超導技術在艦船上的應用前景

范 昕

(海裝武漢局，武漢430064)

超導技術在艦船上的應用前景

范 昕

(海裝武漢局，武漢430064)

本文分析和展望了高溫超導電機、超導消磁電纜、超導掃雷具、超導儲能、超導磁流體推進等超導技術在艦船領域的應用現狀和前景。

艦船 超導電機 消磁電纜 超導儲能 磁流體

0 引言

超導體由于其零電阻特性和邁斯納效應，使其具備常規導體無可比擬的優勢。自從1986年瑞士蘇黎世實驗室發現了臨界溫度達到30K以上的超導體，在世界范圍內掀起了新的高溫超導體研究熱潮，也使得超導技術的發展邁上了一個新的階段。近年來，隨著超導材料制備工藝的不斷成熟和性能的提高，超導技術作為一項具有戰略意義的前沿科技，正逐漸受到各領域的廣泛關注，尤其在能源、交通、醫學、國防及大型科學工程中得到應用推廣[1]。本文將根據國內外研究現狀，針對超導技術在艦船領域的應用現狀和前景進行總結和展望。

1 高溫超導電機在艦船電力推進中的應用前景

艦船電力推進系統具有推進效率高、布置靈活、聲學性能好等技術優勢，能夠有效提高艦船續航力、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展方向。艦船推進電機主要有直流電機、永磁電機、感應電機和超導電機，其中直流推進電機主要作為常規潛艇的主推進電機和核潛艇的應急推進電機，一般最大功率不超過5MW。根據美國南德（RAND）公司國防研究報告得知，相比永磁電機和感應電機，高溫超導電機轉矩密度最高，對比情況如表1所示，同時具有體積小、重量輕、效率高、噪聲低等優點，是未來大型艦船推進電機最有優勢的技術方案。

表1 不同類型推進電機的技術參數比較

高溫超導推進電機采用高溫超導磁體進行激磁，由于超導材料具有零電阻特性，使得高溫超導線圈在低溫下載流能力遠大于銅線圈，進而在給定空間內能產生很強的磁場，使其具有高功率密度、高效率、重量輕、噪聲低、過載能力強、無周期熱負載等優點。隨著高溫超導線材性能的不斷進步，其技術優勢將越來越顯著[2]。在許多大中型電機應用場合，特別是對電機體積、重量有嚴格要求的船舶電力推進領域，高溫超導推進電機具有十分廣闊的應用前景。

國外對高溫超導電機的研究十分重視，美、德、日、韓等國采取一系列措施，完善體制，增加研究經費，制定研發計劃，并取得了重大的突破。美國于2007年3月成功完成了36.5 MW 高溫超導推進電機（如圖1所示）出廠試驗，并于2008年交付海軍基地作進一步的測試。該電機轉速為120 r/min，重量75噸（包括輔助系統），其體積和重量約為常規電機的1/2和1/3，技術性能優異。日本川崎重工于2013年6月宣布完成3 MW船舶電力推進用高溫超導電機。德國于2006年成功研制4 MW、3600 r/min 發電機，2011年又研制成功4 MW、120 r/min 高溫超導電動機。國內于2012年成功完成1 MW高溫超導推進電機樣機的研制（如圖2所示），初步建立了高溫超導電機設計與分析方法，突破了高溫超導電機部分共性關鍵技術。

圖1 美國36.5 MW高溫超導電機

圖2 我國1 MW高溫超導電機

2 高溫超導消磁技術在艦船消磁系統中的應用前景

艦船消磁是通過減弱艦船磁場強度并改善其分布特性的技術措施，進而提高艦船的磁性防護能力，防御水中磁性武器的攻擊和被磁探測儀器發現，消除磁化后的艦船對儀器設備和武器精度的影響，保障艦艇航行安全及作戰效能。目前，常規的艦船消磁系統主要采用銅制消磁電纜對艦船進行消磁，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，發熱大也會給整個工作環境帶來安全隱患，也大大限值了艦船大容量消磁系統的發展。

高溫超導消磁系統采用超導材料作為載流導體，即使在大電流下，超導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。相比常規銅制消磁電纜系統，高溫超導消磁系統具有體積小、重量輕、安裝靈活、運行維護費用較低、能耗低、發熱小、安全性好、擴容空間大等多種優勢[3]。因此，超導消磁技術是未來艦船消磁領域的具有很大優勢的技術方向，可實現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的高溫超導消磁電纜[4]（如圖3所示）。該電纜能夠在外包層內靈活彎曲，符合各種船舶的安裝需求，并在“阿利·伯克”級希金斯號驅逐艦上完成了初始試驗。美國海軍部門預計，在LPD-17兩棲船塢登陸艦、LCS近海戰斗艦、CG(X)巡洋艦、DDG-1000驅逐艦和CVN-21航母上應用的高溫超導消磁系統在導線總重量上將比銅導線減少50%至80%，總成本也將低于目前用銅導線制造的消磁電纜系統，而且，安裝在所有艦艇上的導線總長度將比銅導線減少90%，從而得知，超導消磁系統具有重大的軍事價值。

3 超導掃雷具在艦船反水雷技術中的應用前景

感應式觸發水雷是現代海上作戰中的一種常用武器，常用于封鎖商業港口和海軍基地，切斷敵方海上運輸，消滅重型戰艦和商船。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，這是英國和前蘇聯在第二次世界大戰中采用的，有效地保護了前蘇聯海軍對抗德國布置的水雷。但第二次世界大戰以后，隨著水雷磁引信的靈敏度增加，能檢測到遠距離的去磁船，使得船去磁方式無法發揮作用。攜帶掃雷裝置的掃雷艦應運而生，并成為目前掃雷作戰的主要手段。掃雷艦的作業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，從而保護船只航行航道安全。

圖3 美國超導公司的超導消磁電纜

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生磁場，或者在船上安裝一個電磁體產生磁場引爆水雷[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，通常借助直升飛機進行牽引。常規掃雷具采用鐵心與線圈的組合結構，其體積重量較大，給直升機牽引帶來了困難。而超導掃雷具采用空心磁體，且載流能力遠大于常規銅導體，具有重量輕、尺寸小、無剩磁、易運輸安裝等優點，可實現靈活布置，便于直升飛機牽引形成隊列，如圖4所示。

圖4 超導掃雷具隊列示意圖

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

4 超導儲能技術在艦船電力系統中的應用前景

在現代艦船上，隨著若干高新技術的應用，艦船電力系統乃至整個能源管理系統的要求必將越來越高。導航、武器目標搜捕、瞄準、跟蹤等指揮和控制系統等信息技術的廣泛應用，計算機及電子設備的穩定運行至關重要。由于其對電源電壓的變化較為敏感，這對艦船電力系統的可靠性、電壓、頻率的穩定性等技術要求也更加苛刻。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、包括能量存儲、大功率釋放、能量高效高速控制的技術要求都是前所未有的。

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

5 超導磁流體推進技術在艦艇低噪聲推進器中的應用前景

目前，世界上各國均在發展無人艇、水下潛航器、水中兵器等水下武器裝備，從最初用于執行特別危險和不適于載人艦艇執行的任務，逐步推廣到海上偵查監視、反水雷戰、反潛戰、特種部隊支持等更多領域。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，而推進器是水下武器裝備的最主要噪聲源。當前主要采取的改進型螺旋槳結構、氣幕降噪、泵噴推進等技術措施，可在一定程度上抑制螺旋槳噪聲，但無法從根本上消除轉動部件及空泡噪聲。

磁流體推進技術取消了傳統螺旋槳、水泵的轉動機構，可以從根本上消除轉動部件及空泡噪聲，進而有效提高了水下推進器的安靜性[8]。超導磁流體推進的工作原理是通過艦船內部的超導磁體在流入船體的海水區域產生一個強大的磁場，在海水中通以定向電流，使得海水中產生電磁作用力，推動海水運動進而產生推力，同時可以利用調節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方向[9]。水下超導磁流體推進相關技術一旦突破，將為水下航行器等武器裝備的低噪聲隱身性能帶來變革，其低噪聲性能優勢是其它推進方式所無法比擬的，將大力提升水下武器裝備的綜合性能。

國內外很早就開始對超導磁流體推進技術進行探索研究。美國阿貢實驗室建有一套超導磁流體推擠器實驗裝置，完成了“洛杉磯號”核潛艇磁流體推進器的概念設計。日本船舶和海洋財團電磁推進船研發委員會開發的“大和一號”（如圖5所示）試驗船是首例超導電磁推進器試驗船，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90年代開始磁流體推進技術的研究，2011年研制成功磁流體海水推進器實驗室樣機，并完成回路測試。

圖5 日本大和一號超導水下磁流體推進器

6 結論

超導技術在艦船領域具有十分可貴的潛在應用價值，能夠滿足常規技術難以達到的技術要求。但由于超導技術涉及了材料、結構、電力、低溫等多學科的交叉融合，也給超導技術的工程應用帶來了很多挑戰，使得目前超導技術的應用大部分尚處于研發或示范運行階段。隨著近幾年國內超導材料制備技術的快速發展，逐漸克服了早期超導帶材依賴國外進口的局限性，降低了超導技術的經濟成本。同時，隨著國內外科研機構對超導技術的研發和應用研究的不斷投入和加強，技術難題不斷被攻克，為超導技術的應用提供了技術保障。

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[8] Patrick Hales, Peter Hirst, Steven Milward. A solid nitrogen cooled high temperature superconducting magnet for use in magnetohydrodynamic marine propulsion. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 16, No. 2, June 2006.

[9] 李亞旭, 劉曉林. 船舶磁流體推進與高溫超導. 船電技術, 2009, 29（8）： 1-4.

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：艦船電力系統及控制專業。