等离子发动机

流浪地球中离子发动机能推动地球吗？

前两年电影流浪地球大火，可以说打开了中国科幻电影的一扇大门。当然除了他的票房之外，最让人津津乐道的就是在流浪地球里边儿提出的那个设想。假如真的有一天太阳走向了末日，将会摧毁太阳系内的一切东西，那么人类是否可以带着地球一起向远处的新人类家园流浪？当然在电影里面依靠着一些发动机，最后实现了流浪地球的计划，但是如果放到实际中，这样的景象能实现吗？首先我们来说一下电影中提到的离子发动机，其实听着离子发动机很是高大上，但实际上它早已经被我们研发出来了。而且它的燃烧效率的确比我们传统的发动机要高出10倍有余，排气速度更是接近100倍。所以这也是为什么在流浪地球计划开始的时候，会首选离子发动机作为核心部分。 但是在理论上来说，虽然专家提出离子发动机可以使其搭载的物体达到11公里每秒的速度。但是这只是在理论上，而且在电影中也提到了全球一共使用了1万台这样的发动机，产生了150亿吨的推力。看起来是不是很大，但是你知道地球的重量是多少吗？又或者知道太阳对地球有多少引力吗？足足有150万亿的力 。双方之间相差还有一万倍，只有将行新发动机的数量扩充一万倍才有可能实现，当然前提是地球在这样的情况下不会崩溃。所以可以完全告诉大家，电影中提到的离子发动机产生的推力根本没办法撼动地球。而且在流浪地球计划当中最致命的一环，那就是如果地球以这样的速度逃离出太阳。那么地球是如何维持自己的生态平衡的，要知道在之前地球一直按照公转和自转的规律围绕着太阳旋转。基本上万物都是在这样的影响下进行净化和生长的。离开太阳将会对地球上的所有生物造成致命的打击，同时最值得注意的一点，那就是2000年的长途跋涉，将会面临更多的灾难。

等离子发动机的必然选择

在科幻小说中，飞行器总能为星际旅行的全程提供动力。但在现实中，火箭推进器的发动机技术，根本无法实现这一点。相对于裸露在外的推进剂储箱，化学火箭的发动机看上去很小，但它的胃口很大。“吃得多，干活的效率却不高。”张福林说。这种发动机吞噬掉的海量能源，只在提供短期动力方面有效——储存的燃料很快用完，推进器马上被当成垃圾扔掉。化学火箭的大部分燃料被用来摆脱地球引力，剩余的一点则被用来推动火箭的“太空滑行”。火箭飞往目的地，仅仅是依靠惯性。对于星际飞行来说，这种引擎显然力不从心。“土星5号”就是典型代表。它的第一级装有2075吨液氧煤油推进剂。一旦发动机点火，它可以在2分34秒内全部“喝”完这些“饮料”。高温气体以2900米/秒的速度喷射，却仅仅够将47吨的有效载荷送上月球。在全部能够产生的3500吨推力中，很大一部分被用来“拖”起火箭自身和2000多吨燃料。所以它的“比冲量”并不高，只有300多秒，表明了它的推进效率的低下。这就是为什么要将一个质量很小的人送上太空，却必须使用一枚巨大火箭的原因。等离子发动机，或者俗称的“离子推进器”采取了一种和化学火箭完全不同的设计思路。它使用洛伦兹力让带电原子或离子加速通过磁场，来反向驱动航天器，和粒子加速器与轨道炮都是同样的原理。“等离子火箭在一定时间内提供的推力相对较少，然后一旦进入太空，它们就会像有顺风助阵的帆船，逐渐加速飞行，直至速度超过化学火箭。”张福林说。实际上，迄今已有多个太空探测任务采用等离子发动机，如美国宇航局探测小行星的“黎明号”（Dawn）探测器和日本探测彗星的“隼鸟号”（Hayabusa）探测器，而欧洲空间局撞击月球的SMART-1探测器的目的之一，就是验证如何利用离子推进技术把未来的探测器送入绕水星运行的轨道。这些已经实用的离子发动机都很迷你，多属于辅助发动机，推力和加速度都很小，要使航天器达到预定的飞行速度，用时极长—SMART-1的等离子体发动机提供的加速度只有0.2毫米/秒方，推力只相当于一张纸对于手掌的压力。这样的发动机，带上一只蚂蚁都无法脱离地球的重力场。但它们在太空中的表现能够弥补这个缺陷。优越的比冲量，也就是能用更少的燃料提供更多的动力，使它最终能把传统的化学火箭远远抛在身后。“1998年发射的深空1号（Deep Space 1），由德尔塔火箭送上太空，然后由离子发动机推动。它的离子发动机产生0.09牛顿的推力，比冲量相当于液体火箭的10倍。每天消耗100克氙推进剂，在发动机全速运转的情况下，每过一天时速就增加25~32米。它最终的工作时间超过14000小时，超过了此前所有传统火箭发动机工作时间的总和。”张福林介绍道。正是这一原因，使等离子发动机成为航天界新的宠儿。等离子发动机中的新秀VASIMR被美国航空航天研究所（AIAA）列为2009年十大航天新兴项目。NASA的新任掌门人查尔斯·博尔登（Charles Bolden）也非常看好VASIMR，NASA向Ad Astra 火箭公司提供经费，希望他们能够完成自己的承诺——让VASIMR在2012年或2013年能够安装到国际空间站上进行点火测试。

《流浪地球》里离子发动机真能推动地球“流浪”吗？

在小说《流浪地球》中，当人类面临提前衰老的太阳吞没地球的威胁时，“地球派”在全世界建起了诸多地球发动机，这些发动机形成了诸多直插天际的等离子体巨柱，发出如日光灯管一样的蓝白色的颜色。这些发动机的工作使地球停止转动并离开之前的公转轨道，踏上流浪之路。在真实的航天活动中，火箭起飞时从尾部喷出的火焰，也是由火箭的发动机产生的。从表面上看，这些熊熊燃烧的烈焰似乎比那些笔直的光柱更具气势。然而，大刘（《流浪地球》作者刘慈欣）为地球设计的这种发动机方案不但更具备玄幻的科技感，产生的推进效果也要比喷火的化学能发动机要高。虽然人们目前还不具备制造出足以停止地球转动的这类发动机的本领，但基于同样原理的发动机，早已经在各类卫星上得到了广泛应用，还被认为是未来最有希望担起人类迈向深空重任的发动机。这种发动机就是本文要介绍的主角——离子电推发动机化学能发动机有局限一枚体态巍峨的火箭腾空而起后，最终却只能将重量相对于火箭小很多的航天器送入轨道，如果目的地设定于火星乃至更远，能够运载的航天器质量则更低。例如，去年成功首飞的猎鹰重型火箭的起飞时的整体重量达1420吨。按照SpaceX公布的数据，即便放弃科技感极强的助推器、芯一级回收功能来换取更高运载能力，这种火箭也最多也只能将63.8吨的载荷送到距离地面很近的轨道上。如果将目标瞄准火星或冥王星，其运载能力将降低为16.8吨和3.5吨，仅相当于起飞重量的1.2%和0.2%。