專利名稱：產(chǎn)生微重力環(huán)境的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生微重力環(huán)境的方法。
自人類進入太空以來，失重現(xiàn)象引起人們的重視，失重生理學、失重醫(yī)學、失重生態(tài)學、失重金屬學，在失重狀態(tài)下制造高園度的鋼球，制造高均勻度的單晶體等一系列研究都要在失重環(huán)境下進行，由于長時間的失重狀態(tài)只能在衛(wèi)星或航天器上才能得到，失重的應用研究受到很大限制。在地面產(chǎn)生短時失重是沒有困難的，但由于時間太短很難利用，為增加失重時間，勢必需要大的行程，這樣長時間的加速運動必定產(chǎn)生巨大的末速度，因此，時間短、行程長、速度高是研究地面失重狀態(tài)的三個難點;目前，有在水中模擬失重狀態(tài)的，但由于模擬精度差，且由于水本身的阻力，往往達不到所需的要求。
本發(fā)明的目的在于克服上述缺陷，提供一種高精度產(chǎn)生微重力環(huán)境的方法。
本發(fā)明是采用如下措施實現(xiàn)的將2n個Maxwell擺串接，即第一級擺的柔索支點為絕對坐標系，上一級擺為下一級的相對坐標系，2n個Maxwell擺各級在運動中有不同的相位，每級有一相差T/4相位的另一級與之對應，兩者形成一個偶合級(組)，這樣2n個Maxwell擺形成n個偶合組，由于偶合組的兩個擺的速度是反向的，可降低合成末速度并減小整個運動行程。對于單級的Maxwell擺其動力方程解為a= (γ2)/(γ2+ρ2) g，T＝mg-ma(a為擺的加速度，γ為擺的轉軸半徑，ρ為擺輪對幾何軸線的慣性半徑，T為柔索的拉力)，擺的質心運動軌跡為兩條垂直線與一條半園弧組成的U字形軌跡，在其兩垂直線運動軌跡上，加速度方向都垂直向下且數(shù)值恒定，在半園軌跡上加速度不再是向下的常數(shù)，其方向及大小是時間的函數(shù)，因此，單級擺在整個運動軌跡上存在加速度不平滑的問題。多級擺串接后，其動力方程解為 根據(jù)上述方程解，假設某一時段任一級擺運動在半園軌跡，該級擺在半園軌跡上產(chǎn)生不同于直線軌跡的向上的加速度，設這個向上的加速度的極值為a′k，因此，該級擺質心上增加一向下的慣性力Mka′k，使Tk增加，以上述的方程解可以看出，K級以上各級加速度都顯含Tk，其各級都增加了由于慣性力Mka′K而引起的加速度，K級以下各級的加速度中的∑ai一項中都含有a′k，由于a′k方向向上，∑ai減小，K級以下各級的加速度增大，總之，當K級擺運動在半園軌跡時，其余各級方向向下的加速度都有所增加，其最終的合成加速度仍是方向向下，自動補償了K級在半園軌跡時產(chǎn)生的沖擊，因此，仍是方向向下，自動補償了K級在半園軌跡時產(chǎn)生的沖擊，因此，多級擺串接后，可使合成的加速度方向始終向下，具有平滑性。本發(fā)明在各級擺運動在向下的直線運動軌跡時，給予其克服空氣阻力、維持其恒定振幅的能量補償;以上述方法建立的失重狀態(tài)，無論串接的級數(shù)多少其最末一級的合成加速度，只趨近于重力加速度，而不能等于重力加速度，否則，會出現(xiàn)ρ/γ＝0或1的不合理情況，因此，在整個運動過程中在最末一級擺的轉軸上加一方向向下且數(shù)值恒定的外力，該外力可根據(jù)ρ/γ的合理數(shù)值設定，即外力設定后，求出的ρ/γ值應合理。本發(fā)明串接的擺的級數(shù)不宜過多，過多給設計、計算和運行帶來困難，級數(shù)也不宜過少，過少每級的加速度增大，引起末速度增大，給運行帶來不便。
本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生微重力環(huán)境的方法，該方法具有運行行程小(即需要的空間高度小)，最后一級(即工作臺)的速度很小，可連續(xù)運行等三個特點，在投資不很大的情況下可達到接近于g的微重力環(huán)境。
實施例將10個Maxwell擺串接，并在第10級擺的轉軸上設有工作臺，10個Maxwell擺有不同的相位，且每一級擺均有相差T/4相位的另一級與之對應，如第一級擺與第六級擺，第二級擺與第七級擺，共組成五個偶合組，本實施例為簡化計算及運行，使相鄰各級擺具有相同的相位差T/4n＝T/20，各級擺運動在向下的直線運動軌跡時，給予其克服空氣阻力、維持恒定振幅的能量補償，在第10級擺的轉軸上加一方向向下且數(shù)值恒定的外力。對于單級的Maxwell擺其加速度只與擺的質量分布ρ和軸的半徑有關，對于串接后的多級擺其加速度同樣與擺的相關尺寸有關，本實施例在設計時設定合適的ai和外力F，然后決定各級擺的合理的物理參數(shù)ρ和γ。具體設計如下假設各級擺(包括擺輪和轉軸)質量均為m，各級擺輪質心(擺輪平面與轉軸幾何軸線的交點)加速度均為ai＝0.1g，第10級轉軸上需要的外力為F，F(xiàn)與質量m之比，F(xiàn)/m＝25，Ti為i級柔索所受拉力，ρi為i級的慣性半徑ρi＝ (Ji)/(m) Ji為i級的轉動慣量，其最終的動力方程解為(ρiyi)2=10.1g(g-Σ1i-1ai+Ti+1m-1)]]>Ti=mg-Σ1i-1aim-mai+Ti+1]]>根據(jù)上式第10級計算如下第10級軸上沒有下一級的拉力只有外力F( (ρ10)/(γ10) )2＝ 1/(0.1g) (g-0.9g+F/m)-1已設F/m＝25 求得 (ρ10)/(γ10) ＝5.05T10＝mg-0.9mg-0.1mg+F=F第九級計算如下( (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第八級( (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第七級( (ρ7)/(γ7) )2＝ 1/(0.1g) (g-0.6g+T8/m)-1(ρ7)/(γ7) ＝5.61 T7=mg-0.7mg+T8=0.6mg+F第六級( (ρ6)/(γ6) )2＝ 1/(0.1g) (g-0.5g+T7/m)-1(ρ6)/(γ6) ＝5.96 T6＝mg-0.6mg+T7＝mg+F第五級( (ρ5)/(γ5) )2＝ 1/(0.1g) (g-0.4g+T6/m)-1(ρ5)/(γ5) ＝6.36 T5＝0.5mg+T6=1.5mg+F第四級( (ρ4)/(γ4) )2＝ 1/(0.1g) (g-0.3g+T5/m)-1(ρ4)/(γ4) ＝6.82 T4＝2.1mg+F第三級( (ρ3)/(γ3) )2＝ 1/(0.1g) (g-0.2g+T4/m)-1(ρ3)/(γ3) ＝7.31 T3=2.8mg+F
第二級( (ρ2)/(γ2) )2＝ 1/(0.1g) (g-0.1g+T3/m)-1(ρ2)/(γ2) ＝7.84 T2=3.6mg+F第一級( (ρ1)/(γ1) )2＝ 1/(0.1g) (g-0+3.6g+F/m)-1(ρ1)/(γ1) ＝8.39 T1＝4.5mg+F根據(jù)上述各級擺的ρ/γ比值，求得各級擺的物理參數(shù)。
權利要求
1.一種產(chǎn)生微重力環(huán)境的方法，其特征為a)將2n個Maxwell擺串接，即第一級擺的柔索支點為絕對坐標系，上一級擺為下一級的相對坐標系b)2n個Maxwell擺各級在運動中有不同的相位，每級有一相差T/4相位的另一級與之對應，兩者形成一個偶合級c)在運動過程中各級擺運動在向下的直線運動軌跡時，給予各級擺克服空氣阻力，維持其恒定振幅的能量補償d)在運動過程中在最末一級擺的轉軸上加一方向向下且數(shù)值恒定的外力。
2.如權利要求1所述的方法，其特征為2n個Maxwell擺相鄰各級在運動過程中有相等的相位差T/4n。
全文摘要
本發(fā)明為產(chǎn)生微重力環(huán)境的方法，該方法采用將多個Maxwell擺串接的措施，實現(xiàn)產(chǎn)生微重力環(huán)境的目的。該方法具有運動行程小(即需要的空間高度小)，最后一級(即工作臺)的速度小，可連續(xù)運行的特點，在投資不很大的情況下可達到接近于g的微重力環(huán)境。
文檔編號G09B9/00GK1108412SQ9410927
公開日1995年9月13日 申請日期1994年8月25日 優(yōu)先權日1994年8月25日
發(fā)明者韓慕嵩 申請人:韓慕嵩