希望破滅?最有前途的新體制發動機:無工質引擎,被宣佈不可能

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飛行器誕生以來,引擎技術從最早期的螺旋槳推進發展到了噴氣式推技術,飛行速度也從亞音速提高到了超音速甚至高超音速,但這些依賴大氣層的推進方式無法進入宇宙空間!

希望破滅?最有前途的新體制發動機:無工質引擎,被宣佈不可能

因此科學家又發明出了火箭技術,這種自帶燃料和氧化劑的發動機有著強大的推力,使探測器到達火星、木星甚至飛向太陽系外!但火箭發動機有一個致命的缺點:燃料消耗速度太快,比沖是衡量火箭對燃料利用率的一個重要指標,即使頂尖的RD-180液氧煤油機的比沖也只有338S(真空)。

希望破滅?最有前途的新體制發動機:無工質引擎,被宣佈不可能

為了應對漫漫宇航旅途(太陽系內就動輒上億千米),科學家又開發出了離子電推發動機,和之前的發動機相比,這絕對是革命性的,它將燃料(汞或者氙等)離子化後在電場作用下加速到每秒上千公里速度,以最小的燃料消耗飛持續最長時間的動力飛行,現在的離子發動機已經比較大規模裝在探測器上應用了,未來的載人行星探測必將大放異彩!

關鍵缺點:必須催生一種新體制發動機

儘管發動機技術一直在進步,從大氣層內走向宇宙空間,從粗暴的化學燃料火箭走到了精細化利用燃料的離子電推發動機,但有一點一直都沒有改變過,那就是利用燃料的高速排氣動作獲得飛行器向前的動力,這很容易理解,作用與反作用的牛三定律!

希望破滅?最有前途的新體制發動機:無工質引擎,被宣佈不可能

SR-71黑鳥式偵察機的J58發動機打開加力時形成了明顯的馬赫環

儘管排氣速度越來越高,飛行器獲得的速度也水漲船高,但有一個問題,燃料消耗也越來越少,比如最後的電推進發動機,不僅要使用排氣用的工質,還需要電能,在太陽系土星軌道內,獲得電力並不難,太陽能電池即可免費獲得!

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木星探測器朱諾的巨大太陽能電池

但問題是工質是有限的,必須從地球上帶出去!比如離子發動機用的工質汞或者氙,儘管消耗遠比化學燃料發動機要低,但總是要耗盡的,怎麼辦?

新體制發動機出現

1998年,Roger Shawyer設計出了一種看起來「不可能的發動機」,一個密封的錐套形銅棺,一頭大,一頭小,根據羅傑的說法,只要在管子內部載入微波,它們將在一個方向比另一個方向上產生壓力差,從而取得向前的推力,而且它不使用任何工質,因而被稱為是 射頻RF諧振腔推進器,或者稱EM DRIVE。

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我們的直覺認為它違反了動量守恆定律和牛頓第三定律,但沒有違反能量守恆,當2001年向全球公佈時,很多人第一反應就是民科,畢竟民科最喜歡幹的事情就是這些看上去高大上卻毫無鳥用的東西!但隨著各方對其研究的深入,還真覺得有一些門道:

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EmDrive首創者Roger Shawyer

2004年,西門子和IEE的專家對這種引擎的工作方式存在異議,理論和實驗存在致命缺陷,公司對其不感興趣,也不會尋求專利保護。

2008年,西北工業大學的楊娟教授對這種電-微波諧振腔推進器背後的電磁理論非常感興趣,因此介入研究,並且在2010年測試了多種不同的諧振腔體對推力的貢獻,據說在2500W的功率輸入下獲得了720毫牛的推力(沒有確切來源),這個指標比離子電推都要高得多。

2011年,Fetta測試了諧振腔超導後的推力,當設備啟動時,感測器的推力指標發生了變化,表明可能存在不明推力。

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2016年11月17日,NASA在《推進與動力雜誌》上發表了一篇論文,描述了對這種引擎進行了真空環境的測試,根據測試結果估計,每千瓦能量能產生1.2毫牛頓的推力。

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2018年,DARPA開始在EM DRIVE上開始投入資金測試,而據傳聞,美國政府正在波音X-37B上測試EmDrive的版本,不過據公開的資料,軍方僅僅承認了使用霍爾效應推進器進行了電推進系統測試。

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EM DRIVE到底有什麼意義?

相信很多朋友都看得雲裡霧裡,這推力僅僅是毫牛級別,推根羽毛的費勁,有啥用呢?其實不然,比如離子電推的也就幾十毫牛或者上百毫牛,了不起多個並聯也許可達數牛頓,不要看它小,因為太空中沒有空氣阻力,重力也相對平衡狀態,因此持續不斷的推力可以讓其加速到極高速度。

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而且離子電推需要燃料,EM DRIVER不需要燃料,只要有電即可,至少在太陽系內取得電要比燃料容易得多,另外不需要攜帶燃料節省空間與重量,優勢非常明顯,因此儘管EM DRIVE不甚明朗,但各國科研機構仍然不遺餘力地去研究,那是因為科學界的引擎推進機制太需要一種革命性的技術來更新!

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NASA Eagleworks團隊於2016年對EmDrive進行了測試。

因此只要有一絲希望,科學家都會在上面消耗大量的時間來確認到底行不行,這萬一要是真的能成功呢?太陽系裡不是可以橫著走了?

希望破滅:最有希望的無工質推進引擎,被科學家宣佈不可能?

2018年,德累斯頓大學在發佈的最新結果中稱,EM DRIVE沒有表現出可測量的推力,一個說法是EM DRIBE無法產生任何推力,另一個說法則是再次證明了EM DRIVE無用。負責人馬丁教授稱,EM DRIVE的推來來自通電導線切割地球磁場的磁力線所致,這也解釋了此前一些實驗中該「引擎」在不同方向上推力不同的原因!

希望破滅?最有前途的新體制發動機:無工質引擎,被宣佈不可能

不過Roger Shawyer審查了德累斯頓大學的所有實驗過程以及論文,認為馬丁教授帶領的實驗團隊測試方案存在巨大的問題,比如馬丁教授使用的並不只是單純的銅腔,還包括了一些介電材料和絕緣體,教授認為這些有助於增加推力,但羅傑認為這些材料會破壞銅制諧振腔,並且必須精心調節。

希望破滅?最有前途的新體制發動機:無工質引擎,被宣佈不可能

而據後來DARPA公開的資料稱,他們將繼續支援McCulloch的工作,並且對新的試驗非常感興趣,因為最新的試驗表明該引擎將會產生有意義的推力,

希望破滅?最有前途的新體制發動機:無工質引擎,被宣佈不可能

EM DRIVE推力計算公式

但一直到現在,關於EM DRIVE的研究仍然在進行,而各種理論解釋也不斷出爐,但到底是否能產生有價值的推力仍然存在非常大的變數,而對於是否存在違反動量守恆定律和牛頓第三定律的情況,也在繼續討論中!

希望破滅?最有前途的新體制發動機:無工質引擎,被宣佈不可能

但科學界對它的未來並不是特別看好,比如紐約州立大學石溪分校的保羅·薩特在談到該引擎的未來時,他的評價是:

可以繼續做夢!

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