一种惯性浮空器

技术领域

本发明涉及浮空器技术领域，具体而言，涉及一种惯性浮空器。

背景技术

浮空器一般是指比重轻于空气的、依靠大气浮力升空的飞行器。浮空器一般可以分为系留气球和飞艇。系留气球一般没有动力系统，依靠系留缆绳与地面设备或站点相连接；飞艇有动力，可在遥控或自动控制下自主飞行。按照结构，飞艇可分为软式飞艇、硬式飞艇和混合结构飞艇。按照飞行高度，飞艇可分为一般飞艇、平流层飞艇、近空间飞艇和空间飞艇。

传统的浮空器利用比空气轻的气体悬浮在空中，然而体积较大，改变浮空高度较为不易，低空浮空器易受大气环境的影响，在特别恶劣的天气中甚至无法工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种惯性浮空器，其能够利用高速旋转的“轴对称轴对称质旋体”(质量分布均匀且围绕转轴旋转的物体)在重力场中所产生的惯性离心力作为动能和重力势能的转换媒介，从而达成浮空器在重力场中能够自由浮动的目的。

本发明的实施例是这样实现的：

本申请实施例提供一种惯性浮空器，其包括真空密封舱和设置于真空密封舱内的惯性浮空装置，所述惯性浮空装置包括驱动轴、驱动装置、回收发电装置和轴对称质旋体，所述驱动轴的两端分别转动连接有固定装置，所述固定装置与所述真空密封舱固定连接，所述驱动装置套设在所述驱动轴上，所述轴对称质旋体与所述驱动装置通过轮辐连接，所述回收发电装置套设在所述驱动装置上。

本发明在使用时，通过遥控器启动驱动装置，驱动装置通过旋转轴对称质旋体产生惯性离心力，抵消地球引力，以此升空并停留在距离地面一定的高度处；当需要惯性浮空器降低一定的高度时，驱动装置停止驱动同时回收发电装置开始工作，回收发电装置将轴对称质旋体的部分动能转化为电能回收储存在可充电电源中，此时轴对称质旋体的旋转速度变慢，惯性离心力不足以抵消地球引力，因此惯性浮空器开始回落地面，再落到一定高度或达到一定下落速度时，再次启动驱动装置，使得惯性浮空器停留在一定高度或缓慢降落在地面。

本发明通过设置真空密封舱以及惯性浮空装置，能够利用高速旋转的“轴对称轴对称质旋体”(质量分布均匀且围绕转轴旋转的物体)在重力场中所产生的惯性离心力作为动能和重力势能的转换媒介，从而达成浮空器在重力场中能够自由浮动的目的。

考虑到使用中可能出现的异常扰动从而造成质旋体的进动效应，因此，密封舱可考虑置放于类似于三自由度陀螺仪的支架内，以便尽可能减轻外界的异常扰动对惯性浮空器造成的冲击影响。

在本发明的一些实施例中，上述真空密封舱的外侧设置有三自由度承载舱，所述三自由度承载舱包括内承载舱(纬度方向)和外承载舱(经度方向)，所述内承载舱与所述真空密封舱之间通过第一旋转支撑座连接，所述外承载舱与所述内承载舱之间通过第二旋转支撑座连接。

在本发明的一些实施例中，上述驱动装置包括驱动电机和可充电电源，所述驱动电机的定子与所述驱动轴贴合，所述驱动电机的转子与所述轮辐连接，所述可充电电源与所述驱动电机连接，所述可充电电源的充电口沿所述驱动轴设置于真空密封舱表面。本发明为最优化实现能量的自由转换和可逆循环控制，故采用全电方式进行驱动和控制，主动力电源采用可充放的可逆电源，驱动马达采用可变频高速机电系统或直流无刷高速机电系统。

在本发明的一些实施例中，上述回收发电装置的转子贴合在所述驱动电机的转子上。

在本发明的一些实施例中，上述回收发电装置的定子与所述固定装置连接。此种固定定子的方式需要回收发电装置靠近固定装置。

在本发明的一些实施例中，上述回收发电装置的定子上设置有固定支架，所述固定支架远离所述回收发电装置的定子的一端固定连接于所述真空密封舱上。固定支架的存在可以使得回收发电装置的位置更加灵活。

在本发明的一些实施例中，上述驱动轴上对称设置有两个轴对称质旋体，所述驱动装置和所述回收发电装置分别对应所述轴对称质旋体设置有两个。实际设计中考虑到扭矩平衡，需要对轴对称质旋体进行成对组合设计，即可采用共轴反转设计，亦或采用共面平行(轴向)设计等方式，以此最大化消除扭矩不平衡对系统的不利影响。

在本发明的一些实施例中，上述驱动装置的两端设置有磁悬浮轴承。为了最大化减少外界对称轴对称质旋体旋转动能的影响损耗，应采用磁悬浮轴承作为旋动支撑承载机件。磁悬浮轴承(Magnetic Bearing)是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。其原理是磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空，在固定运转轨道上。

在本发明的一些实施例中，上述轴对称质旋体与所述驱动装置通过轮辐连接。

在本发明的一些实施例中，上述轴对称质旋体为圆环状结构。考虑到尽可能最大化获得旋动离心力效果，因此应尽可能将轴对称质旋体的绝大部分质量置于旋转半径的边缘位置，即轴对称质旋体设计成类圆环状。

相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：

本发明通过设置真空密封舱以及惯性浮空装置，能够利用高速旋转的“轴对称轴对称质旋体”(质量分布均匀且围绕转轴旋转的物体)在重力场中所产生的惯性离心力作为动能和重力势能的转换媒介，从而达成浮空器在重力场中沿势能位方向自由浮动的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的内部结构示意图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为本发明的物理作用机制原理图；

图4为小球不受重力时垂直于支撑杆的水平面做匀速圆周运动的示意图；

图5为小球受重力且运动速度低于第一宇宙速度围绕支撑杆做匀速圆周运动的示意图；

图6为小球受重力且运动速度等于第一宇宙速度围绕支撑杆做匀速圆周运动的示意图；

图7为小球受重力且运动速度大于第一宇宙速度围绕支撑杆做匀速圆周运动的示意图。

图标：1、真空密封舱；2、驱动轴；3、驱动装置；4、回收发电装置；5、轴对称质旋体；6、固定装置；7、轮辐；8、内承载舱；9、外承载舱；10、第一旋转支撑座；11、第二旋转支撑座连接；12、固定支架；13、磁悬浮轴承。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，“多个”代表至少2个。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本实施例提供一种惯性浮空器，如图1所示，其包括真空密封舱1和设置于真空密封舱1内的惯性浮空装置，惯性浮空装置包括驱动轴2、驱动装置3、回收发电装置4和轴对称质旋体5，驱动轴2的两端分别转动连接有固定装置6，固定装置6与真空密封舱1固定连接，驱动装置3套设在驱动轴2上，轴对称质旋体5与驱动装置3通过轮辐7连接，回收发电装置4套设在驱动装置3上。

本发明在使用时，通过遥控器启动驱动装置3，驱动装置3通过旋转轴对称质旋体5产生惯性离心力，抵消地球引力，以此升空并停留在距离地面一定的高度处；当需要惯性浮空器降低高度时，驱动装置3停止驱动同时回收发电装置4开始工作，回收发电装置4将轴对称质旋体5的部分动力转化为电力储存在可充电电源中，此时轴对称质旋体5的旋转速度变慢，惯性离心力不足以抵消地球引力，因此惯性浮空器开始回落地面，再落到一定高度或达到一定下落速度时，再次启动驱动装置3，使得惯性浮空器停留在一定高度或缓慢降落在地面。

本发明通过设置真空密封舱1以及惯性浮空装置，能够利用高速旋转的“轴对称轴对称质旋体5”(质量分布均匀且围绕转轴旋转的物体)在重力场中所产生的惯性离心力作为动能和重力势能的转换媒介，从而达成浮空器在重力场中能够自由浮动的目的。

实施例2

本实施例提供一种惯性浮空器，如图2所示，其与实施例1基本相同，二者的主要区别在于：真空密封舱1的外侧设置有三自由度承载舱，三自由度承载舱包括内承载舱8和外承载舱9，内承载舱8与真空密封舱1之间通过第一旋转支撑座10连接，外承载舱9与内承载舱8之间通过第二旋转支撑座连接11。考虑到使用中可能出现的异常扰动从而造成轴对称质旋体5的进动效应，因此，真空密封舱1可考虑置放于类似于三自由度陀螺仪的支架内，以便尽可能减轻外界的异常扰动对惯性浮空器造成的冲击影响。

进一步地，驱动装置3包括驱动电机和可充电电源，驱动电机的定子与驱动轴2贴合，驱动电机的转子与轮辐7连接，可充电电源与驱动电机连接，可充电电源的充电口沿驱动轴2设置于真空密封舱1表面。本发明为最优化实现能量的自由转换和可逆循环控制，故采用全电方式进行驱动和控制，主动力电源采用可充放的可逆电源，驱动马达采用可变频高速机电系统或直流无刷高速机电系统。

实施例3

本实施例提供一种惯性浮空器，其与实施例1或实施例2基本相同，二者的主要区别在于：回收发电装置4的转子贴合在驱动电机的转子上。

进一步地，回收发电装置4的定子与固定装置6连接。此种固定定子的方式需要回收发电装置4靠近固定装置6，

进一步地，回收发电装置4的定子上设置有固定支架12，固定支架12远离回收发电装置4的定子的一端固定连接于真空密封舱1上。固定支架12的存在可以使得回收发电装置4的位置更加灵活。

实施例4

本实施例提供一种惯性浮空器，如图1所示，其与实施例1-3任一个基本相同，二者的主要区别在于：驱动轴2上对称设置有两个轴对称质旋体5，驱动装置3和回收发电装置4分别对应轴对称质旋体5设置有两个。实际设计中考虑到扭矩平衡，需要对轴对称质旋体5进行成对组合设计，即可采用共轴反转设计，亦或采用共面平行(轴向)设计等方式，以此最大化消除扭矩不平衡对系统的不利影响。

进一步地，如图1所示，驱动装置3的两端设置有磁悬浮轴承13。为了最大化减少外界对称轴对称质旋体5旋转动能的影响损耗，应采用磁悬浮轴承13作为旋动支撑承载机件。磁悬浮轴承13(Magnetic Bearing)是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。其原理是磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空，在固定运转轨道上。

实施例5

本实施例提供一种惯性浮空器，其与实施例1-4任一个基本相同，二者的主要区别在于：轴对称质旋体5与驱动装置3通过轮辐7连接。

进一步地，如图1所示，轴对称质旋体5为圆环状结构。考虑到尽可能最大化获得旋动离心力效果，因此应尽可能将轴对称质旋体5的绝大部分质量置于旋转半径的边缘位置，即轴对称质旋体5设计成类圆环状。

实施例6

本实施例提供一种惯性浮空器，其说明如下：

原理概述：

如图3所示，类似于磁场力在动能和电势能的自由转换过程中所起到的决定性媒介作用；同理，运动的质量体在重力场中所体现出的惯性离心力在动能和重力势能的自由转换过程中亦起到相应的决定性媒介作用。本惯性浮空器正是基于此种原理，利用高速旋转的“轴对称轴对称质旋体”在重力场中所产生的惯性离心力作为动能和重力势能的转换媒介，从而达成整个系统(浮空器)在重力场中势能位的自由浮动之目的。

装置构成：

本惯性浮空器主要由共轴反转“轴对称轴对称质旋体”及其执持装置系统，动能供给驱动系统和能量转换回收系统等三个重要部分组成。

制作方法：

共轴反转“轴对称轴对称质旋体”及其执持装置系统

考虑到尽可能最大化获得旋动离心力效果，因此应尽可能将“轴对称轴对称质旋体”的绝大部分质量置于旋转半径的边缘位置，也即将“轴对称轴对称质旋体”设计成类圆环状，而轮辐则采用尽可能质轻且较坚固的材质制成；对起支撑和驱动传送的主轴亦应采用轻便坚固的材质制成。在实用设计中考虑到扭矩平衡，需要对“轴对称轴对称质旋体”进行成对组合设计，即可采用共轴反转设计；亦或采用共面平行(轴向)设计等方式，以此最大化消除扭矩不平衡对系统的不利影响。另外，为了最大化减少外界对“轴对称轴对称质旋体”旋转动能的影响损耗，应采用磁悬浮轴承作为旋动支撑承载机件；同时，整个“轴对称轴对称质旋体”的旋动部分应安置于密闭的具有一定真空度(真空度越高越好)的密封腔体内。此外，考虑到使用中可能出现的异常扰动从而造成“轴对称轴对称质旋体”系统的进动效应，因此，整套装置系统可考虑置放于类似于三自由度陀螺仪的承载支撑架内，以便尽可能减轻外界的异常扰动对系统造成的冲击影响。

动能供给驱动系统

本装置为最优化实现能量的自由转换和可逆循环控制，故终端使能系统采用全电方式进行驱动和控制，主动力电源采用可充放的可逆电源，驱动马达采用可变频高速机电系统或直流无刷高速机电系统。

能量回收反馈系统

为实现动能和重力势能的可逆循环控制，本装置在主驱动轴上级联了两套发电系统(两个双生“轴对称轴对称质旋体”主轴侧各安装一套)，可应控制需求随时将“轴对称质旋体”的旋转动能转化成电能回充蓄存到主动力电源中。

通过如上系统整合设计，从而可顺畅实现如下能量闭环的可逆循环控制：

装置性能及操控特性：

本装置所以取名惯性浮空器，顾名思义即该器具是采用惯性离心力作为媒介来产生抵抗重力的作用，从而实现整套系统(装置自身+承载物)在重力场中重力势能位的自由浮动之效果。

在装置启动后，随着“轴对称质旋体”转速的不断提高，当具有m

m

(注：上式中m

当装置“轴对称质旋体”的线速度V满足了上式的条件后，则因“轴对称质旋体”相对于地心所产生的惯性离心力已足以抵消掉地球引力，因此，浮空器就会腾起并停留在相应的高度，只要维持“轴对称质旋体”的旋转速度不变，则整个浮空器系统就会悬浮在相应的高度保持不动。

如果要改变浮空器的高度，例如向上浮动H米差值的高度，在不考虑任何能量损耗的情况下，则只需通过电驱动系统提供给“轴对称质旋体”一定的旋转动能E，则因上述方程式①中左端的惯性离心力在赋能过程中超过了地球引力，因此，浮空器就会获得一个向上的差值驱动力，从而在此差动力的作用下提升到相应的高度(重力势能位增加)，具体上浮的高度差值由如下二元方程组②、③联立求解确定：

(注：上述方程式中的R表示浮空器在未改变高度之前相对于地心的距离，V

同理，如果要想浮空器向下改变H米差值的高度，在不考虑任何能量损耗的情况下，则只需启动级联在“轴对称质旋体”主驱动轴上的发电系统，回收蓄存相应数量的旋转能量E，则因上述方程式①中左端的惯性离心力在旋转能量被回收蓄存过程中小于地球引力，因此，浮空器就会获得一个向下的差值驱动力，从而在此差动力的作用下降低到相应的高度(重力势能位减小)，具体下降的高度差值由如下二元方程组④、⑤联立求解确定：

(注：上述方程式中的R表示浮空器在未改变高度之前相对于地心的距离，V

实施例7

本实施例提供一种惯性浮空器，为了更好理解惯性浮空器的工作原理，先依据现有物理原理和实践做一个如下思想实验：

首先，为了直接体现物理作用本质，我们做如下一些假设条件：

假设有一个质量为m的刚性小球，小球的大小为无限小(可看作一个拥有质量的质心)；

假设有一个长度为r且无限细的刚性牵引绳；

假设有一个被牢固固定的不变形的刚性支架台；

假设牵引绳与支架台固定杆之间连接处无旋转摩擦力；

假设整套系统处于绝对真空之中。

以如上假设条件为基础，我们就可以开始做下面几种情况的系统运动分析：

首先，我们先假设此套系统处在没有任何力场的理想环境中，则当小球围绕支架台做切向向心运动时，此时，因无有任何其他外界力场的影响，因此，不论小球的速度是多少(只要不为零)，则小球的运动轨迹将会如下图1所示永远延垂直于支撑杆的水平面做匀速圆周(圆周半径为r)运动。

在此，如图4所示，小球只受到杆向惯性离心力F

如果把此套系统置放在如地球一样的有心重力势场中(支撑杆的方向延此处势场线方向)，则当切线速度为v的小球在牵引线的限制下，围绕支撑杆做向心圆周运动时，小球的运动轨迹将受到四个方面的力的影响，即为：地心引力F

下面我们以第一宇宙速度作为分界线，分三种速度情况(即小球的切线速度远低于第一宇宙速度情况；小球的切线速度等于第一宇宙速度情况，以及小球的切线速度高于第一宇宙速度情况。)进行分别图示分析。

第一种情况：如图5所示，在低速的情况下(小球的运动速度远低于第一宇宙速度时)，小球在重力场中相对于地心所产生的惯性离心力F

第二种情况：如图6所示，当小球的速度达到第一宇宙速度时，这时由于其相对于地心的惯性离心力F

第三种情况：如图7所示，当小球的运动速度超过第一宇宙速度时(此时，这个惯性离心力就明显表现出他的固有作用了)，这时，因为相对于地心的惯性离心力已超过地心引力，小球就应该会受到一个向上的差值驱动力，从而在此差值驱动力的作用下向上螺旋运动直至达到新的力学平衡后(具体可依能量守恒和稳恒运动情况下的作用力平衡所对应方程联立求解)，悬浮在相应的高度做匀速圆周运动。此时，小球的运动轨迹应该是延垂直于支撑杆平面的牵引固定中心点以上的延支撑杆向上方向的某个中心点做水平圆周运动。

通过如上三种理想情况下小球的运动状态分析，可以看出随着速度的不断增加，小球相对于地心的惯性离心力F

通过如上的物理作用机制推演，可以从理论和现实实践两个方面证明本发明所提出的物理应用原理和装置设计方法，均是具有确凿的理论和实践基础为依据的。

惯性浮空器装置设计原理简述

基于如上物理原理，可对惯性浮空器作如下实践应用设计：

在进行惯性浮空器装置设计原理阐述之前，由于具有相似的能量转换机制原理，因此，在此我们有必要回顾一下当代在动能和电势能转换应用过程中所遵循的基本物理原理和应用设计思路。我们知道现代发电机(即电动机)其工作所依循的基本物理规律，就是运动的带电粒子(主要是电子)在均匀稳恒磁场中所受到的洛伦兹力；该力是一种向心力不对作用粒子做功，但是可以作为能量的传递媒介，从而为动能和电势能的自由转换创造了必要条件。然而，在实用设计中(在此仅以发电机为例)，为了最优化获得能量转换的预期效果，首先，需要对在能量转换过程中对电荷的受力运动方向进行约束设定，即设定电荷只能延所受洛伦兹力的力线方向移动，如此就优化选出圆柱形的笔直导线形状；其次，要选用富含电荷且导电率高的导体(如铜、铝，以减少内耗)。通过如上约束设定后，才能加工制造出一个比较实用高效的发电机系统。

类似于电荷在磁场中所受到的洛伦兹力的性质，同样，运动在重力场等势面中的物体所表现出来的惯性离心力也是垂直于物体的运动方向(对应于作用其上的向心力方向)，其对作用物体本身不做功，但可以利用它作为传递媒介(类似于洛伦兹力)，在重力场中实现动能和重力势能的自由转换之目的。

类比于发电机的设计制造原理，在设计制造惯性浮空器时亦要涉及到相关的物体运动方向约束设定，以及对核心部件(即“轴对称轴对称质旋体”)的材料之形状、密度、材质等方面进行优选确定。在此，为了确保物体在运动受力时的移动方向与惯性离心力方向一致，因此需要将运动的物体限定在一个围绕固定质心点作圆周运动这一框架内，如此就优化选出采用圆环状“轴对称轴对称质旋体”这一形状；其次，对于选材需要尽量采用高密度、高刚性和高韧性，且是高均匀性和易于加工的材料；另外，选择磁悬浮轴承系统和置于高真空密闭腔体内，均是为了最大化减少内耗损失所为。而将整个核心装置体置放于一个三自由度承载球舱内，其一是为了最大化隔离外界的一切不利干扰影响；其二是为了进一步提高装置的安全性考虑，从而能够确保在实际应用中在发生极端故障情况下，外层嵌套的两层球舱亦可起到非常有效地防护隔离效果。

综上，本发明的实施例提供一种惯性浮空器，至少具有如下优点或有益效果：

本发明通过设置真空密封舱以及惯性浮空装置，能够利用高速旋转的“轴对称轴对称质旋体”(质量分布均匀且围绕转轴旋转的物体)在重力场中所产生的惯性离心力作为动能和重力势能的转换媒介，从而达成浮空器在重力场中能够自由浮动的目的。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。