中國航天新突破：磁等離子發(fā)動(dòng)機(jī)，開啟深空探索新紀(jì)元

前一陣有個(gè)新聞，說我們西安的航天六院完成了“國內(nèi)首次大推力磁等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)的全系統(tǒng)高功率可靠啟動(dòng)和穩(wěn)定工作”。那這是一個(gè)什么樣的發(fā)動(dòng)機(jī)呢？未來在航天上它會(huì)怎么用呢？

先說結(jié)論，這東西暫時(shí)不能替代燒燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，但在未來長航程的星際旅行中可能會(huì)起到很大作用。

我們都知道，會(huì)飛的東西的發(fā)動(dòng)機(jī)，都得往后扔點(diǎn)什么東西，好讓自己往前走。螺旋槳把周圍的空氣劃拉起來扔到后面產(chǎn)生推力，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)從前面吸氣，再摻和一點(diǎn)自己燒出來的燃?xì)馊拥胶竺娈a(chǎn)生推力。而火箭發(fā)動(dòng)機(jī)更狠，因?yàn)樗枰谡婵罩酗w行，都真空了，那就啥也吸不著劃拉不著了，所以它往后扔的東西純純都是自己帶的燃料。但它不直接扔燃料，而是先把燃料混起來點(diǎn)著，燒成燃?xì)?，再往后扔。啥時(shí)候燃料燒完了，啥時(shí)候火箭就沒推力了。

為什么燃料燒完火箭就不能有推力了呢？你肯定覺得我說的是廢話，這不就像車沒油了一樣么？沒能量了，還怎么有推力呢？沒能量了只是其中的一個(gè)方面，更重要的是，沒東西往后扔了。我們可以把火箭看成一艘小船，船上拉著一船的小石塊，還坐著個(gè)人，人手里沒槳，也夠不著水面，想讓船往前走，只能往后面扔小石塊，如果小石塊扔完了，就算這個(gè)人還有能量，船也沒法往前跑。同理，在長距離的太空航行中，制約航天器動(dòng)力持續(xù)性的只是能量嗎？不，還有那些石塊，這在航天動(dòng)力里面叫工質(zhì)，也就是往后扔的那些東西。能量在太空中不是沒辦法獲取，現(xiàn)在就有太陽能可以用啊，未來如果有了可控核聚變，那能量要多少給多少，但即使有能量，沒東西往后扔，照樣產(chǎn)生不了動(dòng)力。

所以現(xiàn)在的問題來了，船上能帶的石塊就這么多，要怎么扔，才能更省石頭呢？答案是，快快地扔，扔得越快越好。根據(jù)動(dòng)量守恒，每塊石頭往后飛的動(dòng)量就是這塊石頭讓船往前增加的動(dòng)量，所以石頭飛得越快，它為船提供的動(dòng)量就越多，它離開得就越有意義。這也是為什么火箭不僅要把燃料點(diǎn)著，產(chǎn)生很多壓力，從一個(gè)口竄出去，變成一個(gè)噴射戰(zhàn)士，還需要用優(yōu)秀的噴管設(shè)計(jì)，讓噴出去的燃?xì)庾銐蚩欤欢?，即便如此，依靠燃燒噴氣的噴射?zhàn)士，還是不夠能噴，噴得不夠快。

那怎么才能噴得更快呢？那我問你，人目前能夠?qū)⑽矬w加速到的最高速度是多少？答案是，接近光速。是通過什么，把什么東西加速到這么高的速度的呢？粒子加速器，用電磁場來加速帶電粒子。可以說磁等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)，就是這樣一個(gè)粒子加速器，他加速的是等離子體，這些等離子體作為工質(zhì)被加速扔出去，從而產(chǎn)生推力。

它的原理比較復(fù)雜，但簡單地說就是通過電弧，把工質(zhì)變成等離子體，等離子體可以看做類似一堆帶正負(fù)電的粒子混起來的樣子，那這堆帶電粒子就會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)電磁場的作用下加速，最后噴出。那跟燃燒噴氣的化學(xué)火箭有啥區(qū)別呢？最大區(qū)別就是，它噴得快，我們可以施加很大的電磁場，所以它們的加速相對容易，可以把工質(zhì)加速到火箭燃?xì)馑俣鹊?0倍甚至更高，這就意味著，想要提供跟火箭一樣的動(dòng)量，它只需要消耗十分之一甚至更少的工質(zhì)，那在帶相同多東西的情況下，我們就可以去更遠(yuǎn)的地方了。

事實(shí)上，磁等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)屬于電磁推進(jìn)器的一種，這種推進(jìn)器基本都具有這種噴得快，省工質(zhì)的特點(diǎn)，與它類似的電磁推進(jìn)器還有我5年前講過的霍爾推進(jìn)器，那種推進(jìn)器也是利用電磁場加速帶電粒子，只不過電磁場產(chǎn)生的方式還有讓粒子帶電的方式，跟我們今天說的磁等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)不一樣?，F(xiàn)在，霍爾推進(jìn)器已經(jīng)在衛(wèi)星上和空間站上大量使用了，馬斯克的星鏈上就安裝有霍爾推進(jìn)器，可以讓星鏈的壽命增加，咱們的天宮空間站上也有霍爾推進(jìn)器，可以用來做軌道提升，節(jié)約燃料，減少天舟貨運(yùn)飛船的補(bǔ)給次數(shù)。但是，霍爾推進(jìn)器以及咱們今天講的磁等離子體推進(jìn)器目前的推力非常小，比如星鏈衛(wèi)星上的推進(jìn)器，推力只有170毫牛，天宮空間站上有個(gè)幾百毫牛，2020年我講過，咱們國家霍爾推進(jìn)器推力突破了一牛，又過兩年之后變成了4牛多，這就已經(jīng)是世界第一梯隊(duì)水平了。不過這樣的推力對于軌道維持，抵消軌道上稀薄空氣產(chǎn)生的阻力來說，一般是夠了。另外，未來，如果我們需要使用電推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)星際航行，可以通過一個(gè)相對比較小的推力持續(xù)加速，用時(shí)間換速度，最終就可以將航天器的速度加的非?？欤瑥亩w到更遠(yuǎn)的地方。而要實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，除了想辦法獲得更多的能源，比如發(fā)展可控核聚變技術(shù)之外，大力發(fā)展電推進(jìn)器技術(shù)，提升電推進(jìn)器的功率和推力同樣非常重要。目前，我國不僅在霍爾推進(jìn)器方面進(jìn)入了世界第一梯隊(duì)，如今在磁等離子體推進(jìn)器方面也取得了重大突破，逐漸趕上甚至超過是世界一流水平，雖然我現(xiàn)在不知道星辰大海有多遠(yuǎn)，但我知道，它離我們中國人越來越近了。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

作者：茍勝 西安航空學(xué)院 副教授

審核：周炳紅 中國航天科普大使 研究員

出品：中國科協(xié)科普部

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