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标题: 西工大设计研制国内第一套无工质微波推进装置（后附科普说明） [打印本页]

作者: Sunny 时间: 2013-2-11 16:59
标题: 西工大设计研制国内第一套无工质微波推进装置（后附科普说明）
本帖最后由 Sunny 于 2013-2-11 17:17 编辑

英国卫星推进研究公司( SPR Ltd）发明，发明者名叫Roger Shawyer，并制造了实验装置。

西工大杨涓领导的课题组完善了理论并制作了实验装置

基于经典的电磁学理论，我们建立了一套新概念空间推进装置--无工质微波推力器系统，这套装置可以直接把微波辐射能转换为推力而不需要任何推进介质。和传统的空间推进装置不同，该系统可以避免携带庞大的推进剂储箱并消除羽流对航天飞行器的污染。该系统由集成在一起的圆台微波谐振腔、微波源和负载组成，其中微波源产生的微波辐射功率被输入到圆台微波谐振腔内并形成纯驻波与电磁压强梯度，于是沿圆台微波谐振腔轴线方向就可以形成净推力。本文根据随遇平衡原理，通过克服推力器本身的自重和刚性阻力，成功地测量出无工质微波推力器产生的净推力。结果表明：基于经典电磁学理论建立的无工质微波推进系统可以产生净推力确信无疑；当微波源输出2.45GHz、80-2500W的微波功率时，推力器产生的推力分布在70–720mN范围内，测量总误差小于12%。实验结果和理论结果相吻合。

http://v.youku.com/v_show/id_XMjkwNTQ5MDc2.html

华为网盘附件：
【华为网盘】无工质微波推力器推力测量实验 .pdf

科普：什么是“工质”？

所谓工质，就是火箭的推进剂，燃料（燃烧剂）加氧化剂的合称。

我们应该已经知道，火箭推力的获得，是由高速喷出物反作用而生成。其原理与花园中用橡皮管喷水时，橡皮管会向后退，以及枪向后坐的原理一样。火箭的燃料经过燃烧室燃烧以后，会产生高温高压的气体，之后再经过一个喷嘴而加速，并排气到外界，根据反作用力原理，火箭将向反方向运动，因此这些气体便是推动火箭的原动力。火箭发动机自身既带燃料，又带氧化剂，靠氧化剂来助燃，不需要从周围的大气层中汲取氧气。所以它不但能在大气层内，也可在大气层之外的宇宙真空中工作。

火箭发动机依形成气流动能的能源种类分为化学火箭发动机、核火箭发动机和电火箭发动机。化学火箭发动机是目前技术最成熟，应用最广泛的发动机。核火箭的原理样机已经研制成功。电火箭已经在空间推进领域有所应用。其工作原理和性能分析可以参看百度百科关于火箭发动机的介绍。

为什么需要无工质推进器？

在科幻小说中，飞行器总能为星际旅行的全程提供动力。但在现实中，目前火箭推进器的发动机技术，根本无法实现这一点。用现在火箭技术所能达到的速度（20千米/秒）可以飞出太阳系，但不能实现恒星际航行。因为以这个速度航行到最近的恒星比邻星约需65000年。航天器只有达到接近光速的速度，恒星际航行才有实际意义。要使航天器接近光速，必须把火箭的喷气速度提高到接近光速。

火箭携带的燃料和氧化剂本身具有质量，因此这些燃料产生的推力很大一部分是浪费在携带的燃料上的。如果进行长途的星际旅行并使用有工质火箭推进器，带有此类火箭发动机的航天器将必须携带极大量工质才能将航天器推进到光速，这会大大增加飞船重量，而增加的重量又要求用更多的工质来推进。即使利用氢聚变反应产生能量转化为动能，有工质火箭的喷气速度也只能达到光速的5%。以这样的喷气速度使航天器速度达到0.8倍光速，则航天器起飞时的质量将为航天器质量的34.8亿倍，这是无法实现的大质量比。因此带工质的推进器效率很低，并不适合星际航行。

设想中有可能用于未来恒星际航行的并正在国际上进行研究的工质型推进系统有：

①脉动式核聚变发动机：把核燃料做成很多细小的颗粒──“微型氢弹”,用激光或粒子束加热到极高温度,引起微型氢弹爆炸，产生冲击波和粒子流，使其向一定方向喷射，产生反作用推力。逐个点燃“微型氢弹”可获得脉动式的持续推力。不足之处是采用核燃料作为动力的太空船在其核燃料用完之后所产生的核废料仍具有放射性。

②巴萨德冲压式发动机：在恒星际航天器前面装一个巨大的收集器，在航行中不断吸入星际空间的氢，利用氢的同位素氘为核聚变发动机提供燃料。这种发动机的好处是，可以避免初期携带大量的工质，转而在旅途中从太空收集需要的工质。但是由于星际空间中氢物质很少，因此它的磁场必须要足够大才能捕获足够的氢，这样的收集器甚至要延伸到数百乃至数千公里之外。

③反物质火箭发动机：根据著名的爱因斯坦质能公式E=mc^2:能量=质量×光速^2，利用物质和反物质相互作用，其质量全部湮灭而转化为光能。使质子与反质子在发动机中进行反应产生光子流，光子流以光的速度从火箭喷管喷出，产生反作用力，推动火箭前进。如果使用正电子反应堆，仅仅几十毫克的反物质（一毫克约为一块方糖重量的千分之一）就能帮助人类实现登上火星的梦想，而且只需要6周时间。而且在其燃料耗尽之后则不会产生残留物，辐射也处于低水平。这类设想早在1953年就提出来了，但是反物质的产生、贮存和使用，发动机的设计和控制，以及大面积反射镜的制造都不是短时期内所能解决的问题。

无工质推进器技术

太阳帆

著名天文学家开普勒在400年前就曾设想不要携带任何能源，仅仅依靠太阳光能就可使宇宙帆船驰骋太空。但太阳帆飞船这一概念到20世纪20年代才明晰起来。1924年，俄国航天事业的先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基和其同事弗里德里希·灿德尔明确提出“用照到很薄的巨大反射镜上的阳光所产生的推力获得宇宙速度”。正是灿德尔首先提出了太阳帆———一种包在硬质塑料上的超薄金属帆的设想，成为今天建造太阳帆的基础。

美国国家航空航天局研制的，工作于地球轨道上的Nanosail-D太阳帆卫星

人们知道，光是由没有静态质量但有动量的光子构成的，当光子撞击到光滑的平面上时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向，并给撞击物体以相应的作用力。这种辐射压被称为“光压”。单个光子所产生的推力极其微小，在地球到太阳的距离上，光在一平方米帆面上产生的推力只有0.9达因，还不到一只蚂蚁的重量。但如果太阳帆的直径增至300米，其面积则为70686平方米，由光压获得的推力将达到0.034吨。根据理论计算，这一推力可使重约0.5吨的航天器在二百多天内飞抵火星。若太阳帆的直径增至2000米，它获得的1.5吨的推力就能把重约5吨的航天器送到太阳系以外。

虽然太阳帆的起始速度很低，但只要有阳光存在的地方，它就会始终推动飞船前进，光帆将以每秒约1毫米的速度加速移动。如果把太阳帆当作真正的宇宙飞行器使用，在展开光帆1天后，按理论计算，它的时速将增加到160公里，100天后飞船的时速将达到16000公里，如果它能持续飞行3年，速度会被提升到每小时16万公里，这是人类任何飞行器都没有达到过的速度，相当于人类的宇宙探测先驱“旅行者”号探测器飞行速度的3倍。如果用它来探测冥王星的话，可以在不到5年的时间里达到，而最快的传统飞船至少需要9年，美国宇航局使用普通飞船探测冥王星的“地平线计划”预期需要的时间却是十多年。

有科学家们认为，“太阳帆”飞船可能是人类星际旅行的唯一希望，因为以太阳光作为动力，可减少宇宙飞船携带的大量燃料，增加其机动性范围，使其在太空停留更长的时间，而且只要有阳光存在的地方，它就会不断获得动力加速飞行，还可在需要时改变航天器的运行轨道。

无工质微波推进

本帖开头介绍的无工质微波推进装置是一种新概念动力装置，它直接吸收微波能量产生推进动力能，具有推力范围宽、无部件烧蚀和磨损、性能不受工作环境影响的特点，应用于空间飞行器能提高有效载荷。这其实是太阳帆的另一个版本，利用定向的微波辐射压来使装置获得速度。此技术的一个比喻性解释：

假设一个腔体，里面有很多小球来回撞来撞去。显然，无论小球撞得多快，这个腔体都会一动不动，这是正确的；如果腔体的飞行速度变快的话，小球的运动速度也会随腔体而变快，所以不能产生任何推力。但是如果把小球换成电磁波的话就会有所区别。若把小球换成电磁波，腔体飞行的速度得再快，如果以地面为参考系的话，电磁波的速度却是永恒不变的。Shawyer认为这种差别最终导致了推力的产生，事实上，情况就是电磁波虽然仍然在波导内部，但是依然在不停损失向前的动量。

相关链接：Roger Shawyer的理论paper 维基百科对电磁推进（DMDrive）研究的介绍文章（英文）对本技术“动量不守恒”的质疑：对物理学报发表的西工大“无工质推进器”文章的评论

空间曲率驱动

曲率驱动

曲率驱动是一种通过更改前后空间的曲率作为移动动力的驱动方式，也是由于科幻电影《星际迷航》而变得流行一时的概念。1994年墨西哥物理学家明戈·阿尔库贝利(Miguel Alcubierre)首次提出了现实生活中曲率驱动的概念，一个环状结构可以驱动一个足球形状的飞船。利用这一概念设计的飞船可以实现10倍光速飞行。

宇宙的空间并不是平坦的，而是存在着曲率（曲率为半径的倒数，曲率越大半径越小），如果把宇宙的整体想象为一张大膜，这张膜的表面是弧形的，整张膜甚至可能是一个封闭的肥皂泡。虽然膜的局部看似平面，但空间曲率还是无处不在。

早在公元世纪，曾出现过许多极富野心的宇宙航行设想，其中之一就是空间折叠。设想把大范围空间的曲率无限增大，像一张纸一样对折，把“纸面”上相距千万光年的遥远的两点贴在一起。这个方案严格说来不应称为宇宙航行，而应该叫做“宇宙拖曳”，因为它实质上并不是航行到目的地，而是通过改变空间曲率把目的地拖过来。

后来又出现了一个更温和更局部的设想，一艘处于太空中的飞船，如果能够利用某种方式把它后面的一部分空间烫平，减小其曲率，那么飞船就会被前方曲率更大的空间拉过去，这就是曲率驱动。用这种方法使飞船快速接近前方的空间，而后方的空间不断扩张，飞船就好像处于一个不断膨胀的“弯曲泡”中，可以飞得比光速快，而且不会违背相对论的原理。一个比喻性的解释：一个划行的小船，在一条平坦的河流上。因为河流是平坦的（相当于曲率为零），所以小船并不会加速航行。但如果前方突然遇到一个瀑布（瀑布的曲率认为是无穷大），则小船会很快达到一个非常快的速度。

想实验一下这个原理的同学可以自己动手：弄一艘小纸船，尾部扎一个小孔，将一小片香皂插进去，将纸船放入水盆或浴缸中，让香皂浸入水中。香皂在水中溶解后，会降低小船后方水面的张力，但船前方水面的张力不变，小船将被前方水面的张力拉过去。这个试脸的效果与水的硬度与清洁度有关，最好在小船后部加一个舵，否则船可能不走直线。

曲率驱动

然而想实现这种曲率驱动飞行将需要耗费极大的能量，其能量需求几乎相当于将整个木星质量按照爱因斯坦质能方程全部转化之后所得到的能量。美国宇航局的哈罗德·怀特表示可以对原先的曲率驱动模式进行改造，从而让它可以用比原先计算少得多的能量条件下实现运行。计算的结果显示，这样一个装置的驱动所需能量仅相当于美国宇航局在1977年发射的旅行者飞船那样的质量按照质能方程转化得到的能量值。另外，怀特还发现如果空间弯曲的强度可以随时间发生起伏变化，那么实现这一装置所需的能能将进一步减少。

其他科学家对此也持有开放性的态度，他们表示，如果人类真的想认真考虑星际航行的可能性，那么就必须考虑哪怕现在看起来是最离奇的想法，比如曲率驱动。奥伯塞表示：“如果人类真的想最终变为星际文明，那么我们就必须适当地让我们的思维跳出框框，我们必须大胆一些。”

工质型和无工质型推进器，哪种更好？

目前并无学术上的此类比较，毕竟工质型发动机的技术已经相当成熟并不断进步，而无工质型推进器的研究还基本停留在理论阶段。来看看科幻作家刘慈欣在《三体II：黑暗森林》中的评价：

“现有理论的应用潜力可能连百分之一都还没有挖掘出来。”章北海说，“我感觉，现在最大的问题是科技界的研究战略，他们在低端技术上耗费了大量资源和时间。以宇宙发动机为例，裂变发动机根本就没有必要搞，可现在，不但投入巨大的开发力量，甚至还在投入同样的力量去研究新一代的化学发动机！应该直接集中资源研究聚变发动机，而且应该越过介质型的，直接开发无介质聚变发动机。在其他研究领域，也存在着同样的问题，比如全封闭生态圈，是恒星远航飞船所必需的技术，而且对物理学基本理论依赖较少，可现在的研究规模也很有限。”

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