CN201856895U

CN201856895U - 利用离心力产生径向推力的装置

Info

Publication number: CN201856895U
Application number: CN2010205199767U
Authority: CN
Inventors: 廖明群
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2020-09-07

Abstract

本实用新型涉及一种利用离心力产生径向推力的装置，包括一偏心转体和用于驱动所述偏心转体旋转的动力装置，其特征在于：所述偏心转体的质量在其轴线两旁侧非对称分布，且一旁侧质量大于另一旁侧，所述动力装置为大扭矩且可改变输出转速的动力设备。该装置有利于持续、高效地获得径向推力，且可对推力输出的大小进行控制。

Description

利用离心力产生径向推力的装置

技术领域

本实用新型涉及一种利用离心力产生径向推力的装置。

背景技术

现有技术中，在航天、航空个人飞行器等需要推进力的应用场合，大多是通过化学燃料剧烈燃烧产生出喷射气流来获得推进力的，其缺点是化学燃料燃烧消耗快，能量利用率低。此外，通过化学燃料燃烧获得推进力的方法无法对动力输出的大小、时间等进行精确控制。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种利用离心力产生径向推力的装置，该装置有利于持续、高效地获得径向推力，且可对推力输出的大小和方向进行控制。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种利用离心力产生径向推力的装置，包括一偏心转体和用于驱动所述偏心转体旋转的动力装置，其特征在于：所述偏心转体的质量在其轴线两旁侧非对称分布，且一旁侧质量大于另一旁侧，所述动力装置为大扭矩且可改变输出转速的动力设备。所述偏心转体经受力件将径向推动力输出。

本实用新型的有益效果是通过控制质量非对称偏心转体在旋转周期内有计划的变速旋转，不仅可以持续、高效、即时地获得径向推动力，而且可通过对偏心转体在各个相位中转速的控制，对推力输出的大小、方向进行精确的控制。此外，该装置结构简单，使用寿命长，具有一定的市场应用前景。

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本实用新型实施例一的结构示意图。

图2是本实用新型实施例一的偏心转体结构示意图。

图3是本实用新型实施例一偏心转体角速度周期变化图。

图4是本实用新型实施例二偏心转体角速度周期变化图。

图5是本实用新型实施例中质点围绕一个点运动每π/2位置ω的示意图。

具体实施方式

本实用新型利用离心力产生径向推力的装置，如图1所示，包括一偏心转体1和用于驱动所述偏心转体旋转的动力装置2，所述偏心转体1的质量在其轴线5两旁侧非对称分布，且一旁侧3质量大于另一旁侧4，所述动力装置为大扭矩且可改变输出转速的旋转动力设备，如变速大扭矩电机，所述偏心转体经受力件将推动力输出。所述偏心转体1是指转体重心不在其旋转轴线上的转体。

在本实施例中，如图2所示，所述偏心转体1为一圆形偏心转体，偏心转体1在其轴线5一旁侧3为实心结构，另一侧端4为空心结构，以使偏心转体1的质量非对称分布在轴线5两旁侧。实心结构一侧的质量要明显大于空心结构另一侧的质量。

在其他实施例中，也可使所述偏心转体轴线一旁侧密度大于另一旁侧，以同样实现使偏心转体在轴线一旁侧质量大于另一旁侧的效果。

利用本实用新型装置产生径向推力的方法，包括以下步骤：

（1）设置一偏心转体和用于驱动所述偏心转体转动的动力装置，所述偏心转体的质量在其轴线周侧非对称分布，以使一旁侧质量大于相对的另一旁侧，所述动力装置具有大扭矩且可进行变速旋转。

（2）取一推力输出方向A，在所述偏心转体的转动过程中，当偏心转体质量大的一旁侧朝向方向A运动时，控制偏心转体加快转速（比其反向转速块）；当偏心转体质量大的一旁侧背离方向A运动时，控制偏心转体减慢转速（比其反向转速慢），以实现推力往指定方向的输出。

1、离心力产生原理

离心力，是一种惯性力。当物体在做非直线运动时，因物体一定有本身的质量存在，质量造成的惯性会强迫物体继续朝着运动轨迹的切线方向前进，而非顺着接下来转弯过去的方向走，由于要约束其做圆周运动，须要对其施加一个力，这个力就是离心力，离心力并非真实力，而是一个现象。

离心运动是指做匀速圆周运动的物体，在所受的合力突然消失或者不足以提供圆周运动所需的向心力的情况下，物体所做的逐渐远离圆心的运动。

离心力的公式可以写成：

Figure 2010205199767100002DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE001

其中：F是离心力；

m是等效质点的质量；

V是等效质点的线速度；

r是等效质点绕圆周运动的半径；

ω是等效质点绕圆周运动的角速度。

2、离心力产生径向推力的方法

径向是指垂直于轴向的方向，径向力当然也是垂直于轴向方向。在轴向对称的旋转物体中，围绕轴线旋转，离心力的合力将相互抵消。要实现径向推力的要素之一是设置一个围绕轴线旋转但是质量在其轴线两侧不对称的偏心转体。当“轴线非对称偏心转体”围绕轴线均匀旋转一周的时候，其离心力的合力也同样相互抵消。要实现径向推力的另一个要素是让“轴线非对称偏心转体”在每一个旋转周期中遵循改变角速度的运动方式。

下面对改变角速度的运动方式进行详细分析。

通过公式可以得出，若是维持旋转半径r不变，质点质量m不变，角速度ω变小，则F变小；角速度ω变大，则F变大，并且成二次方正比关系。若是在每一个旋转周期中，按照一定规则改变角速度ω的大小，则离心力的合力就可以不平衡，则就产生出了径向力，并且加于利用。

可以把每一个圆周周期通过轴心平分为两个部分，其中一个部分为希望的合成力的方向，另外一个部分为其反方向，调整角速度运行曲线，使正方向运动（朝向推力输出方向A运动）的角速度高于反方向运动（背向推力输出方向A运动）的角速度，根据离心力的公式，就可以获得所需要的径向力，角速度ω的变化周期如图3所示：

从图3可以看出，（∏）位置角速度ω最大，则F最大，（0∏、2∏）位置角速度最小，则F最小。上图中，角速度与相位之间的关系并不需要一条平滑曲线，其根本意义就是要让理想中的合力方向的角速度高过于反方向的角速度。因此角速度与相位之间的关系也可以类似如图4所示的关系：

按照力的合成，将可以得到有用的合力F。

为直观起见，下面画出质点围绕一个点运动，每π/2位置ω的示意图，如图5所示。

其中n为大于1的倍数，且比1大很多，取决于动力提供装置的瞬时减速以及瞬时加速的能力。n越大，获得的推力也越大。下面对各个参数进行举例说明。

其中假设ω=2π，n=10，m=1kg，r=1m，受力分析中，按理要对每个相位位置进行等效力的分析，然后积分；在此简化模型，仅取接近0π或者2π处作为角速度最低时的相位，取接近π处作为角速度最高时的相位，其余相位均做匀速圆周运动（产生的力相互抵消，可以不考虑），获得的力如下表所示：

从上表可以得出，离心力合力能够产生出38.7kN的力，由于在角速度较低时通过相同的相位角所耗费的时间长过于角速度较高时的时间，因此计算了冲量W=FS（力F*时间S），其中冲量尚且有384.95Ns剩余。从上表可以看出，这个机构的力不再是普通离心力的平衡关系，而是能够提供出可观的径向推力。

实现ω周期性改变的方法有很多，可以是电机驱动，也可以是其它大扭矩且具备改变输出转速的动力设施驱动。例如步进电机按照加减速曲线控制法、直流无刷电机按加减速控制调速法，交流电机根据相位调频方法，对旋转的偏心物体按照加减速相位需求增加周期性阻尼方法等等均可实现。

基于本发明设计，加工一偏心转体，并且通过步进电机调制旋转角速度按照正弦曲线进行加减速，通过一个三维力测量传感器测量受力情况，根据不同的相位加减速测试，可以明显获得不同方向的稳定的径向力输出。

本实用新型的应用环境很广，能够适应于所有的有推进力需求的环境，例如航天器、卫星、飞机、个人飞行器等等。

本实用新型相较于现有技术具有的优势：

长寿命：在航天应用环境中，当前技术基本上都是化学燃料经过剧烈燃烧产生出喷射气流来获得反冲力，其缺点是化学燃料燃烧消耗很快，能量利用里很低，当燃料耗尽，则航天器、卫星等将不再能够获得动力，无法进行变轨等操作。使用本推进方法，只要有能量（包括电能），就能够获得推进力，卫星等携带的太阳能电池、燃料电池甚至核能等可以作为源源不断的能量供应源，因此可以维持航天器更高的寿命，更好的机动性。另外机构无需运行在高温环境中，也同时可以延长使用寿命。

精确控制推力大小：推进力的大小主要影响因素包括角速度ω及角速度周期变化的倍数，半径r，等效质量m。维持机构较高的角速度ω、半径r、等效质量m等不变，在需要推力的时候改变角速度周期变化的倍数，即可获得响应大小的推进力。

精确控制推力方向：推进力的方向主要影响因素角速度周期变化的相位，只要控制好角速度变化周期的相位，即可控制推力在一个平面中的任意角度。

瞬间获得推进力：推进力的大小主要影响因素包括角速度ω及角速度周期变化的倍数，半径r，等效质量m。维持机构较高的角速度ω、半径r、等效质量m等不变，在需要推力的时候瞬间改变角速度周期变化的倍数，即可瞬间获得推进力。

高效：理论估算推进力的效率可以达到与电机和发电机类似的综合效率，因此可以达到很高的效率。

安全：由于加速度等均可精确控制，因此可以很安全，或许是用此法的载人航天器不再是几分钟时间就冲出了大气层，让人类承受巨大的加速度，而是类似比现有的喷气式飞机高出不多的加速度慢慢飞离大气层，飞行器变成可控性很强。飞行器返回大气层之前可以先减速，然后采用垂直降落的方法返回地球。

垂直起降：可以应用于现有飞机的垂直起降中。

减少航天器重量：因为能量利用率更高，并且无需使用反冲式燃料，可以携带有较高电力能量转换的设备及材料（例如高效燃料电池提供能源、太阳能电池、核能发电提供能源），可以减低航天器重量。

以上是本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种利用离心力产生径向推力的装置，包括一偏心转体和用于驱动所述偏心转体旋转的动力装置，其特征在于：所述偏心转体的质量在其轴线两旁侧非对称分布，且一旁侧质量大于另一旁侧，所述动力装置为大扭矩且可改变输出转速的动力设备。

2.根据权利要求1所述的利用离心力产生径向推力的装置，其特征在于：所述偏心转体轴线一旁侧为实心结构，另一旁侧为空心结构，以使所述偏心转体在轴线一旁侧质量大于另一旁侧。

3. 根据权利要求1所述的利用离心力产生径向推力的装置，其特征在于：所述偏心转体轴线一旁侧密度大于另一旁侧，以使所述偏心转体在轴线一旁侧质量大于另一旁侧。