一種利用激光加速核衰變的推進(jìn)系統(tǒng)及包括該系統(tǒng)的太空飛行器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及航空航天領(lǐng)域，具體地涉及一種利用激光加速核衰變的推進(jìn)方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]人類的推進(jìn)技術(shù)迄今為止可以將太空飛行器加速到脫離太陽(yáng)系的第三宇宙速度，目前脫離地球的最快飛行器速度是?16公里/秒，進(jìn)一步提升面臨很大困難。究其原因，是因?yàn)橥七M(jìn)裝置產(chǎn)生的動(dòng)力很難長(zhǎng)久，反沖介質(zhì)的速度很難超越10倍聲速(?3公里每秒鐘)，脫離地球引力需要耗費(fèi)大量的燃料。當(dāng)前主流的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)依靠液體或固體燃料的燃燒形成高速射流，產(chǎn)生反沖力。由于有效負(fù)載的快速消耗，飛行器加速時(shí)間一般在半小時(shí)之內(nèi)。所以，深空探測(cè)飛船或探測(cè)器一般依靠初始火箭提供的速度擺脫所在星球的重力，然后用飛行器上的有限動(dòng)力進(jìn)行姿態(tài)和方向微調(diào)，在漫長(zhǎng)的旅程中以幾乎恒定的速度滑向目標(biāo)。到達(dá)目標(biāo)后，減速、落地、重新起飛等仍然依靠類似火箭噴射的動(dòng)力。為了最大化有效載荷，必須對(duì)資源配重精細(xì)規(guī)劃，以盡可能多地完成預(yù)定任務(wù)。依靠當(dāng)前的推力方式，即燃料的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生推力的方式，太陽(yáng)系內(nèi)的太空飛行時(shí)間漫長(zhǎng)(從地球到火星單程目前需要120-330天，人類最快的飛行器從地球到冥王星需要九年以上)，有效載荷嚴(yán)重受限。對(duì)于光年距離的星際航行來講，目前的太空技術(shù)無(wú)能為力。
[0003]因此，人類一直在探索能夠更長(zhǎng)期獲得更高速度的推動(dòng)技術(shù)，以縮短太陽(yáng)系內(nèi)及星際飛行時(shí)間。一些新興的推進(jìn)裝置包括激光物質(zhì)升華推進(jìn)技術(shù)，該技術(shù)依靠高能激光升華物質(zhì)產(chǎn)生反推力。另一種方式是將高電壓作用于帶電粒子，電磁場(chǎng)加速帶電粒子產(chǎn)生推力。總之，目前推進(jìn)技術(shù)產(chǎn)生推力的物質(zhì)速度很難超過30千米每秒，遠(yuǎn)距離宇航探索要縮短穿越時(shí)間，必須有新的技術(shù)突破。
[0004]綜上所述，本領(lǐng)域急需開發(fā)一種新型的可長(zhǎng)期對(duì)飛行器進(jìn)行推進(jìn)且可以極大提高飛行器推進(jìn)速度的系統(tǒng)和方法。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的在于提供一種新型的可長(zhǎng)期對(duì)飛行器進(jìn)行推進(jìn)且可以極大提高飛行器推進(jìn)速度的系統(tǒng)和方法。
[0006]本實(shí)用新型的第一方面，提供了一種利用激光加速核衰變的推進(jìn)系統(tǒng)(即用于推進(jìn)太空飛行器的推進(jìn)裝置)，所述推進(jìn)裝置固定于所述太空飛行器的主體結(jié)構(gòu)上，且所述推進(jìn)裝置包括一個(gè)或多個(gè)近光速粒子推進(jìn)單元，所述近光速粒子推進(jìn)單元包括:推力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)、推力承接結(jié)構(gòu)和激光系統(tǒng)，其中，
[0007]所述推力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)包括核衰變材料和金屬顆粒，其中，所述核衰變材料自然衰變產(chǎn)生近光速粒子，部分所述近光速粒子的動(dòng)量被直接用作產(chǎn)生推進(jìn)所述太空飛行器飛行的動(dòng)力；
[0008]所述推力承接結(jié)構(gòu)與所述太空飛行器的主體結(jié)構(gòu)連接，且所述推力承接結(jié)構(gòu)與所述推力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相鄰，用于承接所述近光速粒子產(chǎn)生的動(dòng)力且將所述動(dòng)力傳遞至所述太空飛行器以推進(jìn)所述太空飛行器飛行；
[0009]所述激光系統(tǒng)產(chǎn)生激光，所述激光加速所述核衰變材料衰變釋放近光速粒子。
[0010]在另一優(yōu)選例中，所述太空飛行器選自下組:衛(wèi)星、宇宙飛船、星際探測(cè)器。
[0011 ] 在另一優(yōu)選例中，所述太空飛行器包括飛行器主體結(jié)構(gòu)和所述推進(jìn)裝置。
[0012]在另一優(yōu)選例中，所述太空飛行器還包括電力系統(tǒng)、主控系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)。
[0013]在另一優(yōu)選例中，所述激光系統(tǒng)產(chǎn)生的激光經(jīng)所述光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制后再透過所述推力承接結(jié)構(gòu)。
[0014]在另一優(yōu)選例中，所述太空飛行器還包括對(duì)接單元，用于對(duì)接飛行器主體結(jié)構(gòu)和所述推進(jìn)裝置。
[0015]在另一優(yōu)選例中，所述近光速粒子推進(jìn)單元位于所述太空飛行器的外側(cè)且對(duì)稱分布。
[0016]在另一優(yōu)選例中，所述近光速粒子推進(jìn)單元位于所述太空飛行器主體結(jié)構(gòu)的后部、尾部、兩側(cè)、或其組合。
[0017]在另一優(yōu)選例中，所述多個(gè)近光速粒子推進(jìn)單元連接形成推力帆結(jié)構(gòu)。
[0018]在另一優(yōu)選例中，所述推力帆結(jié)構(gòu)優(yōu)選為網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
[0019]在另一優(yōu)選例中，所述核衰變材料自然衰變產(chǎn)生的近光速粒子包括向背離所述推力承接結(jié)構(gòu)方向的(即后行的)近光速粒子P’和向所述推力承接結(jié)構(gòu)方向的(即前行的)近光速粒子P，其中，部分所述近光速粒子P’的動(dòng)量被直接用作產(chǎn)生推進(jìn)所述太空飛行器飛行的動(dòng)力。
[0020]在另一優(yōu)選例中，部分所述近光速粒子P的動(dòng)量被直接用作產(chǎn)生推進(jìn)所述太空飛行器飛行的動(dòng)力。
[0021]在另一優(yōu)選例中，所述推力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的厚度為0.01-100000 μπι，較佳地為
0.1-10000 μ m，更佳地為 1-1000 μ m，最佳地為 3-500 μ m。
[0022]在另一優(yōu)選例中，所述推力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的厚度為4-100 μ m，較佳地為4-50 μ m，更佳地為4-30 μ m，更佳地為4-15 μ m，最佳地為4-10 μ m。
[0023]在另一優(yōu)選例中，所述推力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的形狀選自下組:涂層狀、薄膜狀、網(wǎng)孔狀、片材狀、線材狀、塊狀、或其組合。
[0024]在另一優(yōu)選例中，所述推力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)中，所述核衰變材料和金屬顆粒的重量總含量^ 50wt %，較佳地^ 80wt %，更佳地^ 90wt %，最佳地^ 95wt %。
[0025]在另一優(yōu)選例中，所述推力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)中，所述核衰變材料和所述金屬顆粒的質(zhì)量比為I 一 99:1 一 99，較佳地為5 — 85:15 — 95，更佳地為10 — 70:30 一 90，最佳地為20-60:40-80ο
[0026]在另一優(yōu)選例中，所述推力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)中，所述核衰變材料和所述金屬顆粒均勻分布。
[0027]在另一優(yōu)選例中，所述“均勻分布”指在所述推力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)中任意單位面積內(nèi)的核衰變材料的密度與在整個(gè)推力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)中核衰變材料的平均密度的比值為0.7-1.3，較佳地為0.8-1.2，更佳地為0.9-1.1 ;和/或
[0028]在所述推力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)中任意單位面積內(nèi)的金屬顆粒的密度與在整個(gè)推力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)中金屬顆粒的平均密度的比值為0.7-1.3，較佳地為0.8-1.2，更佳地為0.9-1.1。
[0029]在另一優(yōu)選例中，所述推力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)中所述核衰變材料和所述金屬顆粒緊密接觸。
[0030]在另一優(yōu)選例中，組成所述核衰變材料的放射性元素的同位素的半衰期在激光激勵(lì)下縮短至其自然衰變半衰期的1/105° — 1/10 3O
[0031]在另一優(yōu)選例中，組成所述核衰變材料的放射性元素的同位素的半衰期在激光激勵(lì)下縮短至其自然衰變半衰期的1/104° — 1/10 5，較佳地為1/1035 — 1/10 8，更佳地為1/1030— 1/10 1Q，最佳地為 1/1025- 1/10 13O
[0032]在另一優(yōu)選例中，組成所述核衰變材料的放射性元素的同位素的自然核衰變半衰期彡10年，較佳地多20年，更佳地多30年，最佳地多40年。
[0033]在另一優(yōu)選例中，組成所述核衰變材料的放射性元素的同位素的自然核衰變半衰期彡50年，較佳地多100年，更佳地多150年，最佳地多300年。
[0034]在另一優(yōu)選例中，組成所述核衰變材料的放射性元素的同位素的半衰期在激光激勵(lì)下極大縮短。
[0035]在另一優(yōu)選例中，組成所述核衰變材料的放射性元素的同位素在激光激勵(lì)下的核衰變半衰期彡17秒，較佳地彡10 5秒，更佳地彡10 3秒，最佳地彡10秒。
[0036]在另一優(yōu)選例中，組成所述核衰變材料的放射性元素的同位素在激光激勵(lì)下的核衰變半衰期< 10 3秒，較佳地< 10 4秒，更佳地< 10 5秒。
[0037]在另一優(yōu)選例中，所述核衰變材料由選自下組的放射性元素的同位素組成:钚、鈾、鐳、或其組合。
[0038]在另一優(yōu)選例中，所述近光速粒子的速度多3 X 14米/秒，較佳地多3 X 10 5米/秒，更佳地彡3 X 16米/秒，最佳地彡3 X 10 7米/秒。
[0039]在另一優(yōu)選例中，所述近光速粒子的速度大于千分之一倍光速。
[0040]在另一優(yōu)選例中，所述近光速粒子的速度不超過光速。
[0041]在另一優(yōu)選例中，所述近光速粒子為有質(zhì)量粒子，優(yōu)選地為α粒子、中子、質(zhì)子、電子、或其組合。
[0042]在另一優(yōu)選例中，所述金屬顆粒的粒徑為10 — lOOOOnm。
[0043]在另一優(yōu)選例中，所述金屬顆粒的粒徑為10 - 5000nm,較佳地為20 — 3000nm,更佳地為 25 - lOOOnm。
[0044]在另一優(yōu)選例中，所述金