船用磁流體推進技術應用前景展望

伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司，上海200438）

0 引言

船用磁流體推進技術是利用電磁力使海水運動而產生推力推進船舶運動的一種推進方式。該推進方式取消了常規的螺旋槳、噴水推進等轉動機構，消除了由轉動機構引起的振動和噪聲，也消除了由螺旋槳空泡現象帶來的種種危害，因此，具有安靜推進的優點和可實現高速推進的能力。自20世紀60年代船用磁流體推進設想提出以來，美、日、前蘇聯等國都先后開展了針對該方面的研究，但要達到實用化的目的，仍有許多問題需要解決[1-6]。

本文在探討與實用化密切相關的幾個問題及其解決措施的基礎上，對船用磁流體推進的前景進行了展望[7-10]。

1 船用磁流體推進技術概述

磁流體推進有直流和交流兩種推進方式，相應地有直流和交流兩種推進器[11]。就實用化而言，推進器必須有較高的推進效率，這就需要有能在數十立方米甚至更大的通道內產生20 T以上高場的磁體。直流磁流體推進器采用的是直流超導磁體，交流磁流體推進器采用的是交流超導磁體。雖然交流超導磁流體推進比直流超導磁流體推進更為優越，但從超導磁體的研制現狀及發展趨勢來看，直流超導磁體更易于實現，因此，直流超導磁流體推進成為研究的首選對象，因為其有最先在船舶上應用的前景[12-14]。

直流超導磁流體推進有內磁和外磁兩種推進方式，相應地有內磁式和外磁式兩種磁流體推進器。外磁式磁流體推進器對于降低船體摩擦阻力和興波阻力大有裨益，但其電流和磁場在海域中擴散，不僅會對海洋環境造成污染，還會影響大船舶的航行隱蔽性。由于內磁式磁流體推進器不存在電流和磁場向海域擴散及由此引起的問題，所以其應用前景比外磁式磁流體推進器更為廣闊，并有望成為船舶和魚雷首選的推進方式。

2 船用磁流體推進技術的主要影響因素

船用磁流體推進實用化的首要條件是必須具有良好的推進性能，也就是說要有較高的效率和速度，后者對于軍用艦艇而言尤為重要，因為高速艦艇既可以迅速出擊，又可以快速撤離。為此，磁流體推進的速度能否有效提升，效率能否提高到可被接受的水平，這關系到磁流體推進能否在船舶上真正得以實用化。

船舶的推進速度和效率主要取決于組合參數與載荷系數，這兩個參數概括了推進器及船舶的結構參數、電磁參數、流體力學參數等等。通常而言，可以通過采用較高的磁通密度、電流密度和較小的載荷系數來提高船速，采用較小的載荷系數和較大的組合參數來提高效率，而且可以利用高磁通密度和電導率來得到所需的組合參數。因此，理論上只要采用較大的組合參數和較小的載荷系數值，磁流體推進的船速和效率值就可以達到與傳統螺旋槳推進相當的水平，但在實現這些參數值時存在某些問題，從而影響了磁流體推進的實用化。下面討論與實用化有關的幾個問題。

3 船用磁流體推進技術所面臨的技術問題

3.1 磁流體推進裝置的輕量化和小型化

提高磁流體推進船速和效率的因素之一是采用較小的載荷系數。在推進器通道尺寸一定的情況下，載荷系數與船體濕表面積成正比，而濕表面積與船體排水量成正比。由于動力、磁流體推進器、制冷及控制等設備組成的磁流體推進裝置在船體總重中占比較大。因此，推進裝置的輕量化有助于減輕船體質量，減小船體濕表面積，從而減小載荷系數。而推進裝置的小型化可使其所占的空間減小，從而為有效載荷提供更多的空間。

推進裝置的輕量化和小型化最主要是要通過提高磁流體推進器的效率來實現。因為在船舶推進功率一定的情況下，隨著推進器效率的提高，輸入功率減小，與此相適應的動力及制冷等設備的功率容量也有所減小，因而其質量減輕，體積減小。同時，提高各種設備的自身效率也有助于推進系統進一步實現輕量化和小型化。

3.2 磁流體推進器的強磁場化及輕量化

如上文所述，減小載荷系數主要依靠推進系統的輕量化，輕量化的關鍵在于磁流體推進效率，而效率主要取決于磁通密度、電導率、通道效率等參數。設計具有較高效率的通道系統，并提高海水電導率是提高效率的重要措施，但最有效的措施則為提高磁通密度，該目標可通過采用高場超導磁體實現。超導磁體系統主要由超導線圈及低溫容器構成。磁流體推進器所采用的超導線圈主要由低溫超導材料制成，低溫容器通常由不銹鋼材料制成，采用液氦冷卻，其磁通密度較低。在數十立方米甚至更大的通道空間獲得更強的磁場，利用低溫超導材料通常難以實現該目標，但隨著高溫超導材料的發展，此目標將得以有效實現。高溫超導材料的臨界溫度在未來還會持續提高，如此可采用液氮冷卻。

同時，低溫容器的結構也會相應地簡易化和小型化，再加上具有較高強度和較小密度的新型結構材料的開發和使用，從而使磁體系統的強磁場化和輕量化成為可能。

3.3 高效率、低污染、長壽命電極的開發

當通過電極向海水通電時，會發生電化學反應，化學反應會使電極腐蝕，海水電解，并產生氯氣和次氯酸鈉，從而對海洋環境造成污染；所引起的電極電壓降現象會導致推進器效率的降低。因此，探索一種對氧氣具有催化作用、對氯氣具有抑制能力，并能抗腐蝕，導電性能好，電極電壓降小，機械強度高的電極就成為未來重要的研究目標。

鍍鉑鈦電極的研制成功基本上能滿足上述要求，但其價格較為昂貴，使用壽命也有限，因此進一步探索價廉、性能好、使用壽命與船舶定期檢查時間相當、污染小的電極，仍然是當前研究的一項重要課題。當然，徹底解決這個問題的辦法是采用交流磁流體推進器，因為其無需電極，但存在著高場交流超導磁體的研制問題。

3.4 磁流體推器中的物理和化學現象

以磁流體方式推進的船舶具有較好的航行隱蔽性，而會對船舶航行隱蔽性產生影響的主要因素為磁流體推進器中的氣泡、噪聲及漏磁現象。

氣泡一般是由海水電解而產生的，氣泡的破裂和振蕩會引起噪聲，而氣泡隨海水從噴口噴出又會產生痕跡，影響到船舶的航行隱蔽性。然而，噪聲和航跡與氣泡的數量及尺寸有關，研究表明，在電流密度不高的情況下，氣泡的半徑一般不會超過10 μm，如果再考慮氣泡在運動中的破碎，則其半徑會小于10 μm，并減少生成數量。這樣小尺寸的氣泡以及由氣泡引起的噪聲對船舶航行隱蔽性產生的負面影響幾乎可以忽略不計。但隨著電流密度的提高，氣泡的危害性又會相應顯現出來。所以，就提高船舶航行的隱蔽性而言，應采用較小的電流密度，但如此又會導致電磁力及推力下降，為了解決該問題，只能提高磁場，由此可知推進器采用高場超導磁體的實際意義。

隨著高場超導磁體的應用，漏磁已成為需要重點關注的另一問題。漏磁的危害性在于其不僅會影響船內儀表的正常工作，還會吸引海水中的鐵磁物質，由此可能導致通道面積縮小，流動阻力增大，從而降低推進器的推力和效率。此外，漏磁在船體外散布，還容易被其他探測設備檢測出來，因而影響到了船舶的航行隱蔽性。因此對漏磁問題必須予以重視，可通過對磁體進行合理布局及采用磁屏蔽等措施解決該問題。

3.5 磁流體推進船型

磁流體推進器可被視為一類水下噴水推進裝置，盡管其無需固定安裝位置，但一般具有在船舶及船艉方向開口并貫穿船體的管道，該管道緊密地與船體結合在一起。因此需要研究開發出具有較高速度和較小阻力，并與磁流體推進器相匹配的船型。目前，已提出多種船型結構的設想，而且隨著時間的推移以及研究和開發工作的深入開展，將會有更多式樣的船型得以面世。

4 船用磁流體推進技術應用前景展望

船用磁流體推進與螺旋槳推進相比具有諸多優勢，正是該類優點吸引著研究人員對其開展研究和開發。由于磁流體推進是一項涉及電磁學、流體力學、電化學等多學科，并且綜合性較強的高新技術，其研發難度較大，并且需妥善解決諸多技術問題，如上文所提到的磁流體推進裝置的輕量化和小型化、超導磁體系統的強磁場及輕量化、高性能的電極材料及最佳通道系統等。

目前，部分問題已得以妥善解決，但仍有部分問題正在研究開發進程中，尤其是超導材料及先進磁體技術問題仍有待妥善解決。可以預言，隨著科學技術的不斷發展與進步，以及新材料和新工藝的不斷誕生，上述問題均有望得到解決。

5 結語

船舶螺旋槳從面世到發展再到較為成熟的推進階段經過了百余年，而船用磁流體推進從提出到目前僅有數十年。未來，超導磁流體推進即便能在船舶上得以真正實用化，其與螺旋槳推進方式相比依然是后起之秀。但不可否認，考慮到磁流體推進技術的固有優勢，隨著當前技術水平的持續提高，正如噴氣式飛機取代傳統的螺旋槳飛機一樣，磁流體推進技術必將引領船舶推進技術的發展潮流。