行星發動機：科幻電影中的「真實」

春節假期雖已結束，但國產科幻電影《流浪地球》的熱度卻依然不減，有望成為中國科幻電影史上最具里程碑意義的作品。影片中，相信大家一定對外形酷似長腳支架燃氣灶的行星發動機非常感興趣。那麼，這種科幻發動機有哪些科學基礎？人類真的能實現這種幻想嗎？

行星發動機是何物

關於行星發動機的工作原理，電影和原著小說中均沒有詳細說明，只能根據影片主人公劉啟的隻言片語來推測。

首先，行星發動機遵循動量守恆原理，通過7個噴口噴出的高速等離子體工質的反作用力來推動地球，因此行星發動機可以視為是一種等離子體發動機。

劉啟曾經告訴自己的妹妹韓朵朵，行星發動機「燒石頭」，而「姥爺」韓子昂就是一名負責給行星發動機送石頭的重卡司機，依靠挖山不止的愚公精神，才能保證地球發動機燃料充足。影片中反覆出現的巨型挖掘機和延綿不斷的重卡車隊都是這種中國精神的體現。

至於等離子發動機的能量源問題，劉啟也給出了答案—重聚變。

核聚變是較輕的原子核發生聚合作用生成較重原子核的過程，在這個過程中，會有巨大的能量釋放。核聚變的過程十分複雜，按照聚變順序，一般可以簡化成「氫-氦-碳-鎂-氧-硅-鐵」的過程，按照天文學上的習慣，氫與氦之外的原子核都可以稱為重核，電影和小說中都未說明行星發動機的「重聚變」核心採用的是哪種核聚變過程，這裡只能猜測是從「碳聚變」到「硅聚變」中的一種或幾種結合。

利用這種重核聚變核心能夠產生極高溫將「燃料」順時電離成等離子體，同時也可以輸出巨大能量轉化成電能，通過電磁作用給等離子體加速，再從噴口噴出，從而推動地球。此外，使用電磁加速還可以避免灼熱的等離子流與發動機直接接觸，因為還沒有哪種人造物質能耐受得了這麼高的溫度。由此可見，行星發動機在工程上應該叫「重核聚變等離子發動機」比較合適。

電影中的行星發動機高11000米，全功率運行可以輸出150億噸推力。而在現實世界中，人造最高建築物僅828米，最強大運載火箭的推力僅4000噸，除了小尺寸的等離子發動機已應用於航天領域之外，人類連如何自由操控輕核聚變都沒有實現，更遑論重核聚變了。

所以從現階段人類的認識和科技水平來說，行星發動機只能超脫現實，存在於幻想中。

讓核聚變「聽話」很難

「托卡馬克」效果圖

人類在地球上最容易實現的核聚變反應，就是用氫原子同位素氘的原子核聚變。雖然蘇聯在1953年就成功爆破了首顆熱核聚變氫彈，但氫彈的能量釋放過程是不受控的，人類至今仍沒能實現完全受控的核聚變反應。

之所以如此困難，是因為核聚變必須要使同性的兩個原子核克服靜電排斥，彼此靠近到「相接觸」的程度才能實現。而想要實現這一條件，必須要創造出一個上億度的高溫環境，並且把這些等離子體保持在這個高溫環境中足夠長的時間，不讓它們降溫或逃散。科學家們把這兩個問題形象地比喻成「點火」和「鍋」的問題。

電影中，王磊隊長運送的「火石」就是用來啟動聚變核心的，影片最後靠人力用「撞針」撞擊「火石」來「點火」倒是形象，但在現實世界中已經有了更好的辦法。

隨著激光技術的發展，目前世界上最強的激光輸出功率已達100萬億瓦，這就足以「點燃」核聚變。另外，利用超高頻微波加熱的方法也已經可以達到「點火」溫度。

然而，想讓核聚變反應實現受控，關鍵還是要解決「鍋」的問題。為此，世界各國的科學家們想出了很多方案，歸納起來有磁約束聚變、慣性約束聚變和非常規聚變等3種。

這其中，磁約束聚變利用強磁場來做「鍋」，是目前人類投入最多、取得經驗最豐富的途徑。也就是說，在形如麵包圈的磁約束裝置——「托卡馬克」中，科學家們已經能夠實現輸出功率超過16兆瓦，輸出功率大於輸入功率的核聚變反應，但這些反應僅能維持數秒時間，只具備驗證可行性的作用。

為了集中人類資源突破熱核聚變技術，由歐盟、中國、美國、日本、韓國、俄羅斯和印度7方共同參與，計劃耗資100億歐元的國際熱核聚變實驗堆於2010年開始建造，計劃在2020年開始實驗，2027年注入氘和氚燃料。從這一進度來看，人類想要徹底掌握受控核聚變技術仍有很長的路要走。

等離子發動機「前途無量」

等離子發動機效果圖

人類對於等離子發動機技術的設想，起源於20世紀初期對於星際航行動力的思考。

美國「火箭之父」羅伯特·戈達德在1907年便提出過以微小的加速離子束為星際航行提供推力的設想，後來隨著技術的進步與研究的深入，離子推進系統逐漸被業內公認為遠程太空旅行的最佳推進方法，其技術也逐漸升級，並開始在航天器上得到應用。

在美蘇航天爭霸時代，離子推進器就已經是雙方競爭的熱點之一。在美國首先研製成功實用型離子推進器後不久，蘇聯就把脈衝式等離子發動機裝在了金星探測器上，充分驗證了其可行性。

近年來，等離子發動機在航天器上的使用範圍已從早期的姿態保持擴展到了軌道機動甚至主動力上。美國在2007年發射的黎明號小行星探測器就使用了等離子發動機作為主推進器，因而獲得了遠比化學火箭發動機強勁得多的加速性能，並成功完成了對灶神星和穀神星的探測任務。

據不完全統計，至今已有數百顆人造衛星和探測器上使用了等離子推進器，而且該推進器在商業衛星上使用越來越普遍。

那麼等離子發動機的能量來源於何方？

目前，空間用等離子發動機的電力都來源於太陽能，這極大地限制了等離子發動的功耗要求。電影中，像行星發動機這樣使用核聚變反應堆來供電的方案想必是等離子發動機的一個未來發展方向。

曾7次進入太空的華裔科學家張福林正在致力於此方面的研究，他帶領團隊研製的可變比沖磁等離子火箭（VASIMR）兼具化學火箭大推力和等離子發動機高比沖的優點，在功率不變的前提下，實現比沖和推力的調節。由於同樣以核聚變反應堆為能量源，所以該火箭可視為行星發動機的現實版。

據悉，VASIMR目前正處於技術驗證階段。該火箭雖然受控核聚變距離實現仍然遙遠，但張福林仍然堅信VASIMR是人類飛往火星的最佳動力。

文/李嵩

編輯/張曉帆 曹郁展（實習生）

監製/許斌

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