专利名称：产生微重力环境的方法
技术领域：
本发明涉及一种产生微重力环境的方法。
自人类进入太空以来，失重现象引起人们的重视，失重生理学、失重医学、失重生态学、失重金属学，在失重状态下制造高园度的钢球，制造高均匀度的单晶体等一系列研究都要在失重环境下进行，由于长时间的失重状态只能在卫星或航天器上才能得到，失重的应用研究受到很大限制。在地面产生短时失重是没有困难的，但由于时间太短很难利用，为增加失重时间，势必需要大的行程，这样长时间的加速运动必定产生巨大的末速度，因此，时间短、行程长、速度高是研究地面失重状态的三个难点;目前，有在水中模拟失重状态的，但由于模拟精度差，且由于水本身的阻力，往往达不到所需的要求。
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种高精度产生微重力环境的方法。
本发明是采用如下措施实现的将2n个Maxwell摆串接，即第一级摆的柔索支点为绝对坐标系，上一级摆为下一级的相对坐标系，2n个Maxwell摆各级在运动中有不同的相位，每级有一相差T/4相位的另一级与之对应，两者形成一个偶合级(组)，这样2n个Maxwell摆形成n个偶合组，由于偶合组的两个摆的速度是反向的，可降低合成末速度并减小整个运动行程。对于单级的Maxwell摆其动力方程解为a= (γ2)/(γ2+ρ2) g，T＝mg-ma(a为摆的加速度，γ为摆的转轴半径，ρ为摆轮对几何轴线的惯性半径，T为柔索的拉力)，摆的质心运动轨迹为两条垂直线与一条半园弧组成的U字形轨迹，在其两垂直线运动轨迹上，加速度方向都垂直向下且数值恒定，在半园轨迹上加速度不再是向下的常数，其方向及大小是时间的函数，因此，单级摆在整个运动轨迹上存在加速度不平滑的问题。多级摆串接后，其动力方程解为 根据上述方程解，假设某一时段任一级摆运动在半园轨迹，该级摆在半园轨迹上产生不同于直线轨迹的向上的加速度，设这个向上的加速度的极值为a′k，因此，该级摆质心上增加一向下的惯性力Mka′k，使Tk增加，以上述的方程解可以看出，K级以上各级加速度都显含Tk，其各级都增加了由于惯性力Mka′K而引起的加速度，K级以下各级的加速度中的∑ai一项中都含有a′k，由于a′k方向向上，∑ai减小，K级以下各级的加速度增大，总之，当K级摆运动在半园轨迹时，其余各级方向向下的加速度都有所增加，其最终的合成加速度仍是方向向下，自动补偿了K级在半园轨迹时产生的冲击，因此，仍是方向向下，自动补偿了K级在半园轨迹时产生的冲击，因此，多级摆串接后，可使合成的加速度方向始终向下，具有平滑性。本发明在各级摆运动在向下的直线运动轨迹时，给予其克服空气阻力、维持其恒定振幅的能量补偿;以上述方法建立的失重状态，无论串接的级数多少其最末一级的合成加速度，只趋近于重力加速度，而不能等于重力加速度，否则，会出现ρ/γ＝0或1的不合理情况，因此，在整个运动过程中在最末一级摆的转轴上加一方向向下且数值恒定的外力，该外力可根据ρ/γ的合理数值设定，即外力设定后，求出的ρ/γ值应合理。本发明串接的摆的级数不宜过多，过多给设计、计算和运行带来困难，级数也不宜过少，过少每级的加速度增大，引起末速度增大，给运行带来不便。
本发明提供了一种产生微重力环境的方法，该方法具有运行行程小(即需要的空间高度小)，最后一级(即工作台)的速度很小，可连续运行等三个特点，在投资不很大的情况下可达到接近于g的微重力环境。
实施例将10个Maxwell摆串接，并在第10级摆的转轴上设有工作台，10个Maxwell摆有不同的相位，且每一级摆均有相差T/4相位的另一级与之对应，如第一级摆与第六级摆，第二级摆与第七级摆，共组成五个偶合组，本实施例为简化计算及运行，使相邻各级摆具有相同的相位差T/4n＝T/20，各级摆运动在向下的直线运动轨迹时，给予其克服空气阻力、维持恒定振幅的能量补偿，在第10级摆的转轴上加一方向向下且数值恒定的外力。对于单级的Maxwell摆其加速度只与摆的质量分布ρ和轴的半径有关，对于串接后的多级摆其加速度同样与摆的相关尺寸有关，本实施例在设计时设定合适的ai和外力F，然后决定各级摆的合理的物理参数ρ和γ。具体设计如下假设各级摆(包括摆轮和转轴)质量均为m，各级摆轮质心(摆轮平面与转轴几何轴线的交点)加速度均为ai＝0.1g，第10级转轴上需要的外力为F，F与质量m之比，F/m＝25，Ti为i级柔索所受拉力，ρi为i级的惯性半径ρi＝ (Ji)/(m) Ji为i级的转动惯量，其最终的动力方程解为(ρiyi)2=10.1g(g-Σ1i-1ai+Ti+1m-1)]]>Ti=mg-Σ1i-1aim-mai+Ti+1]]>根据上式第10级计算如下第10级轴上没有下一级的拉力只有外力F( (ρ10)/(γ10) )2＝ 1/(0.1g) (g-0.9g+F/m)-1已设F/m＝25 求得 (ρ10)/(γ10) ＝5.05T10＝mg-0.9mg-0.1mg+F=F第九级计算如下( (ρ9)/(γ9) )2＝ 1/(0.1g) (g-0.89+F/m)-1＝26.51求得 (ρ9)/(γ9) ＝5.15 T9＝mg-0.8mg-0.1mg+F=0.1mg+F第八级( (ρ82)/(γ82) )＝ 1/(0.1g) (g-0.7g+T9/m)-1
(ρ8)/(γ8) ＝5.34 T8＝mg-0.7mg-0.1mg+T9=0.3mg+F第七级( (ρ7)/(γ7) )2＝ 1/(0.1g) (g-0.6g+T8/m)-1(ρ7)/(γ7) ＝5.61 T7=mg-0.7mg+T8=0.6mg+F第六级( (ρ6)/(γ6) )2＝ 1/(0.1g) (g-0.5g+T7/m)-1(ρ6)/(γ6) ＝5.96 T6＝mg-0.6mg+T7＝mg+F第五级( (ρ5)/(γ5) )2＝ 1/(0.1g) (g-0.4g+T6/m)-1(ρ5)/(γ5) ＝6.36 T5＝0.5mg+T6=1.5mg+F第四级( (ρ4)/(γ4) )2＝ 1/(0.1g) (g-0.3g+T5/m)-1(ρ4)/(γ4) ＝6.82 T4＝2.1mg+F第三级( (ρ3)/(γ3) )2＝ 1/(0.1g) (g-0.2g+T4/m)-1(ρ3)/(γ3) ＝7.31 T3=2.8mg+F
第二级( (ρ2)/(γ2) )2＝ 1/(0.1g) (g-0.1g+T3/m)-1(ρ2)/(γ2) ＝7.84 T2=3.6mg+F第一级( (ρ1)/(γ1) )2＝ 1/(0.1g) (g-0+3.6g+F/m)-1(ρ1)/(γ1) ＝8.39 T1＝4.5mg+F根据上述各级摆的ρ/γ比值，求得各级摆的物理参数。
权利要求
1.一种产生微重力环境的方法，其特征为a)将2n个Maxwell摆串接，即第一级摆的柔索支点为绝对坐标系，上一级摆为下一级的相对坐标系b)2n个Maxwell摆各级在运动中有不同的相位，每级有一相差T/4相位的另一级与之对应，两者形成一个偶合级c)在运动过程中各级摆运动在向下的直线运动轨迹时，给予各级摆克服空气阻力，维持其恒定振幅的能量补偿d)在运动过程中在最末一级摆的转轴上加一方向向下且数值恒定的外力。
2.如权利要求1所述的方法，其特征为2n个Maxwell摆相邻各级在运动过程中有相等的相位差T/4n。
全文摘要
本发明为产生微重力环境的方法，该方法采用将多个Maxwell摆串接的措施，实现产生微重力环境的目的。该方法具有运动行程小(即需要的空间高度小)，最后一级(即工作台)的速度小，可连续运行的特点，在投资不很大的情况下可达到接近于g的微重力环境。
文档编号G09B9/00GK1108412SQ9410927
公开日1995年9月13日 申请日期1994年8月25日 优先权日1994年8月25日
发明者韩慕嵩 申请人:韩慕嵩