李會(huì)超

雖然人們目前還不具備制造出足以停止地球轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的本領(lǐng)，但基于同樣原理的發(fā)動(dòng)機(jī)，早已經(jīng)在各類衛(wèi)星上得到了廣泛應(yīng)用，還被認(rèn)為是未來(lái)最有希望擔(dān)起人類邁向深空重任的發(fā)動(dòng)機(jī)。

在小說(shuō)《流浪地球》中，當(dāng)人類面臨提前衰老的太陽(yáng)吞沒(méi)地球的威脅時(shí)，“地球派”在全世界建起了諸多地球發(fā)動(dòng)機(jī)，這些發(fā)動(dòng)機(jī)形成了諸多直插天際的等離子體巨柱，發(fā)出如日光燈管一樣的藍(lán)白色的顏色。這些發(fā)動(dòng)機(jī)的工作使地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)并離開之前的公轉(zhuǎn)軌道，踏上流浪之路。

在真實(shí)的航天活動(dòng)中，火箭起飛時(shí)從尾部噴出的火焰，也是由火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的。從表面上看，這些熊熊燃燒的烈焰似乎比那些筆直的光柱更具氣勢(shì)。然而，大劉（《流浪地球》作者劉慈欣）為地球設(shè)計(jì)的這種發(fā)動(dòng)機(jī)方案不但更具備玄幻的科技感，產(chǎn)生的推進(jìn)效果也要比噴火的化學(xué)能發(fā)動(dòng)機(jī)要高。雖然人們目前還不具備制造出足以停止地球轉(zhuǎn)動(dòng)的這類發(fā)動(dòng)機(jī)的本領(lǐng)，但基于同樣原理的發(fā)動(dòng)機(jī)，早已經(jīng)在各類衛(wèi)星上得到了廣泛應(yīng)用，還被認(rèn)為是未來(lái)最有希望擔(dān)起人類邁向深空重任的發(fā)動(dòng)機(jī)。

這種發(fā)動(dòng)機(jī)就是本文要介紹的主角——離子電推發(fā)動(dòng)機(jī)。

化學(xué)能發(fā)動(dòng)機(jī)有局限

一枚體態(tài)巍峨的火箭騰空而起后，最終卻只能將重量相對(duì)于火箭小很多的航天器送入軌道，如果目的地設(shè)定于火星乃至更遠(yuǎn)，能夠運(yùn)載的航天器質(zhì)量則更低。

例如，去年成功首飛的獵鷹重型火箭起飛時(shí)的整體重量達(dá)1420噸。按照Space X公布的數(shù)據(jù)，即便放棄科技感極強(qiáng)的助推器、芯一級(jí)回收功能來(lái)?yè)Q取更高運(yùn)載能力，這種火箭也最多只能將63.8噸的載荷送到距離地面很近的軌道上。如果將目標(biāo)瞄準(zhǔn)火星或冥王星，其運(yùn)載能力將降低為16.8噸和3.5噸，僅相當(dāng)于起飛重量的1.2%和0.2%。

這樣一種尷尬局面的出現(xiàn)并非馬斯克和他領(lǐng)導(dǎo)的Space X技術(shù)不精。事實(shí)上，目前任何一種已經(jīng)服役的火箭均存在著運(yùn)載有效載荷的重量遠(yuǎn)小于火箭起飛重量的問(wèn)題，大部分起飛質(zhì)量都消耗在了攜帶的推進(jìn)劑上。同時(shí)，在軌工作的衛(wèi)星、探測(cè)器也要將一大部分重量分配給攜帶的推進(jìn)劑，而不得不減少真正能夠執(zhí)行任務(wù)的有效載荷的質(zhì)量。在地球附近工作的通信衛(wèi)星，攜帶的燃料要占到其發(fā)射重量的60%左右。

而造成這個(gè)問(wèn)題的原因，則要從火箭獲得動(dòng)力的原理說(shuō)起。

設(shè)想，一臺(tái)小車上裝載了一門大炮。根據(jù)牛頓第三定律和動(dòng)量守恒定律，當(dāng)大炮開炮時(shí)，小車會(huì)向大炮炮彈發(fā)射方向的反方向加速。對(duì)于同樣的炮彈，如果從炮口射出的速度增加，則將小車加速到同樣速度消耗的炮彈則會(huì)減少。

在宇宙航行中，發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的推進(jìn)劑就好比上面故事中的炮彈，而火箭、衛(wèi)星等飛行器則好比上面故事中的小車，推進(jìn)劑噴出時(shí)所產(chǎn)生的反作用力使飛行器加速或減速。要進(jìn)入特定的軌道，就必須實(shí)現(xiàn)特定的速度增量或減量。例如，從地面起飛進(jìn)入環(huán)繞地球的軌道，速度增量一般要達(dá)到8公里/秒。而要從這個(gè)軌道再進(jìn)入奔向火星的軌道，則知道要再得到4.5公里/秒的速度增量。在執(zhí)行同樣的任務(wù)時(shí)，如果要減少使用的推進(jìn)劑的質(zhì)量，就必須增大推進(jìn)劑從噴口中噴出時(shí)的速度。目前廣泛使用的化學(xué)能發(fā)動(dòng)機(jī)，都是通過(guò)將推進(jìn)劑中的燃料和氧化劑混合燃燒后再向外噴出的方式，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。在這種原理下，推進(jìn)劑的噴出速度到達(dá)3.5公里/秒后就很難再提高了。這就是使用這類發(fā)動(dòng)機(jī)的火箭和飛行器攜帶燃料的量難以降低的原因。

離子電推發(fā)動(dòng)機(jī)效率高

NASA所屬的戈達(dá)德航天中心以世界航天理論的先驅(qū)者、紐約大學(xué)教授羅伯特·戈達(dá)德的名字命名。在戈達(dá)德有生之年，《紐約時(shí)報(bào)》曾經(jīng)嘲笑這位想用火箭飛向月球的教授“缺乏物理學(xué)常識(shí)”，而在阿波羅11號(hào)登月成功后，《紐約時(shí)報(bào)》又不得不發(fā)表了一則更正，承認(rèn)事實(shí)已經(jīng)證明他們對(duì)戈達(dá)德的批評(píng)是錯(cuò)誤的。羅伯特·戈達(dá)德無(wú)愧航天先驅(qū)的稱號(hào)，因?yàn)樗诉M(jìn)行了人類史上第一次液體火箭飛行試驗(yàn)外（雖然只飛了56米），還在20世紀(jì)初就前瞻性地首次提出了利用電磁場(chǎng)加速離子來(lái)推進(jìn)飛行器的設(shè)想。

在歷經(jīng)一個(gè)世紀(jì)的時(shí)光之后，1998年發(fā)射升空的美國(guó)“深空一號(hào)”（Deep Space-1）試驗(yàn)性探測(cè)器使用了基于靜電力的離子電推發(fā)動(dòng)機(jī)，將戈達(dá)德教授的設(shè)想變成了現(xiàn)實(shí)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)使用氙作為推進(jìn)劑。當(dāng)氙進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)室后，其中的氙原子核和電子首先在電場(chǎng)的作用下分離，使氙原子核變成游離的氙離子。之后，氙離子進(jìn)入了發(fā)動(dòng)機(jī)中的兩片柵格網(wǎng)之間，由其間的靜電場(chǎng)加速到較高的速度后噴出。如果只噴出帶正電荷的氙離子，而將帶負(fù)電荷的電子留在發(fā)動(dòng)機(jī)中，那么這些電子所帶的負(fù)電荷就會(huì)將噴出的氙離子吸引回來(lái)，無(wú)法使工作過(guò)程持續(xù)。

為此，工程師們?cè)趪娍诟浇€設(shè)計(jì)了一條能夠噴出電子的管道，使離開發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體保持電中性，避免這個(gè)問(wèn)題的發(fā)生。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑噴出速度可以達(dá)到20-50公里/秒，相比使用化學(xué)能的發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)有了質(zhì)的提高。

你可能會(huì)感到困惑，既然在20世紀(jì)末人類已經(jīng)設(shè)計(jì)出了實(shí)用的離子電推發(fā)動(dòng)機(jī)，為什么每次航天發(fā)射過(guò)程中出現(xiàn)在我們眼前的都是那些噴火的發(fā)動(dòng)機(jī)呢？雖然使用離子發(fā)動(dòng)機(jī)后，推進(jìn)的出流速度得到了提升，但受制于目前的技術(shù)水平，在單位時(shí)間內(nèi)噴出的推進(jìn)劑的量還很少，使得離子發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)推力還不理想。雖然深空一號(hào)僅花費(fèi)了74公斤推進(jìn)劑，就實(shí)現(xiàn)了人類飛行器史上不依靠借力飛行等其他手段而實(shí)現(xiàn)的最高速度增量，成功到達(dá)了布萊頁(yè)小行星和寶瑞利彗星，但其瞬間輸出的推力很小，僅僅相當(dāng)于一頁(yè)紙的重量。如此微小的推力還不足以勝任在地面上克服地心引力和空氣阻力的重任，因此需要從地面起飛的火箭目前還不能使用電推發(fā)動(dòng)機(jī)。

但一旦進(jìn)入太空這種近似真空的環(huán)境中，離子發(fā)動(dòng)機(jī)就可以利用持續(xù)工作的累積效應(yīng)來(lái)完成變軌等任務(wù)。放到船和大炮的圖景中，在無(wú)法一次發(fā)射質(zhì)量比較大的炮彈的情況下，大炮接連不停地向外發(fā)射與大炮彈速度相同但質(zhì)量相對(duì)較小的炮彈。目前，靜電離子發(fā)動(dòng)機(jī)是技術(shù)最成熟的離子電推發(fā)動(dòng)機(jī)。

在深空1號(hào)之后，黎明號(hào)、隼鳥號(hào)等探測(cè)彗星與小行星的探測(cè)器也采用了類似的離子發(fā)動(dòng)機(jī)。不少在地球附近工作的衛(wèi)星也使用它來(lái)進(jìn)行軌道維持等工作，極大地節(jié)省了燃料。我國(guó)的實(shí)踐十三號(hào)衛(wèi)星采用我國(guó)自主研制的LISP-200離子電推發(fā)動(dòng)機(jī)，使衛(wèi)星減少攜帶燃料達(dá)2.5噸。

發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，相互配合

為了提高離子電推發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，航天工程師們又提出了霍爾效應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)和磁等離子體力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。

這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的共同特點(diǎn)是，不再像靜電離子發(fā)動(dòng)機(jī)那樣使用有形的柵格網(wǎng)來(lái)加速離子，而是在發(fā)動(dòng)機(jī)中構(gòu)造無(wú)形的交錯(cuò)電磁場(chǎng)，利用電磁力加速粒子，從而能在一定程度上提高發(fā)動(dòng)機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)能夠噴出的推進(jìn)劑總量，使電推發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更高的瞬時(shí)推力。例如，霍爾效應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的陰極在發(fā)動(dòng)機(jī)噴口處射出電子，這些電子與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的陽(yáng)極共同產(chǎn)生了指向發(fā)動(dòng)機(jī)噴口的電場(chǎng)。當(dāng)推進(jìn)劑進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)室后，首先被電離成等離子體態(tài)，即電子與離子相互分離，電子和離子都可以自由運(yùn)動(dòng)，但整團(tuán)氣體整體上仍然呈現(xiàn)電中性的氣體態(tài)。之后，質(zhì)量較大的離子在指向噴口的電場(chǎng)作用下向外加速，與噴口處的電子會(huì)合后形成中性氣體被噴出。而電子則在電場(chǎng)及與其垂直的磁場(chǎng)的作用下繞著發(fā)動(dòng)機(jī)中心旋轉(zhuǎn)，形成霍爾電流。這些電子旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還會(huì)向陽(yáng)極漂移，閉合整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的電流回路。同時(shí)，電磁場(chǎng)造成的霍爾效應(yīng)遲滯了電子的漂移速度，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)電路短路。而磁等離子體力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)則把陰極移動(dòng)到了發(fā)動(dòng)機(jī)的中心，陽(yáng)極則是發(fā)動(dòng)機(jī)四周的圓柱金屬壁。陰極和陽(yáng)極間形成的電流感應(yīng)出了磁場(chǎng)，同時(shí)還和電流一起對(duì)等離子體施加往向外加速的洛倫茲力。在這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)中，推進(jìn)劑以整體上呈現(xiàn)電中性的等離子體態(tài)存在，而發(fā)動(dòng)機(jī)中電磁場(chǎng)與洛倫茲力的產(chǎn)生利用了等離子體的物理性質(zhì)，因此這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)也被統(tǒng)稱為等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)。霍爾效應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)最早起源于蘇聯(lián)。上世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)的流星1-10、流星1-18等衛(wèi)星就已經(jīng)開始應(yīng)用霍爾效應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行輔助軌道位置。而美國(guó)、歐洲等西方國(guó)家對(duì)霍爾發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造則是進(jìn)入21世紀(jì)之后的事。2016年11月3日，長(zhǎng)征5號(hào)首飛成功，將實(shí)踐17號(hào)衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。而這顆衛(wèi)星的成功在軌驗(yàn)證了我國(guó)自主研制的世界首套磁聚焦霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)，標(biāo)志著我國(guó)在等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)上走到了世界前列。磁等離子體力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)則仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，試驗(yàn)表明它的推進(jìn)效能可達(dá)霍爾效應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的10倍。未來(lái)，功率達(dá)到100kW以上的磁等離子體力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)有希望通過(guò)太空核裂變產(chǎn)生的電能，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)勁的太空推進(jìn)。

基于這些設(shè)計(jì)的等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)，瞬時(shí)推力等性能依然無(wú)法與化學(xué)能發(fā)動(dòng)機(jī)相匹敵。在一段時(shí)間里，這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮各自特點(diǎn)互相搭檔，可能是飛向深空的航天器能夠采用的最優(yōu)方案。在從地面起飛到近地軌道的過(guò)程中，使用基于化學(xué)能的火箭提供的較大推力離開地面。在從地球附近飛向深空時(shí)，則可以利用電推發(fā)動(dòng)機(jī)循序漸進(jìn)、較為高效的推進(jìn)能力。

這樣，雖然火箭的起飛重量仍然很高，但能夠向火星至冥王星軌道乃至日球?qū)右酝獾纳羁瞻l(fā)射的有效載荷的重量就能獲得提升。同時(shí)，離子電推技術(shù)帶來(lái)的推進(jìn)效率提升，還有望使深空探測(cè)不再依賴于大行星引力的“助攻”（即“借力飛行”），使發(fā)射窗口和探測(cè)方案的設(shè)置更加靈活，有更多的航天器能有機(jī)會(huì)探索遠(yuǎn)離地球的深邃太空的奧秘。

至于地球的流浪，目的地已經(jīng)設(shè)置到了其他恒星，是深得不能再深的深空飛行，等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)然是更高效的選擇了。