專利名稱：用于通過將受控等離子體環(huán)境引入到非對稱電容器中而生成力的系統(tǒng)、裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非對稱電容器。更具體地，本發(fā)明涉及通過引入受控 等離子體環(huán)境而使用非對稱電容器生成力。
背景技術(shù)：
已知非對稱電容器在施加足夠的電力時呈現(xiàn)出凈力。非對稱電容 器通常是一種具有幾何上相異的電極表面積的電容器。賦能非對稱電 容器周圍的電場產(chǎn)生了不均衡的力，并且因此產(chǎn)生了小量的原動力。 過去十年中的挑戰(zhàn)是所需用于產(chǎn)生原動力的能量的量，其還被稱為推 力-功耗比。盡管輕重量的非對稱電容器模塊已經(jīng)證明了產(chǎn)生足夠的力 克服其自身質(zhì)量的重力效應(yīng)的能力，但是所需的能量的量對于實際和 商業(yè)利用該特征是過于高昂的。另一挑戰(zhàn)在于"空間電荷限制電流" 飽和點(還被稱為"荷電空間限制")或者給定空間體積能夠適應(yīng)的 荷電粒子的限制。給定體積中的粒子量限制了可由該體積生成的力的
出于多種原因，多種研究人員使用離子及其運動產(chǎn)生原動力。某 些美國專利描述了多種環(huán)境中相對于原動力的靜電荷。這些專利在此
處并入作為參考。例如，在1934年9月受讓于Brown的美國專利No. 1,974,483，涉及一種通過在可荷電物質(zhì)和相關(guān)聯(lián)的電極的系統(tǒng)中施加 和維持高勢能靜電荷而產(chǎn)生力或運動的方法。在1949年1月受讓于 Hergenrother的美國專利No. 2,460,175，涉及一種離子真空泵，其使氣 體分子離子化，并且隨后通過分子之間的吸引力拉開分子，以及一種 通過負(fù)勢能賦能的傳導(dǎo)部件。在1952年2月受讓于Mallinckrodt的美 國專利No. 2,585,810，涉及噴氣推進(jìn)的裝置，并且涉及用于推進(jìn)飛機(jī)
9的電弧裝置。在1953年4月受讓于Hertzler的美國專利No. 2,636,664
涉及泵浦方法，其使氣體分子經(jīng)受離子化力，該離子化力使它們在預(yù) 定方向中移動。在1956年10月受讓于Lindenblad的美國專利No. 2,765,975，涉及通過作用于氣體上的電暈放電在無運動機(jī)件的情況下 使氣體移動。在I960年8月受讓于Brown的美國專利No. 2,949,550， 涉及一種動電裝置，其利用用于產(chǎn)生力的電勢，引起結(jié)構(gòu)同周圍介質(zhì) 之間的相對運動。在1964年2月受讓于Gehagen的美國專利No. 3,120,363，涉及一種比空氣重的飛行裝置，以及使用離子放電推進(jìn)和 控制的方法。在2001年11月受讓于Campbell的美國專利No. 6,317,310，涉及公開了充電到高勢能用于生成推力的二維非對稱電容 器的方法和裝置。
從1959年受讓于Streib的美國專利No.2,876，965中可以看到，一 種跨越翼面用于產(chǎn)生升力的空氣分子的非離子使用。該專利涉及圓形 機(jī)翼飛行器，其能夠使用機(jī)翼的徑向剖面作為有效翼面而垂直和水平 飛行。
Brown觀察到真空環(huán)境中的非對稱電容器系統(tǒng)的非零凈力。可以 看出的是，通過考慮在不存在介質(zhì)(空氣)中產(chǎn)生的荷電離子的情況 下由電極汽化的荷電離子引起的電極上的壓力，可以解釋該現(xiàn)象。 Brown還觀察到，力產(chǎn)生了裝置和周圍流體電介質(zhì)之間的相對運動， 即，如果使該裝置保持在固定位置，則引起電介質(zhì)移動通過該裝置。 而且，如果該裝置可以自由移動，則介質(zhì)和該裝置之間的相對運動導(dǎo) 致了該裝置的前向運動?？尚械氖?，通過下述理論，即荷電離子針對 電極表面的動量轉(zhuǎn)移，是產(chǎn)生凈推進(jìn)力的機(jī)制，可以解釋這些現(xiàn)象， 這是因為，如果系統(tǒng)保持在固定位置，則高能離子被重新導(dǎo)向，并且 移動通過電容器和在其周圍移動，同時不損失任何動量。如果系統(tǒng)可 以自由移動，則作為碰撞的結(jié)果，仍將存在流動通過電容器和在其周 圍流動的離子，但是由于離子通過與電極表面的碰撞損失了它們的動 能和動量，因此相比于固定系統(tǒng)的情況，該流動應(yīng)是更加弱的。而且，Klaus Szielasko ( GENEFO www.genefo.org "High Voltage Lifter Experiment: Biefield-Brown Effect or Simple Physics " Final Report, April 2002)觀察到，當(dāng)系統(tǒng)極性翻轉(zhuǎn)時，不存在設(shè)備的運動的差異， 因此建立了，荷電離子經(jīng)歷的靜電力不是推進(jìn)機(jī)制。在本申請要求優(yōu) 先權(quán)的臨時申請之后出版的Canning, Francis X.， Mekher， Cory，和 Winet, Edwin的"Asymmetrical Capacitors for Propulsion "Glenn Research Center of NASA (NASA/CR-2004-213312 ) ， Institute of Scientific Research, October, 2004中，可以獲得支持該基本原理的進(jìn)一步的指導(dǎo)。
在本發(fā)明之前形成的動電學(xué)領(lǐng)域受到相對高的能量輸入產(chǎn)生低的 輸出或凈力的極大困擾。盡管非對稱電容器的一般概念和離子力的使 用是已知的，但是不能產(chǎn)生足夠的原動力，消除了許多潛在的用途。 因此，迄今為止的難題是，當(dāng)所需要的高電壓電平必須足夠高以首先 產(chǎn)生傳導(dǎo)電流時，在不增加功耗的情況下，增加離子處理推進(jìn)系統(tǒng)中 的傳導(dǎo)電流量。
迄今為止已接受的另一挑戰(zhàn)是基于上文列出的努力和其他相似的 努力的所需要的高電壓輸入。然而，高電壓輸入具有不利的二級效應(yīng)。 這些效應(yīng)包括，大的電磁場和干擾、周圍物體上建立的靜電、X輻射、 臭氧產(chǎn)生、和其他的不利效應(yīng)。
因此，存在對一種用于產(chǎn)生改善的原動力的改善的非對稱能量場 的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了通過將受控等離子體環(huán)境引入到非對稱電容器中而 生成原動力和其他力的方法、裝置和系統(tǒng)。將能量流或等離子體流導(dǎo) 向裝置外部。本發(fā)明使用相關(guān)能量場的非對稱方面，但是利用數(shù)個數(shù) 量級為能量場賦能。通過增加等離子體密度、等離子體能量(和等效 等離子體溫度)以及相關(guān)粒子速度，或者它們的組合，部分地實現(xiàn)了該原動力的顯著增加。該增加允許將離子原動力用于迄今為止不可獲 得的實際應(yīng)用。
在一個實施例中，通過電磁輻射，諸如通過激光器或者發(fā)光二極
管(LED)的環(huán)形陣列，應(yīng)用用于將受控等離子體環(huán)境引入到能量場中 的系統(tǒng)，為能量場賦能?？梢酝ㄟ^增加等離子體密度、等離子體能量 和粒子速度，或者它們的組合，為能量場賦能。而且，可以在顯現(xiàn)顯 著非對稱的能量場之前，對等離子體環(huán)境賦能。在另一實施例中，本 發(fā)明使用電磁輻射，相比于先前的沒有電磁輻射的情況下的所需電壓 電平，以基本減小的電壓電平顯著增強(qiáng)了力。有利地，低電壓可以減 少或消除由迄今為止現(xiàn)有的為非對稱電容器引擎賦能所需的高電壓電 平所引起的不利的二級效應(yīng)。
本公開內(nèi)容提供了一種通過非對稱電容器提供力的方法，包括
將電磁輻射施加到具有表面積不同且隔開一定距離的至少兩個電極的
非對稱電容器附近的粒子；并且將電壓施加到至少一個該電極，以通 過非對稱電容器生成凈力。
本公開內(nèi)容還提供了一種增加來自非對稱電容器的功率輸出的方 法，包括在具有第一表面積的第一電極和具有不同于該第一表面積 的第二表面積的第二電極之間的介質(zhì)中通過電磁輻射使粒子離子化； 并且將電壓施加到至少一個該電極并通過該電極生成凈力。
本公開內(nèi)容進(jìn)一步提供了一種用于產(chǎn)生原動力的系統(tǒng)，包括非
對稱電容器，其包括第一表面積的第一電極和具有不同于該第一表面
積的第二表面積的第二電極；電壓源，其聯(lián)接到該非對稱電容器，用 于將電壓施加到該電容器，并且通過該電容器生成凈力；和電磁輻射 源，其適于將輻射施加到電極之間的粒子。


通過參考在附圖中說明并且在下文中描述的本發(fā)明的實施例，可 以獲得對上文簡要概括的本發(fā)明的更加具體的描述。但是應(yīng)當(dāng)注意， 附圖僅說明了本發(fā)明的某些實施例，并且不應(yīng)被視為對其范圍的限制， 這是因為本發(fā)明容許其他的同樣有效的實施例。
圖1是由本公開內(nèi)容的非對稱電容器和相關(guān)系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁場環(huán) 境的示意圖。
圖2a是關(guān)于圖1的更加簡化的形式的基線非對稱電容器的荷電粒 子的示意圖。
圖2b是具有施加的電磁輻射的非對稱電容器的荷電粒子的示意 圖，其說明了增加的粒子密度。
圖2c是具有電磁輻射的本發(fā)明的增強(qiáng)方案的荷電粒子的示意圖， 其說明了所得到的增加的粒子密度和速度。
圖2d是示出了 Langmuir靜電探針的伏安特性的示意圖。
圖3是經(jīng)歷同荷電粒子的碰撞的中性粒子動量的原動力的示意圖。
圖4是非對稱電容器引擎的一個實施例的示意圖。
圖5a是使用非對稱電容器的系統(tǒng)的一個實施例的剖面視圖的示意圖。
圖5b是圖5a中示出的實施例的頂視示意圖。
圖6是關(guān)于一個示例性實施例的功率預(yù)算的示意圖。
圖7a是無人駕駛飛行器(UAV)的一個實施例的示意性透視圖。
圖7b是圖7a的實施例的示意性頂視圖。
圖7c是圖7a的實施例的示意性側(cè)視圖。
圖8a是有人駕駛飛行器(MAV)的一個實施例的示意性透視圖。 圖8b是圖8a的實施例的示意性前視圖。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及一種系統(tǒng)、方法和裝置，其通過將電磁輻射施加到非 對稱電容器中的電極之間使粒子離子化，而由非對稱電容器生成力。相比于現(xiàn)有努力，該電磁輻射在電容器中生成了高賦能狀態(tài)，諸如等 離子體，用于產(chǎn)生增加的力，諸如自該電容器發(fā)出的原動力或其他的 力。通過控制等離子體密度、等離子體能量或粒子速度、等離子體溫 度、相對于陽極的負(fù)電極(陰極)的表面積、或者它們的組合，實現(xiàn) 了該力的增加。
具有表面積不同的不同電極的非對稱電容器在軸向方向中，艮P， 在從大的或負(fù)的電極到小的或正的電極的線的方向中，獲得了凈力。 由于在改變極性時這些凈力的方向不會改變，因此不論供電電壓的極 性如何，該力的方向均適用。由于表面積的巨大差異，大的或負(fù)的電 極上的凈力遠(yuǎn)大于小的或正的電極上的凈力。
通常，本公開內(nèi)容提供了，在有利的頻率下施加外部能量，以激 發(fā)粒子成為離子，或者激發(fā)離子成為能量更高的離子，或者產(chǎn)生等離 子體條件。本公開內(nèi)容提供了，通過在將電壓施加到非對稱電容器的 電極時產(chǎn)生可以在該電極之間操縱的等離子體，而以相對低的能量輸 入獲得了相對大的力輸出。術(shù)語"等離子體"是公知的，并且目的在 于包括自由移動的電子和離子(即失去電子的原子)的高能集合。需 要能量用于從原子剝離電子以制造等離子體。用于等離子體的輸入到 粒子的能量可以具有多種來源熱、電或光(紫外光或來自激光器的 強(qiáng)光)。如果沒有足夠的持續(xù)的功率，則等離子體重新組合為中性氣 體。
本發(fā)明和非對稱電容器的總述
圖1是由本公開內(nèi)容的非對稱電容器和相關(guān)系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁場環(huán) 境的示意圖。該圖提供了對非對稱電容器的操作的某種理解，以更好 地理解本發(fā)明的改進(jìn)。表示自荷電粒子轉(zhuǎn)移的動量的矢量(即，特定 方向中的力)的尺寸既非成比例的也非準(zhǔn)確的。電磁場線是近似的。
非對稱電容器2通常包括第一電極4和第二電極6，其通過介質(zhì)
14ll隔開一定距離，該介質(zhì)ll包括氣體，諸如空氣、真空，諸如空間、 或者液體。真空空間中的操作通常將有利地使用具有粒子的介質(zhì)的噴 射。為了在液體中操作，通常通過電極之間的等離子體對引擎賦能并 且使引擎發(fā)揮作用，并且向引擎提供汽化液體，諸如水蒸氣，其具有 這樣的氣體屬性，即足夠用于通過此處討論的相關(guān)聯(lián)的碰撞而離子化。 第一電極具有由暴露于介質(zhì)的部分計算的第一表面積，并且第二電極 同樣具有第二表面積。對于非對稱電容器，該表面積是不同的。而且， 每個電極的絕對尺寸和一個電極針對另一電極的相對尺寸可以引起通 過該電極生成的凈力的差異。通常，第一電極是陽極，而第二電極是 陰極，陽極相對于陰極具有更多的正電荷(電壓)。通常，陰極將具 有較大的表面積。電極可以具有任何幾何形狀或者同其他的形狀的組 合，并且具有在一個或多個電極中形成的幾何圖案，諸如開口等等。
陽極可以是，例如且不限于發(fā)射器線、葉片、或盤，并且陰極可以是 片、葉片、或盤。電極可以具有任何適當(dāng)?shù)牟牧希ㄣ~、鋁或其他 的能夠在電極之間建立電磁場的材料。通常，電極包括傳導(dǎo)材料，以 建立電磁場。對于某些應(yīng)用，重量、成本、傳導(dǎo)性、結(jié)構(gòu)完整性和其 他的因素可以確定用于特定電極的準(zhǔn)確的材料或者材料的組合。例如， 并且非限制地，可以在具有較低密度和/或較小傳導(dǎo)率的材料上應(yīng)用具 有較高密度和/或較大傳導(dǎo)率的第一材料，以產(chǎn)生復(fù)合電極。而且，電 極可以具有多個表面，其電氣聯(lián)接在一起，以改變特定電極的表面積。
傳統(tǒng)上，通過電源8將正電壓施加到陽極，并且陰極相對于陽極是負(fù) 的，盡管也可以將極性反轉(zhuǎn)。在某些實施例中，可以將電壓施加到兩 個電極，而陽極通常具有更大的正的勢能?？梢允褂媒涣麟?AC)和 直流電(DC)。
在將電壓施加到至少一個電極諸如陽極時，由于電極之間的介質(zhì) 相比于電極是相對非傳導(dǎo)的，因此在電極之間產(chǎn)生了電磁場。對于目 前的目的，根據(jù)電場12討論該場，該電場12具有強(qiáng)度變化的電場線， 其在電極之間的中心點處通常平行于在電極之間繪制的線9，并且在電 極附近彎曲甚至反轉(zhuǎn)。電磁場14具有磁場線，其通常在電場線上的任何特定的點處垂直于電場線。因此，在電極之間的中心點處，磁場線
通常將垂直于線9。電場用于為介質(zhì)中的粒子16賦能，產(chǎn)生了具有某 個電荷值的離子，而磁場用于在離子的特定位置處的磁場方向上吸引 離子。由于電場和磁場延伸越過從電極到電極的直線，因此越過該直 線的并且在電極周圍的粒子也受到影響。因此，該電極周圍的粒子也 可被包括在此處廣義定義為電極"之間"的體積中，如電磁場區(qū)域28 中所示出的。術(shù)語"粒子"在此處廣泛使用，并且除非指出了特定的 背景，否則其包括中性粒子和荷電粒子(即"離子化"粒子)。該粒 子可以是分子或原子，或者是亞原子粒子，諸如電子、中子和質(zhì)子， 以及其他的亞原子粒子。
更具體地，在將電壓施加到非對稱電容器2時，傳導(dǎo)電流從較小 的或正的電極4流到較大的或負(fù)的電極6。根據(jù)安培定律，該傳導(dǎo)電流 產(chǎn)生了電容器周圍的方位磁場。為了清楚起見，在該系統(tǒng)中應(yīng)用圓柱 坐標(biāo)，采用從負(fù)電極到正電極的線9的方向作為軸向方向。在通常是 空氣，或者水蒸氣或者如此處描述的其他的引入的介質(zhì)中，產(chǎn)生了"子" 荷電粒子，并且由于同"父"電子和離子的碰撞而從電極表面蒸發(fā)或 以其他形式散發(fā)，除了由于指定的電場(eE)引起的力以外其還經(jīng)歷 洛倫茲(Lorentz)力(jXB或enVXB)，其中矢量量由粗體字母表示。 這里"父"意指承載傳導(dǎo)電流的原始荷電粒子，而"子"意指通過同 父荷電粒子碰撞而產(chǎn)生的二級荷電粒子。在電極6的頂部和底部，離 子由于該洛倫茲力而被徑向向內(nèi)推動(圓柱坐標(biāo)-zX-(^=-r，其中(z) 表示電場的軸向分量，($)表示磁場方向，而(r)表示離子運動方 向)。
在電極6的上平坦表面上，離子由于該力(-rX-$=-z)而被向上 推動，其中向上方向是朝向較小的相對正的電極4的方向。在更接近 頂部表面的區(qū)域上，將離子推動到徑向向內(nèi)和向上的方向。在較大的 或負(fù)的電極6的下表面上，由于電極底部的電場的軸向分量(z)的反 轉(zhuǎn)的方向，離子的向上移動反轉(zhuǎn)，并且這依次使磁場的方向反轉(zhuǎn)。相比于進(jìn)一步遠(yuǎn)離第一電極4的上區(qū)域中的力，該區(qū)域中的力 被視為較弱的，導(dǎo)致了軸向分量(z)的方向中的凈力。較正的較小的 電極4附近的離子經(jīng)歷相似的移動，但是處于軸向分量(z)的相反方 向中。
原動力(即推力)是來自特定電極的全部體表面上的壓力(通過 同高能離子的碰撞而產(chǎn)生)的凈力，導(dǎo)致了電極4上的凈力5和相對 第一電極4上的凈力5的相反方向中的電極6上的凈力7。關(guān)于每個電 極的凈力在線9的方向中對準(zhǔn)，但是處于相反的方向中(即，沿坐標(biāo) 軸系統(tǒng)中的z軸)。由于電極表面積的差異，電極6上的凈力大于電 極4上的凈力。使用非對稱電容器的整體系統(tǒng)，不論供電電壓的極性 如何，在線9的軸向方向中，gp，在從負(fù)的或較大的電極到正的或較 小的電極的線的方向中，獲得了合成凈力26，其是力5、 7的矢量和。
盡管相關(guān)聯(lián)的電子的移動與離子的移動完全相反，但是相比于離 子的動量轉(zhuǎn)移，電子的動量轉(zhuǎn)移被視為不重要的和可忽略的。因此， 離子針對中性粒子的動量轉(zhuǎn)移被視為對凈原動力有貢獻(xiàn)的主要機(jī)制。 在遠(yuǎn)離關(guān)于較小的電極4的較大的電極6的遠(yuǎn)端的方向中，創(chuàng)建了粒 子的離子噴射器18，其可以進(jìn)一步自電容器發(fā)出力。
由傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場引起的洛倫茲力的量級，相比于靜電力的 量級，通常是可忽略的。然而，可以確信，當(dāng)?shù)入x子體的局部電流密 度由歐姆加熱和提高傳導(dǎo)率而戲劇性地增加時，在其中強(qiáng)磁場是可行 的局部地點，洛倫茲力是顯著的。在該地點，數(shù)量級可以是每平方厘 米百萬安培，由此洛倫茲力與靜電力相當(dāng)，或者比其更大。
有了對非對稱電容器的操作的基本理解，將注意力轉(zhuǎn)向?qū)Ρ景l(fā)明 的方面的進(jìn)一步討論。在至少一個實施例中，在非對稱電容器的電極 之間的介質(zhì)體積中產(chǎn)生粒子的增強(qiáng)離子化的環(huán)境，提高了荷電粒子的 密度、粒子的溫度或者此兩者均提高。增強(qiáng)的荷電粒子可以提升至等離子體水平的環(huán)境，其可被根據(jù)等離子體的密度和平均等離子體的溫 度(并且因此影響粒子速度)而受到控制。術(shù)語"等離子體"通常意 指電中性的高度離子化的氣體，其由離子、電子和中性粒子組成。其 是區(qū)別于固體、液體和正常氣體的物質(zhì)相態(tài)。
通過將電磁輻射，諸如紫外輻射、紅外輻射、射頻輻射、其他頻 率、或者它們的組合提供到粒子中，產(chǎn)生了粒子的增強(qiáng)離子化環(huán)境。
該環(huán)境通常至少包括部分等離子體。 一個或多個電磁輻射源20、 20A 可用于提供該輻射。有利地，依賴待離子化的粒子，可以使用特定波 長的輻射，以將粒子提升至等離子體狀態(tài)?？捎膳c電源8相同的一個 或多個電源22、 22A為源20、 20A供電。
在不增加電源8針對電容器的輸入功率的情況下，可以提高由根 據(jù)此處的教授內(nèi)容的非對稱電容器得到的凈力的值。無疑地，對于電 磁輻射源，需要輸入功率用于離子化，并且可能產(chǎn)生受控等離子體環(huán) 境。然而，針對系統(tǒng)的凈增益可以以相當(dāng)大的容限，甚至一個數(shù)量級 或更多，為電場賦能。
通過將電磁輻射施加到電極之間的體積中，可以進(jìn)一步為由針對 電極的功率產(chǎn)生的電磁場中的粒子賦能。該電磁輻射可以增加電極之
間(包括電場中的粒子的體積)的等離子體的密度。通過使用可替換 的電磁輻射源，該電磁輻射還可以增加等離子體的溫度，其增加粒子 的速度。在某些實施例中，電場可以增加等離子體密度和溫度。而且， 可以在顯現(xiàn)相當(dāng)大的非對稱能量場之前為電場賦能。
增加等離子體密度和/或等離子體溫度允許增加迄今為止作為關(guān) 于功率輸出的限制因素的來自非對稱電容器系統(tǒng)的凈力，盡管為此已 進(jìn)行了數(shù)十年的努力。在下文中得到更全面的描述的被稱為"空間電 荷限制電流"的術(shù)語是來自飽和發(fā)生之前的給定空間中的離子的最大 電荷量，并且限制了另外的電荷。增加飽和值可以允許增加凈力和功率輸出。
現(xiàn)有的努力集中于具有附帶限制和復(fù)雜度的高電壓。本發(fā)明發(fā)展 了一種可替換的和改進(jìn)的方法，其通過允許使用關(guān)于非對稱電容器的 相對低的電壓，并且通過一個或多個波長的電磁輻射放大針對粒子的 能量，增加等離子體密度和/或溫度，附帶增加飽和水平。結(jié)果是非預(yù) 期的非線性響應(yīng)，相比于使用相同電壓的任何已知的非對稱電容器配 置，其極大地增加了作為來自非對稱電容器的輸出的凈力。在某些實 施例中，該增加是一個數(shù)量級或更多。有利地，低電壓可以減少或消 除迄今為止由所需用于為非對稱電容器引擎賦能的高電壓電平導(dǎo)致的 不利效應(yīng)。
而且，本發(fā)明人確定，將粒子噴射到電場中，由于通過增加的飽 和值導(dǎo)致的使用額外的粒子的增加的能力，增加了本發(fā)明的系統(tǒng)可容 許的生成力。噴射粒子可以包括氣體粒子、諸如氫、氦、或其他的氣 體和材料。該噴射可以是對非對稱電容器操作于其中的介質(zhì)的補(bǔ)充或 該介質(zhì)的替換。而且，噴射粒子可以增強(qiáng)非對稱電容器在小于標(biāo)準(zhǔn)壓 力條件(l個大氣壓)下的操作，諸如相對真空的空間或者其他的低壓 力的或者基本無壓力的條件。
圖2a、 2b、 2c是根據(jù)本發(fā)明的具有荷電粒子的非對稱電容器的示 意圖，其對比了力的矢量和的顯著提高。圖2a是關(guān)于圖1的更加簡化 的形式的基線非對稱電容器的荷電粒子的示意圖。第一電極4和第二 電極6具有不同的暴露于待賦能的粒子的表面積，并且形成了基本非 對稱電容器2的設(shè)置。電極之間的粒子16 (即電磁場28中的粒子)具 有特定的密度和速度24。該速度指出了特定粒子的能級，并且因此指 出了溫度。如圖1中所描述的，粒子的相互作用在整個非對稱電容器 上產(chǎn)生了凈力，其被說明為力26。
圖2b是具有施加的電磁輻射的非對稱電容器的荷電粒子示意圖，其說明了增加的粒子密度。向粒子施加電磁輻射，在關(guān)于非對稱電容 器的合成凈力方面，顯著地提供了增加的功率輸出?？梢源_信，電磁
輻射的應(yīng)用增加了等離子體的密度。電極4、 6可以操作于給定的功率 電平。電磁輻射源20可以將電磁輻射施加到粒子16，以向粒子提供能 量。更具體地，在至少一個實施例中，可以通過激光器、 一個或多個 發(fā)光二極管(LED)或者其他的光子發(fā)射源，施加電磁輻射。該輻射用 于產(chǎn)生電極之間的介質(zhì)的至少部分離子化，該介質(zhì)通常包括非對稱電 容器在其中操作的介質(zhì)。有利地，激光器使用的波長可以是相對短的 波長，諸如紅外(IR)和紫外(UV)或更短。例如，光離子化的研究 指出，在關(guān)于02的約1024 nm或更低的并且關(guān)于N2的約798 nm或更 低的特定頻率下，這些大氣分子均將光離子化，并且以同通過高電壓 離子化的分子相似的方式，變?yōu)轭A(yù)備由電場操縱。盡管該頻率可以隨 著不同的離子化效率而改變，但是商業(yè)可行的頻率范圍確信為關(guān)于02 的約750 nm 約1024 nm，以及關(guān)于N2的約248 nm 約798 nm。該 氣體專用頻率有時被稱為Fraunhofer頻率。這些諧波頻率通過相對小 的能量輸入引起特定的氣體離子化。用于準(zhǔn)備等離子體產(chǎn)生的用于使 粒子離子化的較少的能量，對于每個能量輸入單位，貢獻(xiàn)較多的力輸 出。
而且，可以向介質(zhì)提供頻率組合。在上文的示例中，如果介質(zhì)是 包括大量的氧和氮的空氣，則關(guān)于每種成分的特定頻率處的能量可以 施加到該介質(zhì)，以實現(xiàn)更加有效率的離子化。而且，可以以多種頻率， 某種短波和其他的長波，而應(yīng)用其他的電磁輻射，其可以向粒子添加 額外的能量。該頻率可以同時施加到粒子，或者以步進(jìn)的方式和以與 施加到電容器的電壓的順序分立的或者與其組合的順序，施加到粒子。 該同時或順序施加有利地導(dǎo)致了關(guān)于引擎的較高的效率。
另一輻射源使用具有高能毫微微秒脈沖的248 nm的激光使空氣 離子化(可能為10U粒子/立方厘米)。而且，該系統(tǒng)可以使用更長的 波長，諸如750 nmlR，用于通過與其他的粒子重新組合，以減少不會
20以任何重要方式對力有貢獻(xiàn)的中性粒子，減少不利地發(fā)生的等離子體 的中和，使等離子體穩(wěn)定。待應(yīng)用的頻率是示例性的，并且極大地依 賴于非對稱電容器在其中操作的介質(zhì)和待賦能的特定粒子，如在提供
此處包含的指導(dǎo)和公開內(nèi)容前提下本領(lǐng)域的技術(shù)人員在勿需進(jìn)行不適 當(dāng)?shù)膶嶒灥那闆r下所確定的。該人員通常包括物理學(xué)技術(shù)人員，諸如 等離子體物理學(xué)技術(shù)人員。通過不同于現(xiàn)有的對跨越非對稱電容器的 電極的電壓的單一依賴的方式，本公開內(nèi)容通常有效增加了針對粒子 的賦能，以產(chǎn)生等離子體，并且產(chǎn)生相對大的力。
通過利用電磁輻射，諸如UV和/或IR光，使非對稱電容器內(nèi)部和
周圍的體積中的粒子離子化，介質(zhì)的密度和能量增加到產(chǎn)生至少部分 等離子體的點。通過電場和磁場可以加速和駕馭該等離子體，其允許 控制和施加該等離子體。
增加的等離子體密度和溫度具有雙重優(yōu)點其提供了數(shù)目更多的
用于引發(fā)分子碰撞的粒子和相同體積中的進(jìn)一步的離子化；并且還增
加了粒子的能量，其在碰撞過程中賦予了更大的能量。增加的離子化
的能力導(dǎo)致了相比于圖2a的更多的影響和更大的凈力26。
增加的等離子體密度可以允許減少關(guān)于給定凈力的針對電極的電 壓，以及減少負(fù)的高電壓效應(yīng)。由于將UV或IR頻率或其他的電磁能 量施加到粒子，該較低的電壓是可行的。
可以確信，本發(fā)明還致力于空間電荷限制電流的飽和時的兩個不 同的限制物理規(guī)律。 一種類型是來自負(fù)電極的電子發(fā)射的飽和，并且 其被確信為還包括來自正電極的離子發(fā)射。例如，在真空二極管中可 以觀察到該現(xiàn)象。通常，來自陰極的電子的發(fā)射速率支配空間電荷限 制電流的飽和，這是因為該發(fā)射速率受到來自加熱陰極的熱電子發(fā)射 的限制。這意味著，該發(fā)射速率顯現(xiàn)為在特定的施加電壓處達(dá)到其最 大值。第二種類型的飽和是電極周圍的等離子體殼層區(qū)域中的電子密度 (以及離子密度)的飽和?？梢源_信，對于非對稱電容器的情況，該 第二飽和相比于所提及的第一飽和，更具決定性，這是因為通過與父 荷電粒子碰撞使介質(zhì)(諸如空氣)離子化，以形成等離子體。
下面是對結(jié)構(gòu)表面(在該情況中是電極表面)附近的等離子體所 呈現(xiàn)的一般現(xiàn)象的簡要解釋。等離子體趨向于屏蔽施加于其的電勢， 并且該屏蔽的邊緣基于該等離子體的密度和溫度變化。該屏蔽的厚度
被稱為"德拜(Debye)長度"，并且該等離子體屏蔽內(nèi)部的區(qū)域被稱 為關(guān)于壁附近的區(qū)域的"德拜球"(不必在壁附近)或者"等離子體 殼層，，。
德拜長度與電子溫度的平方根成比例，并且與等離子體密度的平 方根成反比。例如，使用離子密度1.0E+15粒子每立方米("#/m3") 和10 KeV的電子溫度，考慮該長度的粗略估計，所獲得的結(jié)果是約2.3 cm的德拜長度(或離子云厚度)。如果在不改變密度的情況下增加等 離子體的溫度，特別是電子，應(yīng)可以觀察到德拜長度或殼層厚度的擴(kuò) 展。另一方面，如果在不增加溫度的情況下增加等離子體的密度，則 應(yīng)可以觀察到德拜長度或殼層厚度的收縮。
在等離子體殼層中，存在由于電子和離子速度的差異引起的勢能 梯度。在負(fù)電極上產(chǎn)生的殼層趨向于抵制過多的進(jìn)入電子，并且在正 電極上產(chǎn)生的殼層趨向于抵制過多的進(jìn)入離子。該屏蔽導(dǎo)致了殼層內(nèi) 部的離子和電子密度的穩(wěn)定狀態(tài)。
在描述圖2c之前參考圖2d，圖2d示出了 Langmuir靜電探針的伏
安特性，作為由于向非對稱電容器提供電磁輻射而發(fā)生的飽和中的變 化的可行解釋。由于實際的電子電流遠(yuǎn)大于離子電流(諸如三個數(shù)量 級)，因此該電流未正確地符合比例。為了生成該曲線圖，改變施加到探針(未示出)的電壓，并且測 量由探針收集的電流。Vf是等離子體浮動電勢(即，關(guān)于凈零電流的 探針電勢)，并且Vp是等離子體電勢?？梢葬槍Ψ菍ΨQ電容器的情況
類推該特性?？紤]Vf點作為恰好在將電壓施加到系統(tǒng)之前的條件，艮P，
零。如果將可變電壓施加到系統(tǒng)，則下面的情況同樣可能發(fā)生。在初 始階段，由于離子和電子電流的增加，電流增加。對于負(fù)電極，這可
以參看從Vf到B的V-I特性，對于正電極，這可以參看從Vf到C的 V-I特性。當(dāng)所施加的電壓達(dá)到負(fù)電極的電勢變?yōu)?Vf的點時，離子電 流達(dá)到其穩(wěn)定狀態(tài)，g卩，離子電流飽和。該電流被稱為"Bohm電流"。 盡管由于電子電流在正電極的電勢為+Vf的點處仍然增加導(dǎo)致總電流 仍然增加，但是假設(shè)Vp-2VfM)，達(dá)到了該穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)施加的電壓達(dá) 到正電極的電勢變?yōu)閂p的點時，則由于電子電流達(dá)到其穩(wěn)定狀態(tài)，因 此總電流飽和。然而，如果施加的電壓進(jìn)一步增加到這樣的值，其使 等離子體殼層內(nèi)部的勢能落差大于用于使原子離子化的勢能，則電流 在點D處突然增加。在某些不具有此處公開的改進(jìn)方案的電容器中， 點D對應(yīng)于23kV 30kV的范圍。超過該點的增加的電壓不會產(chǎn)生重 要的和相應(yīng)的優(yōu)點。
考慮兩個不同的示例性非對稱電容器的性能，其具有不同的施加 電壓，如情況1的關(guān)于30 KV的1克/瓦和如情況2的關(guān)于110 KV的 324克/瓦，可以位于V-I特性曲線上。情況2位于關(guān)于正電極的Vf和 C之間的曲線上的某個點，并且位于關(guān)于負(fù)電極的Vf和B之間的曲線 上的某個點。在某些情況中，該點可以離開點B，但是通常應(yīng)關(guān)于正電 極同該點對稱，以獲得較大的力。
情況1位于飽和電子電流狀態(tài)，即關(guān)于正電極的C和D之間的某 個點，并且位于關(guān)于負(fù)電極左側(cè)的對稱點。可以確信，使用UV、 IR 或RF或者02和N2分子的其他的電磁輻射的光離子化、加熱或其組合， 充分地增加了能量電平，使一個或多個電子離開各自的原子(此處"離子化")，其將以同高電壓離子化的分子相似的方式，準(zhǔn)備好由電場 操縱的粒子。足夠的能量產(chǎn)生了等離子體。可以確信，由于呈現(xiàn)出離 子化應(yīng)改變殼層內(nèi)部的等離子體密度并改變殼層內(nèi)部的等離子體狀 態(tài)，因此離子化改變了空間電荷限制電流的飽和?，F(xiàn)在，觀察該V-I
特性曲線，離子化將增加等離子體電勢Vp以及Vf。因此，曲線將移 位至右側(cè)。該移位將增加飽和電流值。Bohm電流被表達(dá)為
其中n。是本底等離子體密度，e是電子電荷，A是探針的表面積，K是 玻爾茲曼(Boltsmann)常數(shù)，Te是電子溫度，而M是離子質(zhì)量。該式 還指出了，通過增加等離子體密度和電子溫度，可以增加離子電流的 飽和值?？梢源_信，這對于電子電流也是成立的。
圖2c是具有電磁輻射的本發(fā)明的增強(qiáng)方案的荷電粒子的示意圖， 其說明了所得到的增加的粒子密度和速度。增加能量可以增加速度。 使用UV和/或IR光進(jìn)行的離子化可以產(chǎn)生弱離子化(即部分)等離子 體。而且，UV和/或IR光作為電磁輻射的形式，可以顯著增加等離子 體密度。除了施加來自電磁輻射源20的電磁輻射之外，如果應(yīng)用用于 加熱等離子體的某些其他的方法，則飽和電流值將進(jìn)一步增加。通過 由另一電磁輻射源20A施加具有不同頻率的電磁輻射，可以獨立于等 離子體密度增加，執(zhí)行該等離子體加熱。有利地，使用來自源20、 20A 的多個頻率，可以利用等離子體密度增加和等離子體加熱。在一個實 施例中，源20、 20A可以能夠輻射多種波長的單一的單元或多個單元。 自荷電粒子轉(zhuǎn)移的賦予中性粒子的總動量(P)是質(zhì)量X速度的積 (p=mv)。因此，在圖2c中從荷電粒子16轉(zhuǎn)移到中性粒子的總動量 (在圖3中被示出為粒子16A、 16B、 16C)，具有區(qū)域28中的較大數(shù) 目的較大的質(zhì)量以及由于較大速度引起的溫度增加而導(dǎo)致的較高的能
存在數(shù)種用于向等離子體添加能量的方法。 一種方法是使用射頻 (RF)電磁輻射。在該方法中，通常存在三種不同的應(yīng)用頻率范圍電子回旋加速頻率、較低的混合頻率和離子回旋加速頻率。另一方法 是使用噴射到等離子體中的中性束的方法。在該方法中，將高速中性 粒子噴射到等離子體中，并且這些高能中性粒子通過與較少能量(低 速)的離子碰撞而丟失電子，變?yōu)楦吣?高速)離子，該較少能量的 離子通過接收這些電子而變?yōu)榈退僦行粤Ｗ?。然而，該方法需要用?產(chǎn)生該高速中性束的設(shè)備，并且這需要大的電源。另一方面，通過使
用與例如微波爐相似的磁控管和電源，可以實現(xiàn)等離子體的RF加熱。
這些提及的加熱方法使用外部源。在不使用這些外部源的情況下， 可以合理地預(yù)期，通過歐姆加熱和由于系統(tǒng)中的磁性壓力引起的壓縮 的加熱，可以內(nèi)部實現(xiàn)等離子體的某種加熱。然而，由于等離子體的 電阻率逆反地依賴于其(電子)溫度的3/2功率，因此當(dāng)?shù)入x子體溫度 增加時，歐姆加熱變得效率較低。因此，在這一點上，使用外部加熱 源是非常有效率的。在通過該方法使系統(tǒng)中的電流增加之后，可以通
過磁性壓縮進(jìn)一步加熱等離子體，這是因為，可以預(yù)期，在這一點上， 在系統(tǒng)中產(chǎn)生了非常強(qiáng)的磁場。這些不同的加熱方法的排序或連接可 以是系統(tǒng)加熱的非常有效率的方法。
在至少一個實施例中，本公開內(nèi)容使用同RF加熱組合的UV和/ 或IR光離子化。使用上文略述的方法，增加等離子體的密度，特別是 同增加等離子體能量并因此增加速度和等效溫度組合，將提高系統(tǒng)的 原動力。在圖2c中，凈力26 (未依比例)的增加相比于圖2b、 2a被 說明為較大的?？梢源_信，該方法可以將原動力提高數(shù)個數(shù)量級。
除了非對稱電容器2操作于其中的具有粒子的介質(zhì)之外，可以將 其他的氣體提供給非對稱電容器，以補(bǔ)充該介質(zhì)或者代替該介質(zhì)。例 如，當(dāng)介質(zhì)是空間或者其他的無粒子或低粒子的介質(zhì)時，可能出現(xiàn)對 補(bǔ)充的需要。例如，可以使用氫或氦，其具有不受大氣限制，具有對 于UV或IR光離子化的單一頻率的減少的UV或IR波長復(fù)雜度的優(yōu)點， 并且允許針對氫離子溫度增加效應(yīng)，最優(yōu)化RF頻率。而且，氣體的組
25合可以替換單一的氣體。而且，諸如汽化汞的粒子或者其他的用于產(chǎn) 生和維持推進(jìn)力和其他的力的粒子，可被噴射到非對稱電容器操作于 其中的體積中。
圖3是經(jīng)歷同荷電粒子的碰撞的中性粒子動量的原動力的示意 圖。該圖說明了中性粒子如何通過電容器對凈力有貢獻(xiàn)。其說明了主
要的力來源，即從圖2b、 2c中的荷電粒子16到中性粒子16A、 16B、 16C的動量轉(zhuǎn)移。具有向上的矢量的粒子16A對向上的推力有正的貢 獻(xiàn)。具有向下的矢量的粒子16B對向上的推力有負(fù)的貢獻(xiàn)。僅具有水 平矢量的粒子16C對該推力沒有貢獻(xiàn)。第一電極4上的凈力5A通常是 向下的，第二電極6上的凈力7A通常是向上的，并且非對稱電容器2 上的合成的新的力是力5A和7A的矢量和，導(dǎo)致了凈力26。該力可以 同作用在物理推進(jìn)單元上的推力相關(guān)。某些額外的力可以得自離子噴 射器和通過重新導(dǎo)向的荷電粒子泵浦的相關(guān)聯(lián)的空氣。
此外，通過產(chǎn)生脈沖功率，替換穩(wěn)定功率，可以實現(xiàn)進(jìn)一步的高 效性。該系統(tǒng)可以使施加到粒子的電磁輻射、施加到至少一個電極的 電壓或者它們的組合脈沖化。存在數(shù)種用于產(chǎn)生脈沖功率的選擇。當(dāng) 脈沖功率使平均能量消耗下降時，其可以是更加有效率的。例如，且 無限制地，在使施加的功率脈沖化時( 100Hz正時， 10ms脈沖持 續(xù)時間)，由 lmA 25 kV DC穩(wěn)態(tài)供電的標(biāo)準(zhǔn)非對稱電容器的實 驗和建模，論證了未測得力的減小。
另一變化方案是通過表面的紋理，孔隙率或者所提供的穿通開口， 控制一個或多個電極上的表面積。例如，通過提供穿過電極的開口， 可以增加電極上的表面積。有利地，該開口可以位于電極中，以協(xié)助 影響粒子流入或流出電極之間的場。
而且，可以通過附加粒子的源，使用氧化物或者其他的材料涂覆 電極，以增加力?？梢酝ㄟ^高能離子轟擊該涂層，并且中性粒子和涂層粒子將添加到等離子體中的其他粒子。
非對稱電容器可以用作聯(lián)接到該電容器的結(jié)構(gòu)的或者用于引導(dǎo)自 電容器發(fā)出的能量的"引擎"。該引擎實際上可用于任何領(lǐng)域，包括 且無限制地，有人操縱和無人操縱的，空中、陸地、空間(通過將粒 子噴射到引擎系統(tǒng)中增強(qiáng))和航海交通工具，并且實際上可用于任何 需要原動力用于移動的設(shè)備或系統(tǒng)，或者用于可自電容器發(fā)出和導(dǎo)向 的能量的體積中。而且，本發(fā)明可應(yīng)用于小的物體，包括納米尺寸的 物體，并且可以應(yīng)用于相對大的物體。本發(fā)明的另一用途是生成自裝 置向外導(dǎo)向的能量流或等離子體流。
在至少一個實施例中，非對稱電容器具有很少的移動部件，并且 稍微考慮到如產(chǎn)生動力的典型的旋轉(zhuǎn)引擎中提供的空轉(zhuǎn)，可以隨意打 開和關(guān)閉該引擎。使用大氣空氣或者使用離散介質(zhì)，諸如氫、氦或其 他的介質(zhì)替換大氣空氣的本發(fā)明，具有"數(shù)字"推力系統(tǒng)的特性，其 中其可以是固態(tài)的，具有小的模擬部件到?jīng)]有模擬部件，諸如泵、點 火系統(tǒng)、流體燃料控制、壓縮機(jī)、渦輪機(jī)和噴嘴控制。來自燃料電池 的電能可以切換到陰極和陽極、UV和/或IR固態(tài)光發(fā)射二極管和激光
器、以及固態(tài)RF發(fā)射器?？梢酝ㄟ^與整體交通工具控制系統(tǒng)要求相稱
的在時間線上從零開始到最大值的任何值，控制推力。模擬等效方案 通常具有持續(xù)的啟動循環(huán)，并且還可以具有最小空轉(zhuǎn)條件，以及比整
體控制系統(tǒng)需要所需要的長很多的加速時間線。因此，作為原動力引 擎的具有此處的改進(jìn)方案的非對稱電容器可被稱為"數(shù)字"引擎。
而且，該系統(tǒng)可以包括用于非對稱電容器2和/或電磁源20、 20A 的便攜式電源。 一種提供便攜性的方法是使用化學(xué)-電學(xué)功率轉(zhuǎn)換。該 技術(shù)包括由氫、石蠟、石油和其他燃料供電的燃料電池；光子俘獲 或太陽能面板；人工增強(qiáng)光合作用；和遺傳修改的有機(jī)體。其他的技 術(shù)包括太陽能、諸如電池中存儲的能量、受控聚變和裂變、以及其他 的提供自固定位置附裝到以此處公開的方式使用非對稱電容器的移動物體的電源的源。術(shù)語"固定位置"是廣義使用的，并且包括例如地 面、固定結(jié)構(gòu)，或者以相對于非對稱電容器的不同方向或速度運動的 物體，以及任何聯(lián)接到該電容器的結(jié)構(gòu)。
可以經(jīng)驗地實現(xiàn)性能預(yù)測、優(yōu)化和調(diào)整。另一方法是使用等離子 體模擬。有關(guān)該系統(tǒng)的分析的問題是高度非線性的，并且其表明，等 離子體的磁流體動力學(xué)(MHD)處理是適當(dāng)?shù)模@是因為電極周圍的
等離子體的時間演化以自洽的方式使電場和磁場的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。由于 該系統(tǒng)中的等離子體是弱離子化的部分等離子體，因此雙流體或三流
體MHD處理對于預(yù)測性能是有用的。對于該問題等離子體的動力學(xué)處 理可能是沒有必要的，這是因為，可以確信電子和離子的速度分布類 似于麥克斯韋(Maxwellian)分布。然而，由于可能考慮由輻射(包括 黑體輻射、Bremsstrahlung輻射和雜質(zhì)輻射)引起的能量損失，以及 MHD處理不能預(yù)測的等離子體中的微觀不穩(wěn)定性，因此在效率、品質(zhì) 和控制方面，該處理在設(shè)計更加實用的設(shè)備時是有用的。
示例1
在至少一個實施例中，電磁輻射，諸如光(UV禾卩/或IR)和RF 能量，可被遞送到非對稱電容器系統(tǒng)的體積中。電極可以至少部分是 銅、鋁或者其他的傳導(dǎo)材料?？梢允褂靡粋€或多個多孔電極，以增加 總的表面和Bohm電流。 一個或多個(諸如環(huán)形LED陣列)電磁輻射 源附裝到陽極上面的位置、陽極和陰極之間的位置、陰極下面的位置 或者它們的任何組合，以為電極之間的粒子賦能(至少位于電極周圍 的場中的某處)。另一電磁輻射源可以是RF發(fā)射器設(shè)備，其使用具有 可變頻率的脈沖磁控管。在某些實施例中，具有可變頻率的10 kW脈 沖磁控管是優(yōu)選的?？梢允褂蒙虡I(yè)成品的激光器或LED陣列和RF設(shè) 備。有利地，將電磁輻射源附裝到非對稱電容器的方法允許該源均勻 地處理等離子體。商用激光器使用具有高能毫微微秒脈沖的248 nm的 激光線使空氣離子化(可能為K)U賴cm3)，并且還使用較長波長的激 光器(諸如750 nm紅外激光器)使等離子體穩(wěn)定。術(shù)語"穩(wěn)定"意指，該相對較長波長的激光減少或防止等離子體自身通過離子重組而中 和。然而，由于電子回旋加速頻率和離子回旋加速頻率依賴于磁場強(qiáng) 度，并且可以預(yù)期該強(qiáng)度在系統(tǒng)中變化，因此需要改變由該設(shè)備生成
的頻率，以便于均勻加熱周圍的等離子體。DC電流的波形調(diào)制增強(qiáng)了 離子化。通過可變的輸出電流電壓，增強(qiáng)了性能調(diào)整。
圖4是非對稱電容器引擎100的一個實施例的示意圖。所列出的 部件僅是示例性的并且不具有限制。其中可以替換、添加或除去其他 的部件。通常，引擎100包括非對稱電容器110，其包括陽極112和陰 極114，如上文所述?？梢允褂靡粋€或多個電磁輻射源120、 122，以 在電極附近的體積中向粒子提供一個或多個波長的輻射，亦如上文所 述。例如，且無限制地，電磁輻射源120可以包括由一個或多個激光 器提供的UV或IR光的光源。相似地，且無限制地，電磁輻射源122 可以包括可由諸如一個或多個磁控管提供的RF源。由于電子回旋加速 頻率和離子回旋加速頻率依賴于磁場強(qiáng)度，并且該強(qiáng)度在系統(tǒng)中變化， 因此可以改變由該設(shè)備生成的頻率，以便于均勻加熱周圍的等離子體。 電源118可以聯(lián)接到非對稱電容器110，以向至少一個電極提供電力。 電源118可以是能夠向陽極和陰極遞送能量的任何適當(dāng)?shù)碾娫?。該?源118還可以向一個或多個電磁輻射源120、 122提供能量?？商鎿Q地， 該電源可以是能夠向單獨元件遞送電力的多個單元。粒子源126可以 聯(lián)接到非對稱電容器，以提供引擎操作于其中的介質(zhì)中的粒子以外的 粒子，或者替換該粒子。例如，該源可以是壓縮氣筒，或者其他的用 于供應(yīng)粒子的存儲設(shè)備。
圖5a是使用非對稱電容器的系統(tǒng)的一個實施例的剖面視圖的示意 圖。引擎100包括非對稱電容器110，其具有陽極112和陰極114。在 一個實施例中，相比于陰極，陽極可由一個或多個高孔隙率的相對薄 的盤、葉片、或線制成，其通常具有較大的表面積。不作為限制地， 陰極114可由高孔隙率的相對厚的鋁盤制成?；诎姌O的系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)完整性的限制，以及其他的諸如穩(wěn)定性的考慮，確定孔隙率水平。電極表面可以涂覆有諸如氧化物膜這樣的材料或其他涂層，以進(jìn)一步 提高性能。
電磁輻射源120，諸如激光器或LED設(shè)備，可以是任何適當(dāng)?shù)募?光器或者其他的向待離子化的粒子遞送所需波長的設(shè)備。對于該粒子， 無限制地，示例性波長可以在UV和IR范圍中，諸如，對于02小于等 于1024 nm，并且對于N2小于等于798 nm。還可以使用電磁輻射源122， 諸如RF加熱設(shè)備，如上文所述。
而且，可以將一個或多個反射器124安置在待離子化的區(qū)域中或 其周圍。該反射器通過更加均勻地使分子光離子化和加熱等離子體， 并且通過重新導(dǎo)向遠(yuǎn)離電容器場耗散的能量，可以提高激光設(shè)備和/或 RF加熱設(shè)備的效率。通常， 一個或多個支架116a、 116b、 116c、 116d 將直接地，或者通過聯(lián)接到其他的周圍結(jié)構(gòu)的其他支架(諸如引擎殼 128)而間接地支撐陽極、陰極、反射器、或者其任何組合。引擎100 可以進(jìn)一步聯(lián)接到下文所述的較大的結(jié)構(gòu)。為了協(xié)助聯(lián)接，可以使用 一個或多個引擎支架106。
電源118可以向陽極112、陰極114、電磁輻射源120 (諸如激光 器或LED)、電磁輻射源122 (諸如RF源)、或者其任何組合供電。 粒子源126可以直接或間接聯(lián)接到非對稱電容器110，以向電容器提供 補(bǔ)充的或主要的粒子(諸如在空間中)。 一個或多個噴射噴嘴126A和 /或126B可以將來自粒子源126的粒子導(dǎo)向電極之間的入口或者空間， 以提供均勻的和受控的粒子噴射?？梢蕴峁┳怨潭ㄎ恢?04開始的電 力管線102。可替換地，電源118可以是便攜式電源，其在執(zhí)行重新刷 新或重新充電之前的至少某些時間周期中是獨立于固定位置的機(jī)內(nèi)電 源。
圖5b是圖5a中示出的實施例的頂視示意圖。在至少一個實施例 中，引擎100的陽極112和/或陰極114可以包括一個或多個開口 136，
30以便于增加具有該開口的特定電極的退出表面積。該開口可以以適當(dāng) 的式樣配置，以產(chǎn)生渦環(huán)或者其他的式樣，用于提高電容器的效率和
得到的力。開口 136可以允許空氣或者陰極或陽極在其中操作的其他 介質(zhì)通過電極進(jìn)入陽極、陰極或此兩者之間的區(qū)域中。該增加的表面 積可以向引擎100提供更高的效率。
圖6是關(guān)于一個示例性實施例的功率預(yù)算的示意圖?？梢允褂蒙?文提到的電源118，通過專門用于上文提到的陽極和陰極的第一電源部 分130，為非對稱電容器供電。不作為限制地， 一個示例性瓦數(shù)范圍是 約200瓦(W)或更大，但是可以適當(dāng)?shù)目s放該值，以使關(guān)于具體應(yīng)用 的性能最優(yōu)化?？梢允褂玫诙娫床糠?32為上文提到的激光設(shè)備或 LED陣列供電。相似地， 一個示例性瓦數(shù)范圍是約300瓦(W)或更 大?？梢允褂玫谌娫床糠?34為上文提到的RF加熱設(shè)備供電。對于 該實施例， 一個示例性瓦數(shù)范圍是約1500瓦(W)或更大。該電源部 分可被形成為單個電源或多個電源。自然，其他的實施例可以具有不 同的功率預(yù)算，并且該實施例僅是說明性的。
本公開內(nèi)容提供了待聯(lián)接到非對稱電容器的結(jié)構(gòu)，由此來自該非 對稱電容器的原動力可以向該結(jié)構(gòu)提供推力。該結(jié)構(gòu)可以支撐裝備、 一個或多個人或者其他的活的有機(jī)體、或者其他感興趣的物品，其在 此處被廣義地稱為"有效載荷"。
圖7a是無人駕駛飛行器(UAV)的一個實施例的示意性透視圖。 圖7b是圖7a的實施例的示意性頂視圖。圖7c是圖7a的實施例的示意 性側(cè)視圖。將相互結(jié)合地描述這些圖。UAV 150包括聯(lián)接到一個或多 個非對稱電容器引擎100的框架152。每個引擎可以具有上文所述的引 擎的形式，其具有陽極、陰極、以及一個或多個電磁輻射源，諸如一 個或多個光子發(fā)射器設(shè)備(諸如激光器)和加熱設(shè)備、或者其某些組 合。該UAV還包括多種電子裝置154，其適于控制該UAV。在至少一 個實施例中，可以通過電力管線102向UAV供電，該電力管線102可以聯(lián)接到諸如在地面上或其他的固定位置104的遠(yuǎn)程電源。在某些實 施例中，可以在該UAV自身上提供電源118。該UAV還包括傳感器 156、 103，以提供圖像、電磁和數(shù)據(jù)捕獲內(nèi)容用于處理和顯示。
有利地，UAV 150可以包括三個引擎，盡管也可以使用更多或更 少的引擎。三個引擎有助于提供平面控制，諸如UAV的斜度、轉(zhuǎn)動， 并且可能提供UAV的偏航。
該UAV以及由引擎100驅(qū)動的其他的物體的一個優(yōu)點在于相對低 的聲音、電磁和/或雷達(dá)截面特征。該特征對于某些交通工具和運載工 具是特別有用的。
自然，其他的實施例可以包括有人駕駛飛行器或地面懸浮交通工 具、和導(dǎo)彈、以及陸上的、水下的、水面的、空氣中的或空間中的其 他物體的載機(jī)。本發(fā)明創(chuàng)建了通用的原動力系統(tǒng)，其通常用于推進(jìn)。 本發(fā)明還可以生成導(dǎo)向裝置向外方向的能量流或等離子體流。在一個 實施例中，該引擎不具有移動部件，并且可以減少包括購置和維護(hù)成 本的所有者的總成本。
在至少一個實施例中，某些示例性設(shè)計特性是可變的和延伸的范 圍；可變的速度和高速度的能力；低的聲音、電磁和RCS特征；可變 的脈沖供電，在約120 160+VDC或VAC， 1.6 16+A， 2+kW的 范圍中；和由于具有很少的需要某種小維修解決對節(jié)點的侵蝕的移動 部件而引起的低的維持成本。
圖8a是有人駕駛飛行器(MAV) 170的一個實施例的示意性透視 圖。圖8b是圖8a的實施例的示意性前視圖。將相互接合地描述這些 圖。該MAV還可以用作地面懸浮交通工具。MAV 170通常包括框架 172、子框架174以及通過適當(dāng)?shù)目刂婆c框架聯(lián)接的一個或多個引擎 100。框架172的形狀和尺寸通常被設(shè)計用于一個或多個人。人機(jī)工程特征可以變化，并且在至少一個實施例中，其可以類似于飛行器飛行
座椅。子框架174由結(jié)構(gòu)元件形成，并且聯(lián)接到框架172。子框架174 可以提供對聯(lián)接到MAV 170的一個或多個引擎100的支撐。引擎可以 安裝在多種高度處，諸如低于或高于框架172，或者在其之間的高度。 在某些實施例中，由于具有較低的有效載荷重心，較高的高度可以提 供更大的穩(wěn)定性。
盡管引擎的數(shù)目可以變化，但是有利地，多個引擎100可以提供 關(guān)于MAV170的位置控制。在至少一個實施例中，引擎100可以在相 對于子框架174的一個或多個軸中傾斜，以提供多種推力矢量。該傾 斜可以是自動的或手動的。
可以自動地、手動地、或者此兩者組合地實現(xiàn)位置控制。例如， 控制器176,諸如"游戲手柄"，可以提供平面控制，諸如斜度和旋轉(zhuǎn) 控制。控制器178可以提供偏航控制，并且可以由MAV170上的操作 者的腳致動。該控制器可以包括必要的電子裝置、纜線、控制線和其 他的部件，如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所公知的。而且，MAV 170可以 包括功率控制器180，用于控制提供給一個或多個引擎100的功率。而 且，使用陀螺儀或者其他的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，可以加強(qiáng)MAV170的控 制。
在某些實施例中，MAV 170還可以包括失事救援降落傘182。該 失事救援降落傘可以應(yīng)用于關(guān)于MAV上的人員安全的緊急情況。
此處已解釋了本發(fā)明的多種基本點。所公開的多種技術(shù)和設(shè)備呈 現(xiàn)了等離子體物理學(xué)領(lǐng)域中的技術(shù)人員通過本申請的教授內(nèi)容所易于 理解的范圍的一部分。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以添加其實現(xiàn)方案的 細(xì)節(jié)。附圖可能包含文字中未特別討論的額外的信息，并且在不添加 新的主題的情況下，可以在后面的應(yīng)用中描述該信息。此外，可以產(chǎn) 生和呈現(xiàn)所有元件或應(yīng)用的多種組合方案或變換方案。所有這些可被
33實現(xiàn)，用于使具體應(yīng)用中的性能最優(yōu)化。
術(shù)語"聯(lián)接"和類似的術(shù)語在此處廣泛使用，并且可以包括用于 下述操作的任何方法或設(shè)備，即緊閉、接合、固定、附裝、連接、插 入于其中、形成于其上或其中、連通、或者另外地，例如，機(jī)械地、 磁地、化學(xué)地、直接地、或者通過中間元件間接地，將部件的一個或 多個部分聯(lián)系在一起，并且可以進(jìn)一步包括，同其他單元完整地形成 一個功能部件。
此處描述的多種步驟可以同其他的步驟組合，除非特別限制，可 以出現(xiàn)在多種序列中，可以在所描述的步驟中插入多種步驟，并且所 描述的步驟可以分為多個步驟。除非上下文需要，否則詞"包括"應(yīng) 被理解為意指至少是元件或步驟的組或其等效物中的所描述的元件或 步驟的內(nèi)含物，而非元件或步驟的組或其等效物中的其他元素或步驟 的排除物。
而且，本申請中針對本專利參考的任何文獻(xiàn)以及在同本申請一同 提交的任何參考文獻(xiàn)列表中的列出的所有參考文獻(xiàn)，在此處并入作為 參考。然而，考慮到陳述可能與本發(fā)明的專利申請不一致，因此本申 請人并未被明確考慮該陳述。
而且，任何方向，諸如"頂部"、"底部"、"左側(cè)"、"右側(cè)"、 "向上"、"向下"以及其他的方向和方位，是參考附圖出于清楚起 見而被描述的，并且不應(yīng)成為實際設(shè)備或系統(tǒng)或者設(shè)備或系統(tǒng)的使用 的限制?？梢栽谠S多方向和方位中使用該設(shè)備和系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)
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權(quán)利要求
1. 一種利用非對稱電容器提供力的方法，包括a. 向非對稱電容器附近的介質(zhì)中的粒子施加電磁輻射，所述非對稱電容器具有至少兩個表面積不同且隔開一定距離的電極；以及b. 向至少一個電極施加電壓，以通過非對稱電容器生成凈力。
2. 權(quán)利要求l的方法，其中向粒子施加電磁輻射使電極之間的至少部分粒子離子化。
3. 權(quán)利要求2的方法，其中向粒子施加電磁輻射產(chǎn)生了電極之間 的等離子體。
4. 權(quán)利要求3的方法，進(jìn)一步包括，通過波長比用于產(chǎn)生等離子 體的波長更長的電磁輻射，使等離子體穩(wěn)定。
5. 權(quán)利要求l的方法，其中向粒子施加電磁輻射增加了對于給定 體積的粒子密度、等離子體能量、或者其組合。
6. 權(quán)利要求l的方法，其中施加電壓包括相比于不具有關(guān)于給定 的凈推力的電磁輻射的施加電壓，向具有施加到粒子的電磁輻射的電 容器施加更低的電壓。
7. 權(quán)利要求l的方法，其中施加電磁輻射包括在將電壓施加到非 對稱電容器之前，向粒子施加輻射。
8. 權(quán)利要求l的方法，其中施加電磁輻射包括施加紫外輻射、紅 外輻射、或者其組合。
9. 權(quán)利要求8的方法，其中施加電磁輻射包括以通過光子輻射使粒子離子化的頻率施加輻射。
10. 權(quán)利要求l的方法，進(jìn)一步包括，通過向粒子施加紫外輻射、 紅外輻射、或者其組合而增加非對稱電容器中的粒子的等離子體密度。
11. 權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括，在從非對稱電容器的較小 的電極到較大的電極的方向中生成凈力。
12. 權(quán)利要求1的方法，其中非對稱電容器聯(lián)接到結(jié)構(gòu)，并且進(jìn) 一步包括向所述結(jié)構(gòu)提供推力。
13. 權(quán)利要求12的方法，進(jìn)一步包括，使非對稱電容器旋轉(zhuǎn)到相 對于所述結(jié)構(gòu)的多個方位，以提供多個推力矢量。
14. 權(quán)利要求l的方法，進(jìn)一步包括，向非對稱電容器提供粒子， 以顯現(xiàn)獨立于引擎在其中操作的介質(zhì)的至少部分凈力。
15. 權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括，將電磁輻射反射到電極附 近的體積中。
16. 權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括，使針對粒子的電磁輻射、 針對至少一個電極的電壓，或者其組合脈沖化。
17. 權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括，將電磁輻射從關(guān)閉狀態(tài)切 換到打開狀態(tài)，并且切換回關(guān)閉狀態(tài)。
18. 權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括，在空氣中操作非對稱電容 器，并且作用在空氣粒子上，以生成凈力。
19. 權(quán)利要求18的方法，進(jìn)一步包括，利用選定的補(bǔ)充粒子補(bǔ)充空氣粒子。
20. 權(quán)利要求19的方法，其中補(bǔ)充粒子是氣態(tài)的。
21. 權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括，在標(biāo)準(zhǔn)條件下以小于大氣 壓的壓力在介質(zhì)中操作非對稱電容器，并且提供補(bǔ)充粒子，以生成凈 力。
22. 權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括，為非對稱電容器提供便攜 式電源。
23. 權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括，在液體介質(zhì)中操作非對稱 電容器，其中以汽化的形式將該液體遞送到非對稱電容器。
24. 權(quán)利要求1的方法，其中凈力是用于使非對稱電容器和與其 聯(lián)接的結(jié)構(gòu)移動的推力。
25. 權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括，通過調(diào)節(jié)至少一個電極的 表面積，修改凈力。
26. —種增加來自非對稱電容器的功率輸出的方法，包括a. 在具有第一表面積的第一電極同具有不同于第一表面積的第二表面積的第二電極之間的介質(zhì)中，通過電磁輻射使粒子離子化；并且b. 將電壓施加到至少一個電極，并且通過該電極生成凈力。
27. 權(quán)利要求26的方法，其中通過電磁輻射使粒子離子化增加了 關(guān)于給定體積的粒子密度、等離子體能量、或者其組合。
28. 權(quán)利要求26的方法，其中施加電壓包括相比于不具有關(guān)于給 定的凈力的電磁輻射的施加電壓，向具有施加到粒子的電磁輻射的電容器施加更低的電壓。
29. 權(quán)利要求26的方法，其中施加電磁輻射包括施加紫外輻射、 紅外輻射、或者其組合。
30. 權(quán)利要求29的方法，其中施加電磁輻射包括以通過光子輻射 使粒子離子化的頻率施加輻射。
31. 權(quán)利要求26的方法，其中非對稱電容器聯(lián)接到結(jié)構(gòu)，并且進(jìn) 一步包括向所述結(jié)構(gòu)提供推力。
32. 權(quán)利要求26的方法，進(jìn)一步包括，向非對稱電容器提供粒子， 以顯現(xiàn)獨立于非對稱電容器在其中操作的介質(zhì)的至少部分凈力。
33. 權(quán)利要求26的方法，進(jìn)一步包括，使針對粒子的電磁輻射脈 沖化。
34. 權(quán)利要求26的方法，進(jìn)一步包括，將電磁輻射從關(guān)閉狀態(tài)切 換到打開狀態(tài)，并且切換回關(guān)閉狀態(tài)。
35. 權(quán)利要求26的方法，進(jìn)一步包括，在空氣中操作非對稱電容 器，并且作用在空氣粒子上，以生成凈力。
36. 權(quán)利要求35的方法，進(jìn)一步包括，利用選定的補(bǔ)充粒子補(bǔ)充 空氣粒子。
37. 權(quán)利要求26的方法，進(jìn)一步包括，在標(biāo)準(zhǔn)條件下以小于大氣 壓的壓力在介質(zhì)中操作非對稱電容器，并且提供補(bǔ)充粒子，以生成凈 力。
38. 權(quán)利要求26的方法，進(jìn)一步包括，通過調(diào)節(jié)至少一個電極的 表面積，修改凈力。
39. 權(quán)利要求26的方法，進(jìn)一步包括，使針對粒子的電磁輻射、 針對至少一個電極的電壓，或者其組合脈沖化。
40. —種用于產(chǎn)生力的系統(tǒng)，包括a. 非對稱電容器，其包括具有第一表面積的第一電極和具有不同 于第一表面積的第二表面積的第二電極；b. 電壓源，其聯(lián)接到非對稱電容器，以向所述電容器施加電壓并 且通過所述電容器生成凈力；和c. 電磁輻射源，其適于將輻射施加到電極之間的粒子。
41. 權(quán)利要求40的系統(tǒng)，其中電磁輻射源適于向粒子提供除了由 電壓提供給電容器的能量以外的能量。
42. 權(quán)利要求41的系統(tǒng)，其中電磁輻射源適于使電極之間的至少 一部分粒子離子化。
43. 權(quán)利要求41的系統(tǒng)，其中電磁輻射源適于產(chǎn)生電極之間的等 離子體。
44. 權(quán)利要求40的系統(tǒng)，其中電磁輻射源在將電壓施加到非對稱 電容器之前，向電極之間的粒子提供電磁輻射。
45. 權(quán)利要求40的系統(tǒng)，其中電磁輻射源包括紫外輻射源、紅外 輻射源、及其組合。
46. 權(quán)利要求45的系統(tǒng)，其中電磁輻射源適于增加非對稱電容器 中的關(guān)于給定體積的粒子密度、等離子體能量、或者其組合。
47. 權(quán)利要求40的系統(tǒng)，其中非對稱電容器聯(lián)接到結(jié)構(gòu)，并且適 于向所述結(jié)構(gòu)提供推力。
48. 權(quán)利要求47的系統(tǒng)，其中非對稱電容器可旋轉(zhuǎn)到相對于所述 結(jié)構(gòu)的多個方位。
49. 權(quán)利要求40的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括粒子源，其聯(lián)接到非對稱電 容器并且適于獨立于非對稱電容器在其中操作的介質(zhì)而向非對稱電容 器提供粒子。
50. 權(quán)利要求40的系統(tǒng)，其中電磁輻射源以通過光子輻射使粒子 離子化的頻率提供電磁輻射。
51. 權(quán)利要求40的系統(tǒng)，其中一個或多個電極具有所形成的貫穿 的開口，以增加一個或多個電極上的表面積。
52. 權(quán)利要求40的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個或多個電磁輻射反射器， 其聯(lián)接到非對稱電容器。
53. 權(quán)利要求40的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括a. 聯(lián)接到非對稱電容器的結(jié)構(gòu)；和b. 聯(lián)接到所述結(jié)構(gòu)的控制器。
54. 權(quán)利要求53的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括電源，其聯(lián)接到所述結(jié)構(gòu)并 且系留到固定地面位置。
55. 權(quán)利要求53的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括便攜式電源，其聯(lián)接到所述 結(jié)構(gòu)，用于獨立于固定的地面位置而向非對稱電容器供電。
56. 權(quán)利要求53的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括粒子源，其聯(lián)接到所述結(jié)構(gòu)， 用于向非對稱電容器提供粒子。
57. 權(quán)利要求53的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括多個非對稱電容器，其聯(lián)接 到所述結(jié)構(gòu)，并且適于向交通工具提供斜度、旋轉(zhuǎn)和偏航控制。
58. 權(quán)利要求53的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)適于承載有效載荷。
59. 權(quán)利要求53的系統(tǒng)，其中電磁源包括光子發(fā)射器，其導(dǎo)向電 極之間的體積。
60. 權(quán)利要求53的系統(tǒng)，其中電磁源包括電磁輻射發(fā)射器，其導(dǎo) 向電極之間的體積。
全文摘要
本發(fā)明提供了通過將等離子體環(huán)境引入到非對稱電容器中而生成并使用原動力和其他力的方法、裝置和系統(tǒng)，導(dǎo)致了力的顯著增加。該力的顯著增加允許使用離子原動力和其他力，用于現(xiàn)實的和實際的應(yīng)用領(lǐng)域中。在一個實施例中，通過應(yīng)用下述系統(tǒng)為能量場賦能，該系統(tǒng)通過利用電磁輻射使能量場中的等離子體環(huán)境離子化，通過增加等離子體溫度，或者其某些組合，而增加等離子體密度。在一個實施例中，本發(fā)明還生成了導(dǎo)向裝置外向的能量流或等離子體流。本發(fā)明還可以以基本減少的電壓電平提供原動力。低電壓可以減少或消除現(xiàn)有的為非對稱電容器賦能所需的高電壓電平的負(fù)面效應(yīng)。
文檔編號H02J1/00GK101427436SQ200580016880
公開日2009年5月6日 申請日期2005年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月24日
發(fā)明者L·斯圖爾特·彭妮, 庫米科·伊索·希格曼, 羅伯特·克萊斯勒·布雷南 申請人:Sdi 技術(shù)信托公司