一种利用真空能量涨落的真空空间推进器及推进方法

1.本发明涉及空间推进领域，更具体地，涉及一种利用真空能量涨落的真空空间推进器及推进方法。


背景技术：

2.航空器的发展对于通信、遥感、微重力科学与应用、星际航行、深空探测等方面具有重要意义。目前航空器的空间推进技术主要有化学推进、电推进及其他推进技术。化学推进技术是在隔绝空气的条件下使工质燃烧放出大量热能并产生高温、高压气体，燃气高速自推进系统排出产生推力，其比冲可调、推力大、技术成熟，是航空航天领域使用最多的推进技术。而电推进技术主要有三类，第一种是电热推进器，利用电能加热工质使其气化，经推力喷管膨胀加速喷出产生推力。第二种是静电推进器，利用电能在静电场中电离工质，形成电子和离子，并使离子在静电场作用下加速排出产生推力，常见的有离子推进器。第三种是电磁推力器，同样是利用电能使工质形成等离子体，在外加电磁场洛伦兹力作用下加速从推力喷管喷出产生推力，常见的有霍尔推力器。电推进技术相比化学推进技术省去了复杂的工质存储装置、发动机燃烧室、冷却装置等，大幅减少了航天器的质量，增加了航空器的有效载荷，提高了航空器的在轨使用寿命，具有比冲高、喷气速度快、寿命长、控制精度高等优点，越来越成为近年的研究热点，但是其推力相较于化学推进方式较小。
3.随着航空技术的发展，航天任务也趋于多样化，对航空器的性能也提出了更高的要求，化学推进和电推进技术均需要携带一定质量的消耗工质作为推进剂，且航空器的在轨运行寿命也直接取决于所携带的工质剂量，不仅大大增加了发射成本，也极大地制约了航空器的服役寿命。目前已经提出一些利用空间环境物质为基础的各类推进技术，以期降低携带燃料的航天器的发射成本，提高其在轨运行寿命。如授权公告号为cn110748467 b的专利，公布了一种可应用于多流态的智能控制吸气式电推进系统，其利用超低轨道稀薄气体作为工质进行姿轨控制以及阻力补偿推进。授权公告号为cn102767497 b的专利，公布了一种基于空间原子氧的无燃料航天器推进系统，利用低轨道空间原子氧作为推进工质，使得在空间环境中进行在轨运动的航天器能够一直进行空间旋转运动而不受空间环境中微小阻力的影响。尽管这类技术可以解决航空器携带工质有限的问题，大大提高其在轨寿命，但其中所涉及的稀薄气体主要存在于200km-700km的超低轨道，因此其工作范围受限，无法实现深空探测，星际航行等真空度较高区域的探测任务。
4.经典意义上的真空指的是没有任何实物粒子存在的空间，粒子是沿着确定轨迹运动的质点，并且在任意时刻总是具有确定的位置和动量。但实际上真空蕴藏着大量的本底能量，是由正电子和负电子旋转波包组成的系统，充满了量子涨落。1913年阿尔伯特
·
爱因斯坦(alber einstein)和奥图
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史特恩(otto stern)首次提出振子在绝对零度时依然具有能量，即零点能，是量子力学所描述的物理系统具有的最低能量，其中h为普朗克常量，ν为频率，此时系统所处的态为基态。对零点能存在的最直接证明就是卡西米尔效应，由荷兰物理学家亨德里克
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卡西米尔(hendrik casimir)于1948年理论提出。根据量子
电动力学原理，真空能量以虚粒子的形态出现，各种波长的虚粒子存在于整个宇宙，即使在绝对零度，这些虚粒子依然保持真空活性，在“真空能”(即“零点能”)的作用下不断形成和消失。卡西米尔指出当虚粒子与物质碰撞时，它们的无数次轰击会产生巨大的作用力，因此导电材料的存在会直接影响零点能虚粒子的形成。当两个不带电的金属板紧靠在一起，板间较长波长的粒子会被排斥出去，金属板外的其他波长粒子会产生较强的卡西米尔推力使金属板相互靠拢，金属板距离越近，两者之间的吸引力就越强。卡西米尔效应是量子效应在宏观上的体现，可归结于卡西米尔腔之间电磁场的零点能的变化引起的，由于其只在非常小的距离下产生，因此在纳米尺度上具有重要的应用。实现真空能的间接或直接利用一直是科学家努力研究的方向，这对于能源利用及人类发展具有重要意义。
5.以下为涉及利用卡西米尔力实现真空推进装置的专利列举：
6.专利us8317137b2公开了一种产生横向卡西米尔力的装置，可以推动、引导和操纵航天器。所述装置通过利用微结构或纳米结构的非平行导电板阵列和中间电介质或半导体材料以热或电子两种形式开关横向卡西米尔力，所述微结构或纳米结构可以在半导体或绝缘衬底上制造，所述横向卡西米尔力的大小可以通过改变所述微结构或纳米结构阵列中非平行平板的角度，或改变纳米结构的电性能，或通过非平行平板阵列下半导体层来改变。该发明可以直接将卡西米尔力转换为系统的推力，而不需要任何反作用质量推动、引导和操纵航天器。虽然该发明利用了横向卡西米尔力作为驱动力，但其需要通过光刻、微电子工艺等技术制造微结构阵列，制作过程困难且结构复杂。


技术实现要素：

7.本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种利用真空能量涨落的真空空间推进器及推进方法，用于解决现有化学和电推进技术需要携带工质作为推进剂，导致增加发射成本以及制约航空器服役寿命的问题，以及其他推进技术工作范围受限，导致无法实现深空探测、星际航行等真空度较高区域探测任务的问题。
8.本发明采取的技术方案是，一种利用真空能量涨落的真空空间推进器，包括推进系统、控制系统以及供电系统，所述供电系统对所述推进系统以及控制系统进行供电；所述推进系统包括旋转电机以及连接于所述旋转电机上的若干扇叶，所述扇叶表面设置有若干手性粒子，所述若干手性粒子在所述扇叶表面呈阵列分布，所述旋转电机用于带动所述扇叶以及所述手性粒子绕旋转轴高速旋转，以使所述手性粒子与真空中的热和真空能量涨落相互作用，产生驱动力。
9.在计算过程中，处于真空中的手性粒子，通常使用偶极子进行近似模拟，手性粒子在真空中高速旋转，并与真空能量涨落相互作用，将产生驱动力，这种驱动力也被称作为卡西米尔力，该力将沿着手性粒子旋转轴推动或拉动粒子。这种卡西米尔力起源于粒子旋转诱导的对称性破缺和手性诱导的电场、磁场及偶极子之间的交叉耦合，将外部电磁场的自旋角动量转换为粒子沿电磁场自旋方向的线性动量。
10.在电磁场的量子体系中，两个相反螺旋度的真空自旋角动量与自由空间光子局部态密度和平均光子数相关。光力的方向仅取决于圆极化电磁场的螺旋度，具有相反螺旋度的圆极化电磁场引起的真空力具有相反的方向。因此，对于非旋转手性粒子，真空的对称性导致两个相反螺旋度的真空自旋角动量的等价性，从而平衡了自旋诱导的真空力，对真空
力没有贡献。而对于一个以一定旋转速度绕旋转轴旋转的手性粒子，旋转打破了平衡并引起真空力。尤其在带有粒子的旋转体系中，由于角多普勒效应，具有螺旋度的圆极化场的频率将发生相应的变化。因此，旋转手性粒子的电场极化率、磁场极化率和手性参数将分裂成两个分量，对应于圆极化场的两个相反螺旋度，分裂将使相反螺旋度的自旋诱导的真空力不平衡，从而产生由电磁涨落引起的真空驱动力。
11.真空驱动力仅源于电磁场的涨落，不考虑偶极子涨落对驱动力的贡献。在偶极子近似下，作用在手性粒子上的总光力主要有三部分，电偶极子力f
edip
、磁偶极子力f
mdip
以及电磁相互作用项f
int
。真空和热涨落引起的真空驱动力主要有两种类型，(a)粒子电和磁偶极矩的涨落，(b)电场和磁场的真空涨落。这两种涨落是独立和不相关的。三部分分量计算公式如下式(1-3)：
[0012][0013][0014][0015]
此外，通过改变手性材料旋转频率、手性系数以及共振频率可以控制卡西米尔力的大小和方向，进而调节推进器的驱动方向和驱动速度。本发明可以间接利用真空任意位置的零点能作为辅助，将电能转换为机械能或其他形式的能。
[0016]
同时，卡西米尔力在物理系统中保持宇称和时间反演对称性，而在手性材料中不具备宇称对称性。对于宇称对称性，当材料手性相反时，手性参数和推力的方向相反，对于时间反演操作，旋转和推力都是反向的，而手性参数保持不变。
[0017]
进一步的，所述手性粒子为各向同性的手性材料或手性超材料。由于自然材料的光学手性很小，本发明中，手性粒子可以为手性超材料，不同于自然材料，手性超材料是一种光学参数可以通过其结构人工调节的材料，因此，可以根据实际使用需求，通过调节材料结构改变其光学参数，以达到调节驱动力大小和方向的目的。
[0018]
进一步的，所述手性粒子的半径范围为10nm～50μm。对于螺旋结构的手性粒子，其内径和外径范围为10nm～50μm，螺距范围为10nm-20μm，且螺旋结构的螺旋中心轴垂直于所述旋转轴。
[0019]
在计算过程中，手性粒子通常使用偶极子进行近似模拟，因此本发明中的手性粒子需要满足各向同性且半径足够小的条件，以符合由频率相关的手性参数、电和磁极化率在偶极子近似下的精确描述。
[0020]
进一步的，所述手性粒子的共振频率ω0范围为0.1～5500，所述手性粒子的阻尼率γ范围为0.050～0.060。
[0021]
进一步的，所述手性粒子的旋转频率ω满足ω/2π＝0.80～1.20。
[0022]
进一步的，所述手性粒子的手性系数ω
κ
范围为-0.1～0.1。
[0023]
进一步的，所述推进器的工作温度t范围在0k～1000k。
[0024]
另一方面，本发明还公开了一种利用真空能量涨落的真空空间推进方法，包括：驱动手性粒子高速旋转，以使所述手性粒子与真空中的热和真空能量涨落相互作用，产生驱动力。
[0025]
进一步的，改变所述手性粒子的内外直径、螺距、旋转频率、手性系数以及共振频率，以使所述驱动力的大小和方向改变。
[0026]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0027]
1、本发明中的推进器，通过电机带动手性粒子在真空中高速旋转，与真空能量涨落相互作用产生驱动力，可用于推动引导或操控真空中的驱动设备或物质，如航空器等，使得航空器无需携带工质作为推进剂，有效减小发射成本及提高服役寿命，以及使得航空器工作范围不受限制，有利实现深空探测、星际航行等真空度较高区域探测任务；
[0028]
2、本发明中的推进方法，可以有效借助真空能量涨落的辅助，将电能转换为机械能或其他形式的能量，而真空能量弥漫在整个宇宙中，对于人类是取之不尽用之不竭的潜在能源，对于能源挖掘和利用方面具有重要意义。
附图说明
[0029]
图1为本发明的真空空间推进器的结构示意图。
[0030]
图2为本发明中施加在单个旋转手性粒子上的驱动力示意图。
[0031]
附图说明：旋转电机1，扇叶2，手性粒子3，控制系统4，供电系统5。
具体实施方式
[0032]
本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0033]
实施例1
[0034]
如图1所示，本实施例提供了一种利用真空能量涨落的真空空间推进器，包括推进系统、控制系统4以及供电系统5，供电系统5对推进系统以及控制系统4进行供电；推进系统包括旋转电机1以及连接于旋转电机1上的若干扇叶2，扇叶2表面设置有若干手性粒子3，若干手性粒子3在扇叶2表面呈阵列分布，旋转电机1用于带动扇叶2以及手性粒子3绕旋转轴高速旋转，以使手性粒子3与真空中的热和真空能量涨落相互作用，产生驱动力。
[0035]
进一步的，手性粒子3为各向同性的手性材料或手性超材料。由于自然材料的光学手性很小，因此本实施例中，手性粒子3采用各向同性的手性超材料进行演示。单个旋转手性粒子上产生真空驱动力的原理图如图2所示，旋转频率为ω的手性粒子绕x轴旋转，旋转打破了平衡并导致了真空卡西米尔推力。
[0036]
进一步的，本实施例中，手性粒子的共振频率ω0＝1.8713thz，阻尼率γ＝
0.05463ω0，背景介电常数εb＝3.1736，磁导率μb＝0.9798，且本实施例中手性粒子为螺旋结构，螺旋结构的外半径为50μm，螺距为10μm。
[0037]
进一步的，本实施例中，通过公式(1-3)计算了电磁偶极子f
dip
＝f
edip
f
mdip
、相互作用项中的电磁偶极涨落以及电磁场涨落这三个力分量和总的真空驱动力假设手性粒子的旋转频率为ω/2π＝10khz，真空温度t0和手性粒子温度t1均为300k。由于极化率和手性参数在谐振频率ω0附近存在较强的色散，电磁偶极子力f
dip
在谐振频率ω0附近存在最大值为，当频率为0.996ω0时，最大f
dip
＝-0.85
×
10-35
n/hz，以同样的方式计算了相互作用项中的最大电磁偶极涨落及最大电磁场涨落可以看出，电磁偶极子力f
dip
主导了总的真空驱动力由于真空中存在各种各样不同频率的电磁场，每个频率分量均对真空驱动力产生不同程度贡献，因此选择合适的共振频率和手性参数，以及足够数量的手性粒子，可产生足够大的真空驱动力驱动真空空间推进器在真空中航行。
[0038]
进一步的，本实施例中，还计算验证了手性粒子的旋转频率和环境温度对真空驱动力的影响。在现实条件下，旋转频率ω＜＜ω0，因此三个分量的积分相应的三个力分量正比于旋转频率ω，随着旋转频率ω增大，驱动力不断增大，当旋转频率增大到1mhz，总真空驱动尤空驱动尤由于电磁偶极子力f
dip
比电磁相互作用项f
int
大两个数量级，因此总真空驱动力近似于电磁偶极子力。同样的，由于真空光子数的差异，导致真空驱动力在t＝0k时的线性温度依赖特性，线性温度关系在低温0-2k时被打破，并且总真空驱动力在0k接近常数为
[0039]
实施例2
[0040]
如图1所示，本实施例提供了一种利用真空能量涨落的真空空间推进器，包括推进系统、控制系统4以及供电系统5，供电系统5对推进系统以及控制系统4进行供电；推进系统包括旋转电机1以及连接于旋转电机1上的若干扇叶2，扇叶2表面设置有若干手性粒子3，若干手性粒子3在扇叶2表面呈阵列分布，旋转电机1用于带动扇叶2以及手性粒子3绕旋转轴高速旋转，以使手性粒子3与真空中的热和真空能量涨落相互作用，产生驱动力。
[0041]
进一步的，本实施例中，背景介电常数εb＝3.1736，磁导率μb＝0.9798，且本实施例中手性粒子为螺旋结构，螺旋结构的外半径为50μm，螺距为10μm，旋转频率为ω/2π＝10khz。
[0042]
进一步的，手性粒子3为各向同性的手性材料或手性超材料。由于自然材料的光学手性很小，因此本实施例中，手性粒子3采用各向同性的手性超材料进行演示。假设本实施例中的其他参数不变，通过改变手性粒子3的共振频率ω0和手性系数ω
κ
可以调节真空驱动力的大小和方向。
[0043]
此外，本实施例中，还验证了手性粒子3的共振频率以及手性系述分别对与驱动力大小及方向的影响。
[0044]
进一步的，当手性粒子3的共振频率ω0在0.1thz-865thz(λ＝3mm-350nm)时，相互作用项中的电磁偶极涨落和电磁场涨落两力分量的大小比电磁偶极子力
增加更迅速。对于ω0/2π＜＜557thz(λ＝538nm)，总真空驱动力而当ω0/2π＞＞589thz(λ＝509nm)，高度偏离这是由于电磁偶极涨落和电磁场涨落力的方向相反。随着手性粒子3的共振频率ω0的增加，总真空驱动力在ω0/2π＝715thz(λ＝419nm)达到最大为并在ω0/2π＝809thz(λ＝371nm)处由负号变为正号因此可以通过调节手性粒子3的共振频率控制真空推进器的推进方向。
[0045]
进一步的，手性粒子3的手性系数ω
κ
对真空驱动力也有较大影响。当固定手性粒子3的共振频率为ω0＝1.8713thz。通过计算可以得到，当ω
κ
＝-0.05时，当ω
κ
＝0.05时，相反手性的粒子会在相反的方向上受到真空驱动力，并且，随着手性系数绝对值|ω
κ
|不断增大，真空驱动力逐渐增大。
[0046]
实施例3
[0047]
本实施例提供了一种利用真空能量涨落的真空空间推进方法，包括：驱动手性粒子高速旋转，以使手性粒子与真空中的热和真空能量涨落相互作用，产生驱动力。
[0048]
进一步的，改变手性粒子的内外直径、螺距、旋转频率、手性系数以及共振频率，以使驱动力的大小和方向改变。
[0049]
此外，相反手性的粒子，与真空中的热和真空能量涨落相互作用，会产生相反方向的驱动力，从而使得相反手性粒子分离，因此本实施例还可用于相反手性物质的分离，即进行手性分选。
[0050]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。