利用α射线反冲作为深空发动机工作原理是否可行？
将α射线反冲作为深空发动机的动力源，这绝对是个引人入胜的设想，也触及到了物理学中最根本的原理之一。要详细探讨它的可行性，我们得深入剖析其背后的物理机制、潜在的优势劣势，以及在工程实现上会遇到的巨大挑战。
首先，我们得明白什么是α射线反冲。简单来说，α射线是氦原子核，也就是由两个质子和两个中子组成的粒子。当放射性同位素发生α衰变时，它会以极高的速度发射出这样一个α粒子。根据牛顿第三定律——作用力与反作用力相等且方向相反，这个α粒子被高速“吐出去”的同时，它自身所携带的动量也会给其来源，也就是那个衰变了的原子核，施加一个大小相等、方向相反的推力。这就是我们所说的“反冲”。
想象一下，一个微小的粒子被以接近光速的速度发射出去，它能产生多大的推力呢？这得从动量守恒的角度看。一个质量很小的物体以很高的速度运动时，它就携带了相当大的动量。一旦这个动量发生改变，比如被“扔出去”，那么为了保持整个系统的总动量不变，这个物体自身就会获得一个方向相反的动量。α粒子虽然质量不大，但其速度是惊人的，足以在理论上产生微小的推力。
那么，把这个原理放大到深空发动机上，会是什么样子呢？核心思路是利用一个放射性物质的衰变来产生持续的推力。我们可以设想一个系统，其中包含大量进行α衰变的同位素。这些同位素的原子核在衰变时会产生α粒子，这些α粒子被定向发射出去，从而产生一个持续的、微弱但稳定的反冲力，推动航天器前进。
这听起来有点像我们现在使用的离子发动机，它们也是通过加速和发射带电粒子来产生推力。但α射线反冲有其独特的潜在优势。
潜在的优势：
理论上的高比冲： 比冲是衡量火箭发动机效率的关键指标，简单来说就是单位推进剂的冲量。α粒子本身就具有很高的能量和速度，这意味着如果能有效地利用它们的动量，理论上可以实现非常高的比冲。这对于需要进行长距离、长时间航行，对推进剂效率要求极高的深空任务来说，是巨大的吸引力。想象一下，同样的推进剂，能让你飞得更远、更快。
无需外部能源来加速推进剂： 与离子发动机不同，离子发动机需要外部电能来加速离子。而α射线反冲的能量来源于放射性衰变本身。这意味着理论上，一旦系统建立起来，它就可以在相当长的时间内持续产生推力，而无需依赖外部电源供应，只要放射性物质还在衰变。这对于远离太阳能供给的深空区域，或者需要极低功耗的长期任务来说，优势尤为明显。
紧凑和简单（理论上）： 如果能有效地控制和引导α粒子，整个系统可能比传统的化学火箭发动机或某些复杂的推进系统更为紧凑和简单。没有燃烧室，没有复杂的涡轮泵，只有放射源和引导装置。
然而，将这个理论上的可能性转化为实际可行的深空发动机，会面临一系列极其严峻的挑战。
面临的巨大挑战：
推力微弱到难以想象： 这是最直接也是最致命的障碍。虽然α粒子速度很快，但它们的质量相对非常小。即使有大量的放射性同位素同时衰变，产生的总反冲力也会极其微弱。我们说的推力，可能只有在微牛顿（nN）甚至皮牛顿（pN）的量级。想象一下，要推动一个重达数吨甚至数十吨的航天器，你需要极其巨大的放射源，或者说，需要极其漫长的时间来累积足够的动量。即使是精确测量，也可能需要非常精密的仪器才能检测到这种力。
放射性物质的处理和安全性： 要产生足够的推力，你需要一个含有巨量放射性同位素的“燃料”。这些放射性物质本身就是危险的。如何安全地储存、处理、封装和运输这些材料，是工程上最棘手的问题之一。一旦发生事故，后果不堪设想。航天器内部的工作人员的安全、航天器的结构完整性，以及防止放射性物质泄漏污染太空环境，都是需要极其审慎考虑的。
定向发射和收集α粒子： α粒子在衰变时是向四面八方随机发射的。要产生一个有效的推力，必须将这些α粒子定向地朝一个方向发射出去。这需要一个高效的“准直器”或“引导系统”。设计这样一个能够高效地捕获和引导高能α粒子，并且材料本身不会被α粒子轰击而损坏的系统，是一个巨大的技术难题。α粒子具有相当强的电离能力和穿透力，它们会轰击任何接触到的物质，导致材料的损坏、老化甚至失效。
推进剂的消耗速度与能量输出： 放射性衰变是一个持续的过程，但并非无限的。随着时间的推移，放射性同位素会逐渐衰变，其衰变率会下降，最终导致推力减小。要维持一个稳定的推力，需要持续补充放射性材料，或者使用半衰期非常长的同位素。但半衰期长的同位素衰变速率低，产生的推力就更小。这是一个权衡问题。同时，衰变过程中释放的能量，除了用于产生动量外，很大一部分会转化为热能。如何有效管理和利用这些热能，或者避免它们对航天器造成不利影响，也是一个挑战。
长期稳定性与可靠性： 航天器需要在恶劣的太空环境中运行多年甚至数十年。一个依赖放射性衰变的系统，需要保证其长期稳定性和可靠性。包括放射源本身的物理稳定性，引导系统的耐久性，以及整个系统不会因为辐射损伤或其他环境因素而失效。
推进剂的物理形态与管理： 如果使用固态的放射性材料，如何将其转化为能够被引导发射的粒子？如果使用气态的放射性同位素，如何稳定地储存和控制？这些都是需要解决的工程细节。
可能的应用场景设想（即便如此困难）：
尽管挑战重重，我们可以设想一下，如果技术突破，α射线反冲发动机可能会适用于哪些场景。
超长任务的辅助推进： 对于那些需要数十年甚至上百年才能完成的任务，比如星际探测器，其产生的微弱但持续的推力，经过漫长时间的累积，可能会产生显著的速度增量。它可以作为主推进系统的补充，用于进行轨道微调、减速，或者在主推进系统关闭后的惰性飞行阶段提供微小的速度修正。
小型探测器或传感器： 对于一些极小型、低功率需求的深空探测器，其所需的推力可能非常小，这种发动机或许能够满足需求，而且无需外部动力源。
特殊环境下的应用： 在一些远离太阳光照的区域，或者行星磁层内部，太阳能电池板的效率会急剧下降，此时核能驱动的推进系统（包括这种设想）可能会更具优势。
总结一下：
利用α射线反冲作为深空发动机的原理，在物理学上是成立的，它基于牛顿第三定律和放射性衰变的基本规律。理论上，它拥有高比冲和自给能源的潜力，这对于深空探索极具吸引力。然而，在工程实现上，它面临的挑战是巨大的，包括推力极其微弱、放射性物质的安全处理、高效的粒子引导技术，以及系统的长期稳定性和可靠性。
目前来看，将α射线反冲直接作为主要的、能够产生显著推力的深空发动机，其技术可行性非常低，甚至可以说在可预见的未来是不太现实的。它更像是一个极具科学探索价值的设想，或者是在极端特殊场景下的一种潜在的辅助推进方式，需要对上述所有挑战进行颠覆性的技术突破，才有可能走向实际应用。它更多地停留在理论研究和概念验证的阶段，与目前已有的核动力推进技术（如核热火箭或核电推进）相比，它所依赖的直接动量转换方式，要实现可观的推力，其难度和所需的物质基础，可能是指数级的增加。
首先，我们得明白什么是α射线反冲。简单来说，α射线是氦原子核，也就是由两个质子和两个中子组成的粒子。当放射性同位素发生α衰变时，它会以极高的速度发射出这样一个α粒子。根据牛顿第三定律——作用力与反作用力相等且方向相反，这个α粒子被高速“吐出去”的同时，它自身所携带的动量也会给其来源，也就是那个衰变了的原子核，施加一个大小相等、方向相反的推力。这就是我们所说的“反冲”。
想象一下，一个微小的粒子被以接近光速的速度发射出去，它能产生多大的推力呢？这得从动量守恒的角度看。一个质量很小的物体以很高的速度运动时，它就携带了相当大的动量。一旦这个动量发生改变，比如被“扔出去”，那么为了保持整个系统的总动量不变，这个物体自身就会获得一个方向相反的动量。α粒子虽然质量不大，但其速度是惊人的，足以在理论上产生微小的推力。
那么，把这个原理放大到深空发动机上，会是什么样子呢？核心思路是利用一个放射性物质的衰变来产生持续的推力。我们可以设想一个系统，其中包含大量进行α衰变的同位素。这些同位素的原子核在衰变时会产生α粒子，这些α粒子被定向发射出去，从而产生一个持续的、微弱但稳定的反冲力，推动航天器前进。
这听起来有点像我们现在使用的离子发动机，它们也是通过加速和发射带电粒子来产生推力。但α射线反冲有其独特的潜在优势。
潜在的优势：
理论上的高比冲： 比冲是衡量火箭发动机效率的关键指标，简单来说就是单位推进剂的冲量。α粒子本身就具有很高的能量和速度，这意味着如果能有效地利用它们的动量，理论上可以实现非常高的比冲。这对于需要进行长距离、长时间航行，对推进剂效率要求极高的深空任务来说，是巨大的吸引力。想象一下，同样的推进剂，能让你飞得更远、更快。
无需外部能源来加速推进剂： 与离子发动机不同，离子发动机需要外部电能来加速离子。而α射线反冲的能量来源于放射性衰变本身。这意味着理论上，一旦系统建立起来，它就可以在相当长的时间内持续产生推力，而无需依赖外部电源供应，只要放射性物质还在衰变。这对于远离太阳能供给的深空区域，或者需要极低功耗的长期任务来说，优势尤为明显。
紧凑和简单（理论上）： 如果能有效地控制和引导α粒子，整个系统可能比传统的化学火箭发动机或某些复杂的推进系统更为紧凑和简单。没有燃烧室，没有复杂的涡轮泵，只有放射源和引导装置。
然而，将这个理论上的可能性转化为实际可行的深空发动机，会面临一系列极其严峻的挑战。
面临的巨大挑战：
推力微弱到难以想象： 这是最直接也是最致命的障碍。虽然α粒子速度很快，但它们的质量相对非常小。即使有大量的放射性同位素同时衰变，产生的总反冲力也会极其微弱。我们说的推力，可能只有在微牛顿（nN）甚至皮牛顿（pN）的量级。想象一下，要推动一个重达数吨甚至数十吨的航天器，你需要极其巨大的放射源，或者说，需要极其漫长的时间来累积足够的动量。即使是精确测量，也可能需要非常精密的仪器才能检测到这种力。
放射性物质的处理和安全性： 要产生足够的推力，你需要一个含有巨量放射性同位素的“燃料”。这些放射性物质本身就是危险的。如何安全地储存、处理、封装和运输这些材料，是工程上最棘手的问题之一。一旦发生事故，后果不堪设想。航天器内部的工作人员的安全、航天器的结构完整性，以及防止放射性物质泄漏污染太空环境，都是需要极其审慎考虑的。
定向发射和收集α粒子： α粒子在衰变时是向四面八方随机发射的。要产生一个有效的推力，必须将这些α粒子定向地朝一个方向发射出去。这需要一个高效的“准直器”或“引导系统”。设计这样一个能够高效地捕获和引导高能α粒子，并且材料本身不会被α粒子轰击而损坏的系统，是一个巨大的技术难题。α粒子具有相当强的电离能力和穿透力，它们会轰击任何接触到的物质，导致材料的损坏、老化甚至失效。
推进剂的消耗速度与能量输出： 放射性衰变是一个持续的过程，但并非无限的。随着时间的推移，放射性同位素会逐渐衰变，其衰变率会下降，最终导致推力减小。要维持一个稳定的推力，需要持续补充放射性材料，或者使用半衰期非常长的同位素。但半衰期长的同位素衰变速率低，产生的推力就更小。这是一个权衡问题。同时，衰变过程中释放的能量，除了用于产生动量外，很大一部分会转化为热能。如何有效管理和利用这些热能，或者避免它们对航天器造成不利影响，也是一个挑战。
长期稳定性与可靠性： 航天器需要在恶劣的太空环境中运行多年甚至数十年。一个依赖放射性衰变的系统，需要保证其长期稳定性和可靠性。包括放射源本身的物理稳定性，引导系统的耐久性，以及整个系统不会因为辐射损伤或其他环境因素而失效。
推进剂的物理形态与管理： 如果使用固态的放射性材料，如何将其转化为能够被引导发射的粒子？如果使用气态的放射性同位素，如何稳定地储存和控制？这些都是需要解决的工程细节。
可能的应用场景设想（即便如此困难）：
尽管挑战重重，我们可以设想一下，如果技术突破，α射线反冲发动机可能会适用于哪些场景。
超长任务的辅助推进： 对于那些需要数十年甚至上百年才能完成的任务，比如星际探测器，其产生的微弱但持续的推力，经过漫长时间的累积，可能会产生显著的速度增量。它可以作为主推进系统的补充，用于进行轨道微调、减速，或者在主推进系统关闭后的惰性飞行阶段提供微小的速度修正。
小型探测器或传感器： 对于一些极小型、低功率需求的深空探测器，其所需的推力可能非常小，这种发动机或许能够满足需求，而且无需外部动力源。
特殊环境下的应用： 在一些远离太阳光照的区域，或者行星磁层内部，太阳能电池板的效率会急剧下降，此时核能驱动的推进系统（包括这种设想）可能会更具优势。
总结一下：
利用α射线反冲作为深空发动机的原理，在物理学上是成立的，它基于牛顿第三定律和放射性衰变的基本规律。理论上，它拥有高比冲和自给能源的潜力，这对于深空探索极具吸引力。然而，在工程实现上，它面临的挑战是巨大的，包括推力极其微弱、放射性物质的安全处理、高效的粒子引导技术，以及系统的长期稳定性和可靠性。
目前来看，将α射线反冲直接作为主要的、能够产生显著推力的深空发动机，其技术可行性非常低，甚至可以说在可预见的未来是不太现实的。它更像是一个极具科学探索价值的设想，或者是在极端特殊场景下的一种潜在的辅助推进方式，需要对上述所有挑战进行颠覆性的技术突破，才有可能走向实际应用。它更多地停留在理论研究和概念验证的阶段，与目前已有的核动力推进技术（如核热火箭或核电推进）相比，它所依赖的直接动量转换方式，要实现可观的推力，其难度和所需的物质基础，可能是指数级的增加。
网友意见
速度达到0.1倍真空光速程度的阿尔法射线来自原子核的阿尔法衰变，拿这个做推进器的话，其排气速度取决于原子核种类，通常在一万五千千米每秒到两万千米每秒，但严重缺乏可控性，而且你用来产生阿尔法射线的核材料远比阿尔法射线的质量大。“推力很大”在推进器本身质量更大、能转化为排气的质量占比很小的情况下的意义是十分有限的：你能得到的比冲并不大，还会留下大量的废物。
核聚变产生的氦原子核和阿尔法射线不同，没有这种初速的保证。在强磁场的操作下，核聚变推进器的排气速度可以达到真空光速的7%左右。代达罗斯计划[1]的核聚变装置就是这种设计，其可控程度就比直接扔核弹炸屁股高一点，在可行性上没有太多的障碍。
1975年的代达罗斯计划是人类第一个核聚变星际飞行器计划。它需要开采木星的核燃料，发射时总质量54000吨的代达罗斯飞船可期待将约500吨有效载荷加速到38600000米每秒，实用的最大速度约为真空光速的15%，计划的目的是飞掠6光年外的巴纳德星。
这个设计有很多难题尚未解决，而且该计划的能量消耗约为全球每年能量消耗的十分之一，工程成本接近全世界一年的GDP，不像是现在的人类文明所能接受。美国政府也没有继续下去。但可行性是有的。
参照物：每条大和型战列舰的工程成本约为当年的日本国家预算的3%，与后来的高速铁路工程接近（例如全长500千米的东海道新干线也是这个预算比例）。
性能稍低一些的设计是1987-1988年的Longshot计划[2]。在设想中，飞船将用100年时间抵达半人马座阿尔法B，平均速度是真空光速的4.5%。飞船会减速到环绕该恒星运行。其推进机制是裂变反应堆提供能量发射激光点燃聚变燃料（惯性约束聚变）。
2009年以来，Project Icarus继承并发展了代达罗斯计划的设计，预计在2100年之前可以发射。
参考
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