磁流體推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用及展望

辛 旭

（大連中遠(yuǎn)海運重工有限公司，遼寧 大連 116000）

1 .推進(jìn)器的種類與應(yīng)用

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

2 推進(jìn)器的歷史衍變

從船舶推進(jìn)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(jìn)器形式也不斷地被創(chuàng)造出來。19世紀(jì)螺旋槳推進(jìn)器應(yīng)運而生，之后早期形式的推進(jìn)裝置慢慢淡出大型船舶的視野。

2.1 原始推進(jìn)

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(jìn)主要依靠的是人力、畜力和風(fēng)力（即撐篙、劃槳、搖櫓和風(fēng)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(jìn)器。

明輪推進(jìn)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(jìn)。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(jié)構(gòu)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(jìn)方式

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

（1）仿生推進(jìn)器是一種將仿生學(xué)和船舶推進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的新型推進(jìn)技術(shù)，具有低噪聲，高效率，低擾動的突出優(yōu)點。水下仿生推進(jìn)器作為跨領(lǐng)域綜合技術(shù)，是要伴隨類似生物流體力學(xué)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，仿生機電的關(guān)鍵技術(shù)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(dāng)今，仿生推進(jìn)器主要應(yīng)用在水下機器人上，在船舶上的應(yīng)用還比較罕見。

（2）磁流體推進(jìn)是一種利用作用于海水的電磁力獲得反作用力作推進(jìn)力的比較先進(jìn)的設(shè)計理念的新型船舶推進(jìn)方式。與傳統(tǒng)推進(jìn)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(jìn)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(jìn)入新世紀(jì)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(biāo)準(zhǔn)。電力推進(jìn)系統(tǒng)在綜合船舶推進(jìn)的各項性能指標(biāo)來看，具有很大的優(yōu)越性，研究和開發(fā)電力推進(jìn)設(shè)計和制造核心對整個船舶推進(jìn)發(fā)展有不可估量的作用。磁流體推進(jìn)，特別是超導(dǎo)磁流體推進(jìn)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(yīng)用到實船。

3 磁流體推進(jìn)的研究現(xiàn)狀

3.1 磁流體技術(shù)的實際應(yīng)用

我國從20世紀(jì)70年代就一直致力于超導(dǎo)磁流體技術(shù)的研究。近幾年，中國科學(xué)院電工研究所在研制出了磁流體推進(jìn)試驗用0.87 T的永磁磁體和0.46 T的永磁式磁流體推進(jìn)器及船模后，又研制出了推進(jìn)器用磁通密度達(dá)4 T的螺管型超導(dǎo)磁體，并正在積極地進(jìn)行著螺旋型超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器及船模的研究。研究得到結(jié)論：磁流體推進(jìn)方式的原理是正確的，但是只有采用超導(dǎo)體產(chǎn)生強磁場才能使磁流體推進(jìn)實用化。相對來說，磁場磁感應(yīng)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(xué)院電工研究所、日本神戶商船大學(xué)和日本國立材料科學(xué)研究所的科學(xué)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(jìn)器的合作試驗研究。試驗中磁場的磁感應(yīng)強度為14 T，平均達(dá)13.4 T，電流密度達(dá)到1 000 A/m2，電磁力達(dá)到20 000 N/m，電機效率高達(dá)40%，推進(jìn)器的推進(jìn)效率達(dá)到了23%，其技術(shù)性能指標(biāo)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(shù)已接近實用水平。

3.2 磁流體推進(jìn)器的展望

磁流體推進(jìn)技術(shù)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(dǎo)體的發(fā)展。高溫超導(dǎo)技術(shù)的飛速發(fā)展將大大促進(jìn)磁流體推進(jìn)的發(fā)展。磁流體推進(jìn)作為一門跨領(lǐng)域的綜合學(xué)科，相當(dāng)復(fù)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(jìn)應(yīng)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(dāng)高的隱蔽性，掌握主動權(quán)。應(yīng)用到商船上，也可以大幅度提高航速，增加經(jīng)濟(jì)效益。

4 磁流體推進(jìn)器的研究與開發(fā)

1992年6月，世界上第一艘載人超導(dǎo)直流電磁推進(jìn)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(jìn)器研究的序幕。1966年美國的S·Way制作了這種模型船并且進(jìn)行了航行實驗。英國1970年制作了1 000 kW的超導(dǎo)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(xué)佐治教授制成了超導(dǎo)直線電磁推進(jìn)模型船。美國在1980年制作了300 kW超導(dǎo)電磁推進(jìn)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(dǎo)電磁推進(jìn)船開發(fā)研究委員會”，1990年完成了480 kW超導(dǎo)直流單極電機的開發(fā)，最終使超導(dǎo)直流電磁推進(jìn)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(yīng)，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(yīng)，進(jìn)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(jìn)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(yīng)強度兩者有關(guān)，要增大船舶前進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)電率的影響的研究，試驗結(jié)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(dǎo)率的效果最好。

4.2 目前有較大進(jìn)展的技術(shù)問題

雖然超導(dǎo)磁流體推進(jìn)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(shù)、低溫容器技術(shù)及超導(dǎo)磁體繞制技術(shù)等問題懸而未決。經(jīng)歷了多年的研究，超導(dǎo)體在磁流體推進(jìn)方面的應(yīng)用已經(jīng)有了突破性進(jìn)展，為未來磁流體推進(jìn)的應(yīng)用化帶來了曙光。雖然距離超導(dǎo)磁流體推進(jìn)的實際應(yīng)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(rèn)為超導(dǎo)磁流體推進(jìn)最終會被得到應(yīng)用。

4.2.1 超導(dǎo)磁體技術(shù)

超導(dǎo)磁體的快速發(fā)展源于超導(dǎo)材料技術(shù)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(dāng)其應(yīng)用在繞制磁體時還可大大提高產(chǎn)生的磁場的磁感應(yīng)強度。相對來說高溫超導(dǎo)技術(shù)難度更高，但是應(yīng)用高溫超導(dǎo)技術(shù)可以大大降低對低溫容器技術(shù)的要求。目前，高溫超導(dǎo)技術(shù)還在進(jìn)一步研究開發(fā)中，并獲得了一些突破，相信最終高溫超導(dǎo)技術(shù)可以應(yīng)用到磁流體推進(jìn)上。

4.2.2 低溫容器技術(shù)

低溫容器技術(shù)在過去的很長一段時間里已經(jīng)取得了一些技術(shù)上的突破，20世紀(jì)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(dǎo)的保持時間達(dá)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(shù)也可以使低溫容器的超導(dǎo)保持時間達(dá)到9 d。現(xiàn)代的低溫容器技術(shù)不僅在超導(dǎo)保持時間上有了明顯進(jìn)步，在結(jié)構(gòu)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(shù)

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(dǎo)率和減小氣泡的直徑這兩方面來解決。對于增大海水電導(dǎo)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(jié)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(jìn)裝置可以被業(yè)主所接受的第一條件是應(yīng)具有良好的推進(jìn)性能，也就是說必須有可以接受的推進(jìn)效率。因此，超導(dǎo)磁流體推進(jìn)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(jìn)的焦點。雖然它在理論上可以達(dá)到可接受的效率水平，但至今尚未有試驗證明磁流體推進(jìn)可以達(dá)到理論上的推進(jìn)效率。影響推進(jìn)效率的主要原因是海水電導(dǎo)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(jìn)效率與磁場的磁感應(yīng)強度的平方成正比，所以提高推進(jìn)效率最有效的辦法是提高磁場的磁感應(yīng)強度。根據(jù)理論分析，假如磁場的磁感應(yīng)強度可以達(dá)到15 T，那么電磁推進(jìn)效率就可以達(dá)到60%。因為磁流體推進(jìn)的推力與電流密度成正比，在磁場磁感應(yīng)強度有限的情況下，為了產(chǎn)生足夠的推進(jìn)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(guān)系增加，又會使推進(jìn)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(jìn)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(jìn)更適合高速船。為了提高推進(jìn)效率，對推進(jìn)器本身必須圍繞增加海水電導(dǎo)率、增加磁場磁感應(yīng)強度、合適的電流及合適的航速4個方面繼續(xù)進(jìn)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(dǎo)磁流體推進(jìn)技術(shù)

5.1 高溫超導(dǎo)技術(shù)促進(jìn)了磁流體推進(jìn)的發(fā)展

由于磁流體推進(jìn)現(xiàn)階段的推進(jìn)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(yīng)用化的進(jìn)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(yán)重。目前提高推進(jìn)效率最有效的方法就是采用超導(dǎo)體繞制的磁體產(chǎn)生足夠強的磁場。現(xiàn)代超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展為磁流體推進(jìn)的發(fā)展提供了重大機遇。

事實上，提高磁感應(yīng)強度到5 T可得到適合的效率這個結(jié)論是科學(xué)家Hummer對海水直流電磁推進(jìn)器進(jìn)行研究時得出的。隨后，日本兩位科學(xué)家對此又進(jìn)行了進(jìn)一步的深入探索，將超導(dǎo)技術(shù)提到科研報告中，指出該技術(shù)對于磁流體推進(jìn)的進(jìn)一步發(fā)展的重要作用。也有英國研究者認(rèn)為必須要有磁感應(yīng)強度達(dá)20~30 T的強磁場才能使磁流體推進(jìn)的效率達(dá)到和螺旋槳同等的推進(jìn)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(dǎo)技術(shù)相比，高溫超導(dǎo)技術(shù)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(dǎo)技術(shù)誕生之日起，人們使用該技術(shù)成功制造出了較為成熟的超導(dǎo)線材，部分已經(jīng)應(yīng)用到了實際生活中。

5.2 超導(dǎo)磁流體推進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)

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

從高溫超導(dǎo)磁流體推進(jìn)系統(tǒng)的構(gòu)成和性能出發(fā)可以了解到，作為艦船用的推進(jìn)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(fēng)浪、耐沖擊、耐振動、耐用和極少需要維修的特點。對于超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器的要求主要是：（1）具有可接受的推進(jìn)效率；（2）穩(wěn)定可靠；（3）沒有負(fù)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(biāo)準(zhǔn)大大提高了磁流體應(yīng)用的門檻，有許多關(guān)鍵技術(shù)問題：超導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計技術(shù)，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(shù)，主要為了降低液氦揮發(fā)，保持超導(dǎo)，適合船艦裝載的問題；電極材料技術(shù)，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(shè)計技術(shù)，解決船體與推進(jìn)器的配合問題，提高推進(jìn)效率和機動性；提高海水電導(dǎo)率的技術(shù)，減少焦耳熱散失的功率，提高效率。

6 結(jié)束語

船舶超導(dǎo)磁流體推進(jìn)在理論上相比于目前采用的螺旋槳推進(jìn)裝置有許多的潛在優(yōu)點。隨著許多關(guān)鍵技術(shù)的深入研究和一些問題上的攻克，人們看到磁流體推進(jìn)應(yīng)用的希望。當(dāng)然不可否認(rèn)，超導(dǎo)磁流體推進(jìn)研究還處于初級階段，離推廣應(yīng)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(jìn)系統(tǒng)工作者的不懈努力。

伴隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用研究也隨之發(fā)展。超導(dǎo)單極電機，超導(dǎo)電力推進(jìn)，超導(dǎo)磁流體推進(jìn)，超導(dǎo)電磁發(fā)射技術(shù)等在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)到了實際應(yīng)用研究的地步，并且有了突破性進(jìn)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(jì)初投入使用。同樣，超導(dǎo)低溫技術(shù)的突破，促進(jìn)了超導(dǎo)磁流體推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，正如各國專家所公認(rèn)的，超導(dǎo)磁流體推進(jìn)是可以代替螺旋槳、齒輪箱和軸系等傳動部件的。超導(dǎo)低溫技術(shù)的發(fā)展將為研究發(fā)展靜默型大功率船舶奠定基礎(chǔ)，使傳統(tǒng)的造船業(yè)技術(shù)大為改觀。這種變革可以和航空采用噴氣式推進(jìn)器取代螺旋槳推進(jìn)的破壞性改革相比擬。

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