知新科普：太空旅行的未来 — 等离子体火箭的工作原理

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5、4、3、2、1，升空！一艘火箭飞船飞向天空，迅速地越过大气层进入外层空间。

在过去的半个世纪里，人们已经从仅仅惊奇地仰望夜空中闪烁的星星，到真正地在国际空间站上与天体共处数月。虽然人类已经踏上了月球，但更远的地方只有无人飞船和机器人才能登陆。

人们最感兴趣的一个地方是火星。除了在火星上着陆和生存一段时间所要面临的实际挑战之外，人类能够到达火星才是目前最大的障碍。平均而言，火星距离地球约2.253亿公里。即使在离地球最近的时候，它距离地球仍然有5630万公里。而目前，使用常规的化学火箭将我们送过去至少需要7个月的时间。到底有没有什么办法我们可以飞得更快？使用等离子火箭！

Ad Astra火箭公司是一家位于哥斯达黎加的航天工程公司，致力于开发先进的等离子火箭推进技术。

为此，科学家和工程师们将不再依赖传统的火箭燃料，而是转向颇具前景的等离子体火箭，以推动人类进入更远的外层空间。在这种类型的火箭中，电场和磁场的结合被用来将推进剂气体的原子和分子分解成具有正电荷（离子）或负电荷（电子）的粒子集合。换句话说，推进剂气体变成了等离子体。

在这种发动机的许多配置中，施加电场将离子从发动机后部喷射出去，从而向航天器提供相反方向的推力。经过这项技术的优化，理论上宇宙飞船的速度可以达到198000公里/小时。以这样的速度，你可以在一分钟内从纽约到洛杉矶！

我们的世界通常分为三种物质状态：固体、液体和气体。当物质冷时，它是固体。当它加热时，就会变成液体。当施加更多的热量时，就会得到气体。然而，故事并没有就此结束。当你施加更多的热量，你就会得到等离子体！

额外的能量和热量会将气体中的中性原子和分子分解成带正电的离子和带负电的电子。带电粒子赋予了等离子体有趣的导电性能，因此等离子体技术被用于制造我们每天使用的各种物品。电脑芯片、霓虹灯标志，甚至一袋薯片内部的金属涂层都是用等离子技术制造的。当然，还有等离子电视，它使用等离子来释放光子，在电视屏幕上给你一个像素的彩色显示点。事实上，宇宙中99%的普通物质都处于等离子体状态。

一名男子正在检查世界上最大的高清液晶电视。等离子电视现在非常普遍。

大多数恒星，包括我们的太阳，都是由等离子体构成的。如果它在宇宙中如此普遍，为什么我们在地球上看不到它呢？事实上，我们可以看到。北极光是由太阳风产生的。什么是太阳风？等离子！好吧，不是每个人都能幸运地看到这些壮观的光显示，但是你可以在大自然提供的另一个令人敬畏的光显示中看到等离子体的活动：雷暴。当闪电中的电流流过空气时，它向其路径中的分子提供了巨大的能量，以至于闪电轨迹中的气体实际上被转换成了等离子体。

等离子体技术也被用于火箭技术，帮助我们在外太空遨游，它最有希望把人类带到我们以前只能梦想的地方。这些火箭需要在外层空间的真空环境中才能工作，因为地球表面附近的空气密度减缓了等离子体中产生推力所需的离子的加速度，所以我们实际上不能用它们从地球上起飞。然而，其中一些等离子发动机自1971年以来就一直在太空中运行。美国航天局通常将其用于国际空间站和卫星的维护，以及推进深空的主要动力来源。

所有的等离子体火箭都以相同的原理工作：电场和磁场并肩工作，首先将气体（通常是氙气或氪气）转换成等离子体，然后以超过72400公里/小时的速度将等离子体中的离子加速喷出发动机，从而在所需的行进方向产生强大的推力。目前，有许多方法可以应用这个方式来制造一个可以工作的等离子体火箭，但其中三种类型是最优秀和最有前途的。

霍尔推进器是目前在太空中经常使用的两种等离子发动机之一。在该装置中，电场和磁场在腔室中垂直设置。当电流通过这些相互竞争的电场时，电子开始以极快的速度旋转。当推进剂气体被喷射到装置中时，高速电子从气体中的原子上击落电子，形成一个由推进剂的自由电子（带负电荷）和现在带正电荷的原子（离子）组成的等离子体。这些离子从发动机后部喷射出来，产生推动火箭前进所需的推力。虽然离子的电离和加速过程是分步骤进行的，但它们发生在发动机的同一空间内。霍尔推进器可以产生相当大的推力作为输入功率，所以他们可以走得非常快。但是，它们的燃油效率也有限制。

当NASA正在寻找一种更省油的发动机时，它转而使用栅格离子发动机。在这种常用的装置中，电场和磁场沿着发动机室的壁分布。当通电时，高能电子在壁附近的磁场中振荡。以与霍尔推进器类似的方式，电子能够将推进剂气体电离成等离子体。为了完成产生推力的下一步工作，将电网放置在燃烧室的末端，以加速离子的排出。在这台发动机中，电离和加速发生在两个不同的空间。虽然栅格离子发动机比霍尔推进器更省油，但缺点是它不能在单位面积产生同样多的推力。根据他们希望完成的工作类型，科学家和航天工程师会选择更适合任务的发动机。

哥斯达黎加宇航员兼物理学家富兰克林·常·迪亚兹解释了他的等离子发动机项目的发展。

最后，还有第三种发动机：VASIMR，是可变比冲磁等离子体火箭的简称。这枚由前宇航员富兰克林·常·迪亚兹研制的火箭目前只处于测试阶段。在这个装置中，离子通过天线产生的无线电波产生，形成等离子体。下游的另一个天线增加了能量，使离子以极快的速度旋转。磁场提供方向性，使离子直线地从发动机中释放出来，从而提供推力。如果它能工作，这个火箭将有巨大的节流范围，这是霍尔推进器和离子栅格发动机不能轻易实现的。

传统火箭是伟大的，让我们走得很远，但它们也有局限性。这些火箭也以推力为基础工作：发动机燃烧燃料，产生高压气体，高压气体被高速挤出火箭喷嘴，火箭被推向相反的方向。然而，火箭燃料非常重，效率非常低。它不能提供足够的能量来快速到达目的地。火箭燃料在离开地球进入轨道的过程中燃烧殆尽，然后宇宙飞船基本上是在被迫滑行。

另一方面，等离子火箭使用的燃料要比这些传统发动机少得多 —— 事实上，它的燃料比传统发动机少1亿倍。它非常省油，从地球轨道到月球轨道只需要大约113升的燃料。等离子体火箭逐渐加速，在23天内可以达到每秒55公里的最高速度，比任何化学火箭都快4倍以上。旅行时间越短，飞船发生机械故障的风险就越小，宇航员遭受太阳辐射、骨质流失和肌肉萎缩的风险也就越小。有了VASIMR，理论上在整个行程中都可以获得推进力，这意味着任何时候都可以改变方向。

因此，到达这些距离的电源仍然是一个主要的挑战。更不用说，人类身体对每秒54公里的旅行会有什么反应的不确定性（与之相对的是，宇航员使用传统火箭以每秒7.5公里的速度进入近地轨道）。但从理论上讲，如果有足够的动力，这些引擎有能力在大约40天内将我们送达火星，这是我们在50年前不敢想象的壮举！

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本文选自：今日头条

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