超導(dǎo)磁流體推進(jìn)新技術(shù)

1、超導(dǎo)磁流體推進(jìn)新技術(shù)從船被造”出來(lái)的第一天起，人們就沒(méi)有停止思考怎樣讓它更好的前進(jìn)尋找可借之力據(jù)船史學(xué)家考證，距今約一萬(wàn)年前,人類(lèi)就開(kāi)始使用篙、短槳和櫓等工具，驅(qū)駛著獨(dú)木舟、木排以及皮筏等原始船只在水中航行。大約在5000年前，埃及、腓尼基和巴比倫就出現(xiàn)了裝槳的船只，靠眾多奴隸劃槳航行。這是船舶發(fā)展史上最早的推進(jìn)方式：肌肉加木槳。公元前3000年，古希臘人首次使用了帆，利用風(fēng)力驅(qū)動(dòng)船只前進(jìn),這便是船舶的又一種推進(jìn)方式：風(fēng)力加船帆。然而，在此后長(zhǎng)達(dá)3500年的時(shí)間里，木槳一直仍是船舶最主要的推進(jìn)器。盡管在一些槳船上也掛有簡(jiǎn)易的橫帆，但那只是輔助動(dòng)力，如圖2。純粹用帆作為推進(jìn)器的船舶直到16世紀(jì)以

2、后才開(kāi)始普及，然后，風(fēng)帆航海時(shí)代延續(xù)了將近300年。18世紀(jì)下半葉，英國(guó)人瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)，隨之帶來(lái)了船舶動(dòng)力的革命，而機(jī)動(dòng)篙、機(jī)動(dòng)劃槳、明輪及螺旋槳等動(dòng)用新動(dòng)力的新型推進(jìn)器設(shè)計(jì)相繼出現(xiàn)。就19惜紀(jì)卜半葉蒸汽機(jī)的性能及工業(yè)條件而言，無(wú)疑明輪最為適宜，它由安裝在船舷或船尾的大轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)打水推動(dòng)船舶。因?yàn)榫薮蟮娜~輪一半暴露在水面之外一目了然，人們稱(chēng)之為輪船，而這一稱(chēng)呼一直沿用到了現(xiàn)在，如圖3。明輪風(fēng)光了百余年，但在風(fēng)浪下葉輪的槳板會(huì)完全露出水面而形成空轉(zhuǎn)、導(dǎo)致主機(jī)“飛車(chē)自毀，而槳板又極易受損壞。因此，19世紀(jì)中葉以后,遠(yuǎn)洋船舶和導(dǎo)不尋找推進(jìn)新秀螺旋槳。使用螺旋槳的想法由來(lái)已久，如圖4。有人認(rèn)為早在1

3、5世紀(jì)，達(dá)芬奇就提出了類(lèi)似構(gòu)想，而另一種說(shuō)法則認(rèn)為一位叫伯努力的瑞士人于1752年的某天，因觀看一木匠干活，而受螺絲釘?shù)膯l(fā)提出了螺旋槳的設(shè)想。遺憾的是，當(dāng)時(shí)沒(méi)有蒸汽機(jī)，所以直到80年后（1838年）英國(guó)人史密斯才研制出世界上第一艘螺旋槳船“阿基米德”號(hào)。船上的那只螺旋推進(jìn)器是一只長(zhǎng)尾巴一樣的木制單螺紋蝸桿，最初試航時(shí)，達(dá)到了約4節(jié)航速。然而，一次偶然的噱桿斷裂卻證明螺旋越少、航速越高，斷桿竟然跑出了13節(jié)的航速。與其它推進(jìn)器相比,螺旋槳重量輕、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又完全安裝在水下，用它推進(jìn)的軍艦在海戰(zhàn)中不易被毀，因此，螺旋槳很快取代了明輪成為主要推進(jìn)方式。隨著航運(yùn)業(yè)的迅猛發(fā)展,船舶噸位越來(lái)越大、

4、主機(jī)轉(zhuǎn)速、功率成倍增加，螺旋槳的負(fù)荷也不斷增大。于是，它的致命弱點(diǎn)也逐漸暴露出來(lái)一螺旋槳葉片在高負(fù)荷下尖端易形成大量細(xì)小的空氣泡，氣泡破裂的爆破力又使得剝蝕損傷槳葉，從而導(dǎo)致推進(jìn)效率降氐、振動(dòng)加劇。此外，螺旋槳的機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備與自身在水中的旋轉(zhuǎn)都會(huì)產(chǎn)生巨大的噪聲，螺旋槳推進(jìn)方式遠(yuǎn)非無(wú)懈可擊。據(jù)說(shuō)在螺旋槳誕生之前，也曾有人提出不用劃槳和船帆推動(dòng)船舶運(yùn)動(dòng)的設(shè)想。其中一種構(gòu)想是利用安裝于船只后甲板的火炮向船尾開(kāi)火，用火炮后坐力推進(jìn)；而另一種則設(shè)想從船首吸人海水，再由船尾噴出以獲得推力。放炮的設(shè)想對(duì)現(xiàn)代氣墊船引入空氣螺旋槳推進(jìn)不無(wú)幫助，而“噴水推進(jìn)的設(shè)想從17世紀(jì)產(chǎn)生以來(lái),一直得到不斷的改進(jìn)。今天實(shí)用的

5、噴水推進(jìn)器由吸管、水泵、整流器及噴管等組成,如圖5。其工作原理與抽水機(jī)水泵相同，分軸流、混流、離心等幾類(lèi)。70年代以來(lái)，噴水推進(jìn)的專(zhuān)用泵運(yùn)用現(xiàn)代科技取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展,推進(jìn)效率已能與先進(jìn)螺旋槳相媲美。然而，這種推進(jìn)方式仍無(wú)法擺脫部件的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，因而功率始終受到限制，加之管道較長(zhǎng)，水力損失較大,系權(quán)率也很難再有跨躍式的提高。推進(jìn)的極限如何打破呢?人們苦苦求索，終于有一天，輪機(jī)工程師們?cè)谝环N運(yùn)用介質(zhì)導(dǎo)電性工作的電磁泵那兒找到了曙光！揚(yáng)棄機(jī)械運(yùn)動(dòng)!在核動(dòng)力、化工、冶金和鑄造等工業(yè)部門(mén)中，電磁泵是一種用于輸送導(dǎo)電流體（液態(tài)金屬）的工具。由于海水也具有導(dǎo)電性，因此也能在電場(chǎng)、磁場(chǎng)的共同作用下被“推動(dòng)，于是

6、一種全新的推進(jìn)系統(tǒng)一磁流體推進(jìn)器應(yīng)運(yùn)而生。1961年，美國(guó)人賴斯提出磁流體推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)想；1962年，菲力浦提出交流磁流體推進(jìn)系統(tǒng)，即利用行波磁場(chǎng)與其在海水中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生的電磁力推動(dòng)船舶。1963年，多拉格提出直流內(nèi)磁式超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器，這種方案與賴斯最早的設(shè)想?yún)^(qū)別在于磁體磁場(chǎng)對(duì)海水作用的電磁力區(qū)域處于推進(jìn)器內(nèi)部而非其外。在隨后的10多年間,人們?cè)O(shè)計(jì)和制作了多種磁流體推進(jìn)系統(tǒng)，但由于當(dāng)時(shí)超導(dǎo)技術(shù)不夠成熟，只能采用常規(guī)導(dǎo)磁體（磁場(chǎng)強(qiáng)度較低）試驗(yàn)，磁流體推進(jìn)的研究主要停留在原理階段。要使磁流體推進(jìn)器產(chǎn)生很大推力，就需要建立強(qiáng)大的磁場(chǎng)。眾所周知，通電的導(dǎo)體會(huì)對(duì)電流產(chǎn)生一些阻力。但是當(dāng)某種材

7、料變的很冷時(shí)，電阻就會(huì)消失，幾乎為零，于是導(dǎo)體就成了超導(dǎo)體。而肺胃超導(dǎo)磁體就是用超導(dǎo)材料（線材或帶材）繞制的空心線圈；當(dāng)給這種線圉通電勵(lì)磁以后，電流將毫無(wú)衰減地在閉合回路中流動(dòng)從而建立磁感應(yīng)強(qiáng)度極大的、穩(wěn)定永久磁場(chǎng)”。而在磁流體推進(jìn)器中，人們通常把采用了超導(dǎo)磁體的電磁泵”稱(chēng)為超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器（簡(jiǎn)稱(chēng)MHD,如圖6）。雖然技術(shù)、工程上的障礙十分巨大,人們?yōu)槭裁催€是對(duì)MHD抱以如此巨大的期望呢?原因就在于它作為推進(jìn)裝置具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性其飛躍性有如航空領(lǐng)域的噴氣動(dòng)力取代螺旋槳、地面軌道領(lǐng)域的磁懸浮列車(chē)拋棄鋼輪。首先，MHD取消了船用螺旋槳及水泵式噴水推進(jìn)裝置所使用的各類(lèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，消除了由此引起的振

8、動(dòng)、噪聲問(wèn)題，使船舶幾乎在安靜的狀態(tài)下航行，大大改善了航海人員的生活、工作環(huán)境，并可極大的增加軍用艦艇隱蔽性；其次，MHD是一個(gè)靜止設(shè)備，即克服了轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的功率限制，也克服了螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)的空泡效應(yīng)，可大大提高輸出功率，為制造超高速艦船創(chuàng)造了條件；再者，MHD各個(gè)部件，如發(fā)電機(jī)、推進(jìn)器、輔控設(shè)備等，相互之間沒(méi)有剛性連接（如連接柴油機(jī)、螺旋槳的主軸），可集中安裝也可分散于任可艙室之中，從而極大地增加了艙室布置的靈活性；此外，MHD通過(guò)控制輸入電壓或電流操縱，適于集中控制，且操縱靈活、機(jī)動(dòng)性能好，容易應(yīng)付緊急狀態(tài)，航行安全性好。HOWMHDWORKS?磁流體推進(jìn)器由超導(dǎo)磁體、電極和通道3部分構(gòu)成。

9、其中超導(dǎo)磁體系統(tǒng)是由超導(dǎo)材料繞制的空心線圈和裝有冷卻介質(zhì)液氨的低溫容器組成；電極一般選用電流密度較低且具有良好電化學(xué)性能的材料（如：金屬氧化物DSA、鍍鉗鈦等）制成;通道是指貫穿海水的空間，由超導(dǎo)磁流體和電極形成。在磁流體推進(jìn)過(guò)程中，海水作為一個(gè)導(dǎo)體通電后穿過(guò)超導(dǎo)磁體所建立的磁場(chǎng)，因而受到洛侖茲力的作用沿看一定方向運(yùn)動(dòng)，其反作用力推動(dòng)船舶前進(jìn)。具體的說(shuō)，可以借助物理學(xué)中的磁場(chǎng)對(duì)通電直導(dǎo)線的作用這一現(xiàn)象來(lái)解釋,如圖7。將金屬直導(dǎo)線放入磁場(chǎng)中,當(dāng)導(dǎo)線通電時(shí)，磁場(chǎng)就會(huì)對(duì)通電導(dǎo)線施加一側(cè)向力而使導(dǎo)線發(fā)生移動(dòng)，力的方向?yàn)槟粗杆阜较?。若將圖中的磁體視為磁流體推進(jìn)器的超導(dǎo)磁體，將磁體之間的空間視為通道，金

10、屬導(dǎo)線視為海水，則海水就會(huì)像圖中的金屬導(dǎo)線一樣向拇指所指方向運(yùn)動(dòng)。在磁場(chǎng)一定的情況下，電流大，電磁力大，推力也大，船的運(yùn)動(dòng)速度就快；反之，電流小，推力也小，船的運(yùn)動(dòng)速度就慢。當(dāng)電流方向改變，船舶運(yùn)動(dòng)方向也會(huì)隨之改變?？梢?jiàn)，利用調(diào)節(jié)電流大小，可控制船的速度；利用改變電極極性，可操縱船的運(yùn)動(dòng)方向。前文已經(jīng)提過(guò)，菲力浦和多拉格分別提出的是交流與直流兩種磁流體推進(jìn)系統(tǒng)。交流磁流體推進(jìn)器采用的是交流超導(dǎo)磁體，直流磁流體推進(jìn)器采用是直流超導(dǎo)磁體。盡管它們?cè)谠砩弦粯?，都需要在高?qiáng)磁場(chǎng)下才能獲得很高的效率，但是交流磁流體推進(jìn)要比直流磁流體推進(jìn)優(yōu)越的多。只是由于目前交流超導(dǎo)磁流體尚未達(dá)到實(shí)用水平，因此，直流超

11、導(dǎo)磁流體成為人們研究的首選對(duì)象。直流磁流體推進(jìn)按其推進(jìn)器的電磁力作用區(qū)域分為內(nèi)磁式加外磁式兩種推進(jìn)方式。內(nèi)磁式的電磁力作用區(qū)域在管道（通道）內(nèi)部；外磁式的電磁力作用區(qū)域在船體的下面或周?chē)?，如圖8。二者相比，內(nèi)磁式磁流體推進(jìn)器不像外磁式那樣將電滴口磁場(chǎng)在海域中擴(kuò)散，不污染海洋環(huán)境、隱藏性好，因而更受青睞，也是重點(diǎn)研究方向。就內(nèi)磁式磁流體推進(jìn)器的通道幾何形狀而言，若通道呈直線型，則稱(chēng)為線性MHD;若通道為螺旋型，則稱(chēng)為螺旋型MHD;若通道為圓環(huán)型，則稱(chēng)為環(huán)型MHD,如圖9。通常線性和螺旋型磁流體推進(jìn)器可作為獨(dú)立裝置安裝在船體內(nèi)部某處，而環(huán)型磁流體推進(jìn)器只能套在潛艇等水下航行器的外殼上?；诖帕?/p>

12、體推進(jìn)器安靜、高速、操縱靈活的優(yōu)點(diǎn)，人們探討了多種磁流體推進(jìn)船型結(jié)構(gòu)。如利用內(nèi)磁式推進(jìn)器的構(gòu)想的單體船、雙體船、潛艇等。這里，不妨以單螺旋、雙螺旋及6連環(huán)螺旋磁流體為例，簡(jiǎn)單介紹實(shí)用MHD的具體工作過(guò)程。單螺旋型MHD磁體采用直流超導(dǎo)螺旋管線圉，內(nèi)部安裝一對(duì)圓筒形電極，其中一個(gè)為內(nèi)電極，另一個(gè)為外電極，如圖10。兩電極之間設(shè)置由非導(dǎo)磁的絕緣材料制成的螺旋壁，電極與螺旋壁之間形成螺旋通道。由于經(jīng)電極通人海水的電流方向?yàn)閺较?，磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)檩S向，因此載流海水就會(huì)受到圓周切線方向的電磁力。如果將電磁力分成兩個(gè)分量，一個(gè)平行于螺旋通道，另一個(gè)垂直于螺旋通道，那么平行于螺旋通道方向的電磁力就成為使

13、海水沿螺旋通道流動(dòng)的動(dòng)力。為了減少海水流動(dòng)的阻力，需要在通道的進(jìn)口和出口分別安置一個(gè)由幾片扇形葉片構(gòu)成的導(dǎo)流器。進(jìn)口導(dǎo)流器使通道前遠(yuǎn)方平行的水流轉(zhuǎn)變方向而進(jìn)入螺旋通道；出口導(dǎo)流器使螺旋通道的水流轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫兴?，然后由噴口噴射產(chǎn)生推力。若將兩個(gè)單螺旋型MHD平行排列在一起便組合成了兩螺旋型MHD。兩個(gè)磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)相互作用,為增大推進(jìn)器通道內(nèi)的磁通量、減小磁場(chǎng)外部空間的泄漏，需將兩磁體的不同磁極放在同一端。即將一個(gè)磁體南極與另一磁體的1般端朝向一個(gè)方向。這樣組合后，兩個(gè)推進(jìn)器的電極極性或螺旋通道的旋轉(zhuǎn)方向也將相應(yīng)換位。換句話說(shuō)，當(dāng)兩個(gè)推進(jìn)器的內(nèi)、外電極相同時(shí)，需改變螺旋通道的旋轉(zhuǎn)方向，即：一

14、個(gè)為左螺旋，而另一個(gè)應(yīng)為右螺旋。而當(dāng)螺旋通道旋轉(zhuǎn)方向一致時(shí)，就需改變電極的極性，即：一個(gè)為“內(nèi)陽(yáng)、外陰，而另一個(gè)應(yīng)為內(nèi)明、外陽(yáng)，以保證兩推進(jìn)器的海水沿同一方向噴射。所渭6連環(huán)螺旋型MHD由6個(gè)單螺旋型MHD組成，推進(jìn)器兩兩之間平行排列，且按一正一反的J頃序交替擺放。從橫截面看6個(gè)推進(jìn)器管道截面均勻分布在一圓周上，構(gòu)成正6邊形。這樣的布設(shè)保證了穿過(guò)各通道的磁感應(yīng)線兩兩疊加后具有相同方向，如圖Ho與其它船用推進(jìn)器一樣，磁流體推進(jìn)器也需要由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。但它不像螺旋槳或水泵噴水推進(jìn)器那樣，由主機(jī)通過(guò)傳動(dòng)設(shè)備給螺旋槳或水泵提供機(jī)械功率，使之產(chǎn)生機(jī)械推力，而是由主機(jī)、發(fā)電機(jī)附屬設(shè)備等組成船舶電站，給磁流體

15、推進(jìn)器供電產(chǎn)生電磁推力。原動(dòng)機(jī)是用來(lái)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的主機(jī)，可是內(nèi)燃機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、核反應(yīng)堆中的任意一種。主機(jī)與發(fā)電機(jī)共同組成發(fā)電機(jī)組；控制器是用來(lái)調(diào)控通電電流大??；輔助設(shè)備是指制冷機(jī)、空氣壓縮機(jī)等。為使所述問(wèn)題更接近實(shí)際，我們假設(shè)將磁流體推進(jìn)器的整套系統(tǒng)安設(shè)在某艘船的底部，核能發(fā)電，推進(jìn)器為6連環(huán)螺旋型直流磁流體推進(jìn)器，6根進(jìn)、出水管道均短解貫通，且安置在水線以下。當(dāng)我們啟動(dòng)核發(fā)電機(jī)組工作后，磁流體推進(jìn)器的6個(gè)超導(dǎo)線圖即通電勵(lì)磁，在其通道內(nèi)形成高強(qiáng)磁場(chǎng)。與此同時(shí)，控制器通過(guò)電極給海水通電，磁場(chǎng)便對(duì)載流海水施加電磁推力，在這一推力的作用下，海水在6個(gè)螺旋通道內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)并向后一齊噴射，推動(dòng)

16、船舶前進(jìn)。船舶進(jìn)入航行狀態(tài)后，推進(jìn)器前方的水流將不斷地吸人進(jìn)口管道，在通道內(nèi)加速后,又從出口管道不斷地噴出，使船持續(xù)高速航行。若同時(shí)改變6對(duì)電極的極性，則將改變其運(yùn)動(dòng)方向，也就是我們通常所說(shuō)的“倒車(chē)。由于6個(gè)推進(jìn)器相互獨(dú)立，因此,當(dāng)任意改變其中某幾個(gè)推進(jìn)器的電流的大小和電極極性，船舶將實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，即具有極佳的操縱性。表征磁流體推進(jìn)的主要技術(shù)指標(biāo)為：電磁力與工作壓力、噴速與船速、推力與阻力，磁流體推進(jìn)效率等。它們的好壞，直接關(guān)系到磁流體推進(jìn)船舶是否具有良好的推進(jìn)性能。成果與問(wèn)題70年代，超導(dǎo)技術(shù)步人實(shí)用化階段并很快應(yīng)用于磁流體推進(jìn)裝置之中。1976年，日本神戶商船大學(xué)佐治吉郎、巖田章等人將

17、超導(dǎo)磁流體用于磁流體推進(jìn)器，研制出磁場(chǎng)0.607特斯拉、推力0.015牛頓的SEMD-1磁流體推進(jìn)船模,并在水槽中進(jìn)行了試驗(yàn)，首次證實(shí)了超導(dǎo)磁體在磁流體推進(jìn)器中應(yīng)用的有效性以及推力的快速響應(yīng)。1979年，他們又成功地利用超導(dǎo)磁體研制出磁場(chǎng)2特斯拉、推力15牛頓的磁流體推進(jìn)器，并安裝在ST-500船模上在水池中進(jìn)行航行試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，在船體的振動(dòng)和沖擊下，推進(jìn)器的超導(dǎo)磁體仍能正常工作,從而為超導(dǎo)磁體能夠可靠地作為推進(jìn)器的磁體提供了依據(jù)。80年代后，船舶磁流體的推進(jìn)研究逐步向?qū)嵱没A段邁進(jìn)。1985年，日本成立超導(dǎo)電磁推進(jìn)船的開(kāi)發(fā)研究委員會(huì)并決定建立超導(dǎo)磁流體推進(jìn)試驗(yàn)船。1992年，大和1號(hào)試驗(yàn)船建成并成功地進(jìn)行了海上自航試驗(yàn)，世界上第一艘無(wú)螺旋槳MHD船的誕生,如圖12,緊接著大和2號(hào)下水。與此同時(shí)，美國(guó)和俄羅斯等國(guó)也在船舶磁流體推進(jìn)方面做了大量的試驗(yàn)研究，均具備相當(dāng)能力。我國(guó)于70年代初開(kāi)展了對(duì)磁流體推進(jìn)方式的研究工作，中國(guó)艦船研究院所屬數(shù)家研究所參加了有關(guān)研究課題，研制出常導(dǎo)磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)（0.075特斯拉）的夕磁流式磁流體推進(jìn)器，并安裝在潛艇模型上進(jìn)行了水池試驗(yàn),艇速約0.62米/秒。但是，由于當(dāng)時(shí)我國(guó)沒(méi)有實(shí)用