[科普中国]-等离子发动机

简介

在科幻小说中，飞行器总能为星际旅行的全程提供动力。但在现实中，火箭推进器的发动机技术，根本无法实现这一点。

相对于裸露在外的推进剂储箱，化学火箭的发动机看上去很小，但它的胃口很大。“吃得多，干活的效率却不高。”张福林说。这种发动机吞噬掉的海量能源，只在提供短期动力方面有效——储存的燃料很快用完，推进器马上被当成垃圾扔掉。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的“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，这种引擎显然力不从心。

“土星5号”就是典型代表。它的第一级装有2075吨液氧煤油推进剂。一旦发动机点火，它可以在2分34秒内全部“喝”完这些“饮料”。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“拖”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，表明了它的推进效率的低下。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火箭的原因。

等离子发动机，或者俗称的“离子推进器”采取了一种和化学火箭完全不同的设计思路。它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，和粒子加速器与轨道炮都是同样的原理。“等离子火箭在一定时间内提供的推力相对较少，然后一旦进入太空，它们就会像有顺风助阵的帆船，逐渐加速飞行，直至速度超过化学火箭。”张福林说。

实际上，迄今已有多个太空探测任务采用等离子发动机，如美国宇航局探测小行星的“黎明号”（Dawn）探测器和日本探测彗星的“隼鸟号”（Hayabusa）探测器，而欧洲空间局撞击月球的SMART-1探测器的目的之一，就是验证如何利用离子推进技术把未来的探测器送入绕水星运行的轨道。

这些已经实用的离子发动机都很迷你，多属于辅助发动机，推力和加速度都很小，要使航天器达到预定的飞行速度，用时极长—SMART-1的等离子体发动机提供的加速度只有0.2毫米/秒方，推力只相当于一张纸对于手掌的压力。这样的发动机，带上一只蚂蚁都无法脱离地球的重力场。

但它们在太空中的表现能够弥补这个缺陷。优越的比冲量，也就是能用更少的燃料提供更多的动力，使它最终能把传统的化学火箭远远抛在身后。“1998年发射的深空1号（Deep Space 1），由德尔塔火箭送上太空，然后由离子发动机推动。它的离子发动机产生0.09牛顿的推力，比冲量相当于液体火箭的10倍。每天消耗100克氙推进剂，在发动机全速运转的情况下，每过一天时速就增加25~32米。它最终的工作时间超过14000小时，超过了此前所有传统火箭发动机工作时间的总和。”张福林介绍道。

正是这一原因，使等离子发动机成为航天界新的宠儿。等离子发动机中的新秀VASIMR被美国航空航天研究所（AIAA）列为2009年十大航天新兴项目。NASA的新任掌门人查尔斯·博尔登（Charles Bolden）也非常看好VASIMR，NASA向Ad Astra 火箭公司提供经费，希望他们能够完成自己的承诺——让VASIMR在2012年或2013年能够安装到国际空间站上进行点火测试。

工作原理主要工作机理是:在发动机的阳极和阴极间施加轴向的电场，由带电线圈产生径向方向的磁场，电子被磁场束缚，做周向的hall漂移，与通道内的中性原子碰撞，产生离子，离子被电场加速高速喷出从而产生推力。由于离子的质量与电子的质量相比较大，离子的运动几乎不受磁场的影响。1

分类航天的系统分为化学推进和电推进两种系统，中国几乎都是使用的化学推进系统。但是电推进比化学推进有以下的优点：

1、电推进不受化学推进剂可释放化学能大小的限制。经验表明一般化学推进剂的能量为70MJ/kg。电推进不受这些限制，它理论上可以达到任何能量。

2、电推进的比冲比化学推进的比冲高很多

由于电推进比化学推进的比冲大得多，所以它所需的推进剂将会少的多，从而增加卫星的有效载荷，提高卫星性能和效益。但是电推进也有它的缺点，比如它仅能应用于小推力系统。低推力、高比冲的性质使得电推进的主要应用为:位置保持、重定位和姿态控制。对一些在轨推进的任务，电推进有明显的优势。它可以获得比化学推进更准确的姿态和化学控制。对一些重定位的任务，重定位的速度会更快并且能量消耗也更少。

30年前，在哥斯达黎加出生，有1/4华人血统的张福林（Franklin R. Chang Diaz）还在麻省理工大学攻读等离子物理学博士学位时就这么认为。到了2009年6月，作为前航天员兼物理学家，Ad Astra火箭公司创始人、首席设计师，张福林带领着团队成功测试了VASIMR的第一节引擎后，对这一观点更加坚定。

VASIMR，全功率可变比冲的磁等离子体火箭（Variable-specific-impulse magnetoplasma rocket），尽管离最终完善仍有距离，但已经在航天界中引起了巨大反响。

因为，当它真正诞生，登陆火星的时间将会从250天缩短为39天。

石墨烯在光作用下的运动现象，这一发现可作为新的太空动力来源,碳世纪发现了这项重大应用发现，并成功研制了该项装置，充分展示了石墨烯材料火箭的光推动作用，2使电推动不再受化学试剂的限制。

电弧加热等离子发动机主要由阴极、阳极、电源和工质等组成,结构相对简单。3

电弧加热等离子发动机的工作原理是利用两电极之间放电形成的高温电弧加热气体,气体进入阳极喷嘴压缩段后被电弧加热到10000K上的高温后发生电离,进入阳极喷管扩张段,膨胀加速达到超音速,最终髙速喷出时产生反推为。电弧加热等离子发动机加热过程主要集中在发动机弧室内部进行,这就突破了电阻加热推进装置对壁面湿度的限制,电弧中必温度高达10000的数量级,而发动机壁面的温度一般低于2000K。

电弧加热等离子发动机是极具发展潜力的电推进之一。在所有的电推进技术中,电弧加热等离子发动机的推力/功率比是最高的;尽管在与电磁式、静电式推进装置相比,电弧加热等离子发动机比冲要低,但是其进一步提升空间大;同时电弧加热等离子发动机结构简单,运行电压低,寿命长,使其在未来的电推进市场将占有一席之地。

脉冲等离子推力器具有机械结构简单和鲁棒性能好的优点，但其缺点是发动机推力非常小和推力功率比低，限制了其应用。为了增强脉冲等离子推力器的推力性能，目前国外开始利用化学推进剂提高等离子推力器推力的探索研究。

固体火箭发动机与等离子体发动机技术的结合将是一个新的有价值的研究领域，利用固体推进剂作为未来等离子体发动机的新型工质和能量来源，国外在利用固体推进剂取代用于等离子推力器中的惰性材料来提高发动机推力方面的研究已起步，并得到了提高推力及推力功率比的试验证据; 利用等离子推力器技术提高固体火箭发动机比冲，利用等离子发动机的相关技术通过电场电离和加速固体推进剂的燃烧( 分解) 产物，形成等离子体流来提高固体火箭发动机的比冲。

只差一步建造VASIMR就是张福林在20世纪70年代提出的主意。它能同时具有化学火箭发动机和离子发动机的能力。传统化学火箭发动机拥有高推力、低比冲，离子发动机则是低推力、高比冲。而VASIMR，它能在高推力、低比冲和低推力、高比冲之间的自由转换，在这两者之间调整参数，所以被称作“可变比冲”。

张福林一直致力于该项目研究，但之后的20多年里他忙于作为宇航员7次进入太空。直到2005年，他从NASA退役组建了Ad Astra火箭公司，试验场就在他的出生地哥斯达黎加附近的航空中心。

突破性成果在2008年到来，这就是VX-200等离子引擎测试台，它利用氩气作为推进剂的第一阶段达到了全功率30千瓦。VX-200全方位超越了传统的等离子发动机：比冲在3000~30000秒之间随意转换，也就是喷射等离子的速度在30~300千米/秒，能量转换效率高达67%。张福林说：“用它飞到火星只需39天，这样能节省大量的燃料、食物、水、空气，宇航员也能摆脱长时间的宇宙射线辐射。”

VX-200分为三部分：在前部单元里，首先是把喷出的气体电离生成等离子体，类似于在蒸汽机里烧开水，这是以一种螺旋波射频天线（helicon RF antennas）来实现；中部单元充当放大器，它用电磁波的能量进一步把等离子体加热到几百万度；而尾部单元的磁性喷嘴可将等离子体的能量转化为喷气口的速度，从而产生反向的推力。

张福林解释说，VX-200使用了新的算法来控制和稳定等离子体，主要是控制超导磁场。通常来说，火箭发射时喷射气体温度越高，比冲量就越高。为最大限度利用效能，VASIMR火箭中部单元的温度相当于太阳中心的温度。但是火箭发动机的喷射嘴所能承受的温度有限。喷嘴温度太高，用什么材料是一个问题。和核聚变装置一样，解决的办法是使用磁场。在强磁场，比如超导磁体产生的磁场下，等离子体会以固定频率旋转。发动机的中部单元在磁场控制下让其按自然频率绕磁场旋转，当温度迅速上升之后，再从尾部单元把旋转变成轴向运动并释放出去。所有这些极端变化的环境都要求对磁场和电磁波精准的控制，这是新的控制算法的功劳。截止2009年5月底，VX-200真正上天的原型机已经开始了试验，它能实现从近地轨道到月球轨道的变轨。

发展问题核动力还是太阳能？

“VASIMR最终将是一个核电火箭发动机。”张福林认为，因为目前最好的动力来源就是核反应堆。等离子发动机需要超长的持续电力供应，用核裂变反应堆为VASIMR提供电力，能很轻松地将人们带到火星，使用的燃料比化学火箭少很多，飞行时间也会少很多。这要求携带一个电力供应装置。

但是VASIMR的主要买家NASA却始终对它的动力源守口如瓶。他们所说的能源方式是使用一个巨大的太阳能电池板。但电池板的效率不够高，如果想往外围的深空继续进发，或者运送更大的载重，就必须获得更大的电能，至少应该达到以兆瓦计算的规模，而目前的VASIMR最多也就200千瓦。对太阳能电力系统进行改进以增加太阳能的利用效率，唯一可预期的方式是使用纳米技术，但需要多久才能发展出能实用、可靠的技术呢？还没有答案。唯一的选择就是使用核电系统，

NASA的表态可能是考虑到安全问题，以及公众的“谈核色变”。“很明显，核裂变只要设计正确，操作维护认真，是可以安全运行的。”VASIMR研究项目小组的负责人对使用核技术并不回避，他说：“VASIMR是在航天器升上太空之后才开始启用，核反应堆在离开地球时处于惰性状态，并且我们将它拆开后才向太空运送。因此任何单独一部分都不会对地球造成威胁，惰性状态下的铀也没什么危险。”

技术已经能让船载核电系统产生数百千瓦的电能，而且在不远的将来能发展到兆瓦的级别。离子发动机的推力仍旧比不上传统的火箭发动机那么高，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。但比冲量方面的优势则很明显，到了近地轨道，离子发动机的优势才能显现。张福林和他的团队希望在测试中将动力升至200千瓦，这足够提供大约0.45千克的推力。听上去并不太多，但在太空中，0.45千克的推力可以驱动2吨重的货物。

2012年，Ad Astra的VASIMR原型（使用太阳能发电，而不是核能）将被带到国际空间站，一名宇航员将在太空行走中安装这台200千瓦的发动机。如果一切顺利，用5牛顿的推力，就能让国际空间站实现变轨。试验成功与否，将暗示着VASIMR能否为NASA画出下一个十年计划的美好前景—轻松将人员或货物送上月球，或者火星。