违反牛顿第三定律的EM引擎是天方夜谭还是重大突破？

　　EM引擎是英文“Electromagnetic Drive”的简称，指的是一种全新的驱动方式——电磁驱动，由英国工程师罗杰·肖耶2000年左右提出。原理大致是：用电力在密闭的锥形腔内产生微波，微波在腔内来回反射，在两端产生的推力差即可作为飞行器前进的动力，太阳能提供电力来维持微波的运动。

　　EM引擎的过去和现在

　　2001年英国的一家卫星推进器研究公司SPR Ltd.提出了EM Drive的概念，由科学家Roger Shawyer率先展开研究并在2003年完成了原型机。

　　EM引擎的基本原理：

　　采用微波频率辐射压力，在发动机内实现从微波能量直接转换到推力，而不需要推进剂。微波能量馈自磁电管，通过调谐馈送器，输送到一个封闭的锥形波导体，腔体的长度决定了跟磁电管起谐振的操作频率。

　　EM引擎和传统引擎有着巨大的不同，它可以直接消耗电力，在封闭体系内直接产生净推力，如果可以实现，代表着人类动力技术的重大突破，必将引发第三次工业革命。

　　但是该原型机的实验数据与同年公布的时候，物理界几乎一片哗然，因为其违背了动量守恒定律。

　　动量守恒定律：一个系统不受外力或所受外力之和为零，这个系统的总动量保持不变。

　　该定律为牛顿第三定律的推论，但是在长期的科学实践当中发现其适用性远远广于牛顿第三定律，其反应了时空的根本特征，也是现代物理学的三大基石之一。

　　用比较通俗的话来描述的话，现在人类所有的动力技术都是建立在作用力与反作用力的基石上。比如车辆开动，需要车轮和地面之间的作用力与反作用力，轮船航行，需要螺旋桨和水之间的作用力和反作用力，火箭升空，需要向后喷射助推剂，是火箭和助推剂之间的作用力和反作用力。

　　EM引擎打破了作用力与反作用力的限制，消耗电能可以直接在体系内产生净推力，但同时违背了动量守恒，所以物理学界很不看好，Roger承受了巨大的压力，甚至挂上了类似“民科”的牌子。

　　Roger倒是没有放弃，用母公司给的微量资金一直在进行改进。

　　2003年 Roger研制第一台EM引擎，其直径为160mm，消耗微波功率为850W，采采用天平梁称重的方法获得推力实际值为160mN。

　　2006年 Roger研制第二台EM引擎，其直径为280mm，消耗微波功率为1200W，采用天平和悬挂式推力测量方案获得推力实际值为250mN。

　　2007年 Roger在一个低阻力气悬浮转动平台开展了动力实验，实验结果是第二台EM引擎消耗微波功率为1000W时，推力达287 mN，100kg重的平台被加速到2cm/s。

　　不同于理论猜想容易被否定，原型机的成功很容易刺激学界的痛点，实践是检验真理的唯一标准嘛，于是中国开始接手。

　　2011年西北工业大学杨涓团队进行无工质微波推进试验。当微波功率为2.5kW时，极限推力达720 mN，即能推动重约72g的物件，实际足够应用于卫星推进器。这是目前EM引擎实验以来公开结果的最高推力。同时成功验证了 EM引擎推进理论，因为所用谐振腔跟 EM原型机完全不一样。

　　（图为杨涓团队的推进原理）

　　2014年12月NASA的工程师Paul March公开表示，自己偷偷在约翰逊太空中心的高度真空中，成功验证EM引擎。NASA用一个性能适中的EM （0.4N /kW） 做测算，去月球航天器仅用4小时，去火星用2至3周。可在不到18个月到达冥王星，进入环绕轨道近距拍摄，或在其表面投下著陆器。

　　2015年7月在美国奥兰多举行的美国航天航空学会推进与能源论坛的会议上，德国德累斯顿理工大学空间研究所的物理学家Martin Tajmar论述，在试验中观察到，电磁引擎产生接近预期大小的推力，因此该动力装置是可行的。

　　（Martin Tajmar的验证机）

　　至此，经过15年的实践，学界基本肯定了EM引擎的有效性，但是其工作原理依旧是个谜。

　　目前比较靠谱的有两个解释。

　　第一个是杨涓团队的辐射张力理论，核心过程如下：

　　其中gp为动量密度，wp为能量密度，ρ为电荷密度，J为电荷电流，E为电场强度，B为磁感强度，V为EM腔体体积，S为腔体表面积，wf为电磁场能密度。最终结论为：

　　该结果与经典动量守恒方程dG/dt=F相比较，该方程右边代表了电磁张量T在体积V表面产生电磁力，无论体积内是否存在带电粒子，表面电磁力都可以使体积V的动量产生变化。

　　该解释符合现有物理理论且动量守恒，是一个经典的量子力学解，但是显而易见的，其未考虑狭义相对论情况下的讨论。

　　第二个是NASA给出的真空虚粒子理论，核心原理认为EM工作腔在时空中属于开放体系，结论如下：

　　EM引擎再次吸引了航天迷们的眼球 NASA发声支持

　　这一次，NASA（美国国家航空航天局）发布了经过同行评审的EM引擎（EM Drive）论文。评论称，这表示其实验结果以及整个论证过程都得到了同行专家们的认可，意义重大。这篇题为《真空中对来自闭合射频腔的脉冲推力的测量》的论文已发表在美国航空航天学会（AIAA）期刊上，并于12月印刷出版。

　　“各国科研机构近几年陆续开展了对EM引擎的一系列长期、反复的试验，这次NASA发表的试验结果，可以说是再次确认了该技术。”中国空间技术研究院通信卫星事业部陈粤博士告诉科技日报记者。他也首次披露了中国空间技术研究院科研人员在EM引擎研发上的最新进展。

　　此后，广为人知的是NASA约翰逊航天中心专注于前沿推进技术的研究团队“鹰工厂”的试验结果。他们对两台推进器进行了为期8天的实验，并于2014年6月4日将实验结果以论文的形式在AIAA第50届联合推进大会上发表。实验数据显示，在28瓦微波功率的作用下，产生了30—50微牛（1毫牛=1000微牛）的推力。

　　因当时其试验条件并非真空，这篇文章曾受到外界质疑。此次最新发表的论文，正是该团队完善试验后，在真空中完成的推力测试的结果。数据显示，在最大80瓦的微波功率输入时，最大测到推力约124微牛。相比之下，同样是无工质的太阳帆，每千瓦只能产生6.67微牛的推力。

　　“除了NASA，国际上还有几个团队在进行这方面的研究，如罗杰·肖耶本人，美国Cannae公司，以及德国德累斯顿工业大学等，德国这个团队2015年也发表了一篇会议论文，结论跟NASA的类似。”陈粤说。

　　陈粤团队从2010年开始正式开展EM引擎研究。该团队依靠经典电磁场理论分析和计算，开展了推力器腔体设计。通过分析计算，研究人员认为该推力的产生，来自电磁场在特定设计的谐振腔体里产生的不均衡分布，因此该技术不需要传统工质，实际上是使用了电磁场对物质的作用力，也符合经典力学定律。

　　“我们已研制成功几种规格的多台原理样机，建立了实验验证平台，完成了毫牛级微推力测量试验，通过几年来的重复试验及相应的干扰因素排查试验，确认该类型推力器的推力存在。”陈粤介绍，他们已完成了可用于飞行试验的试验装置研制，正在开展在轨验证。

　　“这项技术目前处于原理验证阶段的后期，后继目标是使该技术尽快在卫星工程领域实际应用，但还有很多攻关工作要做。”中国空间技术研究院通信卫星事业部总设计师李峰说，目前原理样机体积大，推力较小，需要特殊的工程方法，优化腔体设计，提高腔体品质因数，减小损耗，将微波能量更有效用于产生推力。目前测到的推力是微牛级至毫牛级，至少要提高到百毫牛级甚至牛级才能用于卫星的姿控、变轨等工作。

　　他具体解释道，从原理验证到工程应用，还需解决目前原理样机推力小、推功比低、推力器难以长时间稳定工作、推力器布局、应用策略等一系列工程问题，如果这些工程问题都得以解决，EM引擎的工程化应用将使航天推进技术产生跨代式飞跃。这些技术问题，虽然有很大难度，但是在工程上是可以解决的。

　　李峰透露，陈粤团队依托国家相关项目支持，正在开展工程应用的关键技术攻关，争取5年内实现工程应用，“我们已调集了微波、结构、热控、电力电子、星载电子系统等相关专业力量，全力来做这件事，虽然难度很大，但我们有信心做成。”

　　据报道，NASA下一步也将开展太空实验，记者就此相关问题发出采访函，截至发稿时尚未收到回复。从与NASA关系密切的美国Cannae公司官网可以看到，该公司已经启动了EM引擎技术的飞行试验计划，计划于2018年发射一颗6U立方星验证该技术。