等離子發(fā)動機

在科幻小說中，飛行器總能為星際旅行的全程提供動力。但在現實中，火箭推進器的發(fā)動機技術，根本無法實現這一點。

相對于裸露在外的推進劑儲箱，化學火箭的發(fā)動機看上去很小，但它的胃口很大。"吃得多，干活的效率卻不高。"張福林說。這種發(fā)動機吞噬掉的海量能源，只在提供短期動力方面有效--儲存的燃料很快用完，推進器馬上被當成垃圾扔掉?；瘜W火箭的大部分燃料被用來擺脫地球引力，剩余的一點則被用來推動火箭的"太空滑行"?；鸺w往目的地，僅僅是依靠慣性。對于星際飛行來說，這種引擎顯然力不從心。

"土星5號"就是典型代表。它的第一級裝有2075噸液氧煤油推進劑。一旦發(fā)動機點火，它可以在2分34秒內全部"喝"完這些"飲料"。高溫氣體以2900米/秒的速度噴射，卻僅僅夠將47噸的有效載荷送上月球。在全部能夠產生的3500噸推力中，很大一部分被用來"拖"起火箭自身和2000多噸燃料。所以它的"比沖量"并不高，只有300多秒，表明了它的推進效率的低下。這就是為什么要將一個質量很小的人送上太空，卻必須使用一枚巨大火箭的原因。

等離子發(fā)動機，或者俗稱的"離子推進器"采取了一種和化學火箭完全不同的設計思路。它使用洛倫茲力讓帶電原子或離子加速通過磁場，來反向驅動航天器，和粒子加速器與軌道炮都是同樣的原理。"等離子火箭在一定時間內提供的推力相對較少，然后一旦進入太空，它們就會像有順風助陣的帆船，逐漸加速飛行，直至速度超過化學火箭。"張福林說。

實際上，迄今已有多個太空探測任務采用等離子發(fā)動機，如美國宇航局探測小行星的"黎明號"(Dawn)探測器和日本探測彗星的"隼鳥號"(Hayabusa)探測器，而歐洲空間局撞擊月球的SMART-1探測器的目的之一，就是驗證如何利用離子推進技術把未來的探測器送入繞水星運行的軌道。

這些已經實用的離子發(fā)動機都很迷你，多屬于輔助發(fā)動機，推力和加速度都很小，要使航天器達到預定的飛行速度，用時極長-SMART-1的等離子體發(fā)動機提供的加速度只有0.2毫米/秒方，推力只相當于一張紙對于手掌的壓力。這樣的發(fā)動機，帶上一只螞蟻都無法脫離地球的重力場。

但它們在太空中的表現能夠彌補這個缺陷。優(yōu)越的比沖量，也就是能用更少的燃料提供更多的動力，使它最終能把傳統(tǒng)的化學火箭遠遠拋在身后。"1998年發(fā)射的深空1號(Deep Space 1)，由德爾塔火箭送上太空，然后由離子發(fā)動機推動。它的離子發(fā)動機產生0.09牛頓的推力，比沖量相當于液體火箭的10倍。每天消耗100克氙推進劑，在發(fā)動機全速運轉的情況下，每過一天時速就增加25~32米。它最終的工作時間超過14000小時，超過了此前所有傳統(tǒng)火箭發(fā)動機工作時間的總和。"張福林介紹道。

正是這一原因，使等離子發(fā)動機成為航天界新的寵兒。等離子發(fā)動機中的新秀VASIMR被美國航空航天研究所(AIAA)列為2009年十大航天新興項目。NASA的新任掌門人查爾斯·博爾登(Charles Bolden)也非?？春肰ASIMR，NASA向Ad Astra 火箭公司提供經費，希望他們能夠完成自己的承諾--讓VASIMR在2012年或2013年能夠安裝到國際空間站上進行點火測試。

建造VASIMR就是張福林在20世紀70年代提出的主意。它能同時具有化學火箭發(fā)動機和離子發(fā)動機的能力。傳統(tǒng)化學火箭發(fā)動機擁有高推力、低比沖，離子發(fā)動機則是低推力、高比沖。而VASIMR，它能在高推力、低比沖和低推力、高比沖之間的自由轉換，在這兩者之間調整參數，所以被稱作"可變比沖"。

張福林一直致力于該項目研究，但之后的20多年里他忙于作為宇航員7次進入太空。直到2005年，他從NASA退役組建了Ad Astra火箭公司，試驗場就在他的出生地哥斯達黎加附近的航空中心。

突破性成果在2 0 0 8年到來，這就是VX-200等離子引擎測試臺，它利用氬氣作為推進劑的第一階段達到了全功率30千瓦。VX-200全方位超越了傳統(tǒng)的等離子發(fā)動機:比沖在3000~30000秒之間隨意轉換，也就是噴射等離子的速度在30~300千米/秒，能量轉換效率高達67%。張福林說:"用它飛到火星只需39天，這樣能節(jié)省大量的燃料、食物、水、空氣，宇航員也能擺脫長時間的宇宙射線輻射。"

VX-200分為三部分:在前部單元里，首先是把噴出的氣體電離生成等離子體，類似于在蒸汽機里燒開水，這是以一種螺旋波射頻天線(helicon RF antennas)來實現;中部單元充當放大器，它用電磁波的能量進一步把等離子體加熱到幾百萬度;而尾部單元的磁性噴嘴可將等離子體的能量轉化為噴氣口的速度，從而產生反向的推力。

張福林解釋說，VX-200使用了新的算法來控制和穩(wěn)定等離子體，主要是控制超導磁場。通常來說，火箭發(fā)射時噴射氣體溫度越高，比沖量就越高。為最大限度利用效能，VASIMR火箭中部單元的溫度相當于太陽中心的溫度。但是火箭發(fā)動機的噴射嘴所能承受的溫度有限。噴嘴溫度太高，用什么材料是一個問題。和核聚變裝置一樣，解決的辦法是使用磁場。在強磁場，比如超導磁體產生的磁場下，等離子體會以固定頻率旋轉。發(fā)動機的中部單元在磁場控制下讓其按自然頻率繞磁場旋轉，當溫度迅速上升之后，再從尾部單元把旋轉變成軸向運動并釋放出去。所有這些極端變化的環(huán)境都要求對磁場和電磁波精準的控制，這是新的控制算法的功勞。截止2009年5月底，VX-200真正上天的原型機已經開始了試驗，它能實現從近地軌道到月球軌道的變軌。

航天的系統(tǒng)分為化學推進和電推進兩種系統(tǒng)，中國幾乎都是使用的化學推進系統(tǒng)。但是電推進比化學推進有以下的優(yōu)點:

1、電推進不受化學推進劑可釋放化學能大小的限制。經驗表明一般化學推進劑的能量為70MJ/kg。電推進不受這些限制，它理論上可以達到任何能量。

2、電推進的比沖比化學推進的比沖高很多

由于電推進比化學推進的比沖大得多，所以它所需的推進劑將會少的多，從而增加衛(wèi)星的有效載荷，提高衛(wèi)星性能和效益。但是電推進也有它的缺點，比如它僅能應用于小推力系統(tǒng)。低推力、高比沖的性質使得電推進的主要應用為:位置保持、重定位和姿態(tài)控制。對一些在軌推進的任務，電推進有明顯的優(yōu)勢。它可以獲得比化學推進更準確的姿態(tài)和化學控制。對一些重定位的任務，重定位的速度會更快并且能量消耗也更少。

30年前，在哥斯達黎加出生，有1/4華人血統(tǒng)的張福林(Franklin R. Chang Diaz)還在麻省理工大學攻讀等離子物理學博士學位時就這么認為。到了2009年6月，作為前航天員兼物理學家，Ad Astra火箭公司創(chuàng)始人、首席設計師，張福林帶領著團隊成功測試了VASIMR的第一節(jié)引擎后，對這一觀點更加堅定。

VASIMR，全功率可變比沖的磁等離子體火箭(Variable-specific-impulse magnetoplasma rocket)，盡管離最終完善仍有距離，但已經在航天界中引起了巨大反響。

因為，當它真正誕生，登陸火星的時間將會從250天縮短為39天。

石墨烯在光作用下的運動現象，這一發(fā)現可作為新的太空動力來源,碳世紀發(fā)現了這項重大應用發(fā)現，并成功研制了該項裝置，充分展示了石墨烯材料火箭的光推動作用， 使電推動不再受化學試劑的限制。