船舶磁流體推進技術的實際應用

摘要：船舶磁流體推進是一種新型推進方式，許多國家對此技術進行詳細研究。本文簡單介紹此項技術的基本工作原理和特點，詳細闡述現階段各國研究方向和工程應用事例。雖然磁流體推進技術目前尚處在初級階段，但隨著許多關鍵技術的深入研究和突破，已使人們看到了希望。

關鍵詞：船舶；超導磁體；磁流體推進

Application of Ship Magnetohydrodynamic Propulsion Technology

CHEN Ying

( Navy in Shanghai Representative Office of 711 Institute，Shanghai 201108 )

Abstract: MHD is a new method of propulsion and many countries devote themselves to research it. This article introduces the basic principles and features of this technology， describes the direction of the related research and engineering application examples and concludes that although the MHD technology is still at the initial stage the in-depth study and breakthrough of many key technologies will indicates prosperous future.

Key words: Ship;Superconducting magnet;MHD

船舶磁流體推進是近三十年出現的一種新型的船舶推進方式，它是利用海水中的電流與磁場間的相互作用力使海水運動而產生的一種推進方法，可用于船舶等水中裝置的推進。船舶磁流體推進器具有高速、振動小、噪聲低、操縱靈活、布置方便等特點。1992 年世界第一艘超導磁流體推進船“大和一1”號的試航成功，標志著磁流體推進研究進入了一個新階段，目前許多造船大國紛紛對此技術進行詳細研究，并預測此種推進方式將是本世紀最具發(fā)展前景的船舶推進方式之一。

1 磁流體推進的基本原理及特點

1.1基本工作原理

磁流體推進是利用海水中電流和磁場間的相互作用力使海水運動而產生的一種推進方法。具體說，磁流體推進是把海水作為導電體， 利用磁體在通道內建立磁場， 通過電極向海水供電， 此時載流海水就會在與它相垂直的磁場中受到電磁力(洛倫磁力) 的作用， 其受力方向按左手定則確定（見圖1）。海水受力時沿電磁力方向運動， 其反作用力即推力推進船舶運動。在磁場一定的情況下， 電流大， 電磁力大，推力也大， 船運動的速度就快；反之， 電流小， 電磁力小， 推 力也小， 船運動的速度也慢。當電流方向改變時，電極的極性也改變，電磁力和推力的方向也改變，船舶運動的方向也隨之改變。這樣就可以利用調節(jié)電流大小的方法來控制船的速度，利用改變電極的極性來操縱船的方向。

1.2磁流體推進器的特點

1）振動和噪聲小。磁流體推進取消了螺旋槳推進使用的螺旋槳、軸系和減速齒輪箱， 消除了由這些轉動機構引起的振動和噪聲，其輻射噪聲也比螺旋槳推進器小，使得船舶幾乎在安靜的狀態(tài)下航行。

2）高效。磁流體推進器是一個靜止設備，它既克服了轉動機械的功率限制， 也克服了螺旋槳高速轉動形成的空泡，因而可以大大提高設備的功率。

3）布置方便。磁流體推進器裝置中各部件， 如發(fā)電機、推進器、輔助及控制等設備之間沒有剛性連接，它可以集中或分散安裝在艙室內任何一個位置，布置方便。

4）操縱性好。磁流體推進易于實現由駕駛人員在駕駛室中通過控制推進器的輸入電壓或電流對船舶進行操縱，通常通過調節(jié)電壓(電流) 的大小來控制船舶的推力及速度;通過改變電壓的極性，即電流的方向，來操縱船舶的運行方向。

2船舶磁流體推進技術研究現狀及工程應用

2.1國外磁流體技術研究現狀

開展超導磁流體推進研究較廣泛的國家主要有美國、日本、前蘇聯。其中美國和前蘇聯注重于理論和實驗研究及軍用艦船，如潛艇的概念設計，而日本則更多注重于實船應用和民用船舶的概念設計。

2.1.1 美國磁流體推進研究

美國從事超導MHD推進研究的有4個研究單位，它們是美國海軍水下系統中心，戴維·泰勒艦船研究發(fā)展中心，阿貢(Argonne)國家試驗室，阿夫可(AVCO)公司。前二個單位負責研究超導磁流體推進的流體動力性能、結構形式，適用于磁流體推進的潛艇艇型及其相關的裝置。阿貢國家試驗室負責磁流體推進模型的試驗研究；阿夫可公司研制磁體結構及其超導材料技術，船舶磁流體推進器的概念設計。在阿貢國家試驗室建設有大型的MHD推進器的試驗裝置，用以試驗測試磁流體推進模型的電磁場特性和流體動力特性。

美國在超導磁流體推進研究中，對超導磁體的結構和艦船上安裝磁流體推進器的結構型式進行了廣泛的研究，其中大型磁體的磁感應強度可達6～8 T，提出了潛艇上應用的環(huán)狀式結構將具有最高的效率，并作了全面的試驗研究，得到許多有益的結果。

2.1.2日本磁流體推進研究

日本的神戶商船大學最早進行超導磁流體推進的研究。日本亦是世界上研制成第一艘超導磁流體推進船的國家，其研究目標是水面船舶。

日本于1985年成立了“超導磁流體推進船發(fā)展和開發(fā)委員會”，組成了由船舶和超導、電磁兩方面的研究工作者和廠家的小組。總投資約5億日元，歷時6年，1991年下水的“大和一1”號是世界上第一艘超導磁流體推進試驗船，由于日本所研制的超導磁流體推進器主要是針對實船應用的，在模型試驗的基礎上，六年的研制過程中解決了眾多的實用化問題，如超導磁體的繞制及重量減輕；推進器的整體構型及與船體的配合安裝；低溫容器的效率及輕量化；電極材料及電解氣泡等等。由于研究的需要，日本“超導磁流體推進船發(fā)展和開發(fā)委員會”分為兩部分：一部分從事船舶流體力學性能方面的研究，包括模型試驗、船體設計和效率估算等；另一部分從事電磁設備的研究，包括實船磁體的設計、致冷、低溫容器、電器控制等。

總的說來，日本的“大和一1”號是成功的，證實了超導磁流體推進船的可行性，得到世界同行的廣泛關注，但存在的主要問題是推進效率太低及試航中的失超。

2.1.3 前蘇聯及俄羅斯磁流體推進研究

前蘇聯從事磁流體推進的單位有科學院高溫物理所、列寧格勒造船學院和克雷洛夫研究院等單位。前蘇聯的研究工作起步較早，投資也很大，但目前還停留在實驗室中。高溫物理所負責磁體的研究，研制的螺管磁體螺旋通道不同于日本“大和一1”號的偶極磁體，有一定的特色。

前蘇聯已完成了50 kW超導磁流體推進樣機的原理性研究，包括理論和試驗，并開始研制1 200 k W的超導MHD推進器。1 200 kW的實物樣機內徑為l m，外徑為2.1 m，長2.2 m，1 200 kW實物樣機的中心磁場7特斯拉，但后因政局變化，工作中途夭折。另外為研究該樣機還建立了一個大型的試驗室。原蘇聯的螺管磁體可大大降低磁體線圈的繞制難度，有效地提高磁場強度，同時可解決磁體支撐內壁的強電磁應力。

據俄羅斯專家介紹，若采用螺管磁體的磁流體推進器，其推進效率將比“大和一號”提高8倍，即若將該超導MHD推進器裝在“大和一1”號上可使航速達到15 kn以上。

2.2船舶磁流體推進技術在工程上的應用

“大和一l”號于1992年l月27日在神戶下水，并在“三菱重工”的專用碼頭系泊，此處的基礎設施便于超導MHD系統的運行（見圖2，圖3）?！按蠛鸵惶枴痹囼灤饕獏担?/p>

總長30 m，寬10.39 m，吃水2.69 m，排水量185 t，設計航速8 kn，推進型式六連環(huán)線形，乘員10名。

2.2.1船體型式與布局

“大和一1”號實驗船是一艘單體、大寬度、淺吃水船。船內由駕駛室、機艙室、配電室等艙室組成。

2.2.2超導磁流體推進裝置

超導磁流體推進裝置由超導磁體系統、電極和通道組成，如圖4所示。

超導磁體系統；主要由超導磁體、低溫容器和制冷機等組成。

超導線圈安置在圖中的裝有液氦的低溫容器內。為了減輕低溫容器的重量，除液氦容器及熱輻射屏采用不銹鋼制作外，其他部件均采用鋁材。磁體從室溫到低溫是利用陸地設置的4.4 K時300 W的氦制冷裝置供氦來實現的，但在船舶航行期間，利用船上設置的液氦制冷裝置來維持線圈超導狀態(tài)時所需要的液氦。

液氦制冷機將壓縮機輸出的氦氣液化后送到液氦貯罐，液氦通過貯罐流入低溫容器。制冷機的容量為10 W，其溫度可到4.4 K。為了減少液氦輸送過程中的冷損耗，液氦機直接安置在低溫容器的上部，從而形成一體化結構。

電極：電極和匯流條用螺釘連結在一起，匯流條由鍍鈦銅制成。由于匯流條浸在海水中，為了防止電化學腐蝕，在其表面上附加一層氟基樹脂，于是匯流條既具有低電阻和低能耗的特點，又具有重量輕和抗腐蝕能力。

通道：通道是指由磁體和電極圍成的空間。在電磁力作用下，海水沿通道流動。

2.2.3 試驗結果

海上試驗時，大部分時間花費在把超導線圈從室溫冷卻到4 K。通過往低溫容器補充冷氦氣，使線圈均勻地冷卻。當內部溫度到達20 K時，注入液氦，把線圈從室溫冷卻到20 K花費了200小時。根據這個程序，推進器在系泊狀態(tài)下作了幾次運行試驗，并已證實預定的性能是可以實現的。磁場密度B=1 T的“系泊試驗”于1992年2月8～10日完成。在海試中可獲得預定的特性，在對船上制冷機作細小改進之后，下一次的“系泊試驗”在B=2 T的條件下進行。

漏磁實驗結果是：當推進器的磁場為2 T時，機艙室上甲板上的漏磁場僅為10－4 T，比地磁場0.5×10-4 T略大，這表明采用六連環(huán)線圈的磁體對減少漏磁是有效的。至于操舵、旋回、振動、噪聲、電極的極性變換、倒船等試驗結果均能滿足技術要求。

3船舶磁流體推進關鍵技術展望

經過近30年的研究，在超導磁流體推進的技術問題上已取得了可喜的進展，為磁流體推進的應用產生了轉機，也為以后的研究指出了方向。

3.1超導磁體技術

目前超導磁體的型式主要有鞍型偶極磁體和螺管磁體兩種。鞍型磁體目前國外已成功繞制了數千千瓦功率的線圈，中心磁場5 T。如日本的“大和一1”號功率為1 600 kW，中心磁場4 T，俄羅斯1 200 kW的螺管磁體的中心磁場強度可達7 T，比普通導體的磁體產生的磁場強度高近100倍；美國曾繞制出中心磁場強度20 T的小型磁體和8 T的中型超導磁體。據美國有關報道，制造中心磁場10 T的大型超導磁體是完全可能的。

另外，超導材料的發(fā)展非常迅速，雖然液氮區(qū)的“高溫”還不能成線，但像鈮三錫等低溫材料從工藝上已有較大突破，并已在美、俄制成線材，從而使產生的磁場更強。“高溫”超導亦正在研究成型并有所突破，最終可應用于磁流體磁體的制造上。

3.2電極技術

近年的研究使電極材料有較大突破。日本“大和一1”號采用的電極材料為鈦基表面鍍鉑，使電極的耐久性達到一年以上，且產生的電解氣泡很少。目前美國、俄羅斯亦已研制成耐久低電解的電極材料。

3.3低溫容器技術

低揮發(fā)的超導低溫容器技術已有很大發(fā)展。日本“大和一1”號在陸上作低溫試驗時，低溫容器的保持超導時間為16天。一般只需在磁體上附加一個小容量的循環(huán)氦液化器裝置即可滿足長期使用要求。國內中科院電工所的低溫容器也可保持9天超導。另外在結構上，在輕量化上也有明顯的進步。