一種近光速粒子推進(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核材料自然核衰變所產(chǎn)生的近光速粒子的動(dòng)量效應(yīng)推進(jìn)飛行器和/或調(diào)整飛行器方位的方法以及基于該方法設(shè)計(jì)的
目.0
【背景技術(shù)】
[0002]迄今為止，人類的推進(jìn)技術(shù)可以將太空飛行器加速到脫離太陽(yáng)系的第三宇宙速度，目前最快的飛行器速度是?16千米/秒，進(jìn)一步提升面臨很大困難。究其原因，是因?yàn)橥七M(jìn)系統(tǒng)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)，脫離地球引力就需要耗費(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)間有限。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。由于產(chǎn)生動(dòng)力的有效載荷有限，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，即燃料化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生推力的方式，不僅使得星際飛行時(shí)間漫長(zhǎng)(從地球到火星單程目前需要120-300天，人類最快的飛行器從地球到冥王星需要十年以上)，而且有效載荷也嚴(yán)重受限。對(duì)于光年級(jí)星系際航行來(lái)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獲得更長(zhǎng)期更高速度的推動(dòng)技術(shù)，以縮短太陽(yáng)系內(nèi)及星際內(nèi)飛行時(shí)間。一些新興的推進(jìn)系統(tǒng)包括激光觸發(fā)的物質(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，但是激光的能量需要飛行器提供。另一種方式是將高電壓作用于介質(zhì)產(chǎn)生帶電粒子，然后依靠電磁場(chǎng)加速帶電粒子產(chǎn)生推力。但是，上述推進(jìn)技術(shù)所能產(chǎn)生的推力的物質(zhì)速度很難超過(guò)20千米/秒，其推進(jìn)系統(tǒng)的長(zhǎng)期持續(xù)性、穩(wěn)定性和總體推力均尚難以滿足星際飛行中的一系列苛刻要求。
[0004]綜上所述，為了縮短遠(yuǎn)距離宇航探索的穿越時(shí)間，本領(lǐng)域迫切需要開(kāi)發(fā)一種可極大提高推進(jìn)速度且可長(zhǎng)期高效推進(jìn)太空飛行器的新型推進(jìn)裝置和推進(jìn)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可極大提高推進(jìn)速度且可長(zhǎng)期高效推進(jìn)太空飛行器的新型推進(jìn)裝置和推進(jìn)方法。
[0006]本實(shí)用新型的第一方面，提供了一種近光速粒子推進(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，并且包括一個(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:推進(jìn)結(jié)構(gòu)、能量轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，其中，
[0007]所述推進(jìn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生近光速粒子，且所述推進(jìn)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的近光速粒子包括向背離所述能量轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)方向的(即后行的)近光速粒子P’和向所述能量轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)一側(cè)的(即前行的)近光速粒子P，并且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；
[0008]所述能量轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)固定于所述太空飛行器，用于吸收所述推進(jìn)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的近光速粒子P ；
[0009]所述調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)用于吸收所述推進(jìn)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的近光速粒子P’從而調(diào)節(jié)所述近光速粒子P’的動(dòng)量。
[0010]在另一優(yōu)選例中，所述調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)用于改變所述推進(jìn)結(jié)構(gòu)的推進(jìn)方向，使得所述推進(jìn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的所述近光速粒子P’的飛行方向與所述飛行器的方向一致或基本一致，從而調(diào)整所述近光速粒子P’產(chǎn)生的推力。
[0011]在另一優(yōu)選例中，所述調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)用于調(diào)節(jié)所述粒子P’的動(dòng)量。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]在另一優(yōu)選例中，所述太空飛行器還包括電力系統(tǒng)以及主控系統(tǒng)。
[0015]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。
[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)的外表面且對(duì)稱分布。
[0017]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、中部、或其組合
[0018]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)。
[0019]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)。
[0020]在另一優(yōu)選例中，所述推進(jìn)結(jié)構(gòu)位于所述能量轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)的外表面(即面向真空一側(cè))，且所述推進(jìn)結(jié)構(gòu)為核衰變材料涂層。
[0021]在另一優(yōu)選例中，所述核衰變材料涂層的厚度為1-100 μ m，較佳地為3_50 μπι，更佳地為5-30 μ m，最佳地為5-15 μ m。
[0022]在另一優(yōu)選例中，所述核衰變材料涂層主要由核衰變材料組成，以所述核衰變材料涂層的總重量計(jì)，所述核衰變材料的含量為10 - 99wt%,較佳地為30 - 99wt%,更佳地為 50 — 99wt %，最佳地為 60-90wt %。
[0023]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為0.1秒-100年，較佳地為10秒-80年，更佳地30秒-10年，最佳地50秒-1年。
[0024]在另一優(yōu)選例中，所述核衰變材料的核衰變?yōu)樽匀缓怂プ儭?br>[0025]在另一優(yōu)選例中，所述核衰變材料的核衰變?yōu)榉亲匀缓怂プ儯瑑?yōu)選為激光誘導(dǎo)加速半衰期的核衰變。
[0026]在另一優(yōu)選例中，所述核衰變材料涂層可釋放近光速粒子。
[0027]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。
[0028]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。
[0029]在另一優(yōu)選例中，所述近光速粒子的速度不超過(guò)光速。
[0030]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。
[0031]在另一優(yōu)選例中，當(dāng)需要加速所述飛行器時(shí)，所述粒子P’產(chǎn)生的沿所述飛行器前進(jìn)方向的推進(jìn)力AF > O。
[0032]在另一優(yōu)選例中，當(dāng)需要減速所述飛行器時(shí)，所述粒子P’產(chǎn)生的沿所述飛行器前進(jìn)方向的推進(jìn)力AF < O。
[0033]在另一優(yōu)選例中，當(dāng)不需要調(diào)整所述飛行器的速度時(shí)，所述粒子P’產(chǎn)生的沿所述飛行器前進(jìn)方向的推進(jìn)力AF = O。
[0034]在另一優(yōu)選例中，所述AF為所述粒子P’對(duì)所述太空飛行器產(chǎn)生的推進(jìn)力的總和。
[0035]在另一優(yōu)選例中，所述能量轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)是與所述飛行器主體結(jié)構(gòu)固定連接或活動(dòng)連接的衰變熱電轉(zhuǎn)化-反推承受結(jié)構(gòu)。
[0036]在另一優(yōu)選例中，當(dāng)需要減小所述近光速粒子P’的推進(jìn)力時(shí)，所述調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)吸收部分或全部所述粒子P’的動(dòng)量，從而減少或消除用于推進(jìn)所述太空飛行器飛行的推力。
[0037]在另一優(yōu)選例中，所述調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)位于所述太空飛行器主體結(jié)構(gòu)上。
[0038]在另一優(yōu)選例中，所述調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的方向和/或位置可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。
[0039]在另一優(yōu)選例中，所述調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)包含可吸收所述粒子P’的材料，優(yōu)選地所述材料為鋁箔。
[0040]在另一優(yōu)選例中，所述調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)將所吸收的近光速粒子P’的能量轉(zhuǎn)換為選自下組的能量形式:光能，機(jī)械能，內(nèi)(熱)能，電能，核能電磁能、或其組合。
[0041]在另一優(yōu)選例中，所述推進(jìn)裝置還設(shè)有一個(gè)或多個(gè)電磁約束裝置，所述電磁約束裝置用于約束所述近光速粒子P’的飛行方向。
[0042]在另一優(yōu)選例中，每個(gè)近光速粒子推進(jìn)單元設(shè)有一個(gè)所述的電磁約束裝置；或者多個(gè)近光速粒子推進(jìn)單元設(shè)有一個(gè)共用的所述電磁約束裝置；或所有近光速粒子推進(jìn)單元設(shè)有一個(gè)共用的所述電磁約束裝置。
[0043]在另一優(yōu)選例中，所述