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可变比冲磁等离子体火箭

  2010年奥巴马领导的美国政府在制定未来载人航天计划时,建议美国国家航空航天局(NASA)放弃前总统布什批准的重返月球的“星座工程”计划,将宇航员抵达目标锁定于小行星、火星或其他星球。然而,依照现有的化学燃料推进技术,宇航员需要在太空中飞行大约7个月甚至10个月才能从地球到达火星。能否让宇航员更快抵达目的地?美国前宇航员富兰克林张-迪亚兹(Franklin Chang-Diaz)正在研发的等离子体火箭(发动机)或许能给出理想的答案。

  等离子体火箭——40年的远大追求

  现年60岁的富兰克林出生于哥斯达黎加,7岁时在他母亲讲述了美苏太空竞赛后便决心成为宇航员。高中毕业后,为进入NASA,他离开哥斯达黎加来到居住在美国康涅狄格州的亲戚家,并考入康涅狄格大学学习,毕业后被麻省理工学院录取攻读核工程博士学位。经过一番周折,1980年,他因拥有等离子体物理博士学位、对太空飞船发动机的独特关注、非常健康的身体条件等因素,从近4000申请人中脱颖而出,成为当年招收的19名宇航员中的一员。

  作为宇航员,在1986年至2002年间,富兰克林参加了7次航天飞机的飞行任务,追平了太空飞行次数最高纪录,并在地球大气层外逗留了1601个小时。他的航天飞行具有传奇般的色彩。1986年,他原定参加“挑战者”号航天飞机的飞行,后被安排提前出行;返回地球不久,他便目睹了“挑战者”点火73秒后的爆炸场面,失去了7位亲密的朋友和同事;2002年,在他完成自己最后一次飞行之后数月,“哥伦比亚”号航天飞机返回时在大气层中解体。

  然而,随着年龄的增长和知识的积累,富兰克林的梦想并不仅仅局限于成为宇航员,他更希望有朝一日能够乘坐用自己研发的火箭推动的飞船探索火星。早在1973年,刚刚从麻省理工学院获得博士学位的他就表示,普通火箭的燃料重量大,不是有效的助推剂,并提出了等离子体火箭的概念。根据他的设想,人们可利用核反应堆将氢变为200万摄氏度的等离子体,然后用磁场控制高温等离子体让其从火箭队尾部喷出。他推算,安装上等离子体火箭,太空飞船的速度可达每小时12.3万英里(约19.8万公里),从地球到火星只需要39天的时间。

  过去近40年中,将等离子体火箭变成现实始终是富兰克林追求的一个远大目标。富兰克林曾表示,宇航员的经历让他更加关注自己对等离子体火箭的向往,并让他更加强烈地相信速度是人们在未来抵达火星或更远目标的关键。此外,在他看来,未来长距离太空旅行将是人类解决根本问题的终极途径,因为他主张人类竞争将不可避免导致自身最终不得不为生存而迁徙到其他地方去的观点。他还认为,地球的资源有可能会枯竭,或许在其他星球上可以寻求到大量对人类更有用处的资源。

  40年梦想有望在未来4年变为现实

  在离NASA约翰逊航天中心不远的一家仓库中,富兰克林2005年创立的艾德阿斯特火箭公司正在加速研制等离子体火箭。在1亿美元私人投资的支持下,未来4年中,他研发的小型等离子体火箭有望首次用于太空,在国际空间站上进行测试。如果证明等离子体火箭具有实际的使用价值,他将制定计划抓紧建造更大的采用等离子体火箭推进的太空飞船。

  富兰克林表示,他建造等离子体火箭飞船的先期目标不是直接飞往火星,而是根据公司或政府的需求完成日常的太空探索维护任务,如帮助卫星修正运行轨道;清理太空中的垃圾。然而,他最终还是要打造往返地球与火星或其他天体间的高速飞船。这或许能帮助奥巴马实现今年在肯尼迪航天中心讲话中所提出的蓝图,在本世纪30年代让美国宇航员环绕火星飞行并安全返回地球。

  富兰克林研发的等离子体火箭全名为“可变比冲磁等离子体火箭”(Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket),英文缩写为Vasimr。将等离子体火箭用于探火星载人飞船,可让飞船在整个飞行中保持动力供应,高速奔向火星,而不像现在的太空飞船需要依靠地球引力来加速,然后落入火星的引力场。此外,由于安装了等离子体火箭的飞船自带动力,它还能够根据需要变化飞行线路,避开险情。

  有人表示,等离子体火箭设想虽好,但它面临着诸多难题和挑战。首要的问题便是火箭需要多台核反应堆为让氢转变成高温等离子体来提供能量。NASA曾于2003年规划采用核动力进行太空探索,不久就因考虑到飞行器爆炸或坠毁可能造成核辐射污染而放弃。其次,人们现在还没有把握用磁场控制等离子体安全地沿通道流过并从喷口射出。此外,人们也不清楚人体对高速飞行会有何样的反应。

  富兰克林对发射时的安全问题表明了自己的看法,他认为在太空飞船发射离开大气层前,核反应堆将处于非工作状态,因此不会造成更多危害。由于NASA曾经成功发射了数个核电太空探测器,因此没有什么是不可能实现的。富兰克林相信,人们的认知在不断发展,要想飞得远,必须飞得更快,这正是等离子体火箭之所长。他认为,他们能够保证等离子体火箭飞行的安全。

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