電流微波推進的推力產生機理分析

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，性能不受工作環境影響，沒有高溫燃氣流燒蝕，理論推力大于使用相同導體膜材料太陽帆的特點。電流微波推進裝置在衛星、深空探測和近地空間飛行等領域有廣泛前景。文章從經典電磁理論出發，結合平面電磁波在導體表面的反射和透射規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體表面傳導電流作用力的結論。

關鍵詞：無工質 電推進 空間飛行器推進

中圖分類號：V43 文獻標識碼：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。在相應的推進裝置中，平面電磁波在導體膜平面上被反射并產生感應電流；外電源在導體膜表面產生與感應電流同相位的電流；被放大的導體膜表面電流與導體膜表面磁場波腹產生沿電磁波入射方向的推力。這種推進裝置的特點是：（1）不需要工作介質就可以產生凈推力，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量；（2）只要電磁波和外電源輸出電功率穩定，推進裝置的性能不受工作環境的影響；（3）由于該裝置使用外電源放大導體膜表面電流，理論上該裝置產生的推力大于使用相同導體膜材料的太陽帆。由此可見這種推進裝置可廣泛地應用于衛星、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方向往復運動，形成傳導電流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生推力的原理[2]。如果可以放大導體表面傳導電流，則必然能放大導體獲得的動量。

2 電流微波推進裝置的經典電磁學理論

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

在界面處電磁場電子運動狀態及受力的矢量關系如圖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生速度2，產生如圖所示的合速度v，于是電子在磁場中產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分力產生驅動力。

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

3 結語

電流微波推進裝置不需要工作介質，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境影響，同時能大幅度降低飛行器消極質量，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體表面傳導電流的作用力。

參考文獻

[1] 趙凱華，陳熙謀.新概念物理電磁學[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：西安電子科技大學出版社，2009：188-190.

[3] 楊涓，楊樂，朱雨，等.無工質微波推進的推力轉換機理與性能計算分析[J].西北工業大學學報，2010，28（6）：807-813.