CN104843199A - 一种利用激光加速核衰变的推进方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用激光加速核衰变的推进方法和系统，具体地本发明提供了一种用于推进太空飞行器的推进系统，所述推进系统固定于所述太空飞行器的主体结构上，且包括一个或多个近光速粒子推进单元，所述近光速粒子推进单元包括：推力产生结构、推力承接结构和激光系统。本发明还公开了一种推进太空飞行器飞行的方法。使用本发明装置可以较小的质量实现对飞行器的长期可控的加速和姿态调整，且可以极大地提高飞行器的推进速度。

Description

一种利用激光加速核衰变的推进方法和系统

技术领域

本发明涉及航空航天领域，具体地涉及一种利用激光加速核衰变的推进方法和系统。

背景技术

人类的推进技术迄今为止可以将太空飞行器加速到脱离太阳系的第三宇宙速度，目前脱离地球的最快飞行器速度是～16公里/秒，进一步提升面临很大困难。究其原因，是因为推进装置产生的动力很难长久，反冲介质的速度很难超越10倍声速(～3公里每秒钟)，脱离地球引力需要耗费大量的燃料。当前主流的火箭发动机依靠液体或固体燃料的燃烧形成高速射流，产生反冲力。由于有效负载的快速消耗，飞行器加速时间一般在半小时之内。所以，深空探测飞船或探测器一般依靠初始火箭提供的速度摆脱所在星球的重力，然后用飞行器上的有限动力进行姿态和方向微调，在漫长的旅程中以几乎恒定的速度滑向目标。到达目标后，减速、落地、重新起飞等仍然依靠类似火箭喷射的动力。为了最大化有效载荷，必须对资源配重精细规划，以尽可能多地完成预定任务。依靠当前的推力方式，即燃料的化学反应产生推力的方式，太阳系内的太空飞行时间漫长(从地球到火星单程目前需要120-330天，人类最快的飞行器从地球到冥王星需要九年以上)，有效载荷严重受限。对于光年距离的星际航行来讲，目前的太空技术无能为力。

因此，人类一直在探索能够更长期获得更高速度的推动技术，以缩短太阳系内及星际飞行时间。一些新兴的推进装置包括激光物质升华推进技术，该技术依靠高能激光升华物质产生反推力。另一种方式是将高电压作用于带电粒子，电磁场加速带电粒子产生推力。总之，目前推进技术产生推力的物质速度很难超过30千米每秒，远距离宇航探索要缩短穿越时间，必须有新的技术突破。

综上所述，本领域急需开发一种新型的可长期对飞行器进行推进且可以极大提高飞行器推进速度的系统和方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的可长期对飞行器进行推进且可以极大提高飞行器推进速度的系统和方法。

本发明的第一方面，提供了一种用于推进太空飞行器的推进装置，所述推进装置固定于所述太空飞行器的主体结构上，且所述推进装置包括一个或多个近光速粒子推进单元，所述近光速粒子推进单元包括：推力产生结构、推力承接结构和激光系统，其中，

所述推力产生结构包括核衰变材料和金属颗粒，其中，所述核衰变材料自然衰变产生近光速粒子，部分所述近光速粒子的动量被直接用作产生推进所述太空飞行器飞行的动力；

所述推力承接结构与所述太空飞行器的主体结构连接，且所述推力承接结构与所述推力产生结构相邻，用于承接所述近光速粒子产生的动力且将所述动力传递至所述太空飞行器以推进所述太空飞行器飞行；

所述激光系统产生激光，所述激光加速所述核衰变材料衰变释放近光速粒子。

在另一优选例中，所述太空飞行器选自下组：卫星、宇宙飞船、星际探测器。

在另一优选例中，所述太空飞行器包括飞行器主体结构和所述推进装置。

在另一优选例中，所述太空飞行器还包括电力系统、主控系统和光学系统。

在另一优选例中，所述激光系统产生的激光经所述光学系统调制后再透过所述推力承接结构。

在另一优选例中，所述太空飞行器还包括对接单元，用于对接飞行器主体结构和所述推进装置。

在另一优选例中，所述近光速粒子推进单元位于所述太空飞行器的外侧且对称分布。

在另一优选例中，所述近光速粒子推进单元位于所述太空飞行器主体结构的后部、尾部、两侧、或其组合。

在另一优选例中，所述多个近光速粒子推进单元连接形成推力帆结构。

在另一优选例中，所述推力帆结构优选为网格状结构。

在另一优选例中，所述核衰变材料自然衰变产生的近光速粒子包括向背离所述推力承接结构方向的(即后行的)近光速粒子P’和向所述推力承接结构方向的(即前行的)近光速粒子P，其中，部分所述近光速粒子P’的动量被直接用作产生推进所述太空飞行器飞行的动力。

在另一优选例中，部分所述近光速粒子P的动量被直接用作产生推进所述太空飞行器飞行的动力。

在另一优选例中，所述推力产生结构的厚度为0.01-100000μm，较佳地为0.1-10000μm，更佳地为1-1000μm，最佳地为3-500μm。

在另一优选例中，所述推力产生结构的厚度为4-100μm，较佳地为4-50μm，更佳地为4-30μm，更佳地为4-15μm，最佳地为4-10μm。

在另一优选例中，所述推力产生结构的形状选自下组：涂层状、薄膜状、网孔状、片材状、线材状、块状、或其组合。

在另一优选例中，所述推力产生结构中，所述核衰变材料和金属颗粒的重量总含量≥50wt％，较佳地≥80wt％，更佳地≥90wt％，最佳地≥95wt％。

在另一优选例中，所述推力产生结构中，所述核衰变材料和所述金属颗粒的质量比为1－99：1－99，较佳地为5－85：15－95，更佳地为10－70：30－90，最佳地为20-60：40-80。

在另一优选例中，所述推力产生结构中，所述核衰变材料和所述金属颗粒均匀分布。

在另一优选例中，所述“均匀分布”指在所述推力产生结构中任意单位面积内的核衰变材料的密度与在整个推力产生结构中核衰变材料的平均密度的比值为0.7-1.3，较佳地为0.8-1.2，更佳地为0.9-1.1；和/或

在所述推力产生结构中任意单位面积内的金属颗粒的密度与在整个推力产生结构中金属颗粒的平均密度的比值为0.7-1.3，较佳地为0.8-1.2，更佳地为0.9-1.1。

在另一优选例中，所述推力产生结构中所述核衰变材料和所述金属颗粒紧密接触。

在另一优选例中，组成所述核衰变材料的放射性元素的同位素的半衰期在激光激励下缩短至其自然衰变半衰期的1/10⁵⁰－1/10³。

在另一优选例中，组成所述核衰变材料的放射性元素的同位素的半衰期在激光激励下缩短至其自然衰变半衰期的1/10⁴⁰－1/10⁵，较佳地为1/10³⁵－1/10⁸，更佳地为1/10³⁰－1/10¹⁰，最佳地为1/10²⁵－1/10¹³。

在另一优选例中，组成所述核衰变材料的放射性元素的同位素的自然核衰变半衰期≥10年，较佳地≥20年，更佳地≥30年，最佳地≥40年。

在另一优选例中，组成所述核衰变材料的放射性元素的同位素的自然核衰变半衰期≥50年，较佳地≥100年，更佳地≥150年，最佳地≥300年。

在另一优选例中，组成所述核衰变材料的放射性元素的同位素的半衰期在激光激励下极大缩短。

在另一优选例中，组成所述核衰变材料的放射性元素的同位素在激光激励下的核衰变半衰期≤10⁷秒，较佳地≤10⁵秒，更佳地≤10³秒，最佳地≤10秒。

在另一优选例中，组成所述核衰变材料的放射性元素的同位素在激光激励下的核衰变半衰期≤10^-3秒，较佳地≤10^-4秒，更佳地≤10^-5秒。

在另一优选例中，所述核衰变材料由选自下组的放射性元素的同位素组成：钚、铀、镭、或其组合。

在另一优选例中，所述近光速粒子的速度≥3х10⁴米/秒，较佳地≥3х10⁵米/秒，更佳地≥3х10⁶米/秒，最佳地≥3х10⁷米/秒。

在另一优选例中，所述近光速粒子的速度大于千分之一倍光速。

在另一优选例中，所述近光速粒子的速度不超过光速。

在另一优选例中，所述近光速粒子为有质量粒子，优选地为ɑ粒子、中子、质子、电子、或其组合。

在另一优选例中，所述金属颗粒的粒径为10－10000nm。

在另一优选例中，所述金属颗粒的粒径为10－5000nm，较佳地为20－3000nm，更佳地为25－1000nm。

在另一优选例中，所述金属颗粒的形状选自下组：球状、类球状、片状、条状、或其组合。

在另一优选例中，组成所述金属颗粒的金属元素为金。

在另一优选例中，所述激光经所述推力承接结构的激光照射区域透过所述推力承接结构。

在另一优选例中，所述推力承接结构的激光照射区域的材料是能透过激光的透明材料。

在另一优选例中，所述透明材料为选自下组：石英、金刚石、各类光学玻璃、或其组合。

在另一优选例中，所述推力承接结构的激光照射区域的材料是不能透过激光的不透明材料，且在激光前进路径上设有一个或多个贯通所述推力承接结构的孔，所述孔用于透过所述激光。

在另一优选例中，所述推力承接结构的激光照射区域在所述推力产生结构一侧设有凹形加强结构，所述凹形加强结构将部分所述近光速粒子P的动量用作产生推进所述太空飞行器飞行的动力。

在另一优选例中，所述推力产生结构相对于所述推力承接结构之间存在电位差。

在另一优选例中，所述激光系统发射的激光的波长为10－10000nm。

在另一优选例中，所述激光系统发射的激光的波长为100－5000nm，较佳地为200－3000nm，更佳地为250－1000nm。

在另一优选例中，所述激光系统发射的激光的波长选自下组：266±5nm、355±5nm、532±5nm、800±5nm、1064±5nm。

在另一优选例中，所述激光系统可调节所发射的激光的强度、脉冲和波长。

在另一优选例中，所述金属颗粒的粒径与所述激光的波长接近。

在另一优选例中，所述“接近”指所述金属颗粒的粒径与所述激光的波长的比值为0.5-1.5，较佳地为0.8-1.2，更佳地为0.9-1.1。

在另一优选例中，所述推进装置还设有用于输送所述推力产生结构的输送系统。

在另一优选例中，所述推力产生结构被激光照射的区域发生升华。

在另一优选例中，部分所述升华的推力产生结构的粒子P”的动量被直接用作产生推进所述太空飞行器飞行的动力。

在另一优选例中，当需要所述推进装置提供推进力时，使用所述输送系统将所述推力产生结构输送至所述推力承接结构的激光照射区域下方，所述激光照射所述推力产生结构以加速所述核衰变材料的衰变。

在另一优选例中，所述推进装置还设有一个或多个电磁场调制系统，所述电磁场调制系统用于约束和/或加速所述近光速粒子P’。

在另一优选例中，每个近光速粒子推进单元设有一个所述的电磁场调制系统；或者多个近光速粒子推进单元设有一个共用的所述电磁场调制系统；或所有近光速粒子推进单元设有一个共用的所述电磁场调制系统。

在另一优选例中，所述的电磁场调制系统位于所述推力产生结构的外侧且靠近所述推力产生结构，并且所述电磁场调制系统产生的磁场基本覆盖所述推力产生结构。

在另一优选例中，所述电磁场调制系统的电力由飞行器提供。

在本发明的第二方面，提供了一种推进太空飞行器飞行的方法，所述方法包括如下步骤：

(a)提供一太空飞行器，所述太空飞行器包括一飞行器主体结构和推进装置，其中所述推进装置包括本发明第一方面所述的推进装置；

(b)在太空飞行期间，启动所述推进装置中的近光速粒子推进单元，将所述激光系统产生的激光作用于所述推力产生结构以加速所述核衰变材料衰变，并将所述核衰变材料产生的部分或全部所述近光速粒子P’的动量直接用作产生推进所述太空飞行器飞行的动力，从而推进太空飞行器飞行。

在另一优选例中，所述方法还包括：利用所述激光作用所述推力产生结构升华的粒子P”的动量以推进所述太空飞行器飞行。

在另一优选例中，在激光作用下，所述推力产生结构附近的电磁场强度放大为10¹⁵-10¹⁸W/cm²，较佳地为10¹⁶-10¹⁷W/cm²。

在另一优选例中，所述方法对太空飞行器的推进力的大小是可控的。

在本发明的第三方面，提供了一种太空飞行器，所述太空飞行器包括本发明第一方面所述的推进装置。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1是本发明推进装置的总体设计图。

图2是本发明推进装置的输送系统示意图。

图3是本发明推进装置的推力产生结构和具有透明激光照射区域的推力承接结构在激光作用下的作用示意图。

图4是本发明推进装置的推力产生结构和具有透明激光照射区域和凹形加强结构的推力承接结构在激光作用下的作用示意图。

图5是本发明推进装置的推力产生结构和具有不透明激光照射区域的推力承接结构在激光作用下的作用示意图。

图6是本发明推进装置的推力产生结构和具有不透明激光照射区域和凹形加强结构的推力承接结构在激光作用下的作用示意图。

图7为本发明的仿真结果示意图。

具体实施方式

本发明人经过长期而深入的研究，意外地发现通过局部激光作用于所述推力产生结构以降低所述核衰变材料的半衰期后，可以显著增强所述推力产生结构产生的推力，进而更加有力地推进飞行器。具体地，本发明人通过采用强度可控的激光可控地作用于含金属颗粒的所述推力产生结构后，所述推力产生结构中的核衰变材料的半衰期显著降低，可瞬间释放出大量的近光速粒子，从而可在较短的时间内对所述飞行器产生较大的推力作用。这种推进飞行器的方法可以低载重的核衰变材料实现对飞行器的长期、可控、持续且稳定的推进和/或方位调整。基于上述发现，发明人完成了本发明。

术语

如本文所用，术语“本发明推进装置”、“推进装置”、“本发明推进系统”、“推进系统”、“本发明姿态调整系统”或者“姿态调整系统”可互换使用。

如本文所用，术语“本发明光学调制系统”、“光学调制系统”、“本发明光学系统”或者“光学系统”可互换使用，均指可对激光系统产生的激光的发射方向和发射范围进行调节的系统。

如本文所用，术语“推力产生结构”或者“靶材”可互换使用，均指由核衰变材料和金属颗粒组成，其中，所述核衰变材料自然衰变产生近光速粒子，且所述近光速粒子包括向背离所述推力承接结构方向的(即后行的)近光速粒子P’和向所述推力承接结构方向的(即前行的)近光速粒子P，部分所述近光速粒子P’的动量被直接用作产生推进所述太空飞行器飞行的动力。

理论推导

假设作用于核物质的激光光斑为长L₀，宽W₀的方形尺寸，作用深度为H₀，则单个脉冲光斑作用的物质体积为V₀。则V₀＝L₀*W₀*H₀。

核物质的密度为ρ，则单次脉冲光斑作用物质的质量为M₀，且M₀＝ρ*V₀。

假设使用纳秒激光器，激光加速核物质半衰期T变为5微秒，则单次激光脉冲产生的近光速离子推力大小推导如下。

核物质质量为M₀，摩尔质量M_mol，摩尔数N_mol＝6.02E23.

最初总原子数N₀:N₀＝M₀/M_mol*N_mol

材料原子核衰变规律:N＝N₀*0.5^(t/T)，

其中T为半衰期，t为时间，N为未发生衰变的原子数。

则衰变了的原子数为N_d＝N₀-N

衰变原子的变化率：N_d(t)＝dN_d/dt＝-N₀/T*ln(0.5)*0.5^(t/T)

α衰变的近光速粒子动量P＝M_α*V_α，M_α＝6.64e-27kg，V_α＝0.052C＝15600000m/s

综上可知，

理想情况，假设所有粒子均朝一个方向，则近光速粒子产生的推力为：

F(t)＝-V_α*M_α*N_mol*M₀*ln(0.5)*(0.5)^(t/T)/(T*M_mol)

考虑实际运动情况，以及原子层之间粒子间相互作用的动能损失，加入修正项η(η<1)。故实际产生的推力约为：

F(t)’＝-η*V_α*M_α*N_mol*M₀*ln(0.5)*(0.5)^(t/T)*/(T*M_mol)

这是计算一次半衰期的推力，后面的几次半衰期的作用力比第一次半衰期推力小。激光激发的核衰变周期可以非常短，如小于10微秒，那么两个激光脉冲之间的衰变基本可以结束(10KHz时脉冲间隙100微秒，10个半衰期后，基本没有衰变发生了，衰变的动量效应结束)。

除了衰变产生的近光速粒子，激光把整个作用区域的物质烧蚀升华，假设烧蚀物质以速度V_b升华，则升华物质的推力F_b＝dM₀*V_b/dt，产生的等离子体能持续作用一段时间。

假设激光光斑烧蚀体积

V0＝W0*L0*H0*＝100um*5000um*1um＝5e-13[m^3]

核物质铀密度ρ＝19050kg/m^3，则单次脉冲烧蚀并诱导加速衰变的质量为M₀＝9.525e-9kg。

半衰期T＝5微秒，加速衰变近光速粒子最大推力约为Fc_max＝43.1N。

上述情况下的仿真结果示意图见图7。

而且，脉冲激光烧蚀物质，产生等离子体冲击波，也会产生推力作用，进一步加大承接结构的推力。

推进装置

目前，人类已经将核材料自然衰变的热效应用于核能发电。核材料的动量效应目前尚未见应用于宇航领域。核材料衰变释放的一些粒子具备很高的速度，其中ɑ粒子，中子，质子，电子等既具备一定的质量，也具备大于0.001倍光速的初速度。这样的高速若能用于推进系统，则可以以很少的质量实现目前宇航领域的一系列任务，长时间在太空中产生推力，持续加速，从而大大缩短深空以及星际航行的时间。虽然自然核衰变可以持续释放速度为0.05倍光速的ɑ粒子，但是其衰变速度相对恒定且较慢。

利用强激光辐射金属微纳米颗粒，如一定波长的短脉冲激光(短于100纳秒)辐射金纳米颗粒，利用金属微纳米颗粒对激光电磁场的谐振效应，激光辐照区的局部电磁场会放大10000倍以上。如文献中所述，这类谐振发生的条件是激光波长与颗粒的尺寸接近。当辐射激光强度超过10¹²W/cm²时,在金属微纳米颗粒临近区域电磁场强度会达到10¹⁶W/cm²量级，可以扰动原子核内物质稳定性。当核衰变材料的原子足够接近这样的强电磁场时，核衰变就会加速发生。大量的金属微纳米颗粒谐振引起大量的核原料衰变，发射ɑ粒子等近光速粒子。将金属颗粒与核材料混合，做成很薄的片材，如小于10微米厚的片材，就会有相当比例的近光速粒子逸出，从而将近光速粒子的动量效应转化为反推力。

本发明提供了一种用于推进太空飞行器的推进装置，所述推进装置固定于所述太空飞行器的主体结构上，且所述推进装置包括一个或多个近光速粒子推进单元，所述近光速粒子推进单元包括：推力产生结构、推力承接结构和激光系统，其中，

所述推力产生结构包括核衰变材料和金属颗粒，其中，所述核衰变材料自然衰变产生近光速粒子，部分所述近光速粒子的动量被直接用作产生推进所述太空飞行器飞行的动力；

所述推力承接结构与所述太空飞行器的主体结构连接，且所述推力承接结构与所述推力产生结构相邻，用于承接所述近光速粒子产生的动力且将所述动力传递至所述太空飞行器以推进所述太空飞行器飞行；

所述激光系统产生激光，所述激光加速所述核衰变材料衰变释放近光速粒子。

代表性地，所述太空飞行器包括(但并不限于)：卫星、宇宙飞船、星际探测器。

在另一优选例中，所述太空飞行器包括飞行器主体结构和所述推进装置。

在另一优选例中，所述太空飞行器还包括电力系统、主控系统和光学系统。

通常，所述主控系统可控制所述激光系统发射的激光的通断和所述输送系统的输送速度，进而即时地控制所述推进装置提供的推力的大小和持续时间。

在另一优选例中，所述激光系统产生的激光经所述光学系统调制后再透过所述推力承接结构。

在另一优选例中，所述太空飞行器还包括对接单元，用于对接飞行器主体结构和所述推进装置。

在本发明中，所述近光速粒子推进单元的位置没有特别限制，可根据实际工程需要在很大范围内进行调整。

典型地，所述近光速粒子推进单元位于所述太空飞行器的外侧且对称分布。

在另一优选例中，所述近光速粒子推进单元位于所述太空飞行器主体结构的后部、尾部、两侧、或其组合。

在另一优选例中，所述多个近光速粒子推进单元连接形成推力帆结构。

在另一优选例中，所述推力帆结构优选为网格状结构。

在本发明中，所述核衰变材料自然衰变产生的近光速粒子包括向背离所述推力承接结构方向的(即后行的)近光速粒子P’和向所述推力承接结构方向的(即前行的)近光速粒子P，其中，部分所述近光速粒子P’的动量被直接用作产生推进所述太空飞行器飞行的动力。

在另一优选例中，部分所述近光速粒子P的动量被直接用作产生推进所述太空飞行器飞行的动力。

在本发明中，所述推力产生结构的厚度没有特别限制，可根据实际工程需要在很大范围内进行调整。

典型地，所述推力产生结构的厚度为0.01-100000μm，较佳地为0.1-10000μm，更佳地为1-1000μm，最佳地为3-500μm。

在另一优选例中，所述推力产生结构的厚度为4-100μm，较佳地为4-50μm，更佳地为4-30μm，更佳地为4-15μm，最佳地为4-10μm。

在本发明中，所述推力产生结构的形状没有特别限制，可根据实际工程需要在很大范围内进行调整。

代表性地，所述推力产生结构的形状包括(但并不限于)：涂层状、薄膜状、网孔状、片材状、线材状、块状、或其组合。

在本发明中，所述推力产生结构中，所述核衰变材料和金属颗粒的重量总含量和两者的含量比例没有特别限制，可根据实际工程需要在很大范围内进行调整。

通常，所述推力产生结构中，所述核衰变材料和金属颗粒的重量总含量≥50wt％，较佳地≥80wt％，更佳地≥90wt％，最佳地≥95wt％。

典型地，所述推力产生结构中，所述核衰变材料和所述金属颗粒的质量比为1－99：1－99，较佳地为5－85：15－95，更佳地为10－70：30－90，最佳地为20-60：40-80。

在本发明中，所述推力产生结构中，所述核衰变材料和所述金属颗粒均匀分布。

在另一优选例中，所述“均匀分布”指在所述推力产生结构中任意单位面积内的核衰变材料的密度与在整个推力产生结构中核衰变材料的平均密度的比值为0.7-1.3，较佳地为0.8-1.2，更佳地为0.9-1.1；和/或

在所述推力产生结构中任意单位面积内的金属颗粒的密度与在整个推力产生结构中金属颗粒的平均密度的比值为0.7-1.3，较佳地为0.8-1.2，更佳地为0.9-1.1。

在另一优选例中，所述推力产生结构中所述核衰变材料和所述金属颗粒紧密接触。

在本发明中，所述“紧密接触”是指所述核衰变材料和所述金属颗粒之间的距离在被激光作用的金属颗粒谐振加强的磁场作用范围内。

当所述激光的波长与所述金属颗粒的粒径接近时，所述金属颗粒在激光作用下可发生谐振，将所述金属颗粒附近的电磁场放大，达到10¹⁶W/cm²量级，在此数量级的磁场强度下核衰变材料的原子核受到扰动，使得所述核衰变材料的半衰期瞬间缩短(如U232的半衰期将从69年缩短到5微秒)，从而所述核衰变材料的衰变从自然核衰变转换为快速衰变，其在瞬间内就会释放出大量的近光速粒子，且在瞬间就会衰变耗尽。因此，所述近光速粒子P’对所述太空飞行器产生的反推力也相应地瞬时得到显著增强。如经激光辐射小部分10kg的U232就可以产生显著的推力，若同时释放推力，则达90000百万牛顿量级，但激光不辐照就不释放。用普通激光光斑覆盖的材料面积单脉冲的理论最大推力可以达到1牛顿量级。持续进给所述推力产生结构就可以长期维持一定的推力。

由于半衰期的瞬间缩短仅发生在激光作用期间且仅发生在激光作用的区域，而未经激光作用的所述核衰变材料的半衰期仍为其正常的自然半衰期。因此，本发明所述推进装置所产生的反推力的大小可以通过调控激光的通断精确可控的进行调节。

在另一优选例中，组成所述核衰变材料的放射性元素的同位素的自然核衰变半衰期≥10年，较佳地≥20年，更佳地≥30年，最佳地≥40年。

在另一优选例中，组成所述核衰变材料的放射性元素的同位素的自然核衰变半衰期≥50年，较佳地≥100年，更佳地≥150年，最佳地≥300年。

在另一优选例中，组成所述核衰变材料的放射性元素的同位素的半衰期在激光激励下极大缩短。

在本发明中，组成所述核衰变材料的放射性元素的同位素的半衰期在激光激励下缩短至其自然衰变半衰期的1/10⁵⁰－1/10³。

通常，组成所述核衰变材料的放射性元素的同位素的半衰期在激光激励下缩短至其自然衰变半衰期的1/10⁴⁰－1/10⁵，较佳地为1/10³⁵－1/10⁸，更佳地为1/10³⁰－1/10¹⁰，最佳地为1/10²⁵－1/10¹³。

典型地，组成所述核衰变材料的放射性元素的同位素在激光激励下的核衰变半衰期≤10⁷秒，较佳地≤10⁵秒，更佳地≤10³秒，最佳地≤10秒。

在另一优选例中，组成所述核衰变材料的放射性元素的同位素在激光激励下的核衰变半衰期≤10^-3秒，较佳地≤10^-4秒，更佳地≤10^-5秒。

在本发明中，组成所述核衰变材料的放射性元素的种类没有特别限制，可根据实际工程需要在很大范围内进行调整。

代表性地，所述核衰变材料由包括(但并不限于)的放射性元素的同位素组成：钚、铀、镭、或其组合。

在本发明中，所述近光速粒子的速度≥3х10⁴米/秒，较佳地≥3х10⁵米/秒，更佳地≥3х10⁶米/秒，最佳地≥3х10⁷米/秒。

典型地，所述近光速粒子的速度大于千分之一倍光速。

通常，所述近光速粒子的速度不超过光速。

代表性地，所述近光速粒子为有质量粒子，包括(但并不限于)：ɑ粒子、中子、质子、电子、或其组合。

在本发明中，所述金属颗粒的粒径为10－10000nm。

在另一优选例中，所述金属颗粒的粒径为10－5000nm，较佳地为20－3000nm，更佳地为25－1000nm。

在本发明中，所述金属颗粒的形状没有特别限制，可根据实际工程需要在很大范围内进行调整。

代表性地，所述金属颗粒的形状包括(但并不限于)：球状、类球状、片状、条状、或其组合。

在本发明中，组成所述金属颗粒的金属元素的种类没有特别限制，为任何可以在激光作用下与激光发生谐振作用进而加强其附近磁场强度的金属元素。

在一优选例中，组成所述金属颗粒的金属元素优选为金。

在本发明中，所述激光经所述推力承接结构的激光照射区域透过所述推力承接结构。

在本发明中，所述推力承接结构的厚度没有特别限制，以所述推力承接结构可长期承受并传递推力为准。

在另一优选例中，所述推力承接结构的激光照射区域的材料是能透过激光的透明材料。

在本发明中，所述透明材料没有特别限制，可根据实际工程需要在很大范围内进行调整。

代表性地，所述透明材料包括(但并不限于)：石英、金刚石、各类光学玻璃、或其组合。

在另一优选例中，所述推力承接结构的激光照射区域的材料是不能透过激光的不透明材料，且在激光前进路径上设有一个或多个贯通所述推力承接结构的孔，所述孔用于透过所述激光。

在本发明中，所述不透明材料没有特别限制，为任何可以长期承受并传递推力的材料。具体地，透明材料和不透明材料的选择，实际应用时可综合考虑材料长时间承受推力的情况，以避免高能粒子的冲击损伤。

在本发明中，所述孔的孔径大小没有特别限制，可根据工程实际应用在很大范围内进行变化。通常，所述孔径大小略大于激光束光斑尺寸能透过激光即可。激光束光斑尺寸的大小根据激光器不同，设计推力需求不同等，可根据工程实际应用进行设计。

在另一优选例中，所述推力承接结构的激光照射区域在所述推力产生结构一侧设有凹形加强结构，所述凹形加强结构将部分所述近光速粒子P的动量用作产生推进所述太空飞行器飞行的动力。

在另一优选例中，所述推力产生结构相对于所述推力承接结构之间存在电位差。

在本发明中，所述电位差范围没有特别限制，以可有效保护所述推力承接结构的长期可用性为准。

在另一优选例中，所述激光系统发射的激光的波长为10－10000nm。

在另一优选例中，所述激光系统发射的激光的波长为100－5000nm，较佳地为200－3000nm，更佳地为250－1000nm。

在另一优选例中，所述激光系统发射的激光的波长选自下组：266±5nm、355±5nm、532±5nm、800±5nm、1064±5nm。

在另一优选例中，所述激光系统可调节所发射的激光的强度、脉冲和波长。

在本发明中，所述激光系统发射的激光的强度和脉冲没有特别限制，可根据工程实际应用在很大范围内进行变化。

通常，所述金属颗粒的粒径与所述激光的波长接近。

在本发明中，所述“接近”指所述金属颗粒的粒径与所述激光的波长的比值为0.5-1.5，较佳地为0.8-1.2，更佳地为0.9-1.1。

在本发明中，所述推进装置还设有用于输送所述推力产生结构的输送系统。

在另一优选例中，当需要所述推进装置提供推进力时，使用所述输送系统将所述推力产生结构输送至所述推力承接结构的激光照射区域下方，所述激光照射所述推力产生结构以加速所述核衰变材料的衰变。

此外，由于所述推力产生结构在激光作用下会发生升华产生粒子P”，所述粒子P”的动量也会对所述推力承接结构产生反推力，进而推进太空飞行器飞行。

在另一优选例中，部分所述升华的推力产生结构的粒子P”的动量被直接用作产生推进所述太空飞行器飞行的动力。

所述推力产生结构的升华在一定程度上可以降低太空飞行器所携带的质量，进而减小其负重，使得推进效果更加显著。

在本发明中，所述推进装置还设有一个或多个电磁场调制系统，所述电磁场调制系统用于约束和/或加速所述近光速粒子P’。

在另一优选例中，每个近光速粒子推进单元设有一个所述的电磁场调制系统；或者多个近光速粒子推进单元设有一个共用的所述电磁场调制系统；或所有近光速粒子推进单元设有一个共用的所述电磁场调制系统。

在另一优选例中，所述的电磁场调制系统位于所述推力产生结构的外侧且靠近所述推力产生结构，并且所述电磁场调制系统产生的磁场基本覆盖所述推力产生结构。

在另一优选例中，所述电磁场调制系统的电力由飞行器提供。

本发明所提供的技术可以实现长期推力供给和能量供应，为跨越大的天文空间提供了新的手段。当然，这样的推力系统还可以用于飞行器姿态调整。

推进方法

本发明还提供了一种推进太空飞行器飞行的方法，所述方法包括如下步骤：

(a)提供一太空飞行器，所述太空飞行器包括一飞行器主体结构和推进装置，其中所述推进装置包括所述的推进装置；

(b)在太空飞行期间，启动所述推进装置中的近光速粒子推进单元，将所述激光系统产生的激光作用于所述推力产生结构以加速所述核衰变材料衰变，并将所述核衰变材料产生的部分或全部所述近光速粒子P’的动量直接用作产生推进所述太空飞行器飞行的动力，从而推进太空飞行器飞行。

在本发明中，所述方法还包括：利用所述激光作用所述推力产生结构升华的粒子P”的动量以推进所述太空飞行器飞行。

在另一优选例中，在激光作用下，所述推力产生结构附近的电磁场强度放大为10¹⁵-10¹⁸W/cm²，较佳地为10¹⁶-10¹⁷W/cm²。

在另一优选例中，所述方法对太空飞行器的推进力的大小是可控的。

所述方法的推力大小可以通过激光的通断有效控制，当激光关断时，所述推进装置处于低推力状态，当激光作用时，所述推进装置处于高加速状态。通过调控推力的大小，可以有效实现对飞行器的加速、减速和/或姿态调整等任务。而且，所述推进作用的时间跨度可以远远超过1天，达到几十年以上。空间跨度越大，时间越长，本发明的技术优势越明显。

与现有技术相比，本发明具有以下主要优点：

(1)可以有限的核原料对飞行器提供长期的推进力；

(2)可在推进飞行器的同时对飞行器的姿态进行调整；

(3)可以对飞行器提供极高的推进速度，较佳地高达200公里/秒；

(4)所述推进装置对飞行器的反推力大小可长期有效控制；

(5)可将近光速粒子的动量效应和激光作用下物质的升华的动量效应结合，一起推进飞行器；

(6)由于核衰变材料的耗尽和金属颗粒的升华，可以在一定程度上降低飞行器载重，利于提高其推进速度；

(7)可以通过激光器的开启和关闭，可即时控制核物质衰变加速效应的开始和停止；

(8)可以通过控制激光光斑尺寸和强度等参数，高效便捷地控制推力的大小和持续时间，从而进行飞行器速度和姿态的调整。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数按重量计算。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

实施例1

图1是本发明推进装置的总体设计图。如图1所示，飞行器向激光器供电并控制激光器参数，激光经过光学系统调制，穿过推力承接结构，聚焦在紧挨板面下方的薄片状燃料靶材上。激光聚焦处的强度超过10¹²W/cm²，升华靶材的同时，加速ɑ粒子衰变辐射1万倍以上。靶材由核衰变原料与微纳米晶粒的金属混合物组成，做成超薄片材或线材，紧挨推力承接结构滑动。做成超薄片材是为了将谐振激发的粒子动能尽可能转化为反冲力，而不是热能。穿过推力承接结构的激光能量首先与纳米金属基体产生谐振，产生高密度等离子体和局部高强度电磁场，从而激发邻近的核辐射原子放出近光速粒子，如ɑ粒子。由于薄层结构，相当比例的ɑ粒子可以逸出基体，从而产生反冲力。

此外，激光能量迅速将靶材升华，以一定速度脱离，同样产生动量和反冲力。这样，ɑ粒子辐射的动量和物质直接升华的动量加在一起，产生总体推力。靶材以一定的速度向前进给，保持推力的持续性。在真空中，物质升华的速度可以达到1000米/秒以上。

激光发光耗用的电力可以通过太阳帆等外在能源来获取。激光激发的核衰变周期可以非常短，如小于10微秒，那么两个激光脉冲之间的衰变基本可以结束(10KHz时脉冲间隙100微秒，10个半衰期后，基本没有衰变发生了，衰变的动量效应结束)。靶材进给以持续贡献ɑ粒子动量效应，然后又不断地与金属基体一起脱离飞行器，减少飞行器的质量的同时贡献部分反冲力。这对于提高飞行器的终端速度是有利的，因为可以通过携带大量的燃料来加速更大的负载。本发明可以通过控制激光器通断和燃料进给来精确调节推力的大小。

实施例2

图2是本发明推进装置的输送系统示意图。其中，推力产生结构由核衰变原料与微纳米晶粒的金属混合物组成，做成超薄片材或线材，紧挨推力承接结构滑动。推力产生结构通过该进给系统以一定的速度向前进给，实现精确可控的近光速粒子动量效应，与激光物质升华推进作用结合，保持推力的持续性。

实施例3

图3是本发明推进装置的推力产生结构和具有透明激光照射区域的推力承接结构在激光作用下的作用示意图。其中，激光可直接透过而作用于下方的核材料，产生推力。

实施例4

图4是本发明推进装置的推力产生结构和具有透明激光照射区域和凹形加强结构的推力承接结构在激光作用下的作用示意图。其中，由于加上了凹形加强结构，能更有效增强推力。

实施例5

图5是本发明推进装置的推力产生结构和具有不透明激光照射区域的推力承接结构在激光作用下的作用示意图。其中，激光通过穿透的孔再作用于下方的核材料产生推力。

实施例6

图6是本发明推进装置的推力产生结构和具有不透明激光照射区域和凹形加强结构的推力承接结构在激光作用下的作用示意图。其中，由于加上了凹形加强结构，能有效增强推力。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种用于推进太空飞行器的推进装置，其特征在于，所述推进装置固定于所述太空飞行器的主体结构上，且所述推进装置包括一个或多个近光速粒子推进单元，所述近光速粒子推进单元包括：推力产生结构、推力承接结构和激光系统，其中，

所述推力产生结构包括核衰变材料和金属颗粒，其中，所述核衰变材料自然衰变产生近光速粒子，部分所述近光速粒子的动量被直接用作产生推进所述太空飞行器飞行的动力；

所述推力承接结构与所述太空飞行器的主体结构连接，且所述推力承接结构与所述推力产生结构相邻，用于承接所述近光速粒子产生的动力且将所述动力传递至所述太空飞行器以推进所述太空飞行器飞行；

所述激光系统产生激光，所述激光加速所述核衰变材料衰变释放近光速粒子。

2.如权利要求1所述的推进装置，其特征在于，所述核衰变材料自然衰变产生的近光速粒子包括向背离所述推力承接结构方向的近光速粒子P’和向所述推力承接结构方向的近光速粒子P，其中，部分所述近光速粒子P’的动量被直接用作产生推进所述太空飞行器飞行的动力。

3.如权利要求1所述的推进装置，其特征在于，组成所述核衰变材料的放射性元素的同位素的半衰期在激光激励下缩短至其自然衰变半衰期的1/10⁵⁰－1/10³。

4.如权利要求1所述的推进装置，其特征在于，所述金属颗粒的粒径为10－10000nm。

5.如权利要求1所述的推进装置，其特征在于，所述激光经所述推力承接结构的激光照射区域透过所述推力承接结构。

6.如权利要求1所述的推进装置，其特征在于，所述激光系统发射的激光的波长为10－10000nm。

7.如权利要求1所述的推进装置，其特征在于，所述推进装置还设有用于输送所述推力产生结构的输送系统。

8.如权利要求1所述的推进装置，其特征在于，所述推进装置还设有一个或多个电磁场调制系统，所述电磁场调制系统用于约束和/或加速所述近光速粒子P’。

9.一种推进太空飞行器飞行的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(a)提供一太空飞行器，所述太空飞行器包括一飞行器主体结构和推进装置，其中所述推进装置包括权利要求1所述的推进装置；

(b)在太空飞行期间，启动所述推进装置中的近光速粒子推进单元，将所述激光系统产生的激光作用于所述推力产生结构以加速所述核衰变材料衰变，并将所述核衰变材料产生的部分或全部所述近光速粒子P’的动量直接用作产生推进所述太空飞行器飞行的动力，从而推进太空飞行器飞行。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：利用所述激光作用所述推力产生结构升华的粒子P”的动量以推进所述太空飞行器飞行。