CN104843198B - 一种阿尔法粒子级联衰变的放射性材料及其制成的推进装置和莲子推进器 - Google Patents
一种阿尔法粒子级联衰变的放射性材料及其制成的推进装置和莲子推进器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104843198B CN104843198B CN201510190326.XA CN201510190326A CN104843198B CN 104843198 B CN104843198 B CN 104843198B CN 201510190326 A CN201510190326 A CN 201510190326A CN 104843198 B CN104843198 B CN 104843198B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- alpha
- active material
- decay
- propulsion plant
- nucleic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 21
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 title abstract description 23
- 240000002853 Nelumbo nucifera Species 0.000 title abstract description 3
- 235000006508 Nelumbo nucifera Nutrition 0.000 title abstract description 3
- 235000006510 Nelumbo pentapetala Nutrition 0.000 title abstract description 3
- 239000012857 radioactive material Substances 0.000 title abstract 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 18
- 239000011149 active material Substances 0.000 claims description 38
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 24
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 23
- 230000005262 alpha decay Effects 0.000 claims description 19
- 210000000582 semen Anatomy 0.000 claims description 11
- 229910052778 Plutonium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000013067 intermediate product Substances 0.000 claims description 9
- OYEHPCDNVJXUIW-UHFFFAOYSA-N plutonium atom Chemical compound [Pu] OYEHPCDNVJXUIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 230000001141 propulsive effect Effects 0.000 claims description 8
- 229910052685 Curium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 208000007101 Muscle Cramp Diseases 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 2
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 abstract description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 23
- LBDSXVIYZYSRII-IGMARMGPSA-N alpha-particle Chemical compound [4He+2] LBDSXVIYZYSRII-IGMARMGPSA-N 0.000 description 15
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 13
- 230000006870 function Effects 0.000 description 11
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 238000011161 development Methods 0.000 description 6
- 230000004044 response Effects 0.000 description 6
- 241000341910 Vesta Species 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 3
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 3
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 description 3
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 3
- 239000000047 product Substances 0.000 description 3
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 3
- 108091092878 Microsatellite Proteins 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 2
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- YGANSGVIUGARFR-UHFFFAOYSA-N dipotassium dioxosilane oxo(oxoalumanyloxy)alumane oxygen(2-) Chemical compound [O--].[K+].[K+].O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O YGANSGVIUGARFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 229910052627 muscovite Inorganic materials 0.000 description 2
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241001601331 Sphingomonas taxi Species 0.000 description 1
- 150000001224 Uranium Chemical class 0.000 description 1
- 239000005030 aluminium foil Substances 0.000 description 1
- 230000005255 beta decay Effects 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011982 device technology Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 1
- 230000005253 gamme decay Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- BQPIGGFYSBELGY-UHFFFAOYSA-N mercury(2+) Chemical compound [Hg+2] BQPIGGFYSBELGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 239000003380 propellant Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- -1 xenon ion Chemical class 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
- B64G1/40—Arrangements or adaptations of propulsion systems
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
本发明公开了一种阿尔法粒子级联衰变的放射性材料及其制成的推进装置和莲子推进器，所述推进装置使用放射性材料经过阿尔法衰变反应辐射高能粒子产生推进力，每克242Cm(半衰期163天)放射性元素可提供～3‑5μN的冲力，每克238Pu(半衰期87年)放射性元素可提供～0.02μN的冲力。通过放射性材料形成的具有特定表面形状的推进装置可以实现特定方向的推进力，产生垂直于推进装置焦平面的推进力。本发明可提供上百年的稳定推进力，特别适合于微推进器，同时也适用于大功率推进器。
Description
技术领域
本发明属于航天空间推进技术领域，特别的，涉及一种可用于在失重状态下产生持续推力的阿尔法粒子级联衰变的放射性材料，由这种材料制成的推进装置，以及由这种推进装置形成的莲子推进器。
背景技术
航天技术是一项复杂的系统工程,是世界各国竞争最激烈、发展最快的高科学技术之一。而推进器是航天器最重要的分系统之一，随着卫星寿命的不断延长，规模的不断扩大，适应载荷要求的卫星构型改变，再加上快速响应的新要求，推进系统面临着新的挑战，必须不断创新和持续提高。
目前国际主流的空间电推进器是基于网状阳极的高电压加速离子、微波回旋共振加速离子、霍尔磁感应原理加速离子等技术，均需要高压电源、磁场、真空泵及其复杂的配套装置以实现推进功能，体积大、重量大、分系统复杂易出故障，难以实现上百年的稳定推进。
为解决上述问题，现有技术采用的解决方案，但是这些方案本身存在如下缺陷：当今，小卫星、微小卫星和纳星由于研发周期短、成本低、风险小、军事应用前景大等优点，已成为当代卫星的发展趋势。它们的姿态和位置控制、无拖曳补偿、变轨等任务，需要发展微推进技术，提供μN级推力。高能离子推进可以产生相应的推力，但是因为需要电源、磁场、复杂的真空系统，不适合用在小卫星上。
发明内容
目前国际主流的空间电推进器是基于网状阳极的高电压加速离子、微波回旋共振加速离子、霍尔磁感应原理加速离子等技术，均需要高压电源、磁场、真空泵及其复杂的配套装置以实现推进功能，体积大、重量大、分系统复杂易出故障，难以实现上百年的稳定推进。
根据本发明的一个方面，提供了一种阿尔法粒子级联衰变的放射性材料，所述放射性材料以下述物质为阿尔法粒子级联衰变的初始元素：核素锔242Cm或其阿尔法级联衰变反应中的中间产物，所述核素锔242Cm的阿尔法级联衰变反应方式为：
或
核素钚236Pu或其阿尔法级联衰变反应中的中间产物,所述核素钚236Pu的阿尔法级联衰变反应方式为：
根据本发明的另一个方面，提供了一种具有阿尔法粒子级联衰变的放射性材料，所述的放射性材料为前述第一方面的放射性材料的至少两种的组合。
本发明中，所述放射性材料产生的总推力F(t)满足：
其中，q为材料种类，ni为第i种核素单位面积的核子数，λi为第i 种核素的衰变常数，Eai为第i种核素的α衰变的粒子动能，S为表面积，η为沿平面的法向发射的比例系数。
根据本发明的另一个方面，提供了一种推进装置，使用前述任一项所述放射性材料形成为放射性材料板，所述放射性材料板的表面设置有多个凹部，每个凹部形成为凹曲面状，用于产生大致垂直于凹部焦平面的推进力。
根据本发明的另一个方面，提供了一种推进装置，使用前述任一项所述放射性材料形成为放射性材料板，所述放射性材料板形成为平板或曲面板。
根据本发明的另一个方面，提供了一种推进装置，使用前述任一项所述放射性材料形成为放射性材料板，所述推进装置包括：本体1，形成为凹曲面形状的放射性材料板；边缘部2，设置所述本体1的开口处并与该本体1可活动的连接，所述边缘部2具有多个折叠部。
可选的，所述本体1形成为抛物表面、球冠表面或半球表面。
优选的，所述凹曲面满足下式：
其中，m和n确定单元函数包络中心的位置，c为三维周期正弦结构的深度，x、y、z为三维周期结构口表面上点的横坐标、纵坐标、竖坐标，λx为旋转余弦曲面口面的特征宽度。
根据本发明的另一个方面，提供了一种使用前述任一项所述推进装置的莲子推进器，其包括按照预定方式排列的多个所述推进装置。
可选的，所述莲子推进器形成为平板或曲面板，所述多个推进装置按 照预定方式排列在所述平板或曲面板上。
本发明具有如下优点：
(1)本装置体积小、重量轻、结构简单、仅需要薄膜金属屏蔽；
(2)通过核素的阿尔法级联衰变，可实现产生高能α粒子、高反应强度、且持续发射数十年至上百年的效果；
(3)能为航天器提供持续推进力，可实现超远距离深空探测。
附图说明
图1显示了本发明优选实施例的推进装置的表面形貌示意图；
图2和图3显示了本发明一优选实施例的推进装置的结构示意图；
图4和图5显示了本发明一优选实施例的莲子推进器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
航天技术是一项复杂的系统工程,是世界各国竞争最激烈、发展最快的高科学技术之一。而推进器是航天器最重要的分系统之一，随着卫星寿命的不断延长，规模的不断扩大，适应载荷要求的卫星构型改变，再加上快速响应的新要求，推进系统面临着新的挑战，必须不断创新和持续提高。
1902年俄罗斯的齐奥尔科夫斯基和1906年美国的哥达德博士分别提出了电推进(Electric Thruster)概念，电推进器的物理本质是动量守恒原理，通过向航天器外侧喷射高动量的离子实现航天器的反冲运动，基于 高能离子产生的不同工作原理，分为：网状阳极的高电压静电加速离子、通过微波回旋共振加速高能离子、霍尔磁感应原理加速高能离子等等。
电推进技术发展已经过了一个多世纪的历程，大致分四个阶段：1902年～1964年为概念提出和原理探索阶段，在航天器美国、英国、德国分别研制出离子电推进样机,俄罗斯研制了霍尔电推进样机；1964年～1980年为地面和飞行试验阶段，美国完成汞离子电推进飞行试验，俄罗斯完成SPT霍尔电推进飞行试验；1980年～2000年为航天器开始应用阶段，俄罗斯的霍尔电推进和美国的离子型电推进相继应用，日本、德国等其它国家的电推进也开始飞行试验；2000年至今为电推进技术和应用快速发展阶段，并应用于地球轨道卫星位置保持和轨道转移、深空探测主推进器等。
作为深空探测大功率主推进的典范，1998年10月美国发射的深空一号(DS-1)航天器应用单台NSTAR-30离子电推进系统完成小行星探测的主推进任务，在历时3年多的飞行任务中离子电推进系统累计工作16265h，开关机200多次，产生速度增量4.3km/s。2007年9月美国发射的黎明号(Dawn)航天器应用3台NSTAR-30离子电推进系统完成对主带小行星中灶神星(Vesta)和谷神星(Ceres)科学探测的主推进任务，航天器于2011年7月实现Vesta的轨道捕获，2012年9月完成为期1年的Vesta科学探测任务并离开，电推进累计工作25000h、消耗氙气262kg、产生速度增量7km/s。目前航天器正在奔向Ceres的征途中，计划2015年到达。
黎明号航天器的初始干质量为1215kg，其中包括离子推进系统的干质量(高压电源和其他配套设备)为129kg，离子推进系统的贮箱装载450kg氙推进剂,可供离子推力器工作时间超过6年,这是其他航天器动力飞行 最长时间的3倍，但是推进器占总系统重量的近50％。离子推进系统输入电功率的范围为423～2288W，产生推力:19～92mN。
近些年来，电推进器技术得到了进一步的发展，科学家进一步发明了氙离子推进器用于长期导航卫星的轨道调整和变换的装置、用于宇宙飞船的加速动力和宇航方向调整技术，将传统阴极改造为基于纳米阵列的场增强点的新型冷阴极以实现离子推进器，通过微波波导内静磁场的电子回旋共振加速方法产生等离子体，再通过网状阴阳电极加速产生高能离子作为推进器的装置。
当今，小卫星、微小卫星和纳星由于研发周期短、成本低、风险小、军事应用前景大等优点，已成为当代卫星的发展趋势。它们的姿态和位置控制、无拖曳补偿、变轨等任务，需要发展微推进技术，提供μN级推力。高能离子推进可以产生相应的推力，但是因为需要电源、磁场、复杂的真空系统，不适合用在小卫星上。
与常规能源相比，核能的能量密度大，消耗少量的核燃料就可以产生巨额的能量。核能中的可控裂变已成为太空推进的构想，空间核反应堆既是大功率能源的基础，也是大功率电推进的主要支撑，是载人火星探测等主要依靠，但反应堆的体积和质量和能量释放形式，限制其无法应用于微推进领域。放射性核素的衰变分为3种：1)α衰变，2)β衰变，3)γ衰变。其中，α衰变能大、可产生高能α离子，防护容易(一层铝箔就可阻挡α粒子)，因此最有潜质。核电池(或同位素电池)正是利用α衰变提供电能，具有能量密度高、紧凑、寿命长、工作可靠等优点，已作为辅助电源应用在太空技术中，其能量转化的路径为：α粒子动能-热能-电能。
本发明优选实施例的阿尔法粒子级联衰变的放射性材料以核素锔242Cm或其阿尔法级联衰变反应中的中间产物为阿尔法粒子级联衰变的初始元素，该核素锔242Cm的阿尔法衰变反应方式为：
可选的，上述反应式中的中间产物也可以作为为阿尔法粒子级联衰变的初始元素。
在所有核素α衰变反应中，铀系放射性核素锔242Cm释放α粒子的能量几乎是最高的，达到6.1MeV和6.06MeV，且绝对强度达到100％。在本实施例中，核素锔242Cm的阿尔法衰变反应方式为：242Cm的半衰期为163天，之后衰变成为钚238Pu，并进一步通过α衰变，放出两种能量5.499MeV和5.456MeV的高能α粒子，绝对强度分别达到71.6％和28.3％，总α衰变的绝对强度达到99.9％。238Pu半衰期87.74年，之后变成234U，其半衰期为2.45*105年。此外，238Pu可通过中子辐照制备，容易获取，其半衰期非常适合提供长达几十到几百年的持续推力；和238Pu具有类似性质的α衰变核素还有若干种。
在本发明的另一可选实施例中，使用核素钚236Pu或其阿尔法级联衰变反应中的中间产物为阿尔法粒子级联衰变的初始元素，所述核素钚236Pu的阿尔法衰变反应方式为：
可选的，上述反应式中的中间产物和也可以作为为阿尔法粒子级联衰变的初始元素。
以钚236Pu为材料，绝对强度达到100％的5.7MeV的α衰变反应，其半衰期2.851年，其后产生232U，发生绝对强度99.8％的α衰变反应，能量5.26MeV和5.32MeV，半衰期72年，之后衰变为228Th，发生绝对强度100％的多种α衰变反应，其中主要是5.4MeV的α粒子，半衰期1.913年，之后衰变为224Ra，经过3.66天半衰期后成为220Rn，经过55.6秒的半衰期后成为216Po，再经过0.15秒的半衰期后成为212Pb，这6个反应都是100％绝对强度的多种α衰变反应，α能量在5.6MeV至6.7MeV之间。
本发明中，上述放射性材料产生的总推力F(t)满足下式：
其中，q为材料种类，ni为第i种核素单位面积的核子数，λi为第i种核素的衰变常数，Eai为第i种核素的α衰变的粒子动能，S为表面积，η为沿平面的法向发射的比例系数。
根据航天器需要的推力F和飞行时间T来决定需要α衰变材料种类(λi，Eai)，配比n1/n2/../ni，总表面面积S，以及表面形貌决定的常数η。对于初始N0个射性核素原子来说，在t时刻放能够释放α粒子的个数为λN0e-λt，其中，λ为该核素的衰变常数。据初步理论计算，每克242Cm(半衰期163天)放射性元素可提供3-5μN的冲力，每克238Pu(半衰期87年)放射性元素可提供～0.02μN的冲力。
图1显示了本发明优选实施例的推进装置的表面形状示意图。
如图1所示，本发明优选实施例的推进装置通过前述放射性材料形成为放射性材料板。该放射性材料板的表面设置有多个凹部排列成阵列，每个凹部形成为凹曲面状，用于产生大致垂直于凹部焦平面的推进力。
其中，单个α粒子动能Ea与动量关系为Ia＝(2mEa)0.5，α粒子向着空间各个方向发射，沿平面法向发射的比例系数为η，对于平面结构， 截止到T时刻，发生衰变的核子数N＝N0(1-e-λT)，其中λ为衰变常数，N0为t＝0时刻的核子数，可以表达为单位面积的核子数n0与面积S的乘积，即N0＝n0S。因此产生总推力：
F(t)＝ηλN0Iae-λt/4＝ηλn0e-λt(2mEa)0.5S。
如果总材料由q个放射性材料组合，总推力：
这里，ni为第i种核素单位面积的核子数，λi为第i种核素的衰变常数，Eai为第i种核素的α衰变的α粒子动能。S为表面积，η为沿平面的法向发射的比例系数。
可选地，放射性材料板形成为平板。
可选地，放射性材料板形成为曲面板。
根据航天器需要的推力F和飞行时间T来决定需要α衰变材料种类(λi，Eai)，配比n1/n2/../ni，总表面面积S，以及表面形貌决定的常数η。对于平面η＝1/4，对于三维周期性半球表面η＝(4+π)/16。
更具体地，不同放射性核素发生α衰变核反应的半衰期、产生α粒子的能量和核反应的绝对强度差别显著。通过选择和配比长短周期的不同放射性核素，可实现产生高能α粒子、高反应绝对强度、且持续发射数十年的效果，因此为航天器提供数十年的持续推进力，实现超远距离深空探测。
由于推力决定于表面积，可把放射性材料做成薄层。单位面积的质量 约2mg/cm2对于放射性核素大致是固定值，1g的面积约为500cm2，而1kg的面积达50m2。因此，如果总平面的面积固定，采用三维周期结构，可以增大表面积，同时增加定向性。
图2和图3显示了本发明一优选实施例的推进装置的结构示意图。
如图2和图3所示，本发明一优选实施例的推进装置通过前述放射性材料形成为放射性材料板，该推进装置包括本体和边缘部。
本体1形成为凹曲面形状的放射性材料板。例如，本体1形成为抛物表面、球冠表面或半球表面。
下面以半球面为例，其中，半径和深度均为r。
单个α粒子动能Ea与动量关系为Ia＝(2mEa)0.5，α粒子向着空间各个方向发射，沿平面法向发射的比例系数为η，对于平面结构， 截止到T时刻，发生衰变的核子数N＝N0(1-e-λT)，其中λ为衰变常数，N0为t＝0时刻的核子数，可以表达为单位面积的核子数n0与面积S的乘积，即N0＝n0S。，因此产生总推力：
F(t)＝ηλN0Iae-λt/4＝ηλn0e-λt(2mEa)0.5S。
如果总材料由q个放射性材料组合，总推力：
这里，ni为第i种核素单位面积的核子数，λi为第i种核素的衰变常数，Eai为第i种核素的α衰变的α粒子动能。S为表面积，η为沿平面的法向发射的比例系数。
根据航天器需要的推力F和飞行时间T来决定需要α衰变材料种类 (λi，Eai)，配比n1/n2/../ni，总表面面积S，以及表面形貌决定的常数η，对于平面η＝1/4，对于三维周期性半球表面η＝(4+π)/16。
根据推力可确定表面积大小，把材料做成薄层。单位面积的质量约为2mg/cm2，1g的面积约为500cm2，1kg的面积达50m2。因此，如果总平面的面积固定，采用三维周期结构，可以增大表面积，同时增加定向性。
设单位面积的发射强度为p，面积4r2的平面法向发射α粒子的强度为p(4r2/4)＝pr2。
相比之下，对于三维周期性结构，单元为半径r的半球，计算出沿着法向发射的为πr2/2，三维周期性表面一个单元法向发射α粒子的强度为p((4-π)r2/4+πr2/2)＝p(4+π)r2/4，因此，三维周期性半球表面与平面相比，发射强度提高了：(4+π)/4。为了便于加工研制和结构紧凑，凹面结构的单元半球的尺寸在毫米到厘米量级。
根据公式F(t)＝ηλN0Iae-λt/4＝ηλn0e-λt(2mEa)0.5S，可计算出平面型的每克242Cm(半衰期163天)放射性元素可提供约5μN的冲力，242Cm衰变成238Pu，每克238Pu(半衰期87年)放射性元素可提供约0.02μN的冲力，计算平面型每克236Pu(半衰期2.851年)放射性元素可提供约0.15μN的冲力。
下面有几种非半球形曲面情形，具体计算如下：
1、三维周期性余弦函数的包络幅度是按下式计算的：
其中，m和n确定单元函数包络中心的位置，c为三维周期正弦结构的深度，x、y、z为三维周期结构口表面上点的横坐标、纵坐标、竖坐标， λx为旋转余弦曲面口面的特征宽度。
2、三维周期性椭球面的函数包络是按下式计算的：
其中，m和n确定单元函数包络的中心位置，c为三维周期正弦结构的深度，x、y、z为三维周期结构口表面上点的横坐标、纵坐标、竖坐标，λx和λy为周期性椭球口面的特征宽度。
3、三维周期性椭圆抛物表面的函数包络是按下式计算的：
其中，m和n确定单元函数包络的中心位置，c为三维周期正弦结构的深度，x、y、z为三维周期结构口表面上点的横坐标、纵坐标、竖坐标，λx和λy为周期性椭圆抛物面的口面特征宽度。
4、周期性双叶双曲表面的函数包络是按下式计算的：
其中，m和n确定单元函数包络的中心位置，c为三维周期正弦结构的深度，x、y、z为三维周期结构口表面上点的横坐标、纵坐标、竖坐标，λx和λy为周期性双曲面的口面特征宽度。
边缘部2设置在本体1的开口处并与该本体1可活动的连接，例如，边缘部2通过机械轴与本体1连接，该边缘部2具有多个折叠部，可折叠部分通过机械转轴与本体1连接，其中可折叠部分包括多个部分，根据理论原理可折叠部分被均等分的个数越多，对角度和空间的调整越精细，但机械控制部分也就越复杂；优选地，一般可折叠部分被均等分为四个或者 八个，通过机械转轴可以调整可折叠部分的倾斜角度，其中倾斜角度的控制范围为0°-180°。
通过设计放射性材料的表面形状，可实现航天器特定方向的推进力。平面放射性材料衰变产生的α粒子会向着半空间、2π方向辐射发散，因此不能实现特定方向的推进。本专利提出将放射性材料表面做成周期性阵列形貌，每个单元成内凹旋转曲面结构，每个单元都产生垂直于焦平面的推进力，单元周期尺寸在毫米或厘米量级。这种结构的优点是在大平面放射性材料的基础上做小尺寸的阵列，因此空间紧凑。为实现改变推进力的方向和调整航天器的姿态，材料边缘具有可折叠的部分。
图4和图5显示了本发明另一优选实施例的莲子推进器的结构示意图。
如图4和图5所示，本发明还提供一种莲子推进器，该莲子推进器有多个前述凹面状的推进装置，按照一定的方式排列组合在一个大型凹曲面或平板装置内，从而形成为类似莲蓬状的推进器。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种推进装置，其特征在于，推进装置为放射性材料形成的放射性材料板，放射性材料板的表面设置有采用三维周期性排布的凹曲面，利用放射性材料的阿尔法粒子级联衰变产生动量形成推力，产生大致垂直于凹曲面焦平面的推进力；
放射性材料以下述物质为阿尔法粒子级联衰变的初始元素：
核素锔242Cm或其阿尔法级联衰变反应中的中间产物，核素锔242Cm的阿尔法级联衰变反应方式为：
或
核素钚236Pu或其阿尔法级联衰变反应中的中间产物,核素钚236Pu的阿尔法级联衰变反应方式为：
放射性材料板产生的总推力F(t)满足：
其中，q为材料种类，ni为第i种核素单位面积的核子数，λi为第i种核素的衰变常数，Eai为第i种核素的阿尔法衰变的粒子动能，S为表面积，η为沿平面的法向发射的比例系数。
2.根据权利要求1所述的推进装置，其特征在于，放射性材料为核素锔242Cm或其阿尔法级联衰变反应中的中间产物、核素钚236Pu或其阿尔法级联衰变反应中的中间产物的至少两种的组合。
3.根据权利要求1或2所述的推进装置，其特征在于，凹曲面满足下式：
其中，m和n确定单元函数包络中心的位置，c为三维周期正弦结构的深度，x、y、z为三维周期结构口表面上点的横坐标、纵坐标、竖坐标，λx为旋转余弦曲面口面的特征宽度。
4.根据权利要求1或2所述的推进装置，其特征在于，放射性材料板形成为平板或曲面板。
5.根据权利要求1或2所述的推进装置，其特征在于，放射性材料板形成为抛物表面、球冠表面或半球表面。
6.根据权利要求1或2所述的推进装置，其特征在于，包括设置为本体(1)的放射性材料板，以及边缘部(2)，边缘部(2)设置于本体(1)的开口处并与本体(1)可活动的连接，边缘部(2)具有多个折叠部。
7.根据权利要求6所述的推进装置，其特征在于，放射性材料板形成为平板或曲面板。
8.根据权利要求6所述的推进装置，其特征在于，放射性材料板形成为抛物表面、球冠表面或半球表面。
9.一种使用权利要求1-8中任一项所述推进装置的莲子推进器，包括按照预定方式排列的多个所述推进装置。
10.根据权利要求9所述的莲子推进器，所述莲子推进器形成为平板或曲面板，多个所述推进装置按照预定方式排列在所述平板或曲面板上。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510190326.XA CN104843198B (zh) | 2015-04-03 | 2015-04-21 | 一种阿尔法粒子级联衰变的放射性材料及其制成的推进装置和莲子推进器 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2015101578193 | 2015-04-03 | ||
| CN201510157819 | 2015-04-03 | ||
| CN201510190326.XA CN104843198B (zh) | 2015-04-03 | 2015-04-21 | 一种阿尔法粒子级联衰变的放射性材料及其制成的推进装置和莲子推进器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104843198A CN104843198A (zh) | 2015-08-19 |
| CN104843198B true CN104843198B (zh) | 2017-04-12 |
Family
ID=53843276
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510190326.XA Active CN104843198B (zh) | 2015-04-03 | 2015-04-21 | 一种阿尔法粒子级联衰变的放射性材料及其制成的推进装置和莲子推进器 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104843198B (zh) |
| WO (1) | WO2016155086A1 (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104843198B (zh) * | 2015-04-03 | 2017-04-12 | 湘潭大学 | 一种阿尔法粒子级联衰变的放射性材料及其制成的推进装置和莲子推进器 |
| CN108648848B (zh) * | 2018-05-08 | 2019-10-08 | 北京卫星环境工程研究所 | 类球形结构高精度矢量合成核能微推进系统 |
| CN109552674A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-04-02 | 北京空间技术研制试验中心 | 一种地月往返运输系统及运输方法 |
| CN110789738B (zh) * | 2019-10-22 | 2022-07-08 | 西北工业大学深圳研究院 | 一种纳星接管失效航天器姿态运动的分布式模型预测控制方法 |
| CN117374146A (zh) * | 2023-12-06 | 2024-01-09 | 山东大学 | 半导体探测器及其能量自刻度、状态监测方法 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5519213A (en) * | 1993-08-20 | 1996-05-21 | Ebara Corporation | Fast atom beam source |
| ATE454553T1 (de) * | 2004-09-22 | 2010-01-15 | Elwing Llc | Antriebssystem für raumfahrzeuge |
| US20090000268A1 (en) * | 2007-03-20 | 2009-01-01 | Yurash Greg J | Thermonuclear plasma reactor for rocket thrust and electrical generation |
| CN102146902A (zh) * | 2010-02-09 | 2011-08-10 | 中国科学院微电子研究所 | 一种高频高压单电极等离子体推进器 |
| CN201971169U (zh) * | 2010-09-08 | 2011-09-14 | 北京理工大学 | 一种微型姿轨控推力器阵列结构 |
| CA2831309C (en) * | 2012-12-04 | 2017-05-30 | The Boeing Company | Methods and apparatus for performing propulsion operations using electric propulsion systems |
| CN104843198B (zh) * | 2015-04-03 | 2017-04-12 | 湘潭大学 | 一种阿尔法粒子级联衰变的放射性材料及其制成的推进装置和莲子推进器 |
-
2015
- 2015-04-21 CN CN201510190326.XA patent/CN104843198B/zh active Active
- 2015-05-11 WO PCT/CN2015/078681 patent/WO2016155086A1/zh active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104843198A (zh) | 2015-08-19 |
| WO2016155086A1 (zh) | 2016-10-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104843198B (zh) | 一种阿尔法粒子级联衰变的放射性材料及其制成的推进装置和莲子推进器 | |
| Gibson et al. | NASA's Kilopower reactor development and the path to higher power missions | |
| Carr et al. | Indirect detection of dark matter | |
| Mattox et al. | SAS 2 observation of pulsed high-energy gamma radiation from Geminga | |
| US10377511B2 (en) | Interplanetary spacecraft using fusion-powered constant-acceleration thrust | |
| Frisbee et al. | Evaluation of propulsion options for interstellar missions | |
| Kubono et al. | High resolution study of 24 Mg (p, d) 23 Mg for the Ne-E problem | |
| Clark et al. | Dusty plasma based fission fragment nuclear reactor | |
| WO2024072479A2 (en) | Radiation shielding for radioisotope battery-powered vehicle | |
| CN204737044U (zh) | 一种近光速粒子推进系统及包括该系统的太空飞行器 | |
| McNutt Jr et al. | Interstellar Probe: Impact of the Voyager and IBEX results on science and strategy | |
| Xiao-yan et al. | Overview of direct measurements of cosmic rays | |
| CN104773307A (zh) | 一种近光速粒子推进方法与系统 | |
| Forsley et al. | Space Application of the GeNIE HybridTM Fusion–Fission Generator | |
| Schönfelder | An overview about initial results from the Compton observatory GRO | |
| Mori | CANGAROO project for high-energy gamma-ray astrophysics | |
| US9852823B1 (en) | Methods and systems for producing fissile material from fertile feedstock | |
| Jackson | Deceleration of Exoplanet Missions Utilizing Scarce Antimatter | |
| Pickrell | Experimental Validation Testing of a Paired-Particle Matter/Anti-Matter Propulsion System, with Proposed Project Management | |
| Andrews | Cost considerations for interstellar missions | |
| Toninaa et al. | Advanced Propulsion as a Cornerstone for Space Exploration and Interstellar Living | |
| Bruno et al. | Mars One-Year Mission Craft. Aerospace 2023, 10, 610 | |
| Zayas | Electromagnetic extraction and annihilation of antiprotons for spacecraft propulsion | |
| Mainardi | The MAUS nuclear space reactor with ion propulsion system | |
| Sackheim et al. | In-space nuclear power as an enabling technology for deep space exploration |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |