違反牛頓第三定律的EM引擎是天方夜譚還是重大突破?

　　EM引擎是英文「Electromagnetic Drive」的簡稱，指的是一種全新的驅動方式——電磁驅動，由英國工程師羅傑·肖耶2000年左右提出。原理大致是：用電力在密閉的錐形腔內產生微波，微波在腔內來回反射，在兩端產生的推力差即可作為飛行器前進的動力，太陽能提供電力來維持微波的運動。

　　EM引擎的過去和現在

　　2001年英國的一家衛星推進器研究公司SPR Ltd.提出了EM Drive的概念，由科學家Roger Shawyer率先展開研究並在2003年完成了原型機。

　　

　　EM引擎的基本原理：

　　

　　採用微波頻率輻射壓力，在發動機內實現從微波能量直接轉換到推力，而不需要推進劑。微波能量饋自磁電管，通過調諧饋送器，輸送到一個封閉的錐形波導體，腔體的長度決定了跟磁電管起諧振的操作頻率。

　　EM引擎和傳統引擎有著巨大的不同，它可以直接消耗電力，在封閉體系內直接產生淨推力，如果可以實現，代表著人類動力技術的重大突破，必將引發第三次工業革命。

　　但是該原型機的實驗數據與同年公布的時候，物理界幾乎一片譁然，因為其違背了動量守恆定律。

　　動量守恆定律：一個系統不受外力或所受外力之和為零，這個系統的總動量保持不變。

　　該定律為牛頓第三定律的推論，但是在長期的科學實踐當中發現其適用性遠遠廣於牛頓第三定律，其反應了時空的根本特徵，也是現代物理學的三大基石之一。

　　用比較通俗的話來描述的話，現在人類所有的動力技術都是建立在作用力與反作用力的基石上。比如車輛開動，需要車輪和地面之間的作用力與反作用力，輪船航行，需要螺旋槳和水之間的作用力和反作用力，火箭升空，需要向後噴射助推劑，是火箭和助推劑之間的作用力和反作用力。

　　EM引擎打破了作用力與反作用力的限制，消耗電能可以直接在體系內產生淨推力，但同時違背了動量守恆，所以物理學界很不看好，Roger承受了巨大的壓力，甚至掛上了類似「民科」的牌子。

　　Roger倒是沒有放棄，用母公司給的微量資金一直在進行改進。

　　2003年 Roger研製第一臺EM引擎，其直徑為160mm，消耗微波功率為850W，採採用天平梁稱重的方法獲得推力實際值為160mN。

　　2006年 Roger研製第二臺EM引擎，其直徑為280mm，消耗微波功率為1200W，採用天平和懸掛式推力測量方案獲得推力實際值為250mN。

　　2007年 Roger在一個低阻力氣懸浮轉動平臺開展了動力實驗，實驗結果是第二臺EM引擎消耗微波功率為1000W時，推力達287 mN，100kg重的平臺被加速到2cm/s。

　　不同於理論猜想容易被否定，原型機的成功很容易刺激學界的痛點，實踐是檢驗真理的唯一標準嘛，於是中國開始接手。

　　2011年西北工業大學楊涓團隊進行無工質微波推進試驗。當微波功率為2.5kW時，極限推力達720 mN，即能推動重約72g的物件，實際足夠應用於衛星推進器。這是目前EM引擎實驗以來公開結果的最高推力。同時成功驗證了 EM引擎推進理論，因為所用諧振腔跟 EM原型機完全不一樣。

　　

　　（圖為楊涓團隊的推進原理）

　　2014年12月NASA的工程師Paul March公開表示，自己偷偷在詹森太空中心的高度真空中，成功驗證EM引擎。NASA用一個性能適中的EM （0.4N /kW） 做測算，去月球太空飛行器僅用4小時，去火星用2至3周。可在不到18個月到達冥王星，進入環繞軌道近距拍攝，或在其表面投下著陸器。

　　2015年7月在美國奧蘭多舉行的美國航天航空學會推進與能源論壇的會議上，德國德勒斯登理工大學空間研究所的物理學家Martin Tajmar論述，在試驗中觀察到，電磁引擎產生接近預期大小的推力，因此該動力裝置是可行的。

　　

　　（Martin Tajmar的驗證機）

　　至此，經過15年的實踐，學界基本肯定了EM引擎的有效性，但是其工作原理依舊是個謎。

　　目前比較靠譜的有兩個解釋。

　　第一個是楊涓團隊的輻射張力理論，核心過程如下：

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　其中gp為動量密度，wp為能量密度，ρ為電荷密度，J為電荷電流，E為電場強度，B為磁感強度，V為EM腔體體積，S為腔體表面積，wf為電磁場能密度。最終結論為：

　　

　　該結果與經典動量守恆方程dG/dt=F相比較，該方程右邊代表了電磁張量T在體積V表面產生電磁力，無論體積內是否存在帶電粒子，表面電磁力都可以使體積V的動量產生變化。

　　該解釋符合現有物理理論且動量守恆，是一個經典的量子力學解，但是顯而易見的，其未考慮狹義相對論情況下的討論。

　　第二個是NASA給出的真空虛粒子理論，核心原理認為EM工作腔在時空中屬於開放體系，結論如下：

　　

　　EM引擎再次吸引了航天迷們的眼球 NASA發聲支持

　　這一次，NASA（美國國家航空航天局）發布了經過同行評審的EM引擎（EM Drive）論文。評論稱，這表示其實驗結果以及整個論證過程都得到了同行專家們的認可，意義重大。這篇題為《真空中對來自閉合射頻腔的脈衝推力的測量》的論文已發表在美國航空航天學會（AIAA）期刊上，並於12月印刷出版。

　　「各國科研機構近幾年陸續開展了對EM引擎的一系列長期、反覆的試驗，這次NASA發表的試驗結果，可以說是再次確認了該技術。」中國空間技術研究院通信衛星事業部陳粵博士告訴科技日報記者。他也首次披露了中國空間技術研究院科研人員在EM引擎研發上的最新進展。

　　此後，廣為人知的是NASA詹森航天中心專注於前沿推進技術的研究團隊「鷹工廠」的試驗結果。他們對兩臺推進器進行了為期8天的實驗，並於2014年6月4日將實驗結果以論文的形式在AIAA第50屆聯合推進大會上發表。實驗數據顯示，在28瓦微波功率的作用下，產生了30—50微牛（1毫牛=1000微牛）的推力。

　　因當時其試驗條件並非真空，這篇文章曾受到外界質疑。此次最新發表的論文，正是該團隊完善試驗後，在真空中完成的推力測試的結果。數據顯示，在最大80瓦的微波功率輸入時，最大測到推力約124微牛。相比之下，同樣是無工質的太陽帆，每千瓦只能產生6.67微牛的推力。

　　「除了NASA，國際上還有幾個團隊在進行這方面的研究，如羅傑·肖耶本人，美國Cannae公司，以及德國德勒斯登工業大學等，德國這個團隊2015年也發表了一篇會議論文，結論跟NASA的類似。」陳粵說。

　　陳粵團隊從2010年開始正式開展EM引擎研究。該團隊依靠經典電磁場理論分析和計算，開展了推力器腔體設計。通過分析計算，研究人員認為該推力的產生，來自電磁場在特定設計的諧振腔體裡產生的不均衡分布，因此該技術不需要傳統工質，實際上是使用了電磁場對物質的作用力，也符合經典力學定律。

　　「我們已研製成功幾種規格的多臺原理樣機，建立了實驗驗證平臺，完成了毫牛級微推力測量試驗，通過幾年來的重複試驗及相應的幹擾因素排查試驗，確認該類型推力器的推力存在。」陳粵介紹，他們已完成了可用於飛行試驗的試驗裝置研製，正在開展在軌驗證。

　　「這項技術目前處於原理驗證階段的後期，後繼目標是使該技術儘快在衛星工程領域實際應用，但還有很多攻關工作要做。」中國空間技術研究院通信衛星事業部總設計師李峰說，目前原理樣機體積大，推力較小，需要特殊的工程方法，優化腔體設計，提高腔體品質因數，減小損耗，將微波能量更有效用於產生推力。目前測到的推力是微牛級至毫牛級，至少要提高到百毫牛級甚至牛級才能用於衛星的姿控、變軌等工作。

　　他具體解釋道，從原理驗證到工程應用，還需解決目前原理樣機推力小、推功比低、推力器難以長時間穩定工作、推力器布局、應用策略等一系列工程問題，如果這些工程問題都得以解決，EM引擎的工程化應用將使航天推進技術產生跨代式飛躍。這些技術問題，雖然有很大難度，但是在工程上是可以解決的。

　　李峰透露，陳粵團隊依託國家相關項目支持，正在開展工程應用的關鍵技術攻關，爭取5年內實現工程應用，「我們已調集了微波、結構、熱控、電力電子、星載電子系統等相關專業力量，全力來做這件事，雖然難度很大，但我們有信心做成。」

　　據報導，NASA下一步也將開展太空實驗，記者就此相關問題發出採訪函，截至發稿時尚未收到回復。從與NASA關係密切的美國Cannae公司官網可以看到，該公司已經啟動了EM引擎技術的飛行試驗計劃，計劃於2018年發射一顆6U立方星驗證該技術。

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