物理学家提出新型磁重联火箭推进器概念 或能将宇航员送往火星

据外媒New Atlas报道，由于美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的物理学家Fatima Ebrahimi开发的一种新的火箭概念，利用磁场产生推力，前往火星的载人任务可能会更加实际。在过去的64年里，机器人卫星和探测器取得了显著的成功，但这些卫星和探测器的体积都比较小，最重的是ATV货运飞船，满载重量为44738磅(20293公斤)--而且那个飞船只进入了低地轨道。最大的深空探测器是前往土星的卡西尼-惠更斯任务，它的重量为12467磅（5655公斤）。

这是因为人类成为真正的航天物种的最大障碍是用于推动航天器穿越太阳系和更远的地方的发动机。化学火箭可以推出令人印象深刻的推力，但比冲力非常小。也就是说，在推进剂用完之前，它们不能发射很长时间。电动推进系统，如Hall 推进器，则正好相反。它们的推力只相当于一枚小硬币的重量，但它们可以燃烧几个月，而不是几分钟，所以它们可以（慢慢地）积累到很高的速度。

不幸的是，这两种燃料对于将宇航员载到火星上都没有什么吸引力。其中一种可能会快速启动，另一种可能会缓慢启动，但它们都意味着数月甚至数年的漫长而危险的航行。这两种基本的推进方式都有各自的优缺点，但至少在短期内，真正需要的是一种结合了两者特性的推进方式。理想的情况是，具有更高的推力和更大的比冲力的东西。

新的普林斯顿概念的工作原理是使用同样的机制，将作用于太阳耀斑。这些耀斑由带电的原子和称为等离子体的粒子组成，它们被困在强大的磁场中，在那里发生复杂的相互作用。

对于推进系统来说，Ebrahimi对一种叫做磁重联的相互作用特别感兴趣，这是磁能转化为粒子的动能、热能和辐射能的过程。这种现象不仅在太阳上看到，而且在地球大气层和托卡马克核聚变反应堆内也能看到，比如PPPL的国家球面环面实验（NSTX）。

在一个非常普遍的方式，磁推进器就像航天器上越来越常见的离子推进器。这些推进器的工作原理是给由氙等重原子组成的推进剂充电，然后利用电场对其进行加速。对于新概念的推进器来说，是由磁场来加速的。

到目前为止，PPPL计算机和加州伯克利劳伦斯伯克利国家实验室的国家能源研究科学计算中心的计算机模拟结果显示，磁重联推进器产生的速度可以比目前的电力推进系统快10倍。

“长途旅行需要几个月或几年的时间，因为化学火箭发动机的比冲力很低，所以飞行器需要一段时间才能达到速度，”Ebrahimi说。“但如果我们基于磁重联制造推进器，那么可以想象，我们可以在更短的时间内完成长距离任务。”

除了缩短旅行时间，新的推进器概念还可以通过微调磁场进行节流。此外，推进器不只是射出等离子体，而且还能射出等离子体团，也就是包含在磁泡中的等离子体球，增加更多的动力。另外，推进器不依赖重元素作为推进剂，可以装载更轻、更便宜的元素。

“其他推进器需要重气体，由氙气等原子构成，而在这个概念中，你可以使用任何类型的气体，”Ebrahimi说。

该研究发表在《等离子体物理学杂志》上。