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【转载】微波引擎:尖端科技还是痴人说梦?

2016-12-30  wuming0717
 转载两篇关于这种近乎黑科技的新技术新闻。目前仍然争议很大,其真实性和工作原理也尚未得到学界的一致认可,还需要进一步的验证和研究。然而,假如这种技术真实可行的话,那毫无疑问将会引领下一次人类文明的革命性进步,甚至将彻底改变我们目前的生活方式。而在欧美对这种异想天开的新技术嗤之以鼻的情况下,中国却在其中起了相当积极的推动作用,再加上前不久另一篇关于光压推动技术的黑科技新闻同样来自中国,不由得令人感慨,大天朝这是分分钟领跑下一个太空时代的节奏啊!

【转载】微波引擎:尖端科技还是痴人说梦?


  从伦敦到英格兰南部海岸哈文特的旅行就像穿越时光。我坐在空调火车里,驶过150年前铺设的轨道。我曾经辨认出一艘小船、成列的汽车以及高空飞行的喷气机的轨迹单凭一眼就可窥见机动旅行的发展。
  但是演变总能引发惊讶。在终点站等待着的是一个即将终结机动旅行的人。罗杰肖耶已经研究出一个没有任何移动部件的发动机。他认为,这种发动机可以取代火箭、火车、飞机和汽车。“机翼和车轮的终结”这是他对该发动机的评价。
  当然,任何异想天开者都可能勾勒出怪异的驱动方案,但他们从不向你出示证据证明方案行得通。肖耶和他们不同。他已经制作出一个实用原型来证实他的想法,同时,作为一名颇受尊敬的航天器工程师,他说服了英国政府对其研究进行投资。现在,世界各地的组织包括美国空军,都纷纷派人到他的小公司拜访。
  激发他们的兴趣的装置是能利用相对论的特殊性完全从电磁辐射确切地说是微波中产生推力的引擎。这个装置没有移动部件,且不释放废气或毒气。它的体积可能有一个手提箱大小,但是它的力量可能相当于一枚火箭。有朝一日,它可能会取代几乎所有航天器的引擎。更先进的引擎也许可以将汽车从地面提起,在空中盘旋,甚至还可以使飞机根本不需要机翼。我忍不住地想,这听起来太好了,简直无法让人相信了。
  见到肖耶时,我确信他正常无疑。当然,他的资历给人留下了深刻印象。他一直在航空航天业工作,为军用和商用卫星设计并制造导航及通讯设备,后来成为位于朴茨茅斯的马特拉-马可尼公司(后来成为欧洲航空防务和航天卫星公司的一部分)的高级工程师。同时,他还是伽利略计划欧洲卫星导航系统的顾问。现在,工程师们正在轨道上检验该系统。他曾为该系统争取其所需的无线电频率的使用权。
  鉴于这样的背景,你会将肖耶想像成航天业呼风唤雨的人物。但事实并非如此。在欧洲航空防务和航天卫星公司时,肖耶建议公司研究他的想法。他说:“但是高层毫不迟疑地让我放弃。”
  肖耶所想的是取代普通卫星为了停留在轨道上而使用的小推进器。它们所需的燃料约占其发射重量的一半,这就限制了卫星的寿命:一旦燃料耗尽,卫星就会偏离原位,必须更换。肖耶的发动机与之不同,它可以通过吸收太阳产生的微波来推动。光电池可能取代燃料,同时由于发射重量减半,卫星制造者可以用一个的成本发射两个航空器,因此发射次数可以减半。
  那么,问题在哪儿呢?肖耶认为,对于那些为火箭和发射场投资数十亿的公司来说,一种能使发射次数减少而卫星使用时间更长的新技术在商业上并不具有多大吸引力。肖耶的想法可能被认为风险太大。但不管怎样,肖耶2000年辞职开始进行单独研究。
  肖耶在他的工作室解释了他如何找到产生推力的方法。多年来,他一直在研究如何将微波限制在波导内部,波导是捕捉辐射的空心管,并使辐射波在空心管内直线传播。我们可以使用一个标准的铜波导,并将两端都封闭。然后,用所有微波炉里都有的电磁管发射微波。如果将这些微波射入空心管中,微波会从它的一端反射到另一端。根据英国物理学家麦克斯韦提出的原理,这会对管壁的两端产生极小的力。接着,仔细将空心管的尺寸与微波的波长相匹配,就形成了一个匣室,微波能在其中产生共振,同时还能存储大量的能量。
  此时至关重要的是空心管的Q值衡量一个振动系统防止其能量转化成热能的参数,也就是振动平息快慢的衡量尺度。例如,空气中摆动的钟摆Q值高,而浸在油里的钟摆Q值就低。如果微波从空心管中漏出,Q值就低。Q值高的空心管能够存储大量的辐射波,且损失少。这就意味着微波会对空心管两端施加相对较大的力。也许你会认为,两端的力会互相抵消,但肖耶通过对一个形状合适的共振管(一端比另一端大)进行计算得出,由大端的微波产生的力比小端产生的要大。
  关键的是,空心管的直径大小会改变在里面穿行的微波的路径从而改变其有效速度。微波在相对较大的管道中穿行时,会生成一条不中断的路径;而在较小的管道中则通过在管壁上反射而穿行。管道越小,被反射的微波越多,其在管道内的有效速度就越慢。肖耶计算出,撞击管道小端的微波比大端的传送的动力少,结果就生成一个能推动管道朝一个方向运动的净动力。
  但是,再想一想。如果空心管要运动,那就必须有力量来推动它。例如,火箭的引擎是由火箭尾端的热气推动的。管道内部的光子如何能使管道运动呢?这就要考虑相对论和光的奇特性能。由于波导中的光子运行速度与光速接近,要想分解其产生的力,就必须考虑到爱因斯坦的相对论。该理论表明,微波在它们自己的参照系里运动。换句话说,它们的运动与空心管相互独立好像它们在管道外运动一样。结果是,微波本身给管道施加了力。
  电磁管向管道射入每一个光子都会产生等大、相反的反作用力就像枪发射子弹时产生的反作用力一样。然而,经肖耶设计后,较之在空心管共振管内产生的作用力,这种反作用力微乎其微,因为光子来回反射达5万次。每一次反射都会在光子和管道之间产生一个反作用力,而每一个光子都在自己的参照系中运动。这就产生了一个很小的作用力,使限制在管道内的强光束能对管道本身产生可觉察到的推力。天才抑或万金油
  肖耶的计算并没有使每个人都信服。肖耶是一个天才抑或万金油,这取决于谈话的对象。英国萨里大学的微波工程师戴维杰弗里斯坚持认为肖耶的想法里肯定有错。他说:“他的想法全是废话。”与此相反,伦敦帝国学院的微波工程师斯特潘露西说:“我认为这是尖端科学。”马克米利什是美国航天局评估革命性的推动技术项目的工程师。他同意,在空心管内的净作用力不相等,但至于它所产生的推力,他想看看确凿证据再做定夺。
  肖耶的电磁驱动包括一个看似铜蛋糕盒的微波发射器。它需要电源为电磁管提供能量,但是没有运动部件,也没有燃料只有将其与电源连接的导线。各种管道增加了复杂性,但是它们仅用于冷却盒子。这个设备看起来还行得通:将其放置在一个敏感的天平上,他证明,它使用1千瓦的功率,产生1600万牛顿的推力。肖耶计算出,第一个原型的Q值为5900。而第二个推进器的Q值提高到了5万,使它能产生近3亿牛顿的推力。
  肖耶从英国贸易和工业部获得25万英镑资金的一个条件是,他的研究必须能经得起独立审查。他一直在一丝不苟地整理他的工作、计算作用力。他说:“这不是件易事。因为与设备的重量相比,作用力显得很微小。”
  优化空心管至关重要,而且正如它是科学一样,它同样也是艺术。能量可能通过各种方式流失,如微波会使管道受热,能量很高时,微波能够使电子从金属里迸出,产生火花,同时损失大量能量。肖耶说:“这可能是非常微妙的动作。”
  英国政府聘请了独立航天工程师约翰斯皮勒来审查该计划。斯皮勒对该计划印象深刻。他说,推进器的设计很实用,而且非常适用于太空。但同时他也指出,发动机必须进一步改进,且必须由独立小组用它们的设备进行检测。他说:“它当然还得进行试飞。”
  有了原型、测试标准和斯皮勒的审查后,肖耶现在准备将其设计介绍给航天业。与欧洲相比,中国和美国表现出更大热情。他说:“欧洲航天局了解我的设计,但没有表现出任何兴趣。”美国空军已经造访过他,同时一家中国公司也想购买与推进器相关的知识产权。

[keep_beating via DVICE]

  来自中国的研究者们称,他们已经成功地完成了一台靠电力发动的引擎的测试。这台引擎据说并不需要任何一种推进燃料,也没有任何排放物。该引擎名为“EmDrive”(英文维基百科),它能够直接将微波能转换并推进到内部的一个密封室内。并且它完全没有噪音,效率极高。所有的这些看起来都好得不真实。
  而据报道,中国西北工业大学的科学家制造出了一个能产生720毫牛顿力的原型发动机,这足以成为一个卫星推进器。他们刚刚才发布了一篇论文《无燃料微波推进器的净推力测量》详细叙述它的工作。
  在说到 EmDrive 的具体工作原理之前,先来补充一些背景信息。引擎就是将能量转化为运动的机器。引擎的种类有很多,能量转化的方式也有很多。但是我们拿一个简单的例子来说明吧:一个火箭引擎里,有一根巨大的管道,里面塞满了一些有爆炸性的物质(推进燃料)。当火箭被发射时,这些燃料就开始燃烧和被消耗。燃烧时,能量很自然是会向四面八方扩展开的,但是由于燃料被困在了一个管状结构中,它的出口就只有一个。管状结构材质是均匀的,所以除了两端以外,推进燃料所产生的能量在结构内也是均匀的。这样,当推进燃料从后端逃离时,火箭也被推得更远了。
  这个简单的过程中有一个基本的原则,那就是引擎工作时总有某种反应在进行着。那些燃烧后你不需要的物质(排放物)是推进引擎和整个机器的关键之一。我这么说的原因是因为这是物理学的基本法则:牛顿第三运动定律。具体而简单地讲,就是说力总是成对存在的。同样,另一个原因就是动量守恒定律。根据动量守恒定律,在一个密闭的系统内,动量总和是恒定的。
  牛顿第三运动定律:当两个物体互相作用时,彼此施加于对方的力,其大小相等、方向相反。力必会成双结对地出现:其中一道力称为“作用力”;而另一道力则称为“反作用力”。
  动量守恒定律:如果物体系受到的合外力为零,则系统内各物体动量的矢量和保持不变,系统质心维持原本的运动状态。
  上面两个理论的意思就是:要想让火箭向前运动,就必须要有物质朝与火箭反方向运动;同样地,要想让火箭向前运动,火箭后部就不能是密封的。
  这也就是为什么这些中国科学家们声称已经通过测试的引擎听起来很疯狂的原因:根据物理学的基本原理,这样的引擎在我们的宇宙中是不允许存在的。
  这项技术的基本操作原理最早是由一个名叫 Roger Shawyer 的英国人在好几十年前所提出的。由于概念超前,前几年他的这些构思经常出现在媒体上。EmDrive 的实质其实只是一个微波共振空腔(microwave resonating cavity),而形状则是一个密封的缺顶圆锥体。你启动这个电动的微波产生器,随即它就开始在椎体内发射微波,微波在这个密闭空间内被反复地反弹,我们所运用的则是这个过程中在密封室内所产生的辐射压(radiation pressure)。
  下面是 DVICE 的编鸡从 New Scientist 上所找到的一张示意图:
【转载】微波引擎:尖端科技还是痴人说梦?

  现在,如果我们仍然选择相信那些枯燥的物理学定律,那么我们会说这个东西根本没法移动,因为在密封室内弹来弹去的,由微波产生的能量最终会相互抵消,EmDrive 里根本就没有“消耗”。
  然而,如果我们选择相信 Shawyer,那么 EmDrive 实际上可以产生一股比较小的推力让引擎朝圆锥地面积较大的那一面的方向前进。Shawyer 说之所以会产生这种现象是因为,由于共振腔是一个缺顶圆锥体,在每一个横截面的直径都是不同的,所以微波的速率也会根据周长不断变化。这个速率的变化实际上已经足够在椎体“低端”施加一股较强的力,而在“顶端”施加一股较弱的力,这个力的差就形成了推力。Shawyer 本人还认为,这个引擎并没有推翻或是违反了任何物理法则,你需要将参与其中的电磁波看作一个独立的参考系——这与爱因斯坦相对论中的一个特殊理论相吻合——也可以说这个系统并非闭合的。
  有很多人对这个引擎的原理都带着质疑,也有很多有着物理学和数学背景的专业人士批评 Shawyer,说他是个疯子。不过我们却找到了一个2007年的测试视频,据说在视频中的测试支架上,一台 EmDrive 原型机完全靠自己内部的力产生了运动。
  EmDrive 引擎被放置在一个类似于盒子的装置中,这也是说它“疯狂”的原因之一:它里面既没有什么实在的东西产生反应,也不需要从外部吸收氧气或是空气,也就是说你把它严严实实地密封起来,它照样工作得开开心心的,照样能带着机器向前跑。把它放在你的袜子抽屉里,它会试图将你的整个柜子带到空中。吞一个被启动的 EmDrive 在肚子里,说不定你就飘起来了。将它封在一块水泥里,只要你能为它提供足够的电量,它甚至能让这块水泥飘浮在半空!
  这里我要重申一次,要说明这个引擎不可能成功的理由仍然有很多,而科学界的舆论也倾向于认为 Shawyer 的引擎是因为其它一些原因而运动的,这个微波相对论的理论说不通。波音公司的幻影工厂(又叫“鬼怪工厂”)曾经派人去看过 Shawyer 设计制作的原型机之一,之后就再也没有任何动静了——当这种事发生时,它通常意味着这个东西名不副实,没有什么价值,甚至根本就不管用。试想,如果在当时就算这台原型机只稍微动了一点点,像波音这样的制造商会忽视这种低成本的疯狂技术?
  不过就算我们不信,中国的研究者们对它严肃对待,显然他们在这个项目上已经努力了好几年。来自西北工业大学航天宇航推进技术工程专业的杨涓前几日发表了论文《无工质微波推力器推力测量实验》,在论文中,杨教授在论文中说道他们所制作的 EmDrive 原型机之一能够产生2,500瓦特的电。虽然这听起来是个小数字,但是我们无疑还是得到了一种效率最高的空间飞行引擎。
  总之,希望它是真的,但我仍然保守地选择暂时站在物理学的一边。

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