稀土在艦船中應用方興未艾

● 張安文/文

造船工業(yè)是制造業(yè)領域最重要的工業(yè)部門之一，和飛機、汽車一樣，是材料、機、電、光和儀表制造，軟件和計算機應用的系統(tǒng)集成，造船工業(yè)總體水平是制造業(yè)各細分部門的技術水平和創(chuàng)新能力的綜合體現(xiàn)。造船工業(yè)最新技術進展（包括新技術原理應用、新材料、新工藝、新裝備、儀器儀表、軟件和計算機技術的采用），成為衡量一個國家造船業(yè)水平的重要標志。同時，造船業(yè)對相關產業(yè)的帶動提升作用也十分明顯，造船業(yè)的發(fā)展對GDP 增長、高新技術成長、軍民結合和增加就業(yè)都具有重要意義。

2018年以來,全球造船業(yè)陷入低迷期，新接訂單和手持訂單量都出現(xiàn)了不同程度的下滑，但在2020年后開始復蘇。2021年全球造船新接訂單量為11985 萬載重噸，我國承接了6231 萬載重噸，占全球訂單量的51.9%，為世界第一。韓國承接了4061萬載重噸，占全球訂單量的33.8%，為世界第二。日本為1283 萬載重噸，占比為10.7%。中韓日這三個造船大國新接訂單量占全球總量的96.6%。我國造船業(yè)以出口為主，國際船東占我國手持船舶訂單的60%以上，屬出口外向型行業(yè)。我國造船業(yè)規(guī)模最大，但技術水平與世界先進造船國相比還有較大差距，船舶配套能力嚴重不足，很多重要的船用核心零部件依賴進口。

稀土在船舶相關的零部件、傳感器、電機中有重要應用，稀土功能材料完全有可能與船用配套產業(yè)共同發(fā)展。

克拉克森公司發(fā)布的《造船行情展望報告》指出，隨著全球后疫情時代經濟的逐步復蘇，預計2021年和2022年，全球年均新船訂單量同比將增長55%。

與此同時，世界各國尤其是軍事大國，這些年來加快了新型艦艇替代老式軍艦的進程，被形容為“下餃子”一樣的快，而且密集地采用了諸多先進技術、先進材料、先進生產加工工藝，以及最新技術原理和由此產生的全新裝備系統(tǒng)，如艦船智能化、船舶機電一體化等。

稀土在艦船中的應用難以代替。采用稀土原材料生產的零部件、重要傳感器、執(zhí)行機構、電機等核心元器件，在艦船的自動化、智能化、機電光一體化等方面發(fā)揮著重要作用。稀土永磁、稀土發(fā)光、稀土催化、稀土晶體、稀土磁致伸縮材料、稀土合金等材料已經或必將在艦船中得到日益廣泛的應用。

稀土永磁電機是稀土在艦船中最重要的應用之一，主要應用于大型電機艦船的主驅動以及中小型及微特電機等各種重要部件。

傳統(tǒng)軍艦主要驅動方式是柴油機—齒輪箱—螺旋槳，或者燃氣輪機—齒輪箱—螺旋槳，更早期的大船還有蒸汽機驅動。而稀土永磁電機的應用令主驅動方式煥然一新。即采用柴油機或燃氣輪機驅動發(fā)電機發(fā)出電力，進而供給可調速的主驅動電機直接帶動螺旋槳旋轉。

值得指出的是，新的驅動方式是主驅動永磁電機靠近螺旋槳或者合為一體，這種先進的驅動方式具有以下優(yōu)點：

1.轉距密度大，設備簡化，適艇性強，推進效率高，可提高最大航速及續(xù)航能力；

2.大大降低了振動及噪音，提高了隱蔽性（靜默性）；

3.結構和操作簡單，系統(tǒng)運行可靠，提高了可維護性；

4.電機采用無換向器結構，無火花產生，避免了石墨粉對絕緣體的不利影響；

5.容積和重量減少，提高了船速和機動性，全壽命周期費用下降；

6.可實現(xiàn)模塊化、標準化、通用化，實現(xiàn)自動控制和智能化。

國外稀土永磁電機做為艦船主驅動方式已有多年的歷史。德國西門子公司1986年就開發(fā)了1100kW，250r/min 電機系統(tǒng)；1998年開發(fā) 了1760kW 永磁同步電機IFR6 系列。后來研制了1.7MW～5MW 的電機，用于各類潛艇等。特別引人注目的是該公司研制的PERMASYN 電動機，是功率為20MW 的徑向電機，重達84 噸，但其體積比傳統(tǒng)直流推進電機降低40%。

圖1 PERMASYN 電動機外形

美國于1991年就開始研發(fā)潛艇電力推進系統(tǒng)，并推出了25000 軸馬力永磁電機，進行全電推進艦船的試制生產，有代表性的是用于SC-21 艦船的19500kW 高效永磁電機。2009年DRS 公司的36.5MW 徑向磁通電機交付海軍使用。有名的朱姆沃爾特號驅逐艦即DDG1000 艦由BIW 公司制造，該艦采用了36.5MW 永磁電機。以阿利伯克宙斯盾號為代表的導彈驅逐艦，各型號潛艇及核潛艇都有相當多的重要設備、重要零部件用上了稀土功能材料。

英國1996年“海航”號輕型隱身護衛(wèi)艦采用了2X21000kW永磁電機，電機直接驅動螺旋槳旋轉。1997年英皇家海軍與ROLL-Royce 公司簽訂了MW級橫向永磁電機合同。

法國熱蒙公司1987年開發(fā)了40kW，55r/min永磁電機，體積減少40%；1996年1800kW，180r/min 電機完成試驗；1997年為智利海軍“蝎子”號潛艇提供3.3MW，160r/min 系統(tǒng)，為法國“鲉魚”級潛艇提供3.5MW 永磁電機。

俄羅斯的4.1MW 永磁電機用于著名的阿穆爾級潛艇，其體積減少60%，重量減少40%，由于降噪而明顯地提高了隱身效果。而瑞士的BBC 公司1986年就為瑞典潛艇設計了1.5MW，180r/min 永磁同步推進電機。

采用稀土永磁電機作為主驅動電機，已經逐漸成為各國海軍艦艇主驅動的主流技術，并由此帶動了船舶機電一體化、智能化等顛覆性技術的快速發(fā)展。

民用船舶稀土永磁電機驅動技術要晚于軍用艦船的發(fā)展，但也開啟了永磁電機驅動的大幕。如ABB 公司已成功開發(fā)了3～5MW 系列永磁主驅動電機，廣泛用于海上救援船、浮動鉆井平臺、電纜鋪設船、游艇、輪渡船等。西門子公司研制的永磁電機5～20MW，采用雙螺旋槳，用于驅動各種郵輪，如4X21.5MW 永磁電機用于瑪麗婭皇后二世號郵輪。

我國在這方面的研究與應用晚于相關發(fā)達國家，但也取得了一定成績并在迎頭趕上。2016年中車電機公司與相關企業(yè)簽訂了船用永磁同步牽引電機合同，可提供80KW 等永磁電機及配套變頻器，實現(xiàn)了油改電，運營成本降低10%以上，同時減少了污染和碳排放，該電機將廣泛用于內河船運、景區(qū)、港口、輪渡等中小船舶。2017年，我國研制的第一艘全電動船舶試航成功，該船可載2000 噸貨物，充電2 小時可續(xù)航80km。

Research and Markets 公司對2015～2024年全球電動船舶、小型潛艇、自動水上航行器等的市場前景、性能、成本等內容進行了預測，認為其市場容量由2013年的26 億美元將增加到2024年的73 億美元，而大功率電動船市場將增長3 倍以上。

稀土防輻射涂料用在艦船相關部位可起到防輻射作用。采用Tb、Dy、Fe 的稀土超磁致伸縮材料，通常稱為Terfenol-D,用這種材料制成的水生換能器,在相同體積條件下,其共振頻率是壓電陶瓷的1/4～1/3，發(fā)射頻率高10 倍以上，是用來制作水下聲納的理想材料，可實現(xiàn)在較遠距離探知敵方艦艇的方位。在民用方面，可用于探測魚群的位置等和探測地質情況的儀器。

早在1983年利用Sc 制作的GsGG 晶體研發(fā)成功，即Gd3SC2Ga3O12激光晶體，可用于潛水艇水下激光器以及其他重要應用場景。

大約90%的激光材料都涉及到稀土，激光材料在軍事上的應用越來越重要。如使用很早也很普遍的摻釹釔鋁石榴石，用于制作激光測距儀，可測距離為4000～8000m。激光測距儀重量輕、體積小、操作簡單、測距速度快而準確，而且其測量誤差僅為其光學測距儀的五分之一到數(shù)百分之一，被稱為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中明察秋毫的“千里眼”，廣泛應用于地形測量，坦克、飛機、艦船和火炮對目標高度的測量，是提高坦克、飛機、艦艇等兵器打擊精度的重要技術裝備。

炸彈的精準制導有多種方式，激光制導是最重要的方式之一。對打擊目標照射激光，采用每秒發(fā)射幾十個脈沖的YAG：Nd 激光器,對脈沖進行編碼,光脈沖能自導導彈響應，防止對導彈發(fā)射干擾和躲避敵方障礙。

艦船不論大型抑或中小型，都需要大量的照明燈具，用于輪機艙、駕駛艙、船員休息、彈藥庫等各船室的照明，總耗電量也不可忽視。而電力來源于柴油機、燃氣輪機或核反應堆等驅動發(fā)電獲得，艦船攜帶油料有限，為此節(jié)約電力消耗非常必要。各種稀土發(fā)光材料制作的燈具節(jié)能、高效，在艦船上有廣泛應用，如三基色節(jié)能燈、LED 燈、高壓汞燈等，這些燈具所用的發(fā)光材料均含有Y、Eu、Ce、Tb 等稀土元素（Y、Eu、Ce 是高豐度稀土元素）。

圖2 永磁電機直接驅動螺旋槳方式

圖3 海軍056 艦雄姿

與此同時，艦船上要使用大量的顯示屏、顯示標牌等。這些屏幕要采用LED、OLED 材料，還有發(fā)光二極管的大量使用，都離不開稀土材料，稀土長余輝材料也在夜間和艦艇暗處標牌一顯身手。

隨著艦船輕量化和綜合能力提升的要求，將會有更多的稀土結構材料用于艦船。如稀土耐熱材料用于高溫涂層；稀土、鈮處理鋼用于甲板和殼體材料以提高耐腐蝕能力及耐磨性能；稀土球墨鑄鐵用于大型柴油機主軸；稀土蠕墨鑄鐵用于排氣管，稀土灰鑄鐵用于柴油機缸體、缸蓋等，以提高耐磨、耐熱、減振性能并提高機械性能等；高比強度、輕量化的稀土鋁合金、鎂合金用于各種艦船構件,以減輕自重；含稀土的涂料用于船體涂覆以防腐等。

值得一提的是，隨著各海軍大國戰(zhàn)略核打擊力量擴充和升級，核動力用于大型艦船特別是核潛艇呈現(xiàn)與日俱增態(tài)勢。如核反應堆需要熱中子俘荻材料，而Eu 具有較大的熱中子俘荻截面，而且是一個長壽命的吸收體，在核潛艇的核反應堆發(fā)揮重要作用。

稀土高分子X 射線防護材料、稀土高分子中子輻射防護材料都可以在艦船中找到用武之地，如后者的熱中子屏蔽效果比無稀土高分子材料高5～6 倍，其中添加了Sm、Eu、Gd、Dy 等元素的材料性能為最佳。

由此可見，以稀土永磁、稀土發(fā)光、稀土晶體為代表的稀土功能材料，以稀土鋼、稀土鑄鐵、稀土有色金屬、稀土有機化合物為代表的稀土結構材料，已經在艦船中得到日益廣泛的應用。隨著稀土材料性能的持續(xù)改進，性價比的不斷提升，以及新的稀土功能材料和結構材料的問世，可以預見稀土在艦船中將有更多的用武之地。稀土在艦船中的應用，將有力地加快艦船的自動化、智能化升級，節(jié)省艦船及部件重量，減少油料消耗，進而提高艦船的續(xù)航能力、隱身能力等綜合性能。簡言之，稀土在艦船中應用正是方興未艾、前景可期。

（注：本文數(shù)據(jù)及照片均引自《船電技術》等公開出版物和相關網(wǎng)站。）

圖4 LGN 即液化天然氣船

圖5 瑪利亞皇后二世號郵輪