北京航空航天大學宇航學院教授 徐旭

人類點燃第一束火種以來，燃燒技術便一直是推動文明進步的核心動力。從遠古的柴火取暖到現代內燃機，再到航空、航天發動機,燃燒為我們提供能量與動力。

然而，當我們把視線轉向火星，傳統的燃燒方式卻面臨著巨大的挑戰。

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

目前，火星巡視器主要依靠電力驅動，但受限于火星車電能的存儲和功率輸出，導致其移動速度極為緩慢。

以“好奇號”火星車為例，自2012年登陸火星以來，盡管它完成了大量科學任務，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。這樣的速度遠遠無法支持未來高效快速的火星探索與運輸需求，尤其是考慮到未來可能要在火星上建立基地時，對快速有效的運輸能力提出了更高的要求。

為了打破這一局限，科學家開始探索新的動力方案，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，它為燃燒提供了獨特的機會。金屬鎂在二氧化碳中燃燒時會產生氧化鎂和一氧化碳，同時釋放出大量熱量，這種反應能夠為火星上的推進系統提供動力。

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，與鎂燃料結合，形成了一個理想的“原位資源利用”方案。通過利用火星現有資源，科學家能夠降低從地球運輸燃料的成本，并且為長期任務提供可持續動力。

基于這一概念，科學家進一步提出了鎂/二氧化碳發動機的設計思路。傳統的高速動力方案主要包括航空發動機和火箭發動機兩種形式。航空發動機依賴燃氣渦輪驅動壓氣機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物會對渦輪葉片造成損害，因此難以在這種環境中得到應用。火箭發動機形式雖然是一種有效的解決方案，但火箭發動機的缺點在于要攜帶氧化劑，需要事先收集二氧化碳，這會增加系統的復雜性。

火星上沖壓發動機飛行的效果圖

在此背景下，火星沖壓發動機作為一種更加先進的推進技術應運而生。該發動機利用飛行器高速飛行時對氣流的壓縮效應，將火星大氣中的二氧化碳吸入后利用氣動效應進行增壓并與鎂燃料混合后燃燒，無需單獨攜帶氧化劑，也不涉及渦輪等旋轉部件，從而避免了固體產物對機械系統的影響，能夠提供更高效的運行模式和更強的適應性。

近年來，北京航空航天大學的研究團隊在地面模擬火星大氣條件下成功點燃鎂粉并實現了沖壓發動機的穩定運行。這一實驗結果表明，鎂/二氧化碳沖壓發動機不僅能夠在火星表面高效運行，還可以支持飛行器在火星進行超音速飛行，這為未來的火星高效探測和運輸提供了技術保障。

展望未來，鎂/二氧化碳發動機技術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，這種技術有望支持探測器甚至載人飛行器的高效運行。隨著技術不斷優化，鎂/二氧化碳發動機未來將為長時間的火星任務提供可持續的動力源，并為火星基地建設提供強有力的能源保障。

從火星的紅色荒漠到更遙遠的深空，鎂/二氧化碳發動機不僅為人類提供了探索未知的動力，也為跨星際旅行指明了方向。其他星球，如金星、土星的衛星泰坦等，也有望采用這一“原位資源利用”的模式，開發本土化動力系統，為未來星際航行奠定堅實的基礎。

作者簡介

徐旭，北京航空航天大學宇航學院教授。主要研究方向:高超聲速沖壓發動機及組合循環發動機理論及試驗;液體火箭發動機試驗及數值模擬;計算流體力學模型、方法與軟件。相關研究獲得了包括自然基金、航空基金、航天基金、863、載人航天等項目的資助，在國內外學術期刊上發表了150余篇學術論文。與航天科工集團三院成立了高速燃燒過程流場特性分析與試驗研究聯合團隊，受聘為高超聲速沖壓發動機技術重點實驗室客座專家，高超聲速沖壓發動機技術重點實驗室學術委員會委員。