可作为玩具新颖、独特的动力推进装置，能使玩具变得另类、新奇、有趣、好玩，可制成由该动力桨驱动的陀螺、飞碟、飞机、小车、小船、滚轮、火箭、导弹、充气飞行器等玩具。

附图说明：

图1是本发明采用实心飞轮作回转体做圆周回转运动的基本结构示意图；

图2是本发明采用空心圆环或者气体、液体、等离子体作回转体做圆周回转运动的基本结构示意图；

图3是本发明采用气体、液体或者等离子体作回转体做非圆周循环回转运动的基本结构示意图；

图4是本发明结合传统动力桨进行综合应用的基本结构示意图；

图5是本发明回转体对称分布于转动体上的基本结构示意图；

图6是本发明转动体上分布两个回转体的基本结构示意图；

图7是本发明在物体上分布两个图6结构动力桨的基本结构示意图；

图8是图1的工作原理示意图；

图9是图6的工作原理示意图；

图10是图6的另一种工作方式示意图。

图中：1.支撑体，2.转动体，3.回转体，4.物体。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

在图1中，是采用实心飞轮作回转体(3)的一种结构形式。该动力桨它包括支撑体(1)、转动体(2)和回转体(3)，可在支撑体(1)上做回转运动的转动体(2)置于支撑体(1)上；可在转动体(2)上做自回转运动的回转体(3)置于转动体(2)上。图1实施例中，回转体(3)整个居于转动体(2)旋转轴心线一侧，回转体(3)可在转动体(2)上作圆周旋转运动或者运动方向周期变化的往复运动；转动体(2)可带着回转体(3)在支撑体(1)上作绕转动体(2)轴心线的旋转运动或者运动方向周期变化的往复回转运动。动力桨实际工作时，回转体(3)在转动体(2)上做高速自回转运动，转动体(2)按工作需要做一定速度的回转运动。当转动体(2)运动时，按照前面“发明内容”中曾讲述的道理，则由于改变了回转体(3)自回转运动平面的方向或者运动速度的方向，回转体(3)会对转动体(2)产生“惯性反作用力”，这个惯性反作用力类似传统动力桨受到水或空气的反作用力，其反作用力可由转动体(2)传递给支撑体(1)，由于支撑体(1)固定在物体(4)上，该反作用力再传递给物体(4)，物体(4)将受到反作用力的作用而沿着反作用力的方向运动。

假如转动体(2)做固定方向的连续旋转运动，那么，因回转体(3)的反作用力而使转动体(2)转动受阻，其产生的反作用力将通过动力传动机械的反扭矩力传递给支撑体(1)，支撑体(1)再传递给物体(4)，于是物体(4)与转动体(2)作运动方向相反的运动，也就是做与转动体(2)旋转方向相反的旋转运动。其运动方向与受到回转体(3)反作用力的方向一致，实际就是回转体(3)反作用力的结果。

假如转动体(2)做运动方向和运动速度周期变化的往复回转运动，其工作原理如图8所示：转动体(2)从“A”点位置顺时针向左转动到“B”点，然后逆时针返回到“A”点，再向右逆时针转动到“C”，然后又顺时针返回到“A”点。如果转动体(2)从“B”点和“C”点返回“A”点的转动速度大于从“A”点返回“B”点和“C”点的转动速度，那么，转动体(2)改变回转体(3)运动速度的方向时受到回转体(3)“惯性反作用力”的大小则不相同。返回“A”点过程中受到的反作用力因返回速度较快，将比离开“A”点向“B”点和“C”返回时受到的反作用力要大。反作用力大对转动体的运动阻力就大，结果使转动体的运动速度变小，转动体的动量变小(包括回转体动量也变小，因为回转体随转动体同步运动而可视为转动体的一部分)，但是反作用力传递到物体(4)上则使物体(4)的动量变大，结果使物体(4)与转动体(2)之间形成“动量差”，因物体(4)的动量大于转动体(2)的动量而使物体(4)向着反作用力的方向运动起来。

由于转动体(2)是连续不断的作左右往复回转运动，如图8所示，就有向左上和右上的交替反作用力作用在物体(4)上，物体(4)就会左右摆动式的向前运动起来，如果物体(4)质量较大则惯性就大，这种摆动就会较小，物体(4)可以接近直线方式运动，假如在物体(4)上安装可抑制物体(4)摆动的惯性陀螺或者说惯性飞轮，物体(4)的摆动就可变得更小，另外如果物体(4)是处在大气层中也可因空气阻力作用使这种摆动变小。物体(4)这样的运动形态类似于水中游动的鱼，转动体(2)的功能和运动形态类似于鱼的尾巴。

如果把物体(4)更换成飞机或者舰船等，那么飞机、舰船就可以受到推力而向前运动。假如令该动力桨布局形式使飞机可以获得升力并且均衡布局多个该动力桨，那么飞机就可以被持续向上举起而形成没有传统旋翼的直升机。

图2中，回转体(3)做成绕圆周运动的环状形态，该回转体(3)可以是固体空心圆环，也可以是在呈圆环状的封闭循环管道内高速流动的气体、液体或者物质第四态(等离子体)，其所达到的效果等同于上述图1中采用实心飞轮作回转体的效果。

图3中，回转体(3)做成非圆周循环运动的矩形循环体形态，该回转体(3)可以是气体、液体或者等离子体，回转体运动的有效工作部分是呈水平位置的上、下“B”段，该段回转体的运动速度的方向会随转动体运动而改变；而呈竖直位置的左、右“A”段则是回转体运动的无效工作部分，因为这两个竖直段在随转动体(2)运动时，其运动速度的方向不会发生改变。因此，应该使处在“B”段中运动的回转体其直线长度、运动速度和质量都尽可能大些，以增大该段回转体的运动惯性“动量”；而处在“A”段的回转体其直线长度、运动速度和质量可以尽可能小些，因为这部分没有使用价值。这样可以提高动力桨的工作效率，减小不必要的损耗。

图4中，回转体(3)是一螺旋桨，本图示例是将本发明动力桨与传统动力桨综合应用的实施例。在大气层中，回转体(3)旋转，转动体(2)可保持静止不动，这时回转体(3)的旋转运动起到螺旋桨的功能，产生的推力可推动物体(4)向前运动，如果该物体(4)是一飞机，则可在天空飞行爬升。当飞机爬升至稀薄大气层后，螺旋桨因空气稀薄做功效率下降。这时可启动转动体(2)作一定角度范围的往复回转运动(鱼尾巴式摆转运动)，从而带动回转体(3)除自回转运动外，还作随转动体(2)的往复回转运动，从而继续推动飞机爬升与飞行。转动体(2)这种往复回转运动使回转体(3)有运动速度的方向受到改变，或者说使回转体(3)的旋转平面的方向或旋转轴心线方向发生了改变，从而对转动体(2)的转动产生“惯性反作用力”，因此对转动体(2)的转动产生阻尼作用。这种阻尼作用使转动体(2)的摆转速度减慢，回转体(3)的摆转速度也减慢，回转体(3)与转动体(2)的运动动量减小，但“惯性反作用力”则使物体(4)受到的反推力增大，物体(4)的运动动量增大，结果物体(4)的运动动量大于回转体(3)与转动体(2)的运动动量，两者动量不平衡形成“动量差”，于是物体向着“惯性反作用力”的方向运动，其工作原理仍遵循图8所示原理。此时产生推力作用效果最大的工作方式是转动体运动时的工作方式。因此图4这种实施例，可使飞机能从近地大气层一直飞向稀薄大气层以上，可比单独采用传统螺旋桨的飞机飞得更高。

图5中，回转体(3)的旋转中心与转动体(2)的旋转轴心线相重合。该图转动体(2)的运动在回转体(3)的“惯性反作用力”及转动体(2)动力传动机械的反扭矩力作用下，使物体(4)可做绕转动体(2)旋转轴心线的反向旋转运动。图5实施例可应用于物体(4)只做绕转动体(2)旋转轴心线作圆周旋转运动的工作方式。

图6中，转动体(2)上围绕同心圆呈180度等分角对称分布有两个回转体(3)，两个回转体(3)随转动体(2)绕同心圆转动，其工作原理如图9所示。假如转动体(2)上方“A”点位置的一个回转体(3)向左逆时针转向“B”点位置时，那么同时处于转动体(2)下方“B”点位置的另一个回转体(3)则向右逆时针转向“A”点位置。如果令从“A”点位置转到“B”点位置的回转体(3)做高速自回转运动(旋转运动)，而令从“B”点位置转到“A”点位置的回转体(3)做低速自回转运动或者不做自回转运动，那么两个回转体将产生大小不同的“惯性反作用力”，而形成“动量差”，结果转在同心圆左半周的回转体的动量比转在同心圆右半周的回转体的动量大。由于回转体是作逆时针转动，则处在同心圆左半周的回转体可产生向上的较大“惯性反作用力”，而处在同心圆右半周的回转体将产生向下的较小“惯性反作用力”。假如在物体(4)上对称安装两个这样的动力桨(如图7所示)并且其推力大小一致的话，则可使物体(4)获得左右对称的推力，物体(4)将可作直线运动。如果在转动体(2)上，等分安装多个这样的回转体(3)，则可使物体(4)获得的推力更加连续和均匀。在图6中，如果转动体(2)做连续圆周旋转运动，而两个回转体(3)做一定等速度的自回转运动，则可使物体(4)做与转动体(2)旋转方向相反的圆周旋转运动，这一运动原理则与图5原理相似。

图7中，是在一个物体(4)上均布有两个图6动力桨。假如按照图10工作方式那样运动，如果“B”点位置的回转体(3)逆时针转到“A”点过程中，让回转体(3)自回转运动速度的方向不受转动体(为便于理解，本图中可将同心圆视作转动体)转动而改变，或者说让回转体(3)自回转运动平面的方向保持不变，那么转在同心圆右半周的回转体(3)将没有自回转运动的“惯性反作用力”作用于转动体(2)，而只有转在同心圆左半周的回转体(3)有向上的自回转运动“惯性反作用力”作用于转动体(2)，其效果将与图9工作原理相似。这种工作方式，转在同心圆右半周的回转体(3)的转速可以不必减小，可以不用像图9工作原理那样必须改变其转速。但是，这种工作方式必须使转在同心圆右半周的回转体(3)在绕“X”轴做高速自回转运动外，还要绕着与转动体(2)运动平面呈垂直状态的“Y”轴做与转动体(2)的相对转动，通过与转动体(2)这样的时时相对转动来保持回转体(3)自回转运动平面的方向不变。如果两个动力桨在物体(4)上的分布位置合理、对称且推力大小相当，其合成的矢量推力方向是直线向前的，结果可使物体(4)作直线运动。如果在每一个动力桨转动体(2)上等分均布多个回转体(3)的话，那么可使物体(4)能够获得比较均匀且连续的推力。

Claims (1)

1.一种动力桨，它包括支撑体(1)、转动体(2)和回转体(3)，其特征在于：可在支撑体(1)上做回转运动的转动体(2)置于支撑体(1)上；可在转动体(2)上做自回转运动的回转体(3)置于转动体(2)上。

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