可变比冲磁等离子体火箭

正在试验的一种采用核动力的大功率推进器

可变比冲磁等离子体火箭，即VASIMR（英文全称 Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket），是正在试验的一种采用核动力的大功率推进器，它是一种既有很大推力，又有很高比冲的电火箭。

发展背景

探索渴望

随着航天技术的不断发展，人类探索宇宙深处的渴望越来越强烈。几十年来，人类发射各种各样的无人探测器，对太阳系内的大部分行星进行了探测，1977年发射的“旅行者-1号”探测器即将冲出太阳系飞向宇宙深处。但是，有人参与的深空探测却仅限于地球的卫星月球。未来十几年，人类将重返月球，并且希望在二十年以内踏上火星，将人类的足迹留在更遥远的星球上。新的难题　有人参与的火星探测已成为深空探测的焦点，这给航天工作者带来了新的难题，其中的一个难题就是推进系统应该如何设计。美国、俄罗斯和欧洲针对火星登陆进行的研究表明，登陆火星任务最合适的人数应为6人，这表明需要设计一个相当大的飞船来提供6个人在漫长的任务执行过程中所需要的生存环境以及氧气、食物、水、燃料等物资。而且，宇航员在着陆之后还需要返回地球，需要能从火星表面发射的火箭，火星表面重力加速度是地球的38%，却是月球的2.3倍，因此，从火星表面发射的火箭应比阿波罗飞船脱离月面时所使用的火箭大得多。总之，火星任务的飞船质量是非常巨大的。而且，长时间的宇宙航行意味着宇航员要承受更多宇宙射线的辐射，伴随心理和生理上的问题，火星任务必然要求快去快回，尽量缩短航行的时间。因此，火星任务的推进系统要求有巨大的推力。

常规化学推进推力很大，但是比冲太低，长时间的任务需要消耗非常多的推进剂；而一般的电推进虽然有很高的比冲，但推力很小，他们都不能胜任火星任务。这时就需要一种既有很大推力，又有很高比冲的电火箭。

可变比冲磁等离子体火箭

可变比冲磁等离子体火箭（VASIMR Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket）就是这样一种电火箭。他的功率大，推力大，比冲高，并且比冲在恒定功率下是可调节的。VASIMR潜在的最可能的应用是减少人类前往火星或更远星球的时间，使有人参与的对外层空间的长时间探测成为可能，而这是传统火箭所不具备的。

由于VASIMR需要几百千瓦到几百兆瓦这样非常大的功率，使它成为未来核（聚变）电推进的候选方式。深空探测需要大推力大比冲的电推进，而这样的电推进也只有核反应才能供给他足够的电能。因此，核电推进将是未来宇宙航行的必然趋势。可以说，如果不使用核动力，人类就无法走得更远。

原理与特点

VASIMR的提出

VASIMR由前NASA宇航员张福林于1979年提出，灵感来自于磁镜聚变实验

发展历程

已经历过20多年的发展历程，他的发展目标是达到3000-50000s的比冲（出口速度达到30-500km/s），正在约翰逊空间中心的空间先进推进技术实验室中研制和试验。VASIMR包括3个相连的线性磁单元，前单元控制气体推进剂的喷射和离子化，中部的磁性单元作为一个放大器，进一步的把等离子体加热到磁喷嘴所需要的输入状态，后部的磁性单元担当了磁喷管的角色，将流体的热能转变为具有方向的射流，同时又保护喷嘴壁并将等离子体从磁场中有效的分离出来。在VASIMR工作的过程中，中性气体（通常是氢）被射入到前部的磁性单元中，并在那里被离子化。所生成的等离子体随后在中部磁性单元中，通过射频和磁场的共同作用进行离子回旋共振加热，达到所需要的温度和密度，这时，所有的能量几乎都分布在径向方向上。磁喷管将等离子体的能量转变为射流速度和保证等离子体从磁场中有效脱离，输出经过调整的推力，将径向的能量转换到轴向方向上。

螺旋波等离子体

在离子化阶段产生的是螺旋波等离子体（Helicon Plasma）。螺旋波等离子体是一种高密度的低温低气压等离子体。利用一种环绕于玻璃或石英管外壁的天线与磁化等离子体中的右旋极化波的共振，可以非常有效地通过朗道吸收加热电子，产生高密度等离子体。其等离子体密度在0.1Pa的低气压下可达1013cm-3量级，这是迄今采用人工方法在低气压下所能获得的最大的等离子体密度,其电离效率可达100 %。电离效率随着射频输入功率的提高而提高。

螺旋波等离子体优点

与其他的等离子体相比，螺旋波等离子体有许多。首先，它具有非常高的等离子体密度。实验表明其密度在0.1Pa量级的压强下比ECR（电子回旋共振）等离子体的密度提高了一个数量级。另一方面，在等离子体的稳定性、易操作性及自动调节等方面，螺旋波等离子体比ECR等离子体又略胜一筹。由于螺旋波等离子体采用射频电源而ECR等离子体采用微波电源，而且螺旋波等离子体所要求的磁场强度比ECR等离子体所要求的低得多，因此螺旋波等离子体的发生装置也要简单一些。

方式

对等离子体进行加速采用离子回旋共振加热（ICRH）的方式。等离子体进入到加速段，离子在磁场的作用下做圆周运动，此时，离子有一个回旋半径。通过射频天线发射射频能量，如果外加射频频率等于离子共振频率，离子就会吸收外加辐射能量而改变圆周运动的轨道，离子回旋半径随之加大，从而起到加速作用。

不管是离子化阶段还是等离子体加速阶段，都采用射频作为输入能源，在一定程度上简化了推进器的设计。磁场是用来调整等离子体流的方向的，VASIMR火箭使用高温超导磁体产生磁场。

特点

VASIMR的最大在于，推力在恒定功率下是可调的。在恒定功率下，可以通过调节离子化和加速两个阶段所占的射频能量的比例来调节推力和比冲。如果减少离子化阶段的射频能量而增加加速阶段的射频能量，则等离子体的出口速度会提高，从而提高比冲，但是等离子体密度会随之减小，从而减小了推力密度，也就是减小了推力。反之，如果加大离子化阶段的射频能量而减小加速阶段的射频能量，则比冲减小，推力增大。但是，总的射频能量是不变的。这就是VASIMR比冲可变的实现方式。

VASIMR其他特点

VASIMR是等离子体推进器，不需要加装额外的电子中和装置，也基本上消除了污染。

VASIMR没有电极，这使得VASIMR不仅在最大功率下能够提供较大推力，而且有很高的离子回旋共振加热效率，另外他所采用的螺旋波等离子体源也具有很高的效率。无电极设计也避免了MPD和离子推进器所面临的电极损耗和推进器寿命的问题。

VASIMR的工作状态是高电压、低电流，它的推重比大，推力比冲相对较大。这意味着在执行长途飞行任务时，对发射窗口的选择较为宽松。可以通过调节VASIMR 的推力和比冲，使他在整个太空旅行中都处于最佳状态，实现星际间的高速旅行。

VASIMR使用氢作为燃料，他具有较小的电离能（每个离子-电子对电离能小于200eV）。

氢对宇宙射线有良好的隔离作用,推进器使用的氢推进剂可以有效地隔离辐射，同时它产生的磁场也会使宇宙射线产生偏转，形成一个保护屏障。氢也是宇宙中最丰富的元素，随着技术的不断发展，将来可以在太空中随时摄取氢，为VASIMR补给燃料，实现长途飞行。

VASIMR连续加速且推力较大，能够产生一个小的人工重力场，减小微重力环境对宇航员生理产生的副作用。

VASIMR在恒定功率下可以改变推力和比冲，使得他有更大的柔性，能有更多的机会改变飞行路线或者返回地球。

VASIMR有很好的适应性，不仅能够使人类在太空中快速的旅行，而且适用于飞行速度较慢的高有效载荷的智能化空间任务，即可以同时用于快速客运和相对慢速的货运，从而很好地降低了开发成本和使用成本。

VASIMR需要很高的功率，一般在几百千瓦到几百兆瓦的范围内，而国际空间站的太阳能电池总共也只能提供100KW的功率。VASIMR只在地面进行试验，不远的将来要进行的飞行试验也只能使用按比例缩小的试制型。但是，他的这一特点也使它成为未来核（裂变）电推进的候选推进方式。

应用与发展

VASIMR主要是为满足火星登陆任务及深空探测的要求，对于火星任务整体过程设想如下：火星任务由两艘飞船组成，第一艘运送货物，第二艘运送人员。货船可以较慢的速度飞到火星，时间为442天，客船则要求高速到达，时间为115天。货船首先在2016年8月3日发射，之后客船在2018年5月6日发射。货船首先到达，环绕火星飞行，并释放出物资和设备在火星着陆。客船在第115天到达并着陆在火星表面，寻找货船释放的物资，进行探测活动。完成任务后，着陆器在火星表面发射火箭，将宇航员送入环绕火星轨道。第131天火箭与绕火星飞行的货船对接，返回地球，再经过90天到达地球。如火星任务的客船。

货船的推进系统为一台4MW的VASIMR。客船的推进系统为三台功率为4MW的VASIMR，共有12MW的功率。选择3台VASIMR是出于冗余考虑，VASIMR总功率的选择与发射到低地轨道的客船初始质量和要求的飞行天数有关，而客船初始质量与飞行天数之间也有关系，因此功率选择不是一定的。

货船飞往火星前的初始质量为200t，其中有60%共120t的有效载荷，包括30t返回时使用的生命维持系统，30t返回用燃料，60t投放火星的物资和设备。客船的初始质量为188t，其中有32%的有效载荷，即61t重的着陆器，包括31t的生命维持系统，16.3t的着陆系统，13.5t的减速装置。

货船首先环绕地球飞行154天，获得逃逸速度，此时推力较大，比冲较小。随后用228天飞往火星，此时推力减小，但比冲增大，最大比冲达到32000s。在快接近火星时降低比冲，增大推力，进行减速。

客船首先环绕地球飞行30天，获得逃逸速度，随后用85天飞往火星，最大比冲为32000s。值得注意的是，推力在飞行过程中不是一成不变的，VASIMR功率是不变的，比冲增加，则推力减小。并且，在飞行过程中，推力方向不是指向火星的，推力方向与速度方向也不相同。

返回地球时，先用7天时间获得逃逸火星的速度，再用81天时间返回地球，这个过程中，最大比冲可以达到45000s。由于比冲和推力可调，飞行过程有更大的柔性，在发生特殊情况时，也有更多的机会能够取消任务，返回地球。除了火星任务，对于VASIMR还有其他的设想。将氢推进剂贮存罐围绕居住舱安装，由于氢具有阻挡宇宙射线的良好性能，可以作为宇宙射线屏障使用。在居住舱周围安装螺旋状超导辐射屏障，由超导体产生的磁场使宇宙射线发生偏转，起到宇宙射线屏障的作用。

预期VASIMR将于2007年发射进入太空进行试验，2011年安装在国际空间站上用于空间站的轨道保持，但是所使用的能源仍然是太阳能。

VASIMR 是一种大功率的推进器，适合于他的能源供给必然是核动力。在核聚变研究上虽有一定进展，但是仍未实现受控的核聚变。要使用VASIMR实现整个火星任务，还需要更多的时间。但是，NASA华裔宇航员张福林认为，未来火星任务的宇航员已经出生，而且他也能够活着见到这一事件的发生，似乎可以预见，人类将在20年内登上火星。

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