时速 123,000 英里的等离子发动机最终可将宇航员送上火星

你可能以为，将宇航员送上其他星球的最大希望就在休斯顿的 NASA 约翰逊航天中心，那里是一座耗资数十亿美元、高度戒备的设施。但实际上，它就在几英里外的街道上，在一座购物中心后面的大型仓库里。这座平淡无奇的建筑是私营航空航天初创公司 Ad Astra 火箭公司，创始人富兰克林·张迪亚兹正在里面制造一种火箭发动机，它比 NASA 以前发射过的任何火箭都更快、更强大。张迪亚兹认为，速度是活着到达火星的关键。事实上，当我们凝视着一个三层楼高的测试室时，他告诉我，他的发动机有一天不仅会飞到火星，还会飞到木星甚至更远的地方。

我看起来有些怀疑，而张迪亚兹则礼貌地微笑。他已经习惯了这种反应。自 1973 年成为麻省理工学院的博士生以来，他一直在研究等离子火箭的概念。他的想法是这样的：火箭燃料是一种笨重且效率低下的推进剂。因此，他设想建造一个宇宙飞船发动机，利用核反应堆将等离子体加热到 200 万度。磁场会将热气体从发动机后部喷出。他的计算表明，使用这种发动机的宇宙飞船可以达到每小时 123,000 英里的速度——从纽约到洛杉矶只需一分钟。

张迪亚兹几乎用尽了整个职业生涯去说服任何愿意听他说话的人，让他相信他的想法是可行的，但在这个过程中，他的职业生涯也经历了几次转折。1980 年的一天，他向麻省理工学院的另一位教授介绍等离子火箭的无限潜力。这位教授耐心地听着。“我知道，这听起来像科幻小说，”张迪亚兹说道。然后电话铃响了。教授举起一根手指。“是的，他就在这里，”这位惊讶的工程师对着话筒说，然后把话筒递了过去。“富兰克林，找你的。”是美国宇航局打来的。这位来自哥斯达黎加的杰出学生被选中成为一名宇航员，他是美国宇航局最精锐的军团有史以来第一位入籍的美国人。“我太激动了，几乎要手舞足蹈，”张迪亚兹回忆道。“我差点不小心用电话线勒死我的教授。”

所有宇航员都有远大的梦想，但富兰克林·张迪亚兹的梦想更大。作为一名大学生、一名 25 年的宇航员和一名企业家，他唯一的目标一直是建造并驾驶一艘飞船前往火星。“我当然想成为一名宇航员，当然我也希望能够驾驶这艘飞船，”他谈到自己的等离子推力火箭时说道。“我的意思是，我无法想象不驾驶自己制造的火箭会是什么样子。”现在他已经接近了。四年后，张迪亚兹将首次在太空部署他的技术，届时他的公司将在高达 1 亿美元的私人资金资助下，计划在国际空间站测试一枚小型火箭。如果这枚火箭（最常见的缩写是 Vasimr，即可变比冲磁等离子体火箭）证明其价值，那么他就会制定一个积极的时间表来建造越来越大的等离子推力太空飞行器。

张迪亚兹用相对实际的术语描述了他的梦想。他不打算直接去火星。首先，他将开发火箭，用于私人公司和政府需要的更日常的太空维护工作：修复、重新定位或重新推进任性的卫星；清理那里不断增加的“太空垃圾”；取回可以打捞的东西。“当然，好吧，我并不骄傲地说出来。我们基本上在这里经营一家卡车运输公司，”他说。“我们将成为太空中的 3A 级拖车。我们很高兴成为太空中的本地垃圾收集者。这是一项可靠、可持续、负担得起的业务，这就是你成长的方式。”

但最终，张迪亚兹的计划不仅仅是建立一家外星货运公司，他的雄心与巴拉克·奥巴马呼吁私有化太空产业以支持月球以外的探索不谋而合。“我们将从历史上首次将宇航员送往小行星开始，”奥巴马今年早些时候在肯尼迪航天中心发表与 NASA 相关的重要讲话时说道。“到 2030 年代中期，我相信我们可以将人类送往火星轨道并安全返回地球。”

这种信念似乎过于雄心勃勃，但航空业的目标似乎一直如此。例如，1903 年 10 月，美国天文学会创始会长、天文学家西蒙·纽科姆阐述了一系列原因，说明动力飞行的概念值得怀疑。他问道：“我们的机械师最终是否应该承认，航空飞行是人类永远无法应对的一大难题，并放弃一切努力去解决它？”不到两个月后，莱特兄弟在基蒂霍克试飞成功。20 世纪 20 年代，一位名叫弗兰克·惠特尔的年轻人正在绘制一种与螺旋桨驱动的发动机截然不同的理论发动机的图纸，这种发动机可以通过涡轮机吸入空气，并通过一系列“喷气”喷嘴将其喷出。“非常有趣，惠特尔，我的孩子，”他在剑桥大学的一位航空工程教授说。“但它永远不会成功。”

追逐
七岁时，张迪亚兹的母亲向他介绍了美苏太空竞赛，从此他便立志要成为一名宇航员。当晚，他便出门仰望星空，寻找人造卫星。但他很快意识到自己遇到了一个问题。他恰好是哥斯达黎加公民，而哥斯达黎加当时没有太空计划。十几岁时，他给 NASA 写了一封信，询问如何成为一名宇航员。他收到的回信说，要想加入 NASA，他必须是美国公民。他的家族中流传着大胆的思想——他的中国祖父曾反抗清朝，并在国民党镇压期间逃往哥斯达黎加。因此，张迪亚兹不会让公民身份这样的问题阻碍他。

高中毕业后，张迪亚兹决定加入 NASA，于是他搬到康涅狄格州的亲戚家居住。尽管他的英语水平有限，但他还是获得了康涅狄格大学的奖学金，这是一项专门为美国公民提供的奖学金。他笑着回忆道，有人不知怎么把哥斯达黎加误认为波多黎各，有人指出这个错误后，他被告知奖学金将被取消。他向大学管理人员上诉，管理人员同意为他向州政府求助，部分奖学金被恢复，足以让他上大学。

他在那里的工作非常出色，因此被麻省理工学院的核工程博士课程录取。然后他申请成为一名宇航员。NASA 拒绝了他。（Chang Díaz 说，这可能是因为他的美国公民申请尚未通过。）在他入籍后——他现在拥有美国和哥斯达黎加双重国籍——他再次尝试，作为近 4,000 名申请者之一，争夺 19 个空缺职位。他的等离子物理学博士学位、对宇宙飞船发动机的专注、出色的身体状况和明显的干劲，使他成为 NASA 选中的人之一。

张迪亚兹现在说，成为一名宇航员让他更加专注于自己的愿景，也让他更加坚信速度是到达火星和更远地方的关键。“相信我，”他说，“如果你知道可以更快到达那里，没有人会愿意在宇宙飞船里呆上六到八个月。”

从很多方面来看，张迪亚兹认为远程太空旅行是解决终极问题的终极方案。他认为，人类终有一天会不可避免地得出这样的结论：为了生存，人类必须到别处生活。张迪亚兹总结说，随着地球上的资源枯竭，宇宙中可能存在其他更有利可图的资源——也许，这些资源对于电池来说比锂更有用，对于导电性来说比铜更有用。

“我们是否会找到黄金、财富或我们甚至无法想象的东西，”他说，“我们永远不会知道，除非我们到达那里去寻找答案。我真的不认为火星是终点；我更愿意把它看作一个航路点。我们将探索整个太阳系。总有一天我们会在那里发现生命，一切都会改变。”

张迪亚兹将迄今为止的太空探索与美国开疆拓土初期的探索进行了比较，当时刘易斯和克拉克的探险队在政府的支持下带回了有关美国西部的大量知识。他认为，下一阶段将更像 19 世纪中期的增长时代，当时私人铁路和采矿公司在土地拨款和其他政府援助的帮助下，为西部开辟了史诗般的扩张和定居之路。

但是，他说，太空探索不再只是国家成就的问题。“美国和苏联之间不再有大对抗，”他说。“现在情况完全不同了。我们都需要彼此的帮助才能使这项工作成功。”他希望美国公民能够参与其中，但即便如此也绝非板上钉钉。“像巴西、印度、中国和欧洲的一些国家——与 50 或 100 年前的美国有着很多相同的化学反应。这是一个由开发者组成的新俱乐部。”

用张迪亚兹的话来说，我们即将从民族主义的统治模式转变为更加开放和即兴的创新方式。如果这是真的，那么值得注意的是，他在 NASA 工作了 25 年，仍然保持着即兴的意识。

2000 年，作为美俄联合为访问国际空间站的宇航员开展的生存训练计划的一部分，张迪亚兹飞往莫斯科以西 60 英里处进行一轮练习演习。教官告诉他和他的两名宇航员同伴——2003 年在哥伦比亚号航天飞机上遇难的卡尔帕娜·查瓦拉和一名俄罗斯宇航员，张迪亚兹说后者比他们两个都要大得多——他们需要模拟之前执行任务时发生的事故，当时下降舱在暴风雪中着陆，救援人员花了 48 小时才到达。俄罗斯人告诉他，从现在起，所有联盟号机组人员都必须针对这些情况进行训练。

这有点过分了，张迪亚兹回忆道。“我为什么不把重返大气层的时间推迟一会儿，然后降落在斐济、印度洋或其他温暖宜人的地方呢？”但这就是任务，所以三人全副武装地坐在半埋的太空舱内，工程师们用喷灯将外部加热到重返大气层的温度。“就像桑拿房一样，”他说。

然后，宇航员们必须脱下宇航服，穿上救生装备。太空舱非常狭窄，整个过程花了大半天的时间，宇航员们轮流被人扶着脱下一套宇航服，换上另一套。最后，他们来到了一片白雪皑皑的雪地里，看着手册，上面写着要建造一个避难所。回忆起这件事，张迪亚兹翻了个白眼。

他转身对冻得瑟瑟发抖的队友们说，让他们把太空舱的降落伞绸收起来。他的岳父在蒙大拿州打猎时教过他如何搭建冬季帐篷。他用附近的桦树树干和降落伞绸临时搭建了帐篷。半小时后，他在里面生起了火，三人很快就穿着袜子坐在那里，既干燥又舒适。

很快，一张脸从舱门缝中探了出来。俄罗斯人从山脊上用望远镜观察着，想知道发生了什么事。任何手册上都没有提到帐篷。大家都没事吧？机组人员笑了。

“我们没事，”张迪亚兹告诉他们。“你们看上去太冷了。进来吧。”于是观察员们也加入了他们，坐下来，脱下外套，喝着茶。

挑战
张迪亚兹比任何人都清楚安全返回地球有多难。他的职业生涯以死亡为标志——如果不是 NASA 日程安排的例行调整，死亡本可能降临到他头上。NASA 决定取消他 1986 年首次执行的挑战者号航天飞机任务，而让他在任务前执行任务。16 天后，他刚刚返回地球，却目睹了挑战者号在起飞 73 秒后爆炸，他的密友和同事们丧生。1986 年至 2002 年间，他共执行了七次飞行任务——他追平了宇航员的历史记录——并在地球大气层外飞行了 1,601 个小时。然后，在他最后一次任务几个月后，哥伦比亚号在重返大气层时解体，机上七名人员全部遇难。

张迪亚兹的发明对降低升空危险性作用不大。等离子发动机依赖于太空真空，仍然需要“古老的化学火箭”（张迪亚兹称之为）才能到达地球轨道。但他的工作立足于外太空，极大地提高了机组人员的安全性。正如他指出的，在前往另一颗星球的途中，很多事情都可能出错。使用传统火箭进行太空旅行的局限性在于，火箭必须在一次受控爆炸中一次性使用其全部燃料供应才能到达地球轨道。然后它以基本均匀的速度滑行，直到进入火星的引力。美国宇航局估计，这样的旅行大约需要七个月。张迪亚兹解释说，在此期间，没有中止程序。飞船无法改变航向。如果发生事故，地球将在 10 分钟的通讯延迟中看到机组人员的缓慢死亡。“化学火箭不会把我们带到火星，”他断然说道。“这段旅程太长了。”

另一方面，像 Vasimr 这样的等离子火箭在整个旅程中都能保持推进力。它逐渐加速，在 23 天内达到最高速度 34 英里/秒。这至少是任何化学火箭的四倍，将火星之旅缩短了至少六个月，并最大限度地降低了机械危险、暴露于太阳辐射的风险（Chang Díaz 的设计将机组人员保护在氢气后面
航行途中，可能会出现许多问题，例如：油箱损坏、骨质流失、肌肉萎缩，或任何其他问题。由于整个航行过程中都有推进装置，因此船只可以随时改变航向。

但目前载人航天计划是围绕老式火箭技术建立的。NASA 的投资主要集中在以化学燃料为动力的推进系统上，这是有原因的。张迪亚兹的火箭面临许多挑战。首先，以 Vasimr 为动力的火星飞船需要搭载几座核反应堆来产生加热等离子体所需的大量电力。NASA 于 2003 年开始研发用于太空旅行的核反应堆，但仅两年后就放弃了该项目——爆炸或坠毁产生的辐射风险可能太大——并将其资源转移到更传统的推进计划上。另一方面，还没有人确定如何确保等离子气体能够安全地通过磁场。或者人体对高达每秒 34 英里的速度旅行会有何反应。“现实情况是，火箭并不总是有效的，”火箭公司 SpaceX 的推动者埃隆·马斯克 (Elon Musk) 说，该公司是新兴私人太空行业的主要参与者之一。对于马斯克来说，他花了数年时间才将猎鹰 1 号火箭送入轨道，运载核材料的火箭似乎风险特别高。“如果出现问题，放射性碎片就会落到地球上——那就有灾难了，”他说。

确实，将前往火星的等离子飞船送入轨道需要使用传统火箭，但张迪亚兹不同意发射 Vasimr 会带来额外风险的说法。他指出，反应堆将保持停用状态，直到飞船离开将辐射散播回地球的危险区域。而且 NASA 已经成功发射了几个核电探测器。没有什么是不可能的。“我们可以安全地做到这一点，”他说。“我们的理解一直在发展，但我们知道，为了走得更远，我们必须走得更快。这就是 Vasimr 的意义所在。”