从化学火箭到磁等离子体引擎：中国航天如何破解星际航行

【蜂耘网 航空航天】中国航天传来重磅消息：西安航天六院成功完成国内首次大推力磁等离子体发动机全系统试验，实现高功率稳定运行。这则看似专业的科技新闻，实则暗藏着人类突破宇宙航行瓶颈的关键密码。从莱特兄弟的螺旋桨到阿波罗飞船的化学火箭，人类航空器的动力史本质上是一部 "向后扔东西" 的进化史 —— 螺旋桨抛掷空气，喷气发动机喷射燃气，火箭则依靠自带工质的剧烈燃烧。然而在真空宇宙中，传统火箭面临着残酷的物理定律制约：当携带的燃料（工质）耗尽，即便太阳能板能提供无限电能，失去 "抛掷物" 的航天器也将陷入动力瘫痪。

 

磁等离子体发动机的横空出世，正是为破解这一 "工质困局" 而来。这种利用电磁场加速等离子体的装置，将工质喷射速度提升至传统火箭的 10 倍以上，用更少的 "太空石块" 实现更远的航行。中国在这一领域的突破，不仅标志着电推进技术从卫星轨道维持迈向深空探测的关键跨越，更预示着人类动力文明正从化学能时代向电磁能时代悄然转型。

 

 

在卡纳维拉尔角的发射场，马斯克的星舰曾以 33 台猛禽发动机的轰鸣震撼世界。这些化学火箭发动机通过甲烷与液氧的剧烈燃烧，将燃气以 2.5 千米 / 秒的速度喷出，产生 2200 吨的巨大推力。

 

 

星舰

 

但辉煌数据的背后，隐藏着航天动力学的核心悖论：根据动量守恒定律，火箭获得的动量等于工质喷射动量的反作用力，而工质携带效率（即有效载荷与燃料质量比）始终受限于喷射速度。

 

当阿波罗飞船飞向月球时，其 90% 的起飞质量都用于携带燃料，这种 "带着油箱跑" 的模式在行星际航行中变得愈发低效 —— 若要前往火星，传统火箭需携带相当于自身质量数百倍的燃料，更遑论跨越光年的恒星际旅行。

 

问题的症结在于：化学能释放的本质是分子键断裂，其能量转化效率存在天然上限。即便采用液氢液氧等最高能燃料，燃气喷射速度也难以突破 4 千米 / 秒。

 

 

粒子加速器

 

而在地球实验室，粒子加速器早已能将带电粒子加速至接近光速，这启示航天工程师：若能将工质电离为等离子体，利用电磁场进行无化学反应的纯物理加速，或许能打开全新的动力窗口。

 

这正是磁等离子体发动机的核心构想 —— 跳过燃料燃烧的中间环节，直接对工质（如氙、氪等惰性气体）进行电磁加速，将喷射速度提升至 20-50 千米 / 秒，让每克工质发挥出化学火箭 10 倍以上的推进效能。

 

 

西安航天六院的试验装置揭开了这一技术的神秘面纱：首先通过电弧放电将工质电离为等离子体，形成由离子、电子组成的导电气体；随后在发动机内部构建强磁场与电场的复合场，带电粒子在洛伦兹力作用下被持续加速，最终以极高速度从喷口喷出。

 

这种加速方式与传统火箭的化学膨胀加速有着本质区别 —— 前者是电磁力主导的 "精准加速"，后者是热动力驱动的 "爆炸式喷射"。

 

 

霍尔推进器

 

与已广泛应用的电推进技术相比，磁等离子体发动机在技术路径上更具突破性。以霍尔推进器为例，我国 2019 年发射的实践二十号卫星已搭载 20 牛级霍尔推进器，这一指标代表了当前该领域的世界顶尖水平。

 

霍尔推进器通过阳极层放电产生等离子体，依靠径向电场与轴向磁场的交叉作用加速粒子，主要用于卫星轨道微调。而磁等离子体发动机采用闭合磁场构型和高效能量耦合设计，将推力提升至牛级以上，且具备更高的功率承载能力。

 

此次试验中，中国团队攻克了高功率电弧稳定燃烧、等离子体密度均匀性控制、磁路优化等核心难题，实现了 10 千瓦级功率输入下的长时间稳定运行，关键性能指标达到国际先进水平。

 

 

霍尔推进器

 

这种技术突破带来的战略价值不可估量。在天宫空间站，20 牛级霍尔推进器已能通过持续轨道维持，每年为空间站节省数吨燃料，显著降低货运飞船的补给压力。而未来搭载磁等离子体引擎的深空探测器，将能以更小的工质携带量实现更复杂的轨道机动。

 

例如 NASA 的 "黎明号" 探测器曾使用离子推进器（电推进技术的另一种类型），耗时 11 年完成对谷神星和灶神星的探测，若换用磁等离子体引擎，任务周期可缩短至 3-5 年，充分展现电推进技术在长航程任务中的优势。

 

 

在科幻电影《星际穿越》中，人类飞船依靠 "虫洞" 实现时空跳跃，但现实航天更依赖脚踏实地的动力革新。磁等离子体发动机代表的电推进技术，正是实现 "持续加速" 的关键钥匙。根据齐奥尔科夫斯基公式，航天器最终速度由工质喷射速度和质量比共同决定。当喷射速度从 4 千米 / 秒提升至 50 千米 / 秒，同样质量比下的速度增量将提升 12 倍以上。

 

星际穿越

 

更重要的是，电推进系统可与太阳能、核能等持续能源结合，构建 "能量 - 工质" 的高效转换体系 —— 在火星移民设想中，核动力发电机可为磁等离子体引擎提供兆瓦级能量，推动飞船以 1g 加速度持续加速，理论上仅需 3 个月即可抵达火星，且无需携带巨量化学燃料。

 

当然，当前技术仍面临现实挑战：磁等离子体发动机的推力虽达牛级，但与化学火箭的千吨级推力相比仍显弱小，无法满足载人飞船快速入轨等短期高推力需求。

 

这意味着在可预见的未来，两类发动机将形成互补：化学火箭负责 "起跑冲刺"，将航天器送入太空；电推进系统则承担 "长途巡航"，在无重力环境下进行持续加速。这种分工模式已在实际航天任务中得到验证 —— 马斯克的星链卫星使用 Kickstage 离子推进器进行轨道维持，而非霍尔推进器，其本质正是电推进技术在不同场景下的精准应用。

 

 

中国在电推进领域的布局正展现出系统性优势。从 2012 年天宫一号搭载首台国产霍尔推进器，到 2019 年实践二十号卫星实现 20 牛级霍尔推力的工程应用，再到 2025 年磁等离子体发动机的全系统验证，形成了从微推力到中推力、从单一技术到综合集成的技术矩阵。

 

这种 "两条腿走路" 的策略，既保障了现有航天任务的高效执行，更储备了面向未来的核心技术。

 

站在文昌航天发射场远眺，长征五号火箭的尾焰仍在诠释化学动力的辉煌，但西安航天六院实验室里的等离子体辉光，正勾勒出另一种可能 —— 当人类学会用电磁场驾驭物质，用持续能量替代一次性燃料，浩瀚星海将不再是依靠 "孤注一掷" 的燃料储备才能抵达的边疆，而成为可以用时间与智慧慢慢丈量的征途。

 

 

长征五号火箭总设计师

 

磁等离子体发动机的意义，远超一项具体技术的突破。它标志着人类动力文明的底层逻辑正在发生质变：从依靠物质燃烧的 "自我消耗"，转向利用场域能量的 "高效转化"。这种转变，恰似从帆船时代的季风依赖到蒸汽时代的机械动力，虽非一蹴而就，却已在实验室的弧光中照见曙光。

 

当中国工程师在秦岭深处调试那台轰鸣的磁等离子体装置时，他们调试的不仅是一台发动机，更是人类迈向深空的新节拍。

 

 

中国航天

 

正如百年前齐奥尔科夫斯基的预言："地球是人类的摇篮，但人类不可能永远生活在摇篮里。" 如今，这台能将工质加速到极致的 "太空抛石机"，正带着中华民族的航天梦想，向打破摇篮的枷锁迈出坚定一步。

 

当化学火箭的尾焰在近地轨道渐渐熄灭，电磁推进的辉光正为人类照亮通往星辰大海的新航路 —— 在那里，不是燃料决定能走多远，而是智慧与勇气能让工质飞得多快。

 

【内容来源于@苟胜老师的视频内容】

 

 

 

（蜂耘航空航天网 责任编辑：李莲花）