VASIMR发动机让39天去火星成为可能（下）

　　来源｜原创： 超级Loveovergold 转载于：航天爱好者网
　　作者说
　　导语：十年前看阿凡达，气势磅礴的星际飞船带着烧红了的翅膀，飞向潘多拉星球，继而引发了一个外太空拆迁中的爱恨情仇……一转眼，马斯克的不锈钢飞船和猛禽发动机让我们感受到离载人火星之旅越来越近。然而，依靠化学能的火箭发动机是不是最合适的行星际飞船动力？还是NERVA的核热动力氢工质火箭发动机？本期我们来聊聊更有前景的可变比冲的磁等离子体（VASIMR）发动机。
　　本文作者：超超级Loveovergold，作者授权发表
　　上期链接：VASIMR发动机——让39天去火星成为可能（上）
　　（一）借鉴核聚变，超级可变比冲发动机
　　VASIMR发动机全称是可变比冲磁等离子体发动机，由前NASA华裔宇航员张福林(FranklinR.ChangDiaz，哥斯达黎加人，祖籍广东)于1979年提出，基本原理是将等离子体温度加热到高达一千万度甚至更高，借鉴核聚变技术研究的衍生技术，利用磁镜约束场使炽热的等离子体与附近的材料表面隔开。再加上一个合适的磁喷嘴,便可以把等离子体的能量转变为火箭的推力，理论上估算等离子体的比冲达到3000-50000秒（出口速度达到30-500km/s），相当于最好的化学火箭的60倍。
　　VASIMR包括3个相连的线性磁单元，前单元控制气体推进剂的喷射和离子化，中部的磁性单元作为一个放大器，进一步的把等离子体加热到磁喷嘴所需要的输入状态，后部的磁性单元担当了磁喷管的角色，将流体的热能转变为具有方向的射流，同时又保护喷嘴壁并将等离子体从磁场中有效的分离出来。在VASIMR工作的过程中，中性气体被射入到前部的磁性单元中，并在那里被离子化。所生成的等离子体随后在中部磁性单元中，通过射频和磁场的共同作用进行离子回旋共振加热，达到所需要的温度和密度，这时，所有的能量几乎都分布在径向方向上。磁喷管将等离子体的能量转变为射流速度和保证等离子体从磁场中有效脱离，输出经过调整的推力，将径向的能量转换到轴向方向上。
　　基于上述思想，VASIMR由三个相连的磁级执行特定的相关功能：
　　第一级主要注入气体工质，通常为氢、氘、氦、氩等，但其实各种工质在VASIMR高温下都不得不电离，所以不挑剔推进剂。螺旋天线产生高频无线电波加热气体，使其电离成为等离子体，下图标号为1～3。在离子化阶段产生的是螺旋波等离子体（HeliconPlasma）。螺旋波等离子体是一种高密度的低温低气压等离子体，具有非常高的等离子体密度，而且具有稳定、易操作及自动调节等优势。
　　第二级，也称为＂射频增强器＂，离子回旋共振加热级(ICRH)使等离子体进一步加热，用作进一步激励等离子体的放大器。ICRH技术已广泛用于磁约束聚变研究，好比是一台超级微波炉，等离子体被磁线圈产生的磁场捕获，加热到1000万度。下图标号为4～5。
　　第三级是磁性喷嘴，下图标号6，把等离子体最终喷射到空间从而产生推力。
　　目前的高温超导材料技术日新月异，为整个VASIMR系统提升效能铺平了道路。
　　图9.VASIMR实验原型结构图
　　VASIMR发动机特点一：不同于常规化学燃料火箭发动机，它只需要极少燃料，甚至相比较已经很高效的霍尔推进器还要更高效，使其使用更少推进剂即可执行相同的任务。
　　VASIMR的特点二在于可变推力！在恒定功率下可以改变推力和比冲，使得他有更大的灵活性，能有更多的机会改变飞行路线或者返回地球，这就好比是具有＂加力燃烧室＂的战斗机涡扇发动机：如果需要获得大的推力,大部分功率将用于螺旋波等离子体源,产生更多的低速离子，不过牺牲了离子出口速度；如果需要获得高比冲值,更多的功率将送往离子回旋共振加热级,等离子体的出口速度会提高，提升整体效率。
　　该发动机第三个特点是在整个推进过程中，等离子体被磁镜约束在发动机内部的磁场里面，大幅降低发动机耗损。
　　另外如果使用氢作为推进剂，还可以产生对宇宙射线良好的隔离作用。同时氢也是宇宙中最丰富的元素，随着技术的不断发展，将来可以在太空中随时摄取氢，为VASIMR补给燃料，实现长途飞行。
　　张福林博士在《VASIMR Human Mission to Mars》论文中进行了测算，如果给予20万千瓦的电能，供电设备的质量功率比（设备质量与发电功率的比值）优化到1千克/千瓦，VASIMR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！甚至设计了一个在2033年的火星来回之旅，包含在火星36天的考察，来回仅需要150天。
　　图10.VASIMR可变的推力，优化了地球-火星转移轨道的推进剂消耗
　　（二）核能，必须核能
　　尽管VASIMR发动机在理论上可能实现航天器39天抵达火星，但凡事均有两面性，VASIMR需要电，大量的电用来加速推进剂！
　　是否可以用太阳能？基于当前技术，大型且可控的太阳能电池阵列可为电推进提供高达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产生巨大挑战，目前国际空间站的太阳能电池也只能提供100KW的功率，而且这一结果是在地日距离下，太阳能在火星等以外区域将大幅衰减。展望未来，载人探索需要更高效和更快速的推进技术，笔者认为推进电能的提供非空间核反应堆电源莫属。
　　空间核反应堆电源（spacenuclearreactorpower）是在空间任务中将核反应堆产生的热能转换成电能为航天器供电的装置。与太阳能电池相比较，空间核反应堆电源的根本优点在于其为自主电源，不依赖于阳光且储能极高；适用功率范围广，可以覆盖千瓦至兆瓦及以上功率输出，质量功率比随功率增长而降低，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、长寿命的空间能源相匹配，空间核反应堆电源将成为这些大功率航天器的优选能源。
　　而且祖布林在《赶往火星》一书里面提出了原位利用的概念，19世纪的法国化学家保罗·萨巴蒂尔(PaulSabatier)在1912年发现了使用二氧化碳生成甲烷的反应，在高温（300-400℃）和一定压力下，在催化剂（如：镍，钌或氧化铝）的协助下，CO2+4H2-->CH4+2H2O，这个反应又称萨巴蒂尔反应或甲烷化反应。火星大气层的主要成分是二氧化碳，根据之前NASA在火星发现水的证据，利用太阳能或者核能电解水产生氢（氧可以提供宇航员呼吸），与二氧化碳反映就可以生成甲烷用于返回低火星轨道的推进剂。因此完成飞行任务的空间堆送到火星地表的可以发挥余热，一物两用，较太阳能能够更稳定的提供电能满足各种任务需要。
　　美俄已成功将0.5～5kWe的核反应堆电源送入了太空，目前正在研发千瓦至兆瓦、寿命超过10年的新型空间核反应堆电源。不过要指出的是，空间堆发电，无论是使用温差热电偶转换、直接热电转换的热离子堆，还是闭式布雷顿循环的高温气冷堆和斯特林循环等方式，都存在转换效能问题，目前转换效率在23%～35%左右，未来可能超过40%，但效能问题必然牵涉到空间散热问题。太空是高真空环境，没有对流，散热系统只能以热辐射的方式向深空进行热传递。因此，散热系统一方面需通过换热器将热量从核反应堆的循环系统中带走，另一方面需将热量传输扩展到大型辐射器上进行排散。随着核反应堆功率的增加，需要体积巨大且笨重的热管辐射散热器。据估算，散热系统的质量将达到反应堆质量的1～2倍之多，这需要更多给力的运载火箭运送到低地球轨道。下图为国外艺术家NickStevens设计的HOPE（希望号）行星际飞船，空间核反应堆给VASIMR供电，头部是核反应堆和屏蔽罩，巨大的热管辐射散热器面积达到3330平米，中间的支撑衍架走的电力电缆和冷却剂管路，尾部是推进剂舱和乘员舱。
　　图11.国外艺术家NickStevens设计的行星际飞船，空间核反应堆给VASIMR供电
　　四、VASIMR发展现状
　　张福林在2005年创办了阿德斯特拉火箭公司（AdAstra Rocket Company），在NASA的支持下研发VASIMR发动机，从10kW的VX-10样机起步到功率为30kW的VX-30样机研制的进展，让美国宇航局认识到VASIMR能够比现代化学动力火箭更快地前往火星。在2015年NASA授予其为期三年、价值900万美元合同，要求该发动机能在100千瓦下持续点火10秒或在50千瓦下持续点火1分钟，在2018年年中使发动机在100千瓦功率水平下持续点火100小时。目前最新的消息是在2017年底，该公司成功地积累了100小时的非连续大功率测试，氩气工质被加热到超过200万度。
　　图12.VASIMR在真空模拟环境喷射出高速等离子体，测试功率100kW
　　2018年5月25日加拿大航天局宣布为该公司提供了150万美元的资金，支持VX-200SSTM发动机2018年四季度进行的100小时连续高功率点火测试。目前并没有消息更新。
　　笔者认为VASIMR目前面临的难题不仅仅是耐久性，未来在提高推力和效率上还有很多工作可以做，但VASIMR的研制方向无疑是正确的。
　　结尾从电影《阿凡达》展望未来。今年是电影《阿凡达》上映10周年纪念，都说这部片子的导演詹姆斯∙卡梅隆严谨，对电影的技术细节要求极为苛刻，聊聊这部科幻片在星际旅行中的一些前卫设想。
　　故事发生在潘多拉星球，一颗巨大的气体行星的＂月球＂，处在离地球最近的恒星——半人马座阿尔法星。不过距离也达到4.4光年。詹姆斯∙卡梅隆设想使用0.75倍光速的惊人速度奔向潘多拉星，靠的是开篇巨大的ISV（Inter Stellar Vehicle）VentureStar星际飞船，这艘飞船的推进系统有很多暗黑高科技！
　　图13.ISV（InterStellarVehicle）VentureStar星际飞船
　　反物质引擎，ISV采用最极端的科技之一就是使用反物质引擎。反物质就是正常物质的镜像，正常原子由带正电荷的原子核构成，核外则是带负电荷的电子。但是，反物质的构成却完全相反，它们拥有带正电荷的电子和带负电荷的原子核。
　　反物质听上去很玄乎，但其实就在我们生活中！大家经常听到PET-CT，肿瘤病人常常使用的诊断方式，其实就是采用了电子的反物质——正电子核素为示踪剂，通过追踪湮灭产生的γ光子，快速获得从分子水平动态观察到代谢物或药物在人体内的生理生化变化，研究人体生理、生化、化学递质、受体乃至基因改变。
　　当正反物质相遇时，双方就会相互湮灭抵消，它们会转化为纯能量，正如阿尔伯特•爱因斯坦著名的等式所预测的那样：E=mc^2。仅仅需要10毫克的反物质就可以在45天内将人类送到火星。但是，批量反物质是用粒子加速器制造的，即使产生极少量的反物质，也要花费大约巨大的资金。2000年9月18日，欧洲核子研究中心宣布他们已经成功制造出约5万个低能状态的反氢原子，这是人类首次在实验室条件下制造出大批量的反物质。不过反物质保存难。
　　ISVVentureStar有两台反物质发动机，工质是氢和反氢，反氢燃料被磁场高密度约束在真空环境，冷却到接近绝对零的温度；液氢则被贮存在巨大的球型贮箱中。当引擎启动时，反氢和氢湮灭释放出大量的能量，一部分加热氢工质电离，另外一部分转化为电能产生超强磁场加速、引导等离子体高速排出，这是比焊接电弧亮一百万倍的白热状态等离子体，长度超过三十公里。
　　这其实就是VASIMR发动机的技术概念！
　　那么您也可以分析出，题图这对烧红的翅膀，就是大量热能转换为电能过程中由于转换效率问题而必须的空间热管辐射散热器，按照剧情，飞船到达潘多拉星球前的大脚减速＂刹车＂，主推进装置关闭后，由于功率实在太大，空间热管辐射散热器会继续发光几周！
　　图14.ISVVentureStar星际飞船＂烧红的翅膀＂，依稀可见通红的热管
　　怎么样，艺术源于生活，高于生活……
　　——全文完——