专利名称：将转动转化为平动的推进系统及实现方法
技术领域：
本发明涉及一种动力装置，是涉及一种将转动转化为平动的推进系统及实现方法，适用于火箭、飞机、汽车、潜艇、轮船等移动物体的动力装置。
背景技术：
在人类冲进宇宙的前进途中，到目前为止火箭扮演了最主要的角色，借助于反喷原理，火箭可以将地球上的一些物质送入太空中，现在世界上所有的宇航器都是通过火箭送入太空的。但是火箭存在一个最大的问题就是它必需燃料，这是它的工作原理决定的，发动机工作时需要消耗燃料，而燃料是有限的，这注定了火箭所能产生的推力是有限的，因而从宇航的角度看，火箭并不是宇宙航行的最佳方案，最佳的方案应当是不消耗任何燃料的推进方案。
通过对这个问题进行的长期、仔细的研究，认识到要突破反喷原理，必须要找到使牛顿第一定律失效的条件，这个定律是说当物质不受外力作用时，物质应该做匀速直线运动。仔细的分析表明，牛顿第一定律对质点系是正确的，不可能被突破，但如果物体出现旋转的时候，就不能看作是质点了，此时物质就不一定再按匀速直线运动的方式运动。
从能量守恒定律来看待这个事情当一个物体对转轮施加作用力的时候，转轮会同时出现平动和转动两种效应，总能量为平动的动能和转动能两部分之和，因而站在质点的角度看，由于看不到转动能，外界施加的总能量只剩下了动能，消失了一部分能量，从平动的动量看，施加力者的动量与转轮平动动量之和不为零，因而会出现运动。
长期以来，由于受到牛顿第一定律的思维拘束，一直无人从这个角度来分析动量的转化，本发明注意到这个自然现象，据此提出了将转动能量转化为平动能量的方法。
将转动能量转化为平动能量，带来一个额外的好处，就是这种动力装置不需要燃料，只需要能量输入就可以保证动力装置的正常运行，因而可以用于解决太空飞行时长期动力的问题，而且这种装置没有喷出任何物质，因而它还可以作为飞机、汽车、潜艇、轮船等的理想的动力装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种将转动现象转化为平动现象的推进系统原理及实现方法，其利用旋转体在受到外力作用时会同时出现平动和转动的自然现象，实现了将转动的能量转化为平动能量，因而不需要燃料就可以推进，可以用于航天、航空、汽车等行业。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为 一种将转动转化为平动的推进系统，其特征在于含有发生旋转的物体(即转动轮)和不发生旋转的物体，两者之间能够通过某种场(电场、磁场或电磁场等)产生相互影响，转动轮与通过场施加力使转动轮旋转的、自身不旋转的物体共同作为动力装置的一部分。
受力装置应该安装在转动轮上，只有旋转到指定的位置上时才能通电产生电场、磁场或电磁场，此时便可以与安装在不旋转的物体上的发力装置产生相互作用力，这种作用力可以是斥力，也可以是吸力，但作用力一定不能通过转动轮的轴心。
系统由1个或若干个基本推进装置组成，每个基本推进装置至少包含1个转动轮、多个受力装置、1个发力装置、1个框架和相关控制电路，受力装置安装在转动轮上，转动轮的轴心与发力装置均与框架连接。
系统采用镜面对称设置两个基本推进装置，两个基本推进装置公用一个框架，用于解决多余的力矩。
在基本推进装置上再设置两个发力装置，用于解决转动轮转速太快的问题。
将转动轮直接与旋转发电机的转子相连接，或将转动轮本身作为发电机的转子，用于解决转动轮转速太快的问题，并可回收部分旋转能量。
对转动轮附加力偶来使转动轮减速，同时实现推力不变。
当采用磁场作为作用力的传递场时，受力装置或发力装置可以选用永磁材料，也可以用电流来产生磁场；当采用电场作为作用力的传递场时，受力装置或发力装置可以选用驻极体，也可以用通电的方式产生电场。也可以用其它的场如流场等作为作用力的传递场。
通过改变受力装置或发力装置通电电流的大小来改变推力的大小。
与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下 本发明采用电力来推进，没有采用燃料，只要能够提供足够的电能，就能使星际宇宙航行成为可能，而且由于没有燃料，不会造成污染，它同样也可以成为飞机、汽车等运载器的动力装置，作为汽车发动机，它最大的优点就是对路面没有任何要求，即使在水面或沙地，也能产生推力。
四
图1为推进装置基本原理图； 图2旋转轮受力分析图； 图3为推进装置消除转动力矩的方案图； 图4为带有旋转轮减速结构的推进装置的方案图； 图5为第2种基本推进装置的设计方案图； 图6为第2种基本推进装置工作时的等效受力图； 图7为利用流场的基本推进装置设计方案图。
图中，1-转动轮，2-受力装置，3-发力装置，4-框架。
五具体实施例方式 本发明为一种动力系统，和火箭发动机功能相同，和火箭发动机不一样的是它不需要燃料，也不借助反喷原理工作，而是使转动能量转化为平动能量，产生推力，因而也可以用于替代汽车、飞机等的发动机。
如图1所示推进装置基本原理图，本发明利用作用力不通过转动轮质心时一部分力会使转动轮产生转动，从而导致作用力中平动的作用力分量与该作用力的反作用力之和不为0的现象实现平动推进；该推进装置要求发生旋转的物体与施加力使之旋转的物体，共同作为动力装置的一部分。
推进装置由1个或若干个基本推进装置组成，图1给出了一种基本推进装置的结构示意图，每个基本推进装置至少包含1个转动轮、多个受力装置、1个发力装置、1个框架和相关控制电路，受力装置应当安装在转动轮上，转动轮的轴心与发力装置均与框架连接；转动轮1的转动轴和发力装置3都刚性连接在框架4上，若干个受力装置2均布在转动轮1上，受力点距转动中心的距离为d，只有当受力装置2转到使转动中心、受力点、发力装置3三者构成近似的直角三角形(转动中心、发力装置3的连线为斜边)时受力装置才能受到作用力，图1中所示的是产生磁场的情形，除需要受力的那个受力装置外，其它受力装置均不通电，因而也就不产生磁场。实际设计时受力装置也可以产生其它力场如电场、电磁场、流场等。在图1的设计方案中，当受力装置2产生磁场后就能与发力装置3产生相互作用，推动转动轮1转动。其中受力装置2如果利用的是磁场可以采用电磁管等电磁转换装置，如果利用电场可以采用电容板。基本推进装置的受力装置2只有旋转到指定的位置上时才能通电产生电场、磁场或电磁场，此时便可以与发力装置3产生相互作用力，这种作用力可以是斥力，也可以是吸力，但作用力一定不能通过转动轮的轴心；通过改变受力装置或发力装置通电电流的大小来改变推力的大小。本发明可以回收也可以不回收部分旋转能量，回收能量时其方法为使用发电机与旋转轮相连，或把旋转轮作为发电机转子来使用，使一部分旋转能转化为电能，从而回收部分能量。
现在来分析转动轮受力情况。图2是转动轮受力图，图中A为转动轴的中心，受力装置受力点为B，d＝AB，设受力装置受到的作用力为F，F垂直于AB。F分解为两个力，F1传递到转动轴(在A这个位置)上，F2使转动轮出现转动，因而有 F＝F1+F2…………………………………(1) 现在需要计算F1和F2的大小。将F平移到A点，平移的力为F′，F′与F大小相等，方向相同，F′的反作用力为-F′，那么在B点受到作用力F等效于在A点受到作用力F′，同时还受到力偶(F，-F′)的作用。设转动轮质量为m，不受转动轴阻挡时转动轮A点平动加速度为a，转动惯量为I，角加速度为β，则有 F′导致A点的平动加速度为aA1＝F′/m 力偶(F，-F′)导致A点的平动加速度满足aA2＝dβ，其中β满足-F′d＝(I+md2)β，即相当于力偶(F，-F′)使得A绕B点旋转。
因而有 由(2)得到 以上分析针对的是
与
垂直的情形，作者还进一步分析了如果这两个向量不垂直的情形，此时仍可使用图2的分析方法，有 其中
满足 因而有 现在来分析框架所受到的力 首先它受到F的反作用力(-F)的作用，另外它还受到转动轮作用在转动轴的作用力F1，因而合力F*为 可见框架所受到的合力不为0，因而会发生运动，运动的方向与受力装置所受到的力F的方向相反，即受力装置受到的是斥力时，框架的加速度是由受力装置指向发力装置，而受力装置受到吸引力时则方向相反。
由公式(11)可以看到，提高推力的方法为增大F、减小转动惯量I或增大受力装置与转动轴之间的距离d，由于I总是与m成正比例，因而推力的大小与转动轮的质量m无关，而与其型面有关，应该采用质量尽量集中在转动轮中轴的型面结构。
图1所示的原理图中的推进装置只有1个转动轮、一个发力装置，称为基本推进装置，可以分析出基本推进装置在产生推力的同时，框架还产生了力矩RF1+FL，其中L为质心距离F的距离，这是由于F1的作用点——转动轴——不在F作用线上、F不一定在通过质心导致的，因此在实用中还需要消除这个力矩，最简单的办法是把整个机构形成镜像对称的结构，如图3所示，就可以有效地消除力矩。
图3所示的结构还存在一个缺陷，就是转动轮随着工作时间的延长转速越来越快，以至于结构无法承受离心力，因此还需要一个将转动轮减速的结构设计，而且要求减速的时候推力大小和方向都不变，由于角加速度与角速度无关，很简单的一个解决办法是再设置两个发力装置，称这两个发力装置为A组机构，而原来的两个发力装置为B组机构，选择这两个机构的位置满足作用于旋转轮时作用力大小相当、方向相同但相对转动轴产生的力矩相反，因此A组机构和B组机构其最佳位置在相对于作用力F’镜面对称，当需要减速的时候，让A组机构发生作用，而B组机构不再发生作用即可，采用开关电路就可以在不同的时间通过给A组机构或给B组机构通电，实现自主控制这两个机构在不同的时间段工作的目的。其结构如图4所示，而且A组机构发生作用的时候，推力大小和方向仍保持不变，但旋转轮角加速度的方向相反。除上述方法外，控制转动轮转速的另外一种方法是附加一个力偶，附加力偶可使转动轮减速，同时实现推力不变；力偶由于不会导致平动，只影响旋转运动，因而是控制转动轮转速的比较优越的方法，而且利用力偶控制转动轮转速还有一个好处，就是可以把发电机作为产生力偶的装置，这样还能够回收部分旋转能，提高能量的利用率。最简单的实现方法，就是把转动轮直接与旋转发电机的转子相连接即可，只要转动轮与发电机同轴，发电机就对转动轮提供力偶，无论转动轮朝哪个方向转动，力偶的方向都是使旋转的角速度降低。为了简化结构，也可以把转动轮本身作为发电机的转子来使用，也能达到同样的效果。
在图1所示的基本推进装置中，当受力装置产生的是磁场时，发力装置可以选用永磁材料，也可以用电流来产生磁场；当受力装置产生的电场时，发力装置可以选用驻极体，也可以用通电的方式产生电场。
使转动轮上的受力装置在指定的位置才通电的技术是属于常规的电子技术，技术上很容易实现，最简单的方法是使用电刷，当受力装置旋转到指定位置时，电刷与可以与有关电路连通，使受力装置通电。
除了图1所示的基本推进装置设计方案外，基本推进装置可以有很多种设计方案，图5为另外一种基本推进装置的设计方案，在这个设计方案中，受力装置2为永磁材料的阵列，固定在转动轮1上，而发力装置3由电流来产生磁场，发力装置3作用于转动轮1上的受力装置2，从而推动转动轮1转动，这个原理与同步电动机的工作原理相同，即控制电流使发力装置等效为磁铁，其等效受力图如图6所示。
除采用电场或磁场外，利用流场也能设计出基本推进装置，图7是利用流场的一种设计方案，在这个设计方案中，如果传递力的流场是风，则受力装置2是转动轮1的叶片，发力装置3是螺旋桨，螺旋桨旋转时产生风力，风力传递给叶片，推动转动轮1转动，转动轮1的转动轴、螺旋桨的旋转轴均与框架4连接，此时框架4受力的合力不为0，因而产生运动。
无论基本推进装置的设计方案如何，构成完整的推进装置时，都需要消除不需要的力矩和解决旋转轮转速太快的问题，因而前述的解决力矩和旋转轮转速的方法都是构成完整的设计方案时必需的。
这样就能看到该发明完整的结构，其特点是 1.本发明应利用作用力不通过转动轮质心时一部分力会使转动轮产生转动，从而导致作用力中平动的作用力分量与该作用力的反作用力之和不为0的现象实现平动推进； 2.本发明在实现时由1个或若干个基本推进装置组成，每个基本推进装置至少包含1个转动轮、多个受力装置、1个发力装置、1个框架和相关控制电路，受力装置应当安装在转动轮上，转动轮的轴心与发力装置均与框架连接； 3.本发明在实现时，基本推进装置的受力装置只有旋转到指定的位置上时才能受力，而发力装置提供受力装置所需的力场，发力装置与受力装置之间的作用力可以是斥力，也可以是吸力，但作用力一定不能通过转动轮的轴心； 4.本发明在实现时可以使用镜面对称设置2个基本推进装置的方法消除多余的力矩，此时两个基本推进装置公用1个框架； 5.本发明在实现时可以在合适的位置(与原发力装置关于作用力F’镜面对称的部位)设置多余的发力装置来对转动轮减速，减速时由这些多余的发力装置提供作用力，这样就可以实现减速的时候保持推力不变； 6.本发明在实现时可以对转动轮附加力偶来使转动轮减速，同时实现推力不变； 7.本发明在实现时可以使用发电机使一部分旋转能转化为电能，从而回收部分能量； 8.本发明在实现时可以通过改变受力装置或发力装置通电电流的大小来改变推力的大小。
权利要求
1、一种将转动转化为平动的推进系统，其特征在于含有发生旋转的物体即转动轮(1)和受力装置(2)，以及不发生旋转的物体即发力装置(3)和框架(4)，两者之间能够通过电场、磁场或其它某种场产生相互影响，转动轮与通过场施加力使转动轮旋转的、自身不旋转的物体共同作为动力装置的一部分。
2、根据权利要求1所述的将转动转化为平动的推进系统，其特征在于受力装置(2)安装在转动轮(1)上，受力装置旋转到指定的位置上时，安装在不旋转的物体上的发力装置(3)就通过某种场对受力装置施加作用力，这种作用力为斥力或吸力，但作用力一定不能通过转动轮的轴心。
3、根据权利要求2所述的将转动转化为平动的推进系统的实现方法，其特征在于由1个或若干个基本推进装置组成，每个基本推进装置至少包含1个转动轮(1)、多个受力装置(2)、1个发力装置(3)、1个框架(4)和相关控制电路，受力装置(2)安装在转动轮(1)上，转动轮(1)的轴心与发力装置(3)均与框架(4)连接。
4、根据权利要求3所述的将转动转化为平动的推进系统的实现方法，其特征在于采用镜面对称设置两个基本推进装置，两个基本推进装置公用一个框架(4)。
5、根据权利要求4所述的将转动转化为平动的推进系统的实现方法，其特征在于在基本推进装置上再设置两个发力装置(3)。
6、根据权利要求3所述的将转动转化为平动的推进系统的实现方法，其特征在于将转动轮(1)直接与旋转发电机的转子相连接，或将转动轮(1)本身作为发电机的转子。
7、根据权利要求1所述的将转动转化为平动的推进系统的实现方法之一，其特征在于对转动轮(1)附加力偶来使转动轮减速，同时实现推力不变。
8、根据权利要求2所述的将转动转化为平动的推进系统的实现方法，其特征在于当受力装置(2)产生的是磁场时，发力装置(3)选用永磁材料，或用电流来产生磁场；当受力装置(2)产生的电场时，发力装置(3)选用驻极体，或用通电的方式产生电场。
9、根据权利要求2所述的将转动转化为平动的推进系统的实现方法，其特征在于通过改变受力装置(2)或发力装置(3)通电电流的大小来改变推力的大小。
全文摘要
本发明涉及一种将转动转化为平动的推进系统，其利用旋转体在受到外力作用时会同时出现平动和转动的自然现象，实现了将转动的能量转化为平动能量，因而不需要燃料就可以推进，可以用于航天、航空、汽车等行业。本发明含有发生旋转的物体(即转动轮)和不发生旋转的物体，两者之间能够通过某种场(电场、磁场或电磁场)产生相互影响，转动轮与通过场施加力使转动轮旋转的、自身不旋转的物体共同作为动力装置的一部分。受力装置应该安装在转动轮上，只有旋转到指定的位置上时才能通电产生电场、磁场或电磁场，此时便可以与安装在不旋转的物体上的发力装置产生相互作用力，这种作用力可以是斥力，也可以是吸力，但作用力一定不能通过转动轮的轴心。
文档编号H02N1/00GK101299570SQ200810017979
公开日2008年11月5日 申请日期2008年4月15日 优先权日2008年4月15日
发明者贾东明 申请人:贾东明