​終於來到最激動人心的部分——直接聚變推進火箭（給自己挖瞭好大一個坑），先說一下，這篇文章有點長，請確保你已上過衛生間。但，相信我，隻要你耐心看完，會從技術上對聚變火箭有一個相當程度的瞭解，我聲明下，文章裡沒有復雜的公式和計算，隻要你能看懂繪本就沒問題，關鍵是看你有沒有一顆向往星辰大海的心。come on baby!

直接聚變推進火箭(FDR，fusion drive rocket)代表瞭一種革命性的聚變推進方法，即動力源直接將其能量釋放到推進劑中，而不需要轉換成電能。這裡有2個條件：一是聚變，二是推進（這不費話嗎），也就是說聚變火箭必須是以能實現星際推進任務為基礎的聚變裝置，這也決定瞭聚變推進火箭對聚變磁約束方式、聚變燃料、具體的推進參數設計有著不同於發電用聚變裝置的設計思路。

既然是聚變，大致可分為磁約束、慣性約束，但目前有合並的趨勢，使用磁慣性約束能夠更容易達到聚變條件，克服瑞利-泰勒不穩定性。可以翻翻我之前寫核聚變的文章。此外工程上還有不進行約束的，使用反質子作為催化劑誘發裂變進而引發聚變，但總感覺有那麼一點不純粹，這個以後找時間再聊吧。

無限的太空第四季第6集中有個對洛西南多飛船的特寫，可以看出其發動機采用的是激光慣性約束聚變，勞倫斯利弗莫爾輻射實驗室和洛斯阿拉莫斯科學實驗室在上世紀70年代便開始瞭研究，但目前在工程上曝光不多，單純的激光慣性聚變目前還很難實現，應用於航空領域還有諸多的困難。

太空動力研究公司(MSNW)在其2012年的聚變推進火箭技術報告中給出瞭聚變推進火箭在工程上要滿足的７個條件：

1.動力源直接將能量釋放到推進劑中，不需要轉化為電能；

2.推進劑是固體，不需要很大的存儲罐；

3.推進劑被迅速加熱並被加速到> 20 km/s；

4.與航天器沒有明顯的物理相互作用，從而減少瞭熱負荷、航天器損傷和散熱器質量；

5.有著很高的功率質量比，不低於 1kw /kg；

6.推進器總質量小於100噸、功率1000KW起步、總開發費用小於10億美元；

7.主要依托現有技術，不需要很高的技術外推（穩固、省錢）。

有個大致印象瞭嗎？可以將其作為一種參考，因為，通過對NASA創新先進概念計劃(NIAC)支持的主要聚變推進方案的研究發現，聚變火箭的研究和設計由來已久，種類繁雜，但相對於停留在設計層面的方案，有驗證實驗、有示范設備、有發展路線圖的方案才值得我們關註，畢竟設計歸設計，工程歸工程，拉出來遛遛才是真本事。

來吧！先來看看熱鬧，然後我們再一起動動腦子掰掰其技術細節，搞明白一些關鍵的點，上圖！！！

工程１：MSNW的聚變火箭

—–反場構形線性壓縮聚變推進系統

上圖是太空動力研究公司(MSNW)2012年技術報告中的反場構形線性驅動壓縮聚變推進器，是其聚變火箭的核心系統。

上圖是其為火星任務設計的帶載荷聚變火箭，左邊尾部發紅光的部分正是其核心系統（反場構形線性驅動壓縮聚變推進器）。再往右分別是鋰推進劑存儲罐、散熱器、氧氣罐和有效載荷、太陽能電池板和載人艙。

工程2：馬歇爾太空飛行中心聚變火箭

——-梯度場內爆襯層聚變推進系統

上圖是其聚變推進方案的1階段地面實驗裝置光氣炮（LGG，Light Gas Gun）設計圖，是不是感覺有點像電磁軌道炮？

上圖是長50餘米的LGG實拍圖

上圖是基於梯度場內爆襯層聚變推進器的太空推進系統設計圖。

反場構形線性壓縮聚變推進系統？梯度場內爆襯層聚變推進系統？為什麼這麼拗口，反場構形、線性壓縮、梯度場、襯層，什麼東東？

嗯，先別著急，繼續看熱鬧，後面我會解釋的。

工程3：PPPL的直接聚變推進器 DFD

——反場約束聚變反應堆

上圖是普林斯頓衛星公司在位於新澤西州普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL，Princeton plasma physics laboratory）設計的聚變火箭推進器，推進器有8個場成型線圈（數數看，位於中間腔室的6大2小），2個較小的鏡面線圈（位於前部），和2個額外的噴嘴成型線圈（位於後部），由超導材料制成。（超導！超導！超導！），穿過屏蔽的冷卻劑管道收集來自中子、軔致輻射（高能帶電粒子突然減速時產生的一種輻射）和同步輻射（帶電粒子沿彎轉軌道行進時發出的輻射）的能量，一個小的中性粒子束將聚變燃料註入發動機的中心，同時推進劑從右側的電離氣體箱中進入。

上圖是其為冥王星任務設計的帶載荷聚變火箭。基於普林斯頓反場約束聚變反應堆（PFRC，Princeton Field-Reversed Configuration reactor ）技術。帶載荷聚變火箭由2個推進器組成，一大一小球體是燃料存儲罐。

一起來找出聚變火箭的核心基礎技術

根據PPPL、MSNW的技術報告的闡述：

1、聚變火箭可以提供有效的和長期的空間加速，而不需要攜帶大量的燃料供應，主要優點比沖高，而主要的缺點是反應堆的質量(可能)很大，設計應用到工程後，結果往往是需要建造比目前任何航天器都更大、更復雜的火箭。

2、發動機的質量主要來自磁鐵線圈和屏蔽層，早期核聚變火箭支持者基於當時流行的托卡馬克、磁鏡、或懸浮偶極子磁約束方法，設計出的聚變火箭因等離子體的異常漂移、約束密度、質量巨大的超導磁體和防護層等原因，都無法超越概念階段。以最緊湊的托卡馬克概念火箭為例，其設計質量將達到4000噸，這一數值過於巨大，使通過化學火箭將其發射到可轉移軌道變得耗資巨大又困難重重。

上圖，2005年格倫研究中心球馬克磁約束聚變火箭也達到瞭1690噸的發射質量

3、最近，核聚變裝置的新設計，在原型試驗成功的支持下，對更小、更輕、更少輻射、更便宜的聚變動力火箭的前景產生瞭樂觀情緒。這些火箭的共同特點是磁約束方式，普林斯頓衛星公司的DFD，太空動力研究公司(MSNW)的FDR和華盛頓大學雷德蒙等離子體物理實驗室的恒星推力實驗(STX)都有一個共同的傢族名稱“反場構形（FRC，field-reversed configuration）”。一個4-8米長，1.5米直徑的PFRC反應堆就能夠達到聚變條件，並產生1到10兆瓦的能量，在所有的聚變反應堆概念中將是體型最小的。

4、磁化目標慣性聚變可以提供一種更輕、更緊湊的選擇，就像基於反場構形的聚變引擎一樣。

你找到瞭嗎，是的，反場構形和磁化目標慣性聚變是目前聚變火箭在工程實現上比較熱門的基礎技術，因為其能大幅降低整個推進器的質量，使得從近期來看，火箭的設計到工程實現變得可行和有意義。

好瞭，前面的"反場構形"、"線性壓縮"、"梯度場"、"襯層"把你搞得有點暈，既然"反場構形"這麼重要，實在應該把它搞清楚的，對不對。

聚變火箭的核心基礎技術：反場構形

反場構形（FRC）什麼？為什麼叫“反”？

反場構形（FRC）作為一種基礎技術在聚變火箭中被普遍的采用，給人的感覺就是其自組織形態所體現的美感！根據相關文獻：反場構形是自組織等離子體的一個例子，是等離子體受約束後形成的長橢形高密度等離子體環，具有沿軸向流動的閉合磁場線（還是沒講清為啥叫“反”，往後看）。

上圖也是反場構形的磁力線圖示，外部為開放磁場，內外磁場之間為冷刮落層（有大作用）。

那啥！快點那！我就想知道他為啥叫“反”

跟大傢一樣，我對這個“反”字也很好奇，在知乎、維基百科、甚至國際原子能機構的聚變等離子體物理文獻上你都找不到這個“反"字最直接的解釋，這也搞得我是心裡非常癢，為什麼叫反場？怎樣形成的？大傢看看下面這個圖就明白瞭。

我來解釋下：簡單點的，圖中上下各四個灰色的方塊代表4組線圈（實物有8組），這是中國工程物理研究院脈沖功率科學與技術重點實驗室“熒光-1”實驗的環向箍縮(θ-pinch）裝置。環向箍縮(θ-pinch）是形成反場構形的方法之一，其他方法還有：球馬克融合（spheromak merging)、碰撞融合（collision merging)（三阿爾法公司就是用的這種技術來研究聚變發電）、旋轉磁場（rotating magnetic fields)等。大傢看看圖中橙色的部分，a、b、c、d四幅圖代表內部等離子團經過一頓操作最後形成瞭閉合的磁場線，重點來瞭！！！“反”字就是指：箍縮線圈用先逆時針再順時針的磁場“搓出瞭”（你可以理解為搓圓子）這團具有閉合磁場線的等離子環（註意黃色部分隻是等離子磁力線的形狀示意，並不是等離子本身的形狀示意），圖a逆時針，圖b順時針，圖c、d代表內部等離子團磁力線逐步閉合。（好理解吧）。好瞭（長長一口氣！），講完瞭原理來講講聚變火箭為什麼都要用FRC？

上圖是PPPL公司技術論文中的FRC示意圖，中間的圓柱體為等離子體環，寬箭頭表示等離子體的電流方向。

其實上面的幾張圖大傢應該已經明白的差不多瞭，FRC基本隻有閉合的軸向磁場，沒有環向磁場，具有準線性拓撲結構，因此有很好的可轉移性，在相同的磁壓力下，FRC有超過10倍托卡馬克裝置的等離子體壓力值，而磁壓力的峰值隻需托卡馬克裝置的1/3，高β值（等離子體壓力／磁壓力）使得氘和氦3、氫和硼這些融點高，理論上不產生中子的聚變材料可能被使用。

嗯……我來用人話解釋一下，FRC就是聚變中的小金鋼！用瞭它，火箭就可以做的又小又強大。氦-3之所以被認為是航天器的動力源，主要是因為它在月球上的豐度。目前，科學傢估計月球上有100萬噸氦-3，主要是由於太陽風與月球表面碰撞並將其沉積到土壤中。（玉兔去幹啥現在知道瞭吧）但。。。。。。凡事有利就有弊，用好它實則不易。

1.不穩定：反場構形也有不穩定因素，當反場構形的磁場軸線與外部磁場軸不平行時，會加速傾斜並自我崩塌。

2.難加熱：反場構形屬於自組織等離子體，雖然密度較高，但能量較低，猶如一鍋冷的濃湯，要進一步提高能量，就需要通過射頻加熱，但這通常會造成FRC場線的打開，使其難以保持和被加熱到聚變所要求的能量（罪魁禍首被稱為低雜化漂移不穩定性），結果是FRC目前通常隻能被用於等離子體的預加熱，往聚變條件下的加熱手段需要被進一步研究。

難也得用！辦法總比困難多，看看各傢是怎麼想辦法的吧。

MSNW是這樣解決的：

——繞開這個問題，使用磁化靶 你不是難加熱嗎，我不加熱瞭，隻利用一下FRC的可轉移性。

MSNW的聚變火箭采用的是反場約束線性壓縮聚變，從技術上來講屬於磁化目標慣性聚變的一種，其原理是：一句話＂先磁後慣再噴＂，具體是這樣的：先FRC，預加熱等離子體，再通過壓縮線圈在薄鋰金屬圈上感應電流產生徑向庫倫力，進一步壓縮等離子體至聚變條件，最後通過磁噴嘴噴出這個氣化的球，這樣通過磁慣性約束，繞開瞭進一步加熱FRC導致構形崩塌的麻煩。

還記得前面讓你頭疼的剩下幾個詞瞭嗎？"線性壓縮"、"梯度場"、"襯層"，"襯層"就是指薄鋰金屬圈、金屬球等，起到包裹壓縮和吸收中子的作用，金屬鋰可以吸收中子通過磁噴嘴迅速排出，避免瞭對推進器的損害，降低瞭防護要求，減輕瞭總體質量。"線性壓縮"是指襯層受磁場感應向內壓縮的過程。

具體的實現過程看下面的圖解

（a)具有反場構形的氘氚混合等離子體團被轉移至壓縮室；（b)位於壓縮室外的壓縮線圈鋰金屬薄圈向內收斂包裹等離子團（c)（d)繼續壓縮至聚變條件，鋰金屬薄圈變成金屬球吸收聚變能和反應中產生的中子，汽化後通過尾部的磁噴嘴高速噴出。

上2張圖是MSNW聚變火箭核心系統在離子動力實驗室的驗證實驗平臺－－反場約束等離子團三維線性壓縮實驗臺。

這是MSNW聚變火箭（FDR，Fusion Driven Rocket）技術路線圖。2020年全尺寸地面原型實驗，2025年之前執行空間驗證任務，2030年執行載人火星任務。根據其技術報告和路線圖，該方案可能會在最近炒的比較火的阿爾特彌斯任務２、３階段進行技術驗證。

PPPL是這樣解決的： ——-想辦法搞定，奇宇稱射頻旋轉磁場

PPPL解決加熱崩塌問題的方法更直接，他們開發瞭一種叫做“奇宇稱射頻旋轉磁場”（odd-parity rotating magnetic fields，RMFs）加熱的方法，實驗結果表明可有效避免FRC崩塌。“奇宇稱射頻旋轉磁場”是通過向FRC中添加一種靜態橫向小振幅非對稱射頻電磁場加熱等離子體，而又不至於使FRC構形場線打開。

上面就是被稱為奇宇稱射頻旋轉磁場（RMFo ）（磁體電流對稱反轉）FRC的內部設備示意圖，中間的8個圓環是構建FRC的磁體，外面的銅色的四個8字型框框就是射頻加熱線圈。依靠這4個線圈，將中間粉色部分內部的等離子體加熱至聚變條件。

上2張圖是PFRC-1和PFRC-2型實驗裝置的實物圖，可以很清楚的看到奇宇稱射頻旋轉磁場所使用的8字型加熱線框。關於中子問題，PPPL公司計劃使用的是無中子燃料氘和氦3，生成氦4（阿爾法粒子）和氫（質子）。當然這一過程也會發生副反應，由於氘和氘自身會發生聚變反應，產生氚和氫或氦3和中子，但這不是什麼大問題。首先PPPL公司聚變火箭反應堆的體積小，2000KW的設計功率下，反應堆半徑僅有30厘米，由此帶來的好處除瞭能降低中子的產生，還能降低雜化漂移不穩定性，避免FRC軸傾後崩塌（前面說的FRC缺點1）。其次，通過調和提高氦3的比例（不花錢啊），讓中子經過冷刮落層減速，從而落入開放磁場後排出等一系列技術手段，能將中子產生率降至0.5%以下。這對於降低火箭的總體質量至關重要，該公司估計涉及中期任務的中子防護僅需要10CM厚的碳化硼。

剩下的問題就顯得很簡單瞭，上圖是聚變推進的過程示意圖。冷卻的等離子體在聚變區域周圍流動，從聚變產物中吸收能量，然後通過磁性噴嘴加速，用於加速的低溫等離子體是何種材料並沒有給出，但這也不是很重要。

PPPL聚變火箭的動態演示

這幅圖是上一篇中提到的可變比沖磁等離子體發動機VX-200的結構圖嗯！！！是不是有一種似曾相識的感覺，但還是有一點不一樣的，DFD被設計能夠實現聚變自持甚至向外供電，而VASIMR則需要外部供電。

馬歇爾太空飛行中心是這樣解決的： ——我們不用FRC

上圖是馬歇爾太空飛行中心梯度場壓縮聚變火箭的壓縮原理圖，他們不用FRC，而是純粹的磁化靶壓縮聚變，從預加熱階段就上套筒（內部裝上聚變燃料）來解決等離子體的轉移問題，采用多級多強度（梯度）磁場壓縮沿軸向飛行的磁化套筒，在主壓縮階段發生聚變後繼續向尾部飛行而後噴出。軸向飛行的驅動原理和電磁炮還真的是很接近。

軸向飛行速度能夠給予最後的噴射以速度上的加成，目前他們在該平臺上測試過每秒5公裡的彈丸，隻不過這實驗裝置都50多米瞭，成品的話要真弄成火箭，是不是有點太長瞭？

目前來講，熟優熟劣還真不好說，哈爾個人比較看好MSNW的和PPPL的，特別是PPPL的真的很小很簡潔，而且多功能，具體誰會勝出，咱們讓時間來證明吧。

聚變火箭的任務設計：

—— 向深空邁進 實際上，在談到比沖和推力等直接聚變推進器的關鍵參數時，並不是越大越好，一味的通過增加初始值來提升比沖及推力往往會造成整個系統比功率的下降，這2傢公司都進行瞭具體任務構想，把比沖、推力同任務系統中的旅行時間、有效載荷質量比、發射總質量、燃料消耗等數據綜合考慮才會讓關鍵參數看起來更有意義。

PPPL公司基於自己的聚變火箭構想瞭一個前往冥王星的任務計劃，該計劃中系統總質量7158.7千克（這個數值已經相當小瞭），比功率為0.7（他們認為0.7-1.25之間即可完成此項任務），發動機的推力為16.2牛（由兩個發動機組成，簡單平均的話，每個發動機提供的推力為8.1牛），比沖12554秒，用於推進的功率占總功率比為50%。

是的，你沒看錯，十幾牛的推力和長達4年的任務計劃又一次打破瞭你的幻想，像科幻電影中的那樣直接從地表推進至太空，不一會就飛至另一行星的夢想目前是無法走進現實瞭，但我們看到的是現實中的聚變火箭，對比之下，前不久到達太陽系邊緣的旅行者2號探測器於1977年8月20日在肯尼迪航天中心成功發射升空，耗時42年，時間相差10倍之多，這已經很令人激動瞭，不是嗎？

太空動力公司的聚變方案給出的數據要好很多，比功率數值均大於1，聚變增益200時，比功率達到瞭4.35，當然不能簡單的與PPPL的0.7相比，因為MSNW的系統裡有太陽能電池板，聚變增益達到200時，比沖可達5722秒，具體的推力並沒有數據，但應該與略大於PPPL的8.1牛，因為其使用的推進劑為固體鋰。

上圖是以90天的凌火任務為例，在聚變增益為40的情況下，帶載荷聚變火箭系統的總設計質量，135噸，埃隆馬斯克的最新星艦有效載荷100噸，2次近地軌道發射就可以將其在空間組裝起來瞭。

上圖是PPPL的聚變火箭前往冥王星的平面軌道，先加速再減速。

上圖是PPPL的聚變火箭在10牛的推力下，繞地軌道和前往冥王星並進入繞冥軌道。看到這樣的軌跡圖，我的內心和你一樣是激動的感覺，飛向星辰大海之夢觸手可及！

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參考文獻：

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先進燃料聚變空間核動力推進器的可行性探索，科學技術與工程，2005

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

6.“熒光-1”實驗裝置研制與調試 *，強 激 光 與 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.維基、百度、知乎等。