曾被寄予宇宙航行厚望，電磁推進引擎和馬赫引擎現遭推翻

來自專欄 DeepTech深科技

近日，一批經驗豐富，並在充足經費支持下測試新一代太空飛行器推進技術——包括電磁推進引擎（EM-drive）和馬赫引擎（Mach-Effect thruster）——的研究人員，在 Space Propulsion 2018 國際會議上宣布：測試結果無法證明這兩者能產生其支持者所宣稱的理想推力。

眾所周知，人類若希望挺進宇宙，則必須依賴較化學能火箭更先進的推進系統，因此人們對電磁推進引擎寄予很高期望。該引擎的主體是一個封口的銅製錐形空腔，注入其中的電磁波在錐體的前端和後端來回反射。然後，根據某些似乎違反人類現有物理規律的作用，該錐體產生了推力。

圖丨EM-drive

迄今為止，人類一直未能對電磁推進引擎的物理原理給出可信解釋，但是一些 NASA 研究人員認為，它是一項重大技術突破，而不是人類搞錯了什麼東西產生的烏龍。

對於該技術的爭議能持續這麼久，部分原因在於，最初的研發一直沒有獲得什麼資助，因此其研究者只能製造出很粗糙的模型，並在條件一般的實驗室進行測試。各個研究團隊製造出的各個版本的錐體，其推力和輸入功率之間的關係並不一致，這顯然是由於存在外部干擾。當然，實驗團隊在努力消除各種干擾源，但這麼做的結果，要麼是引入了新的干擾源，要麼是消除干擾源之後，推力顯著下降。

鑒於如此模糊的結果，支持電磁推進的科學家決定進一步進行實驗。

進一步實驗

一批德國科學家成功申請到了相對充足的經費，足以排查一切想得到的和可能想得到的干擾源，不過，他們的目光不止聚焦在電磁推進引擎上。鑒於日後還可能出現其他版本的「革命性推進技術」，因此研究團隊製造了一個可以為日後出現的類似實驗樣機提供全面測試的檢測平台。

首先，整個實驗樣機被置於真空中——儘管真空度不是世界之最，但是對於檢測所有版本的電磁推進引擎已經綽綽有餘。

在真空環境中，樣機被固定在精細標定過的扭力彈簧上，以測定其推力。測量過程完全自動化，無需離開真空環境即可調節彈簧力，並對扭力杠杠用兩種方法實施標定。此外，測試平台還可以轉動樣機。樣機的推力被進行多次重複測量後求平均，將測量結果的不確定度降低到 10 納牛頓。

圖丨NASA 的 EM-drive

整個測試過程中的溫度也被嚴格控制，並可以根據模型來校正溫度對推力測試系統的影響。此外，考慮到電磁推進引擎依賴於腔體的諧振效應，而諧振頻率會受到溫度的影響，因此測試平台還可以實時監測腔體諧振頻率，並對實驗過程進行調整，這樣可以最大程度地避免錐形腔體未處於穩定狀態時的瞬態反應被誤認為「推力」的可能性。

為了避免樣機和測試平台之間的電磁干擾，兩者之間被電磁屏蔽。最後，研究人員在設計時，考慮了地球磁場干擾的消除。一個鎳鐵合金製成的盒子可以極大降低其中的地球磁場。美中不足的是，經費不足以將所有受地球磁場影響的組件用鎳鐵合金屏蔽起來，但是測試平台預留了日後升級屏蔽層的空間。

核查每個參數

研究人員自行製造了一個電磁推進引擎，而不是直接用其他團隊製造的版本——以免某些製造者知道但測試者不知道的因素影響實驗。

首先，他們用精密加工技術，製造了一個比之前任何版本都要好得多的微波錐形腔體。其次，1 個精工細作的驅動電路，足以為腔體注入 50 瓦的輸入功率。不過考慮到微波放大電路在大功率下的溫度控制問題，目前的實驗中，輸入功率不會超過 10 瓦。

研究人員還設計了一個最高衰減係數大的驚人的衰減器，這樣，研究人員就可以有更大的把握來確定，推力到底是不是來自於腔體。

電磁推進引擎的推力來自於地球磁場

測試中，微波腔體輸入功率後，確實在預期的方向產生了推力。如果把腔體轉 180 度，推力方向也會轉 180 度。然而研究人員發現，腔體還會在不該產生推力的方向產生「推力」，而且這種「推力」也會隨著腔體的旋轉而旋轉。

一個有助於解開謎底的關鍵現象是：研究人員用衰減器令腔體中沒有微波來回反射後，腔體還在提供「推力」。

那麼，「推力」來自於哪裡？研究人員認為，最大的可能性是地球磁場。具體地，為腔體供能的電纜，並沒有被鎳鐵合金完美屏蔽，因此，電纜中的電流和地球磁場相互作用，在不該產生推力的方向產生了「推力」。在腔體位置變化時，電纜位置也隨之變化，「推力」方向跟著變化。更進一步地，研究人員基於該解釋對「推力」進行的理論預測和實際測得的「推力」高度吻合。

當然，研究人員並不敢保證，初步測試的結果就是最終的真相，但是他們的細緻程度賦予他們極高的可信度。此外，不論輸入功率是幾瓦還是 50 瓦，測得的「推力」都一樣大；而當屏蔽升級之後，「推力」顯著減小。這從另一個角度證明，「推力」來自於不完美的屏蔽。研究人員預計做更多更細緻的實驗來，最終搞清電磁推進引擎的「推力」來源。

對馬赫引擎的測試

另一種被測試的革命性推進技術馬赫引擎的支持者稱，馬赫引擎的原理是：如果一個有質量的物體來回振動，它會通過引力作用跟整個宇宙發生互動，然後產生推力——他們甚至還基於廣義相對論、用數學推導「證明」，這種相互作用會在這個物體上產生推力，這聽上去確實挺唬人的。

圖丨概念中的馬赫引擎

這次，較真到底的德國研究人員自己製造了一個馬赫引擎。該引擎的機械部分，是能夠在外加電場中伸張和收縮的一組壓電晶體，壓電晶體組附著於一個黃銅塊上，根據支持者的理論，黃銅塊可以放大推力。該引擎的電子部分，是一對高電壓高功率放大器，工作於稍高於 20kHz 的頻率上，該電子部分的製作精良程度超過了之前任何版本的馬赫引擎。

馬赫引擎的測試結果比電磁推進引擎稍微好那麼一點點，但是仍然有很大的可能來自干擾。具體地，馬赫引擎在預期的方向產生了推力，而在不該產生推力的方向未產生推力。不過，該推力的大小是理論預期值的 100 倍，且用手推著該引擎旋轉時，不會改變推力的指向，這跟預期不符。研究人員因此認為，馬赫引擎的「推力」還是來自於某種尚未確定的干擾，因為自動轉向系統會導致供能電纜隨之轉向，而用手推著該引擎旋轉時，供能電纜位置不變。

謹慎對待「革命性技術」

數百年來，許許多多勤奮的物理學家用各種手段對宇宙進行了詳細的探查。因此，現代物理學體系居然還有僅僅靠一個腔體和幾根電纜就能發現的顯著漏洞，這種可能性微乎其微。有評論家甚至認為，對於這種「革命性」的點子，日後要以更加嚴格的標準進行初審以確定其是否有進一步被資助的價值，以免在逐個檢驗這些點子的項目上浪費寶貴的人力物力

研究團隊的結論是：「至少，SpaceDrive 項目（革命性推進技術檢驗項目）進一步證明：在探索下一代太空驅動技術這一激動人心的領域時，必須在理論推導、實驗測試和誤差分析中堅持嚴格的科學規範。該項目的教育意義不亞於具體的科學發現。