CN1224681A - 外壳旋转式航空飞碟飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明是外壳旋转式航空飞碟飞行器。为内外仓双层结构,内仓静止。它以航空原子能发电、超导发电、超导磁悬浮、微波电离空气、倍压高电压发生及自动控制技术为基础,通过排斥碟体上表面附面层中被电离空气的重离子,产生真空薄层,由碟体上下表面压强差产生升力和推力。暂停碟上表面局部区域空气电离,可改变外壳转动动量矩方向,实现垂直起降、悬停、即时O回转半径变向和超音速不落地环球飞行。本发明特点:航空、潜水一体化。

Description

外壳旋转式航空飞碟飞行器

本发明是外壳绕自旋轴旋转的航空飞碟飞行器。

航空飞碟，出现于地球，时间已久。至今仍为一种“不明飞行物”(UFO)。观察到，它非凡飞行性能远非现代人类飞行器可及。如它可高速飞行(几十马赫)、直角转弯，等等。现代飞机，一般速度为2马赫以下，转弯半径有几千米，操纵性能极低劣。人类已探索研制类似飞碟的飞行器，但迄今无突破成功。九七年初，俄罗斯研制了一种外形极像飞碟的飞行器，但仍以石化燃料喷气发动机作动力源，没有脱离飞机的反冲推进惯常模式。

本发明的目的是：摆脱石油能源危机，不再依靠石化燃料，而转用核能。受飞碟飞行性能启迪，创造一代与现有飞机飞行原理迴异、利用电控操纵的具有崭新飞行性能的未来型航空飞行器。

本发明直接利用下列成熟科技成果：航空原子能反应堆、超导发电机、微波发生、发射系统、倍压高电压发生装置、超导磁悬浮、无线遥控收放起落架。本发明仅涉及这些成熟技术的组合应用，而不涉及零件细节。

这种航空飞碟结构如下，参看图1飞碟主要结构剖面示意图。碟体由相对静止内仓3和旋转外壳5双层结构组成。中空转轴2及11固定在外壳5上。起飞前，由碟外地面电力系统对超导磁体(即超导发电机)13供直流电励磁。超导磁体13及超导块8液氮冷却，并由致冷机14维持低温。可折叠支架10支撑落地碟体。飞碟起动时，原子反应堆(包括中速中子反应堆)7运转，闭路循环推动涡轮6带动超导发电机13转子发电，且推动涡轮12通过中空轴11带动外壳5转动。所发电能通过中空转轴2送至微波发生装置1，产生分米-厘米级波长微波，经固定于可透射微波绝缘材料(包括石英)的外壳5上的波导4透射出去，将壳外表面附面层内紧贴壁面一薄层空气电离。微波发生装置1、外壳5固定在中空转轴2上，一起旋转运动。同时倍压装置15经中空转轴2与波导管4连通，使碟外壳5表面产生高压电场，被电离的空气正离子在高压电场力作用下被斥离壁面，形成附面层内真空薄层。外壳5底面与上表面的大气压强差，提供碟体飞行的升力与推力。中空轴11提供了向外壳5引电路的通道，包括选用电磁体9，外壳5表面高压电场的产生所需线路。内仓3通过其底面超导块8与外壳5底面磁体9间的魏斯纳磁悬浮作用而始终悬浮于外壳5中间。总控制台通过介质流量调控保持涡轮6与l2转速匹配，使二者转动动量矩合效果始终为0，以保持内仓3相对地球坐标系无旋转运动。垂直起飞后，遥控收折外壳5底面的支架10。

飞碟的平飞操纵，通过改变外壳表面局部区域附面层空气电高度(暂停微波发射)实现。使碟体自转轴产生一偏离铅直方向(向前)的倾角，则碟体上下表面大气压力差将产生一水平分量，提供平飞推力。碟体减速则相反，使自转轴产生向后倾角，碟上下表面压力差水平分量变成减速阻力。碟体上下表面压强差产生铅直分量，提供升力。降落时，使自转轴铅直，逐渐减弱微波发射，空气电离度渐弱，碟体上下表面压强差变小而垂直落地，通过自动遥控放下可折叠支架l0，停运原子反应堆及涡轮。停运期间，仓内电源应保持致冷机工作，维持超导块8、超导发电机13的超导磁体低温。

与现有航空飞行器比较，本发明具有以下优点：

l、飞行不易受外力干扰：因碟体不同于常规飞机而采取旋转运动，自然环境突变气流作用于碟外壳5的外力合力一般通过其自转轴，由动量矩定理知，当外力矩为0时外壳动量矩

不产生变化，显示碟体保持平衡和稳定的惯性能力较强。

2、核动力、超音速为实现不着地环球飞行创造了条件。其社会经济效益空前。

3、利用新兴能源的未来型航空器：随着人类化石能源的枯竭，原子能使用将代表未来方向。飞碟有益于环境保护。

4、灵便的自动调控：通过电离空气达到操纵方式的变革，省却大量机械传动操纵装置，有助减轻机重。电调控反应迅捷，为微机自动控制开辟了广阔前景。

5、微波调控碟壳上下表面压强差，决定了碟体短时间内巨大的爬升能力，且可垂直起飞、降落、空中任意悬停、任意角度0回半径变向。特别最后一点性能为现有常规飞机无法作到，它开辟了优异的军事应用前景。其变速时加速度可达13米/秒2以上。

这些优越的操纵性能综合体现于航空飞碟，是现代航空飞行器做不到的。

附图简要说明

图1是航空飞碟主要结构剖面示意图；

图2是碟体剖面几何尺寸示意图；

图3是超音速飞行激波示意图；

图4是垂直起落时碟底面流场示意图；

图5是超音速飞行时碟体底面膨胀波流场示意图；

图6是飞行变向操纵分析图，上面一幅为立体直观视图；

                实施例

本发明的实施例，可以对照图1-图6进一步说明如下：

一、碟体几何参数：见图2。外壳呈圆台一球面形，内仓为圆台形，以方便计算。实际外形可为盘碟状，于原理说明无碍。

ABCD为外壳，A′B′C′D′为内仓，外壳母线L与半径R=7000毫米的球面O₁相切于⊙O₃；外壳上圆面半径r_o=3000毫米，下底面半径R₁=15000毫米，高H=5000毫米。内仓底面半径R₂=14500毫米，内外仓间距离：在侧壁处为b₁=40毫米，底面处为b₃=50毫米，O₂O₄为碟自转轴，质心Q_c在O₂O₄上。底部支承轮10旋转半径R_c=5米。外壳5底角收缩为θ=10°。据此，外壳圆台侧面积可求出，为S侧=735.132681米²。

二、外壳上表面附面层空气的电离：

1、碟外壳上侧面附面层中真空薄层的形成：

使用数据：电子电量q=4.8×10^-10CGSE(q)；外壳转动角速度ω₁=6.28弧度/秒(即1转/秒)。

飞行中，碟外壳附面层空气流速向壁面渐趋于0，厚度约为1毫米。在距壁面10^-5～10^-3厘米范围内近似静止处理。

图1中内仓3与外壳5间距b₁=40毫米，波导4与倍压装置15联通带高电压，设其在外壳表面δ^-=1毫米附面层中产生的电场强度E=3×10⁴伏/厘米，此为空气击穿场强。

高频微波无损失地穿透绝缘外壳5，把外壳表面空气分子电离(参阅：《微波电子学》第八章[苏]И.B.列别捷夫-国防工业出版社1982年版)，产生的正离子受电场E斥力作用处于距壁面δ^- ₀厘米处。

空气分子撞击碟面产生的宏观效果即是压强。分子的平均平动能远小于附面层中高压电场的电位能，因此忽略平动能影响，完全着眼于电场作用——被E的斥力推离碟面δ^- ₀=2.2×10^-6厘米的正离子将在负电荷吸引力作用下停留在δ^- ₀平衡位置，这种强迫电离运动的结果，导致δ^- ₀处向更远层分子产生递减性密度梯度，从而维持住δ^- ₀厚度的真空薄层，且使碟外壳上表面所受空气压强为0。空气击穿电场强度E即导致了薄层内空气分子的电离，又将空气正离子斥离碟体表面，起着双重作用。进而可见，只要真空薄层存在，飞行器的空气动力学性质与碟外壳5的具体外形无关。

2、微波电离附面层空气需用功：见图3。

数据：碟巡航速度M₁=2马赫，底面与来流V₁成θ₂角时，前缘母线产生斜冲波，碟底面产生膨胀波，有θ₁=θ+θ₂。

设斜冲波前后空气密度、流速、马赫数分别为ρ₁；V₁；M₁；及ρ₂；V₂；M₂，远方自由流为标准状况下空气，θ₁=20°，查表可求得冲波角β=52°。

自ρ₂/ρ₁=〔(r+1)M² ₁Sin²β〕/〔2+(r-1)M² ₁Sin²β〕；斜冲波前法向马赫数M_1n=M₁Sinβ=2Sin52°=1.575，而标况下空气密度为ρ₁=1.226千克/米³，查表得ρ₂/ρ₁=1.9913，故：

ρ₂=1.9913ρ₁=1.9913×1.225=2.44千克/米³

将附面层中厚度为δ^- ₀=2.2×10^-6厘米的空气电离，以氮气的较大电离能估算空气电离需用功：W₀=2053(焦耳)。

最终形成δ^- ₀厚度内真空薄层，需用总微波能将大于W_o。

三、碟体飞行空气动力学：

1、垂直上升时举力F：见图4。

数据：水平来流速度V₁=0，外壳转动角速度ω₁=6.28弧度/秒，自由流(标况空气)压强P₁=10332.3kgf/m²；ρ₁=1.226kg/m³，重力加速度g=9.8米/秒²，因碟底面最大线流速

V_max=ω₁R₁=6.28×15=94.2米/秒，故以低速、不可压缩流处理流场，适用伯努利方程：

底面空气压强为P时，有

P+(1/2)ρ₁V²=P₁；

P=P₁-(1/2)ρ₁(ω₁r)²，则底面总压力

F=∫∫P.ds

=∫^R1 ₀〔P₁-(1/2)ρ₁(ω₁r)²〕.2πrdr

=π〔P₁r²-(1/4)ρ₁ω² ₁r⁴〕|^R1 ₀

=π〔10332.3×9.8×15²-(1/4)×1.226×

 6.28²×15⁴〕

=69651537.9牛顿

≈7107.3(吨)

调控碟面空气电离度可获得0→7107.3吨不同升力。

2、平飞低速(M₁＜1/3)时底面压强P₂及压力F_D：见图5。

数据：底面最大马赫数M_D=1/3时，底面压强P₂可由低速流伯努利方程求出；标况下空气音速a₁=340米/秒，重力加速度9.8米/秒²。θ₂=10°；远方来流速度V₁；V₁与底面平行分量V_t；半径r底面圆周线速度V_r；底面空气实际流速V；

V为 V_t与 V_r合成，

V²=V² _t+V² _r-2V_tV_rCosβ₁=V² _t+V² _r+2V_tV_rSinα因θ₂=10°   V_t=V₁Cosθ₂，认为V_t≈V₁；V_max=MD,a₁=113.3米/秒；又V_max=V_tmax+V_rmax，故V_tmax=V_max-V_rmax=113.3-94.2=19.1米/秒。即V₁=19.1米/秒，于是M₁=V₁/a₁=0.047马赫＜1/3马赫，属低速流流场。适用不可压缩流伯努利方程。故

F_D=∫∫P₂ds

=∫∫(P₁-(1/2)ρ₁V²〕rdrda

=∫^2π ₀da∫^R1 ₀〔P₁-(1/2)ρ₁(V² _t+V² _r十2V_tV_rSinα)〕

  rdr

=∫^2π ₀da∫^R1 ₀{P₁-(1/2)ρ₁〔V² _t+(ω₁r)²+

  2ω₁rV_tSinα〕}rdr

=∫^2π ₀da∫¹⁵ ₀{10332.3×9.8-(1/2)×1.226

×〔19.1²+6.28²r²+2×6.28×19.1rSinα〕}rdr

=∫^2π ₀da{∫¹⁵ ₀101032.9rdr-∫¹⁵ ₀24.18r³dr-

 ∫¹⁵ ₀147.1r²sinαdr}

=∫^2π ₀(11366201.25-306028.1-

 165487.5Sinα)da

=69493.117.4牛顿

≈7091.1(吨)

举力F=F_DCos10°≈6983.4(吨)；

推力T=F_DSin10°≈1231.4(吨)

3、超音速平飞时的碟底压强P₂及压力F_D：见图5。

数据：M₁=2马赫；a₁=340米/秒；流场各处相等的驻点压强P₀；底面膨胀波后压强P₂、马赫数M_D；平行流速V₂、音速a₂、温度T₂；远方流温度T₁，驻点温度T₀。

查表知M_D=2.385马赫，由T₀/T₁=1+〔(r-1)/2〕M² ₁，求得T₀后再由T₀/T₂=1+〔(r-1)/2〕M² _D求出T₂，则 则V₂=M_Da₂=2.385×312.14=744.44米/秒

碟底流场V为平行于底面的膨胀波后来流V₂与碟体转动涡旋流场V_r之叠加。由于ω₁很小，V_r则较小(V_rmax=94.2米/秒)，可见V₂≥V_r，故以V₂≈V处理底面流场(即忽略自旋运动)，适用可压缩流伯努利方程：

F_D=∫∫P₂ds

=∫^2π ₀da∫^R1 ₀P₀{(ρ₀/P₀)〔(r-1)/r〕〔(r/r-1).P₀/

 ρ₀-(1/2)V² ₂〕}^r/(r-1)  rdr

=∫^2π ₀da∫¹⁵ ₀7.8×10^-15×(243179.67)^3.5.rdr

=3.9×10⁷(牛顿)

≈3989.8(吨)此时举力F=F_DCosθ₂=3989.8×Cos10°≈3929.2(吨)推力T=F_DSinθ₂=3989.8Sin10°≈692.8(吨)

不同碟体总重及底面半径具有不同的飞行马赫数M₁极限，超极限飞行将失举。四、飞行操纵：见图6。飞行碟体所受空气摩擦力矩较小，忽略。碟体转动动量矩守恒。取消碟壳5表面局部D区域空气的电离(通过暂停对局部区域发射微波实现)则碟侧将产生一额外空气压力

，设

距质心Q_c为L_y，碟体所受对质心的外力矩L_c=R″L_y，使碟壳5对轴O₂O₄的转动动量矩

_c发生变化。由赖柴耳定理，动量矩

_c的箭头端点A的速度为U=R″L_y，在

作用下使

转过一个θ₂角度达到

一旦此后恢复被取消的局部D区域空气的电离，碟体将保持θ₂在前述水平推力T作用下前飞。

的方向与平面

成90°角。即：碟面停电离D区域的对称母线L与O₂O₄轴形成的平面恰好与前进方向

及O₂O₄轴形成的平面相垂直。

暂停电离区域D在碟面所处方位由人为控制，即可灵活选择任意的碟体飞行方向。以致瞬间变向转弯、逐渐增、减速、方便地垂直起飞、降落、悬停。

五、保持碟内仓3转动动量矩为0：见图1。

外壳5上固定的中空轴2、11可以在内仓3的轴承里相对滑动、转动。所有转动部件都会对内仓的转动动量矩产生影响。

设涡轮6及12转轴角速度分别为ω₂及ω₁，二者转子对O₂O₄轴转动惯量分别为J₂及J₁。J₁及J₂可实测数值大小，

与

反向。全表面受空气摩擦力为f₁，其相当力臂为R_k，起飞前地面对支承轮摩擦力为f₂，则起飞前对轴O₂O₄的合转动动量矩为 起飞前，因f₂≥f₁，故忽略f₁，保持内仓转动动量矩

的条件为

设碟总重P=500吨，地面摩擦系数f_m=0.05，支承轮10共三个，旋转半径R_c=5米，则在J₁、J₂均已知条件下，可适当调节转动角速度

及

使满足

可得

L_g=f_mPR₀

  =0.05×500×10³×9.8×3×5

  =3.7×10⁶焦耳。脱离地面以后,空气摩擦力矩较小,可忽略,故而影响内仓转动动量矩

内的因素为

及 适当调节

及

(通过调节相关涡轮供汽量办法)使

即碟体相对地球坐标系的合转动动量矩为0，可通过传感器——伺服机制的控制达到。这样，内仓可始终保持与地面坐标系无相对转动。

六、内仓磁悬浮：见图1。

超导块8与磁体9间的魏斯纳磁悬浮作用，使内仓3悬浮于外壳5中。

内仓3底面为超导体块8。据日本实验数据，200个超导块(每块直径5毫米)，总共可浮起120公斤力，悬浮高度5厘米(见“世界科技译报”《超导使人浮起来》96年9月4日)。接内仓底面积S_D=6.6×10⁸厘米²超导块计，相对磁浮力可达

F_z1=(6.6×10⁸×120)/(π×0.25²×200)

   =2.0×10⁶(吨)，

F_z1足以支承内仓3悬浮于外壳5内。

由超导磁悬浮的魏斯纳效应，超导块8与外壳底面的磁铁9(包括电磁铁或永磁铁)间将保持一定的悬浮距离不变，二者既不相撞，也不远离。超导发电机停运时，由备用电源向磁体9供电。

七、动力能源：

动力能源是闭环运行航空原子能反应堆(参阅《原子发动机在航空中的应用》第二、三、四章[苏联]r.H.涅斯捷连珂国防工业出版社1960年版)，及超导发电机发电。超导发电机停运期间，由备用电源(包括蓄电池和燃料电池)向致冷机及磁体9供电。一般，原子动力装置的总热效率为15％，超导发电机效率为99.5％，微波的电能总有用效率为50％。考虑到碟面δ-0厚度内空气分子的扩散因素，在真空薄层最终形成前耗用微波能较大。

设微波及高压倍压器需用总热功率为P₁，供外壳5转动涡轮动力需用总热功率为P₂，则原子反应堆总热功率P=P₁+P₂。

应按照当今可实现技术，选用最大热功率航空原子能反应堆及最大发电功率同步发电超导发电机，例如，也可以选用50万千瓦热功率航空原子能反应堆和10万千瓦超导发电机。

碟体一旦腾空，支承轮10克服地面摩擦需用功率(占总功率比例最大，约2.4万千瓦)将减为0，使原子能反应堆全部热功率都可以用于超导发电机发电。

八、水空两用前景：

空气和水对处于其内物体的压力作用相似。如果使碟体外壳全封闭，那么在水中潜航是可行的。水中潜航耗能估算如下：

数据：水密度ρ=1千克/分米³；一个水分子质量m_水=3.0×10^-26千克，水电离电位V_i=19.2(电子伏特)；碟表侧面积S_侧=7351326.81厘米²；厚δ^- ₀=2.2×10^-6厘米的附面层，电离水分子总耗能为：

W₀=(ρ·V_i·S_侧·δ^- ₀)/(10³×m_水)

      =(1×19.2×1.6×10^-19×7351326.81×2.2×10^-6)/(3×10^-26×10³)

      =1.66×10⁶(焦耳)

考虑到δ^- ₀厚度内水分子的动态扩散作用，碟表真空层形成需耗用较多微波能。

碟体在水下操纵方式同于空气中，仅使波导4带高压电场为负，OH^-子被斥离壁面，形成壳外真空层。

航空、潜水一体式飞行器性能潜力是诱人的。

Claims (10)

1、外壳旋转式航空飞碟飞行器，是一种不同于现代利用反冲喷气作用原理推进的新式飞行器，本发明的特征是：碟体由内仓(3)外壳(5)双层结构组成，二者可相对转动；能源动力系统组成方式是：闭环运行的原子反应堆(7)，包括使用中速中子反应堆，推动涡轮(5)带动超导发电机(13)发电，电能经中空转轴(2)送至微波发生装置(1)，并经波导(4)和外壳(5)向壳外附面层发射电离空气用微波，倍压器(15)则提供了壳外附面层击穿高电压；碟体飞行空气动力学系统的组成方式是：微波电高空气，高压电场将重离子斥离碟面，导致外壳(5)表面附面层中一薄层真空层形成，从而产生壳体上下表面压强差，提供飞碟飞行的升力和推力，而适时暂停外壳表面局部区域空气电离，可以改变外壳(5)的旋转动量矩方向，达到飞行变向、增减速度目的；内仓(3)磁悬浮系统的组成方式是：内仓(3)底面超导块(8)与外壳(5)底面磁体(9)之间的魏斯纳磁悬浮作用，保证了内仓悬浮于外壳(5)内；碟体落地支撑系统自无线遥控的可折叠支承架(10)组成，支承架固定于外壳(5)底面上；通过传感器——伺服机制自动调控两涡轮转子的转速大小和转向，将保持碟体合转动动量矩为0，维持内仓(3)相对地球坐标无转动。

2、根据权利要求1的外壳旋转式航空飞碟飞行器，其特征在于内仓(3)与外壳(5)之间通过中空轴(2)、(11)相连结，中空轴固定在外壳(5)上，与内仓(3)的轴承间可以相对滑动、转动；

3、根据权利要求1的外壳旋转式航空飞碟飞行器，其特征在于导致内仓(3)磁悬浮于外壳(5)中的磁体(9)，也可以是电磁铁，碟体停地期间，也可取消磁体(9)的磁场；在超导发电机停运期间，由碟内备用电源供电，随时产生磁体(9)的磁场；

4、根据权利要求1的外壳旋转式航空飞碟飞行器，其特征在于通过调控涡轮(6)(12)的转子转速及转向，使碟体相对于地球坐标系的合转动动量矩为D，达到保持内仓(3)相对地球坐标系无相对转动的目的，传感器及伺服系统是调控转子转速、转向的工具，是一套自动控制系统；

5、根据权利要求1的外壳旋转式航空飞碟飞行器，其特征在于微波发生装置(1)固定于中空转轴(2)或外壳(5)上，微波传输波导(4)固定于外壳(5)内表面，即外壳(5)、微波发生装置(1)、波导(4)、磁体(9)、中空轴(2)(11)一起转动；

6、根据权利要求1的外壳旋转式航空飞碟飞行器，其特征在于微波经外壳(5)上的绝缘层无损耗地透射出去，去电离壳表面附面层中一薄层空气，此绝缘材料包括石英和石英复合材料；

7、根据权利要求1的外壳旋转式航空飞碟飞行器，其特征在于致冷机(14)同时保证超导发电机(13)及超导块(8)致冷，在碟体飞行中，致冷机电源来自超导发电机，在碟体停地期间，致冷机电源来自于仓内备用电源，包括蓄电池、燃料电池，且为防止超导体失超，致冷机应该持续工作，除非检修；

8、根据权利要求1的外壳旋转式航空飞碟飞行器，其特征在于原子反应堆(7)同时推动涡轮(6)和(12)运转，二涡轮的转速快慢由供汽量大小调控；

9、根据权利要求1的外壳旋转式航空飞碟飞行器，其特征在于外壳(5)仅上表面配置波导(4)，其底面不配置波导，而装置磁体(9)。

10、根据权利要求1的外壳旋转式航空飞碟飞行器，其特征在于也可以水空两用，水中潜航时，使波导〔4〕产生电场强度为负，与航空时(为正)恰相反，以使碟壳表面水分子被微波电离后的氢氧根负离子被斥离碟面，形成碟上表面的真空薄层，从而产生推力与升力。

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