来源：中国科学手艺出书社
猎奇是人类本性。地球容不下的不行马斯克，还有列位航天发烧友。他们中的一些成了火箭科学家、工程师，心心念念，努力于造造出一枚枚高推力火箭，将人类的脚印扩展到外空间。据测算，一枚3408吨推力的“土星五号”运载火箭，能够将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，能够将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，则能够将37吨载荷轻松送至火星（中国，正在研造中）。
那种火箭只靠充电，39天就能从地球飞到火星！
等离子体火箭能够搀扶帮助我们摸索更远远的太空。|NASA
做者|李嘉良 中科院高能物理研究所
目宿世界列国利用的那些运载火箭都是化学火箭，靠燃烧液态或固态燃料释放浩荡能量，排出高温高速气体，让火箭获得浩荡推力。而要奔赴更远的深空，就需要更多燃料。
但火箭贮存燃料的空间事实有限，燃料过重影响发射怎么办？长时间太空游览过程中，燃料赐与不敷又该若何处理？
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。那种火箭靠电能鞭策，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）起飞量量超越4000吨，运力和美国“土星五号”火箭大致相当，超越正在研造的美国下一代运载火箭（SLS），完全能够称心将来载人月球探测、火星取样返回、太阳系行星探测等使命。|Spacenews
飞出地球，以气体为“燃料”
在科幻小说中，飞翔器似乎能为星际游览供给全程动力。可现实中利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，效率却其实不高，大部门燃料都被用来脱节地球引力，底子无法实现为所欲为的星际游览。
等离子体火箭（VASIMR）则摘取了一种完全差别的构想——操纵等离子体加速器做为鞭策力。
那里先介绍一个何为等离子体。当物量被加热到足够高温时，此中的原子会电离为带正电的原子核和带负电的电子，构成一团离子状的“浆糊”，也就是等离子体。
等离子体在天然界中普及存在，火热的火焰、光辉耀眼的闪电，以及灿艳的极光，都是等离子体感化的成果。在整个宇宙中，几乎99.9%以上的物量（如恒星、行星际空间物量）都以等离子态存在。因而，它也被称为在气态、液态、固态之外的“物量的第四态”。
用人工办法，如核聚变、核裂变、辉光放电等过程，都可产生等离子体。
等离子体在天然界中普及存在。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
比拟于化学火箭燃料重量大，火箭发射过程中燃料自己就可能成为 “负担”，等离子火箭能用更少的燃料供给更多动力，一旦进进太空，就会像顺风的帆船，逐步加速飞翔，最末把传统的化学火箭远远抛在死后，在太空中完成各类航天摸索使命。
等离子体火箭的策动机以氩气做为等离子体来源。氩气是一种惰性气体，不容易与其他元素发作化学反响，经常在焊接金属时做庇护气体，很合适做等离子体。
其工做原理是：火箭策动机先电离氩气，将其转化为低温等离子体（其实也有5000℃以上）。随后操纵磁铁使电离气体加热、加速，温度到达上百万摄氏度。再用磁场掌握高温等离子体，使其加速排出火箭尾部，构成浩荡推力，助力火箭冲出地球。
等离子体火箭策动机工做原理图。|来自收集
经推算，安拆上等离子体火箭，太空飞船的速度可达每小时约19.8万公里。比拟于传统火箭用250天时间送宇航员抵达火星，等离子体火箭最快能够让宇航员在39天内抵达火星，节约大量的燃料、食物、水、空气，宇航员也能脱节长时间的宇宙射线辐射。
那么，等离子体火箭到底是若何获得那么高的推进效率呢？那与等离子体被加速的机造有关。
神异的磁重联机造，从磁场中要能量
等离子体火箭在策动机工做的全过程中，次要操纵磁重联机造加速、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十分重要的快速释放磁能的过程，太阳发作事务几乎都和磁重联有关，例如耀斑、日冕物量抛射、喷流等。并且不只是太阳上，在地球大气层和托卡马克核聚变反响堆内也能看到磁重联现象。
在磁重联过程中，多组标的目的相反的磁力线彼此靠近，并从头毗连构成新磁力线。等离子体火箭操纵磁场改变带动磁力线毗连和断开，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，磁力线断开并从头毗连。|维基百科
但磁重联过程需要有足够大的电能支持，等离子体火箭需要的电能近数百千瓦。那么大的电能从哪里来？抉择何种供电体例才气称心需求呢？
浩荡电能从哪儿来？核能？太阳？
1）核反响堆供电
目前认为，更好的动力来源是核反响堆，因而我们能够想象，等离子体火箭最末将是一个核电火箭策动机。用核裂变反响堆为等离子体火箭供给电力，能轻松将人们带到火星。
就目前情状而言，等离子策动机的推力仍然比不上传统火箭，很难将有效载荷从地球带到近地轨道。不外到了近地轨道，等离子策动机的优势就能闪现：假设可以将动力升至200千瓦，将足够供给大约0.45千克的推力——比拟火箭的重量，那听起来轻如羽毛，但在太空中，0.45千克的推力能够驱动2吨重的货物。
等离子体火箭需要浩荡的电能。图中为操纵核反响堆供能的等离子体火箭。|维基百科
2）太阳能电池板供电
将火箭供电安装改成太阳能电池板，能够把太阳能转化为电能。问题是，电池板的效率不敷高，假设向深空陆续进发或者运载更大重量，就需要增加太阳能操纵效率。
研究发现，大型且可控的太阳能电池阵列能够供给高达1千千瓦的功率。但过大的电池阵对航天器的构型、轨道连结和姿势掌握设想等会带来浩荡挑战。
目前国际空间站的太阳能电池也只能供给百千瓦级的电功率，并且那一成果是在地日间隔下，太阳能在火星以外的区域将大幅衰减。
别的，良多科学家也在研究太阳能供电的宇宙飞船——太阳帆，等待将来有一天能利用太阳帆摸索太空。
供给上百千瓦电力的国际空间站。|来自收集
与太阳能电池比拟，空间核反响堆电源的长处在于它是自主电源，不依靠阳光，且储能极高；适用功率范畴广，能够笼盖千瓦以至兆瓦以上功率输出。缺点则是，从平安和手艺角度考虑，核反响堆供电的手艺要求很高，工程成底细对较大，工期长。
目前核电能够有效称心航天使命日益增长的能源需求。跟着空间手艺的开展，大功率卫星、深空探测等都需要大功率长久耐用的供电体例。比拟之下，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往上海需要数十个小时，如今具有更高性能的高铁仅用4个多小时就能够。
同理，脱节传统能源依靠，改为靠电能鞭策的“电火箭”，不只鞭策本身更快地奔向火星，还鞭策了世界航天科技的开展。
相信我们末有一天会征服手艺瓶颈，研发出更高性能的“电火箭”，愈加便利灵敏地奔赴太空游览，往摸索太空深处不为人知的奥秘。
参考材料
VASIMR Human Mission to Mars， Franklin R。 Chang Diaz， et al。