超导磁流体推进器

概述 船舶磁流体推进是近二三十年出现的一种新型的船舶推进方式。它是利用海水中的电流与磁场间的相互作用力使海水运动而产生的一种推进方法，可用于船舶之类水中装置的推进。船舶磁流体推进具有高速、振动小、噪声低、操纵灵活、布置方便等特点。1992年世界第一艘超导磁流体推进船“大和一号”的试航成功，标志着磁流体推进研究进入了一个新阶段，目前许多造船大国纷纷对此技术进行详细研究，并预测此种推进方式将是本世纪最有希望的船舶新的推进方式之一。磁流体推进是一项综台性很强的高新技术，它涉及电磁学、流体力学，电化学等相互交叉学科的理论，又涉及新结构、新材料、新控制方法等综合性技术。世界上第一艘超导磁流体推进船- “大和1号”（日本） 基本原理基本原理 所谓的“磁流体推进器”就是依靠舰船内部的超导磁体，在船周围的海水中（具体来说是进入船体的海水）产生一个强大磁场；通过船上的一对电极，使强大的电流通过海水，根据“弗莱明左手法则”，会在船体后面产生一个向后推水的力，而水对船体的反作用力就会推动船前进。 在磁场一定的情况下，电流大，电磁力大，推力也大，船运动的速度就快；反之，电流小，电磁力小，推力也小，船运动的速度也慢。当电流方向改变时，电极的极性也改变，电磁力和推力的方向也改变，船舶运动的方向也随之改变。这样就可以利用凋节电流大小的方法来控制船的速度，利用改变电极的极性来操纵船的方向。磁流体推进器模型特点特点船舶采用磁流体推进后，具有以下特点：（1）振动和噪声小。磁流体推进取消了螺旋桨推进使用的螺旋桨、轴系的减速齿轮。消除了由这些转动机构引起的振动和噪声，其辐射噪声也比螺旋桨推进器小，使得船舶几乎在安静的状念下航行。（2）高效。磁流体推进器是一个静止设备，它既克服了转动机械的功率限制，也克服了螺旋桨高速转动形成的空泡，因而可以大大提高设备的功率。（3）布置方便。磁流体推进器装置中各部件，如发电机、推进器、辅助及控制等设备之间没有刚性连接，它可以集中或分散安装在舱室内任何一个位置，布置方便。（4）操纵性好。磁流体推进易于实现由驾驶人员在驾驶室中通过控制推进器的输入电压或电流对船舶进行操纵，通常通过调节电压(电流)的大小来控制船舶的推力及速度；通过改变电压的极性，即电流的方向，来操纵船舶的运行方向。与传统机械传动类推进器(譬如螺旋桨、水泵喷水推进器等)相比较，磁流体推进器的不同点在于：前者使用机械动力作为推力而后者使用电磁力。正因为如此，磁流体推进器无须配备螺旋桨桨叶、齿轮传动机构和轴泵等，是一种完全没有机械噪音的安静推进器。 一旦现代潜艇使用了这种推进器，便从根本上消除了因机械转动而产生的振动、噪音以及功率限制，而能在几乎绝对安静的状态下以极高的航速航行。据理论计算其航速可达150节，而这是任何机械转动类推进器不可能实现的。 与传统机械传动类与传统机械传动类推进器相比较推进器相比较技术指标技术指标1 1、电磁力与工作压力、电磁力与工作压力在电磁力作用的区域，海水受到的电磁力为： Fe=VdJBsinadv式中：Vd -通道的有效体积； J-电流密度； B-磁通量密度； a-电流与磁通量的夹角。在理想情况下，推进器的工作压力等于单位面积上的电磁力，即 P=Fe/Ad=JBL式中：Ad-通道的有效面积； L -通道的有效长度。上式表明，推进器的工作压力，与电磁力Fe成正比。电磁力越大，工作压力也越大；电磁力越小，工作压力也越小。2 2、喷速与流速、喷速与流速 流速是指海水流动的速度。喷速是按相对运动的观点，海水在通道出口处相对于通道的流速。3 3、磁流体的效率、磁流体的效率 其公式： 式中: 船磁流体推进效率； 磁流体推进器效率； 船舶影响系数。ct*tc 自1961年以来，美国、日本、苏联、中国等先后开展了磁流体推进的研究。到目前为止，这方面的研究大致可分为三个阶段：磁流体推进原理性研究；磁流体推进应用基础研究及磁流体推进实用化技术的研究。 1961年赖斯基于液态金属电磁泵工作原理，提出了电磁推进系统即磁流体推进系统的设想，从而拉开了船舶磁流体推进研究的序幕。 1966年，韦研制出由常导线圈构成的双圆柱电磁推进系统，并安置在EMS-1潜艇模型上进行试验，首次实现了船舶磁流体推进。 20世纪70年代，超导技术步入实用化阶段，1 976年日本神户商船大学佐治吉郎、岩田章等人将超导磁体用于磁流体推进器，研制出磁通量密度0.607T、推力为0.015N的SEMD-1磁流体推进装置(船模)，并在水槽中进行了试验。国内外研究状况国内外研究状况 超导材料尤其是高温超导材料的发展和磁流体技术的进步，以及超导磁流体推进船模试验和理论研究的成果，使人们看到了磁流体推进实用化的前景，并开展了一系列实用化技术的研究。苏联科学院高温物理研究所、卡尔波夫物理化学研究所等单位研制出5.8T、直径150mm、长800mm的超导螺旋磁流体推进器通道模型，进行了压力分布、电极压降、磁流体性能的分析和试验。美国阿贡国家实验室、海军水下系统中心和阿夫柯公司等单位，建立了海水循环回路，对几个不同尺寸通道的线性磁流体推进器的运行性能和关键技术进行理论和试验研究。1985年，日本开始了磁流体推进在船舶上实用化的研究，并于1992年研制出“大和一号”实验船，在海上进行了自航试验，它标志着世界上第一艘无螺旋桨的磁流体推进船的诞生。 我国从20世纪70年代初开始了磁流体推进技术的研究，1971年，中国船舶工业总公司武汉船舶设计研究所和武汉船用电力推进装置研究所联合研制出磁通量密度为0.075T的外磁流式磁流体推进器，并安装在潜艇模型上在池中进行了试验。 近年来，中国科学院电工研究所研制出磁流体推进试验用0.8T，35mm50mm300mm的永磁磁体和0.46T的永磁式磁流体推进器及其船模后，又研制出推选器州磁通密度达4T、直径200mm、长300mm的螺管形超导磁体，并且正进行着螺旋型超导磁流体推进器披船模的研究。我国的新概念核潜艇我国的新概念核潜艇中国洛神号超导磁流体潜艇试车 （一）形体和内置设备以及分布状况（一）形体和内置设备以及分布状况 这种磁流体推进器潜艇是内置式，六连环螺旋直流体推进器为装置，将部分参照俄罗斯K级（“基洛”877-636）型艇，以及美国的“弗吉尼亚”级核潜艇，还有法国“红宝石”核潜艇的各方面的特点，在此基础上也凝聚中国的设计人员的智慧和力量，所以说，它是世界上最先进、最前卫、最具有战斗力的未来潜艇。指挥台围壳采用矩形的双轴线结构，两侧及围壳、舵内壳采用最新的高强度塑钢，它的承受力比目前的潜艇钢高出三倍以上，从理论上说，最深深度可达8001000米。当然这只是处于实验阶段。外壳敷设无缝绝缘吸声材料。 内部设置也基本参照“弗吉尼亚”级滴水型攻击艇。试验艇内壁有武备舱、指挥舱、电池舱、发电机舱、操纵舱和磁流体推进器舱。另外装有一个球型声纳基阵，艏舱布置六具潜艇垂直发射筒，是作为战略武器的一部分。四具鱼雷发射管向两舷外偏与轴线成10夹角，以增加发射扇面并有利于发射后的规避。 该艇可以发射鱼雷、反舰导弹、潜对空导弹、水雷之外，还可以操作无人小型潜艇（可遥控回收）进行侦察、反潜艇、干扰敌舰通讯等作战功能。也可配备一艘六人的小型的可操作型潜艇，进行深入敌后，完成一些潜艇所无法完成的任务。 指挥舱：配备最新型光电桅杆使潜望镜发生了巨大变化，同时操作灵活，无须上浮便可取得作息处理和作战决策，舱内有大型显示屏、作战系统、操艇系统。主要包括；光电桅杆、电子战桅杆、数据高速传输桅杆及特种任务桅杆。 居住舱：为提高航行速率，增大自持力，设计宽敞、舒适的居住舱，共80个双层铺位，40个临时铺位。 蓄电池舱：作为备用能源，磁流体推进器仍须装备一定数量的蓄电池，该舱靠近艇的中部指挥舱下层空间。 核反应堆舱：要求输出功率高，安静性能好，持久力长的特点。考虑使用热离子反应堆，它能转换电能，简化舱内结构，热离子反应堆不会产生高温、高压、而且节约材料和能源。 发电机舱：该舱设置在核反应堆舱之后。装2台给磁流体推进器供电的主发电机和2台供设备及照明用的辅助发电机；在机舱后部设有消音器、甲板下设燃料油、润滑油箱、冷却海水泵以及压载水舱。 操控舱与磁流体推进器舱：操控舱内主要装有液氦制冷装置，推进器的直接或备用操纵装置，测量仪表台、柜等。在磁流体推进器舱内，安装1台六连环直流螺旋型超导磁流体推进器。磁流体通道前后端分别设有海水吸人导流管和喷出导流管，吸人口呈卵圆形在艇体外壳上“开凿”，喷管出口则穿出艇尾壳体。（二）航行状态以及它的威胁作用（二）航行状态以及它的威胁作用 在强大的电磁力作用下，海水旋转着向后高速运动，再经出口导流器变为平行水流后通过喷口向艇尾喷射，推动潜艇前进。由于6个螺旋型磁流体推进器相互之间是独立的，因此任意改变其中某几个推进器的推力大小，即可改变潜艇航行状态、实现左转、右转、上浮、下沉等运动姿态。 在使用中，首升降舵主要用于产生正、负升力，改变或稳定航行深度；而尾升降舵用于产生纵倾或保持已有的纵倾角。有的潜艇没有首升降舵，而改设指挥台围壳水平舵。其缘故是围壳舵比首升降舵能更好地在各方向上保持潜艇良好稳定性。为了使潜艇航行稳定，一般潜艇艇尾还设有垂直稳定翼和水平稳定翼。 目前，潜艇在概念试验阶段还存在操纵性上有不安全因素，譬如高速航行时，会产生急剧增减航速或突然改变航向、深度，极易出现纵、横摇摆及埋首现象。而发生卡舵时，潜艇则会很快超深下沉。为了从根本上解决操纵性问题，打算将磁流体推进器与舵设备同时装设在潜艇上，当潜艇静止或低速航行时，采用喷水推力操纵，而高速航行时则将舵设备与推进器混合使用，可最大限度的消除舵设备的惯性作用，保持稳定运动。同时，自动化的操纵控制技术还将使操艇人员能够象驾驶飞机一样操纵潜艇。 说到威胁力，磁流体推进潜艇对于2l世纪的潜艇设计师和建造师来说，具有极大的吸引力。因为这种全新的推进方式将使潜艇在战术、技术性能上发生质的飞跃。只要艇员的身体素质和艇内的生活用品允许，磁流体潜艇将拥有无限的续航力和自持力；只要艇体强度承受得住，又可在任意深度航行；更为重要的是，这种潜艇具有空前的的安静性和水下高速航行、高速机动能力，成为真正意义上的潜艇，只要目标在攻击范围之内，那么任何猎物都难逃脱“它”的手掌。 专家预测，到本世纪三十年代，磁流体推进装置将在潜艇得到实际应用。从时间和科研基础上讲，中国如果能够继续加大发展超导磁流体技术，则有可能比美国领先1020年，在“磁流体推进器”研究方面，中国的实验及研究成果显然比世界上的其它国家领先了一大步，中国有可能成为明天的海上霸主。这种概念试验艇如果变为现实，那么世界的海洋将成为中国的海洋。Thank youThank you