永动机？--无工质推进器「EMDrive」火了！

无工质微波推进是一种全新的概念。在相应的推进装置中，微波通过波导被辐射进封闭的圆台型推力器腔体后作用在腔体表面上，并沿推力器轴线产生净推力。这种推进装置的特点是：

(1)不需要工作介质就可以产生净推力，没有高温燃气流的烧蚀、冲刷和传热问题，同时能大幅度降低消极质量。

(2)只要微波输出电功率稳定，推进装置的性能不受工作环境的影响。

(3)已有的部分试验和理论分析表明采用不同的推进装置结构材料，在1 kW微波功率输出条件下，可以获得0．1—31 500 N范围的推力⋯。

由此可见这种推进装置可广泛地应用于卫星、深空探测器和近空间飞行器，所带来的效益是大幅度地提高有效载荷和寿命。无工质微波推进装置是由英国卫星推进研究有限公司(SPR Ltd)的Roger Shawyer发明，Roger Shawyer给出的无工质微波推进装置发明思想⋯来源于普朗克能量子假说、爱因斯坦的光量子理论和微波理论。他已经开展了初步的理论分析和实验研究。Roger Shawyer设计了1个品质因数为50 000的类似于横电波TE模的圆台型谐振腔，矩形波导把微波辐射进谐振腔中，利用无阻力试验转台，实际测量出谐振腔在300w微波输出功率的直接作用下产生了86．2 mN的推力⋯，该测量值和他的计算值相一致。

从查阅到的有限论文和资料可以看出，对无工质微波推进的研究还非常有限，仅仅针对类TE模的圆台谐振腔进行了净推力理论计算和实验测量。

理论计算的途径是首先对腔内的微波场进行量子化，再根据量子和壁面相互作用后的动量变化计算净推力，而且仅仅考虑前后端面和量子相互作用对推力的贡献，很显然这样的理论非常粗糙。

在研究电磁波和等离子相互作用时，采用电磁张力来处理微波在1个体积表面上所产生的作用力，为本研究工作提供了一种非常有效、实用的研究方法。为此本文首先引出无工质微波推进装置的发明思想，再从经典电动力学理论出发，分析无工质微波推进理论，给出推力计算的电磁张量计算途径。在无加载的不同微波模式条件下，从原始的Maxwell方程出发，采用有限元方法对不同结构理想圆台腔体的模态进行数值计算，由此获得腔体固有的谐振电磁场分布特征和空载品质因数。在1000 W微波功率辐射条件下，采用有限元方法，对不同结构、不同微波模式、有微波耦合窗口的非理想圆台谐振腔内的电磁场分布进行数值计算，从而获得腔体表面的电场和磁场分布，再利用表面张量计算轴向净推力。

无工质微波推进装置不需要工作介质，因而没有高温燃气流的烧蚀、冲刷和传热问题，推进装置的性能不受工作环境影响，同时能大幅度降低飞行器消极质量，采用不同的结构材料可以获得很宽的推力范围，适用于空间和近空间飞行器。

有2种途径可以解释这种新概念推进装置的工作机理：

①从普朗克能量子假说和爱因斯坦的光量子理论出发并结合微波理论对该装置推进机理进行解释，即把输入到封闭圆台型内的微波离散成光量子，其能量传输速度为群速度，光量子和推进装置腔体壁面发生弹性碰撞的宏观效果就产生了净推力；

②从经典的电动力学理论出发来解释无工质微波推进装置推力产生的机理，根据体积内电磁系统动能和动量守恒关系、Maxwell方程和电磁场能流密度矢量可以得知该推进装置的推力来源于电磁张量沿体积表面的积分。

采用有限元数值求解方法对理想圆台型谐振腔内原始的Maxwell电磁方程组进行了数值模拟，直接获得模态以及实际1 000 W条件下腔体内的电磁场分布，以分析不同模态、不同腔体结构下的具体特征。计算结果表明：在圆台腔小端直径不变情况下，大端直径增加，品质因数和推力降低。针对1 000 W微波功率输入、以黄铜为腔体材料，基于经典电动力学理论计算出产生的最大理论推力值分别为411 mN和456 mN，而实际测量值分别为214 mN和315 mN。