用于太空技術(shù)的微波推進電磁發(fā)動機

黃志洵

(中國傳媒大學信息工程學院，北京 100024)

1 引言

英國工程師Robert Shawyer在本世紀初提出了一個奇特的創(chuàng)新思想——用微波諧振腔構(gòu)建一個無需攜帶燃料的太空推進系統(tǒng)［1－4］。只要把太陽能轉(zhuǎn)換為微波能并送入腔體，即可產(chǎn)生力作用并且用于航天技術(shù)中成為衛(wèi)星推進器，甚至可能用于宇宙航行。

盡管產(chǎn)生的力作用很小，這一技術(shù)卻可能用于在真空環(huán)境中工作的衛(wèi)星的精確控制和定位，甚至在經(jīng)過長期研發(fā)改進后成為未來的太空飛船。2006年9月，英國科學刊物《New Scientist》報道說，Shawyer造了一個重9kg的樣機，在饋入700W微波功率后產(chǎn)生了88mN的力。2007年5月《Eureka》報道說，第2個樣機重100kg，饋入300W微波功率后產(chǎn)生了96.1mN的力。在中國，西北工業(yè)大學航天學院最早開始研究，2011年、2013年分別發(fā)表了論文［5，6］，并稱在饋入2500W 微波功率后產(chǎn)生的力為720mN;但科技界對文獻［6］及這個產(chǎn)力數(shù)據(jù)表示了懷疑?！送猓陙砻绹教炀?NASA)也展開了積極的研究工作。

2 微波推進電磁發(fā)動機橫空出世

EmDrive(電磁發(fā)動機)是21世紀的一個新發(fā)明、新項目，核心是一個微波諧振腔，也可看成封閉的圓錐狀波導(dǎo)(圖1)。由于電磁場的非均勻分布，造成推力，使其有向反方向加速運動的趨勢。它已走過了早期的默默無聞，如今引起各國科技界、航天界、情報界的高度重視。

圖1 Em Drive示意

英國科學發(fā)展趨勢網(wǎng)站于2014年8月2日報道說:“不可思議的發(fā)動機將永久改變太空旅行”，國內(nèi)《參考消息》報譯載時標題為“微波發(fā)動機或改變太空旅行”。文章說，英國高級工程師R.Shawyer可能很快就會引起很多關(guān)注。當他剛剛制造出現(xiàn)在稱為EmDrive的發(fā)動機時，還沒人把它當回事。但在2012年，這種情況發(fā)生了改變，一群中國科學家也建造了這種發(fā)動機，而且成功了。這種EmDrive結(jié)構(gòu)簡單，而且很輕。它的推力是由“在密閉容器里回彈的微波”產(chǎn)生的。發(fā)動機設(shè)計極其特別，如果根據(jù)傳統(tǒng)的力學原理，它根本就無法工作。然而，這個發(fā)動機卻能用太陽能來提供電力從而產(chǎn)生微波。此外，它還不需要任何形式的推進劑，因此它可以一直使用到硬件停止工作為止。中國科學家制造出了一個能產(chǎn)生720毫牛頓力的此類發(fā)動機，這足以成為一個衛(wèi)星推進器。2013年8月，美國航天局(NASA)的一個小組制造出了一個動力稍小、但源于類似理念的發(fā)動機。研究人員并于7月30日在Ohio州舉行的第50屆聯(lián)合推進技術(shù)大會上報告了他們的成果，“試驗結(jié)果顯示，作為一個獨特的電子推進設(shè)備，射頻諧振腔推進器產(chǎn)生力的方式不符合任何傳統(tǒng)的電磁現(xiàn)象，因此可能顯示出了與量子真空虛擬等離子體的一種相互作用?！?/p>

其次，英國《每日郵報》網(wǎng)站于2015年4月30日報道說:“NASA測試曲速引擎”，國內(nèi)《參考消息》報譯載時標題為“NASA成功測試曲速引擎，月球旅行僅需4小時?！蔽恼抡f，NASA已在悄悄測試一種革命性的太空旅行新方法，有朝一日能讓人類以超光速旅行。研究人員說，這種新引擎可在短短4小時內(nèi)將乘客和設(shè)備送上月球?，F(xiàn)在前往半人馬座α星需要數(shù)萬年，而新引擎可將時間縮短為100年。這種系統(tǒng)基于電磁驅(qū)動，即在無需火箭燃料的情況下把電能轉(zhuǎn)化為推力。

根據(jù)經(jīng)典物理學，這應(yīng)該是不可能的，因為它違反了動量守恒定律。該定律認為，如果一個系統(tǒng)不受外力作用，那么這個系統(tǒng)的總動量保持不變——這就是為什么傳統(tǒng)火箭需要推進燃料。在過去，美國、英國和中國的研究人員對電磁驅(qū)動進行了論證，但他們對結(jié)果存在爭議，因為沒人確切地掌握了電磁驅(qū)動的原理。

據(jù)NASA航天網(wǎng)論壇用戶稱，目前NASA已建造了一個可在太空環(huán)境下運行的電磁驅(qū)動系統(tǒng)，它通過在封閉容器內(nèi)反射微波為太空飛船提供推力。電磁驅(qū)動的意義重大。如果不需要搭載燃料，當前的衛(wèi)星可以瘦身一半。此外，人類可以借助電磁驅(qū)動技術(shù)在太空走得更遠?！癗ASA成功地在高真空中進行了電磁驅(qū)動試驗——這是歷史上第一次成功的試驗?！?/p>

然而在幾天后，媒體報道的口氣有了變化。英國《獨立報》網(wǎng)站于2015年5月12日報道說:“NASA的曲速引擎推進器正在測試但尚未成功”，國內(nèi)《參考消息》報譯載時標題為“NASA研究曲速引擎技術(shù)，科學家稱違背物理學定律難成功。”文章說，這聽上去太像科幻小說，不可能是真的——一個不使用燃料、能讓飛船以超光速環(huán)游宇宙的推進系統(tǒng)。NASA的科學家說，至少眼下這還不是真的，實際上尚未成功。

NASA官員告訴美國太空新聞網(wǎng):“盡管位于Houston的NASA航天中心的一個團隊對新型推進方法進行的概念研究成了頭條新聞，但這只是一次小小的努力，尚未顯示出任何切實成果。NASA并沒有在‘曲速引擎’技術(shù)上下工夫。”

許多科學家說，讓這種電磁驅(qū)動引擎變得如此激動人心、同時又不可能實現(xiàn)的是，它似乎違背了物理學的核心定律。安裝它的飛船據(jù)說能在宇宙中航行很長距離，因為這種引擎產(chǎn)生的能量比它使用的要多——這違背了認為能量不會憑空產(chǎn)生的能量守恒定律。部分試驗聲稱已證明能量具有這種潛力，有人以此論證這種技術(shù)具備可行性。但科學家說，這些非同尋常的結(jié)果之所以出現(xiàn)，可能是由于試驗中的偶然因素，比如試驗容器上的漏洞或是地球的影響。

試驗結(jié)果尚未按照科學界慣例提交同行審查，因此，除已測試過該引擎的NASA實驗室外，其他研究人員還不清楚那兒到底發(fā)生了什么。

2015年5月20日英國《每日郵報》網(wǎng)站再次報道說:“曲速發(fā)動機或超空間發(fā)動機，神奇的能量讓太空飛船以不可思議的速度飛行”。國內(nèi)《參考消息》報譯載時標題為“電磁發(fā)動機研發(fā)在爭議中前行，理論上4小時可飛抵月球。”文章說，盡管迄今為止這一概念還只限于科幻范疇，但它有可能成為現(xiàn)實。據(jù)信，NASA已經(jīng)成功測試一種革命性的新能量來源，它可以讓航天器僅用4小時就抵達月球;用2至3周抵達火星，而不再需要分別耗時3天和7個月來完成上述旅行。據(jù)稱，它可能以每小時4.5億英里(1英里約為1.61公里)的驚人速度無限持續(xù)飛行。

激起此類希望的發(fā)明名為“電磁發(fā)動機”(Em-Drive)，其動力來自一種類似微波爐核心部件的裝置。它由英國科學家Roger Shawyer發(fā)明。自從他在大約10年前對外公布這一發(fā)明后，他遭到人們多年的嘲笑。批評者堅稱，這在科學上是不可能的，因為它違背了關(guān)于宇宙運行的物理學基本原理之一。這便是Newton第三定律:如果你朝某個方向施力，你就會朝相反方向加速。事實上，迄今為止，每臺火箭發(fā)動機都是向后噴射燃料，從而推動航天器向前運動。然而，EmDrive并不使用推進器。它把太陽能電池板或飛船上的小型核反應(yīng)堆產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)化為向前的推力。一些科學家稱，這是“不可能的發(fā)動機”。

不過，外界的懷疑并未阻止美國波音公司買下EmDrive的開發(fā)權(quán)，也未能阻止英國政府資助早期開發(fā)。已經(jīng)退休的Shawyer目前擔任一家英國公司的顧問，該公司正在繼續(xù)此項研究。與此同時，其他國家正在研發(fā)類似設(shè)計。事實上，5年前中國人聲稱制造出了EmDrive發(fā)動機并證明了其有效性——但沒人相信。

3 項目命名問題

在一個時期內(nèi)對某個科技項目作密集、重復(fù)的報道是罕見的，而且這是一個多年前的發(fā)明。這樣做一定是因為它新近取得了某些突破性進展，才使記者們蜂擁而上并寫出這些事實與猜測混雜在一起的新聞稿。以上4條報道的最后一條給出了估計的速度數(shù)據(jù):v=4.5×1.61×108km/h，換算后得到 v=7.25 ×108km/h=2 ×105km/s=0.67c;這雖然仍是亞光速而非超光速，但已非常驚人了。

筆者在剛看到這些報道時是非常鼓舞的，因為這一項目或方案無需攜帶燃料即可在真空中(因而在宇宙中)飛行，甚至可能成為超光速。當然第一印象是寫報道的記者外行——最早的報道稱為“微波發(fā)動機”是可以的，后來又稱為電磁發(fā)動機(Em-Driv)也對，但稱為“曲速引擎”就完全錯了!筆者在2013年的文章“光障擋不住人類前進的腳步”中［7］，講到墨西哥物理學家 M.Alculbierre［8］于1994年發(fā)表的文章“The warp drive:hyper－fast travel with general relativity”(“曲速引擎:廣義相對論中的超高速旅行”)。文章說，在廣義相對論(GR)框架內(nèi)在不引入蟲洞(Wormholes)的條件下證明改變空時(spacetime)即可使宇宙飛船以任意的超大速度飛行。如局部擴張飛船后部的時空和收縮飛船前面的時空，處在干擾區(qū)以外的觀察者就會看到飛船以超光速運動。造成畸變令人聯(lián)想到科幻小說中的“曲速引擎”。……該文有19個編了號的公式，是在GR框架內(nèi)的推導(dǎo)演算。按照筆者的理解，所謂warp drive，是利用Einstein的4維時空觀念而避免讓實體飛船作真實的光速或超光速飛行。據(jù)說，在兩個時空區(qū)之間放一球體，可創(chuàng)建一個移動球體周圍時空的“曲速泡”——它以超光速飛行，而飛船本身無需運動(就本地參照系而言)。實現(xiàn)的關(guān)鍵是要有特殊物質(zhì)以彎曲時空，而這需要木星級別的巨大能量。筆者在2013年文章中說，“2012年9月19日美國《Time》周刊網(wǎng)站稱:‘NASA actually working on faster－than－light warp drive’(9月21日中國《參考消息》報刊出時題為‘NASA著手研究超光速曲速引擎’)。這表示美國航天局已在安排專家研究超光速宇宙航行的問題”。當時這樣講是對的，因為2012年秋在美國召開《星艦(star ship)百年研討會》，在會上NASA的物理學家H.White說，可以用改變曲速引擎的幾何形狀的方法簡單地解決能量問題?！虼?，說“NASA研究曲速引擎”本身并不錯;只是由于記者頭腦中的混淆，才把現(xiàn)在這個項目歸結(jié)為曲速引擎研究內(nèi)容之一;但這是錯誤的。

2009 年 R.Shawyer［2］在文章中稱自己的發(fā)明為EmDrive，即“電磁驅(qū)動器”或“電磁發(fā)動機”。2011年楊涓等［5］的論文則稱之為“無工質(zhì)微波推進器”(propellantless microwave thruster)。2013年的報道NASA的一次測試活動的短文［9］，稱此項目為electric propulsion article consisting of a RF resonant cavity，即“包含射頻諧振腔的電氣推進器”。當然，如前所述在2014年媒體報道時使用的詞是“微波發(fā)動機”(microwave engine)?！C合以上情況，本文認為最佳命名是“微波推進電磁驅(qū)動器”或“微波推進電磁發(fā)動機”，對應(yīng)的英文是EmDrive of microwave propulsion，簡稱“電磁發(fā)動機”。這樣命名不僅生動形象，也體現(xiàn)了對發(fā)明人的尊重。

4 Shawyer發(fā)明的意義和完成的工作

R.Shawyer在英國是一位民間科學家，就是說他并非政府科學機構(gòu)的雇員，也不是大學教授或大公司研究所的研究人員。他的路是曲折艱辛的;正如前面的新聞稿中所說，長期以來沒有人把他當回事，甚至受嘲笑。他的思想受到英國以外(中國、美國)的重視是2010年以后的事。Shawyer成立的SPR Ltd是一家小公司，資金有限，因而至今似未做過大型實驗。然而正如在困難中崛起的人們那樣，Shawyer的堅持已在今天形成了新的局面。

為什么會發(fā)生轉(zhuǎn)變?必須看到太空的重要性急劇增加了。安全通信，情報、監(jiān)視和偵察任務(wù)，導(dǎo)彈預(yù)警，天氣預(yù)報，精確導(dǎo)航和測時，所有這一切都依賴太空，而這塊領(lǐng)域正面臨越來越多的挑戰(zhàn)。因此各國都非常關(guān)注太空領(lǐng)域的動向。假如一國的無人航天器能夠一次在軌數(shù)月之久，能夠自行降落在飛機跑道上，供反復(fù)使用，這樣的太空能力就會派生出眾多潛力，比如用來觀測氣象和監(jiān)視敵人。

Shawyer發(fā)明有可能成為一種造價不高、可重復(fù)使用的天空交通工具，因而受到吸引是很自然的。不僅如此，它在將來或許可能成為一種新的軌道推進系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用來操縱空中的衛(wèi)星。

2015年5月20日法新社報道說，美國空軍用火箭將一架空天飛機發(fā)射進入軌道進行第四次飛行。此次任務(wù)之一是測試操縱衛(wèi)星用的一種新推進器。X－37B小型空天飛機一直神秘莫測，美國空軍只是說，他們打算測試一種新型實驗性推進器?；鸺谶\送X－37B升空的同時，還搭載了一顆利用“太陽帆”飛行的微型衛(wèi)星。

實際上，筆者推測所測試對象就是由NASA研制的EmDrive。值得注意的是，一同升空的還有一顆微型衛(wèi)星，它只有一只鞋盒那么大。作為微型衛(wèi)星的研制單位，非營利性太空機構(gòu)“星際學會”打算嘗試通過這顆衛(wèi)星展開一塊面積達344平方英尺(約32平方米)的巨型反射性太陽帆。衛(wèi)星的體積非常小，太陽帆的面積卻非常大(但是很薄，只有垃圾袋平均厚度的1/4)，太陽會持續(xù)提供能量。這就證明EmDrive與太陽帆在太空中配合應(yīng)用是可能的，不必用某一個反對另一個。

然而，發(fā)明人的功績不可抹殺;那么Shawyer究竟做成了什么事?筆者根據(jù)不完整的資料力圖理解他走過的道路，表1反映Shawyer早期在實驗上的貢獻。

表1 Shawyer的早期實驗

雖然Shawyer是發(fā)明人和早期唯一堅持實驗的研究者，但如今人們已不會太重視他的意見。除非英國政府決心全力支持這個項目，發(fā)展的希望已完全轉(zhuǎn)移到中國和美國。由于保密的原因，人們(包括Shawyer本人)都無法知道最新的成就和最高的發(fā)展。參考文獻［4］是Shawyer于2014年10月在加拿大Toronto的一次會議上的講稿，其中說他引用的已發(fā)表測試數(shù)據(jù)來自3個國家的4個獨立來源，證實了他的EmDrive理論。關(guān)于每kW輸入功率所能產(chǎn)生的推力(Shawyer稱為特效力 specific force)，實驗最低者只有1.73mN/kW，最高者達952mN/kW;而且腔體Q值越高特效力越大，故可考慮采用超導(dǎo)腔(superconducting cavity)。文獻［4］給出了在腔內(nèi)使用電介質(zhì)的方案(圖2);(a)是原方法，(b)是腔形不變但在小頭放入電介質(zhì)，NASA曾獲得6.86mN/kW特效力;而SPR公司用此法則得到18.8mN/kW;(c)是改錐形為園柱形并放入電介質(zhì)，效果不詳。這些敘述都未給出資料來源?！硗猓琒hawyer多次指出，提高腔質(zhì)量因數(shù)(Q)將使推力加大。

圖2 腔內(nèi)使用電介質(zhì)的EmDrive

5 理論分析

嚴格的理論分析應(yīng)針對圓錐形腔，從場分析到力的計算。故以下是粗淺的，僅供參考。圖1顯示磁控管驅(qū)動1個腔體，后者可看成兩頭封閉的波導(dǎo)，但發(fā)生諧振。大頭的群速較高，故輻射壓強較大，造成受力差值(Fg1－Fg2);這可由Lorentz電磁力方程看出:

如大頭取v=vg1，小頭v=vg2，則將造成Fg1＞Fg2。

假定有一個光子束流入射，其截面為A，單位體積光子數(shù)為n;由于每個光子能量為hf，以速度c運動;故入射光束功率為

設(shè)光束照射到一個平板上，并發(fā)生全反射;由于每個光子動量為hf/c，故在板子處動量變化為2nhfA，構(gòu)成力F0:

上述推導(dǎo)來自A.Cullen［10］的論文。如果射束的速度是v，那么作用于板子的力為

然而在波導(dǎo)理論中有群速公式

式中λg是波導(dǎo)中波型的兩個等相位點的間距，稱為相波長或?qū)РúㄩL，λ是自由空間傳播波長(真空中波長)，εr、μr是填充介質(zhì)的相對介電常數(shù)及相對導(dǎo)磁率。如取波導(dǎo)內(nèi)為真空填充，εr=μr=1，故有

代入公式(3)，得

用下標1代表大頭，下標2代表小頭，那么 λg1＜λg2，故 Fg1＞ Fg2，因而有

這個力在本文后面稱為合力F∑，指出只有F∑≠0才有;而這在純粹圓柱狀腔內(nèi)是不會產(chǎn)生的。在圓錐狀腔體中，也只有經(jīng)過仔細設(shè)計計算才能造成F∑≠0，而這來自場分布的不均衡。因此，真正的理論分析只能是場分析，而非以上的內(nèi)容。

既然存在“違反動量守恒、能量守恒”的指責，有必要回顧經(jīng)典物理學中的有關(guān)概念。動量守恒定律(law of momentum conservation)來源于Newton運動定律中的第2定律(動量變化與力成正比)和第3定律(對每個作用必有大小相等方向相反的反作用);在慣性系中不受外力作用的系統(tǒng)其總動量恒定不變。這個定律不僅適用于宏觀系統(tǒng)，對微觀世界也對——著名的Compton效應(yīng)中即說光子與電子碰撞前后動量是守恒的?！芰渴睾愣?law of energy conservation)是說一個封閉系統(tǒng)的總能量保持不變，一般而言總能量是靜止能量(固有能量)、動能、勢能三者之和。熱力學第一定律確定了宏觀系統(tǒng)中的能量守恒，Compton效應(yīng)則表明能量守恒定律在微觀世界也是正確的。大爆炸宇宙學說“當初從一點炸出(產(chǎn)生)了宇宙”，似與能量守恒不符;能量是否可以“從無到有”?這個定律認為不可能。

此外，我們還需要重溫什么是“力”，力是加速度的來源，正是Newton把力和加速度聯(lián)系在一起，他的第2定律告訴人們力的大小等于受力物體的質(zhì)量與物體所獲加速度的乘積(F=ma)。這是非相對論的物理定律，它等效于“力是動量的時間變化率”。按照國際單位制SI，使1kg質(zhì)量產(chǎn)生1m/s2加速度的力為1N;用牛頓(N)作為力的單位以紀念這位偉大人物的作法是很正確的。

有這些知識已足夠了;對化學燃料火箭而言，設(shè)火箭、燃料(推進劑)質(zhì)量為 m1、m2，其相應(yīng)速度為v1、v2，則動量守恒要求

若△v2≠0(燃燒后加速噴出)，則△v1≠0(火箭獲得加速度)。那么現(xiàn)在這個EmDrive為何不向外噴射物質(zhì)而可能有加速運動?很明顯，只要有力就可以了，RF cavity不用向外噴射。實際上，動量、能量守恒都是遵守的。這是一個經(jīng)典物理學課題，沒有任何物理定律需要違反;那些指責都不正確。

［5］做了有益的研究;但在

［6］中，同一作者卻給出了圖3，即安排了一個微波輻射出口，說是由之可把微波束出射到大氣層或外層空間(radiated to the atmosphere or outer space)。這就在理念上退回到化學燃料火箭一類，似乎只有如此才能不違反動量守恒。這是錯誤的;我們?yōu)槲鞅惫I(yè)大學研究組感到遺憾。

圖3 參考文獻［6］的設(shè)計方案(圖中的字母C代表環(huán)行器)

2014年7月30日在美國舉行了“第50屆聯(lián)合推進技術(shù)大會”，NASA的科學家們報告說:測試結(jié)果顯示，射頻諧振腔推進器(RF resonant cavity thruster)設(shè)計，作為電氣推進器件是獨特的，它產(chǎn)生了推力。這無法歸因于任何經(jīng)典電磁現(xiàn)象。D.Brady等［9］指出，NASA的測試是在2013年8月8日進行的，實驗論文已報導(dǎo)過，用激勵935GHz的諧振腔產(chǎn)生出30～50mN的推力，測試在低推力扭擺(low thrust torsion pendulum)上完成，它置于不銹鋼真空室中，該設(shè)備由NASA設(shè)計建造。Brady等認為，這種推進方式的一種可能的解釋是:這由量子真空虛等離子體(quantum vacuum virtual plasma)交互作用所造成，從而提供出這種由射頻器件產(chǎn)生的反常推力(anomalous thrust production from RF test device)。在這種認識之下，在NASA實驗活動目的是“為了研究用經(jīng)典的磁等離子體動力學去獲得由量子真空虛等離子體轉(zhuǎn)換而生的推進動量的可行性。”而被研究的微波發(fā)動機(microwave engine，Shawyer稱為EmDrive)被Brady等稱為“量子真空等離子推進器(quantum vacuum plasma thruster)”。不過，正如前文所述，我們不認為這個項目當中有量子原理，等離子體亦不存在——它并不是非有不可的機制。

6 討論和展望

現(xiàn)在把太陽系內(nèi)飛行稱為航天(space flight)，系外飛行稱作宇航(astronautic);走向太空是人類探索宇宙的必由之路?，F(xiàn)階段人類的航天活動有3個主要方面:研制運載火箭，發(fā)展衛(wèi)星技術(shù)，開展載人航天;這當中的每一項中國都取得了很大進展。為此成立了航天飛行動力學重點實驗室，研究深空探測軌道測定與控制(orbit determination and control for deep space exploration)問題［11］，并特別關(guān)注于火箭燃料的節(jié)省、在軌衛(wèi)星的標準化測控管理、深空探測器運行全程的精密定軌等等。……只有從這個背景上來看待EmDrive出現(xiàn)十多年后突然呈現(xiàn)的高度重視，才能理解航天界的想法?？傊?，人們關(guān)注的是它在兩方面的應(yīng)用價值，一是發(fā)展衛(wèi)星技術(shù)，二是構(gòu)建載人飛行器(服務(wù)于地球上的快速交通和未來的宇宙探索)的可能性。

在初始階段當然要多了解Shawyer的看法;例如2012年Shawyer說，對飛船推進系統(tǒng)而言，現(xiàn)已發(fā)展了兩種理論方法，分別由英國、中國的研究團隊獨立地提出。這是不同的設(shè)計，推進力達300mN/kW。英國的研究工作由政府及私人投資支持;第一階段是初步工藝，為在軌應(yīng)用而設(shè)計，轉(zhuǎn)移到美國。第二階段是高級工藝器件，用液氮冷卻，達到設(shè)計的高Q值。理論研究解決了動力學問題，從而可實現(xiàn)火箭發(fā)射。英國的研究工作在2001年～2011年持續(xù)進行，而在2011年中國人拿出了測試數(shù)據(jù)。……又如發(fā)明人相當重視使用低溫技術(shù)一事，指出室溫腔Q=5×104，超導(dǎo)腔Q=109，后者高幾個數(shù)量級。而且，Shawyer說SPR把腔體處于常溫下的設(shè)計稱為第1代計劃(1G project)，處于低溫下的超導(dǎo)腔設(shè)計稱為第2代計劃(2G project);后者在2006年即已提出，2008年獲得測試數(shù)據(jù)。他的意思似乎是說，只有高Q值才能在遵守能量守恒的條件下獲得適當?shù)募铀俣?。但這是與最初理念(無需攜帶燃料)相矛盾，因為要攜帶冷劑，而且它的蒸發(fā)非?？?。

閱讀Shawyer的文獻，有時難以分辨何者是現(xiàn)實的(驗證過的)情況，何者是對未來的推測。2012年 Shawyer［3］說:“EmDrive 是世界上首個無需燃料的推進系統(tǒng)”;他這樣講時忽略了太陽帆(solar sail，也叫光帆light sail)。同時他還預(yù)測把EmDrive用作飛行器的可能性，說從London到Sydney僅需2.5h。他提出一種空天飛機(spaceplane)設(shè)計，可能需要8腔并聯(lián)、液氦冷卻，達到很高的特效力(例如幾百N/kW)，達到約為0.4m/s2的加速度。對于行星際探測器(interstellar probe)，也是要用液氦冷卻，達到幾百N/kW特效力和1m/s2加速度。不過，這些東西都是出于Shawyer(或說SPR公司)的想象。圖4是他的一種設(shè)計方案。

對于未來，他最大膽的計算和預(yù)測是，經(jīng)過9.86年的持續(xù)推進飛行，速度可達到v=204429000m/s。盡管他的這個估計還是亞光速(v=0.682c)，他并未說EmDrive可以作超光速飛行，但這個速度已很驚人，因為他據(jù)此認為可以用不到10年時間跨越3.96ly距離到達最近的星系。在報告結(jié)束時他說:“這種太空船將飛行;但在何時實現(xiàn)?誰來建造它們呢?”(These spacecraft will fly;but when?who will build them?)這是既有信心又信心不足。

圖4 混合型空天飛機示意

筆者認為EmDrive可能作未來的超光速宇航方案的候選者;理由是:根據(jù)Newton力學，有力就會有加速度。它即使很小，假以時日總會有達到光速然后超過光速的一天。我們記得，在2004年11月26日～28日的香山科學會議上，宋健院士在主旨報告“航天、宇航和光障”中說，航天技術(shù)呼喚傳播速度大于光速c的源。中國運載火箭技術(shù)研究院林金研究員是衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航專家、國際宇航科學院院士;他在2004年報告指出［12］:火箭自主慣性導(dǎo)航理論模型發(fā)人深省之處在于:一個運動質(zhì)點自己可以測量自己相對一個給定慣性系的加速度、速度和位置，作為運動質(zhì)點上自帶的鐘固有時間的函數(shù)。原理上無需與外界交換信息，可以不存在任何信號傳遞的速度問題。自主的純慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是基于引力場的基本性質(zhì);即使沒有光和電磁場，純慣性系統(tǒng)照樣工作，照常自主定位、自主測速。那么在一個只有引力場而無電磁場的世界中，為何每秒30萬公里會成為速度的極限?宇航員建立了自主精確描述火箭和宇宙飛船在給定慣性系中作任意加速和減速運動的動力學過程，修正了自主慣性導(dǎo)航的嚴格理論基礎(chǔ)，……，宇宙飛船航行速度不存在上限，未來的載人宇航理論上沒有限制”?！?010年林金［13］更深刻地對超光速宇航可能性作了論述;他指出，Einstein早年的理論是對今天慣性導(dǎo)航原理的描述，而后者只用一只鐘的固有時間，完全自主，無需發(fā)射或接收光(電磁)信號與外界聯(lián)系。飛船相對慣性坐標系作加速飛行，只要積分時間夠長，飛船相對慣性系的速度可以超過。3×108m/s被9.8m/s2除，得到354天，亦即大約一年后飛船速度超過3×108m/s。也就是說，宇航員只看慣性儀表指示即可作超光速宇航。

從2004年到2010年期間，林金院士多次論述超光速問題，在文章和會議報告中闡述他那有特色的理論觀點。老實說，許多人并未真正理解，筆者當時也不甚清楚其精神實質(zhì)。但在近年來反復(fù)閱讀他的文章，才越來越覺得有味!……例如我們必須指出，宋健和林金企望和預(yù)言的“新型動力源”可能正在研發(fā)中，這就是EmDrive。盡管還處在嬰兒期，但已帶來了希望。

7 進一步研究的方向

英國民間科學家(“民科”)R.Shawyer于本世紀初提出的發(fā)明，經(jīng)過十多年(2001～2014年)的考驗，目前已被兩大國(中、美)的科技界、航天界所接受，開始投入人力物力研發(fā);而英國政府也加大了支持力度。該項目的提出和發(fā)展，對我們今天大力倡導(dǎo)的創(chuàng)新思想有很大啟發(fā)和教益。微波技術(shù)人員的數(shù)量龐大，至少有數(shù)十萬人;但為什么只有Shawyer想到一個腔體可以有力和加速效應(yīng)，并產(chǎn)生重大的應(yīng)用價值?又為何開始時受嘲笑的項目如今受到大國政府的重視?值得深思。

這個項目引發(fā)的理論問題和實驗技術(shù)問題很多，本文只是簡略的報道。在寫作本文的過程中我高興地獲悉，筆者的1991年著作《截止波導(dǎo)理論導(dǎo)論》［14］，曾被中國航天科技人員當作研究中的參考書。這是因為該書有較多的波導(dǎo)理論分析成果，與諧振腔的關(guān)系密切;書中的第21章(圓錐波導(dǎo)理論)更有直接的參考價值?！旅媸枪P者認為可以考慮作為改進方向的可能的研究課題:

①改圓錐波導(dǎo)諧振腔為橢圓錐波導(dǎo)諧振腔

Shawyer發(fā)明的基礎(chǔ)是在圓柱波導(dǎo)理論的引伸下建立起來的，圓柱波導(dǎo)諧振腔實際上是應(yīng)用最廣泛的腔體形式。但如采用圓柱腔，根據(jù)Maxwell電磁理論作計算時就會發(fā)現(xiàn)合力F∑=0，無法產(chǎn)生預(yù)期效果，即產(chǎn)生自主向前的推力。如改圓柱形狀為圓錐形狀，并優(yōu)化張角、長度等幾何參數(shù)的設(shè)計，就能產(chǎn)生合力F∑≠0的現(xiàn)象，差值在20%以上。這是一種由于電磁場非均衡分布而造成的電磁力，是有些奇怪;但現(xiàn)象仍在經(jīng)典物理學的范圍之內(nèi)，似用不著量子物理學的介入。當然腔的質(zhì)量因數(shù)(Q值)必須高，這一點非常重要。

橢圓柱波導(dǎo)的出現(xiàn)晚于圓柱波導(dǎo)，對其應(yīng)用價值的認識也較遲。自上世紀70年代起，各國都廣泛應(yīng)用橢圓軟波導(dǎo)作為微波傳輸線的基本形式，其工程應(yīng)用價值獲得了廣泛認可。它的主模(基模)為TEc11，截止波長、特性阻抗、衰減常數(shù)、功率容量等都能計算［15，16］。在微波工程技術(shù)領(lǐng)域中橢圓波導(dǎo)的成功給筆者以啟發(fā)，故建議可以嘗試采用橢圓柱波導(dǎo)諧振腔;但也必須一頭大、一頭小，因此是一種橢圓錐波導(dǎo)腔。顯然，有大量的電磁場理論分析工作可做。

②改微波波導(dǎo)諧振腔為光波導(dǎo)諧振腔

微波和光波相似的例子很多，微波波導(dǎo)理論與光波導(dǎo)理論也有許多互通之處［14，17］。這使筆者想到，可否設(shè)計一種光波導(dǎo)諧振腔，從理論和實驗兩方面檢查其是否可能出現(xiàn)Shawyer器件的效果，從而擴大研究工作的視野。

③改金屬壁為超材料壁

雖然目前超材料(meta－meterials)尚不是一種簡單材料，但其左手性能早已在傳輸線技術(shù)中體現(xiàn)［18，19］。故從邏輯上講，可以先從理論上開展對超材料壁諧振腔的研究，再考慮構(gòu)建EmDrive的可能性。

8 結(jié)束語

這個宇宙中有許多隱含的、失序中的秩序，它等待著人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。因此，科學研究中的“創(chuàng)新”其實只是對內(nèi)在規(guī)律的發(fā)掘和認識，而且永遠不會有終點。在結(jié)束本文時筆者寫了一首舊體詩:

有感于無工質(zhì)航天器將要問世

牛頓仍稱百世師，

今朝光速已太遲;

神舟想象行吟處，

宇宙深空系夢思。

廣寒宮里春寂寂，

熒惑山中日遲遲;

太陽系內(nèi)多聞變，

唯有織女似昔時。

詩題中的無工質(zhì)航天器指無需攜帶燃料即可持續(xù)飛行的火箭。第1句是指Newton最早提出動量概念，而微波推進電磁發(fā)動機(EmDrive)遵守動量守恒;Newton提出運動定律F=ma，故有力就有加速度，假以時日可獲極高速度。另外，Newton力學和量子力學均不為速度設(shè)置上限。第2句的意思是說，雖然真空中光速c=299792458m/s?3×105km/s從地球角度看“很快”;但宇宙極為遼闊，此速度顯得“很慢”。第5句中廣寒宮指月球，對其開發(fā)將很快實現(xiàn)。第 6句，火星古稱熒惑，西方稱戰(zhàn)神(Mars)，多國已制訂登火星計劃。末句中的織女星即天琴座α，是北半天球最亮的早型星，距地球26.3ly(ly即光年，1ly等于94605億公里)，以目前技術(shù)飛抵需數(shù)萬年;未來若以10倍光速(v=10c)飛行，大約兩年半即可抵達。

筆者以此詩表達興奮之情;對于未來的發(fā)展，我們拭目以待。

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