磁流體推進(jìn)器的推進(jìn)性能影響因素分析

宋瑪薇

摘要：文章首先簡單介紹了磁流體推進(jìn)技術(shù)的原理及特點，從螺旋型磁流體推進(jìn)器設(shè)計的角度，分析了影響磁流體推進(jìn)性能的因素，確定了磁體外徑、磁體長度、通道數(shù)量、磁場強(qiáng)度與推進(jìn)效率之間的相互制約關(guān)系，為螺旋型磁流體推進(jìn)器的平臺應(yīng)用提供了設(shè)計思路。

關(guān)鍵詞：磁流體推進(jìn);超導(dǎo)磁體;分析

中圖分類號：U664.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）12-0009-03

1概述

磁流體推進(jìn)技術(shù)是一種全新的航海平臺推進(jìn)方式，它幾乎不需要任何機(jī)械傳動部件，同時不會出現(xiàn)空化現(xiàn)象，因此在降噪、提速等方面都極具潛力。從推進(jìn)原理到推進(jìn)性能，磁流體推進(jìn)全面顛覆了傳統(tǒng)的螺旋槳與泵噴推進(jìn)，其未來應(yīng)用主要針對航海平臺的靜音、高速推進(jìn)等。

2推進(jìn)原理及技術(shù)特點

由于海水中存在大量鹽類，可通過電解離子交換而具有導(dǎo)電性。若在磁場中給海水通電，洛倫茲力（電磁力F=JxB）將驅(qū)動海水沿垂直磁場和電流所構(gòu)成平面的方向而運動，其反作用力作為推力即可推動航海平臺運動（如圖1所示），以上即為磁流體推進(jìn)技術(shù)的基本原理。由此可見，決定磁流體推進(jìn)系統(tǒng)性能的三要素包括：導(dǎo)電液體（海水）、電場、磁場。

磁流體推進(jìn)的技術(shù)特點主要體現(xiàn)在：

（1）安靜。磁流體推進(jìn)系統(tǒng)不存在螺旋槳、軸系和減速齒輪箱等機(jī)械部件，消除了由這些轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)引起的振動和噪聲，其輻射噪聲也比螺旋槳推進(jìn)器小，使得航海平臺幾乎在安靜的狀態(tài)下航行，具有十分理想的噪聲特性。

（2）操縱靈活。磁流體推進(jìn)可控制推進(jìn)器的輸入電壓或電流對航海平臺進(jìn)行操縱，通常通過調(diào)節(jié)電壓（電流）的大小來控制推力及速度;通過改變電壓的極性，即電流的方向，來操縱運行方向，響應(yīng)快速，操作靈活。

3螺旋型磁流體推進(jìn)器推進(jìn)性能影響因素分析

綜上，螺旋型磁流體推進(jìn)器的推力FT主要取決于磁體長度L、磁體外徑Ф、磁場強(qiáng)度B。

本文以水下平臺最高航速為30節(jié)，推進(jìn)功率30MW為算例，進(jìn)行推進(jìn)性能影響因素分析，推進(jìn)器由對稱型多螺旋型超導(dǎo)磁體組成，即通道數(shù)量為偶數(shù)。推進(jìn)器參數(shù)設(shè)計主要考慮以下4個因素：通道數(shù)量N，磁體長度L，磁體外徑Ф，磁場強(qiáng)度B。下面對這4個因素對推進(jìn)效率的影響依次展開分析。

3.1磁體長度的影響

假定超導(dǎo)磁體磁場強(qiáng)度為15T，磁體外徑為3m，通道數(shù)量為4個，若實現(xiàn)推進(jìn)功率30MW、航速30節(jié)的指標(biāo)，計算出磁體長度與推進(jìn)效率的關(guān)系如圖2所示。由計算結(jié)果得到，磁體長度與推進(jìn)效率成反比。該結(jié)果顯示，為保證推進(jìn)效率最大化，推進(jìn)器磁體長度越小越好。

3.2磁體外徑的影響

假定超導(dǎo)磁體磁場強(qiáng)度為15T，磁體長度為5m，通道數(shù)量為4個，若實現(xiàn)推進(jìn)功率30MW、航速30節(jié)的指標(biāo)，計算出磁體外徑與推進(jìn)效率的關(guān)系如圖3所示。由計算結(jié)果得到，磁體外徑與推進(jìn)效率成反比。

3.3通道數(shù)量的影響

假定超導(dǎo)磁體磁場強(qiáng)度為15T，磁體長度為5m。若固定磁體外徑，則磁體數(shù)量是唯一的，因此限定磁體外徑<3m，若實現(xiàn)推進(jìn)功率30MW、航速30節(jié)的指標(biāo)，得到磁體外徑與磁體數(shù)量的關(guān)系如圖4（a）所示，結(jié)果顯示：磁體數(shù)量與磁體外徑階梯性成反比。

計算出推進(jìn)器通道數(shù)量與推進(jìn)效率的關(guān)系如圖5（a）所示，結(jié)果顯示：相同通道數(shù)量下，推進(jìn)效率在區(qū)間內(nèi)變化，這是因為磁體外徑同時對推進(jìn)效率和通道數(shù)量有影響;相同通道數(shù)量下存在一個最高推進(jìn)效率，這些最高點對應(yīng)的磁體外徑即為圖4（b）中每段階梯對應(yīng)的磁體外徑最小值，且最高推進(jìn)效率與通道數(shù)量成反比圖5（b）。

3.4磁體外徑、通道數(shù)量對最高推進(jìn)效率的影響

為了削弱磁體外部空間發(fā)散磁場、加強(qiáng)磁體內(nèi)部（即通道內(nèi)）中心磁場，多螺旋型超導(dǎo)磁體通常采用偶數(shù)級的通道數(shù)量。因此設(shè)定超導(dǎo)磁體磁場強(qiáng)度為15T，磁體長度為5m，磁體外徑變化范圍為2-3m，計算得到的磁體外徑、通道數(shù)量對推進(jìn)效率的影響如圖6所示?？沙醪脚袛啻朋w外徑、通道數(shù)量對推進(jìn)效率的影響規(guī)律為：磁體外徑在一定變化區(qū)間內(nèi)，磁體數(shù)量保持不變，但推進(jìn)效率隨外徑增大而減小;隨著磁體外徑的繼續(xù)增大，磁體數(shù)量在推進(jìn)效率出現(xiàn)拐點時變小，在相同的磁體數(shù)量下，通道外徑與推進(jìn)效率成反比（圖6（a）），最高推進(jìn)效率與通道數(shù)量成反比（圖6（b）），同時圖6（b）虛線部分還顯示，固定通道數(shù)量下最高推進(jìn)效率對應(yīng)的磁體外徑，宏觀上與推進(jìn)效率成正比。該結(jié)果顯示，為保證效率最大化，推進(jìn)器設(shè)計應(yīng)考慮盡可能少的通道數(shù)量，同時磁體外徑并非越小越好。

3.5磁場強(qiáng)度的影響

假定電極長度5m、通道數(shù)量4個，限定磁體外徑<3m的情況下，對磁場強(qiáng)度在15-25T的最高推進(jìn)效率進(jìn)行計算，得到的推進(jìn)器最高推進(jìn)效率如圖7所示。由結(jié)果可知，最高推進(jìn)效率與磁場強(qiáng)度成正比，即磁場強(qiáng)度越大，推進(jìn)效率越高，當(dāng)磁場強(qiáng)度為25T時，30節(jié)航速下最高推進(jìn)效率可達(dá)39.3878%。

3.6小結(jié)

通過以上分析得到，影響推進(jìn)效率的因素包括：磁場強(qiáng)度、磁體數(shù)量、磁體外徑、磁體長度。其中，磁場強(qiáng)度、磁體外徑與推進(jìn)效率成正比，磁體數(shù)量、磁體長度與推進(jìn)效率成反比。因此，在進(jìn)行推進(jìn)器設(shè)計過程中，為了實現(xiàn)推進(jìn)效率最大化，磁場強(qiáng)度越大越好，通道數(shù)量越小越好，磁體長度越小越好，磁體外徑需在一定區(qū)間內(nèi)存在最優(yōu)解。

4未來發(fā)展展望

限于強(qiáng)磁場超導(dǎo)磁體技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，效率問題是磁流體推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用的癥結(jié)所在。但隨著推進(jìn)機(jī)理的深化、超導(dǎo)磁體技術(shù)的發(fā)展、新型電極材料的研制，并考慮用核能替代初級能源的方案，效率問題將不構(gòu)成制約磁流體技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的決定性因素。磁流體推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用將開啟航海平臺推進(jìn)方式新的篇章。