新型離子發(fā)動(dòng)機(jī)概念圖

據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》雜志報(bào)道，當(dāng)前，美國(guó)國(guó)內(nèi)在載人火星之旅和重返月球的優(yōu)先選擇上存在很多爭(zhēng)論，而要求率先登陸火星的呼聲看上去正占得上風(fēng)。專家指出，從地球到達(dá)火星需半年之久，如此漫長(zhǎng)的太空旅行勢(shì)必會(huì)給宇航員身心健康造成極大的壓力。不過(guò)，研究人員正測(cè)試動(dòng)力強(qiáng)勁的新型離子發(fā)動(dòng)機(jī)，有望使火星之旅縮短為39天。

早有成功案例

常規(guī)火箭燃燒化學(xué)燃料產(chǎn)生推力，但大部分燃料在從地面升空的第一階段耗盡，所以，火箭常常只能在太空的大部分運(yùn)行時(shí)間里采取滑行模式。另一方面，離子發(fā)動(dòng)機(jī)可以令帶電原子或離子加速通過(guò)電場(chǎng)，因而能反向驅(qū)動(dòng)航天器。相比采用化學(xué)燃料的火箭，離子發(fā)動(dòng)機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)提供的推力相對(duì)較少，這意味著它們自身可以不受地球引力的限制。

可一旦進(jìn)入太空，它們就像帆船后面綿延不斷的微風(fēng)一樣，可以提供持續(xù)多年的推力，令其逐漸加速飛行，直至速度超過(guò)化學(xué)燃料火箭。實(shí)際上，迄今已有多個(gè)太空探測(cè)任務(wù)采用離子發(fā)動(dòng)機(jī)，如美宇航局的“黎明”號(hào)(Dawn)探測(cè)器和日本的“Hayabusa”探測(cè)器，前者正在趕赴兩顆小行星灶神星和谷神星的途中，后者已于2005年與小行星Itokawa相撞。

新型發(fā)動(dòng)機(jī)名為“可變比沖磁致離子漿火箭”(簡(jiǎn)稱VASIMR)，比以前幾種離子發(fā)動(dòng)機(jī)擁有更多的“增長(zhǎng)劑”。這是因?yàn)樗捎蒙漕l發(fā)生器加熱帶電粒子或等離子體。射頻發(fā)生器類似用于播放無(wú)線電節(jié)目的發(fā)射機(jī)。VASIMR發(fā)動(dòng)機(jī)正在由艾德·阿斯特拉火箭公司(Ad Astra Rocket Company)開(kāi)發(fā)，該公司由物理學(xué)家、前美國(guó)宇航員張福林(Franklin Chang-Diaz)于2005年創(chuàng)建。

溫度堪比太陽(yáng)中心

VASIMR發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理與蒸汽機(jī)有相似之處，第一級(jí)承擔(dān)類似于沸水生成蒸汽的任務(wù)。射頻發(fā)生器會(huì)不斷加熱氬原子氣體，直至電子“汽化”生成等離子體。今年7月2日，艾德·阿斯特拉火箭公司在其位于得克薩斯州韋伯斯特市的總部首次對(duì)VASIMR離子發(fā)動(dòng)機(jī)的第一級(jí)進(jìn)行了測(cè)試。

一旦從火箭發(fā)射出來(lái)的話，等離子體自身可以產(chǎn)生推力，只不過(guò)效率很低。為最大程度利用效能，火箭第二級(jí)會(huì)以一百萬(wàn)度加熱離子，這一溫度相當(dāng)于太陽(yáng)中心的溫度。在強(qiáng)磁場(chǎng)下，比如超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，離子會(huì)以固定頻率旋轉(zhuǎn)，VASIMR離子發(fā)動(dòng)機(jī)就充分利用這一原理達(dá)到了目的。隨后，射頻發(fā)生器轉(zhuǎn)換為同樣的頻率，向離子中噴射額外的能量。

強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)將等離子體輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)后面，從反向驅(qū)動(dòng)它的運(yùn)行。由于射頻發(fā)生器的作用，VASIMR發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力水平比其他發(fā)動(dòng)機(jī)高出一百倍，通過(guò)將等離子體發(fā)動(dòng)至一系列具有不同電壓的金屬格，加快等離子體運(yùn)行速度。在這一條件下，離子會(huì)與傾向于侵蝕其的離子相撞，從而限制了火箭的動(dòng)力和壽命。不過(guò)，VASIMR離子發(fā)動(dòng)機(jī)的射頻發(fā)生器永遠(yuǎn)不會(huì)與離子接觸，從而避免了這一問(wèn)題。

艾德·阿斯特拉火箭公司負(fù)責(zé)研發(fā)的主管杰里德·斯奎爾(Jared Squire)說(shuō)：“據(jù)我們所知，它是有史以來(lái)最強(qiáng)大的超導(dǎo)等離子體來(lái)源。”該公司科學(xué)家上周開(kāi)始測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的第二級(jí)，即加熱等離子體的那一級(jí)。迄今為止，斯奎爾的團(tuán)隊(duì)已在50千瓦的水平下運(yùn)行這臺(tái)兩級(jí)火箭。他們希望在測(cè)試中將動(dòng)力升至200千瓦，這足夠提供大約一磅的推力。這或許聽(tīng)上去并不太多，但在太空中，一磅推力可以驅(qū)動(dòng)兩噸重的貨物。

與美宇航局建立合作

艾德·阿斯特拉火箭公司已同美宇航局達(dá)成協(xié)議，2012年或2013年會(huì)將VASIMR發(fā)動(dòng)機(jī)安裝到國(guó)際空間站上進(jìn)行點(diǎn)火測(cè)試。VASIMR發(fā)動(dòng)機(jī)具有令國(guó)際空間站在軌運(yùn)行所需要的周期性推力的潛力。在當(dāng)前的功率水平下，它完全可以依靠太陽(yáng)能運(yùn)行。斯奎爾表示，VASIMR發(fā)動(dòng)機(jī)將變身地球軌道一個(gè)不錯(cuò)的“拖船”，將衛(wèi)星送入不同的軌道。它還能將航天貨物送入月球基地，因?yàn)槠溥\(yùn)行速度相對(duì)較快，可用于對(duì)付危險(xiǎn)的小行星，在小行星抵達(dá)地球多年前利用引力使其偏離軌道。

然而，如果想要在39天內(nèi)到達(dá)火星，那么VASIMR發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力必須達(dá)到太陽(yáng)能動(dòng)力的1000倍。為此，VASIMR發(fā)動(dòng)機(jī)便需要安裝核反應(yīng)堆。從20世紀(jì)60年代至80年代，前蘇聯(lián)曾使用過(guò)早期的核反應(yīng)堆技術(shù)，但一直沒(méi)有用于太空探索，所以需要時(shí)間去進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。斯奎爾說(shuō)：“通向目的地的道路有多條。”

美宇航局新任掌門人查爾斯·博爾登(Charles Bolden)日前對(duì)這種短期的火星之旅構(gòu)想提出了表?yè)P(yáng)。他表示，美宇航局已向VASIMR發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)提供了一定的經(jīng)費(fèi)，并稱這是宇航局同私營(yíng)公司建立合作的典型案例，將有助于宇航局在航天飛機(jī)2010年退役以后實(shí)現(xiàn)其既定目標(biāo)。（新浪科技孝文）