VASIMR發動機——讓39天去火星成為可能(下)

作者說

導語：十年前看阿凡達，氣勢磅礴的星際飛船帶著燒紅了的翅膀，飛向潘多拉星球，繼而引發了一個外太空拆遷中的愛恨情仇……一轉眼，馬斯克的不鏽鋼飛船和猛禽發動機讓我們感受到離載人火星之旅越來越近。然而，依靠化學能的火箭發動機是不是最合適的行星際飛船動力？還是NERVA的核熱動力氫工質火箭發動機？本期我們來聊聊更有前景的可變比衝的磁等離子體（VASIMR）發動機。

本文作者：超超級Loveovergold，作者授權發表

（一）借鑑核聚變，超級可變比衝發動機

VASIMR發動機全稱是可變比衝磁等離子體發動機，由前NASA華裔太空人張福林(FranklinR.ChangDiaz，哥斯大黎加人，祖籍廣東)於1979年提出，基本原理是將等離子體溫度加熱到高達一千萬度甚至更高，借鑑核聚變技術研究的衍生技術，利用磁鏡約束場使熾熱的等離子體與附近的材料表面隔開。再加上一個合適的磁噴嘴,便可以把等離子體的能量轉變為火箭的推力，理論上估算等離子體的比衝達到3000-50000秒（出口速度達到30-500km/s），相當於最好的化學火箭的60倍。

VASIMR包括3個相連的線性磁單元，前單元控制氣體推進劑的噴射和離子化，中部的磁性單元作為一個放大器，進一步的把等離子體加熱到磁噴嘴所需要的輸入狀態，後部的磁性單元擔當了磁噴管的角色，將流體的熱能轉變為具有方向的射流，同時又保護噴嘴壁並將等離子體從磁場中有效的分離出來。在VASIMR工作的過程中，中性氣體被射入到前部的磁性單元中，並在那裡被離子化。所生成的等離子體隨後在中部磁性單元中，通過射頻和磁場的共同作用進行離子迴旋共振加熱，達到所需要的溫度和密度，這時，所有的能量幾乎都分布在徑向方向上。磁噴管將等離子體的能量轉變為射流速度和保證等離子體從磁場中有效脫離，輸出經過調整的推力，將徑向的能量轉換到軸向方向上。

基於上述思想，VASIMR由三個相連的磁級執行特定的相關功能：

第一級主要注入氣體工質，通常為氫、氘、氦、氬等，但其實各種工質在VASIMR高溫下都不得不電離，所以不挑剔推進劑。螺旋天線產生高頻無線電波加熱氣體，使其電離成為等離子體，下圖標號為1～3。在離子化階段產生的是螺旋波等離子體（HeliconPlasma）。螺旋波等離子體是一種高密度的低溫低氣壓等離子體，具有非常高的等離子體密度，而且具有穩定、易操作及自動調節等優勢。

第二級，也稱為「射頻增強器」，離子迴旋共振加熱級(ICRH)使等離子體進一步加熱，用作進一步激勵等離子體的放大器。ICRH技術已廣泛用於磁約束聚變研究，好比是一臺超級微波爐，等離子體被磁線圈產生的磁場捕獲，加熱到1000萬度。下圖標號為4～5。

第三級是磁性噴嘴，下圖標號6，把等離子體最終噴射到空間從而產生推力。

目前的高溫超導材料技術日新月異，為整個VASIMR系統提升效能鋪平了道路。

圖9.VASIMR實驗原型結構圖

VASIMR發動機特點一：不同於常規化學燃料火箭發動機，它只需要極少燃料，甚至相比較已經很高效的霍爾推進器還要更高效，使其使用更少推進劑即可執行相同的任務。

VASIMR的特點二在於可變推力！在恆定功率下可以改變推力和比衝，使得他有更大的靈活性，能有更多的機會改變飛行路線或者返回地球，這就好比是具有「加力燃燒室」的戰鬥機渦扇發動機：如果需要獲得大的推力,大部分功率將用於螺旋波等離子體源,產生更多的低速離子，不過犧牲了離子出口速度；如果需要獲得高比衝值,更多的功率將送往離子迴旋共振加熱級,等離子體的出口速度會提高，提升整體效率。

該發動機第三個特點是在整個推進過程中，等離子體被磁鏡約束在發動機內部的磁場裡面，大幅降低發動機耗損。

另外如果使用氫作為推進劑，還可以產生對宇宙射線良好的隔離作用。同時氫也是宇宙中最豐富的元素，隨著技術的不斷發展，將來可以在太空中隨時攝取氫，為VASIMR補給燃料，實現長途飛行。

張福林博士在《VASIMR Human Mission to Mars》論文中進行了測算，如果給予20萬千瓦的電能，供電設備的質量功率比（設備質量與發電功率的比值）優化到1千克/千瓦，VASIMR最快可以讓太空人在39天內到達火星，節省大量的燃料、食物、水、空氣，太空人也能擺脫長時間的宇宙射線輻射！甚至設計了一個在2033年的火星來回之旅，包含在火星36天的考察，來回僅需要150天。

圖10.VASIMR可變的推力，優化了地球-火星轉移軌道的推進劑消耗

（二）核能，必須核能

儘管VASIMR發動機在理論上可能實現太空飛行器39天抵達火星，但凡事均有兩面性，VASIMR需要電，大量的電用來加速推進劑！

是否可以用太陽能？基於當前技術，大型且可控的太陽能電池陣列可為電推進提供高達1千千瓦的功率，但過大的電池陣對太空飛行器的構型、軌道保持和姿態控制設計等產生巨大挑戰，目前國際空間站的太陽能電池也只能提供100KW的功率，而且這一結果是在地日距離下，太陽能在火星等以外區域將大幅衰減。展望未來，載人探索需要更高效和更快速的推進技術，筆者認為推進電能的提供非空間核反應堆電源莫屬。

空間核反應堆電源（spacenuclearreactorpower）是在空間任務中將核反應堆產生的熱能轉換成電能為太空飛行器供電的裝置。與太陽能電池相比較，空間核反應堆電源的根本優點在於其為自主電源，不依賴於陽光且儲能極高；適用功率範圍廣，可以覆蓋千瓦至兆瓦及以上功率輸出，質量功率比隨功率增長而降低，可以有效滿足航天任務日益增長的能源需求。隨著空間技術的發展，大功率衛星、深空探測等都需要大功率、長壽命的空間能源相匹配，空間核反應堆電源將成為這些大功率太空飛行器的優選能源。

而且祖布林在《趕往火星》一書裡面提出了原位利用的概念，19世紀的法國化學家保羅·薩巴蒂爾(PaulSabatier)在1912年發現了使用二氧化碳生成甲烷的反應，在高溫（300-400℃）和一定壓力下，在催化劑（如：鎳，釕或氧化鋁）的協助下，CO2+4H2-->CH4+2H2O，這個反應又稱薩巴蒂爾反應或甲烷化反應。火星大氣層的主要成分是二氧化碳，根據之前NASA在火星發現水的證據，利用太陽能或者核能電解水產生氫（氧可以提供太空人呼吸），與二氧化碳反映就可以生成甲烷用於返回低火星軌道的推進劑。因此完成飛行任務的空間堆送到火星地表的可以發揮餘熱，一物兩用，較太陽能能夠更穩定的提供電能滿足各種任務需要。

美俄已成功將0.5～5kWe的核反應堆電源送入了太空，目前正在研發千瓦至兆瓦、壽命超過10年的新型空間核反應堆電源。不過要指出的是，空間堆發電，無論是使用溫差熱電偶轉換、直接熱電轉換的熱離子堆，還是閉式布雷頓循環的高溫氣冷堆和斯特林循環等方式，都存在轉換效能問題，目前轉換效率在23%～35%左右，未來可能超過40%，但效能問題必然牽涉到空間散熱問題。太空是高真空環境，沒有對流，散熱系統只能以熱輻射的方式向深空進行熱傳遞。因此，散熱系統一方面需通過換熱器將熱量從核反應堆的循環系統中帶走，另一方面需將熱量傳輸擴展到大型輻射器上進行排散。隨著核反應堆功率的增加，需要體積巨大且笨重的熱管輻射散熱器。據估算，散熱系統的質量將達到反應堆質量的1～2倍之多，這需要更多給力的運載火箭運送到低地球軌道。下圖為國外藝術家NickStevens設計的HOPE（希望號）行星際飛船，空間核反應堆給VASIMR供電，頭部是核反應堆和屏蔽罩，巨大的熱管輻射散熱器面積達到3330平米，中間的支撐衍架走的電力電纜和冷卻劑管路，尾部是推進劑艙和乘員艙。

圖11.國外藝術家NickStevens設計的行星際飛船，空間核反應堆給VASIMR供電

四、VASIMR發展現狀

張福林在2005年創辦了阿德斯特拉火箭公司（AdAstra Rocket Company），在NASA的支持下研發VASIMR發動機，從10kW的VX-10樣機起步到功率為30kW的VX-30樣機研製的進展，讓美國宇航局認識到VASIMR能夠比現代化學動力火箭更快地前往火星。在2015年NASA授予其為期三年、價值900萬美元合同，要求該發動機能在100千瓦下持續點火10秒或在50千瓦下持續點火1分鐘，在2018年年中使發動機在100千瓦功率水平下持續點火100小時。目前最新的消息是在2017年底，該公司成功地積累了100小時的非連續大功率測試，氬氣工質被加熱到超過200萬度。

圖12.VASIMR在真空模擬環境噴射出高速等離子體，測試功率100kW

2018年5月25日加拿大航天局宣布為該公司提供了150萬美元的資金，支持VX-200SSTM發動機2018年四季度進行的100小時連續高功率點火測試。目前並沒有消息更新。

筆者認為VASIMR目前面臨的難題不僅僅是耐久性，未來在提高推力和效率上還有很多工作可以做，但VASIMR的研製方向無疑是正確的。

結尾從電影《阿凡達》展望未來。今年是電影《阿凡達》上映10周年紀念，都說這部片子的導演詹姆斯 卡梅隆嚴謹，對電影的技術細節要求極為苛刻，聊聊這部科幻片在星際旅行中的一些前衛設想。

故事發生在潘多拉星球，一顆巨大的氣體行星的「月球」，處在離地球最近的恆星——半人馬座阿爾法星。不過距離也達到4.4光年。詹姆斯 卡梅隆設想使用0.75倍光速的驚人速度奔向潘多拉星，靠的是開篇巨大的ISV（Inter Stellar Vehicle）VentureStar星際飛船，這艘飛船的推進系統有很多暗黑高科技！

圖13.ISV（InterStellarVehicle）VentureStar星際飛船

反物質引擎，ISV採用最極端的科技之一就是使用反物質引擎。反物質就是正常物質的鏡像，正常原子由帶正電荷的原子核構成，核外則是帶負電荷的電子。但是，反物質的構成卻完全相反，它們擁有帶正電荷的電子和帶負電荷的原子核。

反物質聽上去很玄乎，但其實就在我們生活中！大家經常聽到PET-CT，腫瘤病人常常使用的診斷方式，其實就是採用了電子的反物質——正電子核素為示蹤劑，通過追蹤湮滅產生的γ光子，快速獲得從分子水平動態觀察到代謝物或藥物在人體內的生理生化變化，研究人體生理、生化、化學遞質、受體乃至基因改變。

當正反物質相遇時，雙方就會相互湮滅抵消，它們會轉化為純能量，正如阿爾伯特 愛因斯坦著名的等式所預測的那樣：E=mc^2。僅僅需要10毫克的反物質就可以在45天內將人類送到火星。但是，批量反物質是用粒子加速器製造的，即使產生極少量的反物質，也要花費大約巨大的資金。2000年9月18日，歐洲核子研究中心宣布他們已經成功製造出約5萬個低能狀態的反氫原子，這是人類首次在實驗室條件下製造出大批量的反物質。不過反物質保存難。

ISVVentureStar有兩臺反物質發動機，工質是氫和反氫，反氫燃料被磁場高密度約束在真空環境，冷卻到接近絕對零的溫度；液氫則被貯存在巨大的球型貯箱中。當引擎啟動時，反氫和氫湮滅釋放出大量的能量，一部分加熱氫工質電離，另外一部分轉化為電能產生超強磁場加速、引導等離子體高速排出，這是比焊接電弧亮一百萬倍的白熱狀態等離子體，長度超過三十公裡。

這其實就是VASIMR發動機的技術概念！

那麼您也可以分析出，題圖這對燒紅的翅膀，就是大量熱能轉換為電能過程中由於轉換效率問題而必須的空間熱管輻射散熱器，按照劇情，飛船到達潘多拉星球前的大腳減速「剎車」，主推進裝置關閉後，由於功率實在太大，空間熱管輻射散熱器會繼續發光幾周！

圖14.ISVVentureStar星際飛船「燒紅的翅膀」，依稀可見通紅的熱管

怎麼樣，藝術源於生活，高於生活……

——全文完——

我，一個孤獨的行者（ 新浪微博ID：超超級Loveovergold），原創不易，原文刊登在《航天員》雜誌2019年第2期，這篇文章不用打賞，請大家多多支持《航天員》雜誌！