前一陣有個新聞，說我們西安的航天六院完成了“國內首次大推力磁等離子體發動機的全系統高功率可靠啟動和穩定工作”。那這是一個什么樣的發動機呢？未來在航天上它會怎么用呢？

先說結論，這東西暫時不能替代燒燃料的發動機，但在未來長航程的星際旅行中可能會起到很大作用。

我們都知道，會飛的東西的發動機，都得往后扔點什么東西，好讓自己往前走。螺旋槳把周圍的空氣劃拉起來扔到后面產生推力，噴氣式發動機從前面吸氣，再摻和一點自己燒出來的燃氣扔到后面產生推力。而火箭發動機更狠，因為它需要在真空中飛行，都真空了，那就啥也吸不著劃拉不著了，所以它往后扔的東西純純都是自己帶的燃料。但它不直接扔燃料，而是先把燃料混起來點著，燒成燃氣，再往后扔。啥時候燃料燒完了，啥時候火箭就沒推力了。

為什么燃料燒完火箭就不能有推力了呢？你肯定覺得我說的是廢話，這不就像車沒油了一樣么？沒能量了，還怎么有推力呢？沒能量了只是其中的一個方面，更重要的是，沒東西往后扔了。我們可以把火箭看成一艘小船，船上拉著一船的小石塊，還坐著個人，人手里沒槳，也夠不著水面，想讓船往前走，只能往后面扔小石塊，如果小石塊扔完了，就算這個人還有能量，船也沒法往前跑。同理，在長距離的太空航行中，制約航天器動力持續性的只是能量嗎？不，還有那些石塊，這在航天動力里面叫工質，也就是往后扔的那些東西。能量在太空中不是沒辦法獲取，現在就有太陽能可以用啊，未來如果有了可控核聚變，那能量要多少給多少，但即使有能量，沒東西往后扔，照樣產生不了動力。

所以現在的問題來了，船上能帶的石塊就這么多，要怎么扔，才能更省石頭呢？答案是，快快地扔，扔得越快越好。根據動量守恒，每塊石頭往后飛的動量就是這塊石頭讓船往前增加的動量，所以石頭飛得越快，它為船提供的動量就越多，它離開得就越有意義。這也是為什么火箭不僅要把燃料點著，產生很多壓力，從一個口竄出去，變成一個噴射戰士，還需要用優秀的噴管設計，讓噴出去的燃氣足夠快，然而，即便如此，依靠燃燒噴氣的噴射戰士，還是不夠能噴，噴得不夠快。

那怎么才能噴得更快呢？那我問你，人目前能夠將物體加速到的最高速度是多少？答案是，接近光速。是通過什么，把什么東西加速到這么高的速度的呢？粒子加速器，用電磁場來加速帶電粒子。可以說磁等離子體發動機，就是這樣一個粒子加速器，他加速的是等離子體，這些等離子體作為工質被加速扔出去，從而產生推力。

它的原理比較復雜，但簡單地說就是通過電弧，把工質變成等離子體，等離子體可以看做類似一堆帶正負電的粒子混起來的樣子，那這堆帶電粒子就會在發動機電磁場的作用下加速，最后噴出。那跟燃燒噴氣的化學火箭有啥區別呢？最大區別就是，它噴得快，我們可以施加很大的電磁場，所以它們的加速相對容易，可以把工質加速到火箭燃氣速度的10倍甚至更高，這就意味著，想要提供跟火箭一樣的動量，它只需要消耗十分之一甚至更少的工質，那在帶相同多東西的情況下，我們就可以去更遠的地方了。

事實上，磁等離子體發動機屬于電磁推進器的一種，這種推進器基本都具有這種噴得快，省工質的特點，與它類似的電磁推進器還有我5年前講過的霍爾推進器，那種推進器也是利用電磁場加速帶電粒子，只不過電磁場產生的方式還有讓粒子帶電的方式，跟我們今天說的磁等離子體發動機不一樣。現在，霍爾推進器已經在衛星上和空間站上大量使用了，馬斯克的星鏈上就安裝有霍爾推進器，可以讓星鏈的壽命增加，咱們的天宮空間站上也有霍爾推進器，可以用來做軌道提升，節約燃料，減少天舟貨運飛船的補給次數。但是，霍爾推進器以及咱們今天講的磁等離子體推進器目前的推力非常小，比如星鏈衛星上的推進器，推力只有170毫牛，天宮空間站上有個幾百毫牛，2020年我講過，咱們國家霍爾推進器推力突破了一牛，又過兩年之后變成了4牛多，這就已經是世界第一梯隊水平了。不過這樣的推力對于軌道維持，抵消軌道上稀薄空氣產生的阻力來說，一般是夠了。另外，未來，如果我們需要使用電推進器實現星際航行，可以通過一個相對比較小的推力持續加速，用時間換速度，最終就可以將航天器的速度加的非常快，從而飛到更遠的地方。而要實現這點，除了想辦法獲得更多的能源，比如發展可控核聚變技術之外，大力發展電推進器技術，提升電推進器的功率和推力同樣非常重要。目前，我國不僅在霍爾推進器方面進入了世界第一梯隊，如今在磁等離子體推進器方面也取得了重大突破，逐漸趕上甚至超過是世界一流水平，雖然我現在不知道星辰大海有多遠，但我知道，它離我們中國人越來越近了。

本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品

作者：茍勝 西安航空學院 副教授

審核：周炳紅 中國航天科普大使 研究員

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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