磁流體推進技術應用及展望

辛 旭

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧 大連 116000）

1 .推進器的種類與應用

推進器作為船舶的動力裝置是用來為機械提供動力，以提高速度的。船舶推進器是進行能量轉(zhuǎn)化把主機產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為船舶前進動力的重要裝置。船舶推進器尤其是潛艇的推進器的研究一直注重高性能推進的開發(fā)。現(xiàn)代船舶大部分采用的是反應式推進器，其中應用最廣的是螺旋槳推進器。自從螺旋槳推進器被廣泛應用于船舶推進之后，人們開始在以螺旋槳為核心的基礎上研究創(chuàng)造出了很多新型的推進器形式，如吊艙推進器、泵推進器、對轉(zhuǎn)槳推進器，同時也發(fā)明了未來可能替代螺旋槳的推進形式如噴水推進和磁流體推進。

2 推進器的歷史衍變

從船舶推進器發(fā)明到現(xiàn)在，經(jīng)過不斷的優(yōu)化與調(diào)整，其性能不斷增強，而在這個過程中，得益于人們的智慧，新型的推進器形式也不斷地被創(chuàng)造出來。19世紀螺旋槳推進器應運而生，之后早期形式的推進裝置慢慢淡出大型船舶的視野。

2.1 原始推進

早期的船舶還不能算真正的船舶，像獨木舟、小船，它們的推進主要依靠的是人力、畜力和風力（即撐篙、劃槳、搖櫓和風帆）等。因為它們的形式越來越不能滿足大型輪船的需求，人們一直在探尋更高性能的推進器。

明輪推進的形狀很像車輪，在原動機的驅(qū)動下輪邊緣上的槳板向后撥水使船前進。采用明輪的船舶吃水淺，操作比較靈活，內(nèi)部可用空間大，可以承載更多貨物，行駛起來也比較平穩(wěn)。但是葉片由于部分或全部露出了水面，很容易與其他船舶的船身或者明輪發(fā)生碰撞，使船舶不能穩(wěn)定安全地航行。并且，明輪的葉片結構問題使其在運轉(zhuǎn)時很容易損壞。因此，在后期裝有螺旋槳的輪船便將裝有明輪的輪船淘汰了。

2.2 新型推進方式

隨著科技的發(fā)展，一些新的推進方式應運而生，比如仿生學的發(fā)展，使人們發(fā)明了模擬魚類游動的水下仿生推進器。由物理學定律，人們想到用電磁力推進船舶前進。

（1）仿生推進器是一種將仿生學和船舶推進技術相結合的新型推進技術，具有低噪聲，高效率，低擾動的突出優(yōu)點。水下仿生推進器作為跨領域綜合技術，是要伴隨類似生物流體力學，神經(jīng)網(wǎng)絡控制，仿生機電的關鍵技術的發(fā)展而向更高效、更高速、更高機動性和低噪聲、高續(xù)航的方向發(fā)展。當今，仿生推進器主要應用在水下機器人上，在船舶上的應用還比較罕見。

（2）磁流體推進是一種利用作用于海水的電磁力獲得反作用力作推進力的比較先進的設計理念的新型船舶推進方式。與傳統(tǒng)推進方式相比，因為拋棄了沉重的螺旋槳和一些配套的傳動裝置等，不僅減輕了船舶重量，可以提高推進效率而且避免了因為螺旋槳產(chǎn)生的噪聲，也利于抑制潛艇機械噪聲和流體動力噪聲。

自進入新世紀以來，現(xiàn)代社會快速的發(fā)展要求船舶滿足高航速、高適航、高穩(wěn)定性、高易操作性和低能耗等標準。電力推進系統(tǒng)在綜合船舶推進的各項性能指標來看，具有很大的優(yōu)越性，研究和開發(fā)電力推進設計和制造核心對整個船舶推進發(fā)展有不可估量的作用。磁流體推進，特別是超導磁流體推進雖然具有很多的優(yōu)點，但還需要克服一系列的問題才能應用到實船。

3 磁流體推進的研究現(xiàn)狀

3.1 磁流體技術的實際應用

我國從20世紀70年代就一直致力于超導磁流體技術的研究。近幾年，中國科學院電工研究所在研制出了磁流體推進試驗用0.87 T的永磁磁體和0.46 T的永磁式磁流體推進器及船模后，又研制出了推進器用磁通密度達4 T的螺管型超導磁體，并正在積極地進行著螺旋型超導磁流體推進器及船模的研究。研究得到結論：磁流體推進方式的原理是正確的，但是只有采用超導體產(chǎn)生強磁場才能使磁流體推進實用化。相對來說，磁場磁感應強度大，孔徑大的螺管磁體的制造較為容易實現(xiàn)。1999年9月中國科學院電工研究所、日本神戶商船大學和日本國立材料科學研究所的科學研究人員在日本筑波首次完成了強磁場下14 T的螺旋通道磁流體船舶推進器的合作試驗研究。試驗中磁場的磁感應強度為14 T，平均達13.4 T，電流密度達到1 000 A/m2，電磁力達到20 000 N/m，電機效率高達40%，推進器的推進效率達到了23%，其技術性能指標相比于日本研制的“大和一號”試驗船已經(jīng)提高了一個數(shù)量級，某些技術已接近實用水平。

3.2 磁流體推進器的展望

磁流體推進技術有一個特點就是在運行的時候沒有聲音，具有很強的隱蔽性，但是目前還處于研究實驗階段，并在很大程度上依賴于超導體的發(fā)展。高溫超導技術的飛速發(fā)展將大大促進磁流體推進的發(fā)展。磁流體推進作為一門跨領域的綜合學科，相當復雜并且難度非常大，還需要世界上各國科研人員的不懈努力。將來磁流體推進應用于潛艇上后，不僅可以大大提高操作性和機動性還有相當高的隱蔽性，掌握主動權。應用到商船上，也可以大幅度提高航速，增加經(jīng)濟效益。

4 磁流體推進器的研究與開發(fā)

1992年6月，世界上第一艘載人超導直流電磁推進船“大和一號”在日本神戶港正式試航成功，引起了世界造船界的震驚。在此之前，1961年美國賴斯（A·Rice）教授首先提出了“電磁泵”的專利，從而揭開了船舶電磁推進器研究的序幕。1966年美國的S·Way制作了這種模型船并且進行了航行實驗。英國1970年制作了1 000 kW的超導電動機和發(fā)電機組合的陸上試驗，1976年日本神戶商船大學佐治教授制成了超導直線電磁推進模型船。美國在1980年制作了300 kW超導電磁推進船的海上試驗，并制作了2 250 kW的試驗樣機。1985年日本成立了“超導電磁推進船開發(fā)研究委員會”，1990年完成了480 kW超導直流單極電機的開發(fā)，最終使超導直流電磁推進船于1992年在日本試航成功。

4.1 開發(fā)中存在的問題

4.1.1 電極問題

通電后，在海水中溶解的大量離子會在電極周圍發(fā)生電解反應，在陰極生成可能會產(chǎn)生航跡的氫氣氣泡，在陽極生成有害的次氯酸鈉和附著在電極上的氫氧化鎂。因此在電極的選用上有兩大問題：氣泡引起的航跡和電極的腐蝕。氣泡的產(chǎn)生會引起尾跡效應，進而會影響到軍用潛艇艦船的隱蔽性，而且氣泡的形成會產(chǎn)生電壓降，繼而影響到推進效率，目前尚未有有效的辦法可以解決這個問題。一般采用電鍍的方法來減緩電極的腐蝕從而延長電極的使用壽命。

4.1.2 效率問題

由于電磁之間的相互作用力跟通電海水的電流密度和磁場的磁感應強度兩者有關，要增大船舶前進的推力可以從這兩個方面著手。在海水中添加一定的雜質(zhì)可以有效地提高海水的電導率，使在電流密度一定的情況下降低產(chǎn)生的焦耳熱，從而提高效率。在1989年，美國開展了對在海水中添加鹽溶液對海水導電率的影響的研究，試驗結果顯示在鹽酸、硫酸和氫氧化鈉3種溶液中硫酸對提高海水電導率的效果最好。

4.2 目前有較大進展的技術問題

雖然超導磁流體推進具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ窃诂F(xiàn)階段開發(fā)研究中依然存在著很大的阻力，諸如強磁體支撐技術、低溫容器技術及超導磁體繞制技術等問題懸而未決。經(jīng)歷了多年的研究，超導體在磁流體推進方面的應用已經(jīng)有了突破性進展，為未來磁流體推進的應用化帶來了曙光。雖然距離超導磁流體推進的實際應用還有一段很長很艱難的歷程，但通過研究和理論分析，我們認為超導磁流體推進最終會被得到應用。

4.2.1 超導磁體技術

超導磁體的快速發(fā)展源于超導材料技術的突破，雖然在液氮溫度區(qū)高溫材料尚不能制作成線材，但是類似鈮三錫等的低溫材料已經(jīng)在美國和俄羅斯制成線材，除了可以減少傳輸電路上的功率損失，當其應用在繞制磁體時還可大大提高產(chǎn)生的磁場的磁感應強度。相對來說高溫超導技術難度更高，但是應用高溫超導技術可以大大降低對低溫容器技術的要求。目前，高溫超導技術還在進一步研究開發(fā)中，并獲得了一些突破，相信最終高溫超導技術可以應用到磁流體推進上。

4.2.2 低溫容器技術

低溫容器技術在過去的很長一段時間里已經(jīng)取得了一些技術上的突破，20世紀末期日本的“大和一號”試驗船在做下水前的低溫試驗時就已經(jīng)可以使超導的保持時間達到15 d，在一般情況下，在磁體上添加一個循環(huán)氦的液化裝置就可以滿足長時間的要求。國內(nèi)的技術也可以使低溫容器的超導保持時間達到9 d。現(xiàn)代的低溫容器技術不僅在超導保持時間上有了明顯進步，在結構上和輕量化方面也取得了重大突破。

4.2.3 電解氣泡的抑制技術

海水在被施加電場通過電流時將會在陰極發(fā)生電解產(chǎn)生氫氣形成氣泡，從而產(chǎn)生航跡。在電極產(chǎn)生電解氣泡是無法避免的，一般只能從增大海水電導率和減小氣泡的直徑這兩方面來解決。對于增大海水電導率，目前尚沒有有效的解決方法。但是從減小生成的氣泡直徑來看，有試驗結果已經(jīng)證實，如果選取合適的電流密度和電極材料可以有效減小產(chǎn)生的氣泡的直徑，使?jié)撏г谒潞叫袝r不會引起明顯的航跡。

4.3 一些需要說明的問題

作為艦船的推進裝置可以被業(yè)主所接受的第一條件是應具有良好的推進性能，也就是說必須有可以接受的推進效率。因此，超導磁流體推進效率低下的問題成為了研究者們爭論是否發(fā)展磁流體推進的焦點。雖然它在理論上可以達到可接受的效率水平，但至今尚未有試驗證明磁流體推進可以達到理論上的推進效率。影響推進效率的主要原因是海水電導率產(chǎn)生的焦耳熱功率的散失和不夠足夠強的磁場。因為推進效率與磁場的磁感應強度的平方成正比，所以提高推進效率最有效的辦法是提高磁場的磁感應強度。根據(jù)理論分析，假如磁場的磁感應強度可以達到15 T，那么電磁推進效率就可以達到60%。因為磁流體推進的推力與電流密度成正比，在磁場磁感應強度有限的情況下，為了產(chǎn)生足夠的推進力，只有加大電流密度，但是電流密度使散失的焦耳熱以平方的關系增加，又會使推進效率降低，“大和一號”試驗船效率低下的原因就是如此。因為磁流體推進效率伴隨航速的增加而升高（有最佳航速），從原理上說磁流體推進更適合高速船。為了提高推進效率，對推進器本身必須圍繞增加海水電導率、增加磁場磁感應強度、合適的電流及合適的航速4個方面繼續(xù)進行研究，從發(fā)展趨勢上來看，上述問題最終都是可以解決的。

5 高溫超導磁流體推進技術

5.1 高溫超導技術促進了磁流體推進的發(fā)展

由于磁流體推進現(xiàn)階段的推進效率大大低于人們可以接受的范圍，所以在很大程度上阻礙了其工程應用化的進程，尤其是在能源越來越緊缺的情況下，這個問題顯得更為嚴重。目前提高推進效率最有效的方法就是采用超導體繞制的磁體產(chǎn)生足夠強的磁場。現(xiàn)代超導技術的發(fā)展為磁流體推進的發(fā)展提供了重大機遇。

事實上，提高磁感應強度到5 T可得到適合的效率這個結論是科學家Hummer對海水直流電磁推進器進行研究時得出的。隨后，日本兩位科學家對此又進行了進一步的深入探索，將超導技術提到科研報告中，指出該技術對于磁流體推進的進一步發(fā)展的重要作用。也有英國研究者認為必須要有磁感應強度達20~30 T的強磁場才能使磁流體推進的效率達到和螺旋槳同等的推進效率。因此，擺在面前的最重要問題就是強磁體的開發(fā)。與低溫超導技術相比，高溫超導技術受制冷系統(tǒng)的體積和效率的限制較小，所以較受人們的青睞。自高溫超導技術誕生之日起，人們使用該技術成功制造出了較為成熟的超導線材，部分已經(jīng)應用到了實際生活中。

5.2 超導磁流體推進的關鍵技術

超導磁流體推進作為跨學科的綜合技術，不僅覆蓋面廣，而且研究難度大，需要有眾多學科的學者聯(lián)合攻關。

從高溫超導磁流體推進系統(tǒng)的構成和性能出發(fā)可以了解到，作為艦船用的推進裝置必須和船體作為一個整體來考慮，這就要求系統(tǒng)具有功率密度高、重量小、耐風浪、耐沖擊、耐振動、耐用和極少需要維修的特點。對于超導磁流體推進器的要求主要是：（1）具有可接受的推進效率；（2）穩(wěn)定可靠；（3）沒有負面影響，像磁場的泄漏，電解產(chǎn)生氣泡引起的航跡，海洋環(huán)境污染危害等。這些標準大大提高了磁流體應用的門檻，有許多關鍵技術問題：超導磁體的結構設計，主要為了產(chǎn)生均勻的高強度磁場，線圈的繞制及安裝，降低支撐材料的承受強度；管道設計技術，主要為了降低阻力提高噴射效率及與船身的配合問題；低溫容器技術，主要為了降低液氦揮發(fā)，保持超導，適合船艦裝載的問題；電極材料技術，主要為了延長電極的使用壽命，減少電解氣泡的產(chǎn)生，因為附著物產(chǎn)生的壓降問題；船型設計技術，解決船體與推進器的配合問題，提高推進效率和機動性；提高海水電導率的技術，減少焦耳熱散失的功率，提高效率。

6 結束語

船舶超導磁流體推進在理論上相比于目前采用的螺旋槳推進裝置有許多的潛在優(yōu)點。隨著許多關鍵技術的深入研究和一些問題上的攻克，人們看到磁流體推進應用的希望。當然不可否認，超導磁流體推進研究還處于初級階段，離推廣應用還有一段很艱難的歷程，還需要更多熱心從事于磁流體推進系統(tǒng)工作者的不懈努力。

伴隨著超導技術的發(fā)展，超導技術的應用研究也隨之發(fā)展。超導單極電機，超導電力推進，超導磁流體推進，超導電磁發(fā)射技術等在發(fā)達國家已經(jīng)到了實際應用研究的地步，并且有了突破性進展。美國、英國、日本和俄羅斯等國在這些方面的研究已經(jīng)逐漸趨于成熟，并有計劃在下世紀初投入使用。同樣，超導低溫技術的突破，促進了超導磁流體推進技術的發(fā)展，正如各國專家所公認的，超導磁流體推進是可以代替螺旋槳、齒輪箱和軸系等傳動部件的。超導低溫技術的發(fā)展將為研究發(fā)展靜默型大功率船舶奠定基礎，使傳統(tǒng)的造船業(yè)技術大為改觀。這種變革可以和航空采用噴氣式推進器取代螺旋槳推進的破壞性改革相比擬。

超導磁流體推進技術是一項跨領域綜合各種學科的高新技術，它的研究覆蓋面廣，研究難度大，關鍵技術問題多，例如高磁感應強度磁體的繞制技術及磁場屏蔽技術，電極材料的耐久性技術，電解氣泡的消除，高性能磁流體通道的設計，制冷設備的小型化可靠化設計等。但可以猜想，隨著各種關鍵技術的逐個突破，超導磁流體推進技術在這個世紀有希望獲得重大的發(fā)展，并有實際的應用。