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曾被寄予宇宙航行厚望的电磁推进引擎和马赫引

2019-01-03 22:16 来源:未知

  近日,一批经验丰富,并在充足经费支持下测试新一代太空飞行器推进技术——包括电磁推进引擎(EM-drie)和马赫引擎(Mach-Effect thruster)——的研究人员,在 Space Propulsion 2018 国际会议上宣布:测试结果无法证明这两者能产生其支持者所宣称的理想推力。

  众所周知,人类若希望挺进宇宙,则必须依赖较化学能火箭更先进的推进系统,因此人们对电磁推进引擎寄予很高期望。该引擎的主体是一个封口的铜制锥形空腔,注入其中的电磁波在锥体的前端和后端来回反射。然后,根据某些似乎违反人类现有物理规律的作用,该锥体产生了推力。

  迄今为止,人类一直未能对电磁推进引擎的物理原理给出可信解释,但是一些 NASA 研究人员认为,它是一项重大技术突破,而不是人类搞错了什么东西产生的乌龙。

  对于该技术的争议能持续这么久,部分原因在于,最初的研发一直没有获得什么资助,因此其研究者只能制造出很粗糙的模型,并在条件一般的实验室进行测试。各个研究团队制造出的各个版本的锥体,其推力和输入功率之间的关系并不一致,这显然是由于存在外部干扰。当然,实验团队在努力消除各种干扰源,但这么做的结果,要么是引入了新的干扰源,要么是消除干扰源之后,推力显著下降。

  一批德国科学家成功申请到了相对充足的经费,足以排查一切想得到的和可能想得到的干扰源,不过,他们的目光不止聚焦在电磁推进引擎上。鉴于日后还可能出现其他版本的“革命性推进技术”,因此研究团队制造了一个可以为日后出现的类似实验样机提供全面测试的检测平台。

  首先,整个实验样机被置于真空中——尽管真空度不是世界之最,但是对于检测所有版本的电磁推进引擎已经绰绰有余。

  在真空环境中,样机被固定在精细标定过的扭力弹簧上,以测定其推力。测量过程完全自动化,无需离开真空环境即可调节弹簧力,并对扭力杠杠用两种方法实施标定。此外,测试平台还可以转动样机。样机的推力被进行多次重复测量后求平均,将测量结果的不确定度降低到 10 纳牛顿。

  整个测试过程中的温度也被严格控制,并可以根据模型来校正温度对推力测试系统的影响。此外,考虑到电磁推进引擎依赖于腔体的谐振效应,而谐振频率会受到温度的影响,因此测试平台还可以实时监测腔体谐振频率,并对实验过程进行调整,这样可以最大程度地避免锥形腔体未处于稳定状态时的瞬态反应被误认为“推力”的可能性。

  为了避免样机和测试平台之间的电磁干扰,两者之间被电磁屏蔽。最后,研究人员在设计时,考虑了地球磁场干扰的消除。一个镍铁合金制成的盒子可以极大降低其中的地球磁场。美中不足的是,经费不足以将所有受地球磁场影响的组件用镍铁合金屏蔽起来,但是测试平台预留了日后升级屏蔽层的空间。

  研究人员自行制造了一个电磁推进引擎,而不是直接用其他团队制造的版本——以免某些制造者知道但测试者不知道的因素影响实验。

  首先,他们用精密加工技术,制造了一个比之前任何版本都要好得多的微波锥形腔体。其次,1 个精工细作的驱动电路,足以为腔体注入 50 瓦的输入功率。不过考虑到微波放大电路在大功率下的温度控制问题,目前的实验中,输入功率不会超过 10 瓦。

  研究人员还设计了一个最高衰减系数大的惊人的衰减器,这样,研究人员就可以有更大的把握来确定,推力到底是不是于腔体。

  测试中,微波腔体输入功率后,确实在预期的方向产生了推力。如果把腔体转 180 度,推力方向也会转 180 度。然而研究人员发现,腔体还会在不该产生推力的方向产生“推力”,而且这种“推力”也会随着腔体的旋转而旋转。

  一个有助于解开谜底的关键现象是:研究人员用衰减器令腔体中没有微波来回反射后,腔体还在提供“推力”。

  那么,“推力”于哪里?研究人员认为,最大的可能性是地球磁场。具体地,为腔体供能的电缆,并没有被镍铁合金完美屏蔽,因此,电缆中的电流和地球磁场相互作用,在不该产生推力的方向产生了“推力”。在腔体位置变化时,电缆位置也随之变化,“推力”方向跟着变化。更进一步地,研究人员基于该解释对“推力”进行的理论预测和实际测得的“推力”高度吻合。

  当然,研究人员并不敢保证,初步测试的结果就是最终的真相,但是他们的细致程度赋予他们极高的可信度。此外,不论输入功率是几瓦还是 50 瓦,测得的“推力”都一样大;而当屏蔽升级之后,“推力”显著减小。这从另一个角度证明,“推力”于不完美的屏蔽。研究人员预计做更细致的实验来,最终搞清电磁推进引擎的“推力”。

  另一种被测试的革命性推进技术马赫引擎的支持者称,马赫引擎的原理是:如果一个有质量的物体来回振动,它会通过引力作用跟整个宇宙发生互动,然后产生推力——他们甚至还基于广义相对论、用数学推导“证明”,这种相互作用会在这个物体上产生推力,这听上去确实挺唬人的。

  这次,较真到底的德国研究人员自己制造了一个马赫引擎。该引擎的机械部分,是能够在外加电场中伸张和收缩的一组压电晶体,压电晶体组附着于一个黄铜块上,根据支持者的理论,黄铜块可以放大推力。该引擎的电子部分,是一对高电压高功率放大器,工作于稍高于 20kHz 的频率上,该电子部分的制作精良程度超过了之前任何版本的马赫引擎。

  马赫引擎的测试结果比电磁推进引擎稍微好那么一点点,但是仍然有很大的可能干扰。具体地,马赫引擎在预期的方向产生了推力,而在不该产生推力的方向未产生推力。不过,该推力的大小是理论预期值的 100 倍,且用手推着该引擎旋转时,不会改变推力的指向,这跟预期不符。研究人员因此认为,马赫引擎的“推力”还是于某种尚未确定的干扰,因为自动转向系统会导致供能电缆随之转向,而用手推着该引擎旋转时,供能电缆位置不变。

  数百年来,许许多多勤奋的物理学家用各种手段对宇宙进行了详细的探查。因此,现代物理学体系居然还有仅仅靠一个腔体和几根电缆就能发现的显著漏洞,这种可能性微乎其微。有评论家甚至认为,对于这种“革命性”的点子,日后要以更加严格的标准进行初审以确定其是否有进一步被资助的价值,以免在逐个检验这些点子的项目上浪费宝贵的人力物力

  研究团队的结论是:“至少,SpaceDrie 项目(革命性推进技术检验项目)进一步证明:在探索下一代太空驱动技术这一激动人心的领域时,必须在理论推导、实验测试和误差分析中坚持严格的科学规范。该项目的教育意义不亚于具体的科学发现。

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