重连技术的历史

他们中的一些人已经成为火箭科学家和工程师，他们痴迷于制造大推力火箭，并将人类的足迹扩展到外太空。

据测算，一枚推力为3408吨的土星五号运载火箭可将45吨载人飞船送上月球(美国，20世纪中期)；一枚2940吨推力的“能量”重型火箭，可将27吨载荷送上火星和金星(俄罗斯，1987)；一枚4000吨的“长征九号”重型火箭可以轻松将37吨载荷送上火星(中国，在研)。

目前世界各地使用的这些运载火箭都是化学火箭，通过燃烧液体或固体燃料释放巨大能量，排出高温高速气体，使火箭获得巨大推力。而要更深入到深空，就需要更多的燃料。

但是，火箭储存燃料的空间毕竟有限。燃料太重影响发射怎么办？如何解决长时间太空旅行燃料供应不足的问题？

来自美国国家航空航天局的中国宇航员张福林提出了一种新型火箭——等离子体火箭。这种火箭以电能为动力，使用气态等离子体作为“燃料”。乘坐等离子火箭从地球到火星只需要39天。

计划中的“长征九号”火箭(最右侧)起飞质量超过4000吨，运输能力与美国“土星五号”火箭大致相当，超过正在研制中的美国下一代运载火箭(SLS)，完全可以满足未来载人探月、火星采样返回和太阳系探测的行星等任务。太空新闻

飞出地球，用气体做“燃料”

在科幻小说中，飞行器似乎可以为星际旅行提供全部动力。但现实中使用的化学火箭需要消耗煤油、酒精等化学燃料。他们胃口很大，但是效率不高。大部分燃料都是用来摆脱地球引力的，不可能实现任意星际旅行。

等离子火箭(VASIMR)采取了完全不同的思路——利用等离子加速器作为驱动力。

下面介绍一下什么是等离子。当一种物质被加热到足够高的温度时，其中的原子会电离成带正电的原子核和带负电的电子，形成离子“糊”，即等离子体。

等离子体在自然界中无处不在，炽热的火焰、耀眼的闪电和绚丽的极光都是等离子体作用的结果。在整个宇宙中，几乎99.9%的物质(如恒星和行星际空间物质)都以等离子体状态存在。因此也被称为气体、液体、固体状态之外的“第四物质状态”。

等离子体可以通过人工方法产生，如核聚变、核裂变和辉光放电。

相比化学火箭燃料的沉重，燃料本身在火箭发射过程中可能会成为“负担”。等离子火箭可以用更少的燃料提供更大的动力。一旦进入太空，它们就会像顺风的帆船一样逐渐加速飞行，最终将传统的化学火箭远远抛在身后，在太空中完成各种太空探索任务。

等离子体火箭发动机使用氩作为等离子体源。氩气是一种惰性气体，不容易与其他元素发生反应。焊接金属时常用它作为保护气体，所以非常适合等离子体。

它的工作原理是火箭发动机先将氩气电离，转化成低温等离子体(其实有5000多个)。然后电离的气体被磁铁加热加速，温度达到几百万摄氏度。然后用磁场控制高温等离子体，使其加速从火箭尾部排出，形成巨大推力，帮助火箭冲出地球。

据估计，安装等离子火箭后，飞船的速度可以达到每小时654.38+0.98万公里左右。与传统火箭需要250天才能将宇航员送上火星相比，等离子火箭可以让宇航员最快39天到达火星，节省大量燃料、食物、水和空气，宇航员也可以摆脱长期的宇宙射线辐射。

那么，等离子火箭是如何实现如此高的推进效率的呢？这与等离子体加速的机制有关。

神奇的磁重联机制需要来自磁场的能量。

在发动机运行的整个过程中，等离子体火箭主要利用磁场重联机制来加速和加热等离子体束。

什么是磁重联？实际上，磁重联是太阳上快速释放磁能的一个非常重要的过程，几乎所有的太阳爆炸都与磁重联有关，比如耀斑、日冕物质抛射、喷流等等。而且磁重联不仅在太阳上可以看到，在地球大气层和托卡马克核聚变反应堆上也可以看到。

在磁场重联过程中，方向相反的几组磁力线相互靠近，重新连接形成新的磁力线。等离子体火箭利用磁场的变化来驱动磁力线的接通和断开，将磁能转化为等离子体的动能、热能和粒子加速。

但磁重联过程需要足够的电能支撑，等离子火箭需要近数百千瓦的电能。这么大的电量从哪里来？可以选择什么样的供电方式来满足需求？

巨大的电能从何而来？核能？太阳？

1)核反应堆电源

目前认为最好的动力源是核反应堆，所以我们可以想象等离子体火箭最终会是核火箭发动机。使用核裂变反应堆为等离子火箭提供动力，可以很容易地把人带到火星。

就目前的情况来看，vasimr的推力仍然不如传统火箭，难以将有效载荷从地球带到近地轨道。然而，在近地轨道，vasimr的优势就会显现出来:如果功率可以提升到200 kW，就足以提供大约0.45 kg的推力——这听起来与火箭的重量相比轻如鸿毛，但在太空中，0.45 kg的推力可以驱动2吨货物。

2)太阳能电池板电源

把火箭供电装置改成太阳能电池板，可以把太阳能转化成电能。问题是面板的效率不够高。如果我们继续向深空移动或携带更多的重量，我们需要提高太阳能利用的效率。

研究发现，大型可控太阳能电池阵可提供高达1 kW的功率。然而，大型电池阵将对航天器构型、轨道维护和姿态控制设计带来巨大挑战。

目前，国际空间站的太阳能电池只能提供100千瓦的电力，其结果是，在地球和太阳之间的距离上，太阳能在火星外部会大大衰减。

此外，许多科学家也在研究太阳能飞船——太阳帆，希望有一天能利用太阳帆探索太空。

与太阳能电池相比，空间核反应堆供电的优势在于它是独立供电，不依赖太阳光，储能极高；功率范围广，可以覆盖千瓦级甚至兆瓦级的功率输出。缺点是，从安全和技术角度考虑，核反应堆供电的技术要求很高，工程造价比较大，建设周期长。

目前，核电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，大功率卫星和深空探测都需要大功率、长时间供电。相比之下，太阳能电池供电还有很长的路要走。

记得小时候坐普通火车从北京到上海要几十个小时。而现在，性能更高的高铁，只需要四个多小时。

同样的道理，摆脱传统的能源依赖，改用电能驱动的“电动火箭”，不仅推动自己更快地去火星，也推动了世界航天科技的发展。

相信总有一天我们会克服技术瓶颈，研制出性能更高的“电动火箭”，更方便快捷地遨游太空，探索太空深处未知的奥秘。