磁流體推進器的推進性能影響因素分析

宋瑪薇

摘要：文章首先簡單介紹了磁流體推進技術的原理及特點，從螺旋型磁流體推進器設計的角度，分析了影響磁流體推進性能的因素，確定了磁體外徑、磁體長度、通道數量、磁場強度與推進效率之間的相互制約關系，為螺旋型磁流體推進器的平臺應用提供了設計思路。

關鍵詞：磁流體推進;超導磁體;分析

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

1概述

磁流體推進技術是一種全新的航海平臺推進方式，它幾乎不需要任何機械傳動部件，同時不會出現空化現象，因此在降噪、提速等方面都極具潛力。從推進原理到推進性能，磁流體推進全面顛覆了傳統的螺旋槳與泵噴推進，其未來應用主要針對航海平臺的靜音、高速推進等。

2推進原理及技術特點

由于海水中存在大量鹽類，可通過電解離子交換而具有導電性。若在磁場中給海水通電，洛倫茲力（電磁力F=JxB）將驅動海水沿垂直磁場和電流所構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技術的基本原理。由此可見，決定磁流體推進系統性能的三要素包括：導電液體（海水）、電場、磁場。

磁流體推進的技術特點主要體現在：

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

（2）操縱靈活。磁流體推進可控制推進器的輸入電壓或電流對航海平臺進行操縱，通常通過調節電壓（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，響應快速，操作靈活。

3螺旋型磁流體推進器推進性能影響因素分析

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

本文以水下平臺最高航速為30節，推進功率30MW為算例，進行推進性能影響因素分析，推進器由對稱型多螺旋型超導磁體組成，即通道數量為偶數。推進器參數設計主要考慮以下4個因素：通道數量N，磁體長度L，磁體外徑Ф，磁場強度B。下面對這4個因素對推進效率的影響依次展開分析。

3.1磁體長度的影響

假定超導磁體磁場強度為15T，磁體外徑為3m，通道數量為4個，若實現推進功率30MW、航速30節的指標，計算出磁體長度與推進效率的關系如圖2所示。由計算結果得到，磁體長度與推進效率成反比。該結果顯示，為保證推進效率最大化，推進器磁體長度越小越好。

3.2磁體外徑的影響

假定超導磁體磁場強度為15T，磁體長度為5m，通道數量為4個，若實現推進功率30MW、航速30節的指標，計算出磁體外徑與推進效率的關系如圖3所示。由計算結果得到，磁體外徑與推進效率成反比。

3.3通道數量的影響

假定超導磁體磁場強度為15T，磁體長度為5m。若固定磁體外徑，則磁體數量是唯一的，因此限定磁體外徑<3m，若實現推進功率30MW、航速30節的指標，得到磁體外徑與磁體數量的關系如圖4（a）所示，結果顯示：磁體數量與磁體外徑階梯性成反比。

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

3.4磁體外徑、通道數量對最高推進效率的影響

為了削弱磁體外部空間發散磁場、加強磁體內部（即通道內）中心磁場，多螺旋型超導磁體通常采用偶數級的通道數量。因此設定超導磁體磁場強度為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、通道數量對推進效率的影響如圖6所示。可初步判斷磁體外徑、通道數量對推進效率的影響規律為：磁體外徑在一定變化區間內，磁體數量保持不變，但推進效率隨外徑增大而減小;隨著磁體外徑的繼續增大，磁體數量在推進效率出現拐點時變小，在相同的磁體數量下，通道外徑與推進效率成反比（圖6（a）），最高推進效率與通道數量成反比（圖6（b）），同時圖6（b）虛線部分還顯示，固定通道數量下最高推進效率對應的磁體外徑，宏觀上與推進效率成正比。該結果顯示，為保證效率最大化，推進器設計應考慮盡可能少的通道數量，同時磁體外徑并非越小越好。

3.5磁場強度的影響

假定電極長度5m、通道數量4個，限定磁體外徑<3m的情況下，對磁場強度在15-25T的最高推進效率進行計算，得到的推進器最高推進效率如圖7所示。由結果可知，最高推進效率與磁場強度成正比，即磁場強度越大，推進效率越高，當磁場強度為25T時，30節航速下最高推進效率可達39.3878%。

3.6小結

通過以上分析得到，影響推進效率的因素包括：磁場強度、磁體數量、磁體外徑、磁體長度。其中，磁場強度、磁體外徑與推進效率成正比，磁體數量、磁體長度與推進效率成反比。因此，在進行推進器設計過程中，為了實現推進效率最大化，磁場強度越大越好，通道數量越小越好，磁體長度越小越好，磁體外徑需在一定區間內存在最優解。

4未來發展展望

限于強磁場超導磁體技術的發展現狀，效率問題是磁流體推進技術應用的癥結所在。但隨著推進機理的深化、超導磁體技術的發展、新型電極材料的研制，并考慮用核能替代初級能源的方案，效率問題將不構成制約磁流體技術發展與應用的決定性因素。磁流體推進技術的應用將開啟航海平臺推進方式新的篇章。