等離子發(fā)動機必然選擇

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(xiàn)實中，火箭推進(jìn)器的發(fā)動機技術(shù)，根本無法實現(xiàn)這一點。

相對于裸露在外的推進(jìn)劑儲箱，化學(xué)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(jìn)器馬上被當(dāng)成垃圾扔掉?；瘜W(xué)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(jìn)劑。一旦發(fā)動機點火，它可以在2分34秒內(nèi)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?qū)?7噸的有效載荷送上月球。在全部能夠產(chǎn)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(jìn)效率的低下。這就是為什么要將一個質(zhì)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(jìn)器"采取了一種和化學(xué)火箭完全不同的設(shè)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(qū)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(nèi)提供的推力相對較少，然后一旦進(jìn)入太空，它們就會像有順風(fēng)助陣的帆船，逐漸加速飛行，直至速度超過化學(xué)火箭。"張福林說。

實際上，迄今已有多個太空探測任務(wù)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(jìn)技術(shù)把未來的探測器送入繞水星運行的軌道。

這些已經(jīng)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(dá)到預(yù)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(dāng)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(xiàn)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(xué)火箭遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(chǎn)生0.09牛頓的推力，比沖量相當(dāng)于液體火箭的10倍。每天消耗100克氙推進(jìn)劑，在發(fā)動機全速運轉(zhuǎn)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)也非常看好VASIMR，NASA向Ad Astra 火箭公司提供經(jīng)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(jìn)行點火測試。

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

1、電推進(jìn)不受化學(xué)推進(jìn)劑可釋放化學(xué)能大小的限制。經(jīng)驗表明一般化學(xué)推進(jìn)劑的能量為70MJ/kg。電推進(jìn)不受這些限制，它理論上可以達(dá)到任何能量。

2、電推進(jìn)的比沖比化學(xué)推進(jìn)的比沖高很多

由于電推進(jìn)比化學(xué)推進(jìn)的比沖大得多，所以它所需的推進(jìn)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(jìn)也有它的缺點，比如它僅能應(yīng)用于小推力系統(tǒng)。低推力、高比沖的性質(zhì)使得電推進(jìn)的主要應(yīng)用為:位置保持、重定位和姿態(tài)控制。對一些在軌推進(jìn)的任務(wù)，電推進(jìn)有明顯的優(yōu)勢。它可以獲得比化學(xué)推進(jìn)更準(zhǔn)確的姿態(tài)和化學(xué)控制。對一些重定位的任務(wù)，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(dá)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(xué)攻讀等離子物理學(xué)博士學(xué)位時就這么認(rèn)為。到了2009年6月，作為前航天員兼物理學(xué)家，Ad Astra火箭公司創(chuàng)始人、首席設(shè)計師，張福林帶領(lǐng)著團(tuán)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(jīng)在航天界中引起了巨大反響。

因為，當(dāng)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(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)可作為新的太空動力來源,碳世紀(jì)發(fā)現(xiàn)了這項重大應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，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(xué)試劑的限制。

建造VASIMR就是張福林在20世紀(jì)70年代提出的主意。它能同時具有化學(xué)火箭發(fā)動機和離子發(fā)動機的能力。傳統(tǒng)化學(xué)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(zhuǎn)換，在這兩者之間調(diào)整參數(shù)，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(jìn)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(dá)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(jìn)劑的第一階段達(dá)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(zhuǎn)換，也就是噴射等離子的速度在30~300千米/秒，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)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(xiàn);中部單元充當(dāng)放大器，它用電磁波的能量進(jìn)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(zhuǎn)化為噴氣口的速度，從而產(chǎn)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(dǎo)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(dāng)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(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場下，等離子體會以固定頻率旋轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)，當(dāng)溫度迅速上升之后，再從尾部單元把旋轉(zhuǎn)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(zhǔn)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(jīng)開始了試驗，它能實現(xiàn)從近地軌道到月球軌道的變軌。