冲出地球！等离子体火箭，充电就能轻松去火星
作者｜李嘉良 中科院高能物理研究所
好奇是人类天性。地球容不下的不止马斯克，还有各位航天发烧友。
他们中的一些成了火箭科学家、工程师，心心念念，致力于制造出一枚枚高推力火箭，将人类的足迹扩展到外空间。
据测算，一枚3408吨推力的“土星五号”运载火箭，可以将45吨的载人宇宙飞船送上月球（，20世纪中叶）；一枚2940吨推力的“能源号”重型火箭，可以将27吨载荷送到火星和金星（俄罗斯，1987年）；一枚4000吨推力的“长征九号”重型火箭，则可以将37吨载荷轻松送至火星（中国，正在研制中）。
目前世界各国使用的这些运载火箭都是化学火箭，燃烧液态或固态燃料释放巨大能量，排出高温高速气体，让火箭获得巨大推力。而要奔赴更远的深空，就需要更多燃料。
但火箭储存燃料的空间毕竟有限，燃料过重影响发射怎么办？长时间太空旅行过程中，燃料不足又该如何解决？
一位来自NASA的华裔航天员张福林，提出了一种新型火箭——等离子体火箭。这种火箭电能推动，以气态的等离子体为“燃料”。坐上等离子体火箭，从地球到火星只需要39天。
正在规划的“长征九号”火箭（最右）起飞质量超过4000吨，运力和“土星五号”火箭大致相当，超过正在研制的下一代运载火箭（SLS），完全可以满足未来载人月球探测、火星取样返回、太阳系行星探测等任务。｜Spacenews
飞出地球，以气体为“燃料”
在科幻小说中，飞行器似乎能为星际旅行提供全程动力。可现实中使用的化学火箭需要消耗煤油、酒精等化学燃料，它们胃口很大，效率却并不高，大部分燃料都被用来摆脱地球引力，根本无法实现随心所欲的星际旅行。
等离子体火箭（VASIMR）则采取了一种完全不同的思路——利用等离子体加速器作为推动力。
这里先介绍一个何为等离子体。当物质被加热到足够高温时，其中的原子会电离为带正电的原子核和带负电的电子，形成一团离子状的“浆糊”，也就是等离子体。
等离子体在自然界中普遍存在，炽热的火焰、光辉夺目的闪电，以及绚丽的极光，都是等离子体作用的结果。在整个宇宙中，几乎99.9%以上的物质（如恒星、行星际空间物质）都以等离子态存在。因此，它也被称为在气态、液态、固态之外的“物质的第四态”。
用人工方法，如核聚变、核变、辉光放电等过程，都可产生等离子体。
等离子体在自然界中普遍存在。例如图中的闪电、氖灯、等离子体球、航天飞机上的等离子体踪迹。｜
相于化学火箭燃料重量大，火箭发射过程中燃料本身就可能成为 “累赘”，等离子火箭能用更少的燃料提供更多动力，一旦进入太空，就会像顺风的帆船，逐渐加速飞行，最终把传的化学火箭远远抛在身后，在太空中完成各种航天探索任务。
等离子体火箭的发动机以氩气作为等离子体来源。氩气是一种惰性气体，不易与元素发生化学反应，经常在焊接金属时做保护气体，很适合做等离子体。
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
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。相于传火箭用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，太阳爆发事件几乎都和磁重联有关，例如耀斑、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。｜
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不上传火箭，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。｜
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
与太阳能电池相，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。｜Ad Astra Rocket Company
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，摆脱传能源依赖，改为电能推动的“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. ://www.adastrarocket/Andrew-SPESIF-2011.pdf
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