新型電漿火箭從地球到火星只需一個月(圖)

2009-10-05 21:39

《新知客》9月刊報導 從地球到火星，傳統的液體火箭需要250天。而電漿火箭能把這段旅途縮短至一個多月。一位傳奇的航天員兼物理學家正在準備將它帶上太空。

"化學火箭是登天路上的死胡同。"

30年前，在哥斯大黎加出生，有1/4華人血統的張福林（Franklin R. Chang Diaz）還在麻省理工大學攻讀電漿物理學博士學位時就這麼認為。到了2009年6月，作為前航天員兼物理學家，Ad Astra火箭公司創始人、首席設計師，張福林帶領著團隊成功測試了VASIMR的第一節引擎後，對這一觀點更加堅定。

VASIMR，全功率可變比沖的磁電漿體火箭（Variable-specific-impulse magnetoplasma rocket），儘管離最終完善仍有距離，但已經在航天界中引起了巨大反響。

因為，當它真正誕生，登陸火星的時間將會從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力。但在現實中，目前火箭推進器的發動機技術，根本無法實現這一點。

相對於裸露在外的推進劑儲箱，化學火箭的發動機看上去很小，但它的胃口很大。"吃得多，幹活的效率卻不高。"張福林說。這種發動機吞噬掉的海量能源，只在提供短期動力方面有效--儲存的燃料很快用完，推進器馬上被當成垃圾扔掉。化學火箭的大部分燃料被用來擺脫地球引力，剩餘的一點則被用來推動火箭的"太空滑行"。火箭飛往目的地，僅僅是依靠慣性。對於星際飛行來說，這種引擎顯然力不從心。

"土星5號"就是典型代表。它的第一級裝有2075噸液氧煤油推進劑。一旦發動機點火，它可以在2分34秒內全部"喝"完這些"飲料"。高溫氣體以2900米/秒的速度噴射，卻僅僅夠將47噸的有效載荷送上月球。在全部能夠產生的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"比衝量"並不高，只有300多秒，表明瞭它的推進效率的低下。這就是為什麼要將一個質量很小的人送上太空，卻必須使用一枚巨大火箭的原因。

電漿發動機，或者俗稱的"離子推進器"採取了一種和化學火箭完全不同的設計思路。它使用洛倫茲力讓帶電原子或離子加速通過磁場，來反向驅動航天器，和粒子加速器與軌道炮都是同樣的原理。"電漿火箭在一定時間內提供的推力相對較少，然後一旦進入太空，它們就會像有順風助陣的帆船，逐漸加速飛行，直至速度超過化學火箭。"張福林說。

實際上，迄今已有多個太空探測任務採用電漿發動機，如美國宇航局探測小行星的"黎明號"（Dawn）探測器和日本探測彗星的"隼鳥號"（Hayabusa）探測器，而歐洲空間局撞擊月球的SMART-1探測器的目的之一，就是驗證如何利用離子推進技術把未來的探測器送入繞水星運行的軌道。

 這些已經實用的離子發動機都很迷你，多屬於輔助發動機，推力和加速度都很小，要使航天器達到預定的飛行速度，用時極長-SMART-1的電漿體發動機提供的加速度只有0.2毫米/秒，推力只相當於一張紙對於手掌的壓力。這樣的發動機，帶上一隻螞蟻都無法脫離地球的重力場。

但它們在太空中的表現能夠彌補這個缺陷。優越的比衝量，也就是能用更少的燃料提供更多的動力，使它最終能把傳統的化學火箭遠遠拋在身後。"1998年發射的深空1號（Deep Space 1），由德爾塔火箭送上太空，然後由離子發動機推動。它的離子發動機產生0.09牛頓的推力，比衝量相當於液體火箭的10倍。每天消耗100克氙推進劑，在發動機全速運轉的情況下，每過一天時速就增加25~32千米。它最終的工作時間超過14000小時，超過了此前所有傳統火箭發動機工作時間的總和。"張福林介紹道。

正是這一原因，使電漿發動機成為航天界新的寵兒。電漿發動機中的新秀VASIMR被美國航空航天研究所（AIAA）列為2009年十大航天新興項目。NASA的新任掌門人查爾斯·博爾登（Charles Bolden）也非常看好VASIMR，NASA向Ad Astra 火箭公司提供經費，希望他們能夠完成自己的承諾--讓VASIMR在2012年或2013年能夠安裝到國際空間站上進行點火測試。

離上天只差一步

建造VASIMR就是張福林在20世紀70年代提出的主意。它能同時具有化學火箭發動機和離子發動機的能力。傳統化學火箭發動機擁有高推力、低比沖，離子發動機則是低推力、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換，在這兩者之間調整參數，所以被稱作 "可變比沖"。

張福林一直致力於該項目研究，但之後的20多年裡他忙於作為宇航員7次進入太空。直到2005年，他從NASA退役組建了Ad Astra火箭公司，試驗場就在他的出生地哥斯大黎加附近的航空中心。

突破性成果在2008年到來，這就是VX-200電漿引擎測試臺，它利用氬氣作為推進劑的第一階段達到了全功率30千瓦。VX-200全方位超越了傳統的電漿發動機：比沖在3000~30000秒之間隨意轉換，也就是噴射電漿的速度在30~300千米/秒，能量轉換效率高達67%。張福林說："用它飛到火星只需39 天，這樣能節省大量的燃料、食物、水、空氣，宇航員也能擺脫長時間的宇宙射線輻射。"

VX-200分為三部分：在前部單元裡，首先是把噴出的氣體電離生成電漿體，類似於在蒸汽機裡燒開水，這是以一種螺旋波射頻天線（helicon RF antennas）來實現；中部單元充當放大器，它用電磁波的能量進一步把電漿體加熱到幾百萬度；而尾部單元的磁性噴嘴可將電漿體的能量轉化為噴氣口的速度，從而產生反向的推力。

張福林解釋說，VX-200使用了新的演算法來控制和穩定電漿體，主要是控制超導磁場。通常來說，火箭發射時噴射氣體溫度越高，比衝量就越高。為最大限度利用效能，VASIMR火箭中部單元的溫度相當於太陽中心的溫度。但是火箭發動機的噴射嘴所能承受的溫度有限。噴嘴溫度太高，用什麼材料是一個問題。和核融合裝置一樣，解決的辦法是使用磁場。在強磁場，比如超導磁體產生的磁場下，電漿體會以固定頻率旋轉。發動機的中部單元在磁場控制下讓其按自然頻率繞磁場旋轉，當溫度迅速上升之後，再從尾部單元把旋轉變成軸向運動並釋放出去。所有這些極端變化的環境都要求對磁場和電磁波精準的控制，這是新的控制演算法的功勞。截止2009年5月底，VX-200真正上天的原型機已經開始了試驗，它能實現從近地軌道到月球軌道的變軌。

核動力還是太陽能？

"VASIMR最終將是一個核電火箭發動機。"張福林認為，因為目前最好的動力來源就是核反應爐。電漿發動機需要超長的持續電力供應，用核裂變反應爐為VASIMR提供電力，能很輕鬆地將人們帶到火星，使用的燃料比化學火箭少很多，飛行時間也會少很多。這要求攜帶一個電力供應裝置。

但是VASIMR的主要買家NASA卻始終對它的動力源守口如瓶。目前他們所說的能源方式是使用一個巨大的太陽能電池板。但電池板的效率不夠高，如果想往外圍的深空繼續進發，或者運送更大的載重，就必須獲得更大的電能，至少應該達到以兆瓦計算的規模，而目前的VASIMR最多也就200 千瓦。對太陽能電力系統進行改進以增加太陽能的利用效率，目前唯一可預期的方式是使用納米技術，但需要多久才能發展出能實用、可靠的技術呢？現在還沒有答案。近期來說，唯一的選擇就是使用核電系統，

NASA的表態可能是考慮到安全問題，以及公眾的"談核色變"。"很明顯，核裂變只要設計正確，操作維護認真，是可以安全運行的。"VASIMR研究項目小組的負責人對使用核技術並不迴避，他說："VASIMR是在航天器升上太空之後才開始啟用，核反應爐在離開地球時處於惰性狀態，並且我們將它拆開後才向太空運送。因此任何單獨一部分都不會對地球造成威脅，惰性狀態下的鈾也沒什麼危險。"

目前的技術已經能讓船載核電系統產生數百千瓦的電能，而且在不遠的將來能發展到兆瓦的級別。就目前情況而言，離子發動機的推力仍舊比不上傳統的火箭發動機那麼高，不適合做火箭的第一級發動機，很難將有效載荷從地球帶到近地軌道。但比衝量方面的優勢則很明顯，到了近地軌道，離子發動機的優勢才能顯現。張福林和他的團隊希望在測試中將動力升至200千瓦，這足夠提供大約0.45千克的推力。聽上去並不太多，但在太空中，0.45千克的推力可以驅動2噸重的貨物。

2012年，Ad Astra的VASIMR原型（使用太陽能發電，而不是核能）將被帶到國際空間站，一名宇航員將在太空行走中安裝這臺200千瓦的發動機。如果一切順利，用5牛頓的推力，就能讓國際空間站實現變軌。試驗成功與否，將暗示著VASIMR能否為NASA畫出下一個十年計畫的美好前景-輕鬆將人員或貨物送上月球，或者火星。