可能開創(chuàng)宇航新紀(jì)元的等離子體火箭

卓然

我國的科技創(chuàng)新尚處在初創(chuàng)起步階段，國際高科技領(lǐng)域?qū)ξ覈鴩鴥?nèi)的各種獎(jiǎng)項(xiàng)評(píng)比不夠關(guān)注。但吳云教授獲得的2019年第十五屆中國航空學(xué)會(huì)青年科技獎(jiǎng)，卻立刻引起世界航空航天界的極大興趣。連美國宇航局也表示，吳云教授在應(yīng)用等離子體進(jìn)行超高空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火領(lǐng)域取得的成就，將對(duì)等離子體的整體研究起到推動(dòng)促進(jìn)作用。

要解決大推力火箭負(fù)載大載荷小的宇航難題，運(yùn)載火箭亟待更新?lián)Q代。為此，美國宇航局不惜重金資助華裔宇航員兼火箭專家張福林對(duì)等離子體火箭的研發(fā)，他們熱切希望有一款成熟的等離子體火箭將他們的宇航員送上火星。

眾所周知，人類如果要進(jìn)一步探索太陽系的話，飛船的速度必須更快，其推進(jìn)系統(tǒng)效率必須更高。目前傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)劑雖然能夠推動(dòng)火箭沖破地球引力的束縛，但對(duì)于太空航行需要的推動(dòng)力卻是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

貌似龐然大物的火箭對(duì)航天器的推動(dòng)力是很有限的，它絕大多數(shù)的能量消耗在擺脫地球引力上。所以新一代火箭的開發(fā)利用，即將成為人類驅(qū)逐深空探索攔路虎的關(guān)鍵，傳統(tǒng)化學(xué)火箭的使命已終結(jié)，全力投入等離子體火箭的研發(fā)試驗(yàn)已刻不容緩。再好的太空艙，再好的宇航服，再好的衛(wèi)星，如果難以升空入軌，一切都等于零。

為何要淘汰化學(xué)火箭

所謂化學(xué)火箭，就是當(dāng)今各國所使用的以液氫、液氧等為動(dòng)力來源的傳統(tǒng)火箭。這種火箭的最大問題是燃燒快、效率低。其無法克服的致命缺陷是——要想飛得遠(yuǎn)就必須多帶燃料，而燃料越多火箭質(zhì)量越重，質(zhì)量越重有效載荷便越小?；瘜W(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)火箭在太空滑行?；鸺w往目的地，僅僅是依靠慣性。對(duì)于星際飛行來說，化學(xué)火箭的動(dòng)力顯然是無能為力的。

以目前最大推力火箭——曾讓美國宇航員登上月球的“土星5號(hào)”為例，它的第一級(jí)裝有2075噸液氧和煤油推進(jìn)劑，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后在2分34秒內(nèi)全部消耗完這些燃料。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“托”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，表明它的推進(jìn)效率比較低下。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的火箭的原因。所以我們要發(fā)展人類的航天事業(yè)，一定要淘汰化學(xué)火箭，加快研發(fā)等離子體火箭。

等離子體火箭的優(yōu)勢(shì)

一般情況下，普通氣體不能成為等離子體，但將其加溫到4000K，它便可以轉(zhuǎn)化為等離子體。等離子發(fā)動(dòng)機(jī)俗稱“離子推進(jìn)器”，采用了一種和化學(xué)火箭完全不同的設(shè)計(jì)思路，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。

等離子發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是，推進(jìn)劑氣體一般為氙或氫，一方面通過陽極進(jìn)入環(huán)形放電通道，另一方面進(jìn)入陰極（空心陰極）作為啟動(dòng)和維持放電的電子源。磁場(chǎng)線圈及其磁路結(jié)構(gòu)主要用來產(chǎn)生合適的徑向磁場(chǎng)分布。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，通過陽極分配器進(jìn)入環(huán)形通道的氣態(tài)推進(jìn)劑原子，被處于通道內(nèi)足夠熱的電子碰撞而電離化形成等離子體。因通道內(nèi)的電場(chǎng)與徑向磁場(chǎng)相互垂直，導(dǎo)致電子沿圓周方向作漂移運(yùn)動(dòng)。電子漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流（稱霍爾電流）與徑向磁場(chǎng)相互作用，將對(duì)通道內(nèi)的等離子體沿軸向產(chǎn)生電磁加速力，使等離子體高速噴出，產(chǎn)生反作用推力。

美國宇航局的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，做功氣體進(jìn)入電離腔，通過無線電波被電離化。這時(shí)等離子體已經(jīng)被加熱到5000攝氏度以上，相當(dāng)于太陽表面的溫度。但這只是冷等離子體。

當(dāng)5000多攝氏度的等離子體進(jìn)入第二個(gè)充能腔，利用回旋諧振原理，無線電波將等離子體加熱至100萬攝氏度！這趕上太陽日冕的溫度了。

最終，富含能量的高熱等離子體進(jìn)入噴嘴，再由電磁場(chǎng)控制噴出。在這里，其熱量（內(nèi)能）被高效地轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，噴口速度可以達(dá)到50千米/秒，巨大的反作用力，能將航天器輕松推向深空。

研發(fā)競(jìng)賽早已開始

蘇聯(lián)是研究應(yīng)用等離子發(fā)動(dòng)機(jī)最早的國家，由于極端保密致使外界對(duì)他們的研究成果不得而知。僅就靜態(tài)等離子推進(jìn)器（SPT）而言，蘇聯(lián)從20世紀(jì)70年代初就開始進(jìn)行空間飛行試驗(yàn)。先后推出SPT-50、SPT-70和SPT-100三種型號(hào)的等離子發(fā)動(dòng)機(jī)，并成功在地球同步衛(wèi)星上進(jìn)行試驗(yàn)。由SPT組成的電推進(jìn)系統(tǒng)成了俄羅斯氣象衛(wèi)星和通信衛(wèi)星上的一個(gè)正式分系統(tǒng)。已有70多臺(tái)SPT推進(jìn)器上天運(yùn)行，成功率達(dá)100%。

對(duì)等離子發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)，美國后來居上。華裔退役宇航員張福林率領(lǐng)的一支研發(fā)團(tuán)隊(duì)，在很短的時(shí)間內(nèi)便把等離子發(fā)動(dòng)機(jī)的研究提升到一個(gè)新的階段。

張福林表示，人類可利用核反應(yīng)堆將氫氣變?yōu)?00萬攝氏度的等離子體，然后用磁場(chǎng)控制高溫等離子體，讓其從火箭尾部噴出。他推算，安裝等離子體火箭后，太空飛船的速度可達(dá)每小時(shí)19.8萬千米，從地球到火星再也不用飛行七八個(gè)月的時(shí)間，只需39天就夠了。

1998年美國宇航局發(fā)射的“深空一號(hào)”探測(cè)器，由德爾塔火箭送上太空，然后由等離子發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)。它的等離子發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生0.09牛頓的推力，比沖量相當(dāng)于化學(xué)火箭的10倍。每天消耗100克氙氣推進(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1.4萬小時(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。

中國對(duì)等離子體推進(jìn)器的研發(fā)起步較晚，但追趕速度驚人，國內(nèi)幾家研究機(jī)構(gòu)分工協(xié)作，先后推出了幾款樣機(jī)。2012年12月發(fā)射入軌的“實(shí)踐九號(hào)”衛(wèi)星上攜帶了霍爾電推進(jìn)器和等離子體推進(jìn)器上天進(jìn)行了軌道驗(yàn)證，并取得成功。

有待攻克的難題

等離子發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中遇到的難題包括兩個(gè)方面，一是推力小的先天難題。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)，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。二是當(dāng)這種發(fā)動(dòng)機(jī)輸出大推力時(shí)，它的耗電量也是很驚人的，太陽能電池板能夠提供的200千瓦左右的電量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。要想進(jìn)行深空探索，必須攜帶兆瓦級(jí)能量的小型核反應(yīng)堆，才能為等離子發(fā)動(dòng)機(jī)提供充足的電源。

那么問題來了，考慮到飛行器在發(fā)射及運(yùn)行中，可能爆炸或墜毀造成核輻射污染。因此，依靠目前的科技水平，制造一座能夠跟隨航天器一起安全運(yùn)行的小型核電站，還不是一件容易的事情。

據(jù)說，美國宇航局的幾屆掌門人對(duì)等離子體火箭的前景都表示謹(jǐn)慎樂觀，換句話說，他們對(duì)該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用均有所保留。他們擔(dān)憂的焦點(diǎn)是，科學(xué)家是否有完全把握用磁場(chǎng)控制等離子體安全地沿著預(yù)設(shè)的通道流過并從噴口射出等。

還有一個(gè)讓全世界科學(xué)家一致?lián)鷳n的問題是，即使等離子體火箭完全試驗(yàn)成功，沒有一丁點(diǎn)兒?jiǎn)栴}，可是人類的生理極限卻無法承受每小時(shí)19.8萬千米的高速飛行。那樣的話，我們絕大多數(shù)業(yè)已成熟的宇航飛行技術(shù)都要推倒重來，首先需要改變的是將載人飛船變?yōu)闊o人駕駛飛船。

這可能是等離子體火箭研發(fā)處于停滯狀態(tài)的主要原因吧！

（編輯 文墨）