以速度控制和地形选择调制重力的制作方法

专利名称：以速度控制和地形选择调制重力的制作方法
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勻的球状铅弹头。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。


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。
具体实施例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IM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1 被结合到记忆存贮设备1 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Vtl，经过t时间，则水平行程距离为χ = v0tt时间内垂直行经的距离则为y = -l/2g t2,负号表示往下方向将t= x/vQ 代入则y = -g/ (2v02) · X2方程式(1)抛物线路径将可由此数学方程式(1)得到其中χ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；Vtl为物体水平速度方程式(1)对χ的导数即一次微分为f = dy/dx = -(g/v02) · χ方程式 O)因此得出r为在(X，y)点抛物线的切线.斜率由于Vy = dy/dt，vx = dx/dt,我们得到vy/vx = dy/dx = -(g/v02) · χ 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' = vy/vx = "(g/v02) ‘ χ由于水平速度保持不变Vx = V0因此vy = _(g/v。)· χ每一个抛物线有其独一的水平速度Vtl，因此χ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。ν = vx+vy向量的大小为ν = |v| = (v02+(g2/v02) · χ2)172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OG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(I-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
权利要求
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.—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。
全文摘要
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。
文档编号B64G7/00GK102040011SQ201010514588
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月21日 优先权日2009年10月21日
发明者张重华, 黄季左, 黄礼翰, 黄礼訢 申请人:张重华, 黄季左, 黄礼翰, 黄礼訢