船用磁流體推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用前景展望

伍賽特

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海200438）

0 引言

船用磁流體推進(jìn)技術(shù)是利用電磁力使海水運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生推力推進(jìn)船舶運(yùn)動(dòng)的一種推進(jìn)方式。該推進(jìn)方式取消了常規(guī)的螺旋槳、噴水推進(jìn)等轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，消除了由轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)引起的振動(dòng)和噪聲，也消除了由螺旋槳空泡現(xiàn)象帶來的種種危害，因此，具有安靜推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)和可實(shí)現(xiàn)高速推進(jìn)的能力。自20世紀(jì)60年代船用磁流體推進(jìn)設(shè)想提出以來，美、日、前蘇聯(lián)等國都先后開展了針對(duì)該方面的研究，但要達(dá)到實(shí)用化的目的，仍有許多問題需要解決[1-6]。

本文在探討與實(shí)用化密切相關(guān)的幾個(gè)問題及其解決措施的基礎(chǔ)上，對(duì)船用磁流體推進(jìn)的前景進(jìn)行了展望[7-10]。

1 船用磁流體推進(jìn)技術(shù)概述

磁流體推進(jìn)有直流和交流兩種推進(jìn)方式，相應(yīng)地有直流和交流兩種推進(jìn)器[11]。就實(shí)用化而言，推進(jìn)器必須有較高的推進(jìn)效率，這就需要有能在數(shù)十立方米甚至更大的通道內(nèi)產(chǎn)生20 T以上高場(chǎng)的磁體。直流磁流體推進(jìn)器采用的是直流超導(dǎo)磁體，交流磁流體推進(jìn)器采用的是交流超導(dǎo)磁體。雖然交流超導(dǎo)磁流體推進(jìn)比直流超導(dǎo)磁流體推進(jìn)更為優(yōu)越，但從超導(dǎo)磁體的研制現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)來看，直流超導(dǎo)磁體更易于實(shí)現(xiàn)，因此，直流超導(dǎo)磁流體推進(jìn)成為研究的首選對(duì)象，因?yàn)槠溆凶钕仍诖吧蠎?yīng)用的前景[12-14]。

直流超導(dǎo)磁流體推進(jìn)有內(nèi)磁和外磁兩種推進(jìn)方式，相應(yīng)地有內(nèi)磁式和外磁式兩種磁流體推進(jìn)器。外磁式磁流體推進(jìn)器對(duì)于降低船體摩擦阻力和興波阻力大有裨益，但其電流和磁場(chǎng)在海域中擴(kuò)散，不僅會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成污染，還會(huì)影響大船舶的航行隱蔽性。由于內(nèi)磁式磁流體推進(jìn)器不存在電流和磁場(chǎng)向海域擴(kuò)散及由此引起的問題，所以其應(yīng)用前景比外磁式磁流體推進(jìn)器更為廣闊，并有望成為船舶和魚雷首選的推進(jìn)方式。

2 船用磁流體推進(jìn)技術(shù)的主要影響因素

船用磁流體推進(jìn)實(shí)用化的首要條件是必須具有良好的推進(jìn)性能，也就是說要有較高的效率和速度，后者對(duì)于軍用艦艇而言尤為重要，因?yàn)楦咚倥炌Ъ瓤梢匝杆俪鰮?，又可以快速撤離。為此，磁流體推進(jìn)的速度能否有效提升，效率能否提高到可被接受的水平，這關(guān)系到磁流體推進(jìn)能否在船舶上真正得以實(shí)用化。

船舶的推進(jìn)速度和效率主要取決于組合參數(shù)與載荷系數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)概括了推進(jìn)器及船舶的結(jié)構(gòu)參數(shù)、電磁參數(shù)、流體力學(xué)參數(shù)等等。通常而言，可以通過采用較高的磁通密度、電流密度和較小的載荷系數(shù)來提高船速，采用較小的載荷系數(shù)和較大的組合參數(shù)來提高效率，而且可以利用高磁通密度和電導(dǎo)率來得到所需的組合參數(shù)。因此，理論上只要采用較大的組合參數(shù)和較小的載荷系數(shù)值，磁流體推進(jìn)的船速和效率值就可以達(dá)到與傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)相當(dāng)?shù)乃?，但在?shí)現(xiàn)這些參數(shù)值時(shí)存在某些問題，從而影響了磁流體推進(jìn)的實(shí)用化。下面討論與實(shí)用化有關(guān)的幾個(gè)問題。

3 船用磁流體推進(jìn)技術(shù)所面臨的技術(shù)問題

3.1 磁流體推進(jìn)裝置的輕量化和小型化

提高磁流體推進(jìn)船速和效率的因素之一是采用較小的載荷系數(shù)。在推進(jìn)器通道尺寸一定的情況下，載荷系數(shù)與船體濕表面積成正比，而濕表面積與船體排水量成正比。由于動(dòng)力、磁流體推進(jìn)器、制冷及控制等設(shè)備組成的磁流體推進(jìn)裝置在船體總重中占比較大。因此，推進(jìn)裝置的輕量化有助于減輕船體質(zhì)量，減小船體濕表面積，從而減小載荷系數(shù)。而推進(jìn)裝置的小型化可使其所占的空間減小，從而為有效載荷提供更多的空間。

推進(jìn)裝置的輕量化和小型化最主要是要通過提高磁流體推進(jìn)器的效率來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵诖巴七M(jìn)功率一定的情況下，隨著推進(jìn)器效率的提高，輸入功率減小，與此相適應(yīng)的動(dòng)力及制冷等設(shè)備的功率容量也有所減小，因而其質(zhì)量減輕，體積減小。同時(shí)，提高各種設(shè)備的自身效率也有助于推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化和小型化。

3.2 磁流體推進(jìn)器的強(qiáng)磁場(chǎng)化及輕量化

如上文所述，減小載荷系數(shù)主要依靠推進(jìn)系統(tǒng)的輕量化，輕量化的關(guān)鍵在于磁流體推進(jìn)效率，而效率主要取決于磁通密度、電導(dǎo)率、通道效率等參數(shù)。設(shè)計(jì)具有較高效率的通道系統(tǒng)，并提高海水電導(dǎo)率是提高效率的重要措施，但最有效的措施則為提高磁通密度，該目標(biāo)可通過采用高場(chǎng)超導(dǎo)磁體實(shí)現(xiàn)。超導(dǎo)磁體系統(tǒng)主要由超導(dǎo)線圈及低溫容器構(gòu)成。磁流體推進(jìn)器所采用的超導(dǎo)線圈主要由低溫超導(dǎo)材料制成，低溫容器通常由不銹鋼材料制成，采用液氦冷卻，其磁通密度較低。在數(shù)十立方米甚至更大的通道空間獲得更強(qiáng)的磁場(chǎng)，利用低溫超導(dǎo)材料通常難以實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，但隨著高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展，此目標(biāo)將得以有效實(shí)現(xiàn)。高溫超導(dǎo)材料的臨界溫度在未來還會(huì)持續(xù)提高，如此可采用液氮冷卻。

同時(shí)，低溫容器的結(jié)構(gòu)也會(huì)相應(yīng)地簡易化和小型化，再加上具有較高強(qiáng)度和較小密度的新型結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)和使用，從而使磁體系統(tǒng)的強(qiáng)磁場(chǎng)化和輕量化成為可能。

3.3 高效率、低污染、長壽命電極的開發(fā)

當(dāng)通過電極向海水通電時(shí)，會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)會(huì)使電極腐蝕，海水電解，并產(chǎn)生氯氣和次氯酸鈉，從而對(duì)海洋環(huán)境造成污染；所引起的電極電壓降現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)器效率的降低。因此，探索一種對(duì)氧氣具有催化作用、對(duì)氯氣具有抑制能力，并能抗腐蝕，導(dǎo)電性能好，電極電壓降小，機(jī)械強(qiáng)度高的電極就成為未來重要的研究目標(biāo)。

鍍鉑鈦電極的研制成功基本上能滿足上述要求，但其價(jià)格較為昂貴，使用壽命也有限，因此進(jìn)一步探索價(jià)廉、性能好、使用壽命與船舶定期檢查時(shí)間相當(dāng)、污染小的電極，仍然是當(dāng)前研究的一項(xiàng)重要課題。當(dāng)然，徹底解決這個(gè)問題的辦法是采用交流磁流體推進(jìn)器，因?yàn)槠錈o需電極，但存在著高場(chǎng)交流超導(dǎo)磁體的研制問題。

3.4 磁流體推器中的物理和化學(xué)現(xiàn)象

以磁流體方式推進(jìn)的船舶具有較好的航行隱蔽性，而會(huì)對(duì)船舶航行隱蔽性產(chǎn)生影響的主要因素為磁流體推進(jìn)器中的氣泡、噪聲及漏磁現(xiàn)象。

氣泡一般是由海水電解而產(chǎn)生的，氣泡的破裂和振蕩會(huì)引起噪聲，而氣泡隨海水從噴口噴出又會(huì)產(chǎn)生痕跡，影響到船舶的航行隱蔽性。然而，噪聲和航跡與氣泡的數(shù)量及尺寸有關(guān)，研究表明，在電流密度不高的情況下，氣泡的半徑一般不會(huì)超過10 μm，如果再考慮氣泡在運(yùn)動(dòng)中的破碎，則其半徑會(huì)小于10 μm，并減少生成數(shù)量。這樣小尺寸的氣泡以及由氣泡引起的噪聲對(duì)船舶航行隱蔽性產(chǎn)生的負(fù)面影響幾乎可以忽略不計(jì)。但隨著電流密度的提高，氣泡的危害性又會(huì)相應(yīng)顯現(xiàn)出來。所以，就提高船舶航行的隱蔽性而言，應(yīng)采用較小的電流密度，但如此又會(huì)導(dǎo)致電磁力及推力下降，為了解決該問題，只能提高磁場(chǎng)，由此可知推進(jìn)器采用高場(chǎng)超導(dǎo)磁體的實(shí)際意義。

隨著高場(chǎng)超導(dǎo)磁體的應(yīng)用，漏磁已成為需要重點(diǎn)關(guān)注的另一問題。漏磁的危害性在于其不僅會(huì)影響船內(nèi)儀表的正常工作，還會(huì)吸引海水中的鐵磁物質(zhì)，由此可能導(dǎo)致通道面積縮小，流動(dòng)阻力增大，從而降低推進(jìn)器的推力和效率。此外，漏磁在船體外散布，還容易被其他探測(cè)設(shè)備檢測(cè)出來，因而影響到了船舶的航行隱蔽性。因此對(duì)漏磁問題必須予以重視，可通過對(duì)磁體進(jìn)行合理布局及采用磁屏蔽等措施解決該問題。

3.5 磁流體推進(jìn)船型

磁流體推進(jìn)器可被視為一類水下噴水推進(jìn)裝置，盡管其無需固定安裝位置，但一般具有在船舶及船艉方向開口并貫穿船體的管道，該管道緊密地與船體結(jié)合在一起。因此需要研究開發(fā)出具有較高速度和較小阻力，并與磁流體推進(jìn)器相匹配的船型。目前，已提出多種船型結(jié)構(gòu)的設(shè)想，而且隨著時(shí)間的推移以及研究和開發(fā)工作的深入開展，將會(huì)有更多式樣的船型得以面世。

4 船用磁流體推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用前景展望

船用磁流體推進(jìn)與螺旋槳推進(jìn)相比具有諸多優(yōu)勢(shì)，正是該類優(yōu)點(diǎn)吸引著研究人員對(duì)其開展研究和開發(fā)。由于磁流體推進(jìn)是一項(xiàng)涉及電磁學(xué)、流體力學(xué)、電化學(xué)等多學(xué)科，并且綜合性較強(qiáng)的高新技術(shù)，其研發(fā)難度較大，并且需妥善解決諸多技術(shù)問題，如上文所提到的磁流體推進(jìn)裝置的輕量化和小型化、超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的強(qiáng)磁場(chǎng)及輕量化、高性能的電極材料及最佳通道系統(tǒng)等。

目前，部分問題已得以妥善解決，但仍有部分問題正在研究開發(fā)進(jìn)程中，尤其是超導(dǎo)材料及先進(jìn)磁體技術(shù)問題仍有待妥善解決?？梢灶A(yù)言，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，以及新材料和新工藝的不斷誕生，上述問題均有望得到解決。

5 結(jié)語

船舶螺旋槳從面世到發(fā)展再到較為成熟的推進(jìn)階段經(jīng)過了百余年，而船用磁流體推進(jìn)從提出到目前僅有數(shù)十年。未來，超導(dǎo)磁流體推進(jìn)即便能在船舶上得以真正實(shí)用化，其與螺旋槳推進(jìn)方式相比依然是后起之秀。但不可否認(rèn)，考慮到磁流體推進(jìn)技術(shù)的固有優(yōu)勢(shì)，隨著當(dāng)前技術(shù)水平的持續(xù)提高，正如噴氣式飛機(jī)取代傳統(tǒng)的螺旋槳飛機(jī)一樣，磁流體推進(jìn)技術(shù)必將引領(lǐng)船舶推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展潮流。