前一阵有个新闻，说我们西安的航天六院完成了“国内首次大推力磁等离子体发动机的全系统高功率可靠启动和稳定工作”。那这是一个什么样的发动机呢？未来在航天上它会怎么用呢？
先说结论，这东西暂时不能替代烧燃料的发动机，但在未来长航程的星际旅行中可能会起到很大作用。
我们都知道，会飞的东西的发动机，都得往后扔点什么东西，好让自己往前走。螺旋桨把周围的空气划拉起来扔到后面产生推力，喷气式发动机从前面吸气，再掺和一点自己烧出来的燃气扔到后面产生推力。而火箭发动机更狠，因为它需要在真空中飞行，都真空了，那就啥也吸不着划拉不着了，所以它往后扔的东西纯纯都是自己带的燃料。但它不直接扔燃料，而是先把燃料混起来点着，烧成燃气，再往后扔。啥时候燃料烧完了，啥时候火箭就没推力了。
为什么燃料烧完火箭就不能有推力了呢？你肯定觉得我说的是废话，这不就像车没油了一样么？没能量了，还怎么有推力呢？没能量了只是其中的一个方面，更重要的是，没东西往后扔了。我们可以把火箭看成一艘小船，船上拉着一船的小石块，还坐着个人，人手里没桨，也够不着水面，想让船往前走，只能往后面扔小石块，如果小石块扔完了，就算这个人还有能量，船也没法往前跑。同理，在长距离的太空航行中，制约航天器动力持续性的只是能量吗？不，还有那些石块，这在航天动力里面叫工质，也就是往后扔的那些东西。能量在太空中不是没办法获取，现在就有太阳能可以用啊，未来如果有了可控核聚变，那能量要多少给多少，但即使有能量，没东西往后扔，照样产生不了动力。
所以现在的问题来了，船上能带的石块就这么多，要怎么扔，才能更省石头呢？答案是，快快地扔，扔得越快越好。根据动量守恒，每块石头往后飞的动量就是这块石头让船往前增加的动量，所以石头飞得越快，它为船提供的动量就越多，它离开得就越有意义。这也是为什么火箭不仅要把燃料点着，产生很多压力，从一个口窜出去，变成一个喷射战士，还需要用优秀的喷管设计，让喷出去的燃气足够快，然而，即便如此，依靠燃烧喷气的喷射战士，还是不够能喷，喷得不够快。
那怎么才能喷得更快呢？那我问你，人目前能够将物体加速到的最高速度是多少？答案是，接近光速。是通过什么，把什么东西加速到这么高的速度的呢？粒子加速器，用电磁场来加速带电粒子。可以说磁等离子体发动机，就是这样一个粒子加速器，他加速的是等离子体，这些等离子体作为工质被加速扔出去，从而产生推力。
它的原理比较复杂，但简单地说就是通过电弧，把工质变成等离子体，等离子体可以看做类似一堆带正负电的粒子混起来的样子，那这堆带电粒子就会在发动机电磁场的作用下加速，最后喷出。那跟燃烧喷气的化学火箭有啥区别呢？最大区别就是，它喷得快，我们可以施加很大的电磁场，所以它们的加速相对容易，可以把工质加速到火箭燃气速度的10倍甚至更高，这就意味着，想要提供跟火箭一样的动量，它只需要消耗十分之一甚至更少的工质，那在带相同多东西的情况下，我们就可以去更远的地方了。
事实上，磁等离子体发动机属于电磁推进器的一种，这种推进器基本都具有这种喷得快，省工质的特点，与它类似的电磁推进器还有我5年前讲过的霍尔推进器，那种推进器也是利用电磁场加速带电粒子，只不过电磁场产生的方式还有让粒子带电的方式，跟我们今天说的磁等离子体发动机不一样。现在，霍尔推进器已经在卫星上和空间站上大量使用了，马斯克的星链上就安装有霍尔推进器，可以让星链的寿命增加，咱们的天宫空间站上也有霍尔推进器，可以用来做轨道提升，节约燃料，减少天舟货运飞船的补给次数。但是，霍尔推进器以及咱们今天讲的磁等离子体推进器目前的推力非常小，比如星链卫星上的推进器，推力只有170毫牛，天宫空间站上有个几百毫牛，2020年我讲过，咱们国家霍尔推进器推力突破了一牛，又过两年之后变成了4牛多，这就已经是世界第一梯队水平了。不过这样的推力对于轨道维持，抵消轨道上稀薄空气产生的阻力来说，一般是够了。另外，未来，如果我们需要使用电推进器实现星际航行，可以通过一个相对比较小的推力持续加速，用时间换速度，最终就可以将航天器的速度加的非常快，从而飞到更远的地方。而要实现这点，除了想办法获得更多的能源，比如发展可控核聚变技术之外，大力发展电推进器技术，提升电推进器的功率和推力同样非常重要。目前，我国不仅在霍尔推进器方面进入了世界第一梯队，如今在磁等离子体推进器方面也取得了重大突破，逐渐赶上甚至超过是世界一流水平，虽然我现在不知道星辰大海有多远，但我知道，它离我们中国人越来越近了。
本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者：苟胜 西安航空学院 副教授
审核：周炳红 中国航天科普大使 研究员
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
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