無工質技術介紹！

霍爾推力器、離子推力器和電弧推力器等傳統的等離子體推進裝置是目前國內外研究與應用最多的空間推進裝置。與空間學推進裝置相比，它們具有比沖高和壽命長的特點.這些推進裝置可用在衛星的姿態控制和位置保持的動力系統、深空探測器的主推進系統中在空間飛行任務中，傳統的等離子體推進裝置必須把大量的工作介質電離成等離子體，再採用某種加速機理把其中的離子高速引出產生推力。這種工作機理決定了等離子體推進裝置和空間飛行器之問存在羽流干擾問題.太陽帆推進是一種無工質推進裝置，只要太陽帆能夠收集到足夠的太陽輻射能，它就能夠推動空間飛行器不斷地向前飛行.太陽帆推進的概念提出於100年前，但是隨著微電子和薄膜材料技術的出現，直到現代人們才開始熱衷於開展太陽帆的理論和實驗研究。

2010年日本發射了一個被稱為IKAROS的空間飛船，歷史上首次在空問證實了太陽帆推進的可行性。微波帆類似於太陽帆，是另外一種無工質推進裝置。該裝置以一個巨大的凹面金屬薄膜為微波帆，在空間飛行時受地面微波源的輻射能流作用而不斷向前行駛與傳統的等離了體推進裝置相比，太陽帆和微波帆不需要工質就能正常工作，因此能夠為空間飛行器提供更好的機動性能，同時可以避免攜帶龐大的工質儲箱並消除羽流和飛行器表面相互干擾的問題。

如上圖所示，西工大的研究人員設計研製了另外一種無工質推進裝置——無工質微波推力器系統。該系統由集成在一起的微波源、環形器、波導、圓台微波諧振腔和負載組成.其中圓台微波諧振腔也是推力器腔體，是產生推力的關鍵部件.與太陽帆和微波帆不同，該系統不是利用開放空問內的輻射能產生推力，而是利用作用在圓台微波諧振腔內的電磁壓強梯度形成凈推力.這種工作模式可以使系統具有結構緊湊、效率高且推力水平容易控制的特徵。

英國衛星推進研究有限公司(SPR Ltd)的Roger Shawyer在無工質微波推進研究方面開展了重要的探索。Roger Shawyer把無工質微波推進裝置稱為電磁驅動器(emdrive), 2003年他研製了第一台emdrive，其直徑為160 mm，消耗微波功率為850 W，採用天平梁稱重的方法獲得推力實際值為16 mN。2006年Roger Shawyer研製了第二台emdrive，其直徑為280 mm，消耗功率為1200 W，採用水平和懸掛式推力測量方案獲得推力實際值為250 mN。 2007年Roger Shawyer在一個低阻力氣懸浮轉動平台上開展了動力實驗，實驗結果是第二台emdrive消耗微波功率1000 W時，推力達287mN, 100 kg重的氣懸浮平台被加速到2 cm/s。

2008年西北工業大學開始研究無工質微波推進裝置，利用經典的電磁學理論對無工質微波推進裝置的推力來源進行了解釋，從理論上論述了裝置的可行性。西北工業大學還提出一套基於電磁數值模擬分析和實驗調諧的無工質微波推進圓台微波諧振腔的設計方法，同時設計研製出國內第一套無工質微波推進裝置。

英國人雖然對emdrive進行了開拓性研究工作，但是他的推力測量方案缺乏科學描述，而且至今未在正式的學術期刊上發表相關的研究論文。國內從理論和實驗上對無工質微波推進裝置進行了科學研究，但是還沒有從實驗上科學地給出無工質微波推進裝置的推力測量結果.為此本文採用國內的專利設備——電火箭的隨遇平衡推力測量裝置對國內設計研製出的無工質微波推力器的凈推力進行測量，從而在實驗上進一步驗證無工質微波推進裝置的可行性。

註：作者乃西工大航天學院教授。

無工質微波推進器實驗之二：原理和推力測量系統

時間：2013-2-14 10:01 作者：楊涓 等 深空網：

在下圖所示的系統中，微波源把電能轉換為微波能並沿波導和環形器傳輸到圓台微波諧振腔內，當圓台微波諧振腔的固有諧振頻率和微波源輸出電磁波的頻率相同時，電磁波在圓台微波諧振腔內諧振並沿腔體軸線形成電磁壓強梯度，從而產生可觀的凈推力。圓台微波諧振腔是由金屬材料所封閉的腔體，腔體內電磁波發生諧振時，出現如下重要的特徵：不考慮其他能量損耗時，圓台微波諧振腔對微波能量的惟一損耗僅發生在腔體壁面集膚深度內；圓台微波諧振腔對電場和磁場功率分別有放大作用，但不違反能量守恆關係；根據麥克斯韋方程和電磁波能流密度矢量，電磁總場在腔體內會形成電磁壓強；如果選取合適的電磁場分布規律，沿圓台微波諧振腔軸向會形成電磁壓強梯度，沿腔體表面對電磁壓強進行面積分，就可以獲得圓台微波諧振腔沿軸向產生的凈推力。

如下圖所示，無工質微波推力器的隨遇平衡推力測量裝置由電路系統和推力測量架組成，推力測量架又由可動和固定部件組成。可動部件包含圓台微波諧振腔1、水平梁，2、左右電磁線圈3和4的可動部件、固定在偏擺板5上的角位移和加速度感測器可動部分6、支撐梁7，配重8、柔性波導9和標準砝碼10。通過刀尖結構的支點01和02，可動部件被支撐在底座上。固定部件牢固地連接在底座上，它包含左右電磁線圈3和4的不可動部件、角位移和加速度位移感測器的不可動部分11、固定部件支架12.電路系統包含角位移信號放大器Kθ加速度信號放大器Kθ.組合放大器K∑、取樣電阻R和電壓顯示儀錶V。其中可動部件的重力方向沿直線L1，底座上支點O1和O2形成的直線L2為轉軸，整個可動部件可以在微小角度範圍內繞L2旋轉.根據下圖的安裝方位，推力器正常工作時，如果電磁線圈3工作，表明凈推力由圓台微波諧振腔的大端面指向小端面；如果電磁線圈4工作，表明凈推力由圓台微波諧振腔的小端面指向大端面。

上圖給出的推力測量裝置通過以下幾個過程準確測量推力。

1，裝置內部的平衡調節，從而消除系統內部的剛性及白重對推力測量的影響.在可動部件白重的作用下，柔性波導9將產生一個彈性力Fflex。如果把系統質量集中於一個小球模型，柔性波導等效為常規的彈性連接件，則彈性力和白重的平衡示意圖下圖所示。

在無工質微波推力器工作前，必須調整柔性波導9的剛性、配重8的質量和位置，使柔性波導彈性力力矩FflexL和可動部件重力力矩m19△二相平衡，同時使可動部件重力所在的直線L:和轉軸L2相交，此時可完全消除系統部件內部剛性以及白重對推力測量的影響；

2，推力測量裝置受外力作用時的平衡調節，從而使待測力力矩和電磁線圈力力矩相平衡。可動部件受外力作用時將繞轉軸L:進行微角度旋轉，這時角位移和加速度感測器可動部分6將觸發電路形成反饋電流I，反饋電流進入電磁線圈3或4後再產生一個反饋電磁力矩FfaFc。與可動部件上的外力力矩相平衡，Ffa磁力，Lc反饋電磁力力臂.這時可動部件的旋轉得到抑制，推力測量裝置再次達到平衡狀態。

3，推力測量裝置的標定.可動部件只受標準祛碼10的重力m2g作用時，角位移和加速度感測器可動部分6又觸發電路形成反饋電流，並使電磁線圈產生電磁力Ffm.設置推力器凈推力的力臂La是標準祛碼重力力臂Lm的兩倍，即La = 2Lm，同時嚴格按照線性關係設計電路系統，並恰當地選擇取樣電阻和電壓顯示儀量程，可以使電壓顯示儀示數恰好是標準祛碼重力的一半並和推力器凈推力Fa大小相同.因此，在不同質量標準祛碼的作用下，讀出電壓顯示值就可以對推力測量裝置進行準確標定。

4，推力測量裝置的零點處理.完成系統內部平衡調節後，理想情況下，測量裝置的推力指示值應該為零.當外力作用在測量裝置上時，可動部件繞轉軸產生微角度的旋轉，隨後又被電磁線圈產生的電磁力所平衡，因此可動部件很快恢復到未旋轉的狀態，這時顯示儀給出推力測量值.但是，當外力消失後，柔性波導會產生一個附加的微小彈性力，從而引起電壓顯示儀的讀數並不為零，該讀數被稱為零點，需要從實際推力測量值中減去。

無工質微波推進器實驗之三：實驗結果與分析

時間：2013-2-14 10:21 作者：楊涓 等 深空網：

無工質微博推力器實驗條件：實驗採用磁控管微波源，輸出功率在80-2500w範圍內連續可調，輸出頻率為2.45 GHz,負載可消耗2500w的熱能。

為了評估實驗精度，定義四個測量誤差為:

其中Fcal為標準祛碼作用下推力顯示值，E0為標準祛碼作用下的零點，n1為校準次數，Ei為第i次校準的零點，Fi,cal為第i次校準時的推力顯示值，n2為無工質微波推力器正常工作時推力測量的實驗次數，Fi為i次推力測量實驗時的推力顯示值，n為實驗總次數。

出功率的增加，推力下降.在輸出功率為600 W時，推力降到最低，為180 mN左右.以後輸出功率增加，推力增加，在輸出功率為1200 W時，推力達到最大，為250 mN左右. 微波輸出功率範圍分別為300-2500 W和80-1200 W時，推力測量方向和推力大小變化規律基本一致，證明實驗具有很好的重複性.惟一不足的是，推力達到最低值時，微波輸出功率不同，這可能是由於微波源輸出功率的不穩定性造成的。曾經有採用經典的電磁學理論計算了無工質微波推力器理論推力的大小和方向，其結果為:推力方向從大端面指向小端面，其他條件一定時，推力大小和微波輸出功率成正比.推力方向的理論計算結果和實驗結果完全一致，但是推力隨微波功率變化規律的理論計算結果與實驗結果卻有很大差異，以下從圓台微波諧振腔的實際諧振性能和微波源輸出功率的頻譜特性來分析這一差異。

採用微波網路分析儀測量出本次實驗用圓台微波諧振腔的諧振特性曲線，如圖5所示。圖5的縱坐標表示圓台微波諧振腔的回波損耗Lr=10 lg(Pr/Pi)，其中Pr為從諧振腔反射出的功率，Pi為輸入到諧振腔的功率，橫坐標f為輸出頻率.回波損耗越小，表明腔體對微波的反射能量越少，吸收能量越多.當Lr = 0時，微波功率從諧振腔中全部反射出來;當Lr = Lr min時，諧振腔達到諧振狀態，微波從諧振腔反射出來的功率最小，此時對應的頻率f0為諧振頻率.定義Lr一0.707Lr min時的頻率寬度△f=f2-f1為諧振頻率帶寬。圖5給出的實際測試曲線表明實驗用的圓台微波諧振腔諧振頻率f0= 2.450 GHz,諧振頻率帶寬△f = 0.0016 GHz，它表明當微波輻射能的頻率分布在2.4492-2.4508 GHz範圍內時，90%以上的微波能量可以被諧振腔吸收從而產生凈推力。

採用頻譜分析儀測量出實驗用磁控管微波源在不同輸出功率P和輸出頻率f的頻譜特徵，如圖6所示.圖6表明微波源名義輸出功率分別為200, 300, 400, 500, 600和700 W時，在圓台微波諧振腔諧振帶寬範圍2.4492-2.4508 GHz內，微波源的實際最大輸出功率分別為13, 120, 85, 65, 45和48 W.微波源的實際輸出功率隨輸出功率的變化，規律和推力測量值的變化規律相類似，即300 W輸出功率的實際輸出功率最大，因此產生的推力也最大;600 W輸出功率的實際輸出功率最小，因此產生的推力也最小;而其他輸出功率下的實際輸出功率隨功率的變化規律和推力測量值的變化規律一致.此實驗說明無工質微波推力器的凈推力隨微波實際功率的增加而增加，與文獻給出的理論計算結果相一致。

根據前述的誤差定義及實驗數據，給出各項測量誤差，如圖7所示.圖7(a)所示的校準誤差曲線表明，最大的誤差存在於最小的校準推力值處，為2.4 %;最小的誤差存在於最大的校準推力值處，為0.05 %。圖7 (b}和(c}所示的誤差曲線表明在300-2500 W和80-1200 W輸出的微波功率條件下，推力最大測量值為750 mN時，最大的測量總誤差低於12%;而A_在最大總誤差中，校準誤差為2.4% ,測量系統誤差為3.5 %，重複性誤差為6.1 %，這說明推力測量誤差主要來源於重複性誤差，這與無工質微波推力器微波源輸出功率的穩定性有關。

無工質微波推進器實驗之四：實驗結論

時間：2013-2-14 10:46 作者：楊涓 等

深空網：隨遇平衡推力測量裝置證明了基於經典的電磁學理論建立的無工質微波推進系統可以產生凈推力.無工質微波推力器的推力測量實驗表明，無工質微波推力器產生的凈推力方向為從圓台微波諧振腔的大端面指向小端面，這與理論計算結果一致。

當磁控管微波源輸出2.45 GHz, 300-2500 W的微波功率時，推力器產生的推力分布在160-750mN,測量總誤差小於12%.當微波源輸出2.45 GHz,80-1200 W的微波功率時，推力器產生的推力分布在180-270 mN,測量總誤差小於12%。

採用微波網路分析儀和頻譜分析儀進行測試，發現本實驗用圓台型微波諧振具有非常窄的頻率諧振寬度，僅為0.0016 GHz;而本實驗用的磁控管微波源實際輸出功率在如此窄的頻率範圍內隨微波輸出功率進行著非線性變化，因此導致凈推力也隨名義微波輸出功率進行非線性變化.但是頻譜數據分析表明，無工質微波推力器產生的凈推力隨微波源實際輸出功率的增加而增加，這與理論計算結果一致。

前幾天朋友告訴我，他們實驗室的新型無工質發動機又有突破了，10年之內可以實用化了！

然而可控核聚變遙遙無期

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