好奇是人類(lèi)天性。地球容不下的不止馬斯克，還有各位航天發(fā)燒友。

　　他們中的一些成了火箭科學(xué)家、工程師，心心念念，致力于制造出一枚枚高推力火箭，將人類(lèi)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(cháng)征九號”重型火箭，則可以將37噸載荷輕松送至火星(中國，正在研制中)。

　　目前世界各國使用的這些運載火箭都是化學(xué)火箭，靠燃燒液態(tài)或固態(tài)燃料釋放巨大能量，排出高溫高速氣體，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(guò)重影響發(fā)射怎么辦?長(cháng)時(shí)間太空旅行過(guò)程中，燃料供應不足又該如何解決?

　　一位來(lái)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(dòng)，以氣態(tài)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(cháng)征九號”火箭(最右)起飛質(zhì)量超過(guò)4000噸，運力和美國“土星五號”火箭大致相當，超過(guò)正在研制的美國下一代運載火箭(SLS)，完全可以滿(mǎn)足未來(lái)載人月球探測、火星取樣返回、太陽(yáng)系行星探測等任務(wù)。|Spacenews

　　飛出地球，以氣體為“燃料”

　　在科幻小說(shuō)中，飛行器似乎能為星際旅行提供全程動(dòng)力?？涩F實(shí)中使用的化學(xué)火箭需要消耗煤油、酒精等化學(xué)燃料，它們胃口很大，效率卻并不高，大部分燃料都被用來(lái)擺脫地球引力，根本無(wú)法實(shí)現隨心所欲的星際旅行。

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

　　這里先介紹一個(gè)何為等離子體。當物質(zhì)被加熱到足夠高溫時(shí)，其中的原子會(huì )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(gè)宇宙中，幾乎99.9%以上的物質(zhì)(如恒星、行星際空間物質(zhì))都以等離子態(tài)存在。因此，它也被稱(chēng)為在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)之外的“物質(zhì)的第四態(tài)”。

　　用人工方法，如核聚變、核裂變、輝光放電等過(guò)程，都可產(chǎn)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

　　相比于化學(xué)火箭燃料重量大，火箭發(fā)射過(guò)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(dòng)力，一旦進(jìn)入太空，就會(huì )像順風(fēng)的帆船，逐漸加速飛行，最終把傳統的化學(xué)火箭遠遠拋在身后，在太空中完成各種航天探索任務(wù)。

　　等離子體火箭的發(fā)動(dòng)機以氬氣作為等離子體來(lái)源。氬氣是一種惰性氣體，不易與其他元素發(fā)生化學(xué)反應，經(jīng)常在焊接金屬時(shí)做保護氣體，很適合做等離子體。

　　其工作原理是：火箭發(fā)動(dòng)機先電離氬氣，將其轉化為低溫等離子體(其實(shí)也有5000℃以上)。隨后利用磁鐵使電離氣體加熱、加速，溫度達到上百萬(wàn)攝氏度。再用磁場(chǎng)控制高溫等離子體，使其加速排出火箭尾部，形成巨大推力，助力火箭沖出地球。

　　
 

　　等離子體火箭發(fā)動(dòng)機工作原理圖。|來(lái)自網(wǎng)絡(luò )

　　經(jīng)推算，安裝上等離子體火箭，太空飛船的速度可達每小時(shí)約19.8萬(wàn)公里。相比于傳統火箭用250天時(shí)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，宇航員也能擺脫長(cháng)時(shí)間的宇宙射線(xiàn)輻射。

　　那么，等離子體火箭到底是如何獲得這么高的推進(jìn)效率呢?這與等離子體被加速的機制有關(guān)。

　　神奇的磁重聯(lián)機制，從磁場(chǎng)中要能量

　　等離子體火箭在發(fā)動(dòng)機工作的全過(guò)程中，主要利用磁重聯(lián)機制加速、加熱等離子體束流。

　　什么是磁重聯(lián)呢?其實(shí)，磁重聯(lián)是太陽(yáng)上一個(gè)非常重要的快速釋放磁能的過(guò)程，太陽(yáng)爆發(fā)事件幾乎都和磁重聯(lián)有關(guān)，例如耀斑、日冕物質(zhì)拋射、噴流等。而且不僅是太陽(yáng)上，在地球大氣層和托卡馬克核聚變反應堆內也能看到磁重聯(lián)現象。

　　在磁重聯(lián)過(guò)程中，多組方向相反的磁力線(xiàn)相互靠近，并重新連接形成新磁力線(xiàn)。等離子體火箭利用磁場(chǎng)變化帶動(dòng)磁力線(xiàn)連接和斷開(kāi)，將磁能轉化為等離子體的動(dòng)能、熱能和粒子加速度。

　　
 

　　磁重聯(lián)過(guò)程中，磁力線(xiàn)斷開(kāi)并重新連接。|維基百科

　　但磁重聯(lián)過(guò)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。這么大的電能從哪里來(lái)?選擇何種供電方式才能滿(mǎn)足需求呢?

　　巨大電能從哪兒來(lái)?核能?太陽(yáng)?

　　1)核反應堆供電

　　目前認為，最好的動(dòng)力來(lái)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(gè)核電火箭發(fā)動(dòng)機。用核裂變反應堆為等離子體火箭提供電力，能輕松將人們帶到火星。

　　就目前情況而言，等離子發(fā)動(dòng)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(guò)到了近地軌道，等離子發(fā)動(dòng)機的優(yōu)勢就能顯現：如果能夠將動(dòng)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(tīng)起來(lái)輕如羽毛，但在太空中，0.45千克的推力可以驅動(dòng)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(yáng)能電池板供電

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

　　研究發(fā)現，大型且可控的太陽(yáng)能電池陣列可以提供高達1千千瓦的功率。但過(guò)大的電池陣對航天器的構型、軌道保持和姿態(tài)控制設計等會(huì )帶來(lái)巨大挑戰。

　　目前國際空間站的太陽(yáng)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(yáng)能在火星以外的區域將大幅衰減。

　　另外，很多科學(xué)家也在研究太陽(yáng)能供電的宇宙飛船——太陽(yáng)帆，期待未來(lái)有一天能使用太陽(yáng)帆探索太空。

　　
 

　　提供上百千瓦電力的國際空間站。|來(lái)自網(wǎng)絡(luò )

　　與太陽(yáng)能電池相比，空間核反應堆電源的優(yōu)點(diǎn)在于它是自主電源，不依賴(lài)陽(yáng)光，且儲能極高;適用功率范圍廣，可以覆蓋千瓦甚至兆瓦以上功率輸出。缺點(diǎn)則是，從安全和技術(shù)角度考慮，核反應堆供電的技術(shù)要求很高，工程成本相對較大，工期長(cháng)。

　　目前核電可以有效滿(mǎn)足航天任務(wù)日益增長(cháng)的能源需求。隨著(zhù)空間技術(shù)的發(fā)展，大功率衛星、深空探測等都需要大功率長(cháng)久耐用的供電方式。相比之下，太陽(yáng)能電池供電還有很長(cháng)的路要走。

　　
 

　　太空中的等離子體火箭。|Ad Astra Rocket Company

　　記得小時(shí)候，乘坐普速火車(chē)從北京去上海需要數十個(gè)小時(shí)，現在具有更高性能的高鐵僅用4個(gè)多小時(shí)就可以。

　　同理，擺脫傳統能源依賴(lài)，改為靠電能推動(dòng)的“電火箭”，不僅推動(dòng)自己更快地奔向火星，還推動(dòng)了世界航天科技的發(fā)展。

　　相信我們終有一天會(huì )克服技術(shù)瓶頸，研發(fā)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。