超导磁流体推进新技术

从船被“造”出来的第一天起，人们就没有停止思考怎样让它更好的“前进”……

寻找可借之力

据船史学家考证，距今约一万年前，人类就开始使用篙、短桨和橹等工具，驱驶着独木舟、木排以及皮筏等原始船只在水中航行。大约在5000年前，埃及、腓尼基和巴比伦就出现了装桨的船只，靠众多奴隶划桨航行。这是船舶发展史上最早的推进方式：肌肉加木桨。

公元前3000年，古希腊人首次使用了帆，利用风力驱动船只前进，这便是船舶的又一种推进方式：风力加船帆。然而，在此后长达3500年的时间里，木桨一直仍是船舶最主要的推进器。尽管在一些桨船上也挂有简易的横帆，但那只是辅助动力，如图2。纯粹用帆作为推进器的船舶直到16世纪以后才开始普及，然后，风帆航海时代延续了将近300年。

18世纪下半叶，英国人瓦特发明了蒸汽机，随之带来了船舶动力的革命，而机动篙、机动划桨、明轮及螺旋桨等动用新动力的新型推进器设计相继出现。就19惜纪卜半叶蒸汽机的性能及工业条件而言，无疑明轮最为适宜，它由安装在船舷或船尾的大转轮旋转打水推动船舶。因为巨大的叶轮一半暴露在水面之外一目了

然，人们称之为“轮船”，而这一称呼一直沿用到了现在，如图3。明轮风光了百余年，但在风浪下叶轮的桨板会完全露出水面而形成空转、导致主机“飞车”自毁，而桨板又极易受损坏。因此，19世纪中叶以后，远洋船舶不得不寻找推进“新秀”——螺旋桨。

使用螺旋桨的想法由来已久，如图4。有人认为早在15世纪，达芬奇就提出了类似构想，而另一种说法则认为一位叫伯努力的瑞士人于1752年的某天，因观看一木匠干活，而受螺丝钉的启发提出了螺旋桨的设想。遗憾的是，当时没有蒸汽机，所以直到80年后(1838年)英国人史密斯才研制出世界上第一艘螺旋桨船“阿基米德”号。船上的那只螺旋推进器是一只“长尾巴”一样的木制单螺纹蜗杆，最初试航时，达到了约4节航速。然而，一次偶然的螺杆断裂却证明螺旋越少、航速越高，断杆竟然跑出了13节的航速。与其它推进器相比，螺旋桨重量轻、效率高、结构简单又完全安装在水下，用它推进的军舰在海战中不易被毁，因此，螺旋桨很快取代了明轮成为主要推进方式。

随着航运业的迅猛发展，船舶吨位越来越大、主机转速、功率成倍增加，螺旋桨的负荷也不断增大。于是，它的致命弱点也逐渐暴露出来——螺旋桨叶片在高负荷下尖端易形成大量细小的空气泡，气泡破裂的爆破力又使得剥蚀损伤桨叶，从而导致推进效率降低、振动加剧。此外，螺旋桨的机械传动设备与自身在水中的旋转都会产生巨大的噪声，螺旋桨推进方式远非无懈可击。

据说在螺旋桨诞生之前，也曾有人提出不用划桨和船帆推动船舶运动的设想。其中一种构想是利用安装于船只后甲板的火炮向船尾开火，用火炮后坐力推进；而另一种则设想从船首吸人海水，再由船尾喷出以获得推力。“放炮”的设想对现代气垫船引入空气螺旋桨推进不无帮助，而“喷水推进”的设想从17世纪产生以来，一直得到不断的改进。

今天实用的喷水推进器由吸管、水泵、整流器及喷管等组成，如图5。其工作原理与抽水机水泵相同，分轴流、混流、离心等几类。70年代以来，喷水推进的专用泵运用现代科技取得了相当的进展，推进效率已能与先进螺旋桨相媲美。然而，这种推进方式仍无法摆脱部件的机械转动，因而功率始终受到限制，加之管道较长，水力损失较大，系统效率也很难再有跨跃式的提高。

推进的极限如何打破呢?人们苦苦求索，终于有一天，轮机工程师们在一种运用介质导电性工作的电磁泵那儿找到了曙光!

扬弃机械运动!

在核动力、化工、冶金和铸造等工业部门中，电磁泵是一种用于输送导电流体(液态金属)的工具。

由于海水也具有导电性，因此也能在电场、磁场的共同作用下被“推动”，于是一种全新的推进系统——磁流体推进器——应运而生。

1961年，美国人赖斯提出磁流体推进系统的设想；1962年，菲力浦提出“交流磁流体“推进系统，即利用行波磁场与其在海水中的感应电流相互作用产生的电磁力推动船舶。1963年，多拉格提出“直流内磁式超导磁流体”推进器，这种方案与赖斯最早的设想区别在于磁体磁场对海水作用的电磁力区域处于推进器内部而非其外。在随后的10多年间，人们设计和制作了多种磁流体推进系统，但由于当时超导技术不够成熟，只能采用常规导磁体(磁场强度较低)试验，磁流体推进的研究主要停留在原理阶段。

要使磁流体推进器产生很大推力，就需要建立强大的磁场。众所周知，通电的导体会对电流产生一些阻力。但是当某种材料变的很冷时，电阻就会消失，几乎为零，于是导体就成了“超导体”。而所谓“超导磁体”就是用超导材料(线材或带材)绕制的空心线圈；当给这种线圈通电励磁以后，电流将毫无衰减地在闭合回路中流动，从而建立磁感应强度极大的、稳定“永久磁场”。而在磁流体推进器中，人们通常把采用了超导磁体的“电磁泵”称为超导磁流体推进器(简称MHD，如图6)。

虽然技术、工程上的障碍十分巨大，人们为什么还是对MHD抱以如此巨大的期望呢?原因就在于它作为推进装置具有无可比拟的优越性，其飞跃性有如航空领域的喷气动力取代螺旋桨、地面轨道领域的磁悬浮列车抛弃钢轮。

首先，MHD取消了船用螺旋桨及水泵式喷水推进装置所使用的各类转动机构，消除了由此引起的振动、噪声问题，使船舶几乎在安静的状态下航行，大大改善了航海人员的生活、工作环境，并可极大的增加军用舰艇隐蔽性；其次，MHD是一个静止设备，即克服了转动机械的功率限制，也克服了螺旋桨高速旋转的空泡效应，可大大提高输出功率，为制造超高速舰船创造了条件；再者，MHD各个部件，如发电机、推进器、辅控设备等，相互之间没有“刚性连接”(如连接柴油机、螺旋桨的主轴)，可集中安装也可分散于任何舱室之中，从而极大地增加了舱室布置的灵活性；此外，MHD通过控制输入电压或电流操纵，适于集中控制，且操纵灵活、机动性能好，容易应付紧急状态，航行安全性好。

HOWMHDWORKS?

磁流体推进器由超导磁体、电极和通道3部分构成。其中超导磁体系统是由超导材料绕制的空心线圈和装有冷却介质——液氦的低温容器组成；电极一般选用电流密度较低且具有良好电化学性能的材料(如：金属氧化物DSA、镀铂钛等)制成；通道是指贯穿海水的空间，由超导磁流体和电极形成。

在磁流体推进过程中，海水作为一个导体通电后穿过超导磁体所建立的磁场，因而受到洛仑兹力的作用沿着一定方向运动，其反作用力推动船舶前进。具体的说，可以借助物理学中的“磁场对通电直导线的作用”这一现象来解释，如图7。将金属直导线放入磁场中，当导线通电时，磁场就会对通电导线施加一侧向力而使导线发生移动，力的方向为拇指所指方向。若将图中的磁体视为磁流体推进器的超导磁体，将磁体之间的空间视为通道，金属导线视为海水，则海水就会像图中的金属导线一样向拇指所指方向运动。在磁场一定的情况下，电流大，电磁力大，推力也大，船的运动速度就快；反之，电流小，推力也小，船的运动速度就慢。当电流方向改变，船舶运动方向也会随之改变。可见，利用调节电流大小，可控制船的速度；利用改变电极极性，可操纵船的运动方向。

前文已经提过，菲力浦和多拉格分别提出的是交流与直流两种磁流体推进系统。交流磁流体推进器采用的是交流超导磁体，直流磁流体推进器采用是直流超导磁体。尽管它们在原理上一样，都需要在高强磁场下才能获得很高的效率，但是交流磁流体推进要比直流磁流体推进优越的多。只是由于目前交流超导磁流体尚未达到实用水平，因此，直流超导磁流体成为人们研究的首选对象。

直流磁流体推进按其推进器的电磁力作用区域分为内磁式和外磁式两种推进方式。内磁式的电磁力作用区域在管道(通道)内部；外磁式的电磁力作用区域在船体的下面或周围水域，如图8。二者相比，内磁式磁流体推进器不像外磁式那样将电流和磁场在海域中扩散，不污染海洋环境、隐藏性好，因而更受青睐，也是重点研究方向。

就内磁式磁流体推进器的通道几何形状而言，若通道呈直线型，则称为线性MHD；若通道为螺旋型，则称为螺旋型MHD；若通道为圆环型，则称为环型MHD，如图9。通常线性和螺旋型磁流体推进器可作为独立装置安装在船体内部某处，而环型磁流体推进器只能套在潜艇等水下航行器的外壳上。

基于磁流体推进器安静、高速、操纵灵活的优点，人们探讨了多种磁流体推进船型结构。如利用内磁式推进器的构想的单体船、双体船、潜艇等。这里，不妨以单螺旋、双螺旋及6连环螺旋磁流体为例，简单介绍实用MHD的具体工作过程。

单螺旋型MHD磁体采用直流超导螺旋管线圈，内部安装一对圆筒形电极，其中一个为内电极，另一个为外电极，如图10。两电极之间设置由非导磁的绝缘材料制成的螺旋壁，电极与螺旋壁之间形成螺旋通道。由于经电极通人海水的电流方向为径向，磁体产生的磁场方向为轴向，因此载流海水就会受到圆周切线方向的电磁力。如果将电磁力分成两个分量，一个平行于螺旋通道，另一个垂直于螺旋通道，那么平行于螺旋通道方向的电磁力就成为使海水沿螺旋通道流动的动力。为了减少海水流动的阻力，需要在通道的进口和出口分别安置一个由几片扇形叶片构成的导流器。进口导流器使通道前远方平行的水流转变方向而进入螺旋通道；出口导流器使螺旋通道的水流转变为平行水流，然后由喷口喷射产生推力。

若将两个单螺旋型MHD平行排列在一起便组合成了两螺旋型MHD。两个磁体所产生的磁场会相互作用，为增大推进器通道内的磁通量、减小磁场外部空间的泄漏，需将两磁体的不同磁极放在同一端。即将一个磁体南极与另一磁体的北极端朝向一个方向。这样组合后，两个推进器的电极极性或螺旋通道的旋转方向也将相应换位。换句话说，当两个推进器的内、外电极相同时，需改变螺旋通道的旋转方向，即：一个为左螺旋，而另一个应为右螺旋。而当螺旋通道旋转方向一致时，就需改变电极的极性，即：一个为“内阳、外阴”，而另一个应为“内阴、外阳”，以保证两推进器的海水沿同一方向喷射。

所渭6连环螺旋型MHD由6个单螺旋型MHD组成，推进器两两之间平行排列，且按一“正”一“反”的J顷序交替摆放。从横截面看6个推进器管道截面均匀分布在一圆周上，构成正6边形。这样的布设保证了穿过各通道的磁感应线两两叠加后具有相同方向，如图11。

与其它船用推进器一样，磁流体推进器也需要由原动机驱动。但它不像螺旋桨

或水泵喷水推进器那样，由主机通过传动设备给螺旋桨或水泵提供机械功率，使之产生机械推力，而是由主机、发电机和附属设备等组成船舶电站，给磁流体推进器供电产生电磁推力。原动机是用来带动发电机运转的主机，可是内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机、核反应堆中的任意一种。主机与发电机共同组成发电机组；控制器是用来调控通电电流大小；辅助设备是指制冷机、空气压缩机等。

为使所述问题更接近实际，我们假设将磁流体推进器的整套系统安设在某艘船的底部，核能发电，推进器为6连环螺旋型直流磁流体推进器，6根进、出水管道均艏艉贯通，且安置在水线以下。当我们启动核发电机组工作后，磁流体推进器的6个超导线圈即通电励磁，在其通道内形成高强磁场。与此同时，控制器通过电极给海水通电，磁场便对载流海水施加电磁推力，在这一推力的作用下，海水在6个螺旋通道内高速旋转并向后一齐喷射，推动船舶前进。船舶进入航行状态后，推进器前方的水流将不断地吸人进口管道，在通道内加速后，又从出口管道不断地喷出，使船持续高速航行。若同时改变6对电极的极性，则将改变其运动方向，也就是我们通常所说的“倒车”。由于6个推进器相互独立，因此，当任意改变其中某几个推进器的电流的大小和电极极性，船舶将实现各种运动姿态，即具有极佳的操纵性。

表征磁流体推进的主要技术指标为：电磁力与工作压力、喷速与船速、推力与阻力，磁流体推进效率等。它们的好坏，直接关系到磁流体推进船舶是否具有良好的推进性能。

成果与问题

70年代，超导技术步人实用化阶段并很快应用于磁流体推进装置之中。1976年，日本神户商船大学佐治吉郎、岩田章等人将超导磁流体用于磁流体推进器，研制出磁场0.607特斯拉、推力0.015牛顿的SEMD-1磁流体推进船模，并在水槽中进行了试验，首次证实了超导磁体在磁流体推进器中应用的有效性以及推力的快速响应。1979年，他们又成功地利用超导磁体研制出磁场2特斯拉、推力15牛顿的磁流体推进器，并安装在ST-500船模上在水池中进行航行试验。试验表明，在船体的振动和冲击下，推进器的超导磁体仍能正常工作，从而为超导磁体能够可靠地作为推进器的磁体提供了依据。

80年代后，船舶磁流体的推进研究逐步向实用化阶段迈进。

1985年，日本成立超导电磁推进船的开发研究委员会并决定建立超导磁流体推进试验船。1992年，“大和”1号试验船建成并成功地进行了海上自航试验，世界上第一艘无螺旋桨MHD船的诞生，如图12，紧接着“大和”2号下水。与此同时，美国和俄罗斯等国也在船舶磁流体推进方面做了大量的试验研究，均具备相当能力。

我国于70年代初开展了对磁流体推进方式的研究工作，中国舰船研究院所属数家研究所参加了有关研究课题，研制出常导磁体产生磁场(0.075特斯拉)的外磁流式磁流体推进器，并安装在潜艇模型上进行了水池试验，艇速约0.62米／秒。但是，由于当时我国没有实用超导磁体，磁流体推进研究工作一度停滞。近十年来，随着我国超导磁体技术的日趋成熟，MHD研究也迅速开展起来，并已列为国家863高技术研究发展计划中。目前，我们的MHD研究主要由中科院电工所承担，该所研制的螺旋型超导磁流体推进器曾今年2月参加863计划成果展。

目前磁流体推进器在实用化阶段迈进的过程中还存在着一些亟待解决的问题。

如：磁流体推进器的轻量化和小型化问题，高性能电极材料的开发问题，磁流体推进器产生气泡和漏磁问题，最佳通道系统的设计问题等等。随着科学的发展、

技术的进步、新材料和新工艺的运用，中国第一艘高性能MHD船远航的日子已为时不远。

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