等离子体火箭，充电就能轻松去火星

资料来源：。。科学技术出版社

好奇是人的天性。地球不仅容不下马斯克，也容不下航天爱好者。他们中的一些人已经成为火箭科学家和工程师，他们痴迷于制造大推力火箭，并将人类的足迹扩展到外太空。据估计，

一枚推力为3408吨的“土星五号”运载火箭，可将45吨载人飞船送上月球(美国，20世纪中期)；一枚2940吨推力的“能量”重型火箭，可将27吨载荷送上火星和金星(俄罗斯、

1987);一枚4000吨的“长征九号”重型火箭可以轻松将37吨载荷送上火星(。。，在研)。

这种火箭只要充电，39天就能从地球飞到火星！

等离子火箭可以帮助我们探索更遥远的空间。美国宇航局

作者|。。科学院李家良高能物理研究所

目前世界各地使用的这些运载火箭都是化学火箭，通过燃烧液体或固体燃料释放巨大能量，排出高温高速气体，使火箭获得巨大推力。而要更深入到深空，就需要更多的燃料。

但是，火箭储存燃料的空间毕竟有限。燃料太重影响发射怎么办？如何解决长时间太空旅行燃料供应不足的问题？

来自美国宇航局的。。宇航员张福林提出了一种新型火箭，——等离子体火箭。这种火箭以电能为动力，使用气态等离子体作为“燃料”。乘坐等离子火箭从地球到火星只需要39天。

计划中的长征九号火箭(最右)起飞质量超过4000吨，运载能力与美国土星五号火箭大致相当，超过正在研制中的美国下一代运载火箭(SLS)。

完全可以满足未来载人探月、火星采样返回、太阳系行星探测等任务。太空新闻

飞出地球，用气体做“燃料”

在科幻小说中，飞行器似乎可以为星际旅行提供全部动力。但现实中使用的化学火箭需要消耗煤油、酒精等化学燃料。他们胃口很大，但是效率不高。大部分燃料都是用来摆脱地球引力的，不可能实现任意星际旅行。

等离子火箭(VASIMR)采取了完全不同的想法，使用等离子加速器作为驱动力。

下面介绍一下什么是等离子。当一种物质被加热到足够高的温度时，其中的原子会电离成带正电的原子核和带负电的电子，形成离子“糊”，即等离子体。

等离子体在自然界中无处不在，炽热的火焰、耀眼的闪电和绚丽的极光都是等离子体作用的结果。在整个宇宙中，几乎99.9%的物质(如恒星和行星际空间物质)都以等离子体状态存在。因此，

它也被称为气体、液体和固体之外的“第四种物质状态”。

等离子体可以通过人工方法产生，如核聚变、核裂变和辉光放电。

等离子体在自然界中无处不在。如闪电、霓虹灯、等离子球和航天飞机上的等离子尾迹。|维基百科

相对于化学火箭燃料的沉重，燃料本身在火箭发射过程中可能会成为一种“负担”。等离子火箭可以用更少的燃料提供更大的动力。一旦进入太空，它们就会像顺风的帆船一样逐渐加速飞行，最终将传统的化学火箭远远甩在身后。

在太空中完成各种太空探索任务。

等离子体火箭发动机使用氩作为等离子体源。氩气是一种惰性气体，不容易与其他元素发生反应。焊接金属时常用它作为保护气体，所以非常适合等离子体。

其工作原理是：火箭发动机先电离氩气，将其转化为低温等离子体（其实也有5000以上）。随后利用磁铁使电离气体加热、加速，温度达到上百万摄氏度。再用磁场控制高温等离子体，使其加速排出火箭尾部，

形成巨大推力，助力火箭冲出地球。

等离子体火箭发动机工作原理图。|来自网络

经推算，安装上等离子体火箭，太空飞船的速度可达每小时约19.8万公里。相比于传统火箭用250天时间送宇航员到达火星，等离子体火箭最快可以让宇航员在39天内到达火星，节省大量的燃料、食物、水、空气，

宇航员也能摆脱长时间的宇宙射线辐射。

那么，等离子体火箭到底是如何获得这么高的推进效率呢？这与等离子体被加速的机制有关。

神奇的磁重联机制，从磁场中要能量

等离子体火箭在发动机工作的全过程中，主要利用磁重联机制加速、加热等离子体束流。

什么是磁重联呢？其实，磁重联是太阳上一个非常重要的快速释放磁能的过程，太阳爆发。。几乎都和磁重联有关，例如耀斑、日冕物质抛射、喷流等。而且不仅是太阳上，

在地球大气层和托卡马克核聚变反应堆内也能看到磁重联现象。

在磁重联过程中，多组方向相反的磁力线相互靠近，并重新连接形成新磁力线。等离子体火箭利用磁场变化带动磁力线连接和断开，将磁能转化为等离子体的动能、热能和粒子加速度。

磁重联过程中，磁力线断开并重新连接。|维基百科

但磁重联过程需要有足够大的电能支撑，等离子体火箭需要的电能近数百千瓦。这么大的电能从哪里来？选择何种供电方式才能满足需求呢？

巨大电能从哪儿来？核能？太阳？

1）核反应堆供电

目前认为，最好的动力来源是核反应堆，因此我们可以设想，等离子体火箭最终将是一个核电火箭发动机。用核裂变反应堆为等离子体火箭提供电力，能轻松将人们带到火星。

就目前情况而言，等离子发动机的推力仍旧比不上传统火箭，很难将有效载荷从地球带到近地轨道。不过到了近地轨道，等离子发动机的优势就能显现：如果能够将动力升至200千瓦，

将足够提供大约0.45千克的推力——相比火箭的重量，这听起来轻如羽毛，但在太空中，0.45千克的推力可以驱动2吨重的货物。

等离子体火箭需要巨大的电能。图中为利用核反应堆供能的等离子体火箭。|维基百科

2）太阳能电池板供电

将火箭供电装置改成太阳能电池板，可以把太阳能转化为电能。问题是，电池板的效率不够高，如果向深空继续进发或者运载更大重量，就需要增加太阳能利用效率。

研究发现，大型且可控的太阳能电池阵列可以提供高达1千千瓦的功率。但过大的电池阵对航天器的构型、轨道保持和姿态控制设计等会带来巨大挑战。

目前国际空间站的太阳能电池也只能提供百千瓦级的电功率，而且这一结果是在地日距离下，太阳能在火星以外的区域将大幅衰减。

另外，很多科学家也在研究太阳能供电的宇宙飞船——太阳帆，期待未来有一天能使用太阳帆探索太空。

提供上百千瓦电力的国际空间站。|来自网络

与太阳能电池相比，空间核反应堆电源的优点在于它是自主电源，不依赖阳光，且储能极高；适用功率范围广，可以覆盖千瓦甚至兆瓦以上功率输出。缺点则是，从安全和技术角度考虑，核反应堆供电的技术要求很高，

工程成本相对较大，工期长。

目前核电可以有效满足航天任务日益增长的能源需求。随着空间技术的发展，大功率卫星、深空探测等都需要大功率长久耐用的供电方式。相比之下，太阳能电池供电还有很长的路要走。

太空中的等离子体火箭。|AdAstraRocketCompany

记得小时候，乘坐普速火车从北京去上海需要数十个小时，现在具有更高性能的高铁仅用4个多小时就可以。

同理，摆脱传统能源依赖，改为靠电能推动的“电火箭”，不仅推动自己更快地奔向火星，还推动了世界航天科技的发展。

相信我们终有一天会克服技术瓶颈，研发出更高性能的“电火箭”，更加方便快捷地奔赴太空旅行，去探索太空深处不为人知的奥秘。

参考资料

VASIMR Human Mission to Mars， Franklin R。 Chang Diaz， et al。

http://www.adastrarocket.com/Andrew-SPESIF-2011.pdf