可變比沖磁電漿火箭

可變比沖磁電漿火箭，即VASIMR（英文全稱 Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket），是正在試驗的一種採用核動力的大功率推進器，它是一種既有很大推力，又有很高比沖的電火箭。

基本介紹

• 中文名：可變比沖磁電漿火箭
• 縮寫：VASIMR
• 提出時間：1979
• 提出： 張福林

發展背景

探索渴望

隨著航天技術的不斷發展，人類探索宇宙深處的渴望越來越強烈。幾十年來，人類發射各種各樣的無人探測器，對太陽系內的大部分行星進行了探測，1977年發射的“旅行者-1號”探測器即將衝出太陽系飛向宇宙深處。但是，有人參與的深空探測卻僅限於地球的衛星月球。未來十幾年，人類將重返月球，並且希望在二十年以內踏上火星，將人類的足跡留在更遙遠的星球上。新的難題　有人參與的火星探測已成為深空探測的焦點，這給航天工作者帶來了新的難題，其中的一個難題就是推進系統應該如何設計。美國、俄羅斯和歐洲針對火星登入進行的研究表明，登入火星任務最合適的人數應為6人，這表明需要設計一個相當大的飛船來提供6個人在漫長的任務執行過程中所需要的生存環境以及氧氣、食物、水、燃料等物資。而且，太空人在著陸之後還需要返回地球，需要能從火星表面發射的火箭，火星表面重力加速度是地球的38%，卻是月球的2.3倍，因此，從火星表面發射的火箭應比阿波羅飛船脫離月面時所使用的火箭大得多。總之，火星任務的飛船質量是非常巨大的。而且，長時間的宇宙航行意味著太空人要承受更多宇宙射線的輻射，伴隨心理和生理上的問題，火星任務必然要求快去快回，儘量縮短航行的時間。因此，火星任務的推進系統要求有巨大的推力。

常規化學推進推力很大，但是比沖太低，長時間的任務需要消耗非常多的推進劑；而一般的電推進雖然有很高的比沖，但推力很小，他們都不能勝任火星任務。這時就需要一種既有很大推力，又有很高比沖的電火箭。

可變比沖磁電漿火箭

可變比沖磁電漿火箭（VASIMR Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket）就是這樣一種電火箭。他的功率大，推力大，比沖高，並且比沖在恆定功率下是可調節的。目前，VASIMR潛在的最可能的套用是減少人類前往火星或更遠星球的時間，使有人參與的對外層空間的長時間探測成為可能，而這是傳統火箭所不具備的。

由於VASIMR需要幾百千瓦到幾百兆瓦這樣非常大的功率，使它成為未來核（聚變）電推進的候選方式。深空探測需要大推力大比沖的電推進，而這樣的電推進也只有核反應才能供給他足夠的電能。因此，核電推進將是未來宇宙航行的必然趨勢。可以說，如果不使用核動力，人類就無法走得更遠。

原理與特點

VASIMR的提出

VASIMR由前NASA太空人 張福林於1979年提出，靈感來自於磁鏡聚變實驗

發展歷程

到目前為止已經歷過20多年的發展歷程，他的發展目標是達到3000-50000s的比沖（出口速度達到30-500km/s），目前正在詹森空間中心的空間先進推進技術實驗室中研製和試驗。VASIMR包括3個相連的線性磁單元，前單元控制氣體推進劑的噴射和離子化，中部的磁性單元作為一個放大器，進一步的把電漿加熱到磁噴嘴所需要的輸入狀態，後部的磁性單元擔當了磁噴管的角色，將流體的熱能轉變為具有方向的射流，同時又保護噴嘴壁並將電漿從磁場中有效的分離出來。在VASIMR工作的過程中，中性氣體（通常是氫）被射入到前部的磁性單元中，並在那裡被離子化。所生成的電漿隨後在中部磁性單元中，通過射頻和磁場的共同作用進行離子迴旋共振加熱，達到所需要的溫度和密度，這時，所有的能量幾乎都分布在徑向方向上。磁噴管將電漿的能量轉變為射流速度和保證電漿從磁場中有效脫離，輸出經過調整的推力，將徑向的能量轉換到軸向方向上。

華裔太空人張福林(哥斯大黎加人祖籍廣東)

螺旋波電漿

在離子化階段產生的是螺旋波電漿（Helicon Plasma）。螺旋波電漿是一種高密度的低溫低氣壓電漿。利用一種環繞於玻璃或石英管外壁的天線與磁化電漿中的右旋極化波的共振，可以非常有效地通過朗道吸收加熱電子，產生高密度電漿。其電漿密度在0.1Pa的低氣壓下可達1013cm-3量級，這是迄今採用人工方法在低氣壓下所能獲得的最大的電漿密度,其電離效率可達100 %。電離效率隨著射頻輸入功率的提高而提高。

VASIMR原理

螺旋波電漿優點

與其他的電漿相比，螺旋波電漿有許多。首先，它具有非常高的電漿密度。實驗表明其密度在0.1Pa量級的壓強下比ECR（電子迴旋共振）電漿的密度提高了一個數量級。另一方面，在電漿的穩定性、易操作性及自動調節等方面，螺旋波電漿比ECR電漿又略勝一籌。由於螺旋波電漿採用射頻電源而ECR等離子體採用微波電源，而且螺旋波電漿所要求的磁場強度比ECR電漿所要求的低得多，因此螺旋波電漿的發生裝置也要簡單一些。

方式

對電漿進行加速採用離子迴旋共振加熱（ICRH）的方式。電漿進入到加速段，離子在磁場的作用下做圓周運動，此時，離子有一個迴旋半徑。通過射頻天線發射射頻能量，如果外加射頻頻率等於離子共振頻率，離子就會吸收外加輻射能量而改變圓周運動的軌道，離子迴旋半徑隨之加大，從而起到加速作用。

不管是離子化階段還是電漿加速階段，都採用射頻作為輸入能源，在一定程度上簡化了推進器的設計。磁場是用來調整電漿流的方向的，VASIMR火箭使用高溫超導磁體產生磁場。

特點

VASIMR的最大在於，推力在恆定功率下是可調的。在恆定功率下，可以通過調節離子化和加速兩個階段所占的射頻能量的比例來調節推力和比沖。如果減少離子化階段的射頻能量而增加加速階段的射頻能量，則電漿的出口速度會提高，從而提高比沖，但是電漿密度會隨之減小，從而減小了推力密度，也就是減小了推力。反之，如果加大離子化階段的射頻能量而減小加速階段的射頻能量，則比沖減小，推力增大。但是，總的射頻能量是不變的。這就是VASIMR比沖可變的實現方式。

VASIMR的試驗裝置

VASIMR其他特點

VASIMR是電漿推進器，不需要加裝額外的電子中和裝置，也基本上消除了污染。

VASIMR沒有電極，這使得VASIMR不僅在最大功率下能夠提供較大推力，而且有很高的離子迴旋共振加熱效率，另外他所採用的螺旋波電漿源也具有很高的效率。無電極設計也避免了MPD和離子推進器所面臨的電極損耗和推進器壽命的問題。

VASIMR的工作狀態是高電壓、低電流，它的推重比大，推力比沖相對較大。這意味著在執行長途飛行任務時，對發射視窗的選擇較為寬鬆。可以通過調節VASIMR 的推力和比沖，使他在整個太空旅行中都處於最佳狀態，實現星際間的高速旅行。

VASIMR使用氫作為燃料，他具有較小的電離能（每個離子-電子對電離能小於200eV）。

氫對宇宙射線有良好的隔離作用,推進器使用的氫推進劑可以有效地隔離輻射，同時它產生的磁場也會使宇宙射線產生偏轉，形成一個保護屏障。氫也是宇宙中最豐富的元素，隨著技術的不斷發展，將來可以在太空中隨時攝取氫，為VASIMR補給燃料，實現長途飛行。

VASIMR的測試方案

VASIMR連續加速且推力較大，能夠產生一個小的人工重力場，減小微重力環境對太空人生理產生的副作用。

VASIMR在恆定功率下可以改變推力和比沖，使得他有更大的柔性，能有更多的機會改變飛行路線或者返回地球。

VASIMR有很好的適應性，不僅能夠使人類在太空中快速的旅行，而且適用於飛行速度較慢的高有效載荷的智慧型化空間任務，即可以同時用於快速客運和相對慢速的貨運，從而很好地降低了開發成本和使用成本。

VASIMR需要很高的功率，一般在幾百千瓦到幾百兆瓦的範圍內，而國際空間站的太陽能電池總共也只能提供100KW的功率。目前，VASIMR只在地面進行試驗，不遠的將來要進行的飛行試驗也只能使用按比例縮小的試製型。但是，他的這一特點也使它成為未來核（裂變）電推進的候選推進方式。

套用與發展

VASIMR主要是為滿足火星登入任務及深空探測的要求，對於火星任務整體過程構想如下：火星任務由兩艘飛船組成，第一艘運送貨物，第二艘運送人員。貨船可以較慢的速度飛到火星，時間為442天，客船則要求高速到達，時間為115天。貨船首先在2016年8月3日發射，之後客船在2018年5月6日發射。貨船首先到達，環繞火星飛行，並釋放出物資和設備在火星著陸。客船在第115天到達並著陸在火星表面，尋找貨船釋放的物資，進行探測活動。完成任務後，著陸器在火星表面發射火箭，將太空人送入環繞火星軌道。第131天火箭與繞火星飛行的貨船對接，返回地球，再經過90天到達地球。如火星任務的客船。

貨船的推進系統為一台4MW的VASIMR。 客船的推進系統為三台功率為4MW的VASIMR，共有12MW的功率。選擇3台VASIMR是出於冗餘考慮，VASIMR總功率的選擇與發射到低地軌道的客船初始質量和要求的飛行天數有關，而客船初始質量與飛行天數之間也有關係，因此功率選擇不是一定的。

貨船飛往火星前的初始質量為200t，其中有60%共120t的有效載荷，包括30t返回時使用的生命維持系統，30t返回用燃料，60t投放火星的物資和設備。客船的初始質量為188t，其中有32%的有效載荷，即61t重的著陸器，包括31t的生命維持系統，16.3t的著陸系統，13.5t的減速裝置。

貨船首先環繞地球飛行154天，獲得逃逸速度，此時推力較大，比沖較小。隨後用228天飛往火星，此時推力減小，但比沖增大，最大比沖達到32000s。在快接近火星時降低比沖，增大推力，進行減速。

客船首先環繞地球飛行30天，獲得逃逸速度，隨後用85天飛往火星，最大比沖為32000s。值得注意的是，推力在飛行過程中不是一成不變的，VASIMR功率是不變的，比沖增加，則推力減小。並且，在飛行過程中，推力方向不是指向火星的，推力方向與速度方向也不相同。

返回地球時，先用7天時間獲得逃逸火星的速度，再用81天時間返回地球，這個過程中，最大比沖可以達到45000s。由於比沖和推力可調，飛行過程有更大的柔性，在發生特殊情況時，也有更多的機會能夠取消任務，返回地球。除了火星任務，對於VASIMR還有其他的構想。將氫推進劑貯存罐圍繞居住艙安裝，由於氫具有阻擋宇宙射線的良好性能，可以作為宇宙射線屏障使用。在居住艙周圍安裝螺旋狀超導輻射屏障，由超導體產生的磁場使宇宙射線發生偏轉，起到宇宙射線屏障的作用。

預期VASIMR將於2007年發射進入太空進行試驗，2011年安裝在國際空間站上用於空間站的軌道保持，但是所使用的能源仍然是太陽能。

VASIMR 是一種大功率的推進器，適合於他的能源供給必然是核動力。目前，在核聚變研究上雖有一定進展，但是仍未實現受控的核聚變。要使用VASIMR實現整個火星任務，還需要更多的時間。但是，NASA華裔太空人張福林認為，未來火星任務的太空人已經出生，而且他也能夠活著見到這一事件的發生，似乎可以預見，人類將在20年內登上火星。