北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院教授 徐旭

人類點(diǎn)燃第一束火種以來，燃燒技術(shù)便一直是推動(dòng)文明進(jìn)步的核心動(dòng)力。從遠(yuǎn)古的柴火取暖到現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)，再到航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī),燃燒為我們提供能量與動(dòng)力。

然而，當(dāng)我們把視線轉(zhuǎn)向火星，傳統(tǒng)的燃燒方式卻面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

火星大氣主要由95%的二氧化碳構(gòu)成，幾乎沒有氧氣，這讓常規(guī)燃料的使用變得幾乎不可能。如何在火星這一特殊環(huán)境下為交通工具提供高效動(dòng)力，成為科學(xué)家們亟待攻克的難題。

目前，火星巡視器主要依靠電力驅(qū)動(dòng)，但受限于火星車電能的存儲(chǔ)和功率輸出，導(dǎo)致其移動(dòng)速度極為緩慢。

以“好奇號(hào)”火星車為例，自2012年登陸火星以來，盡管它完成了大量科學(xué)任務(wù)，但至今行駛的總距離僅為28公里，平均每天的行駛距離只有50米。這樣的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法支持未來高效快速的火星探索與運(yùn)輸需求，尤其是考慮到未來可能要在火星上建立基地時(shí)，對(duì)快速有效的運(yùn)輸能力提出了更高的要求。

為了打破這一局限，科學(xué)家開始探索新的動(dòng)力方案，其中最具潛力的方案之一便是利用火星大氣中的二氧化碳。

二氧化碳在地球上常被用作滅火劑，但在火星上，它為燃燒提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)。金屬鎂在二氧化碳中燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生氧化鎂和一氧化碳，同時(shí)釋放出大量熱量，這種反應(yīng)能夠?yàn)榛鹦巧系耐七M(jìn)系統(tǒng)提供動(dòng)力。

鎂作為一種高能量密度的金屬，火星表面又富含鎂礦，二氧化碳作為氧化劑，與鎂燃料結(jié)合，形成了一個(gè)理想的“原位資源利用”方案。通過利用火星現(xiàn)有資源，科學(xué)家能夠降低從地球運(yùn)輸燃料的成本，并且為長(zhǎng)期任務(wù)提供可持續(xù)動(dòng)力。

基于這一概念，科學(xué)家進(jìn)一步提出了鎂/二氧化碳發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)思路。傳統(tǒng)的高速動(dòng)力方案主要包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)兩種形式。航空發(fā)動(dòng)機(jī)依賴燃?xì)鉁u輪驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)來壓縮氣流提供足夠的氧化劑，但鎂和二氧化碳燃燒中生成的固體產(chǎn)物會(huì)對(duì)渦輪葉片造成損害，因此難以在這種環(huán)境中得到應(yīng)用?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)形式雖然是一種有效的解決方案，但火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)在于要攜帶氧化劑，需要事先收集二氧化碳，這會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。

火星上沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)飛行的效果圖

在此背景下，火星沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種更加先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該發(fā)動(dòng)機(jī)利用飛行器高速飛行時(shí)對(duì)氣流的壓縮效應(yīng)，將火星大氣中的二氧化碳吸入后利用氣動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行增壓并與鎂燃料混合后燃燒，無需單獨(dú)攜帶氧化劑，也不涉及渦輪等旋轉(zhuǎn)部件，從而避免了固體產(chǎn)物對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的影響，能夠提供更高效的運(yùn)行模式和更強(qiáng)的適應(yīng)性。

近年來，北京航空航天大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在地面模擬火星大氣條件下成功點(diǎn)燃鎂粉并實(shí)現(xiàn)了沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鎂/二氧化碳沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)不僅能夠在火星表面高效運(yùn)行，還可以支持飛行器在火星進(jìn)行超音速飛行，這為未來的火星高效探測(cè)和運(yùn)輸提供了技術(shù)保障。

展望未來，鎂/二氧化碳發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)將為火星探索開啟新篇章。利用火星豐富的二氧化碳和鎂資源，這種技術(shù)有望支持探測(cè)器甚至載人飛行器的高效運(yùn)行。隨著技術(shù)不斷優(yōu)化，鎂/二氧化碳發(fā)動(dòng)機(jī)未來將為長(zhǎng)時(shí)間的火星任務(wù)提供可持續(xù)的動(dòng)力源，并為火星基地建設(shè)提供強(qiáng)有力的能源保障。

從火星的紅色荒漠到更遙遠(yuǎn)的深空，鎂/二氧化碳發(fā)動(dòng)機(jī)不僅為人類提供了探索未知的動(dòng)力，也為跨星際旅行指明了方向。其他星球，如金星、土星的衛(wèi)星泰坦等，也有望采用這一“原位資源利用”的模式，開發(fā)本土化動(dòng)力系統(tǒng)，為未來星際航行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

作者簡(jiǎn)介

徐旭，北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院教授。主要研究方向:高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)及組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)理論及試驗(yàn);液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)及數(shù)值模擬;計(jì)算流體力學(xué)模型、方法與軟件。相關(guān)研究獲得了包括自然基金、航空基金、航天基金、863、載人航天等項(xiàng)目的資助，在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了150余篇學(xué)術(shù)論文。與航天科工集團(tuán)三院成立了高速燃燒過程流場(chǎng)特性分析與試驗(yàn)研究聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，受聘為高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室客座專家，高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員。