2040年核动力火箭：聚变火箭--面向深空探索的次世代发动机

​终于来到最激动人心的部分------直接聚变推进火箭

（给自己挖了好大一个坑），先说一下，这篇文章有点长，请确保你已上过卫生间。

但，相信我，只要你耐心看完，会从技术上对聚变火箭有一个相当程度的了解，我声明下，文章里没有复杂的公式和计算，只要你能看懂绘本就没问题，关键是看你有没有一颗向往星辰大海的心。come on baby!

直接聚变推进火箭(FDR，fusion drive rocket)代表了一种革命性的聚变推进方法，即动力源直接将其能量释放到推进剂中，而不需要转换成电能。

这里有2个条件：一是聚变，二是推进（这不费话吗），也就是说聚变火箭必须是以能实现星际推进任务为基础的聚变装置，这也决定了聚变推进火箭对聚变磁约束方式、聚变燃料、具体的推进参数设计有着不同于发电用聚变装置的设计思路。

既然是聚变，大致可分为磁约束、惯性约束，但目前有合并的趋势，使用磁惯性约束能够更容易达到聚变条件，克服瑞利-泰勒不稳定性。可以翻翻我之前写核聚变的文章。此外工程上还有不进行约束的，使用反质子作为催化剂诱发裂变进而引发聚变，但总感觉有那么一点不纯粹，这个以后找时间再聊吧。

无限的太空第四季第6集中有个对洛西南多飞船的特写，可以看出其发动机采用的是激光惯性约束聚变，劳伦斯利弗莫尔辐射实验室和洛斯阿拉莫斯科学实验室在上世纪70年代便开始了研究，但目前在工程上曝光不多，单纯的激光惯性聚变目前还很难实现，应用于航空领域还有诸多的困难。

太空动力研究公司(MSNW)在其2012年的聚变推进火箭技术报告中给出了聚变推进火箭在工程上要满足的７个条件：

1.动力源直接将能量释放到推进剂中，不需要转化为电能；

2.推进剂是固体，不需要很大的存储罐；

3.推进剂被迅速加热并被加速到> 20 km/s；

4.与航天器没有明显的物理相互作用，从而减少了热负荷、航天器损伤和散热器质量；

5.有着很高的功率质量比，不低于 1kw /kg；

6.推进器总质量小于100吨、功率1000KW起步、总开发费用小于10亿美元；

7.主要依托现有技术，不需要很高的技术外推（稳固、省钱）。

有个大致印象了吗？可以将其作为一种参考，因为，通过对NASA创新先进概念计划(NIAC)支持的主要聚变推进方案的研究发现，聚变火箭的研究和设计由来已久，种类繁杂，但相对于停留在设计层面的方案，有验证实验、有示范设备、有发展路线图的方案才值得我们关注，毕竟设计归设计，工程归工程，拉出来遛遛才是真本事。

来吧！先来看看热闹，然后我们再一起动动脑子掰掰其技术细节，搞明白一些关键的点，上图！！！

工程１：MSNW的聚变火箭-----反场构形线性压缩聚变推进系统

上图是太空动力研究公司(MSNW)2012年技术报告中的反场构形线性驱动压缩聚变推进器，是其聚变火箭的核心系统。

上图是其为火星任务设计的带载荷聚变火箭，左边尾部发红光的部分正是其核心系统（反场构形线性驱动压缩聚变推进器）。再往右分别是锂推进剂存储罐、散热器、氧气罐和有效载荷、太阳能电池板和载人舱。

工程2：马歇尔太空飞行中心聚变火箭-------梯度场内爆衬层聚变推进系统

上图是其聚变推进方案的1阶段地面实验装置光气炮（LGG，Light Gas Gun）设计图，是不是感觉有点像电磁轨道炮？

上图是长50余米的LGG实拍图

上图是基于梯度场内爆衬层聚变推进器的太空推进系统设计图。

反场构形线性压缩聚变推进系统？梯度场内爆衬层聚变推进系统？为什么这么拗口，反场构形、线性压缩、梯度场、衬层，什么东东？

嗯，先别着急，继续看热闹，后面我会解释的。

工程3：PPPL的直接聚变推进器 DFD------反场约束聚变反应堆

上图是普林斯顿卫星公司在位于新泽西州普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL，Princeton plasma physics laboratory）设计的聚变火箭推进器，推进器有8个场成型线圈（数数看，位于中间腔室的6大2小），2个较小的镜面线圈（位于前部），和2个额外的喷嘴成型线圈（位于后部），由超导材料制成。（超导！超导！超导！），穿过屏蔽的冷却剂管道收集来自中子、轫致辐射（高能带电粒子突然减速时产生的一种辐射）和同步辐射（带电粒子沿弯转轨道行进时发出的辐射）的能量，一个小的中性粒子束将聚变燃料注入发动机的中心，同时推进剂从右侧的电离气体箱中进入。

上图是其为冥王星任务设计的带载荷聚变火箭。基于普林斯顿反场约束聚变反应堆（PFRC，Princeton Field-Reversed Configuration reactor ）技术。带载荷聚变火箭由2个推进器组成，一大一小球体是燃料存储罐。

一起来找出聚变火箭的核心基础技术

根据PPPL、MSNW的技术报告的阐述：

1、聚变火箭可以提供有效的和长期的空间加速，而不需要携带大量的燃料供应，主要优点比冲高，而主要的缺点是反应堆的质量(可能)很大，设计应用到工程后，结果往往是需要建造比目前任何航天器都更大、更复杂的火箭。

2、发动机的质量主要来自磁铁线圈和屏蔽层，早期核聚变火箭支持者基于当时流行的托卡马克、磁镜、或悬浮偶极子磁约束方法，设计出的聚变火箭因等离子体的异常漂移、约束密度、质量巨大的超导磁体和防护层等原因，都无法超越概念阶段。以最紧凑的托卡马克概念火箭为例，其设计质量将达到4000吨，这一数值过于巨大，使通过化学火箭将其发射到可转移轨道变得耗资巨大又困难重重。

上图，2005年格伦研究中心球马克磁约束聚变火箭也达到了1690吨的发射质量

3、最近，核聚变装置的新设计，在原型试验成功的支持下，对更小、更轻、更少辐射、更便宜的聚变动力火箭的前景产生了乐观情绪。这些火箭的共同特点是磁约束方式，普林斯顿卫星公司的DFD，太空动力研究公司(MSNW)的FDR和华盛顿大学雷德蒙等离子体物理实验室的恒星推力实验(STX)都有一个共同的家族名称“反场构形（FRC，field-reversed configuration）”。一个4-8米长，1.5米直径的PFRC反应堆就能够达到聚变条件，并产生1到10兆瓦的能量，在所有的聚变反应堆概念中将是体型最小的。

4、磁化目标惯性聚变可以提供一种更轻、更紧凑的选择，就像基于反场构形的聚变引擎一样。

你找到了吗，是的，反场构形和磁化目标惯性聚变是目前聚变火箭在工程实现上比较热门的基础技术，因为其能大幅降低整个推进器的质量，使得从近期来看，火箭的设计到工程实现变得可行和有意义。

好了，前面的"反场构形"、"线性压缩"、"梯度场"、"衬层"把你搞得有点晕，既然"反场构形"这么重要，实在应该把它搞清楚的，对不对。

聚变火箭的核心基础技术：反场构形反场构形（FRC）是什么？为什么叫“反”？

反场构形（FRC）作为一种基础技术在聚变火箭中被普遍的采用，给人的感觉就是其自组织形态所体现的美感！

根据相关文献：反场构形是自组织等离子体的一个例子，是等离子体受约束后形成的长椭形高密度等离子体环，具有沿轴向流动的闭合磁场线（还是没讲清为啥叫“反”，往后看）。

上图也是反场构形的磁力线图示，外部为开放磁场，内外磁场之间为冷刮落层（有大作用）。

那啥！快点那！我就想知道他为啥叫“反”

跟大家一样，我对这个“反”字也很好奇，在知乎、维基百科、甚至国际原子能机构的聚变等离子体物理文献上你都找不到这个“反"字最直接的解释，这也搞得我是心里非常痒，为什么叫反场？怎样形成的？大家看看下面这个图就明白了。

我来解释下：简单点的，图中上下各四个灰色的方块代表4组线圈（实物有8组），这是中国工程物理研究院脉冲功率科学与技术重点实验室“荧光-1”实验的环向箍缩(θ-pinch）装置。

环向箍缩(θ-pinch）是形成反场构形的方法之一，其他方法还有：球马克融合（spheromak merging)、碰撞融合（collision merging)（三阿尔法公司就是用的这种技术来研究聚变发电）、旋转磁场（rotating magnetic fields)等。

大家看看图中橙色的部分，a、b、c、d四幅图代表内部等离子团经过一顿操作最后形成了闭合的磁场线，重点来了！！！“反”字就是指：箍缩线圈用先逆时针再顺时针的磁场“搓出了”（你可以理解为搓圆子）这团具有闭合磁场线的等离子环（注意黄色部分只是等离子磁力线的形状示意，并不是等离子本身的形状示意），图a逆时针，图b顺时针，图c、d代表内部等离子团磁力线逐步闭合。（好理解吧）。

好了（长长一口气！），讲完了原理来讲讲聚变火箭为什么都要用FRC？

上图是PPPL公司技术论文中的FRC示意图，中间的圆柱体为等离子体环，宽箭头表示等离子体的电流方向。

其实上面的几张图大家应该已经明白的差不多了，FRC基本只有闭合的轴向磁场，没有环向磁场，具有准线性拓扑结构，因此有很好的可转移性，在相同的磁压力下，FRC有超过10倍托卡马克装置的等离子体压力值，而磁压力的峰值只需托卡马克装置的1/3，高β值（等离子体压力／磁压力）使得氘和氦3、氢和硼这些融点高，理论上不产生中子的聚变材料可能被使用。

嗯......我来用人话解释一下，FRC就是聚变中的小金钢！用了它，火箭就可以做的又小又强大。

氦-3之所以被认为是航天器的动力源，主要是因为它在月球上的丰度。目前，科学家估计月球上有100万吨氦-3，主要是由于太阳风与月球表面碰撞并将其沉积到土壤中。（玉兔去干啥现在知道了吧）

但。。。。。。凡事有利就有弊，用好它实则不易。

1.不稳定：反场构形也有不稳定因素，当反场构形的磁场轴线与外部磁场轴不平行时，会加速倾斜并自我崩塌。

2.难加热：反场构形属于自组织等离子体，虽然密度较高，但能量较低，犹如一锅冷的浓汤，要进一步提高能量，就需要通过射频加热，但这通常会造成FRC场线的打开，使其难以保持和被加热到聚变所要求的能量（罪魁祸首被称为低杂化漂移不稳定性），结果是FRC目前通常只能被用于等离子体的预加热，往聚变条件下的加热手段需要被进一步研究。

难也得用！办法总比困难多，看看各家是怎么想办法的吧。

MSNW是这样解决的：------绕开这个问题，使用磁化靶

你不是难加热吗，我不加热了，只利用一下FRC的可转移性。

MSNW的聚变火箭采用的是反场约束线性压缩聚变，从技术上来讲属于磁化目标惯性聚变的一种，其原理是：一句话＂先磁后惯再喷＂，具体是这样的：先FRC，预加热等离子体，再通过压缩线圈在薄锂金属圈上感应电流产生径向库伦力，进一步压缩等离子体至聚变条件，最后通过磁喷嘴喷出这个气化的球，这样通过磁惯性约束，绕开了进一步加热FRC导致构形崩塌的麻烦。

还记得前面让你头疼的剩下几个词了吗？"线性压缩"、"梯度场"、"衬层"，"衬层"就是指薄锂金属圈、金属球等，起到包裹压缩和吸收中子的作用，金属锂可以吸收中子通过磁喷嘴迅速排出，避免了对推进器的损害，降低了防护要求，减轻了总体质量。"线性压缩"是指衬层受磁场感应向内压缩的过程。

具体的实现过程看下面的图解

（a)具有反场构形的氘氚混合等离子体团被转移至压缩室；

（b)位于压缩室外的压缩线圈锂金属薄圈向内收敛包裹等离子团

（c)（d)继续压缩至聚变条件，锂金属薄圈变成金属球吸收聚变能和反应中产生的中子，汽化后通过尾部的磁喷嘴高速喷出。

上2张图是MSNW聚变火箭核心系统在离子动力实验室的验证实验平台－－反场约束等离子团三维线性压缩实验台。

这是MSNW聚变火箭（FDR，Fusion Driven Rocket）技术路线图。2020年全尺寸地面原型实验，2025年之前执行空间验证任务，2030年执行载人火星任务。根据其技术报告和路线图，该方案可能会在最近炒的比较火的阿尔特弥斯任务２、３阶段进行技术验证。

PPPL是这样解决的：-------想办法搞定，奇宇称射频旋转磁场

PPPL解决加热崩塌问题的方法更直接，他们开发了一种叫做“奇宇称射频旋转磁场”（odd-parity rotating magnetic fields，RMFs）加热的方法，实验结果表明可有效避免FRC崩塌。

“奇宇称射频旋转磁场”是通过向FRC中添加一种静态横向小振幅非对称射频电磁场加热等离子体，而又不至于使FRC构形场线打开。

上面就是被称为奇宇称射频旋转磁场（RMFo ）（磁体电流对称反转）FRC的内部设备示意图，中间的8个圆环是构建FRC的磁体，外面的铜色的四个8字型框框就是射频加热线圈。依靠这4个线圈，将中间粉色部分内部的等离子体加热至聚变条件。

上2张图是PFRC-1和PFRC-2型实验装置的实物图，可以很清楚的看到奇宇称射频旋转磁场所使用的8字型加热线框。

关于中子问题，PPPL公司计划使用的是无中子燃料氘和氦3，生成氦4（阿尔法粒子）和氢（质子）。当然这一过程也会发生副反应，由于氘和氘自身会发生聚变反应，产生氚和氢或氦3和中子，但这不是什么大问题。

首先PPPL公司聚变火箭反应堆的体积小，2000KW的设计功率下，反应堆半径仅有30厘米，由此带来的好处除了能降低中子的产生，还能降低杂化漂移不稳定性，避免FRC轴倾后崩塌（前面说的FRC缺点1）。

其次，通过调和提高氦3的比例（不花钱啊），让中子经过冷刮落层减速，从而落入开放磁场后排出等一系列技术手段，能将中子产生率降至0.5%以下。

这对于降低火箭的总体质量至关重要，该公司估计涉及中期任务的中子防护仅需要10CM厚的碳化硼。

剩下的问题就显得很简单了，上图是聚变推进的过程示意图。冷却的等离子体在聚变区域周围流动，从聚变产物中吸收能量，然后通过磁性喷嘴加速，用于加速的低温等离子体是何种材料并没有给出，但这也不是很重要。

PPPL聚变火箭的动态演示

这幅图是上一篇中提到的可变比冲磁等离子体发动机VX-200的结构图

嗯！！！是不是有一种似曾相识的感觉，但还是有一点不一样的，DFD被设计能够实现聚变自持甚至向外供电，而VASIMR则需要外部供电。

马歇尔太空飞行中心是这样解决的：------我们不用FRC

上图是马歇尔太空飞行中心梯度场压缩聚变火箭的压缩原理图，他们不用FRC，而是纯粹的磁化靶压缩聚变，从预加热阶段就上套筒（内部装上聚变燃料）来解决等离子体的转移问题，采用多级多强度（梯度）磁场压缩沿轴向飞行的磁化套筒，在主压缩阶段发生聚变后继续向尾部飞行而后喷出。轴向飞行的驱动原理和电磁炮还真的是很接近。

轴向飞行速度能够给予最后的喷射以速度上的加成，目前他们在该平台上测试过每秒5公里的弹丸，只不过这实验装置都50多米了，成品的话要真弄成火箭，是不是有点太长了？

目前来讲，熟优熟劣还真不好说，哈尔个人比较看好MSNW的和PPPL的，特别是PPPL的真的很小很简洁，而且多功能，具体谁会胜出，咱们让时间来证明吧。

聚变火箭的任务设计：------ 向深空迈进

实际上，在谈到比冲和推力等直接聚变推进器的关键参数时，并不是越大越好，一味的通过增加初始值来提升比冲及推力往往会造成整个系统比功率的下降，这2家公司都进行了具体任务构想，把比冲、推力同任务系统中的旅行时间、有效载荷质量比、发射总质量、燃料消耗等数据综合考虑才会让关键参数看起来更有意义。

PPPL公司基于自己的聚变火箭构想了一个前往冥王星的任务计划，该计划中系统总质量7158.7千克（这个数值已经相当小了），比功率为0.7（他们认为0.7-1.25之间即可完成此项任务），发动机的推力为16.2牛（由两个发动机组成，简单平均的话，每个发动机提供的推力为8.1牛），比冲12554秒，用于推进的功率占总功率比为50%。

是的，你没看错，十几牛的推力和长达4年的任务计划又一次打破了你的幻想，像科幻电影中的那样直接从地表推进至太空，不一会就飞至另一行星的梦想目前是无法走进现实了，但我们看到的是现实中的聚变火箭，对比之下，前不久到达太阳系边缘的旅行者2号探测器于1977年8月20日在肯尼迪航天中心成功发射升空，耗时42年，时间相差10倍之多，这已经很令人激动了，不是吗？

太空动力公司的聚变方案给出的数据要好很多，比功率数值均大于1，聚变增益200时，比功率达到了4.35，当然不能简单的与PPPL的0.7相比，因为MSNW的系统里有太阳能电池板，聚变增益达到200时，比冲可达5722秒，具体的推力并没有数据，但应该与略大于PPPL的8.1牛，因为其使用的推进剂为固体锂。

上图是以90天的凌火任务为例，在聚变增益为40的情况下，带载荷聚变火箭系统的总设计质量，135吨，埃隆马斯克的最新星舰有效载荷100吨，2次近地轨道发射就可以将其在空间组装起来了。

上图是PPPL的聚变火箭前往冥王星的平面轨道，先加速再减速。

上图是PPPL的聚变火箭在10牛的推力下，绕地轨道和前往冥王星并进入绕冥轨道。

看到这样的轨迹图，我的内心和你一样是激动的感觉，飞向星辰大海之梦触手可及！

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参考文献

1.Gradient Field Imploding Liner Fusion Propulsion System， NASA Innovative Advanced Concepts Phase I Final Report， 2019

2.Nuclear Propulsion through Direct Conversion of Fusion Energy: The Fusion Driven Rocket Phase I Final Report ，2012， MSNW LLC

3.Technical Memorandum 33- 722 Frontiers in Propulsion Research: Laser, Ma f terAntimaf ter, Excited Helium, Energy Exchange Thermonuclsar Fusion ，NASA，1975

4.D-~3He先进燃料聚变空间核动力推进器的可行性探索，科学技术与工程，2005

5.Fusion-Enabled Pluto Orbiter and Lander，Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton，2018

6.“荧光-1”实验装置研制与调试 *，强 激 光 与 粒 子 束，2017.9

7.The Princeton FRC Rotating-Magnetic-Field-Experiment RF System，Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton University, Princeton, NJ

等。

8.维基、百度、知乎等。

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