《新知客》9月刊報道 從地球到火星，傳統(tǒng)的液體火箭需要250天。而等離子火箭能把這段旅途縮短至一個多月。一位傳奇的航天員兼物理學家正在準備將它帶上太空。

     “化學火箭是登天路上的死胡同。”

     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。

     星際旅行的必然選擇

      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，目前火箭推進器的發(fā)動機技術，根本無法實現(xiàn)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”。火箭飛往目的地，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，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(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25~32千米。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。

     離上天只差一步

     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(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(xiàn)；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(xiàn)從近地軌道到月球軌道的變軌。