一种离心力电推进发动机的制作方法

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1.本发明涉及一种利用定向离心力作为空间站、卫星、宇宙飞船、星球探索车牵引/推进的装置，具体涉及一种离心力电推进发动机。

背景技术：

2.空间站、卫星、宇宙飞船等航天器从地表飞升到太空阶段目前还需依靠化学火箭。
3.火箭自身携带的推进剂，火箭发动机点火后推进剂在发动机燃烧室里燃烧，将化学能转化为燃气的动能，从喷灌高速向后喷出，产生向前的反作用力推动飞行器前进。它不依赖外界工质产生推力，所以可在稠密大气层内、以及大气层外空间飞行。它的推力很大，但缺点是需要携带、消耗太多的燃料，而且利用率低、不环保。人类历史上最大的火箭“土星五号”起飞重量达3000多吨，最后送上月球的部分只有45吨，剩下的质量几乎都是燃料。
4.航天器在地球附近的变轨爬坡，已使用了电推进；航天器深空飞行普遍使用电推进；精度要求极高的航天器轨道定位和控制姿态则完全靠电推进。
5.电推进是航天器推进系统的一大类型，总体分为霍尔推进和离子推进两大类，目前尚处于发展中。它借助电能先将自身携带的工质离解成为带电荷的粒子，再通过电磁场加速、排出高速带电粒子流获得推力。
6.电推进与化学推进相比，效率高10倍、工作时间长、需更少(仅为化学推进的10％)的工作介质、使航天器携带更多有效载荷，缺点是产生的推力小。目前在轨运行的天宫空间站天和核心舱上的het-80霍尔推进器(电火箭中的一种)，单台推力仅为80毫牛；2022年中国研制的最新霍尔推进器het-450单通道推力达4.6牛顿；美国nasa的k3多通道离子推进器(电火箭中的一种)，最大推力5.4牛顿。
7.因此，如何开发出一种只用电能、不需工质的大推力推进装置是本领域急需解决的技术问题。

技术实现要素：

8.针对现有技术的不足，本发明提出了一种离心力电推进发动机，依靠其独特的“锥齿轮-重锤-离心力”系统，仅需电能驱动即可输出持续、稳定的定向离心力，且可以提供远大于现有电火箭提供的推动力，而且结构简单，易于实现。
9.本发明提供了一种离心力电推进发动机，包括机架；沿横向安装在机架上的驱动轴；安装在驱动轴中端的皮带传动轮；分别套接在驱动轴左右两端的轴套，每个轴套的末端均安装有固定锥齿轮，每个固定锥齿轮的上下两端均啮合安装有一个从动锥齿轮，上下两个从动锥齿轮之间通过锥齿轮联结器连接，每个从动锥齿轮的一侧均安装有一个重锤。
10.在上述技术方案中，实际工作时，驱动轴通过皮带传动轮与驱动系统中的电机接驳，驱动系统启动后，驱动轴带动从动锥齿轮在固定锥齿轮上对向滚动，带动外挂的重锤，绕从动锥齿轮中轴线做匀速圆周运动的同时，绕驱动轴轴线做等角速度、匀速圆周运动，从动锥齿轮在固定锥齿轮上滚动1周复位，外挂的重锤完成1次“8”字循环。重锤转动产生的离
心力，全部被束缚在完整的、重锤运行所及的半个球体内，其在水平、竖直方向上的分力因大小相等、方向相反而被相互抵消，而在垂直“水平-竖直平面”、远离球心方向上的分力因大小相等、方向相同相互叠加，在该方向上输出强大的离心力，从而可以提供强大的推力。
11.优选的，所述重锤由多个相同规格的轴承串联而成，此结构的重锤制作简单、易于实现；重锤的质量、材质均相同，确保镜像设置的重锤在水平、竖直方向上的分力因大小相等、方向相反而被相互抵消。而在垂直“水平-竖直”平面、远离球心方向上的离心力分力因大小相等、方向相同相互叠加，最终，在该方向上形成综合、单向离心力。
12.优选的，所述固定锥齿轮、从动锥齿轮均为材质、规格和模数相同的90
°
锥齿轮，确保从动锥齿轮绕从动锥齿轮中轴线一周的时间与绕驱动轴一周的时间相同。
13.优选的，固定锥齿轮和与该固定锥齿轮相啮合的上下两个从动锥齿轮、以及安装在每个从动锥齿轮的一侧的重锤组成一个呈u形排列的齿轮组合体重锤牵引单元，每个呈u形排列的齿轮组合体重锤牵引单元构成一个独立的锥齿轮-重锤-离心力系统，并独立输出离心力。此种结构设计，可以使得本发动机具有两个独立的重锤牵引单元，进一步提高推进力。并且可以确保驱动轴带动从动锥齿轮在固定锥齿轮上对向滚动，从动锥齿轮在固定锥齿轮上滚动一周复位，外挂的重锤刚好完成一次“8”字循环。
14.优选的，两个呈u形排列的齿轮组合体重锤牵引单元在空间镜像分布。本离心力电推进发动机具有两个镜像、独立的“锥齿轮-重锤-离心力”系统工作单元，此种双侧、镜像结构设计目的是为抵消单个驱动轴转动时产生的自旋(作用类似直升机的尾桨)，在保证发动机运转时不会发生“侧偏”的同时，进一步提高推力。
15.优选的，所述呈u形排列的齿轮组合体重锤牵引单元的初始位置可调节，以便调节离心力的方向，进而调节推进力的方向。
16.优选的，所述重锤的初始空间角度可调节，以便更好的调节调节推进力的方向。
17.本发明提供的一种离心力电推进发动机的有益效果在于：
18.(1)推力大
19.与用于航天器姿态控制、位置保持和星际航行等的电火箭相比，本离心力电推进发动机推力相对更大，经试验，本装置当前推力可达7.5n(电源额定功率600w)。与之相比的目前主流的电火箭推力如下：
20.中国lips-200离子推进器(推力40mn
±
4mn，功率1kw)；
21.美国nasa的k3多通道离子推进器(最大推力达5.4牛顿,最大输出功率102kw)；
22.中国lht100型霍尔推进器(推力0.08n,天和号装备的四台lht100型霍尔推进器总计产生0.32n的推力就能完成83吨的飞行姿态控制)；
23.中国het-40霍尔推进器(推力40mn，功率680w)；
24.中国最新het-450单通道霍尔推进器(推力达4.6牛顿最大输出功率105kw)。
25.(2)推力可调
26.本离心力电推进发动机，通过对驱动电机的输出转速的调节，能对本装置实现实时调速。可像离子火箭、霍尔火箭那样长时间运转，给航天器带来质量、寿命、经济等增益，提升任务执行能力，扩展空间任务范围。
27.(3)成本低
28.制作成本：
29.本离心力电推进发动机对制作所需材料要求不高，基本组件(普通齿轮、同步轮、航模船轴和轴套、轴承、螺栓、不锈钢六角螺母柱等零部件)均为常规件，经简单加工极易实现。全部制作成本低廉，相比传统火箭、离子推进器和霍尔推进器等的制作成本大幅降低。
30.工作成本：
31.本装置工作时唯一消耗的是电能。
32.化学火箭基本就是一次性的。声称要做最便宜火箭的马斯克(spacex公司)的猎鹰-9block5，设计目标是先实现10次重复回收发射，未来实现100次重复。当下首次发射成本为6200万美元，重复利用后，第2次发射的成本就降低为约4600万，而第3次至第10次成本基本稳定在3500万美元上下。
33.霍尔推力器的“心脏”——放电腔的制作材料必须满足耐高温、抗热震、耐离子溅射、绝缘性能好等要求。
34.本装置的应用能极大降低航天器的维护管理成本。
35.(4)构造简洁
36.本离心力电推进发动机结构简洁，无传统火箭、离子推进器和霍尔推进器的推进剂储仓、推进剂输送管道等附属配套组件。
37.(5)体积小、重量轻、方便整体更换
38.本离心力电推进发动机原型机尺寸是：长*宽*高＝65*50*25(cm)，全重2.732kg(其中，每个“锥齿轮-重锤-离心力”系统工作单元重0.625kg、附带物1.482kg)。与用于航天器轨道控制、姿态调整的化学火箭和离子推进器及霍尔推进器的“身高”相比，本装置体积大幅减小。
39.(6)不需工质
40.本离心力电推进发动机工作时除电以外，不需要任何工质。以此可极大减少燃料推进剂运输成本。
41.运载火箭全重的80％为化学推进剂。以国际空间站为例，空间站在围绕地球运转的过程中，会因微重力和近地空间稀薄大气阻力造成轨道高度下降，衰减约为2千米/月。为了保持轨道高度，每年国际空间站消耗的燃料高达4吨；而向太空运送物资的成本在10万元人民币/公斤水平)及频繁的货运任务本身所需面临的高风险，同时给航天器提供更大的有效载荷空间。
42.离子推进器和霍尔推进器也需携带工质，虽然需要量少，仅为传统火箭的10％。但成本昂贵(2021年氙为3,000美元/公斤，氪的存在还是太过稀少、而且需要专用加压设备才能存储)。
43.(7)高效率
44.本离心力电推进发动机依赖的仅是离心力，而不是作用力和反作用力的“反冲作用”。其工作时不向后方抛弃任何物质，除去齿轮、传动带咬合产生的阻力和产热和电流传输过程中因线路中电阻而产热外，全部电能都用于驱动重锤旋转做工。其效率按由滑板车-同步带传动-锥齿轮传动综合计算，应为94％*98％＝92.1％。
45.离子推进器、霍尔推进器和火箭的效率是按工质的利用率进行计算的，未算上向后方抛掉物质损失的动能(1/2mv2)及产热所损失的能量。
46.典型的化学火箭效率仅为35％；
47.霍尔推进器效率在70％以上；
48.离子推进器效率可达90％；
49.锥齿轮传动效率为94％-97％；
50.同步轮带传动效率为98％-99％。
51.(8)隐踪突防
52.本离心力电推进发动机工作时没有传统火箭、电火箭那样能够示踪的“尾焰”，不对周围环境造成扰动和污染，工作时更安全、更安静。
53.由于本装置工作时不向外面喷射物质，所以不必像化学火箭、离子火箭和霍尔推进器那样必须暴露在飞行器外部。本装置既可以搭挂于运载具的外部，也可固定在内部。而其工作时不扰动周围的水或空气等所接触的介质，使飞行器、潜艇等载具能够安静地接近，达到隐蔽攻击的效果。
附图说明
54.图1为锥齿轮-重锤离心力系统工作原理图ⅰ；
55.图2为锥齿轮-重锤离心力系统工作原理图ⅱ；
56.图3为锥齿轮-重锤离心力系统工作原理图ⅲ；
57.图4为锥齿轮-重锤离心力系统工作原理图ⅳ。
58.图5为本发明的立体结构示意图。
59.图中：1、驱动轴；2、皮带传动轮；3、轴套；4、固定锥齿轮；5、从动锥齿轮；6、重锤；7、锥齿轮联结器；8、机架。
具体实施方式
60.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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。
61.实施例：一种离心力电推进发动机。
62.为了开发出一种只用电能、不需工质的大推力推进装置，发明人结合掌握的相关物理学知识、检索了大量文献，经过长期实验，最终开发出依靠“锥齿轮-重锤-离心力”系统的离心力电推进发动机。经独特设计的该系统，将电致重锤的机械运动动能转化为定向的离心力，从而获得推力。
63.为了更好的理解本发明，发明人特将“锥齿轮-重锤-离心力”系统的工作原理解释如下：
64.首先，一个作半径为r的匀速圆周运动的物体，会受到所在运动平面内远离运动轴心方向的离心力作用，方向在360
°
范围内时刻发生着变化(参照图1所示)。宏观上物体就会产生偏心运动——如同未配平就启动的离心机、洗衣机一样。
65.之后，再增加一个同样的物体，让两个物体在同一平面内绕同一个圆心同速(ω)、对向转动。这时候它们的运动具有了固定的方向——由当初偏心运动，变为在所在平面内一个在确定方向上进行的往复线性振动(参照图2所示)。
66.最后，在这两个物体做圆周运动的同时，再让其绕经过圆周运动中心圆点、垂直原圆周运动中心轴线的一个轴做相同速度(ω)转动。则两个物体会始终在限定的半球区域内做对称、循环运动，其运行轨迹在该半球面上呈闭合、对称的“8”字，中心在球面顶端的正中心。轨迹的上、下缘点与半球的最大剖面外缘线重切重合，轨迹左、右缘点相距长度为r。
67.两个物体因转动产生的离心力都被束缚在该半球内。在此空间内，在水平、竖直方向上的离心力分力，因大小相等、方向相反而被相互抵消，在垂直“水平-竖直”平面、远离球心方向上的离心力分力因大小相等、方向相同相互叠加，最终在该方向上形成综合、单向离心力(参照图3和图4所示)。
68.本发明是通过“锥齿轮-重锤-离心力”系统，将上述内容具体实施的产物。与现有电推进系统相比，本离心力电推进发动机具有如下特点：不需工质，推力大、效率高，构造简单，体积小、重量轻，制作成本低，环境零污染。
69.在上述基础上，本发明设计出一种基于“锥齿轮-重锤-离心力”系统的离心力电推进发动机，参照图1至图5所示，一种离心力电推进发动机，包括：
70.机架8，机架8用于支撑驱动轴1；
71.沿横向安装在机架8上的驱动轴1，驱动轴1用于装置的整体传动；
72.安装在驱动轴1中端的皮带传动轮2，皮带传动轮2用于与驱动系统中的电机接驳，实际工作时，电机通过皮带带动皮带传动轮2旋转，进而可以带动驱动轴11高速旋转；
73.分别套接在驱动轴1左右两端的轴套3，每个轴套3的末端均安装有固定锥齿轮4，每个固定锥齿轮4的上下两端均啮合安装有一个从动锥齿轮5，上下两个从动锥齿轮5之间通过锥齿轮联结器7连接，每个从动锥齿轮5的一侧均安装有一个重锤6，其中，所述固定锥齿轮4、从动锥齿轮5均为材质、规格和模数相同的90
°
锥齿轮，而且每个固定锥齿轮4和与该固定锥齿轮4相啮合的上下两个从动锥齿轮5、以及安装在每个从动锥齿轮5的一侧的重锤6组成一个呈u形排列的重锤牵引单元，每个呈u形排列的齿轮组合体重锤牵引单元构成一个独立的锥齿轮-重锤-离心力系统，并独立输出离心力。此种结构设计，不仅可以使得本发动机具有两个独立的重锤牵引单元，进一步提高推进力，而且可以确保驱动轴1带动从动锥齿轮5在固定锥齿轮4上对向滚动，从动锥齿轮5在固定锥齿轮4上滚动一周复位，外挂的重锤6刚好完成一次“8”字循环。
74.本实施例中，所用固定锥齿轮4、从动锥齿轮5均为材质、齿数和模数相同的90
°
锥齿轮，由它们构成的u形锥齿轮组合体，确保了从动锥齿轮4绕其中轴线转动频率与绕驱动轴转动频率完全一致，最终保障本离心力电推进发动机能够产生单向的离心力。
75.本实施例中，重锤6由7个相同规格的轴承串联而成，此结构的重锤6制作简单、易于实现，轴承的质量、材质均相同，确保水平、竖直方向上的分力因大小相等、方向相反而被相互抵消。
76.本实施例中，两端的固定锥齿轮4、从动锥齿轮5和重锤6呈空间镜像设置，构成独创的“锥齿轮-重锤-离心力”系统。此种双侧、镜像结构设计，使得本离心力电推进发动机具有左、右两个独立的工作单元，在进一步提高推进力的同时，还可以抵消因单个驱动轴1转动时产生的自旋(作用类似直升机的尾桨)，确保发动机稳定。
77.本实施例中，所述呈u形排列的齿轮组合体重锤牵引单元的初始位置可调节，所述重锤6的初始空间角度可调节，以便调节离心力的方向，进而调节推进力的方向。
78.本发明的工作原理如下：
79.同步轮2通过皮带与驱动系统输出端接驳，在系统启动后，驱动轴1通过齿联器7带动从动锥齿轮5在固定锥齿轮4上高速滚动，使从动锥齿轮5携外挂的重锤6，在绕从动锥齿轮5中轴线做匀速(ω)转动的同时、绕驱动轴1的轴线做相同角速度(ω)的匀速转动。
80.重锤6转动所产生离心力的方向，完全被束缚在完整的、重锤6运行所在的半个球体内，在水平、竖直方向上的离心力的分力因大小相等、方向相反而被相互抵消，而在垂直“水平-竖直”平面、远离球心方向上离心力的分力因大小相等、方向相同相互叠加，最终在该方向上形成综合离心力，为发动机输出强大的推力。本离心力电推进发动机，通过对驱动电机的输出转速的调节，能对本装置实现实时调速，实现推进力的可调，而且调节非常方便。
81.本发明提供的离心力电推进发动机，相比传统的电火箭，可以提供高达7.5牛顿的推力(电源额定功率600w)，推力超过当前已公布电火箭推力水平。制作本离心力电推进发动机所需的锥齿轮、航模船轴和轴套、轴承、螺栓、不锈钢六角螺母柱等部件均来自淘宝网，稍经加工即可轻松实现机体组装。包括提供电源、驱动和遥控系统的电动滑板车在内，全部材料成本不过几千人民币，制作成本低廉。体积小、重量轻，方便整体更换。工作时仅需电源驱动马达，不必携带、不需定期补给惰性气体等工作质，相比传统的化学火箭和电火箭，制造、维护的成本极大地降低。工作时不喷射尾流，没有传统火箭、电火箭的示踪“尾焰”，不会污染环境，不会爆炸，工作时更安全、更安静。
82.以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应局限于该实施例和附图所公开的内容，所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

技术特征：

1.一种离心力电推进发动机，机架，其特征在于包括：机架；沿横向安装在机架上的驱动轴；安装在驱动轴中端的皮带传动轮；分别套接在驱动轴左右两端的轴套，每个轴套的末端均安装有固定锥齿轮，每个固定锥齿轮的上下两端均啮合安装有一个从动锥齿轮，上下两个从动锥齿轮之间通过锥齿轮联结器连接，每个从动锥齿轮的一侧均安装有一个重锤。2.如权利要求1所述的离心力电推进发动机，其特征在于：所述重锤由多个相同规格的轴承串联而成，重锤的质量、材质均相同。3.如权利要求1所述的离心力电推进发动机，其特征在于：所述固定锥齿轮、从动锥齿轮均为材质、规格和模数相同的90
°
锥齿轮。4.如权利要求1所述的离心力电推进发动机，其特征在于：固定锥齿轮和与该固定锥齿轮相啮合的上下两个从动锥齿轮、以及安装在每个从动锥齿轮的一侧的重锤组成一个呈u形排列的齿轮组合体重锤牵引单元，每个呈u形排列的齿轮组合体重锤牵引单元构成一个独立的锥齿轮-重锤-离心力系统，并独立输出离心力。5.如权利要求4所述的离心力电推进发动机，其特征在于：两个呈u形排列的齿轮组合体重锤牵引单元在空间镜像分布。6.如权利要求5所述的离心力电推进发动机，其特征在于：所述呈u形排列的齿轮组合体重锤牵引单元的初始位置可调节。7.如权利要求6所述的离心力电推进发动机，其特征在于：所述重锤的初始空间角度可调节。

技术总结

本发明提供了一种离心力电推进发动机，包括机架；沿横向安装在机架上的驱动轴；安装在驱动轴中端的皮带传动轮；分别套接在驱动轴左右两端的轴套；每个轴套的末端均安装有固定锥齿轮；每个固定锥齿轮的上下两端均啮合安装有一个从动锥齿轮；上下两个从动锥齿轮之间通过锥齿轮联结器连接，每个从动锥齿轮的一侧均安装有一个重锤。本发明可以依靠独特的锥齿轮-重锤-离心力系统输出定向离心力，可以提供远大于现有电火箭结构提供的推动力，构造简洁、成本低，工作静谧、安全环保，仅需电源驱动马达，不必携带、不需定期补给惰性气体等工作质，使用成本低，可广泛用于空间站卫星等飞行器的轨道维持和姿态控制、宇宙飞船深空航行、潜艇静音航行等。静音航行等。静音航行等。