这枚革命性的火箭能将人类送往火星

前往火星并非易事，也许这就是为什么没有人尝试过。以今天的化学燃料火箭，需要六到九个月才能到达。根据 2013 年的一项研究，途中，你每五到六天就会受到相当于一次全身 CT 扫描的辐射，这会增加你一生患癌症的风险，超出 NASA 设定的限度。到达红色星球后，你将等待长达两年，直到地球和火星距离最近才能返回，这又需要六到九个月。如果宇宙射线没有让你死亡，漫长的等待期也可能会。

但是，如果有一种更好的方法——一种新型火箭，可以在不到六周的时间内将你运往火星呢？这将大大缩短旅行时间和辐射暴露时间，整个往返飞行理论上只需要三个月，而不是三年。这并非科幻小说的猜测：在德克萨斯州韦伯斯特的一间不起眼的仓库里，一位富有远见的科学家正在开发一种原型火箭发动机，它有可能使太空旅行比以往任何时候都更快。

富兰克林·张·迪亚兹（Franklin Chang Díaz）是一位麻省理工学院培养的物理学家，也是前 NASA 宇航员，他花费了 30 多年的时间研究他发明的火箭发动机，他相信这台发动机可以彻底改变星际飞行。2005 年，他创立了一家公司 Ad Astra（拉丁语意为“奔向星辰”），以实现这一目标，并且他仍然是太空探索的坚定倡导者。“第一个登上火星的人已经出生了，”他说。他希望他们能使用他的火箭去那里。

革命的诞生

张·迪亚兹（Chang Díaz）在哥斯达黎加长大，1957 年苏联成功发射了第一颗人造卫星斯普特尼克（Sputnik）后，他对所有与太空相关的事物产生了浓厚兴趣。那时他 7 岁。十一年后，他购买了一张单程机票前往美国，身揣 50 美元抵达康涅狄格州哈特福德。他几乎不会说一句英语。他在那里与远房亲戚同住，并读完了高中。在获得康涅狄格大学本科学位后，张·迪亚兹（Chang Díaz）进入麻省理工学院攻读应用等离子体物理学研究生，并开始进行核聚变研究。该项目的目标是开发一种新的能源，但他有不同的想法。“我一直认为核能对于太空探索至关重要，”他说。

他追求的方法是利用强大的磁体将超高温气体（即等离子体）压缩到一个极小的体积内，使得一些气体原子的原子核能够融合在一起，从而释放出巨大的能量。他的主要成就之一是发明了一种“磁力喷管”，可以将等离子体粒子以高速射流喷出。它工作原理类似于花园水龙头的喷嘴，只不过他的版本是看不见的，通过磁场控制离子流。

在此期间，张·迪亚兹（Chang Díaz）的思绪再次回到太空，他意识到同样的通用原理可以用于火箭发动机。而普通火箭通常通过燃烧燃料来获得推力，他的方法则不涉及燃烧任何东西。相反，电力将像氩气这样的气体加热到接近太阳表面温度，直到气体变成等离子体。等离子体将被强大的磁场约束（没有任何材料能承受如此高温），并以高速从发动机喷出。虽然仍然需要传统的化学火箭才能从地面进入太空，但一旦进入太空，这种发动机就可以产生足够的推力，使人们到达火星的速度比传统航天器快三到四倍——在最有利的条件下，只需 39 天。变比冲等离子体火箭（Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket），或简称 VASIMR 的概念由此诞生。

前往德克萨斯，以及更远

在 1977 年获得博士学位后，张·迪亚兹（Chang Díaz）继续研究他的火箭概念，同时保持着他对太空本身的兴趣。1980 年，他第二次尝试被 NASA 宇航员录取。当他在休斯顿约翰逊航天中心的训练变得认真时，他发现难以维持每月往返麻省理工学院的通勤，于是他将他的火箭实验室搬到了约翰逊中心。在接下来的几十年里，他执行了七次航天飞机任务，在太空度过了 1600 多个小时，同时保持着积极的研究日程，几乎每天都致力于他的火箭发动机工作。

2005 年，张·迪亚兹（Chang Díaz）从 NASA 退休，成立了他的火箭公司 Ad Astra。那时，航天飞机计划只剩下几年时间，张·迪亚兹（Chang Díaz）认为该是时候转向新事物了。他认为，下一阶段的探索，涉及深空旅行，将需要“技术的飞跃”。

这正是他在公司位于约翰逊中心以南几英里、不起眼的休斯顿郊区韦伯斯特的总部所做的事情。他正在与他以前的雇主展开一场友好的竞争，试图创造未来的火箭。

Ad Astra 高 20 英尺的建筑隐藏在一间日式餐厅后面，旁边是一家巴西烤肉店和一家纹身店。其灰暗的砖石外观与周围的停车场融为一体。建筑内部看起来是典型的开放式办公空间——直到你穿过一扇双开门，进入实验室。在那里，你可能会注意到一些不寻常的东西：一个直径 15 英尺、长 35 英尺的金属圆筒，足够容纳一辆校车。这个圆筒是一个模拟太空条件的真空室。里面有一个更小的真空室——大约一个核磁共振成像仪的大小——里面装着火箭的磁体。

在测试期间，这种新型发动机每天运行数百次。氩气被吹入真空室，在那里，无线电波将气体加热到 100 万到 200 万开尔文——这是一个优势，因为更高的温度会带来更高的效率。（相比之下，传统火箭的运行温度为几千开尔文。）内部腔室中的磁体然后将热气体汇聚成一束，以超过 100,000 英里/小时的速度向外喷射——这种强劲的排放会将航天器向相反方向推进。

进展虽然缓慢，但稳步前进。该发动机最近产生的输出超过 200 千瓦，比以前的技术提高了十倍，使其“成为目前世界上最强大的等离子体火箭，”张·迪亚兹（Chang Díaz）说。

什么是等离子体？

等离子体是除固态、液态和气态之外，较为不为人知的第四种物质形态。这种由带电粒子（称为离子）组成的超高温物质，行为类似于气体，但也能对电磁场做出反应。它通常会发出独特的辉光，正如在闪电、霓虹灯和等离子球（上图）中所见。

韦伯斯特，我们有个问题

正如张·迪亚兹（Chang Díaz）乐于承认的那样，VASIMR 面临的最大障碍是，即使它被放大到运行数十兆瓦的范围（这是长途旅行中超越传统火箭所需的），它仍然只是一个不消耗燃料的发动机。这意味着它必须连接到某种发电机。而唯一足够紧凑和集中的东西，能够为航天器提供数十兆瓦的电力（足以供约 10,000 户家庭使用），就是一个轻量级的核裂变反应堆——而这种东西尚不存在。

张·迪亚兹（Chang Díaz）认为这是一个暂时的障碍，而不是一个致命的问题。位于新墨西哥大学的核工程师和太空专家帕特里克·麦克丹尼尔（Patrick McDaniel）也表示同意，他说工程师有技术能力为太空建造一个“相对轻便”的 10 兆瓦核反应堆，尽管可能缺乏这样做的意愿。他说，这就是为什么前往红色星球的计划如此吸引人。“我们需要一项太空任务来推动核火箭的发展，而载人火星任务将是完美的任务。”

张·迪亚兹（Chang Díaz）同样自信，必要的核反应堆设计将取得进展。“没有这个，人类将无法进行任何深空旅行，”他说。“产生足够能量的唯一方法就是通过这类核反应堆。”

太空货运

与此同时，张·迪亚兹（Chang Díaz）不需要核能来继续开发他的独特发动机。“我们将部署 VASIMR 作为一种太阳能火箭，它可以执行许多重要的近地轨道任务，”他说。

VASIMR 在太空的首次测试暂定于 2016 年在国际空间站进行。发动机将不使用核能，而是依靠大型电池组的能量爆发，这些电池组由空间站的太阳能电池板充电。张·迪亚兹（Chang Díaz）表示，假设一切顺利，Ad Astra 将随后寻求 VASIMR 的多种近期应用，例如定期调整空间站和其他大型卫星的轨道，使其进入稳定轨道。

张·迪亚兹（Chang Díaz）还希望 VASIMR 在过渡阶段成为一个“太空拖船”，能够为运送补给到空间站和将卫星运送到预定轨道的火箭提供动力。换句话说，他说，“我们想进入货运行业。”他的火箭还可以充当垃圾车，将报废的卫星和废弃的火箭上面级从危险的轨道上移走（这是一项大型化学燃料火箭由于使用过多燃料而无法高效完成的任务）。

这些复杂任务需要大约 200 千瓦的功率，绝非易事。“它们将告诉我们，为了建造能够处理兆瓦级功率的火箭发动机，我们需要了解什么，”应用物理学家、Ad Astra 的董事会成员兼联合创始人蒂姆·格洛弗（Tim Glover）说。“这是一个我们不能跳过的步骤。”

当 VASIMR 的发动机技术成熟，更轻便的核反应堆为太空飞行做好准备时，人类将超越地球轨道，火星将成为合乎逻辑的下一站。张·迪亚兹（Chang Díaz）认为这样的旅行不仅仅是另一次冒险。他说，太空探索对人类的生存至关重要——这是自早期人类开始探索周围世界以来一直进行的进程的最新一步。

最终，人类几乎肯定会 venturing 得更深进入太阳系，离我们称之为家园的这颗脆弱的蓝色星球越来越远。正如张·迪亚兹（Chang Díaz）所见，“火星只是一个开始。”

[本文最初以“火箭人”的标题印刷出版。]