電流微波推進的推力產(chǎn)生機理分析

高源蔚　舒凌君

摘 要：電流微波推進屬于新概念，具有不依賴工質(zhì)，性能不受工作環(huán)境影響，沒有高溫燃氣流燒蝕，理論推力大于使用相同導(dǎo)體膜材料太陽帆的特點。電流微波推進裝置在衛(wèi)星、深空探測和近地空間飛行等領(lǐng)域有廣泛前景。文章從經(jīng)典電磁理論出發(fā)，結(jié)合平面電磁波在導(dǎo)體表面的反射和透射規(guī)律給出該裝置的推進機理，得出該推進裝置的推力來源于電磁波磁分量對導(dǎo)體表面?zhèn)鲗?dǎo)電流作用力的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：無工質(zhì) 電推進 空間飛行器推進

中圖分類號：V43 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（a）-0110-02

電流微波推進是一種全新的概念。在相應(yīng)的推進裝置中，平面電磁波在導(dǎo)體膜平面上被反射并產(chǎn)生感應(yīng)電流；外電源在導(dǎo)體膜表面產(chǎn)生與感應(yīng)電流同相位的電流；被放大的導(dǎo)體膜表面電流與導(dǎo)體膜表面磁場波腹產(chǎn)生沿電磁波入射方向的推力。這種推進裝置的特點是：（1）不需要工作介質(zhì)就可以產(chǎn)生凈推力，沒有高溫燃氣流的燒蝕、沖刷和傳熱問題，同時能大幅度降低消極質(zhì)量；（2）只要電磁波和外電源輸出電功率穩(wěn)定，推進裝置的性能不受工作環(huán)境的影響；（3）由于該裝置使用外電源放大導(dǎo)體膜表面電流，理論上該裝置產(chǎn)生的推力大于使用相同導(dǎo)體膜材料的太陽帆。由此可見這種推進裝置可廣泛地應(yīng)用于衛(wèi)星、深空探測器和近地空間飛行器，所帶來的效益是大幅度地提高有效載荷和壽命[1]。

1 電流微波推進裝置的思想起源

如圖1，設(shè)入射平面電磁波的傳播方向為z，E和H分別沿x和y方向。當(dāng)電磁波到達金屬板表面時，其表面附近的自由電子將在電場的作用下沿x方向往復(fù)運動，形成傳導(dǎo)電流j。由于電子的運動方向與磁場垂直，它將受到一個洛倫茲力F，F(xiàn)沿J×H（即入射波的坡印廷矢量）方向，即圖中+z方向。金屬中自由電子受到的這個力最終會以某種方式傳遞給金屬本身。于是在電磁波的作用下，金屬板將受到一個+z方向的壓力，或者在此壓力作用一段時間后，金屬將獲得沿+z方向的動量，這就是光壓也是太陽帆產(chǎn)生推力的原理[2]。如果可以放大導(dǎo)體表面?zhèn)鲗?dǎo)電流，則必然能放大導(dǎo)體獲得的動量。

2 電流微波推進裝置的經(jīng)典電磁學(xué)理論

電磁波的磁分量將對面電流產(chǎn)生沿z方向的洛侖茲力。用外電源在理想導(dǎo)體表面產(chǎn)生與面電流同相位的電流，增大理想導(dǎo)體界面處的電流密度。

在界面處電磁場電子運動狀態(tài)及受力的矢量關(guān)系如圖2所示。

圖2中，在電磁波電分量和電源電動勢的作用下，自由電子沿速度1即+Z方向運動，在電磁波+Y方向磁分量中受到+X方向洛侖茲力的作用產(chǎn)生速度2，產(chǎn)生如圖所示的合速度v，于是電子在磁場中產(chǎn)生如圖所示的合洛侖茲力f。洛侖茲力在-Z方向的分力阻礙電場力對電子沿速度1即+Z方向的加速。電場力克服在-Z方向洛侖茲力1分力做功，使+X方向洛侖茲力2分力產(chǎn)生驅(qū)動力。

在良導(dǎo)體內(nèi)電磁波振幅呈指數(shù)衰減。故導(dǎo)體薄膜不宜過厚，否則電磁波磁分量無法有效作用于由外電源產(chǎn)生的電流。

3 結(jié)語

電流微波推進裝置不需要工作介質(zhì)，因而沒有高溫燃氣流的燒蝕、沖刷和傳熱問題，推進裝置的性能不受工作環(huán)境影響，同時能大幅度降低飛行器消極質(zhì)量，適用于空間和近地空間飛行器。

這種新概念推進裝置的工作機理可以用經(jīng)典電磁理論解釋。該推進裝置的推力來源于電磁波磁分量對導(dǎo)體表面?zhèn)鲗?dǎo)電流的作用力。

參考文獻

[1] 趙凱華，陳熙謀.新概念物理電磁學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2003：422-424.

[2] 王家禮.電磁場與電磁波[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009：188-190.

[3] 楊涓，楊樂，朱雨，等.無工質(zhì)微波推進的推力轉(zhuǎn)換機理與性能計算分析[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，28（6）：807-813.