可能开创宇航新纪元的等离子体火箭

卓然

我国的科技创新尚处在初创起步阶段，国际高科技领域对我国国内的各种奖项评比不够关注。但吴云教授获得的2019年第十五届中国航空学会青年科技奖，却立刻引起世界航空航天界的极大兴趣。连美国宇航局也表示，吴云教授在应用等离子体进行超高空发动机点火领域取得的成就，将对等离子体的整体研究起到推动促进作用。

要解决大推力火箭负载大载荷小的宇航难题，运载火箭亟待更新换代。为此，美国宇航局不惜重金资助华裔宇航员兼火箭专家张福林对等离子体火箭的研发，他们热切希望有一款成熟的等离子体火箭将他们的宇航员送上火星。

众所周知，人类如果要进一步探索太阳系的话，飞船的速度必须更快，其推进系统效率必须更高。目前传统的化学推进剂虽然能够推动火箭冲破地球引力的束缚，但对于太空航行需要的推动力却是远远不够的。

貌似庞然大物的火箭对航天器的推动力是很有限的，它绝大多数的能量消耗在摆脱地球引力上。所以新一代火箭的开发利用，即将成为人类驱逐深空探索拦路虎的关键，传统化学火箭的使命已终结，全力投入等离子体火箭的研发试验已刻不容缓。再好的太空舱，再好的宇航服，再好的卫星，如果难以升空入轨，一切都等于零。

为何要淘汰化学火箭

所谓化学火箭，就是当今各国所使用的以液氢、液氧等为动力来源的传统火箭。这种火箭的最大问题是燃烧快、效率低。其无法克服的致命缺陷是——要想飞得远就必须多带燃料，而燃料越多火箭质量越重，质量越重有效载荷便越小。化学火箭的大部分燃料被用来摆脱地球引力，剩余的一点则被用来推动火箭在太空滑行。火箭飞往目的地，仅仅是依靠惯性。对于星际飞行来说，化学火箭的动力显然是无能为力的。

以目前最大推力火箭——曾让美国宇航员登上月球的“土星5号”为例，它的第一级装有2075吨液氧和煤油推进剂，发动机点火后在2分34秒内全部消耗完这些燃料。高温气体以2900米/秒的速度喷射，却仅仅够将47吨的有效载荷送上月球。在全部能够产生的3500吨推力中，很大一部分被用来“托”起火箭自身和2000多吨燃料。所以它的“比冲量”并不高，只有300多秒，表明它的推进效率比较低下。这就是为什么要将一个质量很小的人送上太空，却必须使用一枚巨大的火箭的原因。所以我们要发展人类的航天事业，一定要淘汰化学火箭，加快研发等离子体火箭。

等离子体火箭的优势

一般情况下，普通气体不能成为等离子体，但将其加温到4000K，它便可以转化为等离子体。等离子发动机俗称“离子推进器”，采用了一种和化学火箭完全不同的设计思路，使用洛伦兹力让带电原子或离子加速通过磁场，来反向驱动航天器。

等离子发动机的工作原理是，推进剂气体一般为氙或氢，一方面通过阳极进入环形放电通道，另一方面进入阴极（空心阴极）作为启动和维持放电的电子源。磁场线圈及其磁路结构主要用来产生合适的径向磁场分布。

发动机工作时，通过阳极分配器进入环形通道的气态推进剂原子，被处于通道内足够热的电子碰撞而电离化形成等离子体。因通道内的电场与径向磁场相互垂直，导致电子沿圆周方向作漂移运动。电子漂移运动形成的电流（称霍尔电流）与径向磁场相互作用，将对通道内的等离子体沿轴向产生电磁加速力，使等离子体高速喷出，产生反作用推力。

美国宇航局的实验数据显示，做功气体进入电离腔，通过无线电波被电离化。这时等离子体已经被加热到5000摄氏度以上，相当于太阳表面的温度。但这只是冷等离子体。

当5000多摄氏度的等离子体进入第二个充能腔，利用回旋谐振原理，无线电波将等离子体加热至100万摄氏度！这赶上太阳日冕的温度了。

最终，富含能量的高热等离子体进入喷嘴，再由电磁场控制喷出。在这里，其热量（内能）被高效地转化为动能，喷口速度可以达到50千米/秒，巨大的反作用力，能将航天器轻松推向深空。

研发竞赛早已开始

苏联是研究应用等离子发动机最早的国家，由于极端保密致使外界对他们的研究成果不得而知。仅就静态等离子推进器（SPT）而言，苏联从20世纪70年代初就开始进行空间飞行试验。先后推出SPT-50、SPT-70和SPT-100三种型号的等离子发动机，并成功在地球同步卫星上进行试验。由SPT组成的电推进系统成了俄罗斯气象卫星和通信卫星上的一个正式分系统。已有70多台SPT推进器上天运行，成功率达100%。

对等离子发动机的研发，美国后来居上。华裔退役宇航员张福林率领的一支研发团队，在很短的时间内便把等离子发动机的研究提升到一个新的阶段。

张福林表示，人类可利用核反应堆将氢气变为200万摄氏度的等离子体，然后用磁场控制高温等离子体，让其从火箭尾部喷出。他推算，安装等离子体火箭后，太空飞船的速度可达每小时19.8万千米，从地球到火星再也不用飞行七八个月的时间，只需39天就够了。

1998年美国宇航局发射的“深空一号”探测器，由德尔塔火箭送上太空，然后由等离子发动机推动。它的等离子发动机产生0.09牛顿的推力，比冲量相当于化学火箭的10倍。每天消耗100克氙气推进剂，在发动机全速运转的情况下，每过一天时速就增加25～32千米。它最終的工作时间超过1.4万小时，超过了此前所有传统火箭发动机工作时间的总和。

中国对等离子体推进器的研发起步较晚，但追赶速度惊人，国内几家研究机构分工协作，先后推出了几款样机。2012年12月发射入轨的“实践九号”卫星上携带了霍尔电推进器和等离子体推进器上天进行了轨道验证，并取得成功。

有待攻克的难题

等离子发动机研发中遇到的难题包括两个方面，一是推力小的先天难题。离子发动机的推力仍旧比不上传统的火箭发动机，不适合做火箭的第一级发动机，很难将有效载荷从地球带到近地轨道。二是当这种发动机输出大推力时，它的耗电量也是很惊人的，太阳能电池板能够提供的200千瓦左右的电量是远远不够的。要想进行深空探索，必须携带兆瓦级能量的小型核反应堆，才能为等离子发动机提供充足的电源。

那么问题来了，考虑到飞行器在发射及运行中，可能爆炸或坠毁造成核辐射污染。因此，依靠目前的科技水平，制造一座能够跟随航天器一起安全运行的小型核电站，还不是一件容易的事情。

据说，美国宇航局的几届掌门人对等离子体火箭的前景都表示谨慎乐观，换句话说，他们对该技术的实际应用均有所保留。他们担忧的焦点是，科学家是否有完全把握用磁场控制等离子体安全地沿着预设的通道流过并从喷口射出等。

还有一个让全世界科学家一致担忧的问题是，即使等离子体火箭完全试验成功，没有一丁点儿问题，可是人类的生理极限却无法承受每小时19.8万千米的高速飞行。那样的话，我们绝大多数业已成熟的宇航飞行技术都要推倒重来，首先需要改变的是将载人飞船变为无人驾驶飞船。

这可能是等离子体火箭研发处于停滞状态的主要原因吧！

（编辑 文墨）