微波推进电磁发动机无需化学燃料,仅需提供能源即可产生推力,对航天器轨道推进具有巨大应用价值。相关试验研究虽然证实了推力的存在性,但关于微波推进电磁发动机的推进机理还没有得到完全合理的解答,已有的基于光量子理论和经典电动力学的理论解释都还存在较大争议。针对这一问题,本文基于截止波导理论和量子力学的相关理论,对微波推进电磁发动机的机理开展了相关研究。主要工作如下:1、分析了基于光量子理论和电动力学理论的推进理论,指出了它们的不足。(1)分析了基于光量子理论的推进理论。发现该理论将等截面波导中的群速度直接用于变截面波导,且计算推力时只考虑了谐振腔两个端面的辐射压,而没有考虑侧面辐射压。没有解释电磁波量子传播时的动量变化问题,因此无法解释整个发动机系统是否满足动量守恒定律。(2)分析了基于经典电动力学理论的推进理论。发现该理论认为推力来源于电磁场表面张力对壁面的作用力,而对这种作用力的计算将直接影响推力的大小。不足之处在于没有解释电磁场动量流产生的原因,因此无法解释整个发动机系统是否满足动量守恒定律。2、建立了谐振腔电磁场和电磁力的理论计算方法,并进行了仿真验证。(1)从麦克斯韦方程组出发,推导了典型谐振腔中的电磁场分布的理论公式、以及电磁力的理论计算公式。研究发现谐振腔腔体壁面上的电场力和磁场力的方向沿壁面法线分别指向腔内和腔外,而并不像文献给出的那样都指向腔外。(2)仿真结果表明:理论计算结果与电磁场分析软件HFSS的计算结果基本相同,证明了本文方法的正确性。3、基于截止波导和量子力学理论,提出了微波推进机理的新解释。(1)通过研究电磁波在截止波导内的传输特性,发现其与量子在穿过势垒时的隧道效应具有相似性,依据该相似性将截止波导理论量子化类比,从理论上推导了截止波导中存在对电磁波的量子势垒效应的结论。(2)基于这一研究结论提出了新的推力机理:当谐振腔中存在截止区时,电磁波只能在介质段内来回反射形成谐振,无法进入截止区域(未填充介质),对截止区域的腔体壁面的电磁力将远小于对谐振区域腔体壁面的电磁力,从而形成轴向不为零的净推力。4、推导了带截止区圆柱形谐振腔的净推力计算公式,分析了推力影响因素。(1)针对设计的带截止区新型圆柱形谐振腔,给出了谐振腔电磁场分布的理论计算公式,确定了谐振腔能量系数,建立了谐振腔中净推力的理论计算公式。(2)基于建立的电磁场和电磁力的理论计算公式,针对带有截止区圆柱形谐振腔开展了数值仿真分析。将理论计算得到的电磁场分布结果与数值软件得到的结果进行对比,验证了理论计算公式的正确性。在此基础上,理论计算出了该圆柱形谐振腔的在1kW输入功率下产生净推力为18.3mN。(3)分析了影响谐振腔推力大小的因素,包括腔体构形、介质参数、输入功率以及不同电磁场模式的影响,结果表明:推力随品质因数、输入功率、介质相对介电常数、腔体半径、轴向模式数的增大而增大;随介质填充段长度和径向模式数的增大而减小。