球面摆线进动推进装置及其工作方法与流程

本发明涉及一种球面摆线进动推进装置及其工作方法。

背景技术：

现有运载工具如火箭、飞机等均利用牛顿第三运动定律实现载体的运动，即：在惯性参考系中相互作用的两个质点之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上，利用该方法实现的运载工具存在能源利用效率低、污染大，难以实现持续加速等问题，随着不可再生能源日益枯竭以及大气环境日益恶化，这类动力装置显得越来越不可持续，因此，人类需要一种新型的推进装置实现可持续发展。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种球面摆线进动推进装置及其工作方法，不仅设计合理、推力大，而且可大大节省能源消耗。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种球面摆线进动推进装置，包括用以与运动载体固联的并呈球冠状的座体，所述座体的球冠面上圆周均布有复数个球面双摆线轨道，所述球面双摆线轨道内部设有若干个与球面双摆线轨道滑动连接的滑块，所述滑块内部设置有一摆线圆环，所述摆线圆环的圆心在座体的球冠面上且其轴心线穿过座体的球心，摆线圆环包括旋转环、套设在旋转环外侧的并与滑块固联的固定环，所述固定环和球面双摆线轨道分别与调速电源电性连接，以通电产生磁场，在磁力作用下滑块沿球面双摆线轨道做摆线运动，旋转环做自转运动。

进一步的，所述滑块的顶面及底面分别设置有第一永磁体，所述球面双摆线轨道的内部间隔均布有若干个励磁线圈组，若干个励磁线圈组分别经第一滑刷与第一调速电源电性连接；所述励磁线圈组包括分别固定在球面双摆线轨道上、下内侧壁的两个励磁线圈。

进一步的，所述固定环由复数段呈环形均布的弧形导电线圈组成，复数段导电线圈分别经第二滑刷与第二调速电源电性连接；所述旋转环包括两个对称设置的第二永磁体。

进一步的，所述第二永磁体呈弧形状，第二永磁体与导电线圈的弧度均为60度。

进一步的，所述球面双摆线轨道由端部相连的两个摆线轨道布置形成。

进一步的，所述滑块的上部及下部四周分别安装有行走轮，所述球面双摆线轨道的内壁设置有与滑块上的行走轮相对应的滑槽，所述行走轮容置在滑槽内并与滑槽滑动连接。

进一步的，所述球面双摆线轨道的内壁设置有与若干个励磁线圈的位置相对应的并用以检测滑块的位置及速度的传感器，当传感器检测到滑块时，第一调速电源对该处的励磁线圈通电。

本发明采用的另一种技术方案是：一种球面摆线进动推进装置的工作方法，工作时：第一调速电源收到传感器的信号后按顺序依次对球面双摆线轨道内的若干个励磁线圈组通电，励磁线圈组通电产生的磁力驱动滑块沿着球面双摆线轨道做摆线运动；同时第二调速电源依照设定的频率按顺序依次对滑块内部两两相对的导电线圈通电，导电线圈通电产生的磁力驱动旋转环绕其轴心线自转，旋转环在自转时对座体球冠面产生同一方向的惯性离心力，该惯性离心力推动运动载体产生加速运动。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：本发明结构简单、合理，利用球面摆线进动方法使自转的旋转环对球冠状的座体产生同一方向的惯性离心力，进而推动运动载体产生加速运动，可取代传统的采用燃料反推技术的推进装置，具备持续推力大、能源消耗小、安全可靠等特点。

附图说明：

图1是圆环进动轨迹示意图；

图2是质点速度分解示意图；

图3是圆环进动加速度示意图；

图4是摆线运动加速度示意图；

图5是圆环摆线进动加速度示意图；

图6是球冠双摆线进动方法示意图；

图7是本发明实施例发俯视构造示意图；

图8是旋转环在球面双摆线轨道中的自转速度方向示意图；

图9是本发明实施例的主视构造示意图；

图10是球面双摆线轨道的俯视构造示意图；

图11是图10中的a-a剖面构造示意图；

图12是滑块在球面双摆线轨道内的运动示意图；

图13是旋转环在固定环内的运动示意图。

图中：

1-座体；2-球面双摆线轨道；3-滑块；4-旋转环；5-固定环；6-第一永磁体；7-励磁线圈组；8-导电线圈；9-第二永磁体；10-行走轮；11-滑槽。

具体实施方式:

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1-13所示，本发明一种球面摆线进动推进装置，包括用以与运动载体固联的并呈球冠状的座体1，所述座体1的球冠面上圆周均布有复数个球面双摆线轨道2，所述球面双摆线轨道2内部设有若干个与球面双摆线轨道2滑动连接的滑块3，所述滑块3内部设置有一摆线圆环，所述摆线圆环的圆心在座体1的球冠面上且其轴心线穿过座体1的球心，摆线圆环包括旋转环4、套设在旋转环4外侧的并与滑块3固联的固定环5，所述固定环5和球面双摆线轨道2分别与调速电源电性连接，以通电产生磁场，在磁力作用下滑块3沿球面双摆线轨道2做摆线运动，旋转环4做自转运动，旋转环4在自转时对座体1球冠面产生同一方向的惯性离心力，该惯性离心力的方向即为运动载体的加速方向，进而推动运动载体产生加速运动。

本实施例中，所述滑块3的顶面及底面分别设置有第一永磁体6，所述球面双摆线轨道2的内部间隔均布有若干个励磁线圈组7，若干个励磁线圈组7分别经第一滑刷与第一调速电源电性连接；所述励磁线圈组7包括分别固定在球面双摆线轨道2上、下内侧壁的两个励磁线圈。当滑块3位于某一励磁线圈组7中时，通过对该励磁线圈组7的两个励磁线圈通电产生磁场，通电励磁线圈形成的磁场分别对滑块3的上、下两侧的第一永磁体6吸斥作用，从而推动滑块3在球面双摆线轨道2内加速或减速运动。使用时，通过按顺序依次对若干个励磁线圈组7通电，可使得滑块3沿着球面双摆线轨道2做摆线运动。

本实施例中，所述固定环5由复数段呈环形均布的弧形导电线圈8组成，复数段导电线圈8分别经第二滑刷与第二调速电源电性连接；所述旋转环4包括两个对称设置的第二永磁体9。所述第二永磁体9呈弧形状，第二永磁体9与导电线圈8的弧度均为60度，即固定环5由六段导电线圈8组成，工作时，第二调速电源对正对两个第二永磁体9的导电线圈8通电，使导电线圈8对第二永磁体9前进方向的一侧相吸、相反的一侧相斥；在第二永磁体9移动到下一个导电线圈8时重复上述供电步骤，使得旋转环4形成自转。通过调节六个导电线圈8的供电次序和频率，可使旋转环4按固定方向以固定角度自转。

本实施例中，所述球面双摆线轨道2由端部相连的两个摆线轨道布置形成。

本实施例中，所述滑块3的上部及下部四周分别安装有行走轮10，所述球面双摆线轨道2的内壁设置有与滑块3上的行走轮10相对应的滑槽11，所述行走轮10容置在滑槽11内并与滑槽11滑动连接，以便于滑块10很好的滑动。

本实施例中，所述球面双摆线轨道2的内壁设置有与若干个励磁线圈的位置相对应的并用以检测滑块的位置及速度的传感器(图中未画出)，当传感器检测到滑块时，第一调速电源对该处的励磁线圈通电，通电的励磁线圈形成的磁场分别对滑块上、下两侧的第一永磁体吸斥作用，从而推动小车在轨道内部加速或减速运动。优选的，所述传感器为霍尔传感器或光电传感器。

本实施例中，工作时：第一调速电源收到传感器信号后，按顺时针方向依次对球面双摆线轨道内的若干个励磁线圈组通电，励磁线圈组通电产生的磁力驱动滑块沿着球面双摆线轨道顺时针方向做摆线运动；同时第二调速电源依照设定频率顺序依次对滑块内部两两相对的导电线圈通电，导电线圈通电产生的磁力驱动旋转环绕其轴心线沿顺时针方向自转，旋转环在自转时对座体球冠面产生同一方向的惯性离心力，当该惯性离心力大于运动载体的运动阻力时，即可推动运动载体产生加速运动。

本实施例中，该球面摆线进动推进装置在非惯性系条件下运用等效原理，利用磁场加速旋转环形成球面摆线进动，使之产生的周期性离心力(即惯性力)，从而驱动旋转环对运动载体产生推进力，具体工作方法说明如下：

在地球表面观察到进动现象是由重力引起的，根据重力与加速度等效原理，设想在无重力环境下，可以在一艘处于加速状态的宇宙飞船观察到进动现象，此时以飞船为参照系观察进动圆盘(或圆环)上质点速度分布不同，产生了大小不同的科里奥利力，此为进动产生的根本原因，而科里奥利力本质是惯性离心力作用，以下运用惯性力原理对本发明工作方法进行说明。

(1)进动作用力分析

为简化分析，设定在非重力环境下，一个由质点构成的自转旋转环组成的封闭系统，其中，旋转环圆心为m点，进动原点p在旋转环轴线上且与m点刚性连接。

如图1所示，设p点为惯性参照点且与封闭系统保持静止，当垂直于轴线的外部作用力f作用在m点时，旋转环m将沿垂直于轴线及作用力f垂直方向绕p点旋转，此时对圆环上质点而言同时存在两个垂直方向的自转向心力，一是指向旋转环圆心的向心力，二是垂直于自转平面且指向进动轴的进动向心力，从p点所在的参照系观察圆环质点由于速度不同，对原点产生的惯性力也各不相同。

如图2所示，设自转旋转环m的半径为r、自转速度为vr，进动半径(mp长度)为r、进动速度为vr，从p点观察，对称质点a、b可分解为两个相互垂直的切速度分量，一个是沿vr方向(设为x轴)的切速度分量vx，分别为为vxa＝vr+vrcosθ、vxb＝vr-vrcosθ，另一个是垂直于vr方向(设为y轴)的切速度分量vy，分别为为vya＝vrsinθ、vyb＝-vrsinθ。

旋转环m进动时，所有质点始终处于球心为p、半径为r的球面上，从p点观察，质点a、b在y轴方向切速度(等效角速度)矢量和为零，在x轴方向切速度(等效角速度)矢量和不为零，以圆心m进动轨迹为分界线，上方质点a在x轴方向的角速度总是大于下方质点b在x轴方向的角速度，因此，质点a对p点产生的惯性力(离心力)总是大于质点b对p点产生的惯性力(离心力)。

如图3所示，将无数个质点a、b均布在整个旋转环，可以得出旋转环m对p点产生的惯性加速度(即离心力)差值为公式1：

其中：r为旋转环半径，ωr为旋转环自转角速度，ωr为进动旋转角速度；该加速度差值为旋转环m对进动原点p产生的惯性力(离心力)。

由于p点为系统原点，根据杠杆原理，在a0作用下m点产生a1方向运动趋势，对应单个质点杠杆比为因此，圆环m对应a1方向的加速度为公式2：其中r为进动旋转半径，由于进动产生的加速度a1与外力产生的加速度a相互抵消，因此圆环在垂直方向速度为零。

(2)球面摆线进动作用力分析

上述情形是理想条件下进动，但事实上每个进动均会伴随着章动，物体在外力作用瞬间会朝着外力方向运动，因此，外力f作用于自转旋转环m的瞬间会使旋转环m向外力f方向运动，从而使旋转环m相对p点产生f方向上的切速度，旋转环m切速度增加反过来又使旋转环m产生垂直于切速度方向的切加速度，由于切加速度大小正比于切速度，旋转环圆心m运动轨迹为摆线，以下通过最速降线的方法分析摆线进动的可行性。

如图4所示，质点在重力作用下沿摆线轨道下降，形成最速降线，质点在a点速度为零，经b点到达d点时速度为v，对应动圆运动速度对应动圆半径此时，质点受到两个方向的加速度，一是重力加速度g，二是摆线壁对质点形成的加速度a1，此时加速度g、a1的矢量和形成质点加速度a2，可以确定a1、a2方向相互垂直，即：a1⊥a2，设g与a2之间夹角为α，则：a1＝g·sinα；a2＝g·cosα；v＝vsinα；由此可见垂直于速度v方向的加速度a1∝v。

如图5所示，将质点替换成自转旋转环，在垂直于轴线的加速度a0(作用同重力)作用下，起初圆心m沿着加速度a0方向运动，随着速度的增加，自转旋转环形成了绕原点p的进动，因此，旋转环m在p点作用下产生了惯性加速度a0(如图3所示)，在杠杆作用下产生了垂直于速度方向的加速度a1，若圆心m运动轨迹为球面摆线，则要求图4中a1等于图3中a1，即：

(即公式2)；

由于vx＝ωr·r，因此，得公式3：

其中:ωr为旋转环圆心m绕p点以vx速度旋转角速度；ωr为旋转环m自转角速度；rx为圆心m在球面运动形成且始终与球面相切的摆线圆半径；r为旋转环圆心m绕p点旋转半径；r为旋转环m半径，由于摆线进动轨迹也是章动，因此，在远小于的条件下越小，这表明在进动所产生的章动半径越小，反之亦然。

由于旋转环m产生的惯性加速度a0等于原点对圆环的向心力，因此在一个摆线周期内旋转环对原点产生的惯性加速度为

小结，进动必然存在着章动，每一个章动都是旋转环圆心进行的球面摆线运动，球面摆线半径大小取决于公式3，进动形成的平面圆轨迹可以看成由许多球面摆线组成；由于使旋转环产生进动的作用力与旋转环对球心(即进动原点)产生的惯性力(离心力)相互垂直，因此，本发明所采用的推力设计方法是循环利用同一个球面摆线将旋转环进动惯性力转化成为对载体的推力。

(3)球面摆线进动推进方法

按上述方法，以封闭系统球心p为原点，一个自转旋转环m在垂直于进动轴线的外力f作用下沿球面摆线运动，假设，自转旋转环m与原点之间无实轴固定，但旋转环m轴线始终相交于原点p，根据等效原理，旋转环必然对原点p所在球面产生如图3所示惯性加速度a0，旋转环m每运动一个摆线周期均会对封闭系统形成定向惯性加速度。

如图6所示，设两个对称摆线abc、cda在以p点为球心、半径为r的球面上，旋转环m在垂直于轴线作用力f的作用下从a点(速度零)加速到b点、再从b点减速到c点(速度零)、再从c点(速度零)加速到d点、再从d点减速到a点(速度零)，以上旋转环运动周期中，从原点p观察使圆环产生加速度的外部作用力f始终相切于球面且矢量和为零，然而旋转环m对p点产生了沿轴线方向的惯性力f0的矢量和不为零，惯性力f0矢量和作用在px方向上，驱动运动载体沿px方向加速运动。

如图7所示，从上方俯视推进装置，复数个球面双摆线轨道圆周均布在座体的球冠面上，复数个球面双摆线轨道两两对称布置。每个球面双摆线轨道内置若干个滑块，通过电磁场加速，旋转环在滑块内自转，滑块在球面双摆线轨道内进行加减速运动，在满足上述运动条件下，每个球面双摆线轨道均能在摆线轴心点产生相同大小的惯性加速度矢量和，其若干个摆线轴心点所产生的惯性加速度矢量和方向为球心指向球冠轴心点，从而产生推进力推动运动载体加速运动。

如图8所示，在t＝0时刻(起始时刻)，设有两个以角速度旋转环分别处于球面双摆线轨道的a、e静止位置，在轨道内磁场的驱动下，两个旋转环在自转角速度不变情况下，在轨道内沿逆时针方向加速运动，分别经过abcde、efgha，在一个摆线周期内又回到a、e位置，且速度为零，由此可见对称两个旋转环进行摆线运动具备周期性质。

以上条件要求，旋转环封闭在一个与球面双摆线轨道滑动连接的滑块内部，并确保旋转环平面与球面双摆线轨道所在球面相切；球面双摆线轨道磁场对滑块产生的加速度为使滑块在球面双摆线轨道内形成摆线运动所需的速度；其中：r为球面双摆线轨道所在球面半径，rx为摆线轨道圆半径，为旋转环速度方向与起始位置(a、e)之间夹角，ωr为摆线圆在球面运动的产生的角速度。

(4)球面摆线进动推进装置说明

座体球冠面上的球面双摆线轨道内设置若干个滑块，滑块与球面双摆线轨道滑动连接，球面双摆线轨道的上、下内侧壁设置有两组固定间隔的励磁线圈，以便通电产生磁场，而滑块的顶面及底面设置有第一永磁体，通过励磁线圈形成的磁场分别对滑块上下两侧的第一永磁体吸斥作用，轨道内励磁线圈纵向宽度与间隔宽度相等，励磁线圈间隔中布设霍尔传感器或光电传感器用于测定滑块在轨道内位置与速度，并将电信号回馈励磁线圈的调速电源开关，加速时使滑块前方励磁线圈对永磁体相吸、滑块后方励磁线圈对永磁体相斥，减速时使滑块前方励磁线圈对永磁体相斥、滑块后方励磁线圈对永磁体相吸，从而推动滑块在球面双摆线轨道内部加速或减速运动。

每个滑块内固定有由六段弧形导电线圈组成的固定环，在固定环内部活动设置有由两个弧形状的第二永磁体构成的旋转环，通过对正对两个第二永磁体的导电线圈通电，使导电线圈对第二永磁体前进方向的一侧相吸、相反的一侧相斥，在第二永磁体移动到下一个导电线圈位置时重复以上供电步骤形成旋转环自转；通过调节六个励磁线圈的供电次序和频率，可使旋转环按自转方向以设定的角速度自转。

根据公式1：及公式3：为调节推力大小(由公式1决定)，需要同时调节旋转环和滑块的运动速度，因此，在调节球面双摆线轨道励磁线圈供电电流(或电压)使滑块加速度变大或变小，同时还应导电线圈供电频率使旋转环自转速度增加或减少，使旋转环自转角速度与滑块沿球冠运动的角速度(指摆线运动的直线速度分量)比值不变，同时两个角速度积增加或减小(即a0＝4πrωrωr)，以达到改变推力大小目的。

本发明采用的另一种技术方案是：一种球面摆线进动推进装置的工作方法，工作时：第一调速电源收到传感器信号后按顺序依次对球面双摆线轨道内的若干个励磁线圈组通电，励磁线圈组通电产生的磁力驱动滑块沿着球面双摆线轨道做摆线运动；同时第二调速电源依照设定频率顺序依次对滑块内部两两相对的导电线圈通电，导电线圈通电产生的磁力驱动旋转环绕其轴心线自转，旋转环在自转时对座体球冠面产生同一方向的惯性离心力，当该惯性离心力大于运动载体的运动阻力时，即可推动运动载体产生加速运动。

本实施例中，所述传感器为霍尔传感器或光电传感器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。