電漿火箭發射！

old2009

電漿火箭發射！就讓高效率的電漿引擎把新一代太空船推往太陽系之外吧！



重點提要

■傳統火箭藉由燃燒化學燃料產生推力，電漿火箭則是在一群帶電荷的粒子（也就是電漿）上施加電場或電磁場，用以推進太空船。
■儘管電漿火箭產生的推力比化學火箭小得多，但是它能使用同量的燃料讓太空船達到更快的速度。
■電漿火箭的高速特性和推進劑使用效率，使它在深太空任務方面顯得格外有價值。


在黑暗的宇宙中，美國航太總署（NASA）的「曙光號」太空探測船飛出火星軌道之外，朝小行星帶前進。為了深入探究太陽系的誕生，這艘無人太空船正要前去研究「灶神星」和「穀神星」，這兩枚小行星是45億7000萬年前原始行星不斷碰撞合併、形成現今各行星後，所殘餘的最大兩塊天體。

但2007年9月發射升空的曙光號，此趟飛行值得注意的不僅是它的任務目標，還有它採用了在長途太空任務中越來越重要的動力來源──電漿火箭。有別於傳統火箭是以燃燒液體或固體化學燃料來提供動力，目前已發展出數種先進形式的電漿火箭，提供推力的方式是以電力產生並控制離子化氣體推進劑。

曙光號任務設計人員採用電漿火箭，是因為它的效率相當高，到達小行星帶所需的燃料僅為化學火箭的1/10。如果計畫人員採用化學火箭，太空船就只能飛到灶神星或穀神星其中之一，而不能兩者都去。

的確，電漿火箭（又稱為電能火箭）很快就成為長程太空船的最佳動力選擇。電漿推進技術最近一次的成功案例為NASA「深太空一號」的彗星之旅，這趟飛行是太空船完成主要任務之後，利用剩餘燃料進行的額外旅程。另外，曾經嘗試登陸小行星的日本探測船「獵鷹號」（Hayabusa），以及歐洲太空總署用來造訪月球的「聰明一號」太空船，也都是以電漿火箭做為動力來源。由於電漿推進技術展現了許多優點，美國、歐洲和日本的深太空任務規劃人員都打算在未來的太空任務中採用，以便探索外行星、尋找太陽系外的類地行星，並且以遼闊的太空當做實驗室，研究基礎物理學。

電漿火箭的誕生

電漿火箭雖然最近才成為長程太空船的一員，但是這類技術早已針對太空任務發展了一段時間，而且也已經運用在一些太空工作中了。

早在20世紀初，火箭研發者就構思過以電能推動太空船。但直到1950年代中期才由火箭科學家史圖林格（Ernst Stuhlinger）將這個概念化為實用技術。史圖林格是由馮布朗領軍的德國火箭科學家團隊的成員，他們後來轉為美國工作，替美國的太空計畫奠定了基礎。數年後，NASA路易斯研究中心（已改名為葛蘭研究中心）建造了史上第一具實際運作的電漿火箭。這具引擎於1964年裝置在「太空電漿火箭測試一號」上進行了次軌道飛行，運作了半個小時之後，這艘太空船就落回地球。

在此同時，前蘇聯研究人員也在研究電漿火箭的概念。任務規劃人員從1970年代開始選用這種技術，是因為它可節省推進燃料，同時維持電訊衛星的高度與在地球同步軌道中的位置。

想像與實際大不相同

跟傳統火箭的缺點相比，電漿火箭具備的優點更顯得突出。一般人想到一艘太空船飛越無垠黑暗，朝遙遠的天體前進時，大多會想像火箭尾部噴嘴噴出長長的火焰，但是實際狀況完全不是這樣。外太陽系探索任務中，絕大部份時間火箭是缺席的，因為通常幾乎所有的燃料都會在最初幾分鐘內燒完，推動太空船以滑行方式完成剩下的路程，到達目標。的確，化學火箭能推送各種太空船升空，也能在中途進行修正，但實際上它卻不能用於深太空探索任務，因為這類火箭需要大量燃料，多到沒辦法送上軌道，成本上也不划算——將一公斤的物體送上地球軌道的花費就超過兩萬美元。

為了在不需額外燃料的狀況下進行長程高精準度飛行，以往許多深太空探測船必須耗費許多時間（通常為時數年）繞經行星或衛星，利用這些天體的重力使其朝預定方向加速（這種彈射動作稱為重力協航），以便達到所需的軌道及足夠的速度。這樣迂迴的飛行路線大幅限制了升空時間，太空船必須在特定的一小段時間內發射，才能確保可以精確繞經提供重力輔助推進的天體。