超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器

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1、概述 船舶磁流體推進(jìn)是近二三十年出現(xiàn)的一種新型的船舶推進(jìn)方式。它是利用海水中的電流與磁場(chǎng)間的相互作用力使海水運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的一種推進(jìn)方法，可用于船舶之類水中裝置的推進(jìn)。船舶磁流體推進(jìn)具有高速、振動(dòng)小、噪聲低、操縱靈活、布置方便等特點(diǎn)。1992年世界第一艘超導(dǎo)磁流體推進(jìn)船“大和一號(hào)”的試航成功，標(biāo)志著磁流體推進(jìn)研究進(jìn)入了一個(gè)新階段，目前許多造船大國紛紛對(duì)此技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究，并預(yù)測(cè)此種推進(jìn)方式將是本世紀(jì)最有希望的船舶新的推進(jìn)方式之一。磁流體推進(jìn)是一項(xiàng)綜臺(tái)性很強(qiáng)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(jìn)船- “

2、大和1號(hào)”（日本） 基本原理基本原理 所謂的“磁流體推進(jìn)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(jìn)入船體的海水）產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大磁場(chǎng)；通過船上的一對(duì)電極，使強(qiáng)大的電流通過海水，根據(jù)“弗萊明左手法則”，會(huì)在船體后面產(chǎn)生一個(gè)向后推水的力，而水對(duì)船體的反作用力就會(huì)推動(dòng)船前進(jìn)。 在磁場(chǎng)一定的情況下，電流大，電磁力大，推力也大，船運(yùn)動(dòng)的速度就快；反之，電流小，電磁力小，推力也小，船運(yùn)動(dòng)的速度也慢。當(dāng)電流方向改變時(shí)，電極的極性也改變，電磁力和推力的方向也改變，船舶運(yùn)動(dòng)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(jìn)器模型特點(diǎn)特點(diǎn)

3、船舶采用磁流體推進(jìn)后，具有以下特點(diǎn)：（1）振動(dòng)和噪聲小。磁流體推進(jìn)取消了螺旋槳推進(jìn)使用的螺旋槳、軸系的減速齒輪。消除了由這些轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)引起的振動(dòng)和噪聲，其輻射噪聲也比螺旋槳推進(jìn)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(jìn)器是一個(gè)靜止設(shè)備，它既克服了轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的功率限制，也克服了螺旋槳高速轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)器裝置中各部件，如發(fā)電機(jī)、推進(jìn)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(gè)位置，布置方便。（4）操縱性好。磁流體推進(jìn)易于實(shí)現(xiàn)由駕駛?cè)藛T在駕駛室中通過控制推進(jìn)器的輸入電壓或電流對(duì)船舶進(jìn)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(yùn)行方向。與傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)類推進(jìn)器(譬如螺旋槳、水泵噴水推進(jìn)器等)相比較，磁流體推進(jìn)器的不同點(diǎn)在于：前者使用機(jī)械動(dòng)力作為推力而后者使用電磁力。正因?yàn)槿绱?，磁流體推進(jìn)器無須配備螺旋槳槳葉、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和軸泵等，是一種完全沒有機(jī)械噪音的安靜推進(jìn)器。 一旦現(xiàn)代潛艇使用了這種推進(jìn)器，便從根本上消除了因機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的振動(dòng)、噪音以及功率限制，而能在幾乎絕對(duì)安靜的狀態(tài)下以極高的航速航行。據(jù)理論計(jì)算其航速可達(dá)150節(jié)，而這是任何機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)類推進(jìn)器不可能實(shí)現(xiàn)的。 與傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)類與傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)類推進(jìn)器相比較推進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dòng)的速度。噴速是按相對(duì)運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)，海水在通道出口處相對(duì)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(jìn)效率； 磁流體推進(jìn)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(jìn)的研究。到目前為止，這方面的研究大致可分為三個(gè)階段：磁流體推進(jìn)原理性研究；磁流體推進(jìn)應(yīng)用基礎(chǔ)研究及磁流體推進(jìn)實(shí)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(jìn)系統(tǒng)即磁流體推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)想，從而拉開了船舶磁流體推進(jìn)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(jìn)系統(tǒng)，并安置在EMS-1潛艇模型上進(jìn)行試驗(yàn)，首次實(shí)現(xiàn)了船舶磁流體推進(jìn)。 20世紀(jì)70年代，超導(dǎo)技術(shù)步入實(shí)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(jìn)器，研制出磁通量密度0.607T、推力為0.015N的SEMD-1磁流體推進(jìn)裝置(船模)，并在水槽中進(jìn)行了試驗(yàn)。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(jìn)步，以及超導(dǎo)磁流體推進(jìn)船模試驗(yàn)和理論研究的成果，使人們看到了磁流體推進(jìn)實(shí)用化的前景，并開展了一系列實(shí)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(jìn)器通道模型，進(jìn)行了壓力分布、電極壓降、磁流體性能的分析和試驗(yàn)。美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)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(duì)幾個(gè)不同

8、尺寸通道的線性磁流體推進(jìn)器的運(yùn)行性能和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究。1985年，日本開始了磁流體推進(jìn)在船舶上實(shí)用化的研究，并于1992年研制出“大和一號(hào)”實(shí)驗(yàn)船，在海上進(jìn)行了自航試驗(yàn)，它標(biāo)志著世界上第一艘無螺旋槳的磁流體推進(jìn)船的誕生。 我國從20世紀(jì)70年代初開始了磁流體推進(jìn)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(jì)研究所和武漢船用電力推進(jìn)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(jìn)器，并安裝在潛艇模型上在池中進(jìn)行了試驗(yàn)。 近年來，中國科學(xué)院電工研究所研制出磁流體推進(jìn)試驗(yàn)用0.8T，35mm50mm300mm的永磁磁體和0.46T的永磁式磁流體推進(jìn)器及其船模后，又

9、研制出推選器州磁通密度達(dá)4T、直徑200mm、長300mm的螺管形超導(dǎo)磁體，并且正進(jìn)行著螺旋型超導(dǎo)磁流體推進(jìn)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(hào)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(jìn)器潛艇是內(nèi)置式，六連環(huán)螺旋直流體推進(jìn)器為裝置，將部分參照俄羅斯K級(jí)（“基洛”877-636）型艇，以及美國的“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇，還有法國“紅寶石”核潛艇的各方面的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上也凝聚中國的設(shè)計(jì)人員的智慧和力量，所以說，它是世界上最先進(jìn)、最前衛(wèi)、最具有戰(zhàn)斗力的未來潛艇。指揮臺(tái)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(qiáng)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(dá)8001000米。當(dāng)然這只是處于實(shí)驗(yàn)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(jí)滴水型攻擊艇。試驗(yàn)艇內(nèi)壁有武備艙、指揮艙、電池艙、發(fā)電機(jī)艙、操縱艙和磁流體推進(jìn)器艙。另外裝有一個(gè)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(duì)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(jì)寬敞、舒適的居住艙，共80個(gè)雙層鋪位，40個(gè)臨時(shí)鋪位。 蓄電池艙：作為備用能源，磁流體推進(jìn)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(diǎn)?？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(huì)產(chǎn)生高溫、高壓、而且節(jié)約材料和能源。 發(fā)電機(jī)艙：該

12、艙設(shè)置在核反應(yīng)堆艙之后。裝2臺(tái)給磁流體推進(jìn)器供電的主發(fā)電機(jī)和2臺(tái)供設(shè)備及照明用的輔助發(fā)電機(jī)；在機(jī)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(jìn)器艙：操控艙內(nèi)主要裝有液氦制冷裝置，推進(jìn)器的直接或備用操縱裝置，測(cè)量儀表臺(tái)、柜等。在磁流體推進(jìn)器艙內(nèi)，安裝1臺(tái)六連環(huán)直流螺旋型超導(dǎo)磁流體推進(jìn)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(qiáng)大的電磁力作用下，海水旋轉(zhuǎn)著向后高速運(yùn)動(dòng)，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(dòng)

13、潛艇前進(jìn)。由于6個(gè)螺旋型磁流體推進(jìn)器相互之間是獨(dú)立的，因此任意改變其中某幾個(gè)推進(jìn)器的推力大小，即可改變潛艇航行狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上浮、下沉等運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。 在使用中，首升降舵主要用于產(chǎn)生正、負(fù)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(tái)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(yàn)階段還存在操縱性上有不安全因素，譬如高速航行時(shí)，會(huì)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(shí)，潛艇則會(huì)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(jìn)器與舵設(shè)備同時(shí)裝設(shè)在潛艇上，當(dāng)潛艇靜止或低速航行時(shí)，采用噴水推力操縱，而高速航行時(shí)則將舵設(shè)備與推進(jìn)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(yùn)動(dòng)。同時(shí)，自動(dòng)化的操縱控制技術(shù)還將使操艇人員能夠象駕駛飛機(jī)一樣操縱潛艇。 說到威脅力，磁流體推進(jìn)潛艇對(duì)于2l世紀(jì)的潛艇設(shè)計(jì)師和建造師來說，具有極大的吸引力。因?yàn)檫@種全新的推進(jìn)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(qiáng)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(jī)動(dòng)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(cè)，到本世紀(jì)三十年代，磁流體推進(jìn)裝置將在潛艇得到實(shí)際應(yīng)用。從時(shí)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(jìn)器”研究方面，中國的實(shí)驗(yàn)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(yàn)艇如果變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，那么世界的海洋將成為中國的海洋。Thank youThank you