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空间探索的“黑科技”——微波推进技术

北京时间11月27日凌晨3点54分,美国国家航空航天局(NASA)的最新火星探测器——“洞察号”(InSight)不负众望,经过长达205天漫长的星际旅行,飞跃了4.8亿千米,终于成功着陆火星。照说,这样的速度已经是快得惊人,堪称奇迹了,但人类还是不满足,梦想着用某种“黑科技”,创造出更快的速度,尽可能使人类在有生之年,能到达更远的星球去旅行。还别说,目前或许真还有这样一种空间探索的“黑科技”,它就是微波推进技术。

据推算,微波推进技术这个“黑科技”,平均时速可达到28.57万千米,是现在的2.93倍。

目前航天器和弹道导弹上广泛使用化学推进技术,火箭推力来自于后部的高温高压喷出物(也叫工质)的反作用力。

从理论上分析还有已经达到一定实用化程度的电推进技术;正在研究和发展的激光、离子、核聚变、电磁炮、太阳帆(光压)、电动帆、微波电热和核子脉冲等推进技术;曾经被提出但太过玄幻神秘、实现难度超大的反物质、时空扭曲、虫洞利用和多维空间等推进技术;当然更少不了近年来屡次掀起过热潮的微波推进技术。

 微波推进技术

 


微波推进技术到底是怎样一种推进技术,才广受关注,并时不时地在媒体上引起波澜呢?原来,微波推进技术是指利用电磁现象,让其产生的微波在容器或腔体内来回反射释放能量,来获得推力的一种全新的非化学推进技术。由于涉及到电磁概念,因此有时也称为电磁驱动或电磁引擎技术,而以它为支撑的引擎就是电磁引擎或微波引擎。其作用原理看起来非常简单,也就是说只要用电力,首先通过磁控管的电磁作用,将产生的微波注入或辐射进推力装置中一个封闭的锥形腔体内,然后带有能量的微波就能在腔体内来回反射,并在腔体的两面形成推力差,从而不断为微波引擎汇集起前进的动力。实际使用时,太阳能可以作为维持腔体内微波运动的电力来源。

表面上看,微波推进技术没有类似化学推进技术中的喷出气体或工质,在不对外界产生任何作用力的情况下,“凭空”就能获得了推进力,似乎不符合牛顿第三定律和动量守恒定律等物理定律。有人形容说,这就像一个两臂环绕自己的人,自己发力将自己抱起来,或者像坐在封闭的锥形腔体内的人,自己从内部不断动作和发力,就能飞向月球一样;这也太潮了,令人难以想象。

正因为如此,微波推进技术自从在2000年左右被英国工程师罗杰·肖耶提出并测试验证之后,总是饱受非议,甚至被有些人视为是如永动机般痴人说梦的“伪科学”而受到嘲讽。但是也有众多学者,包括中国研究人员不这么看,并持续进行了跟踪研究。他们经过分析论证甚至一定试验后,并不认为微波推进技术在本质上,与牛顿第三定律和动量守恒定律等物理定律有什么相悖之处。简单归纳一下,他们给出的大体的观点或解释主要有四个。

首先一个是,微波不像我们人类或生活中常见的那些物体,它是以光速在封闭体内运动,不能完全用化学推进技术中的工质和冲量概念来理解。况且,微波应该也是一种特殊的工质,它运动时也是把自身能量转换为动能,并形成推力。另一个是,真空中可能有人们看不见摸不着或迄今还未知的粒子,它们不停地产生又迅速消失,微波运动时“推挤”这些粒子,就可能产生前进的推力。第三个是,圆锥形腔体特定的设计,带来其内部电磁场的不均匀分布,由此就让微波产生了推力,这其实还是使用了电磁场对物质的作用力。最后一个是,在封闭的腔体内,微波的电磁场中存在带电粒子,它们在电磁力的作用下获得了能量和动量,进而形成了推力。


 在争议中不断前行

 

相比较来说,以上这些解释应该是认真和严肃的,至少看似比较靠谱,但仍有相当数量的学者不以为然,还是不能被打动。它们认为说法不够全面,严谨性不足,过于玄虚,且推测的成份多、论证的因素少,尚难以自圆其说,让人心悦诚服。甚至就连参与研究的有些学者自己,底气都不是那么足,多次审慎地表示,当下他们对微波推进技术的机理,“既不能很肯定,也不能很否定”,虽然他们所做的一些试验都表明,微波推进技术的确能产生推力。

就这样在不断的争议中经过几年研究后,迄今为止,来自学者的、比较积极的主流观点是,尽管对微波推进技术形成推力的原因,暂时还不能找到令各方满意的解释,以说明它完全符合现有的一些物理定律,但基本却能肯定,微波推进技术并不违反它们,主要原因是它不像有些非化学推进技术那样可望而不可即,因为利用它既能制作成有形的、实实在在的装置,也能用试验验证它确实有效,而且在应用上已经初步显现出了希望之光;除非这些定律本身就不是普适的——这样的结论将是颠覆性的,足以动摇我们所赖以生存的这个世界的根基。

持这种观点的大多数学者认为,微波推进技术暂时可能还无法很快在理论上找到普遍被任可的合理解释,但这并不妨碍先对它积极进行试验,寻找它的特点,看看它的过人之处,并逐步把它在某些场合先用起来。就像当初中国发明的著名的火药一样,使用了很长时间人们都并不完全明白它的机理,只是知道它十分有效,制成的热兵器杀伤效能远远超过冷兵器。后来随着应用的不断扩展,人们对火药的研究才逐步深入,并完全弄清了它的原理,从而不断把它发扬光大,最终导致由它催生出的热兵器完全取代了冷兵器,同时促进了人类文明的进程。难道对微波推进技术就不能这样吗?虽然微波推进技术要复杂得多,不一定与火药有太多的可比性。

可能也是在这种思想的支配下,发明国英国和中国早就跟随工程师罗杰·肖耶的步伐,对微波推进技术分别开展了先行研究,还初获一定的进展并以论文形式公开了一些有趣的现象。美国这几年对微波推进技术更是情有独钟、念念不忘,投入了更多的人力物力进行研发。据媒体披露,2013年8月,美国NASA就组装了一台类似微波推进技术概念的微波(电磁)引擎,同时公布了对它研究所得的一些积极成果;2015年5月,NASA还悄悄地进行了进一步的微波引擎真空环境下的试验,取得了可喜的成功;不久前,它又完成了全新的微波引擎的试验测试,并且发表了相应的论文特别做了说明,尽管遣其中的词造句很是审慎,但仍引起了世界范围的极大关注。


 优势明显前景远大 

 这些研究和试验释同时放出的信息是,微波推进技术在没有干扰和扰动的真空条件下也能产生推力,表明它确实是有效的,虽然理论解释还不一定很到位;而且,相对于目前的化学推进技术,它不需要传统意义上的工质,无高温燃气流烧蚀、传热、安全性和环境污染等较严重问题,推力振动小且不受工作环境影响,对发射场地的要求不高,能大幅简化火箭等推进器的结构并缩小其体积和重量,延长了寿命,降低了成本,提高了推进效能;更重要的是,除非出现不为人知的某种故障和磨损,只要有电力提供,它就能永不停息地运转并产生推力,使航天器以无法想象的速度向空间行进——4小时抵达月球、70天驶往火星、18个月造访冥王星、100年飞到4.3光年远的半人马星座阿尔法星系,而用目前的化学推进技术(“洞察号”也不例外),航天器要到达同样的目的地,则分别需要花费3天、7个月(“洞察号”是6个半月)、10年、数万年的时间。

简直太震撼了,这样一种原理看似简单、实现看似容易的微波推进技术,竟然拥有如此大的能量和如此科幻般的性能,一旦应用对人类航天发展无疑会带来脱胎换骨的改变。这怎么不令人兴奋、令人疯狂。对微波推进技术这种“黑科技”,完全可以套用时下的一句流行语,就是“你让它想不红都难”。不过,先不要高兴地太早了,因为目前对微波推进技术还处于探索和试验阶段,研制的微波引擎只能产生124微牛顿的推力,它与航天发射所需要的推力比还只是九牛一毛,即使用于航天器的姿态控制、轨道机动和空间变轨等微小动作,推力也远远不够。不过,毕竟能以更接近光速飞向空间的推力技术的神秘大门已经微微打开,星际旅行的曙光也已乍现,微波推进技术初步显现出诱人和远大的应用前景,或将成为空间探索的新希望。只要我们一边继续理论探索,寻找更完美的科学解释,一边再加把力改进微波引擎,努力攻克相应难关。相信用不了很久,微波引擎产生的推力就有望提高到工程推广所需要的毫牛级甚至牛级,从而让它先获得应用的突破,开始在航天器的姿态控制、轨道机动和空间变轨等方面发挥重要作用。那样的话,或许人们对微波推进技术机理的认识随之也会上升到新的高度。如此一举两得的结果难道不正是我们——包括争论双方都想早日见到的吗?

图文 | 王群 国防科技大学国家安全与军事战略研究中心教授, <qun_w@126.com> 

编辑 | 小汤