等離子體火箭，充電就能輕鬆去火星

好奇是人類天性。地球容不下的不止馬斯克，還有各位航天發燒友。他們中的一些成了火箭科學家、工程師，心心念念，致力於製造出一枚枚高推力火箭，將人類的足跡擴展到外空間。 據測算，一枚3408噸推力的“土星五號”運載火箭，可以將45噸的載人宇宙飛船送上月球（美國，20世紀中葉）；一枚2940噸推力的“能源號”重型火箭，可以將27噸載荷送到火星和金星（俄羅斯，1987年）；一枚4000噸推力的“長征九號”重型火箭，則可以將37噸載荷輕鬆送至火星（中國，正在研製中）。

這種火箭只靠充電，39天就能從地球飛到火星！

等離子體火箭可以幫助我們探索更遙遠的太空。|NASA

作者|李嘉良 中科院高能物理研究所

目前世界各國使用的這些運載火箭都是化學火箭，靠燃燒液態或固態燃料釋放巨大能量，排出高温高速氣體，讓火箭獲得巨大推力。而要奔赴更遠的深空，就需要更多燃料。

但火箭儲存燃料的空間畢竟有限，燃料過重影響發射怎麼辦？長時間太空旅行過程中，燃料供應不足又該如何解決？

一位來自NASA的華裔航天員張福林，提出了一種新型火箭——等離子體火箭。這種火箭靠電能推動，以氣態的等離子體為“燃料”。坐上等離子體火箭，從地球到火星只需要39天。

正在規劃的“長征九號”火箭（最右）起飛質量超過4000噸，運力和美國“土星五號”火箭大致相當，超過正在研製的美國下一代運載火箭（SLS），完全可以滿足未來載人月球探測、火星取樣返回、太陽系行星探測等任務。|Spacenews

飛出地球，以氣體為“燃料”

在科幻小説中，飛行器似乎能為星際旅行提供全程動力。可現實中使用的化學火箭需要消耗煤油、酒精等化學燃料，它們胃口很大，效率卻並不高，大部分燃料都被用來擺脱地球引力，根本無法實現隨心所欲的星際旅行。

等離子體火箭（VASIMR）則採取了一種完全不同的思路——利用等離子體加速器作為推動力。

這裏先介紹一個何為等離子體。當物質被加熱到足夠高温時，其中的原子會電離為帶正電的原子核和帶負電的電子，形成一團離子狀的“漿糊”，也就是等離子體。

等離子體在自然界中普遍存在，熾熱的火焰、光輝奪目的閃電，以及絢麗的極光，都是等離子體作用的結果。在整個宇宙中，幾乎99.9%以上的物質（如恆星、行星際空間物質）都以等離子態存在。因此，它也被稱為在氣態、液態、固態之外的“物質的第四態”。

用人工方法，如核聚變、核裂變、輝光放電等過程，都可產生等離子體。

等離子體在自然界中普遍存在。例如圖中的閃電、氖燈、等離子體球、航天飛機上的等離子體蹤跡。|維基百科

相比於化學火箭燃料重量大，火箭發射過程中燃料本身就可能成為 “累贅”，等離子火箭能用更少的燃料提供更多動力，一旦進入太空，就會像順風的帆船，逐漸加速飛行，最終把傳統的化學火箭遠遠拋在身後，在太空中完成各種航天探索任務。

等離子體火箭的發動機以氬氣作為等離子體來源。氬氣是一種惰性氣體，不易與其他元素髮生化學反應，經常在焊接金屬時做保護氣體，很適合做等離子體。

其工作原理是：火箭發動機先電離氬氣，將其轉化為低温等離子體（其實也有5000℃以上）。隨後利用磁鐵使電離氣體加熱、加速，温度達到上百萬攝氏度。再用磁場控制高温等離子體，使其加速排出火箭尾部，形成巨大推力，助力火箭衝出地球。

等離子體火箭發動機工作原理圖。|來自網絡

經推算，安裝上等離子體火箭，太空飛船的速度可達每小時約19.8萬公里。相比於傳統火箭用250天時間送宇航員到達火星，等離子體火箭最快可以讓宇航員在39天內到達火星，節省大量的燃料、食物、水、空氣，宇航員也能擺脱長時間的宇宙射線輻射。

那麼，等離子體火箭到底是如何獲得這麼高的推進效率呢？這與等離子體被加速的機制有關。

神奇的磁重聯機制，從磁場中要能量

等離子體火箭在發動機工作的全過程中，主要利用磁重聯機制加速、加熱等離子體束流。

什麼是磁重聯呢？其實，磁重聯是太陽上一個非常重要的快速釋放磁能的過程，太陽爆發事件幾乎都和磁重聯有關，例如耀斑、日冕物質拋射、噴流等。而且不僅是太陽上，在地球大氣層和託卡馬克核聚變反應堆內也能看到磁重聯現象。

在磁重聯過程中，多組方向相反的磁力線相互靠近，並重新連接形成新磁力線。等離子體火箭利用磁場變化帶動磁力線連接和斷開，將磁能轉化為等離子體的動能、熱能和粒子加速度。

磁重聯過程中，磁力線斷開並重新連接。|維基百科

但磁重聯過程需要有足夠大的電能支撐，等離子體火箭需要的電能近數百千瓦。這麼大的電能從哪裏來？選擇何種供電方式才能滿足需求呢？

巨大電能從哪兒來？核能？太陽？

1）核反應堆供電

目前認為，最好的動力來源是核反應堆，因此我們可以設想，等離子體火箭最終將是一個核電火箭發動機。用核裂變反應堆為等離子體火箭提供電力，能輕鬆將人們帶到火星。

就目前情況而言，等離子發動機的推力仍舊比不上傳統火箭，很難將有效載荷從地球帶到近地軌道。不過到了近地軌道，等離子發動機的優勢就能顯現：如果能夠將動力升至200千瓦，將足夠提供大約0.45千克的推力——相比火箭的重量，這聽起來輕如羽毛，但在太空中，0.45千克的推力可以驅動2噸重的貨物。

等離子體火箭需要巨大的電能。圖中為利用核反應堆供能的等離子體火箭。|維基百科

2）太陽能電池板供電

將火箭供電裝置改成太陽能電池板，可以把太陽能轉化為電能。問題是，電池板的效率不夠高，如果向深空繼續進發或者運載更大重量，就需要增加太陽能利用效率。

研究發現，大型且可控的太陽能電池陣列可以提供高達1千千瓦的功率。但過大的電池陣對航天器的構型、軌道保持和姿態控制設計等會帶來巨大挑戰。

目前國際空間站的太陽能電池也只能提供百千瓦級的電功率，而且這一結果是在地日距離下，太陽能在火星以外的區域將大幅衰減。

另外，很多科學家也在研究太陽能供電的宇宙飛船——太陽帆，期待未來有一天能使用太陽帆探索太空。

提供上百千瓦電力的國際空間站。|來自網絡

與太陽能電池相比，空間核反應堆電源的優點在於它是自主電源，不依賴陽光，且儲能極高；適用功率範圍廣，可以覆蓋千瓦甚至兆瓦以上功率輸出。缺點則是，從安全和技術角度考慮，核反應堆供電的技術要求很高，工程成本相對較大，工期長。

目前核電可以有效滿足航天任務日益增長的能源需求。隨着空間技術的發展，大功率衞星、深空探測等都需要大功率長久耐用的供電方式。相比之下，太陽能電池供電還有很長的路要走。

太空中的等離子體火箭。|AdAstraRocketCompany

記得小時候，乘坐普速火車從北京去上海需要數十個小時，現在具有更高性能的高鐵僅用4個多小時就可以。

同理，擺脱傳統能源依賴，改為靠電能推動的“電火箭”，不僅推動自己更快地奔向火星，還推動了世界航天科技的發展。

相信我們終有一天會克服技術瓶頸，研發出更高性能的“電火箭”，更加方便快捷地奔赴太空旅行，去探索太空深處不為人知的奧秘。

參考資料

VASIMR Human Mission to Mars， Franklin R。 Chang Diaz， et al。 http://www.adastrarocket.com/Andrew-SPESIF-2011.pdf