互动科普

VASIMR火箭

Frank

以前有两种的火箭，一种功率大，燃烧消耗大；另一种节省燃料，但功率也低。现在我们有了兼具两者优点的第三种火箭。

我们童年都渴望星际旅行，有幸地是过去五十年目睹了第一批运载人类飞出地球的飞船的发展，过去二十年，亲身乘坐部分火箭，见种种奇观。

但我们仍然缺乏深入太空冒险所需的飞船，燃料有限，不安全，能力有限，人员飞往火星的身体和精神也都将遭到磨难，外层空间在不断地摧毁他们的免疫系统，危害其骨骼和肌肉。

为安全起见，人类的行星际飞船必须加速、可靠，而且能够在一旦出现故障的时候，飞船的系统须能应付航程巡航阶段的需要，还能在接近出发卫星和目标形象的阶段做机动飞行。火箭可能仍然从地面进入轨道的优良的交通工具，但把人类送到行星乃至最终送往恒星就需要新技术了。

等离子体火箭就是这样一种技术利用电场和磁场加速离子化气体，等离子体火箭能够使火箭性能跨上一个新台阶，远远超出化学火箭的限制。自20世纪80年代初以来，我的研究小组一直在研究等离子体火箭的一种方案，即所谓“可变比冲量磁等离子体火箭”(vAsiMRJ)，这种火箭的起源可追溯到20世纪70年代后期，当时我参与了磁管道及其在可控核聚变中的应用的研究工作。在磁管道中，磁场使炽热的等离子体与其附近的材料表面隔开，这样等离子体就能够达到几亿度的高温。

我作了这样的推论：一个形状合适的管道可以构成一种磁喷嘴，把等离子体的能量转变为火箭的推力这种结构的功能类似于常规的火箭喷嘴，但它能经受高得多的温度。进一步的研究表明，该系统还能产生可变的排气，使排气情况能根据飞行条件进行必要的调整，就像汽车的传动装置能够使发动机的功率适应道路的要求一样。虽然火箭技术的先驱者们已经提出变排气的设想，但是要想任喷嘴同定的化学火箭上实现这一设想已经证明是不切实际的。而利用VASIMR技术，这设想终于即将变成现实。

牛顿的火箭

火箭推进的原理来自牛顿的作用力与反作用力定律，火箭向着与其运动方向相反的方向排出物质，从而推动它自身前进。排出的物质通常是经过化学反应加热的气体，但其一般原理同样适用于简单的花园喷水器的运动。

火箭推力等于排气速度(相对下飞船的速度)与推进剂流量之积，以牛顿为单位。显然，以较低的速度喷出更多的物质或者是以较高的速度喷出较少的物质，能够获得相同的推力后一种方法可以节省燃料，但通常需要较高的排气温度。

为了衡量火箭的性能，工程师们采用比冲量{Isp)这个术语。它等于排气速度除以海平面上的重力加速度(98米／秒)推力正比于Isp,但产生推力所需的功率却正比于lsp的平方。此推力不变时，所需功率的增加Isp成线性关系。在化学火箭中，这一功率来源于燃料与氧化剂的放热。放在其它类的火箭中，这功率必须通过推进剂加热器或加速器传给排气这种系统，依靠放和船上其它地方的功率，现在普遍使用的太阳能电池板，但是载入空间飞行需要较多的动力，此使用核反应堆更合适。在飞往火星以外的行星时尤其如此，因为在火星以外的空间中太阳光相当微弱。

为了提高燃料效率（从而提高Isp），我的研究小组不依靠化学反应，而是开始探索等离体物理学这一领域。因为化学反应所产生的温度只有几千度，而等离子体的温度却高得足以使原子失去部分甚至全部的电子。开始时等离体的温度为l度左右。但现今实验室的等离子体温度可高达l千万度。等离子体是由带正电的离子和带负电的电子组成的带电粒子场。在这样的离温下，离子——它占类等离子体质量的大头——的运动速度达到每秒30万米，相当于最好的化学火箭中粒子运动速度的60倍。

通常发动机的输出功率都有意保持最大值，因为推力和Isp成反比关系。提高推力必定会使Isp减小，反之亦然。因此，对于同一种推进剂，Isp值较高的火箭所能运送的载荷比Isp值较低的火箭大。但所需的时问更长。如果火箭的推力与Isp值是可变的，它就能够优化推进剂的使用，以尽可能少的时间运送可能多的载荷。我把这一方法称为恒定功率节流法”(CPT)。它类似于汽车变速装置在爬坡时所起的作用或螺旋桨发动机在穿过空气运动时的顺浆旋转功能。

这种直观显示CPT的方法是考虑船从排气中获得功能的方式，如果这一能量转移过程的效率达到100％，那么从地面观察者来看排气在离开船时足静止的：飞船将以排气的速度向前运动。排气的全部能量传给飞船。因此，对于速度较低的飞船，适当降低排气速度将能提高功率源的利用效率。随着飞船进度的逐渐提高，加快排气的速度(即增加排气的温度)，但同时又减小排气量将产生更佳的效果。CPT的控制，飞船开始时产生较高的推力以便很快加速。随着速度的增大，Isp也逐渐增加而推力则逐渐下降，以提高燃料的效率。这一过程与汽车低速档起动然后逐渐换向高速的情况完全相同。

来回反弹

VASIMR火箭实现了一类名为磁镜的磁管道技术。最简单的磁镜由两块电流在其中沿相同方向流动的环形电磁铁产生。在环形电磁铁附近，磁场受到压缩，但在两块电磁铁之间磁场则向外鼓起。带电粒子沿着着磁力线呈螺旋形运动．它们环绕磁线的轨道半径称为Larmor半径，而其频率则称为回旋频率。可以料想得到，对于给定强度的磁场．较重粒子（即离子)的回旋频率比较轻粒子(电子)的低，其Larmor半径则比较轻粒子的大。此外，磁场越强，其回旋频率就越高，而Larmor半径则越小。在VASIMR火箭中．离子的回旋频率为几兆赫，但电子的回旋频率则为吉赫数量级。

粒子的速度有两个分量：一个平行于磁场(对应于粒子沿着磁力线向前运动)，另一个垂直于磁场(对应于粒子绕磁线的轨道运动)。当粒子接近于受压缩的(因而较强的)磁场时它的垂直速度就增大，但平行速度则降低，以使总能量保持恒定。这变化的原因与磁场施加于粒的作用力的方向有关，该力既垂直于粒子的速度方向，也垂直于磁场的方向。在磁镜中心附近，这个力是径向力，因此对平行速度没有任何作用。但是，随着粒子进入压缩区，磁力的方向开始从压缩区向外倾斜，从而产生一种使粒子减速的不平衡状态（见最上图）。如果粒子离开压缩区，那么磁场就产生一种相反的作用力，使粒子加速。由于没有任何能量，加速会导致旋转运动减弱，磁场未对粒子做功。

只要磁场的压缩与粒子的运动相比是缓慢而渐进的，上述理论就能够成立。粒子绕磁力线做螺旋形运动时受到磁力线的引导，只能顺着弯曲的磁力线运动。

如果粒子运动的速度足够慢，使其在磁场压缩区被反射，磁镜就能捕集粒子，粒子将在两个压缩区来回反射，直至某因素干扰了粒子的平行速度，克服捕集器的限制，或者一个压缩区减弱，粒子平行速度足够大时，将穿过压缩区在另一侧加速。捕获的粒子速度突然变化可能由随机事件造成，如电磁波的相互作用，等离子体的不稳定性和湍流。地磁场是一个天然的磁镜，来自电离层的带电粒子在北极与南极之间来回弹跳，其中，一部分进入上层大气，产生极光。利用三级这样的磁结构，就可以把等离子体喷射到空间去。

通过波束注入功率

多数等离子体火箭需要物理电极，但电极在恶劣环境中腐蚀得很快，采用射电电线。射电波加热等离子，有两种波在此过程中起作用，一种是中性气体通过螺旋波作用变成密集较冷的等离子体。螺旋波是10～50兆赫的电磁振荡，有自由电子供能，通过电离作用释放周围原子中的其他电子，广泛用于半导体的产生。

等离子一旦形成以后，便流入中央一级，被波动作用进一步加热，其波的频率稍低。存在一些等离子回旋振荡，这种波的电场垂直于外部磁场，以离子回旋频率转动。而共振使粒子的垂直运动受到激励，这种效应称为“粒子回旋共振加热”。

由于磁喷嘴的物理特性，发散的磁场把能量从垂直运动传递给平行运动，使得粒子沿着排气的方向加速，离子比电子重，所以它拖着电子一道前进，这样等离子就以中性流体的形式离开火箭。在VASIR火箭中、喷嘴的膨胀发生在约50厘米的一段距离上。一旦膨胀完成．等离子体就必须脱离火箭。马里兰大学的Roald Sagdeev和得克萨斯大学的Boris Breizman最近进行的研究揭示了这一过程的基本物理特性此模涉及到Afven速度(以最先描述这一速度的瑞典物理学家Hannes Alfven的名字命名)。磁化等离子体中发生的扰动将以这一速度沿着磁场传播开来，在磁喷嘴中Alfven速度所起的作用类似于在传统喷嘴中所起的作用。

从Alfren流向超AlfveFl流的转变是一条界线，越过此界线后，下游的流动便不再对上游的流动有任何影响，从而确保等离体的脱离不会对火箭有任何拖曳作用。存VASIMR中、磁喷嘴将使等离子体的膨胀越过这条界线，最终膨胀到磁场所含能量与等离体流所含能量相比变得很小，此时等离子体就挟带着少量磁场脱离火箭。据认为，在自然界中，太阳耀斑脱离太阳磁场的过程也属于这种情况。这种磁场畸变所消耗的能量只会使火箭性能受到微不足道的影响。我们的研究表明，等离体脱离火箭发生于距喷嘴的喉部大约1米到2米的地方

分配功率

VASIMR与众不同之处是具有节流功能，这种功能主要是通过改变螺旋波与ICRH系统各门接收到的功率所占的相对比例来实现的。如果需要获得较高的推力，大部分功率将输送给螺旋波，产生更多的低速离。如果需要获得高Isp值，更多的功率将送往IcRH，同时推力将降低。我们也在研究另外两种排气调节技术，一种技术是将JtJ安装在喷嘴喉部的磁扼流器来获得较高的Isp值；另一种技术是利用等离子体加燃烧器来获得推力极低的Isp值。

一个关键问题是发动机在其整个工作范围上的效率。产生氢等离子需花费的能量为每个电离子对40电子伏。这部分花费掉的能量不能用于推进，因为它的绝大部分将用于产生等离体。除这一初始的能量投入之外，还必须添加使离子获得动能所需的能量，因为火箭的推力就是靠这一动能产生的，在早期的VASIMR样机中，当Isp值较高时．这一动能为每个离子l00电子伏左右。这样总的能消耗为140电子伏，其中有用能为l0O伏，即效率为70％左右。较新的VASlMR设计将使排气能达到800～1000电子伏，而初始投入的能量不变，这样就获得了更高的效率。当Isp值较低时，由于发动机产生更多的等离子体而获得更大的推力，每个粒的动能就更接近电离能量，从而导致效率的下降。然而，归根到底，评估效率时必须通过考虑整个飞行项目的情况。事实上，有时候短暂地产生大推力可能是效率最高的办法。

气体的电离还包含其它一些妨碍效率提高的因素。存在于初始等离子体中的中性原子如果一直与高能离子混在一起，将会引起不必要的功率损失。通过一种所谓的“电荷交换”的效应，冷的中性原子把电子传递给热的离子。这样热离子就变成中性的，不再受磁场的作用，而是逃逸出去，将其能量传给了邻近的结构。留下来的冷离子则实际上没有什么用处。

为了避免这种情况，我们正在研究种“径向泵激”法，即任冷的中性原于混进功率放大级之前就把它排除掉。这些中性原子可以重新注入到喷嘴喉部的下游，在这个部位上离子已经沿着着正确的方向运动。因此电荷交换实际上有助于等离子体脱离火箭。在现今的聚变研究中，电荷交换是一个严重的问题。 

螺旋波几乎能够电离任何一种气体，但是出于实际因素的考虑，使用轻元素，例如，对于较轻的气体，ICRH过程是最容易实现的。因为较轻的气具有适当强度(约l特斯拉)的磁场中其回旋频率与现有的大功率射频技术相匹配。幸运的是，由于氢是宇宙中最丰富的元素，因此我们的飞船不管飞到哪里，可能都可以找到充足的推进剂。另一项重大的工程挑战是产生强磁场，我们正在研究各种以铋锶钙铜氧化物为基础的新型高温超导体。磁体将使用低温氢推进剂来冷却它们。

我在八十年代初与麻省理工学院的TienFang Yang以及其它一些人联手推出的早期VASIMR试验，已经发展成现今的研究计划。目前的核心装置是航空航天局休斯敦约翰逊空间中心的VX—l0型样机。为了配合约翰逊空间中心进行的研究，还在橡树岭国家实验室和得克萨斯大学部署了两项规模较小的实验计划。我们还和许多单位建立了合作关系，包括莱斯大学、普林斯顿等离子体物理实验室、密执安大学、马里兰大学及体斯敦大学，以及一些私营公司和航空航天局在亚拉巴马州亨茨维尔、俄亥俄州克利夫兰、马里兰州格林贝尔特以及弗吉尼亚州诺福克的研究中心。

现在我们正在制定对VASIMR进行空间试验的计划，已安排在2004年中期进行一次示范试验，届时VASrMR发动机将安装在一艘功率l0千瓦的太阳能供电飞船上，该飞船也将研究地球的辐射带。另一项试验则足用VASIMR发动机来抵消大气对国际空间站的阻力最近的实验结果以及射频设备微型化所取得的迅速进展对这些空间试验来说是一个福音。

一项自然而然的进展是，可能实施一项以VASIMR发动机为动力的载人火星飞行计划。该计划使用一台12兆瓦的VASIMR系统该飞船将从地球出发，沿着一条逐渐向外展开的螺旋形轨道进行30天的爬升飞行，然后再飞行85天穿过行星际空间，其中大部分路程都是加速行驶，到达火星后才减速。这段旅行将比使用化学火箭的飞行快一倍，到火星后一个乘员舱将脱离飞船并使用化学火箭在火星上着陆，而母船则将循着一条节省燃料的轨道在火星旁边飞行。四个小时后再与乘员舱会合。为保护乘员，火星飞行器将通过可变排气获得可靠的中止飞行能力。它的磁场和氢推进剂则将起到辐射屏散层的作用。

VASIMR火箭可能是空间飞行研究者们的伟大梦想一一聚变火箭——的先驱，聚变飞船将有10到1O0兆瓦的功率仅供使用。虽然可控核聚变仍然难以实现，但是这方面的研究工作始终在坚持不懈地进行，并在逐步取得进展。末来的人类将利用聚变火箭迅速飞往行星以及更遥远的地方。而我们现今正在为实现这远景奠定基础。

郭凯声／译    冉隆华／校