好奇是人類天性。地球容不下的不止馬斯克，還有各位航天發(fā)燒友。他們中的一些成了火箭科學(xué)家、工程師，心心念念，致力于制造出一枚枚高推力火箭，將人類的足跡擴(kuò)展到外空間。據(jù)測(cè)算，一枚3408噸推力的“土星五號(hào)”運(yùn)載火箭，可以將45噸的載人宇宙飛船送上月球(美國(guó)，20世紀(jì)中葉);一枚2940噸推力的“能源號(hào)”重型火箭，可以將27噸載荷送到火星和金星(俄羅斯，1987年);一枚4000噸推力的“長(zhǎng)征九號(hào)”重型火箭，則可以將37噸載荷輕松送至火星(中國(guó)，正在研制中)。

這種火箭只靠充電，39天就能從地球飛到火星!

目前世界各國(guó)使用的這些運(yùn)載火箭都是化學(xué)火箭，靠燃燒液態(tài)或固態(tài)燃料釋放巨大能量，排出高溫高速氣體，讓火箭獲得巨大推力。而要奔赴更遠(yuǎn)的深空，就需要更多燃料。

但火箭儲(chǔ)存燃料的空間畢竟有限，燃料過(guò)重影響發(fā)射怎么辦?長(zhǎng)時(shí)間太空旅行過(guò)程中，燃料供應(yīng)不足又該如何解決?

一位來(lái)自NASA的華裔航天員張福林，提出了一種新型火箭——等離子體火箭。這種火箭靠電能推動(dòng)，以氣態(tài)的等離子體為“燃料”。坐上等離子體火箭，從地球到火星只需要39天。

正在規(guī)劃的“長(zhǎng)征九號(hào)”火箭(最右)起飛質(zhì)量超過(guò)4000噸，運(yùn)力和美國(guó)“土星五號(hào)”火箭大致相當(dāng)，超過(guò)正在研制的美國(guó)下一代運(yùn)載火箭(SLS)，完全可以滿足未來(lái)載人月球探測(cè)、火星取樣返回、太陽(yáng)系行星探測(cè)等任務(wù)。|Spacenews

飛出地球，以氣體為“燃料”

在科幻小說(shuō)中，飛行器似乎能為星際旅行提供全程動(dòng)力。可現(xiàn)實(shí)中使用的化學(xué)火箭需要消耗煤油、酒精等化學(xué)燃料，它們胃口很大，效率卻并不高，大部分燃料都被用來(lái)擺脫地球引力，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)隨心所欲的星際旅行。

等離子體火箭(VASIMR)則采取了一種完全不同的思路——利用等離子體加速器作為推動(dòng)力。

這里先介紹一個(gè)何為等離子體。當(dāng)物質(zhì)被加熱到足夠高溫時(shí)，其中的原子會(huì)電離為帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子，形成一團(tuán)離子狀的“漿糊”，也就是等離子體。

等離子體在自然界中普遍存在，熾熱的火焰、光輝奪目的閃電，以及絢麗的極光，都是等離子體作用的結(jié)果。在整個(gè)宇宙中，幾乎99.9%以上的物質(zhì)(如恒星、行星際空間物質(zhì))都以等離子態(tài)存在。因此，它也被稱為在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)之外的“物質(zhì)的第四態(tài)”。

用人工方法，如核聚變、核裂變、輝光放電等過(guò)程，都可產(chǎn)生等離子體。

相比于化學(xué)火箭燃料重量大，火箭發(fā)射過(guò)程中燃料本身就可能成為 “累贅”，等離子火箭能用更少的燃料提供更多動(dòng)力，一旦進(jìn)入太空，就會(huì)像順風(fēng)的帆船，逐漸加速飛行，最終把傳統(tǒng)的化學(xué)火箭遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在身后，在太空中完成各種航天探索任務(wù)。

等離子體火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)以氬氣作為等離子體來(lái)源。氬氣是一種惰性氣體，不易與其他元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)常在焊接金屬時(shí)做保護(hù)氣體，很適合做等離子體。

其工作原理是：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)先電離氬氣，將其轉(zhuǎn)化為低溫等離子體(其實(shí)也有5000℃以上)。隨后利用磁鐵使電離氣體加熱、加速，溫度達(dá)到上百萬(wàn)攝氏度。再用磁場(chǎng)控制高溫等離子體，使其加速排出火箭尾部，形成巨大推力，助力火箭沖出地球。

經(jīng)推算，安裝上等離子體火箭，太空飛船的速度可達(dá)每小時(shí)約19.8萬(wàn)公里。相比于傳統(tǒng)火箭用250天時(shí)間送宇航員到達(dá)火星，等離子體火箭最快可以讓宇航員在39天內(nèi)到達(dá)火星，節(jié)省大量的燃料、食物、水、空氣，宇航員也能擺脫長(zhǎng)時(shí)間的宇宙射線輻射。

那么，等離子體火箭到底是如何獲得這么高的推進(jìn)效率呢?這與等離子體被加速的機(jī)制有關(guān)。

神奇的磁重聯(lián)機(jī)制，從磁場(chǎng)中要能量

等離子體火箭在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的全過(guò)程中，主要利用磁重聯(lián)機(jī)制加速、加熱等離子體束流。

什么是磁重聯(lián)呢?其實(shí)，磁重聯(lián)是太陽(yáng)上一個(gè)非常重要的快速釋放磁能的過(guò)程，太陽(yáng)爆發(fā)事件幾乎都和磁重聯(lián)有關(guān)，例如耀斑、日冕物質(zhì)拋射、噴流等。而且不僅是太陽(yáng)上，在地球大氣層和托卡馬克核聚變反應(yīng)堆內(nèi)也能看到磁重聯(lián)現(xiàn)象。

在磁重聯(lián)過(guò)程中，多組方向相反的磁力線相互靠近，并重新連接形成新磁力線。等離子體火箭利用磁場(chǎng)變化帶動(dòng)磁力線連接和斷開(kāi)，將磁能轉(zhuǎn)化為等離子體的動(dòng)能、熱能和粒子加速度。

但磁重聯(lián)過(guò)程需要有足夠大的電能支撐，等離子體火箭需要的電能近數(shù)百千瓦。這么大的電能從哪里來(lái)?選擇何種供電方式才能滿足需求呢?

巨大電能從哪兒來(lái)?核能?太陽(yáng)?

1)核反應(yīng)堆供電

目前認(rèn)為，最好的動(dòng)力來(lái)源是核反應(yīng)堆，因此我們可以設(shè)想，等離子體火箭最終將是一個(gè)核電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。用核裂變反應(yīng)堆為等離子體火箭提供電力，能輕松將人們帶到火星。

就目前情況而言，等離子發(fā)動(dòng)機(jī)的推力仍舊比不上傳統(tǒng)火箭，很難將有效載荷從地球帶到近地軌道。不過(guò)到了近地軌道，等離子發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)就能顯現(xiàn)：如果能夠?qū)?dòng)力升至200千瓦，將足夠提供大約0.45千克的推力——相比火箭的重量，這聽(tīng)起來(lái)輕如羽毛，但在太空中，0.45千克的推力可以驅(qū)動(dòng)2噸重的貨物。

2)太陽(yáng)能電池板供電

將火箭供電裝置改成太陽(yáng)能電池板，可以把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。問(wèn)題是，電池板的效率不夠高，如果向深空繼續(xù)進(jìn)發(fā)或者運(yùn)載更大重量，就需要增加太陽(yáng)能利用效率。

研究發(fā)現(xiàn)，大型且可控的太陽(yáng)能電池陣列可以提供高達(dá)1千千瓦的功率。但過(guò)大的電池陣對(duì)航天器的構(gòu)型、軌道保持和姿態(tài)控制設(shè)計(jì)等會(huì)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

目前國(guó)際空間站的太陽(yáng)能電池也只能提供百千瓦級(jí)的電功率，而且這一結(jié)果是在地日距離下，太陽(yáng)能在火星以外的區(qū)域?qū)⒋蠓p。

另外，很多科學(xué)家也在研究太陽(yáng)能供電的宇宙飛船——太陽(yáng)帆，期待未來(lái)有一天能使用太陽(yáng)帆探索太空。

與太陽(yáng)能電池相比，空間核反應(yīng)堆電源的優(yōu)點(diǎn)在于它是自主電源，不依賴陽(yáng)光，且儲(chǔ)能極高;適用功率范圍廣，可以覆蓋千瓦甚至兆瓦以上功率輸出。缺點(diǎn)則是，從安全和技術(shù)角度考慮，核反應(yīng)堆供電的技術(shù)要求很高，工程成本相對(duì)較大，工期長(zhǎng)。

目前核電可以有效滿足航天任務(wù)日益增長(zhǎng)的能源需求。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，大功率衛(wèi)星、深空探測(cè)等都需要大功率長(zhǎng)久耐用的供電方式。相比之下，太陽(yáng)能電池供電還有很長(zhǎng)的路要走。

記得小時(shí)候，乘坐普速火車從北京去上海需要數(shù)十個(gè)小時(shí)，現(xiàn)在具有更高性能的高鐵僅用4個(gè)多小時(shí)就可以。

同理，擺脫傳統(tǒng)能源依賴，改為靠電能推動(dòng)的“電火箭”，不僅推動(dòng)自己更快地奔向火星，還推動(dòng)了世界航天科技的發(fā)展。

相信我們終有一天會(huì)克服技術(shù)瓶頸，研發(fā)出更高性能的“電火箭”，更加方便快捷地奔赴太空旅行，去探索太空深處不為人知的奧秘。

關(guān)鍵詞： 等離子體 火箭 充電 火星