新型离子发动机概念图
据英国《新科学家》杂志报道，当前，美国国内在载人火星之旅和重返月球的优先选择上存在很多争论，而要求率先登陆火星的呼声看上去正占得上风。专家指出，从地球到达火星需半年之久，如此漫长的太空旅行势必会给宇航员身心健康造成极大的压力。不过，研究人员正测试动力强劲的新型离子发动机，有望使火星之旅缩短为39天。
早有成功案例
常规火箭燃烧化学燃料产生推力，但大部分燃料在从地面升空的第一阶段耗尽，所以，火箭常常只能在太空的大部分运行时间里采取滑行模式。另一方面，离子发动机可以令带电原子或离子加速通过电场，因而能反向驱动航天器。相比采用化学燃料的火箭，离子发动机在一定时间内提供的推力相对较少，这意味着它们自身可以不受地球引力的限制。
可一旦进入太空，它们就像帆船后面绵延不断的微风一样，可以提供持续多年的推力，令其逐渐加速飞行，直至速度超过化学燃料火箭。实际上，迄今已有多个太空探测任务采用离子发动机，如美宇航局的“黎明”号(Dawn)探测器和日本的“Hayabusa”探测器，前者正在赶赴两颗小行星灶神星和谷神星的途中，后者已于2005年与小行星Itokawa相撞。
新型发动机名为“可变比冲磁致离子浆火箭”(简称VASIMR)，比以前几种离子发动机拥有更多的“增长剂”。这是因为它采用射频发生器加热带电粒子或等离子体。射频发生器类似用于播放无线电节目的发射机。VASIMR发动机正在由艾德?阿斯特拉火箭公司(Ad Astra Rocket Company)开发，该公司由物理学家、前美国宇航员张福林(Franklin Chang-Diaz)于2005年创建。
温度堪比太阳中心
VASIMR发动机的工作原理与蒸汽机有相似之处，第一级承担类似于沸水生成蒸汽的任务。射频发生器会不断加热氩原子气体，直至电子“汽化”生成等离子体。今年7月2日，艾德?阿斯特拉火箭公司在其位于得克萨斯州韦伯斯特市的总部首次对VASIMR离子发动机的第一级进行了测试。
一旦从火箭发射出来的话，等离子体自身可以产生推力，只不过效率很低。为最大程度利用效能，火箭第二级会以一百万度加热离子，这一温度相当于太阳中心的温度。在强磁场下，比如超导磁体产生的磁场，离子会以固定频率旋转，VASIMR离子发动机就充分利用这一原理达到了目的。随后，射频发生器转换为同样的频率，向离子中喷射额外的能量。
强磁场会将等离子体输送到发动机后面，从反向驱动它的运行。由于射频发生器的作用，VASIMR发动机的动力水平比其他发动机高出一百倍，通过将等离子体发动至一系列具有不同电压的金属格，加快等离子体运行速度。在这一条件下，离子会与倾向于侵蚀其的离子相撞，从而限制了火箭的动力和寿命。不过，VASIMR离子发动机的射频发生器永远不会与离子接触，从而避免了这一问题。
艾德?阿斯特拉火箭公司负责研发的主管杰里德?斯奎尔(Jared Squire)说：“据我们所知，它是有史以来最强大的超导等离子体来源。”该公司科学家上周开始测试发动机的第二级，即加热等离子体的那一级。迄今为止，斯奎尔的团队已在50千瓦的水平下运行这台两级火箭。他们希望在测试中将动力升至200千瓦，这足够提供大约一磅的推力。这或许听上去并不太多，但在太空中，一磅推力可以驱动两吨重的货物。
与美宇航局建立合作
艾德?阿斯特拉火箭公司已同美宇航局达成协议，2012年或2013年会将VASIMR发动机安装到国际空间站上进行点火测试。VASIMR发动机具有令国际空间站在轨运行所需要的周期性推力的潜力。在当前的功率水平下，它完全可以依靠太阳能运行。斯奎尔表示，VASIMR发动机将变身地球轨道一个不错的“拖船”，将卫星送入不同的轨道。它还能将航天货物送入月球基地，因为其运行速度相对较快，可用于对付危险的小行星，在小行星抵达地球多年前利用引力使其偏离轨道。
然而，如果想要在39天内到达火星，那么VASIMR发动机的动力必须达到太阳能动力的1000倍。为此，VASIMR发动机便需要安装核反应堆。从20世纪60年代至80年代，前苏联曾使用过早期的核反应堆技术，但一直没有用于太空探索，所以需要时间去进一步开发。斯奎尔说：“通向目的地的道路有多条。”
美宇航局新任掌门人查尔斯?博尔登(Charles Bolden)日前对这种短期的火星之旅构想提出了表扬。他表示，美宇航局已向VASIMR发动机的研发提供了一定的经费，并称这是宇航局同私营公司建立合作的典型案例，将有助于宇航局在航天飞机2010年退役以后实现其既定目标。
