富蘭克林·拉蒙·張-迪亞茲（Franklin Chang-Díaz）

在油罐車大小的銀色真空室前，富蘭克林·拉蒙·張-迪亞茲（Franklin Chang-Díaz；中文名張福林，他有著四分之一的華人血統(tǒng)）沿著梯子爬到舷窗前。只見一道藍紫色的光輝映照出來，毫無閃爍，仿佛凝固了一般，宛如一支特大號的手電筒。

“看著有點無聊，”張福林坦言，“但你要知道，里面那道尾焰的溫度有350萬度。誰要是把手伸進去，結(jié)果就不太妙了?！?/span>

說實話，這道尾焰看上去并無特殊之處。但噴射它的發(fā)動機卻是革命性的。

原因有二：其一，跟傳統(tǒng)火箭發(fā)動機不同，它只需要消耗很少的燃料；其二，有朝一日，在這種發(fā)動機的推動下，太空飛船有望達到足夠快的速度，載著人類盡情探索太陽系。

從一開始，這就是“可變比沖磁等離子體火箭”（VASIMR）想要達成的目標(biāo)。而且它在理論上的可行性從來都不是問題：產(chǎn)生并激發(fā)等離子體，然后讓它們從噴嘴中高速噴出，進而產(chǎn)生推力。不過，實際構(gòu)建起來，它又面臨工程學(xué)上的種種挑戰(zhàn)，比如管理等離子體及其熱性能，使之長時間運轉(zhuǎn)?？朔@些困難并不簡單，所以它的實用性受到很大質(zhì)疑。

張福林生平簡介

但即便是唱衰者也承認(rèn)，張福林本人非常優(yōu)秀——工作刻苦、頭腦聰明。1969年，他從哥斯達黎加移民美國，以完成高中學(xué)業(yè)。后來他從麻省理工學(xué)院（MIT）獲得等離子物理學(xué)博士學(xué)位。再后來，他作為宇航員，執(zhí)行過七次航天飛機飛行任務(wù)，與另一位宇航員杰里·羅斯（Jerry Ross）并列成為紀(jì)錄保持者。

從他當(dāng)上宇航員那一天起，張福林就懷有一個夢想，就是要把自己的學(xué)術(shù)專長和宇航員生涯結(jié)合起來。

所以，他很早就通過互聯(lián)網(wǎng)，調(diào)用他在波士頓等離子物理實驗室的數(shù)據(jù)，結(jié)合宇航工作進行研究。慢慢地，他發(fā)展出等離子火箭理論，并開始構(gòu)建原型。從始至終，都有人都悄悄議論說，這根本不可能做到。

只不過現(xiàn)在，不可能變成了可能。2015年，美國宇航局（NASA）將一份900萬美元的三年期合約，授予了張福林的公司Ad Astra，作為下一代“太空推進系統(tǒng)”開發(fā)項目的一部分。這是一個天賜良機，一個證明給懷疑者看的機會。當(dāng)然，這不是件容易的事。明年，Ad Astra的等離子火箭必須以100千瓦的輸出功率，持續(xù)運轉(zhuǎn)100個小時。

到今年2月，該公司已經(jīng)完成合同進度的大約一半。合約期第一年，NASA給予該公司高度好評。不過，路漫漫其修遠。最近記者前去采訪時，VASIMR發(fā)動機還只能以100千瓦的輸出功率，持續(xù)運行10秒；或以50千瓦持續(xù)運行1分鐘。

在2002年的一場太空任務(wù)中，張福林出艙，執(zhí)行國際空間站構(gòu)建任務(wù)。

該發(fā)動機以惰性氣體氬氣作為等離子原料，分成兩級。第一級火箭將氬氣離子化，獲得低溫等離子體，并將其注入第二級火箭，也就是真正的推進器，完成“離子回旋共振加熱”過程。簡而言之，就是推進器用無線電頻率激發(fā)等離子，使它們發(fā)生振蕩。

離子振動并吸收能量，繼而螺旋向上，形成過熱等離子體流。這股熱流繼而穿過一個開瓶器形狀的噴嘴，加速噴出火箭尾部，產(chǎn)生推力。

相對于大多數(shù)現(xiàn)有的推進技術(shù)，這種設(shè)計提供了幾個關(guān)鍵優(yōu)勢。最值得一提是，不像化學(xué)燃料火箭，等離子體火箭是用電的。因此，它飛越太空時，不需要巨大的燃料罐，或是液氫液氧，只要一些太陽能電池板即可。

VASIMR發(fā)動機的工作原理

產(chǎn)生等離子體，以及在助推器中激發(fā)等離子體，這兩個過程均由太陽提供動力，而且可以相互調(diào)節(jié)。當(dāng)飛船需要推進時，太陽能主要被用于產(chǎn)生等離子體。

這個過程會消耗更多的推進劑，但能提供更大的推力，幫助飛船應(yīng)對特殊情況，如脫離地球軌道等引力井。之后，當(dāng)飛船進入巡航狀態(tài)時，太陽能主要供推進器使用，從而提供更強的比沖，以及更高效的燃料利用。

“這就好比汽車換檔，”張福林解釋說?！鞍l(fā)動機并沒有變。但爬坡時，發(fā)動機的動力要盡量增加扭矩而非轉(zhuǎn)速，慢是慢點，但能爬上去。當(dāng)你行駛在筆直平坦的高速路上時，你就得掛高檔了。一直掛著最低檔是去不了火星的?；瘜W(xué)燃料發(fā)動機之所以沒法帶我們?nèi)セ鹦?，就是這個道理。”

VASIMR的設(shè)計還有一個好處：從始至終，等離子體都在發(fā)動機內(nèi)，被磁場所束縛。在實際操作中，這能大大降低發(fā)動機磨損——如果有朝一日，我們要載著人類環(huán)游太陽系，它就大有用武之地了。

對太陽能推進的概念，我們并不陌生。早在50年前，美國和蘇聯(lián)就啟動了霍爾效應(yīng)推進器的理論研究。蘇聯(lián)還率先進入了工作模型的開發(fā)。他們用電力將推進劑（通常是氙氣）離子化，繼而使之加速并噴射出去，從而推動飛船前進。

NASA的不少無人探測器都采用了霍爾推進器，最值得一提的當(dāng)屬黎明號（Dawn）飛船。它曾探索小行星帶中的灶神星（Vesta）和谷神星（Ceres）。它安裝了三臺霍爾推進器，單臺輸出功率為10千瓦，動力來自飛船上的太陽能電池板，只能提供90微牛頓的推力，在化學(xué)能發(fā)動機面前（推力可達500牛頓）面前，只能算是小巫見大巫。不過，化學(xué)能發(fā)動機要消耗巨量燃料，而霍爾推進器胃口極小，而且能不間斷地運轉(zhuǎn)。

太陽能電力推進的潛在優(yōu)勢，就是發(fā)動機體積大幅縮小，燃料需求大幅降低，初始速度雖慢，但可以慢慢積累，最后與傳統(tǒng)火箭的速度不相上下。就霍爾推進器而言，單臺推進器可以提供的動力存在上限，這就限制了飛船可以達到的最高速度，因此運載能力很有限，無法達到載人要求。

在NASA位于克里夫蘭的格蘭研究中心，一臺輸出功率13千瓦的霍爾推進器原型在接受測試。

張福林的VASIMR發(fā)動機優(yōu)點眾多，其中還包括這么一項：單位燃料產(chǎn)生的沖力能提高一倍，也就是說，和霍爾推進器相比，VASIMR達到同等性能所需的推進劑要少得多。

只是存在一個問題：這種新技術(shù)從未試飛過，而且，由于NASA為開發(fā)霍爾推進器下了血本，一旦等離子體火箭取得成功，原來圍繞霍爾推進器建立的人才群體就會分崩離析。2015年，NASA雖只授予Ad Astra一筆很小的經(jīng)費，但意義卻十分重大，其原因就在這里。

“NASA在霍爾推進器身上投了很多錢。”張福林說。“我們是后來者。但如今，他們也開始關(guān)注我們。他們發(fā)現(xiàn)，我們的火箭可以實現(xiàn)強大的性能，具有極大的提升空間。從外部打入NASA，一路下來，還是挺難的。你所顛覆的不是別的，正是現(xiàn)有格局，也就是說，你搶走了其他項目的經(jīng)費。”

1986年美國宇航局STS-61C飛行任務(wù)的成員組合影。前排左二的黑人宇航員是查爾斯·波爾登，后來當(dāng)上美國宇航局局長；照片右數(shù)第一正是張福林。

NASA終于決定在張福林身上賭一把。為什么？有一種解釋是，NASA局長查爾斯·波爾登（Charles Bolden）早年也是一名宇航員，和張福林一起執(zhí)行了1986年和1994年的兩太空飛行任務(wù)，所以他想幫朋友一把。

但也有認(rèn)真正相信Ad Astra能做出一番事業(yè)。其中就包括NASA先進勘探系統(tǒng)（Advanced Exploration Systems）主任杰森·克魯森（Jason Crusan），正是它他直接管理著Ad Astra拿到的那份合同。

除了這份合同，NASA還向Aerojet Rocketdyne公司提供了數(shù)目相近的經(jīng)費，用于研發(fā)嵌套型霍爾推進器；另有一筆數(shù)目更少的經(jīng)費給了MSNW，用于開發(fā)另一類型的電力推進發(fā)動機。所有這些項目都有一個相同的終極目標(biāo)，就是創(chuàng)造一種輸出功率300千瓦的電力推進發(fā)動機。

克魯森說，NASA想要普及電力推進技術(shù)，從而實現(xiàn)火星旅行。這可能意味著需要把化學(xué)能火箭和電力發(fā)動機結(jié)合起來。這些實驗?zāi)懿荒艹?，目前還無法判斷，但NASA只想通過一小筆投資，趕在規(guī)劃人類火星移民之前，及時找到答案。

“從根本上講，我相信在這個領(lǐng)域，政府投資不可或缺，”克魯森說，“這些技術(shù)也許沒有一個能成功。但它們總有有利的一面。”

一旦實現(xiàn)強大的電力推進，并在實踐中加以驗證，我們就能降低人類登陸火星的成本。在化學(xué)能火箭發(fā)動機和太空推進方面，NASA已經(jīng)擁有充分的經(jīng)驗，但對火星之旅這類任務(wù)，需要進行多次發(fā)射，才能湊夠一路上所需的燃料。相比之下，電力發(fā)動機能大幅節(jié)省燃料，從而節(jié)省空間和時間。

為確定電力推進的可行性，NASA設(shè)定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，要求2018年年中以前，要能持續(xù)運轉(zhuǎn)100個小時，將輸出功率維持在100千瓦?！斑@是硬指標(biāo)，你要么做得到，要么做不到，”克魯森說，“不是能蒙混過關(guān)的?！?/span>

十年前離開NASA時，張福林來到距約翰遜太空中心幾英里的克利爾雷克（Clear Lake），在一個類似倉庫的建筑里成立了自己的公司。這是一幢普通得不能再普通的建筑，被一群商鋪包圍。后來有了NASA的經(jīng)費，Ad Astra才得以改進設(shè)施。

這些經(jīng)費被用來改進真空室，既要轉(zhuǎn)移發(fā)動機釋放的熱量，還要維持內(nèi)部的真空狀態(tài)——當(dāng)發(fā)動機釋放著350萬度高溫的等離子體時，這可不容易辦到。Ad Astra還構(gòu)建了一臺新的發(fā)動機原型，工程師們相信，這個原型就能滿足持續(xù)運行100小時的要求。

到目前為止，該公司及時達成了NASA設(shè)立的所有項目節(jié)點。它已經(jīng)測試過最新的等離子體發(fā)生器，新推進器也完成了短程試車。張福林說，在應(yīng)對等離子體產(chǎn)生的熱量方面，最新的改良設(shè)計運轉(zhuǎn)良好。100小時的測試固然令人生畏，不過張福林很樂觀。

已經(jīng)66歲的他，依然有著敏銳的頭腦和健壯的體格，仿佛只要NASA一聲令下，隨時都可以重返太空。畢生的工作將他帶上了這座懸崖，現(xiàn)在，他做好了縱身一躍的準(zhǔn)備。

這些年來，維持這家公司的運轉(zhuǎn)著實不易，Ad Astra通過私募方式共籌集到3000萬美元。如今，NASA又想開發(fā)300千瓦的發(fā)動機，這個目標(biāo)與As Astra的短期商業(yè)計劃不謀而合。按照該公司的計劃，最初版本的VASIMR發(fā)動機將作為“太空貨車”的基礎(chǔ)，參與地球附近的貨物運輸?！霸谖覀兊耐顿Y人看來，VASIMR發(fā)動機可以在地球、月球和地月之間運輸貨物?！睆埜Ａ终f?！翱梢哉f，它是臺‘很省油的柴油發(fā)動機’。”

在這方面，化學(xué)能發(fā)動機也不示弱。有著波音和洛克希德馬丁兩家軍工巨頭撐腰的聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（United Launch Alliance），也在開發(fā)一種可重復(fù)使用的末級火箭發(fā)動機，名為ACES。傳統(tǒng)的末級火箭發(fā)動機在執(zhí)行任務(wù)時很快就會耗盡燃料，然后像垃圾一樣被拋掉。但ACES不同，它可以重新“加油”。也就是說，這種發(fā)動機將有效載荷送到月球后，還可以返回地球軌道，加滿燃料，再次啟程。

不過Ad Astra表示，相對于ACES，它有一個關(guān)鍵優(yōu)勢：燃料經(jīng)濟性。

為解釋化學(xué)能發(fā)動機和VASIMR的區(qū)別，張福林將飛船比作了一艘小木舟?！霸囅肽阍诤醒?，手里頭沒有漿，”他說，“卻有一堆保齡球。每扔出一個，你就移動一點?！?/span>

“你可以用這種方法讓船移動，但船上得裝很多保齡球才行。如果你有一桿大威力步槍，你就可以發(fā)射子彈，達到同樣的效果。相對保齡球而言，子彈很小，而且數(shù)量不用很多。這就是簡單的作用力和反作用力的原理。作為火箭工程師，你可以選擇如何推進：要么低速射出大量材料，要么高速射出少量材料?！?/span>

就拿最好的化學(xué)火箭發(fā)動機來說，其噴射速度約為每秒5公里。如果將噴射速度提高到原來的十倍，那么理論上就可以把燃料消耗減到十分之一。

人們懷疑Ad Astra也是情有可原。到目前為止，與其等離子體發(fā)動機有關(guān)的報道，幾乎無不圍繞著“39天抵達火星”這個概念做文章，難免令人浮想聯(lián)翩。雖然從理論上講，只要有一臺體型更大、性能更強的VASIMR發(fā)動機，39天抵達火星并非不可實現(xiàn)，但有一點要注意：要在這么短時間內(nèi)抵達火星，就需要配備核反應(yīng)堆才能提供足夠的動力。

但由于核能問題的政治敏感性，NASA的開發(fā)始終邁不開步伐，雖然有過一些努力，比如普羅米修斯計劃，但都是半途而廢。

基于當(dāng)前的技術(shù)水平，據(jù)張福林估計，如果配合龐大、可控的太陽能陣列，VASIMR發(fā)動機的輸出功率也許最高可達1兆瓦。不過，這還是就地球附近而言。在去往火星的途中，太陽能的強度有減無增。所以，太陽能似乎很適合內(nèi)太陽系范圍內(nèi)的飛行，但對火星及外太陽系的飛行，就有點力不從心了。

使用傳統(tǒng)火箭發(fā)動機，即便可搭載的化學(xué)燃料不受限制，將人類送上火星還是需要幾個月的時間，這樣就得準(zhǔn)備更多的食物，人員所受的輻射劑量也會大幅增加。要是去比火星更遠的目的地，那就更不現(xiàn)實了。

展望未來，張福林認(rèn)為，人類真要對太陽系展開探索，就少不了更高效、更快速的推進體系。他認(rèn)為，幾乎可以肯定，這種能源就是核能。發(fā)動機要能駕馭核能，并將其轉(zhuǎn)化為推進力——這是他所下的賭注。

“最終，當(dāng)核能成熟時，當(dāng)時太空核反應(yīng)堆完工時，我們的發(fā)動機已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，”張福林說，“這樣，我們就有了一枚整裝待發(fā)的核能火箭?！?/span>

有朝一日，也許的確如此。不過眼下NASA的心愿很簡單：一枚太陽能驅(qū)動的小型火箭，可以持續(xù)發(fā)動，而且不會過熱。畢竟，在去火星的途中，要是發(fā)動機突然熔化了，情況就不太妙了。

翻譯：雁行