高溫超導技術在艦船裝備中的應用

劉秀峰, 盧永進

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

0 引言

超導是一項具有戰略意義的高新技術，可廣泛用于能源、通信、醫療、交通及國防等領域[1]。自從1911年超導現象被荷蘭科學家發現以來，各國紛紛投入大量人力和物力對超導材料進行研制與探索。盡管先后有數千種超導體誕生，但絕大多數超導材料的臨界轉變溫度（Tc）還達不到30 K，較低的臨界溫度一直限制了超導材料的實際應用。直到1986年，瑞士蘇黎世IBM實驗室的科學家J. G. Bednorz和K. A. Muller發現了臨界溫度為36 K的La2-xBaxCuO4，從而為探尋在液氮溫區值的高溫超導體開辟了道路[2]。通常情況下，高溫超導材料是指臨界溫度在液氮溫度77 K以上的超導材料。1987年，臨界轉變溫度為90 K的YBCO（YBa2Cu3O7-δ）被發現，使資源豐富、價格低廉的液氮作為超導體工作的冷卻劑成為可能。隨后，相繼發現了Tc分別為110 K和125 K的(Bi, Pb)2Sr2Ca2Cu3Oy與Tl2Ba2Ca2Cu3Oy，極大推進了高溫超導材料的研究步伐[3,4]。

近十多年來，世界上研究最多的、最具有產業化前景的高溫超導材料主要分為兩種：釔鋇銅氧（YBCO）和鉍鍶鈣銅氧（BSCCO）。釔鋇銅氧一般用于制備超導薄膜，應用在電子、通信等領域；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，離實用化還有一段距離。而鉍系（Bi-2223/Ag）高溫超導帶材已基本實現工業化生產，其綜合性能已初步滿足工程應用的要求，并在強電、弱電領域得到應用，可為高溫超導實際應用提供關鍵的原材料保障。

本文將結合國內外的研究現狀，總結以鉍系超導材料為代表的高溫超導材料制備工藝和生產狀況，并對超導材料在艦船裝備上的應用進行介紹，最后對發展方向進行展望。

1 高溫超導材料的制備與研究現狀

高溫超導材料是否具備產業化生產能力，直接影響超導應用技術的研究。從實際應用來看，高溫超導材料必須具有可靠性高、成本低廉、機械強度好等優點，才可能被市場所接受，而鉍系高溫超導材料基本滿足以上條件。

目前，鉍系多芯高溫超導帶材的生產途徑采用粉末套管法，整個工藝流程為：首先將經預處理的前驅粉(Bi, Pb)2Sr2CaCu2Ox進行等靜壓，獲得比較密實的粉體材料；然后把預壓實的超導粉體材料裝入純銀管中進行多道次拉拔成形，得到單芯復合體；根據實際需要將多根單芯復合體套裝到新的銀合金管中進行多道次拉拔，獲得直徑為1.7 mm的多芯超導線材；再對多芯超導線材進行軋制，在銀包套內形成所期望的織構；最后通過形變熱處理得到高臨界電流密度的Bi-2223/Ag超導帶材產品。可見，超導帶材的成形是一個多復合體多道次塑性成形的工藝過程，其目的是獲得粉體密實度高、變形均勻性好、強c軸織構的復合帶材。

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

利用高壓熱處理（Hot Isostatic Pressing，簡稱HIP）技術可以對帶材進行原位的形變熱處理，實現帶材致密化，提高超導芯的密度，減少缺陷，達到提高帶材性能的目的。2001年，Rikel等報道了關于高壓熱處理Bi-2223/Ag帶材的試驗結果，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帶材的技術有了根本突破。2005年底，住友電氣宣布開始銷售臨界電流為150 A的帶材產品；2006年又發布研制成功臨界電流為192 A的超導帶材消息；如今已能制備出高達200A的百米級長帶。此外，Wisconsin大學的Yuan[7]和清華超導中心的望賢成等[8]成功將HIP技術運用于Bi-2223/Ag超導帶材，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，促進鉍系超導帶材產業化應用方面具有非常重要的意義。

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同時，一些學者對鉍系超導帶材塑性加工工藝展開了積極有效的研究。由于傳統粉末套管法中軋制過程變形量較大，使得整個帶材截面上存在變形不均勻現象，嚴重時會伴隨裂紋、香腸效應等缺陷，從而影響帶材的最終性能。為此，有學者提出一種對異型截面多芯超導線材進行軋制的方法，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運用方形線材軋制獲得最終帶材，相對圓線軋制而言，可提高臨界電流33%。同時，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行了嘗試，并取得了一些進展，但與實際應用還存在一定距離。

2 高溫超導在艦船裝備中的應用

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

由于海水具有導電特性，在船舶周圍海水中產生磁場和電流場，可使海水受到磁場力，從而推動船舶前進或后退。超導磁流體推進就是通過把電能轉換成流體動能，以噴射推進取代傳統螺旋槳推進的新技術。而超導磁流體推進系統核心部件—超導磁體可以產生一個很強的磁場，使船舶不再配置螺旋漿，從而大大降低振動和噪聲。世界上第一艘超導磁流體推進船于1990年在日本誕生，該實驗船被命名為“大和1號”，如圖2所示，船長30 m，寬18 m，高8 m，排水量185 T，航速達15 km/h，引起了廣泛關注。

目前，世界上多家企業對高溫超導材料實現了工業化生產，并用于高溫超導原型機的研究。在2000年，美國能源部組建的SPI項目組就完成了1000 hp高溫超導電機的研制和試驗工作，成為超導電機商業化應用的里程碑。2003年，美國海軍與美國超導公司（AMSC）簽訂了36.5 MW船用交流同步高溫超導推進電機的合同，該電機使用鉍系超導帶材制造，轉速為120 r/min，已于2006底制成并移交美國海軍研究署，其重量是常規推進電機的1/5～1/4。2007年9月，由日本石川島播磨重工業（IHI）、住友電氣工業、富士電機系統等組成的聯合研究小組，開發出利用鉍系高溫超導線圈來驅動的365 kW船舶用超導電機，并完成了負載試驗。其他各國的研發工作也紛紛在各自的框架計劃內進行。在國內，作為艦船電力推進裝置研制單位，712 研究所通過與清華大學、北京英納超導公司合作，以鉍系高溫超導線材為原材料成功研制出100 kW 艦船推進用超導電機，為探索兆瓦級的船用超導電機奠定了良好的基礎。圖3所示為高溫超導船用推進電動機結構，它采用空心電樞繞組和鉍系超導勵磁繞組技術，轉子在封閉的低溫環境中運行。高溫超導電機重量輕，效率可以達到97.2%，與常規電動機相比損耗減少 50%，節省能源，穩定可靠，成本低廉。如果艦船的推進裝置采用高溫超導電動機，則推進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裝置。對海軍艦船而言，這意味著可增加武備和燃料的裝載量，生命力增強，戰斗性能提高。此外，在普遍認可的吊艙推進系統中，如果選用超導電機，可使吊艙體積縮小，大大提高推進效率。可見高溫超導電機不僅可配置于艙內推進系統，也可安裝在吊艙推進系統中。

隨著艦船技術的發展，綜合電力推進是未來推進技術的重要發展方向，以“系統化、模塊化和集成化”為設計思想，可簡化推進系統布局，節省艙容，提高艦船的經濟性、操縱性和安全性。美國海軍更是引入綜合全電力推進系統發展計劃，譽之為“海上革命的基礎”。目前，開始批量服役的英國45驅逐艦就采用了綜合電力推進技術，使得軍艦擺脫了發電機組和推進機組分別消耗大量燃料的狀況，全艦用電均由主發動機提供，極大降低了油耗。船舶綜合電力系統將推進系統用電、日常用電、高能武器用電與大功率探測設備用電各部分綜合在一起，電力資源在這些系統中進行統一規劃和分配。伴隨新興技術的發展，高溫超導材料制備的超導電纜、超導限流器、超導磁儲能系統、超導變壓器等具有常規產品無法比擬的結構緊湊、能耗低、容量大等優點，將廣泛應用于綜合電力推進技術的各個領域。

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

超導限流器能有效實現對故障短路電流的限制，大大減小系統設備的短路容量值，從而增強電力系統運行的安全性、可靠性，提高電力質量，增大電力的輸送容量與規模。由中科院電工研究所聯合多家單位研制的10.5 kV/1.5 kA高溫超導限流器，如圖4所示。于2005年底在湖南省婁底市高溪變電站進行了三相短路試驗，成功地將三相接地短路電流從無限流器時的3.5 kA限制到635 A，此后該設備投入電網，進行載荷并網長期示范運行。同時，由美國能源部支持的115 kV超導限流器項目正在由AMSC牽頭研制。據估計，2020年國內超導限流器潛在市場容量約為1500億元，足見其前景廣闊。若與艦船電力系統保護設施兼容，可減少電力線路中的斷路器和熔斷器的使用，延長電氣設備壽命，成為發展艦船大容量電力系統的關鍵技術。

3 展望

美國海軍對高溫超導技術給予高度重視，并期望未來艦船能配置包括高溫超導電機、超導磁儲能系統、超導限流器、超導電纜在內的高溫超導電力系統。此外，由于受蒸汽彈射器釋放能量的制約，美國海軍極力推進電磁彈射替代蒸汽彈射研究計劃。同時，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注。現有技術采用高壓電容器驅動電磁炮發射裝置，為尋求理想的高功率脈沖電源，最近提出了超導電感儲能新技術，既節約了電能損耗，又克服了驅動電源質量過大的缺點。而超導技術有著其獨特的優勢，相信高溫超導技術在不久的將來會應用于電磁武器。

2008年，韓國研制的1 MW高溫超導電機已接近于商品化產品。在韓國“應用超導技術發展先進能源系統”（DAPAS）計劃中，發展、促進和利用商業化超導技術是其主要發展任務，最終目標是實現高溫超導產品的全面商業化。

盡管在高溫超導設備上已有重大進展，但在大型艦船電力系統上的應用尚未見報道。其關鍵技術主要涉及高轉矩密度推進技術、高功率密度發電技術、大功率電能變換技術、中壓大電流限制與開斷技術和電力監控系統。在今后的研究中，將開展電力系統對超導裝置的動態穩定性要求、超導電力裝置在電力系統中的優化配置、多臺裝置之間的協調運行與匹配特性、超導電力裝置的裝艦技術等研究，以滿足艦船電力系統對高溫超導技術的需求。

4 結論

高溫超導技術是發展中的新學科和新技術，涉及超導材料、凝聚態物理、電力電子、電機與電器、低溫工程等學科的交叉和融合。運用高溫超導技術，能夠滿足常規技術和方法不能或很難達到的設計要求，并在實踐中解決一些看似幾乎無法實現的問題，為船舶設計人員提供了嶄新的設計思路。盡管超導應用技術研發尚處于示范運行階段，隨著各國在人力、財力和物力上的不斷投入，高溫超導技術正引來黃金時期。只有通過加強基礎和應用研究，高溫超導產品性能才有提升的可能，才能引領未來艦船推進和電力技術的發展方向，促進艦船工業發生巨大變革。

[1] Cai X Y, Polyanskii A A, Li Q, et al. Current-limiting mechanism in individual filaments extracted from superconducting tapes[J]. Nature, 1998, 392： 906-909.

[2] Bednorz J G, Muller K A. Possible highTcsuperconductivity in the Ba-La-Cu-O system[J]. Z.Phys. B. -Condens Matter., 1986, 64： 189-193.

[3] Maeda H, Tanaka Y, Fukutomi M, et al. A new high-Tcoxide superconductor without a rare earth element[J].Jpn J. Appl. Phy., 1988, 27： L209-L210.

[4] Sheng Z Z, Hermann A M. Superconductivity in the rare-earth-free TlBaCuO system above liquid-nitrogen temperature[J]. Nature, 1988, 332： 55-58.