互动科普

在漆黑的茫茫宇宙中，美国航空航天局（NASA）的曙光号（Dawn）空间探测器正孤独地穿越火星轨道，加速向小行星带飞去。NASA发射这艘无人探测飞船，是为了寻找太阳系起源的新线索，它的目的地是小行星灶神星（Vesta）和矮行星谷神星（Ceres）。它们是残留至今的行星胚胎中体积最大的两颗——大约45.7亿年前，正是无数这样的行星胚胎相互碰撞并合，才形成了今天的行星。

不过，探测目的并不是它如此引人注目的全部原因。2007年9月发射升空的曙光号探测器，会在长途飞行的中途阶段采用一种新型空间推进技术——等离子体火箭发动机（plasma rocket engine）。这种发动机不像常规火箭那样，通过燃烧液体或固体燃料来产生推力，而是利用电力产生和操控离子化气体推进剂来做到这一点。目前，研究人员正在开发几种更先进的等离子体发动机，

NASA喷气推进实验室（JPL）的工程师在设计曙光号探测器时，给它的火箭系统配备了一台等离子体发动机，因为这种发动机效率极高，抵达小行星带所需的燃料仅为化学火箭发动机的十分之一。如果项目规划者当时选用了一套常规发动机，曙光号或许能够抵达灶神星或谷神星，但无法两者兼顾。

电火箭发动机迅速崭露头角，成为把探测器送到遥远目的地的最佳选择。采用电火箭取得成功的例子越来越多。NASA的深空1号（Deep Space 1）探测器在完成主要任务之后，仍剩余了不少推进剂，足以让它去探访另一颗彗星，算是超额完成任务。试图在一颗小行星上登陆的日本隼鸟号（Hayabusa）探测器和欧洲空间局的探月卫星智慧1号（SMART-1），也都采用等离子体发动机提供推进动力。美国、欧洲和日本的深空任务规划者在设计未来的探测任务时，纷纷采用了等离子体发动机，它们将推动这些探测器去探索太阳系的外行星，搜寻外星类地行星，甚至把广阔的宇宙空间当作实验室来研究基础物理学。

漫漫发展路

早在20世纪头十年，火箭先驱们就想过用电来推动空间飞行器。但直到20世纪50年代中期，已故的恩斯特·施图林格（Ernst Stuhlinger）才最终把这种想法变成实用技术。［施图林格曾是韦恩赫尔·冯·布劳恩（Wernher von Braun）领导的德国火箭科学家团队的一员，正是这个团队开创了美国的空间计划。］几年后，NASA格伦研究中心（即当时的刘易斯研究中心）的工程师研制出了第一台能够正常运转的电火箭。1964年，这台发动机被安装在空间电火箭试验卫星1号（Space Electric Rocket Test 1）上进行了亚轨道飞行，并在火箭落地前成功地工作了半个小时。

与此同时，苏联研究人员也独立设计了几种电火箭构想。自20世纪70年代以来，空间任务规划者就广泛采用了电火箭，因为在维持地球同步通讯卫星的姿态和轨道位置之类的任务中，电火箭能够节省推进剂。

化学火箭的不足

与常规火箭相比，等离子体发动机提供的好处极为诱人。普通人在想象一艘飞船穿越茫茫虚空前往另一颗遥远行星时，往往会设想飞船身后拖着一条长长的、从喷嘴中喷出的炽热气流。然而，实际情况完全不是这样：在远征外太阳系的大部分时间里，火箭根本不工作，因为大多数燃料通常在火箭点火的头几分钟里就消耗光了，飞往目的地的余下路程，将由飞船依靠无动力滑行来完成。确实，所有飞船从地球表面发射升空用的都是化学火箭，中途的轨道修正也可以用化学火箭来完成。但是，用化学火箭推动深空探测器是不切实际的，因为它们需要大量燃料，数量多到根本无法将它们送入轨道。就算能够发射，成本也不是任何国家负担得起的——将1千克重的任何东西送入地球轨道，都需要花费差不多2.2万美元。

为了在不能补充燃料的情况下获得高精度、长距离飞行所要求的轨道及高速度，以往的许多深空探测器不得不花费几年的时间，偏离航线前往其他行星或卫星，以便借助这些星球的引力将它们加速甩到预定方向［这种弹射运动被称为引力助推机动（gravity-assist maneuver）］。这种迂回曲折的飞行路线，把探测器的发射时间限制在很小的几个窗口：只有在很短的几个时间间隔内发射，才能保证探测器准确飞掠某个天体，让后者提供准确的引力助推。

更有甚者，采用化学火箭发动机的飞行器在向目的地飞行几年之后，往往会耗尽燃料无法制动。深空探测器应当具有再次启动火箭的能力，才能减慢飞行速度，进入一条环绕目标星球运转的轨道，从而展开广泛的科学观测。如果无法制动，探测器就只能和它打算研究的天体来一次短暂的“擦肩而过”。NASA于2006年发射的新视野（New Horizons）深空探测器就是如此：经过长达9年多的飞行之后，该探测器和它的最终研究目标——最近被降级为矮行星的冥王星，只有不到一个地球日的“亲密接触”时间。

火箭方程

一定有人会问：为什么工程师不想办法让探测器带够化学燃料再飞向深空，这样不就可以避免长途空间探测任务的这些困难了吗？要解释工程师面临的困难到底有多大，我们必须对所谓的“火箭方程”（Rocket Equation）有所了解。1903年，俄罗斯科学家、现代火箭及航天之父康斯坦丁·E·齐奥尔科夫斯基（Konstantin E. Tsiolkovsky）首先提出了这个基本公式。后来飞行任务设计者一直用这个公式来计算完成特定飞行任务所需的推进剂质量。

通俗地说，火箭方程描述了这样一个直观事实：从飞船上抛射推进剂的速度越快，火箭完成一次轨道机动所需的推进剂就越少。设想一个棒球投手（相当于火箭发动机）带着一桶棒球（相当于推进剂）站在一块滑板 （相当于飞行器）上。投手向后投球的速度越快（相当于火箭喷气速度越快），投完最后一个球后，滑板向相反方向运动的速度就越快——换句说话，桶里的棒球越少（相当于推进剂越少），投手就必须更加用力地投球，才能让滑板达到原定的预期速度。科学家把滑板速度的这一增量称为△V。

更专业的说法是，火箭方程将火箭在外层空间执行特定任务所需的推进剂质量，与两个关键速度联系起来：一个是火箭向外喷气的速度；另一个是飞行任务要求的速度增量△V，即火箭点火前后飞行器的速度将增加多少。△V代表了飞行器改变自身惯性运动和执行预期空间机动所必须付出的能量。选定任何一种火箭技术，也就确定了火箭的喷气速度，火箭方程就能把预定任务的△V转换成完成这项任务所需的推进剂质量。因此，△V可以被当作是飞行任务的“标价牌”，因为将所需的推进剂发射升空的花费，通常占到了执行一项任务的总成本的绝大部分。

常规化学火箭喷气速度较低，只能达到每秒3~4千米。仅这一点，就让常规火箭的使用遇到了问题。此外，火箭方程的指数性质表明，飞行器初始质量中燃料所占比例，即“推进剂质量比”（propellant mass fraction）随△V的增加而呈指数增长。因此，一项对△V要求较高的深空探测任务所需的燃料，将占到飞行器的几乎全部初始质量，留不出什么空间来搭载其他任何东西了。

举几个例子来说明一下。从近地轨道飞往火星所需的△V约为4.5千米／秒。根据火箭方程的计算，如果用常规化学火箭执行这种行星际运送任务，所需推进剂质量将超过飞行器总质量的2/3。远征外行星这样更加雄心勃勃的任务，对△V的要求约在35千米/秒~70千米/秒之间，化学火箭所需的燃料将超过飞行器总质量的99.98%——这样的飞行器根本没有空间来安装其他硬件或科学设备。随着探测器深入太阳系中更加偏远的地带，化学火箭将变得越来越没用——除非工程师能够找到大大提高它们喷气速度的方法。

事实证明，改进化学火箭是一项极难完成的任务，因为产生超高喷气速度要求燃料燃烧达到极高的温度。达到如此高温的能力受到两方面限制：一是已知化学反应所能释放的总能量，二是火箭发动机燃烧室内壁材料的熔点。

加速等离子体

与化学火箭相反，等离子体推进系统能够提供大得多的喷气速度。化学火箭依靠燃烧化学燃料产生推力，等离子体发动机则是把等离子体（plasma，即带电原子或分子构成的气团）加速到极高速度来产生推力。用激光、微波或射频波照射气体或者对气体施加强电场，诸如此类的方法把能量强加给气体就能产生等离子体。额外的能量使气体中的原子或分子释放出电子，前者变成了携带正电荷的离子，后者则在气体中自由移动，把电离气体变成了性能远胜于金属铜的导电体。由于等离子体包含带电粒子，它们的运行会受到电场和磁场的强烈影响，因此对等离子体施加电场或电磁场，可以使其中部分粒子加速，让它们从飞行器尾部喷出，从而产生推力。加速所需的电场或电磁场可以用电极和磁铁产生，也可以用外部天线或线圈感生，甚至可以由在等离子体中传播的电流来驱动。

用于产生和加速等离子体的电能，通常来自于太阳能帆板采集的太阳能。但飞越到火星轨道以外的深空探测器就必须依靠核电源，因为在距离太阳如此遥远的地方，太阳能也变得太过微弱了。今天的小型无人探测器使用核同位素衰变来加热温差发电装置，但未来更加雄心勃勃的任务可能需要用到核裂变（甚至核聚变）反应堆。任何核反应堆都在飞行器进入一条稳定轨道、距离地球足够安全的情况下才会启动。在发射升空的过程中，核燃料将被安全地置于某种惰性状态。

有三种等离子体推进系统已经发展成熟，足以应用于各种远程探测任务。应用最广泛的一种，正是为曙光号提供推动力的离子发动机（ion engine）。

离子推进器

离子发动机是比较成功的电推进构想之一。一个世纪以前，当时还在美国伍斯特理工学院（Worcester Polytechnic Institute）读研究生、后来成为美国火箭先驱的罗伯特·H·戈达德（Robert H. Goddard）产生了一个想法，这成了离子发动机最早的设计基础。离子发动机产生的喷气速度可以达到20千米/秒~50千米/秒（见第34页插图）。

最常见的离子发动机，电源一般由太阳能帆板提供。发动机形如一个“矮胖”圆筒安装在飞行器尾部，比一个水桶大不了多少。在这个圆筒的内部，氙气（xenon）从推进剂贮箱流入离化室（ionization chamber），一个电磁场在离化室中将电子从氙原子中踢出来，形成一团等离子体。随后，加在两个栅电极之间的电场发挥作用，把等离子体中的正离子提取出来，并加速到极高的速度。电场中的每个正离子都受到安装在尾部的负电极施加的强大拉力，因此向后加速。

正离子不断喷出，会让飞行器携带净负电荷；如果负电荷不断累积，就会把正离子再吸回飞行器，抵消离子发动机产生的推力。为了避免出现这种问题，一个外部电子源（一个阴电极或电子枪）会向正离子束流中喷射电子去中和它，使飞行器本身保持电中性。

目前已有几十台离子推进器正在商用卫星上正常运转，大多数被安装在地球同步通讯卫星上，用于卫星的“位置保持”（station-keeping）及姿态控制。之所以选择这些离子发动机，是因为它们与化学推进器相比，能够大大减少所需的推进剂质量，使每颗卫星节省上百万美元。

20世纪末，深空1号成了世界上凭借电推进系统从地球轨道上逃脱地球引力束缚的第一个飞行器。为了飞越包瑞利彗星（Borrelly）的尘埃彗尾，深空1号消耗了不到74千克的氙推进剂，将飞行速度提高了大约4.3千米／秒。这是迄今为止所有飞行器中，通过推进方式（而没有依靠引力助推）获得的最高速度增量。曙光号探测器很快就会打破这个纪录，因为它的飞行速度将提高10千米/秒。喷气推进实验室的工程师最近已经证明，离子推进系统可以连续运转三年多而不出现任何故障。

等离子体火箭的性能不仅取定于粒子的喷射速度，还取决于发动机的推力密度（thrust density），即单位面积喷口所产生的推力大小。离子发动机和其他类似的静电推进器都有一个重大缺点：受到空间电荷限制（space-charge limitation）的影响，它们的推力密度被严重降低。在一台离子发动机中，随着正离子在栅电极之间穿过，正电荷会不可避免地在这片区域中积累。这种积累会限制加速电场的最大强度。

由于这一现象，深空1号的离子发动机产生的推力，大约只相当于一张纸的重量，完全不同于科幻电影中雷鸣般震响的火箭发动机，反而更像一辆花两天时间才能从静止加速到每小时100千米的“蜗牛”汽车。不过，只要愿意等上足够长的时间（通常要好几个月），这些发动机最终总能使△V提高到远距离航行所需的较高水平。这种“壮举”之所以能够实现，是因为真空中不存在空气阻力，哪怕再小的推力，只要持续不断地发挥作用，都可以达到很高的推进速度。

霍尔推进器

一种被称作“霍尔推进器”（Hall thruster，参见右侧插图）的等离子体推进系统能够避免空间电荷限制，因此拥有更高的推力密度，能够比同等尺寸的离子发动机更迅速地把飞行器加到高速。这项技术经过苏联科学家持续30年的发展，自20世纪90年代初以来日益被西方国家接受。霍尔推进器已经万事俱备，不久就会被应用于远程探测任务。

这种推进系统的工作原理，是美国物理学家埃德温·H·霍尔（Edwin H. Hall）在1879年发现的一种基本效应，当时他还是美国约翰斯·霍普金斯大学物理专业的一名研究生。霍尔证明，在一块导体内部，当电场和磁场相互垂直时，就会有电流（被称为霍尔电流）沿着垂直于电场和磁场的方向流动。

在圆筒形的霍尔推进器中，内部阳极与外部阴极之间发生放电，电离内部的中性气体，形成等离子体。一个外加的径向磁场与环绕中心阳极的环形电流（即霍尔电流）相互作用，由此产生的洛伦兹力（Lorentz force）将那些等离子体加速喷出发动机。这种霍尔电流是电子在磁场和电场中运动产生的。霍尔推进器的喷气速度介于10千米/秒~50千米/秒之间，具体取决于可用的电源功率。

这种电火箭加速整个等离子体（包括带正电的离子和带负电的电子），不会出现空间电荷积累，因此推力密度是同样尺寸离子发动机的好几倍——换句话说，霍尔发动机所提供的推力及△V，也是同样尺寸离子发动机的好几倍。目前已有200多台霍尔推进器在地球轨道卫星上运转。欧洲空间局的智慧1号也使用了一台霍尔推进器，因而飞向月球耗费的燃料也很少。

现在的霍尔推进器尺寸很小，工程师正在努力建造更大的霍尔推进器，使它们能够在更大的功率下运行，以便产生更大的喷气速度，提供更强大的推力。改进工作还希望将霍尔发动机的运行寿命延长到几年，以满足深空探测任务的要求。

美国普林斯顿等离子体物理实验室的科学家已经朝上述目标迈进了一步：他们在霍尔推进器的内壁上插入了片状电极，这些电极能够改变内部电场的形状，有助于将等离子体聚焦成一条很细的喷气束流。这种设计减少了无用的非轴向推力分量，使等离子体束流远离推进器内壁，从而改善了推进系统的运行寿命。德国工程师采用特殊形状的磁场也获得了类似的结果。与此同时，美国斯坦福大学的研究人员证明，采用坚硬的人造多晶金刚石做衬壁，可以大大提高推进器对抗等离子体侵蚀的能力。这些改进最终将使霍尔推进器适用于深空探测任务。

下一代推进器

增加发动机中被加速的等离子体总量，是进一步提高等离子体推进系统推力密度的一种方法。但在霍尔推进器中，随着等离子体密度的增加，电子会越发频繁地与原子和离子发生碰撞，形成加速等离子体所需的霍尔电流就变得更加困难。一种被称为磁等离子动力推进器（magnetoplasmadynamic thruster，MPDT）的设计方案摒弃了霍尔电流，用一个几乎与电场成一条直线的电流取而代之（参见左侧插图）。该电流不像霍尔电流那样容易被原子碰撞破坏，因此磁等离子动力推进器允许等离子体变得更加稠密。

一般来说，磁等离子动力推进器由一个大圆筒形阳极和位于它内部的中心阴极构成。阴极与阳极间的环形空间中被泵入一种气体（通常是锂蒸气），从阴极径向流向阳极的电流将这些气体电离。这种电流还会感生出一个环绕中心阴极的环形磁场，再与电流本身相互作用形成洛伦兹力，进而加速等离子体产生推力。

单单一台大小跟普通家用水桶差不多的磁等离子动力发动机，就能将源自太阳能或核能的100万瓦电能转化为推力（这些电能足以同时点亮上万个标准电灯泡），大大超过同样尺寸离子推进器或霍尔推进器所允许的最大功率。一台磁等离子动力推进器能够产生15千米/秒~60千米/秒的喷气速度。这确实是小型等离子体发动机所能达到的极致了。

这种设计还具有性能参数可调的优点：改变电流大小就能调节发动机的喷气速度，改变推进剂流速则能调节发动机推力的强弱。这种调节性能让任务规划者可以根据需要改变飞行器发动机的推力和喷气速度，以便优化飞行路线。

许多因素都会影响磁等离子动力推进装置的性能和寿命，比如电极侵蚀、等离子体不稳定性、等离子体中的功率损耗等。对此所做的大量研究已经开发出一种利用锂和钡作为推进剂的新型高性能发动机。锂和钡很容易电离，它们形成的等离子体中内能损失也较少，有助于将阴极维持在较低的温度。科学家还设计了一种特殊的阴极，其中包含许多通道，能够改变电流与阴极表面相互作用的方式。液态金属推进剂和这种特殊阴极的使用，已经大大减少了阴极受到的侵蚀。这些技术创新正让磁等离子动力推进器变得更加切实可行。

一个由高校和NASA研究人员组成的团队最近完成了α2推进器的设计方案，这种极为先进的磁等离子动力推进器使用锂推进剂，有能力推动一艘核动力飞船将大量货物和人员送到月球，也可以把无人探测器送往其他行星。

乌龟的胜利

离子推进器、霍尔推进器和磁等离子动力推进器，只不过是众多等离子体电火箭技术之中最为成熟的三种。过去几十年来，研究人员已经发展出许多其他的相关构想，其中不少都很有希望，技术成熟程度则各不相同。它们运行方式不同——有些是间歇运行的脉冲发动机，另一些则持续运行；产生等离子体的方式不同——有些通过电极放电，有些利用线圈磁感应，还有一些借助于天线辐射；采用的等离子体加速机制也不同——有些利用洛伦兹力，另一些则把等离子体拖入磁感应产生的电流片（current sheet）或移动的电磁波中加速它们。甚至有一种构想试图通过磁场构成的无形“火箭喷嘴”来喷射等离子体。

不论是哪种等离子体火箭，它们提供的加速度都远远赶不上常规化学火箭。但使用相同质量的推进剂，它们能够达到的最终速度却比常规推进系统快得多，因此反而能更快抵达遥远目的地。由于最终速度更快，它们也不必耗时费力地绕远路去借助其他行星的引力助推——就像龟兔赛跑那则寓言故事一样，速度缓慢但坚持不懈的乌龟最终超过了奔跑迅速的兔子，在即将到来的深空探测时代，马拉松式的长途飞行将变得越来越普遍，而乌龟将会成为最终的胜利者。

目前最先进的发动机设计方案，能够提供100千米/秒的速度增量——虽然这种速度远不足以将飞行器送往遥远的其他恒星，但在可以承受的时间内探访外行星还是绰绰有余的。一个特别激动人心的深空探测任务已被提出，那就是登陆土卫六泰坦再采样返回地球。空间科学家相信，这颗土星最大卫星上的大气层与亿万年前的地球大气层极为相似。

从泰坦表面取回的样品将为研究人员提供罕有的机会，去搜寻能够演化出生命的化学物质存在的迹象。使用化学推进器不可能完成这项任务。此外，如果在飞行途中不进行推进，整个航程就需要多次借助行星引力助推，总飞行时间又要增加3年多。相比之下，一个探测器如果配备了“达到极致的小型等离子体发动机”，就能在短得多的时间里完成这项任务。