超導(dǎo)磁流體推進器

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1、概述 船舶磁流體推進是近二三十年出現(xiàn)的一種新型的船舶推進方式。它是利用海水中的電流與磁場間的相互作用力使海水運動而產(chǎn)生的一種推進方法，可用于船舶之類水中裝置的推進。船舶磁流體推進具有高速、振動小、噪聲低、操縱靈活、布置方便等特點。1992年世界第一艘超導(dǎo)磁流體推進船“大和一號”的試航成功，標(biāo)志著磁流體推進研究進入了一個新階段，目前許多造船大國紛紛對此技術(shù)進行詳細研究，并預(yù)測此種推進方式將是本世紀最有希望的船舶新的推進方式之一。磁流體推進是一項綜臺性很強的高新技術(shù)，它涉及電磁學(xué)、流體力學(xué)，電化學(xué)等相互交叉學(xué)科的理論，又涉及新結(jié)構(gòu)、新材料、新控制方法等綜合性技術(shù)。世界上第一艘超導(dǎo)磁流體推進船- “

2、大和1號”（日本） 基本原理基本原理 所謂的“磁流體推進器”就是依靠艦船內(nèi)部的超導(dǎo)磁體，在船周圍的海水中（具體來說是進入船體的海水）產(chǎn)生一個強大磁場；通過船上的一對電極，使強大的電流通過海水，根據(jù)“弗萊明左手法則”，會在船體后面產(chǎn)生一個向后推水的力，而水對船體的反作用力就會推動船前進。 在磁場一定的情況下，電流大，電磁力大，推力也大，船運動的速度就快；反之，電流小，電磁力小，推力也小，船運動的速度也慢。當(dāng)電流方向改變時，電極的極性也改變，電磁力和推力的方向也改變，船舶運動的方向也隨之改變。這樣就可以利用凋節(jié)電流大小的方法來控制船的速度，利用改變電極的極性來操縱船的方向。磁流體推進器模型特點特點

3、船舶采用磁流體推進后，具有以下特點：（1）振動和噪聲小。磁流體推進取消了螺旋槳推進使用的螺旋槳、軸系的減速齒輪。消除了由這些轉(zhuǎn)動機構(gòu)引起的振動和噪聲，其輻射噪聲也比螺旋槳推進器小，使得船舶幾乎在安靜的狀念下航行。（2）高效。磁流體推進器是一個靜止設(shè)備，它既克服了轉(zhuǎn)動機械的功率限制，也克服了螺旋槳高速轉(zhuǎn)動形成的空泡，因而可以大大提高設(shè)備的功率。（3）布置方便。磁流體推進器裝置中各部件，如發(fā)電機、推進器、輔助及控制等設(shè)備之間沒有剛性連接，它可以集中或分散安裝在艙室內(nèi)任何一個位置，布置方便。（4）操縱性好。磁流體推進易于實現(xiàn)由駕駛?cè)藛T在駕駛室中通過控制推進器的輸入電壓或電流對船舶進行操縱，通常通過調(diào)

4、節(jié)電壓(電流)的大小來控制船舶的推力及速度；通過改變電壓的極性，即電流的方向，來操縱船舶的運行方向。與傳統(tǒng)機械傳動類推進器(譬如螺旋槳、水泵噴水推進器等)相比較，磁流體推進器的不同點在于：前者使用機械動力作為推力而后者使用電磁力。正因為如此，磁流體推進器無須配備螺旋槳槳葉、齒輪傳動機構(gòu)和軸泵等，是一種完全沒有機械噪音的安靜推進器。 一旦現(xiàn)代潛艇使用了這種推進器，便從根本上消除了因機械轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的振動、噪音以及功率限制，而能在幾乎絕對安靜的狀態(tài)下以極高的航速航行。據(jù)理論計算其航速可達150節(jié)，而這是任何機械轉(zhuǎn)動類推進器不可能實現(xiàn)的。 與傳統(tǒng)機械傳動類與傳統(tǒng)機械傳動類推進器相比較推進器相比較技術(shù)指

5、標(biāo)技術(shù)指標(biāo)1 1、電磁力與工作壓力、電磁力與工作壓力在電磁力作用的區(qū)域，海水受到的電磁力為： Fe=VdJBsinadv式中：Vd -通道的有效體積； J-電流密度； B-磁通量密度； a-電流與磁通量的夾角。在理想情況下，推進器的工作壓力等于單位面積上的電磁力，即 P=Fe/Ad=JBL式中：Ad-通道的有效面積； L -通道的有效長度。上式表明，推進器的工作壓力，與電磁力Fe成正比。電磁力越大，工作壓力也越大；電磁力越小，工作壓力也越小。2 2、噴速與流速、噴速與流速 流速是指海水流動的速度。噴速是按相對運動的觀點，海水在通道出口處相對于通道的流速。3 3、磁流體的效率、磁流體的效率 其公

6、式： 式中: 船磁流體推進效率； 磁流體推進器效率； 船舶影響系數(shù)。ct*tc 自1961年以來，美國、日本、蘇聯(lián)、中國等先后開展了磁流體推進的研究。到目前為止，這方面的研究大致可分為三個階段：磁流體推進原理性研究；磁流體推進應(yīng)用基礎(chǔ)研究及磁流體推進實用化技術(shù)的研究。 1961年賴斯基于液態(tài)金屬電磁泵工作原理，提出了電磁推進系統(tǒng)即磁流體推進系統(tǒng)的設(shè)想，從而拉開了船舶磁流體推進研究的序幕。 1966年，韋研制出由常導(dǎo)線圈構(gòu)成的雙圓柱電磁推進系統(tǒng)，并安置在EMS-1潛艇模型上進行試驗，首次實現(xiàn)了船舶磁流體推進。 20世紀70年代，超導(dǎo)技術(shù)步入實用化階段，1 976年日本神戶商船大學(xué)佐治吉郎、巖田章

7、等人將超導(dǎo)磁體用于磁流體推進器，研制出磁通量密度0.607T、推力為0.015N的SEMD-1磁流體推進裝置(船模)，并在水槽中進行了試驗。國內(nèi)外研究狀況國內(nèi)外研究狀況 超導(dǎo)材料尤其是高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展和磁流體技術(shù)的進步，以及超導(dǎo)磁流體推進船模試驗和理論研究的成果，使人們看到了磁流體推進實用化的前景，并開展了一系列實用化技術(shù)的研究。蘇聯(lián)科學(xué)院高溫物理研究所、卡爾波夫物理化學(xué)研究所等單位研制出5.8T、直徑150mm、長800mm的超導(dǎo)螺旋磁流體推進器通道模型，進行了壓力分布、電極壓降、磁流體性能的分析和試驗。美國阿貢國家實驗室、海軍水下系統(tǒng)中心和阿夫柯公司等單位，建立了海水循環(huán)回路，對幾個不同

8、尺寸通道的線性磁流體推進器的運行性能和關(guān)鍵技術(shù)進行理論和試驗研究。1985年，日本開始了磁流體推進在船舶上實用化的研究，并于1992年研制出“大和一號”實驗船，在海上進行了自航試驗，它標(biāo)志著世界上第一艘無螺旋槳的磁流體推進船的誕生。 我國從20世紀70年代初開始了磁流體推進技術(shù)的研究，1971年，中國船舶工業(yè)總公司武漢船舶設(shè)計研究所和武漢船用電力推進裝置研究所聯(lián)合研制出磁通量密度為0.075T的外磁流式磁流體推進器，并安裝在潛艇模型上在池中進行了試驗。 近年來，中國科學(xué)院電工研究所研制出磁流體推進試驗用0.8T，35mm50mm300mm的永磁磁體和0.46T的永磁式磁流體推進器及其船模后，又

9、研制出推選器州磁通密度達4T、直徑200mm、長300mm的螺管形超導(dǎo)磁體，并且正進行著螺旋型超導(dǎo)磁流體推進器披船模的研究。我國的新概念核潛艇我國的新概念核潛艇中國洛神號超導(dǎo)磁流體潛艇試車 （一）形體和內(nèi)置設(shè)備以及分布狀況（一）形體和內(nèi)置設(shè)備以及分布狀況 這種磁流體推進器潛艇是內(nèi)置式，六連環(huán)螺旋直流體推進器為裝置，將部分參照俄羅斯K級（“基洛”877-636）型艇，以及美國的“弗吉尼亞”級核潛艇，還有法國“紅寶石”核潛艇的各方面的特點，在此基礎(chǔ)上也凝聚中國的設(shè)計人員的智慧和力量，所以說，它是世界上最先進、最前衛(wèi)、最具有戰(zhàn)斗力的未來潛艇。指揮臺圍殼采用矩形的雙軸線結(jié)構(gòu)，兩側(cè)及圍殼、舵內(nèi)殼采用最新

10、的高強度塑鋼，它的承受力比目前的潛艇鋼高出三倍以上，從理論上說，最深深度可達8001000米。當(dāng)然這只是處于實驗階段。外殼敷設(shè)無縫絕緣吸聲材料。 內(nèi)部設(shè)置也基本參照“弗吉尼亞”級滴水型攻擊艇。試驗艇內(nèi)壁有武備艙、指揮艙、電池艙、發(fā)電機艙、操縱艙和磁流體推進器艙。另外裝有一個球型聲納基陣，艏艙布置六具潛艇垂直發(fā)射筒，是作為戰(zhàn)略武器的一部分。四具魚雷發(fā)射管向兩舷外偏與軸線成10夾角，以增加發(fā)射扇面并有利于發(fā)射后的規(guī)避。 該艇可以發(fā)射魚雷、反艦導(dǎo)彈、潛對空導(dǎo)彈、水雷之外，還可以操作無人小型潛艇（可遙控回收）進行偵察、反潛艇、干擾敵艦通訊等作戰(zhàn)功能。也可配備一艘六人的小型的可操作型潛艇，進行深入敵后，

11、完成一些潛艇所無法完成的任務(wù)。 指揮艙：配備最新型光電桅桿使?jié)撏R發(fā)生了巨大變化，同時操作靈活，無須上浮便可取得作息處理和作戰(zhàn)決策，艙內(nèi)有大型顯示屏、作戰(zhàn)系統(tǒng)、操艇系統(tǒng)。主要包括；光電桅桿、電子戰(zhàn)桅桿、數(shù)據(jù)高速傳輸桅桿及特種任務(wù)桅桿。 居住艙：為提高航行速率，增大自持力，設(shè)計寬敞、舒適的居住艙，共80個雙層鋪位，40個臨時鋪位。 蓄電池艙：作為備用能源，磁流體推進器仍須裝備一定數(shù)量的蓄電池，該艙靠近艇的中部指揮艙下層空間。 核反應(yīng)堆艙：要求輸出功率高，安靜性能好，持久力長的特點?？紤]使用熱離子反應(yīng)堆，它能轉(zhuǎn)換電能，簡化艙內(nèi)結(jié)構(gòu)，熱離子反應(yīng)堆不會產(chǎn)生高溫、高壓、而且節(jié)約材料和能源。 發(fā)電機艙：該

12、艙設(shè)置在核反應(yīng)堆艙之后。裝2臺給磁流體推進器供電的主發(fā)電機和2臺供設(shè)備及照明用的輔助發(fā)電機；在機艙后部設(shè)有消音器、甲板下設(shè)燃料油、潤滑油箱、冷卻海水泵以及壓載水艙。 操控艙與磁流體推進器艙：操控艙內(nèi)主要裝有液氦制冷裝置，推進器的直接或備用操縱裝置，測量儀表臺、柜等。在磁流體推進器艙內(nèi)，安裝1臺六連環(huán)直流螺旋型超導(dǎo)磁流體推進器。磁流體通道前后端分別設(shè)有海水吸人導(dǎo)流管和噴出導(dǎo)流管，吸人口呈卵圓形在艇體外殼上“開鑿”，噴管出口則穿出艇尾殼體。（二）航行狀態(tài)以及它的威脅作用（二）航行狀態(tài)以及它的威脅作用 在強大的電磁力作用下，海水旋轉(zhuǎn)著向后高速運動，再經(jīng)出口導(dǎo)流器變?yōu)槠叫兴骱笸ㄟ^噴口向艇尾噴射，推動

13、潛艇前進。由于6個螺旋型磁流體推進器相互之間是獨立的，因此任意改變其中某幾個推進器的推力大小，即可改變潛艇航行狀態(tài)、實現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上浮、下沉等運動姿態(tài)。 在使用中，首升降舵主要用于產(chǎn)生正、負升力，改變或穩(wěn)定航行深度；而尾升降舵用于產(chǎn)生縱傾或保持已有的縱傾角。有的潛艇沒有首升降舵，而改設(shè)指揮臺圍殼水平舵。其緣故是圍殼舵比首升降舵能更好地在各方向上保持潛艇良好穩(wěn)定性。為了使?jié)撏Ш叫蟹€(wěn)定，一般潛艇艇尾還設(shè)有垂直穩(wěn)定翼和水平穩(wěn)定翼。 目前，潛艇在概念試驗階段還存在操縱性上有不安全因素，譬如高速航行時，會產(chǎn)生急劇增減航速或突然改變航向、深度，極易出現(xiàn)縱、橫搖擺及埋首現(xiàn)象。而發(fā)生卡舵時，潛艇則會很快超深

14、下沉。為了從根本上解決操縱性問題，打算將磁流體推進器與舵設(shè)備同時裝設(shè)在潛艇上，當(dāng)潛艇靜止或低速航行時，采用噴水推力操縱，而高速航行時則將舵設(shè)備與推進器混合使用，可最大限度的消除舵設(shè)備的慣性作用，保持穩(wěn)定運動。同時，自動化的操縱控制技術(shù)還將使操艇人員能夠象駕駛飛機一樣操縱潛艇。 說到威脅力，磁流體推進潛艇對于2l世紀的潛艇設(shè)計師和建造師來說，具有極大的吸引力。因為這種全新的推進方式將使?jié)撏г趹?zhàn)術(shù)、技術(shù)性能上發(fā)生質(zhì)的飛躍。只要艇員的身體素質(zhì)和艇內(nèi)的生活用品允許，磁流體潛艇將擁有無限的續(xù)航力和自持力；只要艇體強度承受得住，又可在任意深度航行；更為重要的是，這種潛艇具有空前的的安靜性和水下高速航行、高速機動能力，成為真正意義上的潛艇，只要目標(biāo)在攻擊范圍之內(nèi)，那么任何獵物都難逃脫“它”的手掌。 專家預(yù)測，到本世紀三十年代，磁流體推進裝置將在潛艇得到實際應(yīng)用。從時間和科研基礎(chǔ)上講，中國如果能夠繼續(xù)加大發(fā)展超導(dǎo)磁流體技術(shù)，則有可能比美國領(lǐng)先1020年，在“磁流體推進器”研究方面，中國的實驗及研究成果顯然比世界上的其它國家領(lǐng)先了一大步，中國有可能成為明天的海上霸主。這種概念試驗艇如果變?yōu)楝F(xiàn)實，那么世界的海洋將成為中國的海洋。Thank youThank you