可能開創宇航新紀元的等離子體火箭

卓然

我國的科技創新尚處在初創起步階段，國際高科技領域對我國國內的各種獎項評比不夠關注。但吳云教授獲得的2019年第十五屆中國航空學會青年科技獎，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，吳云教授在應用等離子體進行超高空發動機點火領域取得的成就，將對等離子體的整體研究起到推動促進作用。

要解決大推力火箭負載大載荷小的宇航難題，運載火箭亟待更新換代。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等離子體火箭的研發，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，人類如果要進一步探索太陽系的話，飛船的速度必須更快，其推進系統效率必須更高。目前傳統的化學推進劑雖然能夠推動火箭沖破地球引力的束縛，但對于太空航行需要的推動力卻是遠遠不夠的。

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

為何要淘汰化學火箭

所謂化學火箭，就是當今各國所使用的以液氫、液氧等為動力來源的傳統火箭。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——要想飛得遠就必須多帶燃料，而燃料越多火箭質量越重，質量越重有效載荷便越小。化學火箭的大部分燃料被用來擺脫地球引力，剩余的一點則被用來推動火箭在太空滑行。火箭飛往目的地，僅僅是依靠慣性。對于星際飛行來說，化學火箭的動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”為例，它的第一級裝有2075噸液氧和煤油推進劑，發動機點火后在2分34秒內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“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，表明它的推進效率比較低下。這就是為什么要將一個質量很小的人送上太空，卻必須使用一枚巨大的火箭的原因。所以我們要發展人類的航天事業，一定要淘汰化學火箭，加快研發等離子體火箭。

等離子體火箭的優勢

一般情況下，普通氣體不能成為等離子體，但將其加溫到4000K，它便可以轉化為等離子體。等離子發動機俗稱“離子推進器”，采用了一種和化學火箭完全不同的設計思路，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。

等離子發動機的工作原理是，推進劑氣體一般為氙或氫，一方面通過陽極進入環形放電通道，另一方面進入陰極（空心陰極）作為啟動和維持放電的電子源。磁場線圈及其磁路結構主要用來產生合適的徑向磁場分布。

發動機工作時，通過陽極分配器進入環形通道的氣態推進劑原子，被處于通道內足夠熱的電子碰撞而電離化形成等離子體。因通道內的電場與徑向磁場相互垂直，導致電子沿圓周方向作漂移運動。電子漂移運動形成的電流（稱霍爾電流）與徑向磁場相互作用，將對通道內的等離子體沿軸向產生電磁加速力，使等離子體高速噴出，產生反作用推力。

美國宇航局的實驗數據顯示，做功氣體進入電離腔，通過無線電波被電離化。這時等離子體已經被加熱到5000攝氏度以上，相當于太陽表面的溫度。但這只是冷等離子體。

當5000多攝氏度的等離子體進入第二個充能腔，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入噴嘴，再由電磁場控制噴出。在這里，其熱量（內能）被高效地轉化為動能，噴口速度可以達到50千米/秒，巨大的反作用力，能將航天器輕松推向深空。

研發競賽早已開始

蘇聯是研究應用等離子發動機最早的國家，由于極端保密致使外界對他們的研究成果不得而知。僅就靜態等離子推進器（SPT）而言，蘇聯從20世紀70年代初就開始進行空間飛行試驗。先后推出SPT-50、SPT-70和SPT-100三種型號的等離子發動機，并成功在地球同步衛星上進行試驗。由SPT組成的電推進系統成了俄羅斯氣象衛星和通信衛星上的一個正式分系統。已有70多臺SPT推進器上天運行，成功率達100%。

對等離子發動機的研發，美國后來居上。華裔退役宇航員張福林率領的一支研發團隊，在很短的時間內便把等離子發動機的研究提升到一個新的階段。

張福林表示，人類可利用核反應堆將氫氣變為200萬攝氏度的等離子體，然后用磁場控制高溫等離子體，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每小時19.8萬千米，從地球到火星再也不用飛行七八個月的時間，只需39天就夠了。

1998年美國宇航局發射的“深空一號”探測器，由德爾塔火箭送上太空，然后由等離子發動機推動。它的等離子發動機產生0.09牛頓的推力，比沖量相當于化學火箭的10倍。每天消耗100克氙氣推進劑，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1.4萬小時，超過了此前所有傳統火箭發動機工作時間的總和。

中國對等離子體推進器的研發起步較晚，但追趕速度驚人，國內幾家研究機構分工協作，先后推出了幾款樣機。2012年12月發射入軌的“實踐九號”衛星上攜帶了霍爾電推進器和等離子體推進器上天進行了軌道驗證，并取得成功。

有待攻克的難題

等離子發動機研發中遇到的難題包括兩個方面，一是推力小的先天難題。離子發動機的推力仍舊比不上傳統的火箭發動機，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。二是當這種發動機輸出大推力時，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遠不夠的。要想進行深空探索，必須攜帶兆瓦級能量的小型核反應堆，才能為等離子發動機提供充足的電源。

那么問題來了，考慮到飛行器在發射及運行中，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行的小型核電站，還不是一件容易的事情。

據說，美國宇航局的幾屆掌門人對等離子體火箭的前景都表示謹慎樂觀，換句話說，他們對該技術的實際應用均有所保留。他們擔憂的焦點是，科學家是否有完全把握用磁場控制等離子體安全地沿著預設的通道流過并從噴口射出等。

還有一個讓全世界科學家一致擔憂的問題是，即使等離子體火箭完全試驗成功，沒有一丁點兒問題，可是人類的生理極限卻無法承受每小時19.8萬千米的高速飛行。那樣的話，我們絕大多數業已成熟的宇航飛行技術都要推倒重來，首先需要改變的是將載人飛船變為無人駕駛飛船。

這可能是等離子體火箭研發處于停滯狀態的主要原因吧！

（編輯 文墨）