 富兰克林·拉蒙·张-迪亚兹（Franklin Chang-Díaz） 在油罐车大小的银色真空室前，富兰克林·拉蒙·张-迪亚兹（Franklin Chang-Díaz；中文名张福林，他有着四分之一的华人血统）沿着梯子爬到舷窗前。只见一道蓝紫色的光辉映照出来，毫无闪烁，仿佛凝固了一般，宛如一支特大号的手电筒。 “看着有点无聊，”张福林坦言，“但你要知道，里面那道尾焰的温度有350万度。谁要是把手伸进去，结果就不太妙了。” 说实话，这道尾焰看上去并无特殊之处。但喷射它的发动机却是革命性的。 原因有二：其一，跟传统火箭发动机不同，它只需要消耗很少的燃料；其二，有朝一日，在这种发动机的推动下，太空飞船有望达到足够快的速度，载着人类尽情探索太阳系。 从一开始，这就是“可变比冲磁等离子体火箭”（VASIMR）想要达成的目标。而且它在理论上的可行性从来都不是问题：产生并激发等离子体，然后让它们从喷嘴中高速喷出，进而产生推力。不过，实际构建起来，它又面临工程学上的种种挑战，比如管理等离子体及其热性能，使之长时间运转。克服这些困难并不简单，所以它的实用性受到很大质疑。 张福林生平简介 但即便是唱衰者也承认，张福林本人非常优秀——工作刻苦、头脑聪明。1969年，他从哥斯达黎加移民美国，以完成高中学业。后来他从麻省理工学院（MIT）获得等离子物理学博士学位。再后来，他作为宇航员，执行过七次航天飞机飞行任务，与另一位宇航员杰里·罗斯（Jerry Ross）并列成为纪录保持者。 从他当上宇航员那一天起，张福林就怀有一个梦想，就是要把自己的学术专长和宇航员生涯结合起来。 所以，他很早就通过互联网，调用他在波士顿等离子物理实验室的数据，结合宇航工作进行研究。慢慢地，他发展出等离子火箭理论，并开始构建原型。从始至终，都有人都悄悄议论说，这根本不可能做到。 只不过现在，不可能变成了可能。2015年，美国宇航局（NASA）将一份900万美元的三年期合约，授予了张福林的公司Ad Astra，作为下一代“太空推进系统”开发项目的一部分。这是一个天赐良机，一个证明给怀疑者看的机会。当然，这不是件容易的事。明年，Ad Astra的等离子火箭必须以100千瓦的输出功率，持续运转100个小时。 到今年2月，该公司已经完成合同进度的大约一半。合约期第一年，NASA给予该公司高度好评。不过，路漫漫其修远。最近记者前去采访时，VASIMR发动机还只能以100千瓦的输出功率，持续运行10秒；或以50千瓦持续运行1分钟。 火箭原理  在2002年的一场太空任务中，张福林出舱，执行国际空间站构建任务。 该发动机以惰性气体氩气作为等离子原料，分成两级。第一级火箭将氩气离子化，获得低温等离子体，并将其注入第二级火箭，也就是真正的推进器，完成“离子回旋共振加热”过程。简而言之，就是推进器用无线电频率激发等离子，使它们发生振荡。 离子振动并吸收能量，继而螺旋向上，形成过热等离子体流。这股热流继而穿过一个开瓶器形状的喷嘴，加速喷出火箭尾部，产生推力。 相对于大多数现有的推进技术，这种设计提供了几个关键优势。最值得一提是，不像化学燃料火箭，等离子体火箭是用电的。因此，它飞越太空时，不需要巨大的燃料罐，或是液氢液氧，只要一些太阳能电池板即可。  VASIMR发动机的工作原理 产生等离子体，以及在助推器中激发等离子体，这两个过程均由太阳提供动力，而且可以相互调节。当飞船需要推进时，太阳能主要被用于产生等离子体。 这个过程会消耗更多的推进剂，但能提供更大的推力，帮助飞船应对特殊情况，如脱离地球轨道等引力井。之后，当飞船进入巡航状态时，太阳能主要供推进器使用，从而提供更强的比冲，以及更高效的燃料利用。 “这就好比汽车换档，”张福林解释说。“发动机并没有变。但爬坡时，发动机的动力要尽量增加扭矩而非转速，慢是慢点，但能爬上去。当你行驶在笔直平坦的高速路上时，你就得挂高档了。一直挂着最低档是去不了火星的。化学燃料发动机之所以没法带我们去火星，就是这个道理。” VASIMR的设计还有一个好处：从始至终，等离子体都在发动机内，被磁场所束缚。在实际操作中，这能大大降低发动机磨损——如果有朝一日，我们要载着人类环游太阳系，它就大有用武之地了。 太阳能电力推进  对太阳能推进的概念，我们并不陌生。早在50年前，美国和苏联就启动了霍尔效应推进器的理论研究。苏联还率先进入了工作模型的开发。他们用电力将推进剂（通常是氙气）离子化，继而使之加速并喷射出去，从而推动飞船前进。 NASA的不少无人探测器都采用了霍尔推进器，最值得一提的当属黎明号（Dawn）飞船。它曾探索小行星带中的灶神星（Vesta）和谷神星（Ceres）。它安装了三台霍尔推进器，单台输出功率为10千瓦，动力来自飞船上的太阳能电池板，只能提供90微牛顿的推力，在化学能发动机面前（推力可达500牛顿）面前，只能算是小巫见大巫。不过，化学能发动机要消耗巨量燃料，而霍尔推进器胃口极小，而且能不间断地运转。 太阳能电力推进的潜在优势，就是发动机体积大幅缩小，燃料需求大幅降低，初始速度虽慢，但可以慢慢积累，最后与传统火箭的速度不相上下。就霍尔推进器而言，单台推进器可以提供的动力存在上限，这就限制了飞船可以达到的最高速度，因此运载能力很有限，无法达到载人要求。  在NASA位于克里夫兰的格兰研究中心，一台输出功率13千瓦的霍尔推进器原型在接受测试。 张福林的VASIMR发动机优点众多，其中还包括这么一项：单位燃料产生的冲力能提高一倍，也就是说，和霍尔推进器相比，VASIMR达到同等性能所需的推进剂要少得多。 只是存在一个问题：这种新技术从未试飞过，而且，由于NASA为开发霍尔推进器下了血本，一旦等离子体火箭取得成功，原来围绕霍尔推进器建立的人才群体就会分崩离析。2015年，NASA虽只授予Ad Astra一笔很小的经费，但意义却十分重大，其原因就在这里。 “NASA在霍尔推进器身上投了很多钱。”张福林说。“我们是后来者。但如今，他们也开始关注我们。他们发现，我们的火箭可以实现强大的性能，具有极大的提升空间。从外部打入NASA，一路下来，还是挺难的。你所颠覆的不是别的，正是现有格局，也就是说，你抢走了其他项目的经费。” NASA目的何在？  1986年美国宇航局STS-61C飞行任务的成员组合影。前排左二的黑人宇航员是查尔斯·波尔登，后来当上美国宇航局局长；照片右数第一正是张福林。 NASA终于决定在张福林身上赌一把。为什么？有一种解释是，NASA局长查尔斯·波尔登（Charles Bolden）早年也是一名宇航员，和张福林一起执行了1986年和1994年的两太空飞行任务，所以他想帮朋友一把。 但也有认真正相信Ad Astra能做出一番事业。其中就包括NASA先进勘探系统（Advanced Exploration Systems）主任杰森·克鲁森（Jason Crusan），正是它他直接管理着Ad Astra拿到的那份合同。 除了这份合同，NASA还向Aerojet Rocketdyne公司提供了数目相近的经费，用于研发嵌套型霍尔推进器；另有一笔数目更少的经费给了MSNW，用于开发另一类型的电力推进发动机。所有这些项目都有一个相同的终极目标，就是创造一种输出功率300千瓦的电力推进发动机。 克鲁森说，NASA想要普及电力推进技术，从而实现火星旅行。这可能意味着需要把化学能火箭和电力发动机结合起来。这些实验能不能成，目前还无法判断，但NASA只想通过一小笔投资，赶在规划人类火星移民之前，及时找到答案。 “从根本上讲，我相信在这个领域，政府投资不可或缺，”克鲁森说，“这些技术也许没有一个能成功。但它们总有有利的一面。” 一旦实现强大的电力推进，并在实践中加以验证，我们就能降低人类登陆火星的成本。在化学能火箭发动机和太空推进方面，NASA已经拥有充分的经验，但对火星之旅这类任务，需要进行多次发射，才能凑够一路上所需的燃料。相比之下，电力发动机能大幅节省燃料，从而节省空间和时间。 为确定电力推进的可行性，NASA设定了严格的标准，要求2018年年中以前，要能持续运转100个小时，将输出功率维持在100千瓦。“这是硬指标，你要么做得到，要么做不到，”克鲁森说，“不是能蒙混过关的。” 太空马车夫  十年前离开NASA时，张福林来到距约翰逊太空中心几英里的克利尔雷克（Clear Lake），在一个类似仓库的建筑里成立了自己的公司。这是一幢普通得不能再普通的建筑，被一群商铺包围。后来有了NASA的经费，Ad Astra才得以改进设施。 这些经费被用来改进真空室，既要转移发动机释放的热量，还要维持内部的真空状态——当发动机释放着350万度高温的等离子体时，这可不容易办到。Ad Astra还构建了一台新的发动机原型，工程师们相信，这个原型就能满足持续运行100小时的要求。 到目前为止，该公司及时达成了NASA设立的所有项目节点。它已经测试过最新的等离子体发生器，新推进器也完成了短程试车。张福林说，在应对等离子体产生的热量方面，最新的改良设计运转良好。100小时的测试固然令人生畏，不过张福林很乐观。  已经66岁的他，依然有着敏锐的头脑和健壮的体格，仿佛只要NASA一声令下，随时都可以重返太空。毕生的工作将他带上了这座悬崖，现在，他做好了纵身一跃的准备。 这些年来，维持这家公司的运转着实不易，Ad Astra通过私募方式共筹集到3000万美元。如今，NASA又想开发300千瓦的发动机，这个目标与As Astra的短期商业计划不谋而合。按照该公司的计划，最初版本的VASIMR发动机将作为“太空货车”的基础，参与地球附近的货物运输。“在我们的投资人看来，VASIMR发动机可以在地球、月球和地月之间运输货物。”张福林说。“可以说，它是台‘很省油的柴油发动机’。” 在这方面，化学能发动机也不示弱。有着波音和洛克希德马丁两家军工巨头撑腰的联合发射联盟（United Launch Alliance），也在开发一种可重复使用的末级火箭发动机，名为ACES。传统的末级火箭发动机在执行任务时很快就会耗尽燃料，然后像垃圾一样被抛掉。但ACES不同，它可以重新“加油”。也就是说，这种发动机将有效载荷送到月球后，还可以返回地球轨道，加满燃料，再次启程。 不过Ad Astra表示，相对于ACES，它有一个关键优势：燃料经济性。 为解释化学能发动机和VASIMR的区别，张福林将飞船比作了一艘小木舟。“试想你在湖中央，手里头没有浆，”他说，“却有一堆保龄球。每扔出一个，你就移动一点。” “你可以用这种方法让船移动，但船上得装很多保龄球才行。如果你有一杆大威力步枪，你就可以发射子弹，达到同样的效果。相对保龄球而言，子弹很小，而且数量不用很多。这就是简单的作用力和反作用力的原理。作为火箭工程师，你可以选择如何推进：要么低速射出大量材料，要么高速射出少量材料。” 就拿最好的化学火箭发动机来说，其喷射速度约为每秒5公里。如果将喷射速度提高到原来的十倍，那么理论上就可以把燃料消耗减到十分之一。 39天抵达火星 人们怀疑Ad Astra也是情有可原。到目前为止，与其等离子体发动机有关的报道，几乎无不围绕着“39天抵达火星”这个概念做文章，难免令人浮想联翩。虽然从理论上讲，只要有一台体型更大、性能更强的VASIMR发动机，39天抵达火星并非不可实现，但有一点要注意：要在这么短时间内抵达火星，就需要配备核反应堆才能提供足够的动力。 但由于核能问题的政治敏感性，NASA的开发始终迈不开步伐，虽然有过一些努力，比如普罗米修斯计划，但都是半途而废。 基于当前的技术水平，据张福林估计，如果配合庞大、可控的太阳能阵列，VASIMR发动机的输出功率也许最高可达1兆瓦。不过，这还是就地球附近而言。在去往火星的途中，太阳能的强度有减无增。所以，太阳能似乎很适合内太阳系范围内的飞行，但对火星及外太阳系的飞行，就有点力不从心了。 使用传统火箭发动机，即便可搭载的化学燃料不受限制，将人类送上火星还是需要几个月的时间，这样就得准备更多的食物，人员所受的辐射剂量也会大幅增加。要是去比火星更远的目的地，那就更不现实了。 展望未来，张福林认为，人类真要对太阳系展开探索，就少不了更高效、更快速的推进体系。他认为，几乎可以肯定，这种能源就是核能。发动机要能驾驭核能，并将其转化为推进力——这是他所下的赌注。 “最终，当核能成熟时，当时太空核反应堆完工时，我们的发动机已经准备就绪，”张福林说，“这样，我们就有了一枚整装待发的核能火箭。” 有朝一日，也许的确如此。不过眼下NASA的心愿很简单：一枚太阳能驱动的小型火箭，可以持续发动，而且不会过热。毕竟，在去火星的途中，要是发动机突然熔化了，情况就不太妙了。 翻译：雁行 来源：Arstechnica |
|
|
