北京航空航天大学宇航学院教授 徐旭

人类点燃第一束火种以来，燃烧技术便一直是推动文明进步的核心动力。从远古的柴火取暖到现代内燃机，再到航空、航天发动机,燃烧为我们提供能量与动力。

然而，当我们把视线转向火星，传统的燃烧方式却面临着巨大的挑战。

火星大气主要由95%的二氧化碳构成，几乎没有氧气，这让常规燃料的使用变得几乎不可能。如何在火星这一特殊环境下为交通工具提供高效动力，成为科学家们亟待攻克的难题。

目前，火星巡视器主要依靠电力驱动，但受限于火星车电能的存储和功率输出，导致其移动速度极为缓慢。

以“好奇号”火星车为例，自2012年登陆火星以来，尽管它完成了大量科学任务，但至今行驶的总距离仅为28公里，平均每天的行驶距离只有50米。这样的速度远远无法支持未来高效快速的火星探索与运输需求，尤其是考虑到未来可能要在火星上建立基地时，对快速有效的运输能力提出了更高的要求。

为了打破这一局限，科学家开始探索新的动力方案，其中最具潜力的方案之一便是利用火星大气中的二氧化碳。

二氧化碳在地球上常被用作灭火剂，但在火星上，它为燃烧提供了独特的机会。金属镁在二氧化碳中燃烧时会产生氧化镁和一氧化碳，同时释放出大量热量，这种反应能够为火星上的推进系统提供动力。

镁作为一种高能量密度的金属，火星表面又富含镁矿，二氧化碳作为氧化剂，与镁燃料结合，形成了一个理想的“原位资源利用”方案。通过利用火星现有资源，科学家能够降低从地球运输燃料的成本，并且为长期任务提供可持续动力。

基于这一概念，科学家进一步提出了镁/二氧化碳发动机的设计思路。传统的高速动力方案主要包括航空发动机和火箭发动机两种形式。航空发动机依赖燃气涡轮驱动压气机来压缩气流提供足够的氧化剂，但镁和二氧化碳燃烧中生成的固体产物会对涡轮叶片造成损害，因此难以在这种环境中得到应用。火箭发动机形式虽然是一种有效的解决方案，但火箭发动机的缺点在于要携带氧化剂，需要事先收集二氧化碳，这会增加系统的复杂性。

火星上冲压发动机飞行的效果图

在此背景下，火星冲压发动机作为一种更加先进的推进技术应运而生。该发动机利用飞行器高速飞行时对气流的压缩效应，将火星大气中的二氧化碳吸入后利用气动效应进行增压并与镁燃料混合后燃烧，无需单独携带氧化剂，也不涉及涡轮等旋转部件，从而避免了固体产物对机械系统的影响，能够提供更高效的运行模式和更强的适应性。

近年来，北京航空航天大学的研究团队在地面模拟火星大气条件下成功点燃镁粉并实现了冲压发动机的稳定运行。这一实验结果表明，镁/二氧化碳冲压发动机不仅能够在火星表面高效运行，还可以支持飞行器在火星进行超音速飞行，这为未来的火星高效探测和运输提供了技术保障。

展望未来，镁/二氧化碳发动机技术将为火星探索开启新篇章。利用火星丰富的二氧化碳和镁资源，这种技术有望支持探测器甚至载人飞行器的高效运行。随着技术不断优化，镁/二氧化碳发动机未来将为长时间的火星任务提供可持续的动力源，并为火星基地建设提供强有力的能源保障。

从火星的红色荒漠到更遥远的深空，镁/二氧化碳发动机不仅为人类提供了探索未知的动力，也为跨星际旅行指明了方向。其他星球，如金星、土星的卫星泰坦等，也有望采用这一“原位资源利用”的模式，开发本土化动力系统，为未来星际航行奠定坚实的基础。

作者简介

徐旭，北京航空航天大学宇航学院教授。主要研究方向:高超声速冲压发动机及组合循环发动机理论及试验;液体火箭发动机试验及数值模拟;计算流体力学模型、方法与软件。相关研究获得了包括自然基金、航空基金、航天基金、863、载人航天等项目的资助，在国内外学术期刊上发表了150余篇学术论文。与航天科工集团三院成立了高速燃烧过程流场特性分析与试验研究联合团队，受聘为高超声速冲压发动机技术重点实验室客座专家，高超声速冲压发动机技术重点实验室学术委员会委员。