專利名稱：產生微重力環境的方法
技術領域：
本發明涉及一種產生微重力環境的方法。
自人類進入太空以來，失重現象引起人們的重視，失重生理學、失重醫學、失重生態學、失重金屬學，在失重狀態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境下進行，由于長時間的失重狀態只能在衛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的三個難點;目前，有在水中模擬失重狀態的，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。
本發明的目的在于克服上述缺陷，提供一種高精度產生微重力環境的方法。
本發明是采用如下措施實現的將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值恒定，在半園軌跡上加速度不再是向下的常數，其方向及大小是時間的函數，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，無論串接的級數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值恒定的外力，該外力可根據ρ/γ的合理數值設定，即外力設定后，求出的ρ/γ值應合理。本發明串接的擺的級數不宜過多，過多給設計、計算和運行帶來困難，級數也不宜過少，過少每級的加速度增大，引起末速度增大，給運行帶來不便。
本發明提供了一種產生微重力環境的方法，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與質量m之比，F/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根據上述各級擺的ρ/γ比值，求得各級擺的物理參數。
權利要求
1.一種產生微重力環境的方法，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
本發明為產生微重力環境的方法，該方法采用將多個Maxwell擺串接的措施，實現產生微重力環境的目的。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 優先權日1994年8月25日
發明者韓慕嵩 申請人:韓慕嵩