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等离子体火箭 充电就能轻松去火星 只需39天(组图)

新闻来源: 中国科学技术出版社 于2021-05-22 13:47:56  提示:新闻观点不代表本网立场

好奇是人类天性。地球容不下的不止马斯克,还有各位航天发烧友。他们中的一些成了火箭科学家、工程师,心心念念,致力于制造出一枚枚高推力火箭,将人类的足迹扩展到外空间。 据测算,一枚3408吨推力的“土星五号”运载火箭,可以将45吨的载人宇宙飞船送上月球(美国,20世纪中叶);一枚2940吨推力的“能源号”重型火箭,可以将27吨载荷送到火星和金星(俄罗斯,1987年);一枚4000吨推力的“长征九号”重型火箭,则可以将37吨载荷轻松送至火星(中国,正在研制中)。

这种火箭只靠充电,39天就能从地球飞到火星!



等离子体火箭可以帮助我们探索更遥远的太空。|NASA

作者|李嘉良 中科院高能物理研究所

目前世界各国使用的这些运载火箭都是化学火箭,靠燃烧液态或固态燃料释放巨大能量,排出高温高速气体,让火箭获得巨大推力。而要奔赴更远的深空,就需要更多燃料。

但火箭储存燃料的空间毕竟有限,燃料过重影响发射怎么办?长时间太空旅行过程中,燃料供应不足又该如何解决?

一位来自NASA的华裔航天员张福林,提出了一种新型火箭——等离子体火箭。这种火箭靠电能推动,以气态的等离子体为“燃料”。坐上等离子体火箭,从地球到火星只需要39天。



正在规划的“长征九号”火箭(最右)起飞质量超过4000吨,运力和美国“土星五号”火箭大致相当,超过正在研制的美国下一代运载火箭(SLS),完全可以满足未来载人月球探测、火星取样返回、太阳系行星探测等任务。|Spacenews

飞出地球,以气体为“燃料”

在科幻小说中,飞行器似乎能为星际旅行提供全程动力。可现实中使用的化学火箭需要消耗煤油、酒精等化学燃料,它们胃口很大,效率却并不高,大部分燃料都被用来摆脱地球引力,根本无法实现随心所欲的星际旅行。

等离子体火箭(VASIMR)则采取了一种完全不同的思路——利用等离子体加速器作为推动力。

这里先介绍一个何为等离子体。当物质被加热到足够高温时,其中的原子会电离为带正电的原子核和带负电的电子,形成一团离子状的“浆糊”,也就是等离子体。

等离子体在自然界中普遍存在,炽热的火焰、光辉夺目的闪电,以及绚丽的极光,都是等离子体作用的结果。在整个宇宙中,几乎99.9%以上的物质(如恒星、行星际空间物质)都以等离子态存在。因此,它也被称为在气态、液态、固态之外的“物质的第四态”。

用人工方法,如核聚变、核裂变、辉光放电等过程,都可产生等离子体。



等离子体在自然界中普遍存在。例如图中的闪电、氖灯、等离子体球、航天飞机上的等离子体踪迹。|维基百科

相比于化学火箭燃料重量大,火箭发射过程中燃料本身就可能成为 “累赘”,等离子火箭能用更少的燃料提供更多动力,一旦进入太空,就会像顺风的帆船,逐渐加速飞行,最终把传统的化学火箭远远抛在身后,在太空中完成各种航天探索任务。

等离子体火箭的发动机以氩气作为等离子体来源。氩气是一种惰性气体,不易与其他元素发生化学反应,经常在焊接金属时做保护气体,很适合做等离子体。

其工作原理是:火箭发动机先电离氩气,将其转化为低温等离子体(其实也有5000℃以上)。随后利用磁铁使电离气体加热、加速,温度达到上百万摄氏度。再用磁场控制高温等离子体,使其加速排出火箭尾部,形成巨大推力,助力火箭冲出地球。



等离子体火箭发动机工作原理图。|来自网络

经推算,安装上等离子体火箭,太空飞船的速度可达每小时约19.8万公里。相比于传统火箭用250天时间送宇航员到达火星,等离子体火箭最快可以让宇航员在39天内到达火星,节省大量的燃料、食物、水、空气,宇航员也能摆脱长时间的宇宙射线辐射。

那么,等离子体火箭到底是如何获得这么高的推进效率呢?这与等离子体被加速的机制有关。

神奇的磁重联机制,从磁场中要能量

等离子体火箭在发动机工作的全过程中,主要利用磁重联机制加速、加热等离子体束流。

什么是磁重联呢?其实,磁重联是太阳上一个非常重要的快速释放磁能的过程,太阳爆发事件几乎都和磁重联有关,例如耀斑、日冕物质抛射、喷流等。而且不仅是太阳上,在地球大气层和托卡马克核聚变反应堆内也能看到磁重联现象。

在磁重联过程中,多组方向相反的磁力线相互靠近,并重新连接形成新磁力线。等离子体火箭利用磁场变化带动磁力线连接和断开,将磁能转化为等离子体的动能、热能和粒子加速度。



磁重联过程中,磁力线断开并重新连接。|维基百科

但磁重联过程需要有足够大的电能支撑,等离子体火箭需要的电能近数百千瓦。这么大的电能从哪里来?选择何种供电方式才能满足需求呢?

巨大电能从哪儿来?核能?太阳?

1)核反应堆供电

目前认为,最好的动力来源是核反应堆,因此我们可以设想,等离子体火箭最终将是一个核电火箭发动机。用核裂变反应堆为等离子体火箭提供电力,能轻松将人们带到火星。

就目前情况而言,等离子发动机的推力仍旧比不上传统火箭,很难将有效载荷从地球带到近地轨道。不过到了近地轨道,等离子发动机的优势就能显现:如果能够将动力升至200千瓦,将足够提供大约0.45千克的推力——相比火箭的重量,这听起来轻如羽毛,但在太空中,0.45千克的推力可以驱动2吨重的货物。



等离子体火箭需要巨大的电能。图中为利用核反应堆供能的等离子体火箭。|维基百科

2)太阳能电池板供电

将火箭供电装置改成太阳能电池板,可以把太阳能转化为电能。问题是,电池板的效率不够高,如果向深空继续进发或者运载更大重量,就需要增加太阳能利用效率。

研究发现,大型且可控的太阳能电池阵列可以提供高达1千千瓦的功率。但过大的电池阵对航天器的构型、轨道保持和姿态控制设计等会带来巨大挑战。

目前国际空间站的太阳能电池也只能提供百千瓦级的电功率,而且这一结果是在地日距离下,太阳能在火星以外的区域将大幅衰减。

另外,很多科学家也在研究太阳能供电的宇宙飞船——太阳帆,期待未来有一天能使用太阳帆探索太空。



提供上百千瓦电力的国际空间站。|来自网络

与太阳能电池相比,空间核反应堆电源的优点在于它是自主电源,不依赖阳光,且储能极高;适用功率范围广,可以覆盖千瓦甚至兆瓦以上功率输出。缺点则是,从安全和技术角度考虑,核反应堆供电的技术要求很高,工程成本相对较大,工期长。

目前核电可以有效满足航天任务日益增长的能源需求。随着空间技术的发展,大功率卫星、深空探测等都需要大功率长久耐用的供电方式。相比之下,太阳能电池供电还有很长的路要走。



太空中的等离子体火箭。|AdAstraRocketCompany

记得小时候,乘坐普速火车从北京去上海需要数十个小时,现在具有更高性能的高铁仅用4个多小时就可以。

同理,摆脱传统能源依赖,改为靠电能推动的“电火箭”,不仅推动自己更快地奔向火星,还推动了世界航天科技的发展。

相信我们终有一天会克服技术瓶颈,研发出更高性能的“电火箭”,更加方便快捷地奔赴太空旅行,去探索太空深处不为人知的奥秘。

参考资料

VASIMR Human Mission to Mars, Franklin R。 Chang Diaz, et al。 http://www.adastrarocket.com/Andrew-SPESIF-2011.pdf
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