等離子火箭！一級(jí)準(zhǔn)備！

從地球到火星，傳統(tǒng)的液體火箭需要250天。而等離子火箭能把這段旅途縮短至一個(gè)多月。一位傳奇的航天員兼物理學(xué)家正在準(zhǔn)備將它帶上太空。

制圖 | 無右 郝鵬飛

“化學(xué)火箭是登天路上的死胡同?！?/p>

30年前，在哥斯達(dá)黎加出生，有1/4華人血統(tǒng)的張福林(Franklin R. Chang Diaz)還在麻省理工大學(xué)攻讀等離子物理學(xué)博士學(xué)位時(shí)就這么認(rèn)為。到了2009年6月，作為前航天員兼物理學(xué)家，Ad Astra火箭公司創(chuàng)始人、首席設(shè)計(jì)師，張福林帶領(lǐng)著團(tuán)隊(duì)成功測(cè)試了VASIMR的第一節(jié)引擎后，對(duì)這一觀點(diǎn)更加堅(jiān)定。

VASIMR，全功率可變比沖的磁等離子體火箭(Variable-specific-impulse magnetoplasma rocket)，盡管離最終完善仍有距離，但已經(jīng)在航天界中引起了巨大反響。

因?yàn)?，?dāng)它真正誕生，登陸火星的時(shí)間將會(huì)從250天縮短為39天。

星際旅行的必然選擇

在科幻小說中，飛行器總能為星際旅行的全程提供動(dòng)力。但在現(xiàn)實(shí)中，目前火箭推進(jìn)器的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，根本無法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

相對(duì)于裸露在外的推進(jìn)劑儲(chǔ)箱，化學(xué)火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)看上去很小，但它的胃口很大?！俺缘枚啵苫畹男蕝s不高?！睆埜Ａ终f。這種發(fā)動(dòng)機(jī)吞噬掉的海量能源，只在提供短期動(dòng)力方面有效——儲(chǔ)存的燃料很快用完，推進(jìn)器馬上被當(dāng)成垃圾扔掉。化學(xué)火箭的大部分燃料被用來擺脫地球引力，剩余的一點(diǎn)則被用來推動(dòng)火箭的“太空滑行”。火箭飛往目的地，僅僅是依靠慣性。對(duì)于星際飛行來說，這種引擎顯然力不從心。

“土星5號(hào)”就是典型代表。它的第一級(jí)裝有2075噸液氧煤油推進(jìn)劑。一旦發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，它可以在2分34秒內(nèi)全部“喝”完這些“飲料”。高溫氣體以2900米/秒的速度噴射，卻僅僅夠?qū)?7噸的有效載荷送上月球。在全部能夠產(chǎn)生的3500噸推力中，很大一部分被用來“拖”起火箭自身和2000多噸燃料。所以它的“比沖量”并不高，只有300多秒，表明了它的推進(jìn)效率的低下。這就是為什么要將一個(gè)質(zhì)量很小的人送上太空，卻必須使用一枚巨大火箭的原因。

等離子發(fā)動(dòng)機(jī)，或者俗稱的“離子推進(jìn)器”采取了一種和化學(xué)火箭完全不同的設(shè)計(jì)思路。它使用洛倫茲力讓帶電原子或離子加速通過磁場(chǎng)，來反向驅(qū)動(dòng)航天器，和粒子加速器與軌道炮都是同樣的原理?！暗入x子火箭在一定時(shí)間內(nèi)提供的推力相對(duì)較少，然后一旦進(jìn)入太空，它們就會(huì)像有順風(fēng)助陣的帆船，逐漸加速飛行，直至速度超過化

學(xué)火箭?！睆埜Ａ终f。

實(shí)際上，迄今已有多個(gè)太空探測(cè)任務(wù)采用等離子發(fā)動(dòng)機(jī)，如美國(guó)宇航局探測(cè)小行星的“黎明號(hào)”(Dawn)探測(cè)器和日本探測(cè)彗星的“隼鳥號(hào)”(Hayabusa)探測(cè)器，而歐洲空間局撞擊月球的SMART-1探測(cè)器的目的之一，就是驗(yàn)證如何利用離子推進(jìn)技術(shù)把未來的探測(cè)器送入繞水星運(yùn)行的軌道。

這些已經(jīng)實(shí)用的離子發(fā)動(dòng)機(jī)都很迷你，多屬于輔助發(fā)動(dòng)機(jī)，推力和加速度都很小，要使航天器達(dá)到預(yù)定的飛行速度，用時(shí)極長(zhǎng)—SMART-1的等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)提供的加速度只有0.2毫米/秒，推力只相當(dāng)于一張紙對(duì)于手掌的壓力。這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)，帶上一只螞蟻都無法脫離地球的重力場(chǎng)。

但它們?cè)谔罩械谋憩F(xiàn)能夠彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。優(yōu)越的比沖量，也就是能用更少的燃料提供更多的動(dòng)力，使它最終能把傳統(tǒng)的化學(xué)火箭遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在身后?！?998年發(fā)射的深空1號(hào)(Deep Space 1)，由德爾塔火箭送上太空，然后由離子發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)。它的離子發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生0.09牛頓的推力，比沖量相當(dāng)于液體火箭的10倍。每天消耗100克氙推進(jìn)劑，在發(fā)動(dòng)機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，每過一天時(shí)速就增加25~32千米。它最終的工作時(shí)間超過14000小時(shí)，超過了此前所有傳統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間的總和。”張福林介紹道。

正是這一原因，使等離子發(fā)動(dòng)機(jī)成為航天界新的寵兒。等離子發(fā)動(dòng)機(jī)中的新秀VASIMR被美國(guó)航空航天研究所(AIAA)列為2009年十大航天新興項(xiàng)目。NASA的新任掌門人查爾斯#8226;博爾登(Charles Bolden)也非常看好VASIMR，NASA向Ad Astra 火箭公司提供經(jīng)費(fèi)，希望他們能夠完成自己的承諾——讓VASIMR在2012年或2013年能夠安裝到國(guó)際空間站上進(jìn)行點(diǎn)火測(cè)試。

離上天只差一步

建造VASIMR就是張福林在20世紀(jì)70年代提出的主意。它能同時(shí)具有化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和離子發(fā)動(dòng)機(jī)的能力。傳統(tǒng)化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)擁有高推力、低比沖，離子發(fā)動(dòng)機(jī)則是低推力、高比沖。而VASIMR，它能在高推力、低比沖和低推力、高比沖之間的自由轉(zhuǎn)換，在這兩者之間調(diào)整參數(shù)，所以被稱作“可變比沖”。

張福林一直致力于該項(xiàng)目研究，但之后的20多年里他忙于作為宇航員7次進(jìn)入太空。直到2005年，他從NASA退役組建了Ad Astra火箭公司，試驗(yàn)場(chǎng)就在他的出生地哥斯達(dá)黎加附近的航空中心。

突破性成果在2 0 0 8年到來，這就是VX-200等離子引擎測(cè)試臺(tái)，它利用氬氣作為推進(jìn)劑的第一階段達(dá)到了全功率30千瓦。VX-200全方位超越了傳統(tǒng)的等離子發(fā)動(dòng)機(jī):比沖在3000~30000秒之間隨意轉(zhuǎn)換，也就是噴射等離子的速度在30~300千米/秒，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)67%。張福林說:“用它飛到火星只需39天，這樣能節(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。”

VX-200分為三部分:在前部單元里，首先是把噴出的氣體電離生成等離子體，類似于在蒸汽機(jī)里燒開水，這是以一種螺旋波射頻天線(helicon RF antennas)來實(shí)現(xiàn);中部單元充當(dāng)放大器，它用電磁波的能量進(jìn)一步把等離子體加熱到幾百萬(wàn)度;而尾部單元的磁性噴嘴可將等離子體的能量轉(zhuǎn)化為噴氣口的速度，從而產(chǎn)生反向的推力。

張福林解釋說，VX-200使用了新的算法來控制和穩(wěn)定等離子體，主要是控制超導(dǎo)磁場(chǎng)。通常來說，火箭發(fā)射時(shí)噴射氣體溫度越高，比沖量就越高。為最大限度利用效能，VASIMR火箭中部單元的溫度相當(dāng)于太陽(yáng)中心的溫度。但是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射嘴所能承受的溫度有限。噴嘴溫度太高，用什么材料是一個(gè)問題。和核聚變裝置一樣，解決的辦法是使用磁場(chǎng)。在強(qiáng)磁場(chǎng)，比如超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)下，等離子體會(huì)以固定頻率旋轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的中部單元在磁場(chǎng)控制下讓其按自然頻率繞磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)溫度迅速上升之后，再?gòu)奈膊繂卧研D(zhuǎn)變成軸向運(yùn)動(dòng)并釋放出去。所有這些極端變化的環(huán)境都要求對(duì)磁場(chǎng)和電磁波精準(zhǔn)的控制，這是新的控制算法的功勞。截止2009年5月底，VX-200真正上天的原型機(jī)已經(jīng)開始了試驗(yàn)，它能實(shí)現(xiàn)從近地軌道到月球軌道的變軌。

核動(dòng)力還是太陽(yáng)能?

“VASIMR最終將是一個(gè)核電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)?！睆埜Ａ终J(rèn)為，因?yàn)槟壳白詈玫膭?dòng)力來源就是核反應(yīng)堆。等離子發(fā)動(dòng)機(jī)需要超長(zhǎng)的持續(xù)電力供應(yīng)，用核裂變反應(yīng)堆為VASIMR提供電力，能很輕松地將人們帶到火星，使用的燃料比化學(xué)火箭少很多，飛行時(shí)間也會(huì)少很多。這要求攜帶一個(gè)電力供應(yīng)裝置。

但是VASIMR的主要買家NASA卻始終對(duì)它的動(dòng)力源守口如瓶。目前他們所說的能源方式是使用一個(gè)巨大的太陽(yáng)能電池板。但電池板的效率不夠高，如果想往外圍的深空繼續(xù)進(jìn)發(fā)，或者運(yùn)送更大的載重，就必須獲得更大的電能，至少應(yīng)該達(dá)到以兆瓦計(jì)算的規(guī)模，而目前的VASIMR最多也就200千瓦。對(duì)太陽(yáng)能電力系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)以增加太陽(yáng)能的利用效率，目前唯一可預(yù)期的方式是使用納米技術(shù)，但需要多久才能發(fā)展出能實(shí)用、可靠的技術(shù)呢?現(xiàn)在還沒有答案。近期來說，唯一的選擇就是使用核電系統(tǒng)，NASA的表態(tài)可能是考慮到安全問題，以及公眾的“談核色變”?！昂苊黠@，核裂變只要設(shè)計(jì)正確，操作維護(hù)認(rèn)真，是可以安全運(yùn)行的?！盫ASIMR研究項(xiàng)目小組的負(fù)責(zé)人對(duì)使用核技術(shù)并不回避，他說:“VASIMR是在航天器升上太空之后才開始啟用，核反應(yīng)堆在離開地球時(shí)處于惰性狀態(tài)，并且我們將它拆開后才向太空運(yùn)送。因此任何單獨(dú)一部分都不會(huì)對(duì)地球造成威脅，惰性狀態(tài)下的鈾也沒什么危險(xiǎn)?！?/p>

目前的技術(shù)已經(jīng)能讓船載核電系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)百千瓦的電能，而且在不遠(yuǎn)的將來能發(fā)展到兆瓦的級(jí)別。就目前情況而言，離子發(fā)動(dòng)機(jī)的推力仍舊比不上傳統(tǒng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)那么高，不適合做火箭的第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，很難將有效載荷從地球帶到近地軌道。但比沖量方面的優(yōu)勢(shì)則很明顯，到了近地軌道，離子發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)才能顯現(xiàn)。張福林和他的團(tuán)隊(duì)希望在測(cè)試中將動(dòng)力升至200千瓦，這足夠提供大約0.45千克的推力。聽上去并不太多，但在太空中，0.45千克的推力可以驅(qū)動(dòng)2噸重的貨物。

2012年，Ad Astra的VASIMR原型(使用太陽(yáng)能發(fā)電，而不是核能)將被帶到國(guó)際空間站，一名宇航員將在太空行走中安裝這臺(tái)200千瓦的發(fā)動(dòng)機(jī)。如果一切順利，用5牛頓的推力，就能讓國(guó)際空間站實(shí)現(xiàn)變軌。試驗(yàn)成功與否，將暗示著VASIMR能否為NASA畫出下一個(gè)十年計(jì)劃的美好前景—輕松將人員或貨物送上月球，或者火星。