用于太空技术的微波推进电磁发动机

黄志洵

(中国传媒大学信息工程学院，北京 100024)

1 引言

英国工程师Robert Shawyer在本世纪初提出了一个奇特的创新思想——用微波谐振腔构建一个无需携带燃料的太空推进系统［1－4］。只要把太阳能转换为微波能并送入腔体，即可产生力作用并且用于航天技术中成为卫星推进器，甚至可能用于宇宙航行。

尽管产生的力作用很小，这一技术却可能用于在真空环境中工作的卫星的精确控制和定位，甚至在经过长期研发改进后成为未来的太空飞船。2006年9月，英国科学刊物《New Scientist》报道说，Shawyer造了一个重9kg的样机，在馈入700W微波功率后产生了88mN的力。2007年5月《Eureka》报道说，第2个样机重100kg，馈入300W微波功率后产生了96.1mN的力。在中国，西北工业大学航天学院最早开始研究，2011年、2013年分别发表了论文［5，6］，并称在馈入2500W 微波功率后产生的力为720mN;但科技界对文献［6］及这个产力数据表示了怀疑。……此外，近年来美国航天局(NASA)也展开了积极的研究工作。

2 微波推进电磁发动机横空出世

EmDrive(电磁发动机)是21世纪的一个新发明、新项目，核心是一个微波谐振腔，也可看成封闭的圆锥状波导(图1)。由于电磁场的非均匀分布，造成推力，使其有向反方向加速运动的趋势。它已走过了早期的默默无闻，如今引起各国科技界、航天界、情报界的高度重视。

图1 Em Drive示意

英国科学发展趋势网站于2014年8月2日报道说:“不可思议的发动机将永久改变太空旅行”，国内《参考消息》报译载时标题为“微波发动机或改变太空旅行”。文章说，英国高级工程师R.Shawyer可能很快就会引起很多关注。当他刚刚制造出现在称为EmDrive的发动机时，还没人把它当回事。但在2012年，这种情况发生了改变，一群中国科学家也建造了这种发动机，而且成功了。这种EmDrive结构简单，而且很轻。它的推力是由“在密闭容器里回弹的微波”产生的。发动机设计极其特别，如果根据传统的力学原理，它根本就无法工作。然而，这个发动机却能用太阳能来提供电力从而产生微波。此外，它还不需要任何形式的推进剂，因此它可以一直使用到硬件停止工作为止。中国科学家制造出了一个能产生720毫牛顿力的此类发动机，这足以成为一个卫星推进器。2013年8月，美国航天局(NASA)的一个小组制造出了一个动力稍小、但源于类似理念的发动机。研究人员并于7月30日在Ohio州举行的第50届联合推进技术大会上报告了他们的成果，“试验结果显示，作为一个独特的电子推进设备，射频谐振腔推进器产生力的方式不符合任何传统的电磁现象，因此可能显示出了与量子真空虚拟等离子体的一种相互作用。”

其次，英国《每日邮报》网站于2015年4月30日报道说:“NASA测试曲速引擎”，国内《参考消息》报译载时标题为“NASA成功测试曲速引擎，月球旅行仅需4小时。”文章说，NASA已在悄悄测试一种革命性的太空旅行新方法，有朝一日能让人类以超光速旅行。研究人员说，这种新引擎可在短短4小时内将乘客和设备送上月球。现在前往半人马座α星需要数万年，而新引擎可将时间缩短为100年。这种系统基于电磁驱动，即在无需火箭燃料的情况下把电能转化为推力。

根据经典物理学，这应该是不可能的，因为它违反了动量守恒定律。该定律认为，如果一个系统不受外力作用，那么这个系统的总动量保持不变——这就是为什么传统火箭需要推进燃料。在过去，美国、英国和中国的研究人员对电磁驱动进行了论证，但他们对结果存在争议，因为没人确切地掌握了电磁驱动的原理。

据NASA航天网论坛用户称，目前NASA已建造了一个可在太空环境下运行的电磁驱动系统，它通过在封闭容器内反射微波为太空飞船提供推力。电磁驱动的意义重大。如果不需要搭载燃料，当前的卫星可以瘦身一半。此外，人类可以借助电磁驱动技术在太空走得更远。“NASA成功地在高真空中进行了电磁驱动试验——这是历史上第一次成功的试验。”

然而在几天后，媒体报道的口气有了变化。英国《独立报》网站于2015年5月12日报道说:“NASA的曲速引擎推进器正在测试但尚未成功”，国内《参考消息》报译载时标题为“NASA研究曲速引擎技术，科学家称违背物理学定律难成功。”文章说，这听上去太像科幻小说，不可能是真的——一个不使用燃料、能让飞船以超光速环游宇宙的推进系统。NASA的科学家说，至少眼下这还不是真的，实际上尚未成功。

NASA官员告诉美国太空新闻网:“尽管位于Houston的NASA航天中心的一个团队对新型推进方法进行的概念研究成了头条新闻，但这只是一次小小的努力，尚未显示出任何切实成果。NASA并没有在‘曲速引擎’技术上下工夫。”

许多科学家说，让这种电磁驱动引擎变得如此激动人心、同时又不可能实现的是，它似乎违背了物理学的核心定律。安装它的飞船据说能在宇宙中航行很长距离，因为这种引擎产生的能量比它使用的要多——这违背了认为能量不会凭空产生的能量守恒定律。部分试验声称已证明能量具有这种潜力，有人以此论证这种技术具备可行性。但科学家说，这些非同寻常的结果之所以出现，可能是由于试验中的偶然因素，比如试验容器上的漏洞或是地球的影响。

试验结果尚未按照科学界惯例提交同行审查，因此，除已测试过该引擎的NASA实验室外，其他研究人员还不清楚那儿到底发生了什么。

2015年5月20日英国《每日邮报》网站再次报道说:“曲速发动机或超空间发动机，神奇的能量让太空飞船以不可思议的速度飞行”。国内《参考消息》报译载时标题为“电磁发动机研发在争议中前行，理论上4小时可飞抵月球。”文章说，尽管迄今为止这一概念还只限于科幻范畴，但它有可能成为现实。据信，NASA已经成功测试一种革命性的新能量来源，它可以让航天器仅用4小时就抵达月球;用2至3周抵达火星，而不再需要分别耗时3天和7个月来完成上述旅行。据称，它可能以每小时4.5亿英里(1英里约为1.61公里)的惊人速度无限持续飞行。

激起此类希望的发明名为“电磁发动机”(Em-Drive)，其动力来自一种类似微波炉核心部件的装置。它由英国科学家Roger Shawyer发明。自从他在大约10年前对外公布这一发明后，他遭到人们多年的嘲笑。批评者坚称，这在科学上是不可能的，因为它违背了关于宇宙运行的物理学基本原理之一。这便是Newton第三定律:如果你朝某个方向施力，你就会朝相反方向加速。事实上，迄今为止，每台火箭发动机都是向后喷射燃料，从而推动航天器向前运动。然而，EmDrive并不使用推进器。它把太阳能电池板或飞船上的小型核反应堆产生的电力转化为向前的推力。一些科学家称，这是“不可能的发动机”。

不过，外界的怀疑并未阻止美国波音公司买下EmDrive的开发权，也未能阻止英国政府资助早期开发。已经退休的Shawyer目前担任一家英国公司的顾问，该公司正在继续此项研究。与此同时，其他国家正在研发类似设计。事实上，5年前中国人声称制造出了EmDrive发动机并证明了其有效性——但没人相信。

3 项目命名问题

在一个时期内对某个科技项目作密集、重复的报道是罕见的，而且这是一个多年前的发明。这样做一定是因为它新近取得了某些突破性进展，才使记者们蜂拥而上并写出这些事实与猜测混杂在一起的新闻稿。以上4条报道的最后一条给出了估计的速度数据:v=4.5×1.61×108km/h，换算后得到 v=7.25 ×108km/h=2 ×105km/s=0.67c;这虽然仍是亚光速而非超光速，但已非常惊人了。

笔者在刚看到这些报道时是非常鼓舞的，因为这一项目或方案无需携带燃料即可在真空中(因而在宇宙中)飞行，甚至可能成为超光速。当然第一印象是写报道的记者外行——最早的报道称为“微波发动机”是可以的，后来又称为电磁发动机(Em-Driv)也对，但称为“曲速引擎”就完全错了!笔者在2013年的文章“光障挡不住人类前进的脚步”中［7］，讲到墨西哥物理学家 M.Alculbierre［8］于1994年发表的文章“The warp drive:hyper－fast travel with general relativity”(“曲速引擎:广义相对论中的超高速旅行”)。文章说，在广义相对论(GR)框架内在不引入虫洞(Wormholes)的条件下证明改变空时(spacetime)即可使宇宙飞船以任意的超大速度飞行。如局部扩张飞船后部的时空和收缩飞船前面的时空，处在干扰区以外的观察者就会看到飞船以超光速运动。造成畸变令人联想到科幻小说中的“曲速引擎”。……该文有19个编了号的公式，是在GR框架内的推导演算。按照笔者的理解，所谓warp drive，是利用Einstein的4维时空观念而避免让实体飞船作真实的光速或超光速飞行。据说，在两个时空区之间放一球体，可创建一个移动球体周围时空的“曲速泡”——它以超光速飞行，而飞船本身无需运动(就本地参照系而言)。实现的关键是要有特殊物质以弯曲时空，而这需要木星级别的巨大能量。笔者在2013年文章中说，“2012年9月19日美国《Time》周刊网站称:‘NASA actually working on faster－than－light warp drive’(9月21日中国《参考消息》报刊出时题为‘NASA着手研究超光速曲速引擎’)。这表示美国航天局已在安排专家研究超光速宇宙航行的问题”。当时这样讲是对的，因为2012年秋在美国召开《星舰(star ship)百年研讨会》，在会上NASA的物理学家H.White说，可以用改变曲速引擎的几何形状的方法简单地解决能量问题。……因此，说“NASA研究曲速引擎”本身并不错;只是由于记者头脑中的混淆，才把现在这个项目归结为曲速引擎研究内容之一;但这是错误的。

2009 年 R.Shawyer［2］在文章中称自己的发明为EmDrive，即“电磁驱动器”或“电磁发动机”。2011年杨涓等［5］的论文则称之为“无工质微波推进器”(propellantless microwave thruster)。2013年的报道NASA的一次测试活动的短文［9］，称此项目为electric propulsion article consisting of a RF resonant cavity，即“包含射频谐振腔的电气推进器”。当然，如前所述在2014年媒体报道时使用的词是“微波发动机”(microwave engine)。……综合以上情况，本文认为最佳命名是“微波推进电磁驱动器”或“微波推进电磁发动机”，对应的英文是EmDrive of microwave propulsion，简称“电磁发动机”。这样命名不仅生动形象，也体现了对发明人的尊重。

4 Shawyer发明的意义和完成的工作

R.Shawyer在英国是一位民间科学家，就是说他并非政府科学机构的雇员，也不是大学教授或大公司研究所的研究人员。他的路是曲折艰辛的;正如前面的新闻稿中所说，长期以来没有人把他当回事，甚至受嘲笑。他的思想受到英国以外(中国、美国)的重视是2010年以后的事。Shawyer成立的SPR Ltd是一家小公司，资金有限，因而至今似未做过大型实验。然而正如在困难中崛起的人们那样，Shawyer的坚持已在今天形成了新的局面。

为什么会发生转变?必须看到太空的重要性急剧增加了。安全通信，情报、监视和侦察任务，导弹预警，天气预报，精确导航和测时，所有这一切都依赖太空，而这块领域正面临越来越多的挑战。因此各国都非常关注太空领域的动向。假如一国的无人航天器能够一次在轨数月之久，能够自行降落在飞机跑道上，供反复使用，这样的太空能力就会派生出众多潜力，比如用来观测气象和监视敌人。

Shawyer发明有可能成为一种造价不高、可重复使用的天空交通工具，因而受到吸引是很自然的。不仅如此，它在将来或许可能成为一种新的轨道推进系统，该系统可用来操纵空中的卫星。

2015年5月20日法新社报道说，美国空军用火箭将一架空天飞机发射进入轨道进行第四次飞行。此次任务之一是测试操纵卫星用的一种新推进器。X－37B小型空天飞机一直神秘莫测，美国空军只是说，他们打算测试一种新型实验性推进器。火箭在运送X－37B升空的同时，还搭载了一颗利用“太阳帆”飞行的微型卫星。

实际上，笔者推测所测试对象就是由NASA研制的EmDrive。值得注意的是，一同升空的还有一颗微型卫星，它只有一只鞋盒那么大。作为微型卫星的研制单位，非营利性太空机构“星际学会”打算尝试通过这颗卫星展开一块面积达344平方英尺(约32平方米)的巨型反射性太阳帆。卫星的体积非常小，太阳帆的面积却非常大(但是很薄，只有垃圾袋平均厚度的1/4)，太阳会持续提供能量。这就证明EmDrive与太阳帆在太空中配合应用是可能的，不必用某一个反对另一个。

然而，发明人的功绩不可抹杀;那么Shawyer究竟做成了什么事?笔者根据不完整的资料力图理解他走过的道路，表1反映Shawyer早期在实验上的贡献。

表1 Shawyer的早期实验

虽然Shawyer是发明人和早期唯一坚持实验的研究者，但如今人们已不会太重视他的意见。除非英国政府决心全力支持这个项目，发展的希望已完全转移到中国和美国。由于保密的原因，人们(包括Shawyer本人)都无法知道最新的成就和最高的发展。参考文献［4］是Shawyer于2014年10月在加拿大Toronto的一次会议上的讲稿，其中说他引用的已发表测试数据来自3个国家的4个独立来源，证实了他的EmDrive理论。关于每kW输入功率所能产生的推力(Shawyer称为特效力 specific force)，实验最低者只有1.73mN/kW，最高者达952mN/kW;而且腔体Q值越高特效力越大，故可考虑采用超导腔(superconducting cavity)。文献［4］给出了在腔内使用电介质的方案(图2);(a)是原方法，(b)是腔形不变但在小头放入电介质，NASA曾获得6.86mN/kW特效力;而SPR公司用此法则得到18.8mN/kW;(c)是改锥形为园柱形并放入电介质，效果不详。这些叙述都未给出资料来源。……另外，Shawyer多次指出，提高腔质量因数(Q)将使推力加大。

图2 腔内使用电介质的EmDrive

5 理论分析

严格的理论分析应针对圆锥形腔，从场分析到力的计算。故以下是粗浅的，仅供参考。图1显示磁控管驱动1个腔体，后者可看成两头封闭的波导，但发生谐振。大头的群速较高，故辐射压强较大，造成受力差值(Fg1－Fg2);这可由Lorentz电磁力方程看出:

如大头取v=vg1，小头v=vg2，则将造成Fg1＞Fg2。

假定有一个光子束流入射，其截面为A，单位体积光子数为n;由于每个光子能量为hf，以速度c运动;故入射光束功率为

设光束照射到一个平板上，并发生全反射;由于每个光子动量为hf/c，故在板子处动量变化为2nhfA，构成力F0:

上述推导来自A.Cullen［10］的论文。如果射束的速度是v，那么作用于板子的力为

然而在波导理论中有群速公式

式中λg是波导中波型的两个等相位点的间距，称为相波长或导波波长，λ是自由空间传播波长(真空中波长)，εr、μr是填充介质的相对介电常数及相对导磁率。如取波导内为真空填充，εr=μr=1，故有

代入公式(3)，得

用下标1代表大头，下标2代表小头，那么 λg1＜λg2，故 Fg1＞ Fg2，因而有

这个力在本文后面称为合力F∑，指出只有F∑≠0才有;而这在纯粹圆柱状腔内是不会产生的。在圆锥状腔体中，也只有经过仔细设计计算才能造成F∑≠0，而这来自场分布的不均衡。因此，真正的理论分析只能是场分析，而非以上的内容。

既然存在“违反动量守恒、能量守恒”的指责，有必要回顾经典物理学中的有关概念。动量守恒定律(law of momentum conservation)来源于Newton运动定律中的第2定律(动量变化与力成正比)和第3定律(对每个作用必有大小相等方向相反的反作用);在惯性系中不受外力作用的系统其总动量恒定不变。这个定律不仅适用于宏观系统，对微观世界也对——著名的Compton效应中即说光子与电子碰撞前后动量是守恒的。……能量守恒定律(law of energy conservation)是说一个封闭系统的总能量保持不变，一般而言总能量是静止能量(固有能量)、动能、势能三者之和。热力学第一定律确定了宏观系统中的能量守恒，Compton效应则表明能量守恒定律在微观世界也是正确的。大爆炸宇宙学说“当初从一点炸出(产生)了宇宙”，似与能量守恒不符;能量是否可以“从无到有”?这个定律认为不可能。

此外，我们还需要重温什么是“力”，力是加速度的来源，正是Newton把力和加速度联系在一起，他的第2定律告诉人们力的大小等于受力物体的质量与物体所获加速度的乘积(F=ma)。这是非相对论的物理定律，它等效于“力是动量的时间变化率”。按照国际单位制SI，使1kg质量产生1m/s2加速度的力为1N;用牛顿(N)作为力的单位以纪念这位伟大人物的作法是很正确的。

有这些知识已足够了;对化学燃料火箭而言，设火箭、燃料(推进剂)质量为 m1、m2，其相应速度为v1、v2，则动量守恒要求

若△v2≠0(燃烧后加速喷出)，则△v1≠0(火箭获得加速度)。那么现在这个EmDrive为何不向外喷射物质而可能有加速运动?很明显，只要有力就可以了，RF cavity不用向外喷射。实际上，动量、能量守恒都是遵守的。这是一个经典物理学课题，没有任何物理定律需要违反;那些指责都不正确。

［5］做了有益的研究;但在

［6］中，同一作者却给出了图3，即安排了一个微波辐射出口，说是由之可把微波束出射到大气层或外层空间(radiated to the atmosphere or outer space)。这就在理念上退回到化学燃料火箭一类，似乎只有如此才能不违反动量守恒。这是错误的;我们为西北工业大学研究组感到遗憾。

图3 参考文献［6］的设计方案(图中的字母C代表环行器)

2014年7月30日在美国举行了“第50届联合推进技术大会”，NASA的科学家们报告说:测试结果显示，射频谐振腔推进器(RF resonant cavity thruster)设计，作为电气推进器件是独特的，它产生了推力。这无法归因于任何经典电磁现象。D.Brady等［9］指出，NASA的测试是在2013年8月8日进行的，实验论文已报导过，用激励935GHz的谐振腔产生出30～50mN的推力，测试在低推力扭摆(low thrust torsion pendulum)上完成，它置于不锈钢真空室中，该设备由NASA设计建造。Brady等认为，这种推进方式的一种可能的解释是:这由量子真空虚等离子体(quantum vacuum virtual plasma)交互作用所造成，从而提供出这种由射频器件产生的反常推力(anomalous thrust production from RF test device)。在这种认识之下，在NASA实验活动目的是“为了研究用经典的磁等离子体动力学去获得由量子真空虚等离子体转换而生的推进动量的可行性。”而被研究的微波发动机(microwave engine，Shawyer称为EmDrive)被Brady等称为“量子真空等离子推进器(quantum vacuum plasma thruster)”。不过，正如前文所述，我们不认为这个项目当中有量子原理，等离子体亦不存在——它并不是非有不可的机制。

6 讨论和展望

现在把太阳系内飞行称为航天(space flight)，系外飞行称作宇航(astronautic);走向太空是人类探索宇宙的必由之路。现阶段人类的航天活动有3个主要方面:研制运载火箭，发展卫星技术，开展载人航天;这当中的每一项中国都取得了很大进展。为此成立了航天飞行动力学重点实验室，研究深空探测轨道测定与控制(orbit determination and control for deep space exploration)问题［11］，并特别关注于火箭燃料的节省、在轨卫星的标准化测控管理、深空探测器运行全程的精密定轨等等。……只有从这个背景上来看待EmDrive出现十多年后突然呈现的高度重视，才能理解航天界的想法。总之，人们关注的是它在两方面的应用价值，一是发展卫星技术，二是构建载人飞行器(服务于地球上的快速交通和未来的宇宙探索)的可能性。

在初始阶段当然要多了解Shawyer的看法;例如2012年Shawyer说，对飞船推进系统而言，现已发展了两种理论方法，分别由英国、中国的研究团队独立地提出。这是不同的设计，推进力达300mN/kW。英国的研究工作由政府及私人投资支持;第一阶段是初步工艺，为在轨应用而设计，转移到美国。第二阶段是高级工艺器件，用液氮冷却，达到设计的高Q值。理论研究解决了动力学问题，从而可实现火箭发射。英国的研究工作在2001年～2011年持续进行，而在2011年中国人拿出了测试数据。……又如发明人相当重视使用低温技术一事，指出室温腔Q=5×104，超导腔Q=109，后者高几个数量级。而且，Shawyer说SPR把腔体处于常温下的设计称为第1代计划(1G project)，处于低温下的超导腔设计称为第2代计划(2G project);后者在2006年即已提出，2008年获得测试数据。他的意思似乎是说，只有高Q值才能在遵守能量守恒的条件下获得适当的加速度。但这是与最初理念(无需携带燃料)相矛盾，因为要携带冷剂，而且它的蒸发非常快。

阅读Shawyer的文献，有时难以分辨何者是现实的(验证过的)情况，何者是对未来的推测。2012年 Shawyer［3］说:“EmDrive 是世界上首个无需燃料的推进系统”;他这样讲时忽略了太阳帆(solar sail，也叫光帆light sail)。同时他还预测把EmDrive用作飞行器的可能性，说从London到Sydney仅需2.5h。他提出一种空天飞机(spaceplane)设计，可能需要8腔并联、液氦冷却，达到很高的特效力(例如几百N/kW)，达到约为0.4m/s2的加速度。对于行星际探测器(interstellar probe)，也是要用液氦冷却，达到几百N/kW特效力和1m/s2加速度。不过，这些东西都是出于Shawyer(或说SPR公司)的想象。图4是他的一种设计方案。

对于未来，他最大胆的计算和预测是，经过9.86年的持续推进飞行，速度可达到v=204429000m/s。尽管他的这个估计还是亚光速(v=0.682c)，他并未说EmDrive可以作超光速飞行，但这个速度已很惊人，因为他据此认为可以用不到10年时间跨越3.96ly距离到达最近的星系。在报告结束时他说:“这种太空船将飞行;但在何时实现?谁来建造它们呢?”(These spacecraft will fly;but when?who will build them?)这是既有信心又信心不足。

图4 混合型空天飞机示意

笔者认为EmDrive可能作未来的超光速宇航方案的候选者;理由是:根据Newton力学，有力就会有加速度。它即使很小，假以时日总会有达到光速然后超过光速的一天。我们记得，在2004年11月26日～28日的香山科学会议上，宋健院士在主旨报告“航天、宇航和光障”中说，航天技术呼唤传播速度大于光速c的源。中国运载火箭技术研究院林金研究员是卫星导航与惯性导航专家、国际宇航科学院院士;他在2004年报告指出［12］:火箭自主惯性导航理论模型发人深省之处在于:一个运动质点自己可以测量自己相对一个给定惯性系的加速度、速度和位置，作为运动质点上自带的钟固有时间的函数。原理上无需与外界交换信息，可以不存在任何信号传递的速度问题。自主的纯惯性导航系统是基于引力场的基本性质;即使没有光和电磁场，纯惯性系统照样工作，照常自主定位、自主测速。那么在一个只有引力场而无电磁场的世界中，为何每秒30万公里会成为速度的极限?宇航员建立了自主精确描述火箭和宇宙飞船在给定惯性系中作任意加速和减速运动的动力学过程，修正了自主惯性导航的严格理论基础，……，宇宙飞船航行速度不存在上限，未来的载人宇航理论上没有限制”。……到2010年林金［13］更深刻地对超光速宇航可能性作了论述;他指出，Einstein早年的理论是对今天惯性导航原理的描述，而后者只用一只钟的固有时间，完全自主，无需发射或接收光(电磁)信号与外界联系。飞船相对惯性坐标系作加速飞行，只要积分时间够长，飞船相对惯性系的速度可以超过。3×108m/s被9.8m/s2除，得到354天，亦即大约一年后飞船速度超过3×108m/s。也就是说，宇航员只看惯性仪表指示即可作超光速宇航。

从2004年到2010年期间，林金院士多次论述超光速问题，在文章和会议报告中阐述他那有特色的理论观点。老实说，许多人并未真正理解，笔者当时也不甚清楚其精神实质。但在近年来反复阅读他的文章，才越来越觉得有味!……例如我们必须指出，宋健和林金企望和预言的“新型动力源”可能正在研发中，这就是EmDrive。尽管还处在婴儿期，但已带来了希望。

7 进一步研究的方向

英国民间科学家(“民科”)R.Shawyer于本世纪初提出的发明，经过十多年(2001～2014年)的考验，目前已被两大国(中、美)的科技界、航天界所接受，开始投入人力物力研发;而英国政府也加大了支持力度。该项目的提出和发展，对我们今天大力倡导的创新思想有很大启发和教益。微波技术人员的数量庞大，至少有数十万人;但为什么只有Shawyer想到一个腔体可以有力和加速效应，并产生重大的应用价值?又为何开始时受嘲笑的项目如今受到大国政府的重视?值得深思。

这个项目引发的理论问题和实验技术问题很多，本文只是简略的报道。在写作本文的过程中我高兴地获悉，笔者的1991年著作《截止波导理论导论》［14］，曾被中国航天科技人员当作研究中的参考书。这是因为该书有较多的波导理论分析成果，与谐振腔的关系密切;书中的第21章(圆锥波导理论)更有直接的参考价值。……下面是笔者认为可以考虑作为改进方向的可能的研究课题:

①改圆锥波导谐振腔为椭圆锥波导谐振腔

Shawyer发明的基础是在圆柱波导理论的引伸下建立起来的，圆柱波导谐振腔实际上是应用最广泛的腔体形式。但如采用圆柱腔，根据Maxwell电磁理论作计算时就会发现合力F∑=0，无法产生预期效果，即产生自主向前的推力。如改圆柱形状为圆锥形状，并优化张角、长度等几何参数的设计，就能产生合力F∑≠0的现象，差值在20%以上。这是一种由于电磁场非均衡分布而造成的电磁力，是有些奇怪;但现象仍在经典物理学的范围之内，似用不着量子物理学的介入。当然腔的质量因数(Q值)必须高，这一点非常重要。

椭圆柱波导的出现晚于圆柱波导，对其应用价值的认识也较迟。自上世纪70年代起，各国都广泛应用椭圆软波导作为微波传输线的基本形式，其工程应用价值获得了广泛认可。它的主模(基模)为TEc11，截止波长、特性阻抗、衰减常数、功率容量等都能计算［15，16］。在微波工程技术领域中椭圆波导的成功给笔者以启发，故建议可以尝试采用椭圆柱波导谐振腔;但也必须一头大、一头小，因此是一种椭圆锥波导腔。显然，有大量的电磁场理论分析工作可做。

②改微波波导谐振腔为光波导谐振腔

微波和光波相似的例子很多，微波波导理论与光波导理论也有许多互通之处［14，17］。这使笔者想到，可否设计一种光波导谐振腔，从理论和实验两方面检查其是否可能出现Shawyer器件的效果，从而扩大研究工作的视野。

③改金属壁为超材料壁

虽然目前超材料(meta－meterials)尚不是一种简单材料，但其左手性能早已在传输线技术中体现［18，19］。故从逻辑上讲，可以先从理论上开展对超材料壁谐振腔的研究，再考虑构建EmDrive的可能性。

8 结束语

这个宇宙中有许多隐含的、失序中的秩序，它等待着人们去发现。因此，科学研究中的“创新”其实只是对内在规律的发掘和认识，而且永远不会有终点。在结束本文时笔者写了一首旧体诗:

有感于无工质航天器将要问世

牛顿仍称百世师，

今朝光速已太迟;

神舟想象行吟处，

宇宙深空系梦思。

广寒宫里春寂寂，

荧惑山中日迟迟;

太阳系内多闻变，

唯有织女似昔时。

诗题中的无工质航天器指无需携带燃料即可持续飞行的火箭。第1句是指Newton最早提出动量概念，而微波推进电磁发动机(EmDrive)遵守动量守恒;Newton提出运动定律F=ma，故有力就有加速度，假以时日可获极高速度。另外，Newton力学和量子力学均不为速度设置上限。第2句的意思是说，虽然真空中光速c=299792458m/s≅3×105km/s从地球角度看“很快”;但宇宙极为辽阔，此速度显得“很慢”。第5句中广寒宫指月球，对其开发将很快实现。第 6句，火星古称荧惑，西方称战神(Mars)，多国已制订登火星计划。末句中的织女星即天琴座α，是北半天球最亮的早型星，距地球26.3ly(ly即光年，1ly等于94605亿公里)，以目前技术飞抵需数万年;未来若以10倍光速(v=10c)飞行，大约两年半即可抵达。

笔者以此诗表达兴奋之情;对于未来的发展，我们拭目以待。

参考文献

［1］Shawyer R.A theory of microwave propulsion for spacecraft［R］.SPR Ltd，2006.

［2］Shawyer R.The EmDrive programme－implications for the future of the aerospace industry［C］.CEAS，Manchester UK，2009.

［3］Shawyer R.Second generation EmDrive［C］.C Eng MIET FRAes，SPR Ltd，2012.

［4］Shawyer R.Second generation EmDrive propulsion applied to SSTO launcher and interstellar probe［C］.SPR Ltd，Toronto，Oct 2014.

［5］杨涓等.不同功率下无工质微波推进器的推力预估［J］.物理学报，2011，60(12):124101 1 －7.

［6］Yang J(杨涓)，et al.Prediction and experimental measurement of the electromagnetic thrust generated by a microwave thruster system［J］.Chin Phys B，2013，22(5):050301 1 －9.

［7］黄志洵.“光障”挡不住人类前进的脚步［J］.中国传媒大学学报(自然科学版)，2013，20(3):1－16.

［8］Alcubierre M.The warp drive:hyper－fast travel within general relativity［J］.Class and Quant Grav，1994，11(5):L73 － L77.

［9］Brady D，et al.Anomalous thrust production from an RF test device measured on a low－thrust torsion pendulum［C］.July 2014，USA.

［10］Cullen A.Absolute power measurements at microwave frequencies［J］.Proc IEE，1952，PtⅣ，99:100－102.

［11］航天飞行动力学技术重点实验室.深空探测轨道测定与控制［M］.北京:国防工业出版社，2011.

［12］林金.导航中时间的定义、测量机制和超光速运动［A］.第242次香山科学会议论文集［C］.北京:前沿科学研究所，2004.(又见:林金.航天导航测量机制的启示和时空理论［J］.北京石油化工学院学报，2006，14(4):1－3.)

［13］林金.卫星导航和惯性导航与时间空间理论［A］.现代基础科学发展论坛2010年学术会议论文集［C］.北京，2010.

［14］黄志洵.截止波导理论导论(第二版)［M］.北京:中国计量出版社，1991.

［15］王百锁，李志君.椭圆波导中一些主要模的场量和场图［A］.1993全国微波会议论文集(上)［C］.1993，312 －315.

［16］黄志洵，王晓金.微波传输线理论与实用技术［M］.北京:科学出版社，1996.

［17］黄志洵.论消失态［J］.中国传媒大学学报(自然科学版)，2008，15(3):1 －9.

［18］黄志洵.从折射率超材料到光学隐身衣［J］.中国传媒大学学报(自然科学版)，2014，21(2):8－17.

［19］黄志洵.电磁波负性运动与媒质负电磁参数研究［J］.中国传媒大学学报(自然科学版)，2013，20(4):1 －15.