EM引擎是英文“Electromagnetic Drive”的簡(jiǎn)稱(chēng)，指的是一種全新的驅(qū)動(dòng)方式——電磁驅(qū)動(dòng)，由英國(guó)工程師羅杰·肖耶2000年左右提出。原理大致是：用電力在密閉的錐形腔內(nèi)產(chǎn)生微波，微波在腔內(nèi)來(lái)回反射，在兩端產(chǎn)生的推力差即可作為飛行器前進(jìn)的動(dòng)力，太陽(yáng)能提供電力來(lái)維持微波的運(yùn)動(dòng)。

　　EM引擎的過(guò)去和現(xiàn)在

　　2001年英國(guó)的一家衛(wèi)星推進(jìn)器研究公司SPR Ltd.提出了EM Drive的概念，由科學(xué)家Roger Shawyer率先展開(kāi)研究并在2003年完成了原型機(jī)。

　　EM引擎的基本原理：

　　采用微波頻率輻射壓力，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)從微波能量直接轉(zhuǎn)換到推力，而不需要推進(jìn)劑。微波能量饋?zhàn)源烹姽埽ㄟ^(guò)調(diào)諧饋送器，輸送到一個(gè)封閉的錐形波導(dǎo)體，腔體的長(zhǎng)度決定了跟磁電管起諧振的操作頻率。

　　EM引擎和傳統(tǒng)引擎有著巨大的不同，它可以直接消耗電力，在封閉體系內(nèi)直接產(chǎn)生凈推力，如果可以實(shí)現(xiàn)，代表著人類(lèi)動(dòng)力技術(shù)的重大突破，必將引發(fā)第三次工業(yè)革命。

　　但是該原型機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與同年公布的時(shí)候，物理界幾乎一片嘩然，因?yàn)?strong>其違背了動(dòng)量守恒定律。

　　動(dòng)量守恒定律：一個(gè)系統(tǒng)不受外力或所受外力之和為零，這個(gè)系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變。

　　該定律為牛頓第三定律的推論，但是在長(zhǎng)期的科學(xué)實(shí)踐當(dāng)中發(fā)現(xiàn)其適用性遠(yuǎn)遠(yuǎn)廣于牛頓第三定律，其反應(yīng)了時(shí)空的根本特征，也是現(xiàn)代物理學(xué)的三大基石之一。

　　用比較通俗的話來(lái)描述的話，現(xiàn)在人類(lèi)所有的動(dòng)力技術(shù)都是建立在作用力與反作用力的基石上。比如車(chē)輛開(kāi)動(dòng)，需要車(chē)輪和地面之間的作用力與反作用力，輪船航行，需要螺旋槳和水之間的作用力和反作用力，火箭升空，需要向后噴射助推劑，是火箭和助推劑之間的作用力和反作用力。

　　EM引擎打破了作用力與反作用力的限制，消耗電能可以直接在體系內(nèi)產(chǎn)生凈推力，但同時(shí)違背了動(dòng)量守恒，所以物理學(xué)界很不看好，Roger承受了巨大的壓力，甚至掛上了類(lèi)似“民科”的牌子。

　　Roger倒是沒(méi)有放棄，用母公司給的微量資金一直在進(jìn)行改進(jìn)。

　　2003年 Roger研制第一臺(tái)EM引擎，其直徑為160mm，消耗微波功率為850W，采采用天平梁稱(chēng)重的方法獲得推力實(shí)際值為160mN。

　　2006年 Roger研制第二臺(tái)EM引擎，其直徑為280mm，消耗微波功率為1200W，采用天平和懸掛式推力測(cè)量方案獲得推力實(shí)際值為250mN。

　　2007年 Roger在一個(gè)低阻力氣懸浮轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)開(kāi)展了動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是第二臺(tái)EM引擎消耗微波功率為1000W時(shí)，推力達(dá)287 mN，100kg重的平臺(tái)被加速到2cm/s。

　　不同于理論猜想容易被否定，原型機(jī)的成功很容易刺激學(xué)界的痛點(diǎn)，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)嘛，于是中國(guó)開(kāi)始接手。

　　2011年西北工業(yè)大學(xué)楊涓團(tuán)隊(duì)進(jìn)行無(wú)工質(zhì)微波推進(jìn)試驗(yàn)。當(dāng)微波功率為2.5kW時(shí)，極限推力達(dá)720 mN，即能推動(dòng)重約72g的物件，實(shí)際足夠應(yīng)用于衛(wèi)星推進(jìn)器。這是目前EM引擎實(shí)驗(yàn)以來(lái)公開(kāi)結(jié)果的最高推力。同時(shí)成功驗(yàn)證了 EM引擎推進(jìn)理論，因?yàn)樗弥C振腔跟 EM原型機(jī)完全不一樣。

　　（圖為楊涓團(tuán)隊(duì)的推進(jìn)原理）

　　2014年12月NASA的工程師Paul March公開(kāi)表示，自己偷偷在約翰遜太空中心的高度真空中，成功驗(yàn)證EM引擎。NASA用一個(gè)性能適中的EM （0.4N /kW） 做測(cè)算，去月球航天器僅用4小時(shí)，去火星用2至3周。可在不到18個(gè)月到達(dá)冥王星，進(jìn)入環(huán)繞軌道近距拍攝，或在其表面投下著陸器。

　　2015年7月在美國(guó)奧蘭多舉行的美國(guó)航天航空學(xué)會(huì)推進(jìn)與能源論壇的會(huì)議上，德國(guó)德累斯頓理工大學(xué)空間研究所的物理學(xué)家Martin Tajmar論述，在試驗(yàn)中觀察到，電磁引擎產(chǎn)生接近預(yù)期大小的推力，因此該動(dòng)力裝置是可行的。

　　（Martin Tajmar的驗(yàn)證機(jī)）

　　至此，經(jīng)過(guò)15年的實(shí)踐，學(xué)界基本肯定了EM引擎的有效性，但是其工作原理依舊是個(gè)謎。

　　目前比較靠譜的有兩個(gè)解釋。

　　第一個(gè)是楊涓團(tuán)隊(duì)的輻射張力理論，核心過(guò)程如下：

　　其中g(shù)p為動(dòng)量密度，wp為能量密度，ρ為電荷密度，J為電荷電流，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，B為磁感強(qiáng)度，V為EM腔體體積，S為腔體表面積，wf為電磁場(chǎng)能密度。最終結(jié)論為：

　　該結(jié)果與經(jīng)典動(dòng)量守恒方程dG/dt=F相比較，該方程右邊代表了電磁張量T在體積V表面產(chǎn)生電磁力，無(wú)論體積內(nèi)是否存在帶電粒子，表面電磁力都可以使體積V的動(dòng)量產(chǎn)生變化。

　　該解釋符合現(xiàn)有物理理論且動(dòng)量守恒，是一個(gè)經(jīng)典的量子力學(xué)解，但是顯而易見(jiàn)的，其未考慮狹義相對(duì)論情況下的討論。

　　第二個(gè)是NASA給出的真空虛粒子理論，核心原理認(rèn)為EM工作腔在時(shí)空中屬于開(kāi)放體系，結(jié)論如下：

　　EM引擎再次吸引了航天迷們的眼球 NASA發(fā)聲支持

　　這一次，NASA（美國(guó)國(guó)家航空航天局）發(fā)布了經(jīng)過(guò)同行評(píng)審的EM引擎（EM Drive）論文。評(píng)論稱(chēng)，這表示其實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及整個(gè)論證過(guò)程都得到了同行專(zhuān)家們的認(rèn)可，意義重大。這篇題為《真空中對(duì)來(lái)自閉合射頻腔的脈沖推力的測(cè)量》的論文已發(fā)表在美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)（AIAA）期刊上，并于12月印刷出版。

　　“各國(guó)科研機(jī)構(gòu)近幾年陸續(xù)開(kāi)展了對(duì)EM引擎的一系列長(zhǎng)期、反復(fù)的試驗(yàn)，這次NASA發(fā)表的試驗(yàn)結(jié)果，可以說(shuō)是再次確認(rèn)了該技術(shù)。”中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部陳粵博士告訴科技日?qǐng)?bào)記者。他也首次披露了中國(guó)空間技術(shù)研究院科研人員在EM引擎研發(fā)上的最新進(jìn)展。

　　此后，廣為人知的是NASA約翰遜航天中心專(zhuān)注于前沿推進(jìn)技術(shù)的研究團(tuán)隊(duì)“鷹工廠”的試驗(yàn)結(jié)果。他們對(duì)兩臺(tái)推進(jìn)器進(jìn)行了為期8天的實(shí)驗(yàn)，并于2014年6月4日將實(shí)驗(yàn)結(jié)果以論文的形式在AIAA第50屆聯(lián)合推進(jìn)大會(huì)上發(fā)表。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在28瓦微波功率的作用下，產(chǎn)生了30—50微牛（1毫牛=1000微牛）的推力。

　　因當(dāng)時(shí)其試驗(yàn)條件并非真空，這篇文章曾受到外界質(zhì)疑。此次最新發(fā)表的論文，正是該團(tuán)隊(duì)完善試驗(yàn)后，在真空中完成的推力測(cè)試的結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示，在最大80瓦的微波功率輸入時(shí)，最大測(cè)到推力約124微牛。相比之下，同樣是無(wú)工質(zhì)的太陽(yáng)帆，每千瓦只能產(chǎn)生6.67微牛的推力。

　　“除了NASA，國(guó)際上還有幾個(gè)團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行這方面的研究，如羅杰·肖耶本人，美國(guó)Cannae公司，以及德國(guó)德累斯頓工業(yè)大學(xué)等，德國(guó)這個(gè)團(tuán)隊(duì)2015年也發(fā)表了一篇會(huì)議論文，結(jié)論跟NASA的類(lèi)似。”陳粵說(shuō)。

　　陳粵團(tuán)隊(duì)從2010年開(kāi)始正式開(kāi)展EM引擎研究。該團(tuán)隊(duì)依靠經(jīng)典電磁場(chǎng)理論分析和計(jì)算，開(kāi)展了推力器腔體設(shè)計(jì)。通過(guò)分析計(jì)算，研究人員認(rèn)為該推力的產(chǎn)生，來(lái)自電磁場(chǎng)在特定設(shè)計(jì)的諧振腔體里產(chǎn)生的不均衡分布，因此該技術(shù)不需要傳統(tǒng)工質(zhì)，實(shí)際上是使用了電磁場(chǎng)對(duì)物質(zhì)的作用力，也符合經(jīng)典力學(xué)定律。

　　“我們已研制成功幾種規(guī)格的多臺(tái)原理樣機(jī)，建立了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，完成了毫牛級(jí)微推力測(cè)量試驗(yàn)，通過(guò)幾年來(lái)的重復(fù)試驗(yàn)及相應(yīng)的干擾因素排查試驗(yàn)，確認(rèn)該類(lèi)型推力器的推力存在。”陳粵介紹，他們已完成了可用于飛行試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置研制，正在開(kāi)展在軌驗(yàn)證。

　　“這項(xiàng)技術(shù)目前處于原理驗(yàn)證階段的后期，后繼目標(biāo)是使該技術(shù)盡快在衛(wèi)星工程領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用，但還有很多攻關(guān)工作要做。”中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部總設(shè)計(jì)師李峰說(shuō)，目前原理樣機(jī)體積大，推力較小，需要特殊的工程方法，優(yōu)化腔體設(shè)計(jì)，提高腔體品質(zhì)因數(shù)，減小損耗，將微波能量更有效用于產(chǎn)生推力。目前測(cè)到的推力是微牛級(jí)至毫牛級(jí)，至少要提高到百毫牛級(jí)甚至牛級(jí)才能用于衛(wèi)星的姿控、變軌等工作。

　　他具體解釋道，從原理驗(yàn)證到工程應(yīng)用，還需解決目前原理樣機(jī)推力小、推功比低、推力器難以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作、推力器布局、應(yīng)用策略等一系列工程問(wèn)題，如果這些工程問(wèn)題都得以解決，EM引擎的工程化應(yīng)用將使航天推進(jìn)技術(shù)產(chǎn)生跨代式飛躍。這些技術(shù)問(wèn)題，雖然有很大難度，但是在工程上是可以解決的。

　　李峰透露，陳粵團(tuán)隊(duì)依托國(guó)家相關(guān)項(xiàng)目支持，正在開(kāi)展工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，爭(zhēng)取5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，“我們已調(diào)集了微波、結(jié)構(gòu)、熱控、電力電子、星載電子系統(tǒng)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)力量，全力來(lái)做這件事，雖然難度很大，但我們有信心做成。”

　　據(jù)報(bào)道，NASA下一步也將開(kāi)展太空實(shí)驗(yàn)，記者就此相關(guān)問(wèn)題發(fā)出采訪函，截至發(fā)稿時(shí)尚未收到回復(fù)。從與NASA關(guān)系密切的美國(guó)Cannae公司官網(wǎng)可以看到，該公司已經(jīng)啟動(dòng)了EM引擎技術(shù)的飛行試驗(yàn)計(jì)劃，計(jì)劃于2018年發(fā)射一顆6U立方星驗(yàn)證該技術(shù)。