春节假期虽已结束，但国产科幻电影《流浪地球》的热度却依然不减，有望成为中国科幻电影史上最具里程碑意义的作品。影片中，相信大家一定对外形酷似长脚支架燃气灶的行星发动机非常感兴趣。那么，这种科幻发动机有哪些科学基础？人类真的能实现这种幻想吗？
行星发动机是何物
关于行星发动机的工作原理，电影和原著小说中均没有详细说明，只能根据影片主人公刘启的只言片语来推测。
首先，行星发动机遵循动量守恒原理，通过7个喷口喷出的高速等离子体工质的反作用力来推动地球，因此行星发动机可以视为是一种等离子体发动机。
刘启曾经告诉自己的妹妹韩朵朵，行星发动机“烧石头”，而“姥爷”韩子昂就是一名负责给行星发动机送石头的重卡司机，依靠挖山不止的愚公精神，才能保证地球发动机燃料充足。影片中反复出现的巨型挖掘机和延绵不断的重卡车队都是这种中国精神的体现。
至于等离子发动机的能量源问题，刘启也给出了答案—重聚变。
核聚变是较轻的原子核发生聚合作用生成较重原子核的过程，在这个过程中，会有巨大的能量释放。核聚变的过程十分复杂，按照聚变顺序，一般可以简化成“氢-氦-碳-镁-氧-硅-铁”的过程，按照天文学上的习惯，氢与氦之外的原子核都可以称为重核，电影和小说中都未说明行星发动机的“重聚变”核心采用的是哪种核聚变过程，这里只能猜测是从“碳聚变”到“硅聚变”中的一种或几种结合。
利用这种重核聚变核心能够产生极高温将“燃料”顺时电离成等离子体，同时也可以输出巨大能量转化成电能，通过电磁作用给等离子体加速，再从喷口喷出，从而推动地球。此外，使用电磁加速还可以避免灼热的等离子流与发动机直接接触，因为还没有哪种人造物质能耐受得了这么高的温度。由此可见，行星发动机在工程上应该叫“重核聚变等离子发动机”比较合适。
电影中的行星发动机高11000米，全功率运行可以输出150亿吨推力。而在现实世界中，人造最高建筑物仅828米，最强大运载火箭的推力仅4000吨，除了小尺寸的等离子发动机已应用于航天领域之外，人类连如何自由操控轻核聚变都没有实现，更遑论重核聚变了。
所以从现阶段人类的认识和科技水平来说，行星发动机只能超脱现实，存在于幻想中。
让核聚变“听话”很难
“托卡马克”效果图
人类在地球上最容易实现的核聚变反应，就是用氢原子同位素氘的原子核聚变。虽然苏联在1953年就成功爆破了首颗热核聚变氢弹，但氢弹的能量释放过程是不受控的，人类至今仍没能实现完全受控的核聚变反应。
之所以如此困难，是因为核聚变必须要使同性的两个原子核克服静电排斥，彼此靠近到“相接触”的程度才能实现。而想要实现这一条件，必须要创造出一个上亿度的高温环境，并且把这些等离子体保持在这个高温环境中足够长的时间，不让它们降温或逃散。科学家们把这两个问题形象地比喻成“点火”和“锅”的问题。
电影中，王磊队长运送的“火石”就是用来启动聚变核心的，影片最后靠人力用“撞针”撞击“火石”来“点火”倒是形象，但在现实世界中已经有了更好的办法。
随着激光技术的发展，目前世界上最强的激光输出功率已达100万亿瓦，这就足以“点燃”核聚变。另外，利用超高频微波加热的方法也已经可以达到“点火”温度。
然而，想让核聚变反应实现受控，关键还是要解决“锅”的问题。为此，世界各国的科学家们想出了很多方案，归纳起来有磁约束聚变、惯性约束聚变和非常规聚变等3种。
这其中，磁约束聚变利用强磁场来做“锅”，是目前人类投入最多、取得经验最丰富的途径。也就是说，在形如面包圈的磁约束装置——“托卡马克”中，科学家们已经能够实现输出功率超过16兆瓦，输出功率大于输入功率的核聚变反应，但这些反应仅能维持数秒时间，只具备验证可行性的作用。
为了集中人类资源突破热核聚变技术，由欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度7方共同参与，计划耗资100亿欧元的国际热核聚变实验堆于2010年开始建造，计划在2020年开始实验，2027年注入氘和氚燃料。从这一进度来看，人类想要彻底掌握受控核聚变技术仍有很长的路要走。
等离子发动机“前途无量”
等离子发动机效果图
人类对于等离子发动机技术的设想，起源于20世纪初期对于星际航行动力的思考。
美国“火箭之父”罗伯特·戈达德在1907年便提出过以微小的加速离子束为星际航行提供推力的设想，后来随着技术的进步与研究的深入，离子推进系统逐渐被业内公认为远程太空旅行的最佳推进方法，其技术也逐渐升级，并开始在航天器上得到应用。
在美苏航天争霸时代，离子推进器就已经是双方竞争的热点之一。在美国首先研制成功实用型离子推进器后不久，苏联就把脉冲式等离子发动机装在了金星探测器上，充分验证了其可行性。
近年来，等离子发动机在航天器上的使用范围已从早期的姿态保持扩展到了轨道机动甚至主动力上。美国在2007年发射的黎明号小行星探测器就使用了等离子发动机作为主推进器，因而获得了远比化学火箭发动机强劲得多的加速性能，并成功完成了对灶神星和谷神星的探测任务。
据不完全统计，至今已有数百颗人造卫星和探测器上使用了等离子推进器，而且该推进器在商业卫星上使用越来越普遍。
那么等离子发动机的能量来源于何方？
目前，空间用等离子发动机的电力都来源于太阳能，这极大地限制了等离子发动的功耗要求。电影中，像行星发动机这样使用核聚变反应堆来供电的方案想必是等离子发动机的一个未来发展方向。
曾7次进入太空的华裔科学家张福林正在致力于此方面的研究，他带领团队研制的可变比冲磁等离子火箭（VASIMR）兼具化学火箭大推力和等离子发动机高比冲的优点，在功率不变的前提下，实现比冲和推力的调节。由于同样以核聚变反应堆为能量源，所以该火箭可视为行星发动机的现实版。
据悉，VASIMR目前正处于技术验证阶段。该火箭虽然受控核聚变距离实现仍然遥远，但张福林仍然坚信VASIMR是人类飞往火星的最佳动力。
文/李嵩
编辑/张晓帆 曹郁展（实习生）
监制/许斌
