电磁推进器的制造方法
【专利摘要】公开了用于电磁推进的系统和方法。一种电磁推进系统，包括：包括导电内表面的轴向不对称谐振腔，该谐振腔适于在其中支持电磁（EM）驻波，该EM驻波具有限定该谐振腔的z轴的振荡电场矢量。该谐振腔缺乏第二轴轴向对称。该EM驻波在该谐振腔上引起单向净力。
【专利说明】电磁推进器
【技术领域】
[0001]本发明涉及推进系统和方法。具体来说，这些系统和方法使用谐振电磁波与谐振腔之间的交互以获得推力。
【背景技术】
[0002]面向太空探索计划的一个问题是，开发有效的低质量推进系统。在传统推进系统中包括反作用体(reaction mass )、和发动机本身上的质量的必要性给这些推进系统的范围和寿命的设置了实际限制。已经探索了针对该问题的许多方法。这种系统的一个示例是Emdrive 系统。
[0003]Emdrive系统是一种空间推进系统，其使用施加在谐振腔的两个端部上的辐射压力的差异来生成推力，并由此避免反作用体的问题。Emdrive是装满微波的谐振瓶。对于原型Emdrive的情况来说,封闭谐振腔一个端部比另一端部更宽。Emdrive的设计者所进行的数学分析指出，谐振微波的群速度在较宽端部比较窄端部可更高，并因此，存在施加在较宽端部上的过度净力。而且，所施加的过度净力成比例于Emdrive谐振腔的Q，或者该谐振腔作为谐振器所表现的有效性。由此，Emdrive似乎能够发展推力而不需要使用反作用体。
[0004]本发明的示例性实施例还可以被用于，在不需要使用反作用体或用于创建推力的喷射EM能量的情况下生成推力，但是按不同于Emdrive的方法的方式来实现。除了基于空间的应用以外，本发明的实施例还可以被用于在基于地球的应用和其它应用中产生推力。
【发明内容】
[0005]本发明一示例性实施例提供了一种电磁推进器，其包括:包括导电内表面的轴向不对称谐振腔；和电耦接至该谐振腔的频率发生器。该谐振腔适于支持具有沿大致垂直于该腔的横平面的方向指向的振荡电场矢量的电磁(EM)驻波。该频率发生器被用于在该谐振腔中生成EM驻波。EM驻波与该轴向不对称谐振腔的导电内表面之间的EM交互创建了沿大致垂直于该横平面的方向的净不平衡力。
[0006]本发明另一不例性实施例提供了一种电磁推进器，包括:包括导电内表面的轴向不对称谐振腔；和电耦接至该谐振腔的频率发生器。该谐振腔适于支持具有沿大致垂直于该腔的横平面的方向指向的振荡电场矢量的电磁(EM)驻波。该频率发生器被用于在该谐振腔中生成EM驻波。EM驻波与该轴向不对称谐振腔的导电内表面之间的EM交互创建了沿大致平行于该横平面的方向的净不平衡力。
[0007]本发明另一示例性实施例提供了一种电磁推进器，包括:包括导电内表面的轴向对称谐振腔；和电耦接至该谐振腔的频率发生器。该谐振腔适于支持具有沿大致垂直于该腔的横平面的方向指向的振荡电场矢量的电磁(EM)驻波。该频率发生器被用于在该谐振腔中生成EM驻波。该轴向对称谐振腔包括至少一个信号端口。EM波与谐振腔和信号端口之间的交互在该谐振腔上创建了净不平衡力。所述净不平衡力可以大致平行于z轴，或者所述不平衡力可以大致平行于谐振腔的x-y平面。[0008]本发明另一示例性实施例提供了一种利用谐振腔来生成不平衡力的方法。在该谐振腔中生成具有沿大致垂直于横平面的方向指向的振荡电场矢量的EM驻波。该M驻波与该谐振腔的壁部和/或信号端口上的电荷和电流交互，以生成可以沿大致垂直于该横平面的方向或者沿大致平行于该谐振腔的横平面的方向的单向力。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]当结合附图阅读时，根据下面详细的描述，将最佳地理解本发明。强调的是，根据通常的实践，附图中的各个特征不是按规定比例的。与此相反，为清楚起见，所述各个特征的尺寸被任意扩展或缩减。附图中包括以下各图:
[0010]图1是例示了根据本发明的示例性推进器系统的示意性截面侧视图和俯视图；
[0011]图2是例示图1的示例性推进器系统的谐振腔的顶板的、示意性侧截面图、侧视图、立体图、以及仰视图；
[0012]图3是例示图1的示例性推进器系统的谐振腔的底板的示意性侧截面图、侧视图、以及俯视图；
[0013]图4是例示图1的示例性推进器系统的系统构造的系统图；
[0014]图5是本发明的概念证明实施例的顶板的示意性侧剖面图、俯视图、侧视图以及细节图；
[0015]图6是本发明的概念证明实施例的底板的示意性侧剖面图、仰视图、侧视图以及两细节图；
[0016]图7是图5和6的概念证明实施例的示意性侧截面图和俯视图；
[0017]图8是图5、6以及7的AAC和接合管道的剖面图、侧视图以及2个细节图；
[0018]图9是被用于测试图5、6、7以及8的概念证明实施例的杜瓦瓶(Dewar)的侧截面图和俯视图；
[0019]图10是图9的杜瓦瓶，图5、6、7以及8的概念证明实施例的侧视图、侧截面图、以及俯视图；
[0020]图11是图10中描绘的杜瓦瓶的顶部的细节图；
[0021]图12是被用于测试图5、6、7以及8描绘的概念证明实施例的锁相环路的示意图；
[0022]图13是被用于测试图5、6、7、8、9、10、11以及12中的概念证明实施例和杜瓦瓶的测力传感器(load cell)电路的输出的示意图Excel文件；
[0023]图14是被用于测试图5、6、7、8、9、10、11、以及12中的概念证明实施例和杜瓦瓶的
测力传感器电路的输出的示意图Excel文件；
[0024]图15是被用于测试图5、6、7、8、9、10、11、以及12中的概念证明实施例和杜瓦瓶的
测力传感器电路的输出的示意图Excel文件；
[0025]图16是根据数值法软件的网格的屏幕快照。该网格是图5、6、7以及8描绘的概念证明实施例的1/144 ；
[0026]图17是图16描绘的网格的特写屏幕快照图；
[0027]图18是根据图5、6、7、以及8描绘的概念证明实施例的一个快照的数值分析的数据点的Excel标绘图；
[0028]图19是图5、6、7、以及8描绘的概念证明实施例的横截面处一快照周围磁场的数值法描绘的屏幕快照；
[0029]图20是图5、6、7、以及8描绘的概念证明实施例的横截面处1/2快照周围磁场的数值法描绘的屏幕快照；
[0030]图21是图5、6、7、以及8描绘的概念证明实施例的BCS电阻的图表；
[0031]图22是针对图5、6、7、以及8描绘的概念证明实施例的、作为腔电阻和几何因子的函数的预测Q的图表；
[0032]图23是针对图5、6、7、以及8描绘的概念证明实施例的、图5的顶板的狭槽上的预测磁场强度与腔Q和输入功率的表面标绘图；
[0033]图24是被用于生成图23的表面标绘图的电子数据表；
[0034]图25是本发明一实施例的示例性谐振腔的底板的示意性侧剖面图，和俯视图；
[0035]图26是本发明一实施例的示例性谐振腔的顶板的示意性侧剖面图，和俯视图；
[0036]图27是本发明一实施例的、包括图26的顶板和图25的底板的谐振腔的示意性侧截面图；
[0037]图28是在本发明的示例性谐振腔中使用的盲板(blank plate)的示意性侧剖面图和俯视图；
[0038]图29是本发明一实施例的、包括图26的顶板和图28的盲板的谐振腔的示意性侧截面图；
[0039]图30是本发明一实施例的、包括图25的底板和图28的盲板的谐振腔的示意性侧截面图；
[0040]图31是与电子交互的传播电磁波的图；
[0041 ] 图32是谐振电磁波的图；
[0042]图33是图25的底板的一个截面的细节图和图28的盲板的一个截面的细节图；
[0043]图34是图25的底板的一个截面的细节图和图28的盲板的一个截面的细节图；
[0044]图35是图25的底板的另选不对称特征的细节图和图28的盲板的一个截面的细节图；
[0045]图36是图25的底板的另选不对称特征的细节图和图28的盲板的一个截面的细节图；
[0046]图37是图26的顶板的一个截面的细节图和图28的盲板的一个截面的细节图；
[0047]图38是图26的顶板的一个截面的细节图和图28的盲板的一个截面的细节图；
[0048]图39是本发明的、并入万向节的一实施例的图；
[0049]图40是本发明的、并入三个谐振腔以实现6轴运动控制的一实施例的图；
[0050]图41是本发明的、使用更高EM工作模式的一实施例的示意性侧截面图；
[0051]图42是本发明一示例性方法的步骤的图；
[0052]图43是柱形型谐振腔的侧截面图和等轴侧截面图；
[0053]图44是图43的腔中的按最大值的电场的图；
[0054]图45是图43的腔中的按最大值的磁场的图；
[0055]图46是图43的谐振腔内部的坡印廷(Poynting)矢量的图；
[0056]图47是传播电磁波和谐振电磁波的坡印廷矢量的图表；
[0057]图48是图43的腔中的、根据TMqiqEM波的电场施加的力矢量的描绘图；[0058]图49是图43的腔中的、根据TMtlltlEM波的磁场施加的力矢量的描绘图；
[0059]图50是轴向对称、赤道方向不对称谐振腔的截面形状的图；
[0060]图51是根据在图50的腔中工作的TMqiqEM波生成的电场的图；
[0061]图52是根据在图50的腔中工作的TM_EM波生成的磁场的图；
[0062]图53是具有第二轴向对称的轴向不对称、赤道方向对称谐振腔的侧视图、侧剖面图、俯视图以及仰视图；
[0063]图54是本发明一实施例的、轴向不对称且赤道方向不对称的谐振腔的具有三个剖面图的侧视图；
[0064]图55是本发明一实施例的、轴向不对称而赤道方向对称的谐振腔的侧视图、仰视图、以及两剖面图；
[0065]图56是本发明一实施例的、轴向不对称而赤道方向对称的谐振腔的侧视图、仰视图、以及两剖面图；
[0066]图57是根据图56的实施例的两细节图；
[0067]图58是轴向不对称而赤道方向对称谐振腔的俯视图、侧视图以及侧剖面图；
[0068]图59是本发明一实施例的、轴向不对称且赤道方向不对称谐振腔的俯视图、侧视图以及两截面图；
[0069]图60是本发明一实施例的一个板的正视图、俯视图以及剖面图；
[0070]图61是轴向不对称且赤道方向不对称谐振腔的正视图和2剖面图；
[0071]图62是轴向不对称且赤道方向不对称谐振腔的正视图、俯视图、2剖面图、以及两细节图；
[0072]图63是轴向不对称且赤道方向不对称谐振腔的正视图、俯视图、以及2剖面图；
[0073]图64是轴向对称、赤道方向对称谐振腔的正视图、侧视图、以及侧剖面图；
[0074]图65是本发明的使用轴向且赤道方向不对称的四分之一波长谐振器的实施例的正视图、俯视图、仰视图、以及两剖面图；
[0075]图66是本发明的、使用具有凸突到谐振腔中的不对称特征的轴向不对称且赤道方向不对称谐振腔的一实施例的正视图、俯视图、以及2剖面图；
[0076]图67是图25的具有交替桥几何机构的底板的一个截面的细节图和图28的盲板的一个截面的细节图；
[0077]图68是图25的具有交替桥几何机构的底板的一个截面的细节图和图28的盲板的一个截面的细节图；
[0078]附图中的标号
[0079]100 AAC
[0080]101 底板
[0081]102 顶板
[0082]103 不对称特征
[0083]104 不对称特征
[0084]105 不对称特征
[0085]106 信号端口
[0086]107 信号端口[0087]400外壳
[0088]401电源单元
[0089]402中央控制单元
[0090]403信号单元
[0091]405冷却单元
[0092]500顶板
[0093]501信号端口 A
[0094]502信号端口 B
[0095]508桥
[0096]600底板
[0097]700谐振腔(还称为AAC700)`[0098]801信号线缆
[0099]802采集(pickup)线缆
[0100]803可调节通孔
[0101]804真空管
[0102]806开孔
[0103]900杜瓦瓶
[0104]901真空阀
[0105]902N2 端口
[0106]903N2 端口
[0107]904氦容器
[0108]905护套
[0109]1001真空泵
[0110]1101支承臂
[0111]1102支承托架
[0112]1103螺杆 A
[0113]1104螺杆 B
[0114]1105平台 A
[0115]1106平台 B
[0116]1107真空阀
[0117]1108波纹管
[0118]1200PLL
[0119]1201信号发生器
[0120]1202动力驱动
[0121]1203衰减器
[0122]1204衰减器
[0123]1205放大器
[0124]1206耦合器
[0125]1207功率表[0126]1208功率表
[0127]1210动力驱动部
[0128]1211频谱分析仪
[0129]1212放大器
[0130]1213动力驱动部
[0131]1214示波器
[0132]1215可调 U 形同轴线(Trombone)
[0133]1216移相器
[0134]1217放大器
[0135]1218混合器
[0136]1219衰减器
[0137]2500底板
[0138]2501磁场线
[0139]2502磁场线`
[0140]2503狭槽
[0141]2506箭头
[0142]2507桥
[0143]2508剖面
[0144]2600顶板
[0145]2601狭槽
[0146]2602狭槽
[0147]2603桥
[0148]2700谐振腔
[0149]2701场线
[0150]2800盲板
[0151]2801信号端口 A
[0152]2801信号端口 B
[0153]3000柱形腔
[0154]3001轴
[0155]3002箭头
[0156]3003箭头
[0157]3301壁部 C
[0158]3302壁部 D
[0159]3601不对称特征
[0160]3701壁部 A
[0161]3702壁部 B
[0162]3900AAC
[0163]3901万向节
[0164]4000外壳[0165]4001AAC
[0166]4002AAC
[0167]4003AAC
[0168]4100AAC
[0169]4101底板
[0170]4102顶板不对称特征
[0171]4103底板不对称特征
[0172]4104 电场
[0173]4105顶板
[0174]4200谐振腔的构造
[0175]4201将EM波提供到谐振腔中
[0176]4202生成不平衡力
[0177]4203调制单向推力
[0178]4300柱形腔
[0179]5000谐振 腔
[0180]5300AAC
[0181]5301信号端口
[0182]5302信号端口
[0183]5400AAC
[0184]5401信号端口
[0185]5402信号端口
[0186]5403狭槽
[0187]5500AAC
[0188]5501信号端口
[0189]5502信号端口
[0190]5503狭槽
[0191]5600AAC
[0192]5601信号端口
[0193]5602信号端口
[0194]5603狭槽
[0195]5800AAC
[0196]5801信号端口
[0197]5802信号端口
[0198]5900AAC
[0199]5901信号端口
[0200]6000底板
[0201]6001信号端口
[0202]6100AAC
[0203]6101信号端口[0204]6102信号端口
[0205]6103不对称特征
[0206]6200AAC
[0207]6201信号端口
[0208]6202信号端口
[0209]6300AAC
[0210]6301信号端口
[0211]6302信号端口
[0212]6303狭槽
[0213]6400谐振腔
[0214]6401信号端口
[0215]6402信号端口
[0216]6500AAC
[0217]6501信号端口
[0218]6502信号 端口
[0219]6503狭槽
[0220]6600谐振腔
[0221]6601信号端口
[0222]6602信号端口
[0223]6603不对称特征
[0224]6701桥
[0225]6702基板层
[0226]6801桥
【具体实施方式】
[0227]系统工作概述
[0228]图25、26以及27表示本发明的一示例性实施例。下面，对系统操作的基本概述进行描述。
[0229]图27中描绘了示例性轴向不对称谐振腔2700。谐振腔2700通过组合图26描绘的顶板2600和图25描绘的底板2500来创建。谐振腔2700是轴向不对称谐振腔。
[0230]可以在谐振腔2700内生成基本或一次谐振电磁(EM)谐波(即，EM驻波)。图27的虚线场线2701表不针对在谐振腔2700内工作的一次EM谐波驻波的电场的一个电场最大值。
[0231]图25的磁场线2501和磁场线2502表示在谐振腔2700内的360度波周期期间一次EM谐波的磁场方向。EM波的磁场每180度波周期反转极性(方向)。磁场线2501和磁场线2502的双向箭头表示360度EM波周期期间EM波的磁场线的两个方向。在谐振腔2700内工作的EM波的磁场方向在底板2500的狭槽附近的区域中具有与z轴平行的矢量分量。EM波的EM磁场方向的z分量在图25中未描绘。
[0232]在图27中，随着EM波的电场沿正z方向增加至最大量值，自由电子(和/或库珀对)被驱动到顶板2600的导电壁的中心部分(z轴附近)。最大浓度的盈余电子出现在腔2700的内腔壁上的、z轴穿过顶板2600的中心的区域中。顶板2600上的最大浓度的盈余电子在EM波周期中的、在EM波的电场沿正z方向具有最大量值时出现。
[0233]在EM波周期的、盈余负电荷(电子电荷)出现在顶板2600上的时段期间，盈余正电荷(质子电荷)出现在其中腔2700中心轴与顶板2500的内表面相交的区域中的顶板2500上。EM波的电场在位于顶板2600上的负电荷上施加一力。所述力的方向垂直于包含盈余电子的表面部分，并且所述力的方向向内指向并且朝着EM波的电场。EM波的电场在位于底板2500上的盈余正电荷上施加一力。所述力的方向垂直于包含底板2500上的盈余正电荷的表面部分，并且朝着谐振腔2700内的谐振EM波的区域。
[0234]在M波周期的、在M波的电场沿正z方向指向时的时段期间，由EM波在位于顶板2600和底板2500上的所有负和正电荷上施加的净z方向力沿正z方向。谐振腔2700上的这种时间平均力被计算为，通过EM电场在位于谐振腔2700的壁部上的盈余表面电荷上施加的力矢量的z分量在谐振腔2700的整个导电内表面上的时间(在180度EM波周期上)与表面积分。
【权利要求】
1.一种电磁推进系统，该电磁推进系统包括: 包括导电内表面的轴向不对称谐振腔，所述谐振腔适于在其中支持电磁(EM)驻波，所述EM驻波具有限定该谐振腔的z轴的振荡电场矢量； 其中，所述谐振腔不具有第二轴轴向对称性，并且 其中，所述EM驻波在所述谐振腔上感应出单向净力。
2.根据权利要求1所述的电磁推进系统，其中，所述轴向不对称谐振腔赤道方向不对称。
3.根据权利要求1所述的电磁推进系统，其中，所述轴向不对称谐振腔赤道方向对称。
4.根据权利要求1所述的电磁推进系统，所述电磁推进系统还包括:一个或多个信号端口，该一个或多个信号端口被配置成接收来自信号发生器的信号。
5.根据权利要求1所述的电磁推进系统，其中，在该谐振腔内的EM波具有大于大约IMHz且小于大约50GHz的工作频率。
6.根据权利要求1所述的电磁推进系统，其中，所述谐振腔的导电内表面包括以下中的至少一种:锂、钠、钾、铍、镁、?丐、银、钡、错、锌、钥、镉、钛、银、铬、猛、铁、钴、镍、铜、乾、错、银、钮、银、钽、鹤、铼、锇、铱、钼、金、萊、招、镓、铟、锡、铭、铅、以及秘。
7.根据权利要求1所述的电磁推进系统，其中，与所述EM驻波的x-y平面平行的、谐振腔的导电内表面的截面大致为环形。
8.根据权利要求7所述的电磁`推进系统，其中: 所述EM驻波的最低能量模式在x_y平面内仅具有一个电场波腹。
9.根据权利要求1所述的电磁推进系统，其中: 所述EM驻波在x-y平面内具有多于一个的电场波腹。
10.根据权利要求1所述的电磁推进系统,其中,所述谐振腔的内部容积被基本抽空。
11.根据权利要求1所述的电磁推进系统，所述电磁推进系统还包括:冷却单元，该冷却单元热耦接至所述谐振腔以保持所述谐振腔的导电内表面的温度低于预定温度。
12.根据权利要求11所述的电磁推进系统，其中: 所述谐振腔的导电内表面包括具有超导临界温度T。的超导材料；并且 该预定温度低于所述超导临界温度T。。
13.根据权利要求12所述的电磁推进系统，其中，该超导材料包括以下中的至少一种:铌、铌钛合金、MgB2' YBCO, Bi2Sr2CuCu2O8, YaBaCuO, LaBaCuO, Nb3Sru TlBaCuO, La2^xBaxCuO4,La2^xSrxCuO4,PbMoS,V3Ga,NbN,Nb3Al,Nb3(AlGe),Nb3Ge, I 型超导体、II 型超导体、陶瓷超导体、或具有高于4K度的T。的高温超导体。
14.根据权利要求11所述的电磁推进系统，其中，冷却单元包括以下中的至少一个:辐射冷却部件、拍耳帖效应冷却部件、稀释致冷器、蒸汽压缩致冷器、逆turbo-Brayton冷却器、吸附式冷却器、低温冷却部件、斯特林冷却部件、脉冲管冷却部件、焦耳-汤姆逊冷却部件、逆布雷顿冷却器、或磁冷却器。
15.根据权利要求1所述的电磁推进系统，所述电磁推进系统还包括: 机械耦接至谐振腔的外壳，所述外壳被配置成保持和改变谐振腔的取向；并且 电耦接至外壳的控制电路，所述控制电路用于控制谐振腔的z轴的取向。
16.根据权利要求15所述的电磁推进系统，其中，所述外壳包括3轴万向节，所述3轴万向节提供谐振腔的Z轴取向的6轴控制。
17.根据权利要求1所述的电磁推进系统，其中: 该导电内表面包括可调节表面，所述可调节表面可移动以改变轴向不对称谐振腔的形状。
18.根据权利要求1所述的电磁推进系统: 其中，该单向净力大致平行于z轴。
19.根据权利要求1所述的电磁推进系统: 其中，该单向净力大致平行于x-y平面。
20.一种利用轴向不对称谐振腔来生成不平衡力的方法，所述谐振腔包括导电内表面并且不具有第二轴轴向对称性，所述方法包括以下步骤: a)在谐振腔处接收来自信号发生器的振荡信号， b)在谐振腔中生成电磁(EM)驻波，所述EM驻波具有限定谐振腔的z轴的振荡电场矢量，其中，所述EM驻波在谐振腔上感应出单向净力。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括以下步骤:利用信号发生器生成所述振荡信号。
22.根据权利要求21所述 的方法，还包括以下步骤:接收来自谐振腔的反馈信号，并且基于所述来自谐振腔的反馈信号控制信号发生器以将EM驻波保持在希望水平。
23.根据权利要求20所述的方法，还包括以下步骤:将谐振腔冷却至预定温度。
24.根据权利要求20所述的方法，还包括以下步骤:改变谐振腔的取向。
25.根据权利要求20所述的方法，还包括以下步骤:改变谐振腔的形状。
26.—种电磁推进系统,包括: 包括导电内表面的谐振腔，该谐振腔适于在其中支持电磁(EM)驻波，所述EM驻波具有限定谐振腔的z轴的振荡电场矢量； 所述谐振腔包括被配置成接收来自信号发生器的信号的一个或多个信号端口，所述信号端口在谐振腔上具有一形状和位置，以使所述EM驻波在谐振腔上感应出单向净力。
【文档编号】F03H99/00GK103492269SQ201280020915
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年3月22日 优先权日:2011年3月25日
【发明者】G·P·菲塔 申请人:坎尼有限责任公司