據(jù)國外媒體近期報道，美國一家私營公司——Astra火箭公司正在建造用于國際空間站飛行的創(chuàng)新型“等離子體火箭”（VASIMR），這種火箭將來有可能執(zhí)行探訪行星的任務(wù)。而早在今年3月初，美國麻省理工學(xué)院華裔物理學(xué)家、火箭科學(xué)家和前任宇航員張福林就曾宣稱，采用最新科技的等離子體火箭，未來從地球到火星的旅行只需要39天，這一時間只是目前借助其他航天器從地球到火星飛行所需時間的六分之一。
“等離子體”在我們的現(xiàn)實生活中并不陌生，它是廣泛存在于自然界中的一種電中性的電離氣體，是繼物質(zhì)存在的固體、液體、氣體三種形態(tài)之后出現(xiàn)的第四種物質(zhì)形態(tài)，具有數(shù)密度近似相等的自由電子和正離子，其產(chǎn)生和運動主要受電磁場力的作用與支配，對電磁波的傳播有很大的影響。它呈現(xiàn)出高度激發(fā)的不穩(wěn)定態(tài)，其中包括離子(具有不同符號和電荷)、電子、原子和分子。在自然界里，熾熱爍爍的火焰、光輝奪目的閃電、以及絢爛壯麗的極光等都是等離子體作用的結(jié)果。對于整個宇宙來講，幾乎99.9%以上的物質(zhì)都是以等離子體態(tài)存在的，如恒星和行星際空間等都是由等離子體組成的。用人工方法，如核聚變、核裂變、輝光放電及各種放電都可產(chǎn)生等離子體。
令B-2A“相形見絀”的等離子體隱身飛機
20世紀60年代以來，美國和前蘇聯(lián)等軍事強國就可開始研究等離子體吸收電磁波的性能。80年代初，前蘇聯(lián)最早開始進行等離子體實驗，重點是等離子體在高空超音速飛行器上的潛在應(yīng)用。90年代初，美國休斯實驗室開展的一項為期兩年、投資65萬美元的實驗表明，應(yīng)用等離子體技術(shù)，可使一個130毫米長微波反射器的雷達回波信號強度減少到原來的1%。1997年，美國海軍委托田納西大學(xué)等單位發(fā)展等離子體隱身天線，其原理是：將等離于體放電管作為天線元件，當(dāng)放電管通電時就成為導(dǎo)體，可正常發(fā)射和接收無線電信號；當(dāng)斷電時就成為絕緣體，基本上不反射敵方雷達輻射的電磁探測信號。初步的演示結(jié)果已經(jīng)顯示了這種天線正常的發(fā)射／接收功能和良好的隱身性能。近年來，等離子體隱身技術(shù)在俄羅斯取得了突破性的進展，其研究成果明顯領(lǐng)先于美國，據(jù)報道，俄羅斯克爾德什研究中心已經(jīng)開發(fā)出第一代和第二代等離子體發(fā)生器，該研究所在地面模擬設(shè)備和自然條件下以及飛機上的試驗已經(jīng)充分地證明了這種隱身技術(shù)的實用性。
等離子體隱身飛機是采用等離子隱身涂料研制的一種隱身性能極強的飛機。等離子體隱身涂料以釙-210、鋦-242、鍶-90等放射性同位素為原料（只要適當(dāng)選擇輻射源，合理控制輻射劑量，對人體是安全的），在飛行器飛行過程中放射出強α射線，高能粒子促使飛行器表面外的空氣電離形成等離子體層，它對微波、紅外輻射有很好的吸收效果，其吸收性能使信號有1-20吉赫茲范圍內(nèi)衰減可達17分貝。敵方探測雷達輻射的電磁波照射到環(huán)繞飛機的等離子云團后主要會產(chǎn)生兩種現(xiàn)象：首先，一部分電磁波能量被等離子云團吸收。因為電磁波在穿越等離子云團時與等離子體的帶電粒子相互作用，會將能量傳遞給帶電粒子，自身能量被大大衰減；其次，等離子云團能使電磁波產(chǎn)生繞射，電磁波繞過等離子云團唇，繼續(xù)向前輻射，不產(chǎn)生反射，這將極大地減少反射的電磁波信號，使雷達難以發(fā)現(xiàn)隱蔽在等離子云團中的飛機。
俄羅斯在等離子體隱身技術(shù)研究方面領(lǐng)先美國，設(shè)備已經(jīng)發(fā)展到第三代，前兩代產(chǎn)品已經(jīng)進行過飛行和地面試驗。俄羅斯下一代戰(zhàn)略轟炸機使用了等離子隱身技術(shù)，在不改變飛機氣動外形設(shè)計的前提下，將飛機周圍的空氣變成等離子云，達到吸收和散射雷達波的效果。據(jù)稱可將飛機被雷達發(fā)現(xiàn)的概率降低99％。新一代技術(shù)將使美軍B-2A相形見絀。
“殺敵于無形”的等離子體防空反導(dǎo)武器
在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，如何有效地抗擊導(dǎo)彈襲擊是世界各國軍事專家們共同關(guān)注的難題?，F(xiàn)有的主要方式是“以導(dǎo)反導(dǎo)”，即用反導(dǎo)彈導(dǎo)彈攔截攻擊的導(dǎo)彈，由于導(dǎo)彈目標小、飛行速度快，“以導(dǎo)反導(dǎo)”防不勝防，效果不好。俄羅斯的阿夫拉緬科、阿期卡良和尼古拉那娃3位科學(xué)家獨辟蹊徑，設(shè)計出了用等離子武器消滅空中導(dǎo)彈的新方法，對于各種飛行器而言，它們的致命弱點是飛行環(huán)境的特性，只要能改變它們的飛行環(huán)境，就能找到對付它們的辦法，他們決定利用彼此交叉的大功率電磁波束來改變飛行器的飛行環(huán)境，將超高頻電磁波束在大氣中聚焦，焦點處的空氣高度電離，形成電離度和密度極高的空氣團——等離子云團，設(shè)下一個布滿殺機的空中“陷阱”。導(dǎo)彈、飛機等各種飛行器一旦進入等離子云團，就會偏離飛行軌道，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，這樣造成的大得驚人的向心力，足以將其撕成碎片，只要l00毫秒就可以使它“粉身碎骨”。
等離子武器主要由超高頻電磁波束發(fā)生器、導(dǎo)向天線和大功率電源等組成。它集雷達搜索、發(fā)現(xiàn)目標和打擊目標于一身，極大地簡化了攻擊過程，等離子武器輻射的電磁波束并不聚焦在目標上，而是聚焦在目標的前方和兩側(cè)；不是用極高的能量將目標燒毀，而是以電磁波束設(shè)下“陷阱”，以破壞飛行器的飛行環(huán)境來打擊目標。另外，由于等離子武器輻射的電磁波束是以光速傳播的，導(dǎo)彈彈頭的飛行速度不過8 km/s，最多15 km/s，對于等離子武器輻射的電磁波束而言，相當(dāng)于“慢鏡頭”動作或靜止不動的目標，攻擊非常容易。等離子武器可在瞬間打擊各種空中目標，對于真假目標能夠一并摧毀，可有效地對付來自太空和高、中、低空大氣層內(nèi)的各種飛機、導(dǎo)彈的襲擊。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，等離子武器在21世紀必將作為空中目標的新殺手的新星而登上未來戰(zhàn)爭舞臺，并將發(fā)揮重要作用。
星際旅行的新“飛毛腿”：等離子體火箭
等離子體火箭又稱“可變比沖磁等離子火箭”，是使用等離子體加速器作為推力的火箭。其發(fā)動機包括三個相連的磁元件，最前面的元件將推進氣體離子化，中間的元件則起放大器作用以進一步加熱等離子體，最后一個元件是磁噴嘴，可將等離子體變?yōu)榘匆欢ǚ较蜻\動的流體。等離子體火箭技術(shù)的關(guān)鍵在于它能改變、調(diào)整等離子體流，以保持最佳推進效率。等離子體推進的優(yōu)點是推進比沖大，即火箭排氣速度與地球重力加速度的比值大，缺點是效率低，其推力與重量比遠小于1。等離子火箭是一種小功率的火箭，壽命很長，可在10年以上的時間內(nèi)連續(xù)提供小推力，先用大功率的化學(xué)火箭將飛行器送入環(huán)繞地球的軌道，然后用這種小推力火箭去執(zhí)行各種特殊任務(wù)。
飛往行星將有力地驗證等離子體火箭技術(shù)，這項技術(shù)利用無線電波電離氬、氙或氫等推進劑，之后將電離區(qū)加熱至20倍，達到太陽表面還高的溫度。在控制方向的排氣金屬噴嘴處，等離子體火箭使用磁場。等離子體火箭的發(fā)明者張福林曾為宇航員，2005年離開NASA創(chuàng)立Astra火箭公司全力研制等離子火箭。等離子體火箭技術(shù)2009年在真空室成功進行了全功率驗證。Astra公司計劃2014年向空間站運送等離子體火箭。作為備份，張福林希望生產(chǎn)兩臺等離子體火箭，以避免發(fā)射事故或其他重大問題影響首次對空間站的發(fā)射。一旦發(fā)動機被安全地安裝到空間站外，另一臺等離子體火箭就可以執(zhí)行一項新任務(wù)，并且不需要NASA的投資。
目前，美國對等離子體火箭的未來發(fā)展設(shè)想主要有兩個：一種構(gòu)想是等離子體火箭發(fā)動機從空間站外部提供動力；另一個等離子體火箭執(zhí)行小行星任務(wù)。NASA和Astra公司將與國防高級研究計劃局（DARPA）組成團隊利用等離子體火箭的高效性，當(dāng)前在研的還有200千瓦的太陽動力帆板?；鸺诌_目標行星后，太陽動力帆板還能為科學(xué)設(shè)備和其他儀器提供動力。張福林稱，等離子體火箭不需要動力系統(tǒng)，登上小行星之后關(guān)閉發(fā)動機，還有200瓦的能量用于執(zhí)行任務(wù)。任務(wù)也可以進行雷達成像和觀測，選擇樣本發(fā)回地球。這項任務(wù)與美國總統(tǒng)奧巴馬的太空新方向也相符合。等離子體火箭小行星任務(wù)是NASA研究團隊目前評估的若干項提議之一。如果被NASA選中，這項任務(wù)到2017年可以實現(xiàn)自由太空飛行。
突破化學(xué)火箭“瓶頸”，星際旅行或成現(xiàn)實
在眾多的科幻小說中，飛行器總能為星際旅行的全程提供動力。但在現(xiàn)實中，目前火箭推進器的發(fā)動機技術(shù)，根本無法實現(xiàn)這一點。相對于裸露在外的推進劑儲箱，化學(xué)火箭的發(fā)動機看上去很小，但它的胃口很大，真可謂“吃得多，干得少”?；瘜W(xué)火箭的大部分燃料被用來擺脫地球引力，剩余的一點則被用來推動火箭的“太空滑行”?；鸺w往目的地，僅僅是依靠慣性。對于星際飛行來說，這種引擎顯然力不從心。等離子發(fā)動機采取了一種和化學(xué)火箭完全不同的設(shè)計思路。它使用洛倫茲力讓帶電原子或離子加速通過磁場，來反向驅(qū)動航天器，和粒子加速器與軌道炮都是同樣的原理。等離子火箭在一定時間內(nèi)提供的推力相對較少，然后一旦進入太空，它們就會像有順風(fēng)助陣的帆船，逐漸加速飛行，直至速度超過化學(xué)火箭。
實際上，迄今已有多個太空探測任務(wù)采用等離子發(fā)動機，如美國宇航局探測小行星的“黎明號 ”（Dawn）探測器和日本探測彗星的“隼鳥號”（Hayabusa）探測器，而歐洲空間局撞擊月球的SMART-1探測器的目的之一，就是驗證如何利用離子推進技術(shù)把未來的探測器送入繞水星運行的軌道。這些已經(jīng)實用的離子發(fā)動機都很“迷你”（mini），多屬于輔助發(fā)動機，推力和加速度都很小，要使航天器達到預(yù)定的飛行速度，用時極長—SMART-1的等離子體發(fā)動機提供的加速度只有0.2毫米/秒，推力只相當(dāng)于一張紙對于手掌的壓力。這樣的發(fā)動機，帶上一只螞蟻都無法脫離地球的重力場。但它們在太空中的表現(xiàn)能夠彌補這個缺陷。優(yōu)越的比沖量，也就是能用更少的燃料提供更多的動力，使它最終能把傳統(tǒng)的化學(xué)火箭遠遠拋在身后。
正是這一原因，使等離子發(fā)動機成為航天界新的寵兒。等離子發(fā)動機中的新秀等離子體火箭被美國航空航天研究所（AIAA）列為2009年十大航天新興項目。NASA的新任掌門人查爾斯?博爾登（Charles Bolden）也非?？春玫入x子體火箭，NASA向Astra 火箭公司提供經(jīng)費，希望他們能夠完成自己的承諾——讓等離子體火箭在2012年或2013年能夠安裝到國際空間站上進行點火測試。（中國網(wǎng)）
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