超導(dǎo)技術(shù)在艦船上的應(yīng)用前景

范 昕

(海裝武漢局，武漢430064)

超導(dǎo)技術(shù)在艦船上的應(yīng)用前景

范 昕

(海裝武漢局，武漢430064)

本文分析和展望了高溫超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)消磁電纜、超導(dǎo)掃雷具、超導(dǎo)儲能、超導(dǎo)磁流體推進(jìn)等超導(dǎo)技術(shù)在艦船領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景。

艦船 超導(dǎo)電機(jī) 消磁電纜 超導(dǎo)儲能 磁流體

0 引言

超導(dǎo)體由于其零電阻特性和邁斯納效應(yīng)，使其具備常規(guī)導(dǎo)體無可比擬的優(yōu)勢。自從1986年瑞士蘇黎世實驗室發(fā)現(xiàn)了臨界溫度達(dá)到30K以上的超導(dǎo)體，在世界范圍內(nèi)掀起了新的高溫超導(dǎo)體研究熱潮，也使得超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展邁上了一個新的階段。近年來，隨著超導(dǎo)材料制備工藝的不斷成熟和性能的提高，超導(dǎo)技術(shù)作為一項具有戰(zhàn)略意義的前沿科技，正逐漸受到各領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，尤其在能源、交通、醫(yī)學(xué)、國防及大型科學(xué)工程中得到應(yīng)用推廣[1]。本文將根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，針對超導(dǎo)技術(shù)在艦船領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景進(jìn)行總結(jié)和展望。

1 高溫超導(dǎo)電機(jī)在艦船電力推進(jìn)中的應(yīng)用前景

艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)具有推進(jìn)效率高、布置靈活、聲學(xué)性能好等技術(shù)優(yōu)勢，能夠有效提高艦船續(xù)航力、聲隱身性、快速性、武器載荷量，更好滿足高性能艦船動力需求，是未來艦船動力的重要發(fā)展方向。艦船推進(jìn)電機(jī)主要有直流電機(jī)、永磁電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)和超導(dǎo)電機(jī)，其中直流推進(jìn)電機(jī)主要作為常規(guī)潛艇的主推進(jìn)電機(jī)和核潛艇的應(yīng)急推進(jìn)電機(jī)，一般最大功率不超過5MW。根據(jù)美國南德（RAND）公司國防研究報告得知，相比永磁電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)，高溫超導(dǎo)電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度最高，對比情況如表1所示，同時具有體積小、重量輕、效率高、噪聲低等優(yōu)點，是未來大型艦船推進(jìn)電機(jī)最有優(yōu)勢的技術(shù)方案。

表1 不同類型推進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)比較

高溫超導(dǎo)推進(jìn)電機(jī)采用高溫超導(dǎo)磁體進(jìn)行激磁，由于超導(dǎo)材料具有零電阻特性，使得高溫超導(dǎo)線圈在低溫下載流能力遠(yuǎn)大于銅線圈，進(jìn)而在給定空間內(nèi)能產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場，使其具有高功率密度、高效率、重量輕、噪聲低、過載能力強(qiáng)、無周期熱負(fù)載等優(yōu)點。隨著高溫超導(dǎo)線材性能的不斷進(jìn)步，其技術(shù)優(yōu)勢將越來越顯著[2]。在許多大中型電機(jī)應(yīng)用場合，特別是對電機(jī)體積、重量有嚴(yán)格要求的船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域，高溫超導(dǎo)推進(jìn)電機(jī)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

國外對高溫超導(dǎo)電機(jī)的研究十分重視，美、德、日、韓等國采取一系列措施，完善體制，增加研究經(jīng)費，制定研發(fā)計劃，并取得了重大的突破。美國于2007年3月成功完成了36.5 MW 高溫超導(dǎo)推進(jìn)電機(jī)（如圖1所示）出廠試驗，并于2008年交付海軍基地作進(jìn)一步的測試。該電機(jī)轉(zhuǎn)速為120 r/min，重量75噸（包括輔助系統(tǒng)），其體積和重量約為常規(guī)電機(jī)的1/2和1/3，技術(shù)性能優(yōu)異。日本川崎重工于2013年6月宣布完成3 MW船舶電力推進(jìn)用高溫超導(dǎo)電機(jī)。德國于2006年成功研制4 MW、3600 r/min 發(fā)電機(jī)，2011年又研制成功4 MW、120 r/min 高溫超導(dǎo)電動機(jī)。國內(nèi)于2012年成功完成1 MW高溫超導(dǎo)推進(jìn)電機(jī)樣機(jī)的研制（如圖2所示），初步建立了高溫超導(dǎo)電機(jī)設(shè)計與分析方法，突破了高溫超導(dǎo)電機(jī)部分共性關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 美國36.5 MW高溫超導(dǎo)電機(jī)

圖2 我國1 MW高溫超導(dǎo)電機(jī)

2 高溫超導(dǎo)消磁技術(shù)在艦船消磁系統(tǒng)中的應(yīng)用前景

艦船消磁是通過減弱艦船磁場強(qiáng)度并改善其分布特性的技術(shù)措施，進(jìn)而提高艦船的磁性防護(hù)能力，防御水中磁性武器的攻擊和被磁探測儀器發(fā)現(xiàn)，消除磁化后的艦船對儀器設(shè)備和武器精度的影響，保障艦艇航行安全及作戰(zhàn)效能。目前，常規(guī)的艦船消磁系統(tǒng)主要采用銅制消磁電纜對艦船進(jìn)行消磁，銅制電纜存在單位長度重量大、電阻率高，能耗大等缺點，尤其對于大型艦船的消磁，往往需要加大消磁電流，使能耗增大，發(fā)熱大也會給整個工作環(huán)境帶來安全隱患，也大大限值了艦船大容量消磁系統(tǒng)的發(fā)展。

高溫超導(dǎo)消磁系統(tǒng)采用超導(dǎo)材料作為載流導(dǎo)體，即使在大電流下，超導(dǎo)電纜本體的焦耳損耗也接近為零，同時也大大降低了供電電源的容量。相比常規(guī)銅制消磁電纜系統(tǒng)，高溫超導(dǎo)消磁系統(tǒng)具有體積小、重量輕、安裝靈活、運行維護(hù)費用較低、能耗低、發(fā)熱小、安全性好、擴(kuò)容空間大等多種優(yōu)勢[3]。因此，超導(dǎo)消磁技術(shù)是未來艦船消磁領(lǐng)域的具有很大優(yōu)勢的技術(shù)方向，可實現(xiàn)更為高效的消磁功能，從而更大程度上保障了艦船航行的安全性及作戰(zhàn)效能。

目前，只有美國于2006年公布研制出了長40 m，載流4100 A的高溫超導(dǎo)消磁電纜[4]（如圖3所示）。該電纜能夠在外包層內(nèi)靈活彎曲，符合各種船舶的安裝需求，并在“阿利·伯克”級希金斯號驅(qū)逐艦上完成了初始試驗。美國海軍部門預(yù)計，在LPD-17兩棲船塢登陸艦、LCS近海戰(zhàn)斗艦、CG(X)巡洋艦、DDG-1000驅(qū)逐艦和CVN-21航母上應(yīng)用的高溫超導(dǎo)消磁系統(tǒng)在導(dǎo)線總重量上將比銅導(dǎo)線減少50%至80%，總成本也將低于目前用銅導(dǎo)線制造的消磁電纜系統(tǒng)，而且，安裝在所有艦艇上的導(dǎo)線總長度將比銅導(dǎo)線減少90%，從而得知，超導(dǎo)消磁系統(tǒng)具有重大的軍事價值。

3 超導(dǎo)掃雷具在艦船反水雷技術(shù)中的應(yīng)用前景

感應(yīng)式觸發(fā)水雷是現(xiàn)代海上作戰(zhàn)中的一種常用武器，常用于封鎖商業(yè)港口和海軍基地，切斷敵方海上運輸，消滅重型戰(zhàn)艦和商船。目前最廣泛使用的水雷是磁引信。對抗磁性水雷的第一種形式是船去磁，這是英國和前蘇聯(lián)在第二次世界大戰(zhàn)中采用的，有效地保護(hù)了前蘇聯(lián)海軍對抗德國布置的水雷。但第二次世界大戰(zhàn)以后，隨著水雷磁引信的靈敏度增加，能檢測到遠(yuǎn)距離的去磁船，使得船去磁方式無法發(fā)揮作用。攜帶掃雷裝置的掃雷艦應(yīng)運而生，并成為目前掃雷作戰(zhàn)的主要手段。掃雷艦的作業(yè)方式是在疑似有水雷的海域來回航行，利用艦上的掃雷具清除與引爆水雷，以確保清掃過的水域沒有危險，從而保護(hù)船只航行航道安全。

圖3 美國超導(dǎo)公司的超導(dǎo)消磁電纜

磁掃雷具的工作原理是模擬艦船磁場特性，采用兩根大電流電纜在海水中形成電極、并與海水組成閉合電路產(chǎn)生磁場，或者在船上安裝一個電磁體產(chǎn)生磁場引爆水雷[5]。這種掃雷具通常在引爆水雷時往往容易造成自身損壞，為了防止人員的傷亡，通常借助直升飛機(jī)進(jìn)行牽引。常規(guī)掃雷具采用鐵心與線圈的組合結(jié)構(gòu)，其體積重量較大，給直升機(jī)牽引帶來了困難。而超導(dǎo)掃雷具采用空心磁體，且載流能力遠(yuǎn)大于常規(guī)銅導(dǎo)體，具有重量輕、尺寸小、無剩磁、易運輸安裝等優(yōu)點，可實現(xiàn)靈活布置，便于直升飛機(jī)牽引形成隊列，如圖4所示。

圖4 超導(dǎo)掃雷具隊列示意圖

據(jù)國防科技信息網(wǎng)報道，特拉華州威爾明頓市創(chuàng)新能源方案公司的高功率電子專家將協(xié)助美國海軍的研究員開發(fā)以高溫超導(dǎo)技術(shù)為基礎(chǔ)的掃雷技術(shù)。美國海軍水面中心（NSWC）卡迪洛克分部的官員發(fā)表聲明，稱將從創(chuàng)新能源方案公司引進(jìn)高溫超導(dǎo)掃雷技術(shù)。澳大利亞海軍科研人員率先在世界上研究高溫超導(dǎo)掃雷技術(shù)。澳大利亞國防科學(xué)和技術(shù)組織（DSTO）使用高溫超導(dǎo)磁線纜產(chǎn)生高能電磁波以蒙蔽水雷并使水雷觸發(fā)。

4 超導(dǎo)儲能技術(shù)在艦船電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景

在現(xiàn)代艦船上，隨著若干高新技術(shù)的應(yīng)用，艦船電力系統(tǒng)乃至整個能源管理系統(tǒng)的要求必將越來越高。導(dǎo)航、武器目標(biāo)搜捕、瞄準(zhǔn)、跟蹤等指揮和控制系統(tǒng)等信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，計算機(jī)及電子設(shè)備的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。由于其對電源電壓的變化較為敏感，這對艦船電力系統(tǒng)的可靠性、電壓、頻率的穩(wěn)定性等技術(shù)要求也更加苛刻。此外，以激光、粒子束以及電磁炮為代表的新概念武器作為艦船重要打擊力量，大多需要大功率脈沖電源，這對艦船能源管理系統(tǒng)、包括能量存儲、大功率釋放、能量高效高速控制的技術(shù)要求都是前所未有的。

超導(dǎo)儲能技術(shù)是一種利用超導(dǎo)磁體的高效儲能特性和電力電子換流裝置快速響應(yīng)特性相結(jié)合的高新技術(shù)，具有效率高、儲能密度大、釋放能量快速和可控等優(yōu)勢[6]。超導(dǎo)儲能系統(tǒng)通過高效地從系統(tǒng)中吸收并儲存能量，快速地向電力系統(tǒng)提供有功或無功功率，以補償發(fā)電和用電之間的功率不平衡程度，調(diào)整發(fā)電機(jī)組向電網(wǎng)送出的功率以及負(fù)荷點從系統(tǒng)中吸收的功率，從而提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性；同時也可快速地對負(fù)荷的變化做出響應(yīng)，減小負(fù)荷波動對系統(tǒng)的影響[7]。因此，超導(dǎo)儲能系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、抑制電壓、頻率的波動，改善供電品質(zhì)，進(jìn)而保障艦船指揮控制系統(tǒng)的電子設(shè)備對高質(zhì)量電能的供應(yīng)需求。上世界90年代開始，世界各國就廣泛開展了超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的研發(fā)，日本東芝公司2006年研發(fā)出了6.5 MJ的超導(dǎo)儲能系統(tǒng)，韓國、中國、法國等也取得了較大進(jìn)展。

5 超導(dǎo)磁流體推進(jìn)技術(shù)在艦艇低噪聲推進(jìn)器中的應(yīng)用前景

目前，世界上各國均在發(fā)展無人艇、水下潛航器、水中兵器等水下武器裝備，從最初用于執(zhí)行特別危險和不適于載人艦艇執(zhí)行的任務(wù)，逐步推廣到海上偵查監(jiān)視、反水雷戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)、特種部隊支持等更多領(lǐng)域。水下武器裝備的噪聲水平是影響其行駛安全的主要因素之一，而推進(jìn)器是水下武器裝備的最主要噪聲源。當(dāng)前主要采取的改進(jìn)型螺旋槳結(jié)構(gòu)、氣幕降噪、泵噴推進(jìn)等技術(shù)措施，可在一定程度上抑制螺旋槳噪聲，但無法從根本上消除轉(zhuǎn)動部件及空泡噪聲。

磁流體推進(jìn)技術(shù)取消了傳統(tǒng)螺旋槳、水泵的轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，可以從根本上消除轉(zhuǎn)動部件及空泡噪聲，進(jìn)而有效提高了水下推進(jìn)器的安靜性[8]。超導(dǎo)磁流體推進(jìn)的工作原理是通過艦船內(nèi)部的超導(dǎo)磁體在流入船體的海水區(qū)域產(chǎn)生一個強(qiáng)大的磁場，在海水中通以定向電流，使得海水中產(chǎn)生電磁作用力，推動海水運動進(jìn)而產(chǎn)生推力，同時可以利用調(diào)節(jié)海水電流大小的方法來控制水下武器裝備的速度，利用改變電極的極性來改變推進(jìn)方向[9]。水下超導(dǎo)磁流體推進(jìn)相關(guān)技術(shù)一旦突破，將為水下航行器等武器裝備的低噪聲隱身性能帶來變革，其低噪聲性能優(yōu)勢是其它推進(jìn)方式所無法比擬的，將大力提升水下武器裝備的綜合性能。

國內(nèi)外很早就開始對超導(dǎo)磁流體推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行探索研究。美國阿貢實驗室建有一套超導(dǎo)磁流體推擠器實驗裝置，完成了“洛杉磯號”核潛艇磁流體推進(jìn)器的概念設(shè)計。日本船舶和海洋財團(tuán)電磁推進(jìn)船研發(fā)委員會開發(fā)的“大和一號”（如圖5所示）試驗船是首例超導(dǎo)電磁推進(jìn)器試驗船，該船排水量185 t，海水通電功率3420 kW，于1992年完成系泊試驗。我國從上世紀(jì)90年代開始磁流體推進(jìn)技術(shù)的研究，2011年研制成功磁流體海水推進(jìn)器實驗室樣機(jī)，并完成回路測試。

圖5 日本大和一號超導(dǎo)水下磁流體推進(jìn)器

6 結(jié)論

超導(dǎo)技術(shù)在艦船領(lǐng)域具有十分可貴的潛在應(yīng)用價值，能夠滿足常規(guī)技術(shù)難以達(dá)到的技術(shù)要求。但由于超導(dǎo)技術(shù)涉及了材料、結(jié)構(gòu)、電力、低溫等多學(xué)科的交叉融合，也給超導(dǎo)技術(shù)的工程應(yīng)用帶來了很多挑戰(zhàn)，使得目前超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用大部分尚處于研發(fā)或示范運行階段。隨著近幾年國內(nèi)超導(dǎo)材料制備技術(shù)的快速發(fā)展，逐漸克服了早期超導(dǎo)帶材依賴國外進(jìn)口的局限性，降低了超導(dǎo)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)成本。同時，隨著國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)對超導(dǎo)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用研究的不斷投入和加強(qiáng)，技術(shù)難題不斷被攻克，為超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用提供了技術(shù)保障。

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Reviews on Application of Superconducting Technology to A Warship

Fan Xin

(Naval Representatives Office of Naval Armaments Department in Wuhan, Wuhan430064, China)

This paper summaries the application status and prospect of superconducting technology such as high temperature superconducting motor, superconducting degaussing cable, superconducting mine sweeping tool, superconducting energy storage and superconducting magnetohydrodynamic propulsion in the field of marine.

warship; high temperature superconducting motor; superconducting degaussing cable; superconducting energy storage; superconducting magnetohydrodynamic

TM725

A

1003-4862（2016）12-0077-04

2016-08-19

范昕（1965-），男，高級工程師。研究方向：艦船電力系統(tǒng)及控制專業(yè)。