高溫超導(dǎo)技術(shù)在艦船裝備中的應(yīng)用

劉秀峰, 盧永進(jìn)

(1. 海軍駐701所軍事代表室，武漢 430064 ; 2. 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

0 引言

超導(dǎo)是一項(xiàng)具有戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)，可廣泛用于能源、通信、醫(yī)療、交通及國防等領(lǐng)域[1]。自從1911年超導(dǎo)現(xiàn)象被荷蘭科學(xué)家發(fā)現(xiàn)以來，各國紛紛投入大量人力和物力對(duì)超導(dǎo)材料進(jìn)行研制與探索。盡管先后有數(shù)千種超導(dǎo)體誕生，但絕大多數(shù)超導(dǎo)材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度（Tc）還達(dá)不到30 K，較低的臨界溫度一直限制了超導(dǎo)材料的實(shí)際應(yīng)用。直到1986年，瑞士蘇黎世IBM實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家J. G. Bednorz和K. A. Muller發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為36 K的La2-xBaxCuO4，從而為探尋在液氮溫區(qū)值的高溫超導(dǎo)體開辟了道路[2]。通常情況下，高溫超導(dǎo)材料是指臨界溫度在液氮溫度77 K以上的超導(dǎo)材料。1987年，臨界轉(zhuǎn)變溫度為90 K的YBCO（YBa2Cu3O7-δ）被發(fā)現(xiàn)，使資源豐富、價(jià)格低廉的液氮作為超導(dǎo)體工作的冷卻劑成為可能。隨后，相繼發(fā)現(xiàn)了Tc分別為110 K和125 K的(Bi, Pb)2Sr2Ca2Cu3Oy與Tl2Ba2Ca2Cu3Oy，極大推進(jìn)了高溫超導(dǎo)材料的研究步伐[3,4]。

近十多年來，世界上研究最多的、最具有產(chǎn)業(yè)化前景的高溫超導(dǎo)材料主要分為兩種：釔鋇銅氧（YBCO）和鉍鍶鈣銅氧（BSCCO）。釔鋇銅氧一般用于制備超導(dǎo)薄膜，應(yīng)用在電子、通信等領(lǐng)域；但由于YBCO的制備受到真空等特殊條件的限制，其工藝路線仍在探索之中，離實(shí)用化還有一段距離。而鉍系（Bi-2223/Ag）高溫超導(dǎo)帶材已基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，其綜合性能已初步滿足工程應(yīng)用的要求，并在強(qiáng)電、弱電領(lǐng)域得到應(yīng)用，可為高溫超導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用提供關(guān)鍵的原材料保障。

本文將結(jié)合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，總結(jié)以鉍系超導(dǎo)材料為代表的高溫超導(dǎo)材料制備工藝和生產(chǎn)狀況，并對(duì)超導(dǎo)材料在艦船裝備上的應(yīng)用進(jìn)行介紹，最后對(duì)發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 高溫超導(dǎo)材料的制備與研究現(xiàn)狀

高溫超導(dǎo)材料是否具備產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力，直接影響超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)的研究。從實(shí)際應(yīng)用來看，高溫超導(dǎo)材料必須具有可靠性高、成本低廉、機(jī)械強(qiáng)度好等優(yōu)點(diǎn)，才可能被市場(chǎng)所接受，而鉍系高溫超導(dǎo)材料基本滿足以上條件。

目前，鉍系多芯高溫超導(dǎo)帶材的生產(chǎn)途徑采用粉末套管法，整個(gè)工藝流程為：首先將經(jīng)預(yù)處理的前驅(qū)粉(Bi, Pb)2Sr2CaCu2Ox進(jìn)行等靜壓，獲得比較密實(shí)的粉體材料；然后把預(yù)壓實(shí)的超導(dǎo)粉體材料裝入純銀管中進(jìn)行多道次拉拔成形，得到單芯復(fù)合體；根據(jù)實(shí)際需要將多根單芯復(fù)合體套裝到新的銀合金管中進(jìn)行多道次拉拔，獲得直徑為1.7 mm的多芯超導(dǎo)線材；再對(duì)多芯超導(dǎo)線材進(jìn)行軋制，在銀包套內(nèi)形成所期望的織構(gòu)；最后通過形變熱處理得到高臨界電流密度的Bi-2223/Ag超導(dǎo)帶材產(chǎn)品?？梢姡瑢?dǎo)帶材的成形是一個(gè)多復(fù)合體多道次塑性成形的工藝過程，其目的是獲得粉體密實(shí)度高、變形均勻性好、強(qiáng)c軸織構(gòu)的復(fù)合帶材。

自從1997年丹麥建成世界上首條鉍系高溫超導(dǎo)帶材生產(chǎn)線以來，不少國家就開始了鉍系超導(dǎo)帶材的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，并投入大量科研經(jīng)費(fèi)進(jìn)行超導(dǎo)帶材的性能提升。目前，從事鉍系超導(dǎo)帶材生產(chǎn)的公司主要有美國超導(dǎo)（AMSC）、日本住友電氣（SEI）、德國歐洲先進(jìn)超導(dǎo)（EHTS）和北京英納超導(dǎo)（Innost），各公司產(chǎn)品性能參數(shù)詳見表1，其中尤以采用高壓熱處理技術(shù)的住友公司生產(chǎn)的產(chǎn)品性能最佳。

利用高壓熱處理（Hot Isostatic Pressing，簡稱HIP）技術(shù)可以對(duì)帶材進(jìn)行原位的形變熱處理，實(shí)現(xiàn)帶材致密化，提高超導(dǎo)芯的密度，減少缺陷，達(dá)到提高帶材性能的目的。2001年，Rikel等報(bào)道了關(guān)于高壓熱處理Bi-2223/Ag帶材的試驗(yàn)結(jié)果，其臨界電流密度Jc從8 kA/cm2提高到30 kA/cm2。后來日本住友電氣利用高壓方法制備鉍系高溫超導(dǎo)帶材的技術(shù)有了根本突破。2005年底，住友電氣宣布開始銷售臨界電流為150 A的帶材產(chǎn)品；2006年又發(fā)布研制成功臨界電流為192 A的超導(dǎo)帶材消息；如今已能制備出高達(dá)200A的百米級(jí)長帶。此外，Wisconsin大學(xué)的Yuan[7]和清華超導(dǎo)中心的望賢成等[8]成功將HIP技術(shù)運(yùn)用于Bi-2223/Ag超導(dǎo)帶材，并獲得初步成效。由此可見，高壓熱處理方法在提高帶材臨界電流性能，促進(jìn)鉍系超導(dǎo)帶材產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面具有非常重要的意義。

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同時(shí)，一些學(xué)者對(duì)鉍系超導(dǎo)帶材塑性加工工藝展開了積極有效的研究。由于傳統(tǒng)粉末套管法中軋制過程變形量較大，使得整個(gè)帶材截面上存在變形不均勻現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)伴隨裂紋、香腸效應(yīng)等缺陷，從而影響帶材的最終性能。為此，有學(xué)者提出一種對(duì)異型截面多芯超導(dǎo)線材進(jìn)行軋制的方法，以解決線材軋制過程中截面變形不均勻等問題，從而提高最終帶材的性能。N. Bay和M. S. Nielsen運(yùn)用方形線材軋制獲得最終帶材，相對(duì)圓線軋制而言，可提高臨界電流33%。同時(shí)，北京英納公司在通過拔制橢圓截面線材以改善帶材均勻性和性能方面進(jìn)行了嘗試，并取得了一些進(jìn)展，但與實(shí)際應(yīng)用還存在一定距離。

2 高溫超導(dǎo)在艦船裝備中的應(yīng)用

超導(dǎo)材料具有零電阻、通電能力強(qiáng)等特點(diǎn)，它的載電能力是等截面銅導(dǎo)線的100多倍，并且在相同載電能力條件下其電損耗降低7%以上，是一種高效節(jié)能的導(dǎo)電材料。因此，用超導(dǎo)材料制成的設(shè)備和器件，具有體積小、質(zhì)量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)。采用超導(dǎo)帶材制成的潛艇大功率推進(jìn)器，與同功率傳統(tǒng)推進(jìn)器相比，其尺寸只有1/2，重量只有1/3，而且噪音小、節(jié)能效果顯著。

由于海水具有導(dǎo)電特性，在船舶周圍海水中產(chǎn)生磁場(chǎng)和電流場(chǎng)，可使海水受到磁場(chǎng)力，從而推動(dòng)船舶前進(jìn)或后退。超導(dǎo)磁流體推進(jìn)就是通過把電能轉(zhuǎn)換成流體動(dòng)能，以噴射推進(jìn)取代傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)的新技術(shù)。而超導(dǎo)磁流體推進(jìn)系統(tǒng)核心部件—超導(dǎo)磁體可以產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的磁場(chǎng)，使船舶不再配置螺旋漿，從而大大降低振動(dòng)和噪聲。世界上第一艘超導(dǎo)磁流體推進(jìn)船于1990年在日本誕生，該實(shí)驗(yàn)船被命名為“大和1號(hào)”，如圖2所示，船長30 m，寬18 m，高8 m，排水量185 T，航速達(dá)15 km/h，引起了廣泛關(guān)注。

目前，世界上多家企業(yè)對(duì)高溫超導(dǎo)材料實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，并用于高溫超導(dǎo)原型機(jī)的研究。在2000年，美國能源部組建的SPI項(xiàng)目組就完成了1000 hp高溫超導(dǎo)電機(jī)的研制和試驗(yàn)工作，成為超導(dǎo)電機(jī)商業(yè)化應(yīng)用的里程碑。2003年，美國海軍與美國超導(dǎo)公司（AMSC）簽訂了36.5 MW船用交流同步高溫超導(dǎo)推進(jìn)電機(jī)的合同，該電機(jī)使用鉍系超導(dǎo)帶材制造，轉(zhuǎn)速為120 r/min，已于2006底制成并移交美國海軍研究署，其重量是常規(guī)推進(jìn)電機(jī)的1/5～1/4。2007年9月，由日本石川島播磨重工業(yè)（IHI）、住友電氣工業(yè)、富士電機(jī)系統(tǒng)等組成的聯(lián)合研究小組，開發(fā)出利用鉍系高溫超導(dǎo)線圈來驅(qū)動(dòng)的365 kW船舶用超導(dǎo)電機(jī)，并完成了負(fù)載試驗(yàn)。其他各國的研發(fā)工作也紛紛在各自的框架計(jì)劃內(nèi)進(jìn)行。在國內(nèi)，作為艦船電力推進(jìn)裝置研制單位，712 研究所通過與清華大學(xué)、北京英納超導(dǎo)公司合作，以鉍系高溫超導(dǎo)線材為原材料成功研制出100 kW 艦船推進(jìn)用超導(dǎo)電機(jī)，為探索兆瓦級(jí)的船用超導(dǎo)電機(jī)奠定了良好的基礎(chǔ)。圖3所示為高溫超導(dǎo)船用推進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，它采用空心電樞繞組和鉍系超導(dǎo)勵(lì)磁繞組技術(shù)，轉(zhuǎn)子在封閉的低溫環(huán)境中運(yùn)行。高溫超導(dǎo)電機(jī)重量輕，效率可以達(dá)到97.2%，與常規(guī)電動(dòng)機(jī)相比損耗減少 50%，節(jié)省能源，穩(wěn)定可靠，成本低廉。如果艦船的推進(jìn)裝置采用高溫超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)，則推進(jìn)裝置的體積將減小為原裝置的五分之一，特別適合于艦船的電力推進(jìn)裝置。對(duì)海軍艦船而言，這意味著可增加武備和燃料的裝載量，生命力增強(qiáng)，戰(zhàn)斗性能提高。此外，在普遍認(rèn)可的吊艙推進(jìn)系統(tǒng)中，如果選用超導(dǎo)電機(jī)，可使吊艙體積縮小，大大提高推進(jìn)效率?？梢姼邷爻瑢?dǎo)電機(jī)不僅可配置于艙內(nèi)推進(jìn)系統(tǒng)，也可安裝在吊艙推進(jìn)系統(tǒng)中。

隨著艦船技術(shù)的發(fā)展，綜合電力推進(jìn)是未來推進(jìn)技術(shù)的重要發(fā)展方向，以“系統(tǒng)化、模塊化和集成化”為設(shè)計(jì)思想，可簡化推進(jìn)系統(tǒng)布局，節(jié)省艙容，提高艦船的經(jīng)濟(jì)性、操縱性和安全性。美國海軍更是引入綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃，譽(yù)之為“海上革命的基礎(chǔ)”。目前，開始批量服役的英國45驅(qū)逐艦就采用了綜合電力推進(jìn)技術(shù)，使得軍艦擺脫了發(fā)電機(jī)組和推進(jìn)機(jī)組分別消耗大量燃料的狀況，全艦用電均由主發(fā)動(dòng)機(jī)提供，極大降低了油耗。船舶綜合電力系統(tǒng)將推進(jìn)系統(tǒng)用電、日常用電、高能武器用電與大功率探測(cè)設(shè)備用電各部分綜合在一起，電力資源在這些系統(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和分配。伴隨新興技術(shù)的發(fā)展，高溫超導(dǎo)材料制備的超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)、超導(dǎo)變壓器等具有常規(guī)產(chǎn)品無法比擬的結(jié)構(gòu)緊湊、能耗低、容量大等優(yōu)點(diǎn)，將廣泛應(yīng)用于綜合電力推進(jìn)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)（SMES）能量密度大，體積小，釋放能量快，它可以訊速向電力系統(tǒng)提高有功、無功功率，從而提高電能質(zhì)量，改善供電品質(zhì)，可作為全船失電狀態(tài)下的艦船重要設(shè)備的緊急備用電源。2007年，韓國電工所成功開發(fā)出600 kJ高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)，在熱穩(wěn)定性試驗(yàn)中工作電流可達(dá)360 A，其下一步研制目標(biāo)是兆焦級(jí)的超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)。因此，SMES裝置能夠解決未來艦船上新技術(shù)運(yùn)用帶來的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性以及綜合能源管理問題。

超導(dǎo)限流器能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)故障短路電流的限制，大大減小系統(tǒng)設(shè)備的短路容量值，從而增強(qiáng)電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性，提高電力質(zhì)量，增大電力的輸送容量與規(guī)模。由中科院電工研究所聯(lián)合多家單位研制的10.5 kV/1.5 kA高溫超導(dǎo)限流器，如圖4所示。于2005年底在湖南省婁底市高溪變電站進(jìn)行了三相短路試驗(yàn)，成功地將三相接地短路電流從無限流器時(shí)的3.5 kA限制到635 A，此后該設(shè)備投入電網(wǎng)，進(jìn)行載荷并網(wǎng)長期示范運(yùn)行。同時(shí)，由美國能源部支持的115 kV超導(dǎo)限流器項(xiàng)目正在由AMSC牽頭研制。據(jù)估計(jì)，2020年國內(nèi)超導(dǎo)限流器潛在市場(chǎng)容量約為1500億元，足見其前景廣闊。若與艦船電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)施兼容，可減少電力線路中的斷路器和熔斷器的使用，延長電氣設(shè)備壽命，成為發(fā)展艦船大容量電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

3 展望

美國海軍對(duì)高溫超導(dǎo)技術(shù)給予高度重視，并期望未來艦船能配置包括高溫超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)電纜在內(nèi)的高溫超導(dǎo)電力系統(tǒng)。此外，由于受蒸汽彈射器釋放能量的制約，美國海軍極力推進(jìn)電磁彈射替代蒸汽彈射研究計(jì)劃。同時(shí)，隨著美國宣布電磁炮的試射成功，引起了廣大人員的興趣和關(guān)注?，F(xiàn)有技術(shù)采用高壓電容器驅(qū)動(dòng)電磁炮發(fā)射裝置，為尋求理想的高功率脈沖電源，最近提出了超導(dǎo)電感儲(chǔ)能新技術(shù)，既節(jié)約了電能損耗，又克服了驅(qū)動(dòng)電源質(zhì)量過大的缺點(diǎn)。而超導(dǎo)技術(shù)有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，相信高溫超導(dǎo)技術(shù)在不久的將來會(huì)應(yīng)用于電磁武器。

2008年，韓國研制的1 MW高溫超導(dǎo)電機(jī)已接近于商品化產(chǎn)品。在韓國“應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展先進(jìn)能源系統(tǒng)”（DAPAS）計(jì)劃中，發(fā)展、促進(jìn)和利用商業(yè)化超導(dǎo)技術(shù)是其主要發(fā)展任務(wù)，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)產(chǎn)品的全面商業(yè)化。

盡管在高溫超導(dǎo)設(shè)備上已有重大進(jìn)展，但在大型艦船電力系統(tǒng)上的應(yīng)用尚未見報(bào)道。其關(guān)鍵技術(shù)主要涉及高轉(zhuǎn)矩密度推進(jìn)技術(shù)、高功率密度發(fā)電技術(shù)、大功率電能變換技術(shù)、中壓大電流限制與開斷技術(shù)和電力監(jiān)控系統(tǒng)。在今后的研究中，將開展電力系統(tǒng)對(duì)超導(dǎo)裝置的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性要求、超導(dǎo)電力裝置在電力系統(tǒng)中的優(yōu)化配置、多臺(tái)裝置之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行與匹配特性、超導(dǎo)電力裝置的裝艦技術(shù)等研究，以滿足艦船電力系統(tǒng)對(duì)高溫超導(dǎo)技術(shù)的需求。

4 結(jié)論

高溫超導(dǎo)技術(shù)是發(fā)展中的新學(xué)科和新技術(shù)，涉及超導(dǎo)材料、凝聚態(tài)物理、電力電子、電機(jī)與電器、低溫工程等學(xué)科的交叉和融合。運(yùn)用高溫超導(dǎo)技術(shù)，能夠滿足常規(guī)技術(shù)和方法不能或很難達(dá)到的設(shè)計(jì)要求，并在實(shí)踐中解決一些看似幾乎無法實(shí)現(xiàn)的問題，為船舶設(shè)計(jì)人員提供了嶄新的設(shè)計(jì)思路。盡管超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)尚處于示范運(yùn)行階段，隨著各國在人力、財(cái)力和物力上的不斷投入，高溫超導(dǎo)技術(shù)正引來黃金時(shí)期。只有通過加強(qiáng)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，高溫超導(dǎo)產(chǎn)品性能才有提升的可能，才能引領(lǐng)未來艦船推進(jìn)和電力技術(shù)的發(fā)展方向，促進(jìn)艦船工業(yè)發(fā)生巨大變革。

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