磁流体推进技术应用及展望

辛 旭

（大连中远海运重工有限公司，辽宁 大连 116000）

1 .推进器的种类与应用

推进器作为船舶的动力装置是用来为机械提供动力，以提高速度的。船舶推进器是进行能量转化把主机产生的能量转化为船舶前进动力的重要装置。船舶推进器尤其是潜艇的推进器的研究一直注重高性能推进的开发。现代船舶大部分采用的是反应式推进器，其中应用最广的是螺旋桨推进器。自从螺旋桨推进器被广泛应用于船舶推进之后，人们开始在以螺旋桨为核心的基础上研究创造出了很多新型的推进器形式，如吊舱推进器、泵推进器、对转桨推进器，同时也发明了未来可能替代螺旋桨的推进形式如喷水推进和磁流体推进。

2 推进器的历史衍变

从船舶推进器发明到现在，经过不断的优化与调整，其性能不断增强，而在这个过程中，得益于人们的智慧，新型的推进器形式也不断地被创造出来。19世纪螺旋桨推进器应运而生，之后早期形式的推进装置慢慢淡出大型船舶的视野。

2.1 原始推进

早期的船舶还不能算真正的船舶，像独木舟、小船，它们的推进主要依靠的是人力、畜力和风力（即撑篙、划桨、摇橹和风帆）等。因为它们的形式越来越不能满足大型轮船的需求，人们一直在探寻更高性能的推进器。

明轮推进的形状很像车轮，在原动机的驱动下轮边缘上的桨板向后拨水使船前进。采用明轮的船舶吃水浅，操作比较灵活，内部可用空间大，可以承载更多货物，行驶起来也比较平稳。但是叶片由于部分或全部露出了水面，很容易与其他船舶的船身或者明轮发生碰撞，使船舶不能稳定安全地航行。并且，明轮的叶片结构问题使其在运转时很容易损坏。因此，在后期装有螺旋桨的轮船便将装有明轮的轮船淘汰了。

2.2 新型推进方式

随着科技的发展，一些新的推进方式应运而生，比如仿生学的发展，使人们发明了模拟鱼类游动的水下仿生推进器。由物理学定律，人们想到用电磁力推进船舶前进。

（1）仿生推进器是一种将仿生学和船舶推进技术相结合的新型推进技术，具有低噪声，高效率，低扰动的突出优点。水下仿生推进器作为跨领域综合技术，是要伴随类似生物流体力学，神经网络控制，仿生机电的关键技术的发展而向更高效、更高速、更高机动性和低噪声、高续航的方向发展。当今，仿生推进器主要应用在水下机器人上，在船舶上的应用还比较罕见。

（2）磁流体推进是一种利用作用于海水的电磁力获得反作用力作推进力的比较先进的设计理念的新型船舶推进方式。与传统推进方式相比，因为抛弃了沉重的螺旋桨和一些配套的传动装置等，不仅减轻了船舶重量，可以提高推进效率而且避免了因为螺旋桨产生的噪声，也利于抑制潜艇机械噪声和流体动力噪声。

自进入新世纪以来，现代社会快速的发展要求船舶满足高航速、高适航、高稳定性、高易操作性和低能耗等标准。电力推进系统在综合船舶推进的各项性能指标来看，具有很大的优越性，研究和开发电力推进设计和制造核心对整个船舶推进发展有不可估量的作用。磁流体推进，特别是超导磁流体推进虽然具有很多的优点，但还需要克服一系列的问题才能应用到实船。

3 磁流体推进的研究现状

3.1 磁流体技术的实际应用

我国从20世纪70年代就一直致力于超导磁流体技术的研究。近几年，中国科学院电工研究所在研制出了磁流体推进试验用0.87 T的永磁磁体和0.46 T的永磁式磁流体推进器及船模后，又研制出了推进器用磁通密度达4 T的螺管型超导磁体，并正在积极地进行着螺旋型超导磁流体推进器及船模的研究。研究得到结论：磁流体推进方式的原理是正确的，但是只有采用超导体产生强磁场才能使磁流体推进实用化。相对来说，磁场磁感应强度大，孔径大的螺管磁体的制造较为容易实现。1999年9月中国科学院电工研究所、日本神户商船大学和日本国立材料科学研究所的科学研究人员在日本筑波首次完成了强磁场下14 T的螺旋通道磁流体船舶推进器的合作试验研究。试验中磁场的磁感应强度为14 T，平均达13.4 T，电流密度达到1 000 A/m2，电磁力达到20 000 N/m，电机效率高达40%，推进器的推进效率达到了23%，其技术性能指标相比于日本研制的“大和一号”试验船已经提高了一个数量级，某些技术已接近实用水平。

3.2 磁流体推进器的展望

磁流体推进技术有一个特点就是在运行的时候没有声音，具有很强的隐蔽性，但是目前还处于研究实验阶段，并在很大程度上依赖于超导体的发展。高温超导技术的飞速发展将大大促进磁流体推进的发展。磁流体推进作为一门跨领域的综合学科，相当复杂并且难度非常大，还需要世界上各国科研人员的不懈努力。将来磁流体推进应用于潜艇上后，不仅可以大大提高操作性和机动性还有相当高的隐蔽性，掌握主动权。应用到商船上，也可以大幅度提高航速，增加经济效益。

4 磁流体推进器的研究与开发

1992年6月，世界上第一艘载人超导直流电磁推进船“大和一号”在日本神户港正式试航成功，引起了世界造船界的震惊。在此之前，1961年美国赖斯（A·Rice）教授首先提出了“电磁泵”的专利，从而揭开了船舶电磁推进器研究的序幕。1966年美国的S·Way制作了这种模型船并且进行了航行实验。英国1970年制作了1 000 kW的超导电动机和发电机组合的陆上试验，1976年日本神户商船大学佐治教授制成了超导直线电磁推进模型船。美国在1980年制作了300 kW超导电磁推进船的海上试验，并制作了2 250 kW的试验样机。1985年日本成立了“超导电磁推进船开发研究委员会”，1990年完成了480 kW超导直流单极电机的开发，最终使超导直流电磁推进船于1992年在日本试航成功。

4.1 开发中存在的问题

4.1.1 电极问题

通电后，在海水中溶解的大量离子会在电极周围发生电解反应，在阴极生成可能会产生航迹的氢气气泡，在阳极生成有害的次氯酸钠和附着在电极上的氢氧化镁。因此在电极的选用上有两大问题：气泡引起的航迹和电极的腐蚀。气泡的产生会引起尾迹效应，进而会影响到军用潜艇舰船的隐蔽性，而且气泡的形成会产生电压降，继而影响到推进效率，目前尚未有有效的办法可以解决这个问题。一般采用电镀的方法来减缓电极的腐蚀从而延长电极的使用寿命。

4.1.2 效率问题

由于电磁之间的相互作用力跟通电海水的电流密度和磁场的磁感应强度两者有关，要增大船舶前进的推力可以从这两个方面着手。在海水中添加一定的杂质可以有效地提高海水的电导率，使在电流密度一定的情况下降低产生的焦耳热，从而提高效率。在1989年，美国开展了对在海水中添加盐溶液对海水导电率的影响的研究，试验结果显示在盐酸、硫酸和氢氧化钠3种溶液中硫酸对提高海水电导率的效果最好。

4.2 目前有较大进展的技术问题

虽然超导磁流体推进具有很大的发展潜力，但是在现阶段开发研究中依然存在着很大的阻力，诸如强磁体支撑技术、低温容器技术及超导磁体绕制技术等问题悬而未决。经历了多年的研究，超导体在磁流体推进方面的应用已经有了突破性进展，为未来磁流体推进的应用化带来了曙光。虽然距离超导磁流体推进的实际应用还有一段很长很艰难的历程，但通过研究和理论分析，我们认为超导磁流体推进最终会被得到应用。

4.2.1 超导磁体技术

超导磁体的快速发展源于超导材料技术的突破，虽然在液氮温度区高温材料尚不能制作成线材，但是类似铌三锡等的低温材料已经在美国和俄罗斯制成线材，除了可以减少传输电路上的功率损失，当其应用在绕制磁体时还可大大提高产生的磁场的磁感应强度。相对来说高温超导技术难度更高，但是应用高温超导技术可以大大降低对低温容器技术的要求。目前，高温超导技术还在进一步研究开发中，并获得了一些突破，相信最终高温超导技术可以应用到磁流体推进上。

4.2.2 低温容器技术

低温容器技术在过去的很长一段时间里已经取得了一些技术上的突破，20世纪末期日本的“大和一号”试验船在做下水前的低温试验时就已经可以使超导的保持时间达到15 d，在一般情况下，在磁体上添加一个循环氦的液化装置就可以满足长时间的要求。国内的技术也可以使低温容器的超导保持时间达到9 d。现代的低温容器技术不仅在超导保持时间上有了明显进步，在结构上和轻量化方面也取得了重大突破。

4.2.3 电解气泡的抑制技术

海水在被施加电场通过电流时将会在阴极发生电解产生氢气形成气泡，从而产生航迹。在电极产生电解气泡是无法避免的，一般只能从增大海水电导率和减小气泡的直径这两方面来解决。对于增大海水电导率，目前尚没有有效的解决方法。但是从减小生成的气泡直径来看，有试验结果已经证实，如果选取合适的电流密度和电极材料可以有效减小产生的气泡的直径，使潜艇在水下航行时不会引起明显的航迹。

4.3 一些需要说明的问题

作为舰船的推进装置可以被业主所接受的第一条件是应具有良好的推进性能，也就是说必须有可以接受的推进效率。因此，超导磁流体推进效率低下的问题成为了研究者们争论是否发展磁流体推进的焦点。虽然它在理论上可以达到可接受的效率水平，但至今尚未有试验证明磁流体推进可以达到理论上的推进效率。影响推进效率的主要原因是海水电导率产生的焦耳热功率的散失和不够足够强的磁场。因为推进效率与磁场的磁感应强度的平方成正比，所以提高推进效率最有效的办法是提高磁场的磁感应强度。根据理论分析，假如磁场的磁感应强度可以达到15 T，那么电磁推进效率就可以达到60%。因为磁流体推进的推力与电流密度成正比，在磁场磁感应强度有限的情况下，为了产生足够的推进力，只有加大电流密度，但是电流密度使散失的焦耳热以平方的关系增加，又会使推进效率降低，“大和一号”试验船效率低下的原因就是如此。因为磁流体推进效率伴随航速的增加而升高（有最佳航速），从原理上说磁流体推进更适合高速船。为了提高推进效率，对推进器本身必须围绕增加海水电导率、增加磁场磁感应强度、合适的电流及合适的航速4个方面继续进行研究，从发展趋势上来看，上述问题最终都是可以解决的。

5 高温超导磁流体推进技术

5.1 高温超导技术促进了磁流体推进的发展

由于磁流体推进现阶段的推进效率大大低于人们可以接受的范围，所以在很大程度上阻碍了其工程应用化的进程，尤其是在能源越来越紧缺的情况下，这个问题显得更为严重。目前提高推进效率最有效的方法就是采用超导体绕制的磁体产生足够强的磁场。现代超导技术的发展为磁流体推进的发展提供了重大机遇。

事实上，提高磁感应强度到5 T可得到适合的效率这个结论是科学家Hummer对海水直流电磁推进器进行研究时得出的。随后，日本两位科学家对此又进行了进一步的深入探索，将超导技术提到科研报告中，指出该技术对于磁流体推进的进一步发展的重要作用。也有英国研究者认为必须要有磁感应强度达20~30 T的强磁场才能使磁流体推进的效率达到和螺旋桨同等的推进效率。因此，摆在面前的最重要问题就是强磁体的开发。与低温超导技术相比，高温超导技术受制冷系统的体积和效率的限制较小，所以较受人们的青睐。自高温超导技术诞生之日起，人们使用该技术成功制造出了较为成熟的超导线材，部分已经应用到了实际生活中。

5.2 超导磁流体推进的关键技术

超导磁流体推进作为跨学科的综合技术，不仅覆盖面广，而且研究难度大，需要有众多学科的学者联合攻关。

从高温超导磁流体推进系统的构成和性能出发可以了解到，作为舰船用的推进装置必须和船体作为一个整体来考虑，这就要求系统具有功率密度高、重量小、耐风浪、耐冲击、耐振动、耐用和极少需要维修的特点。对于超导磁流体推进器的要求主要是：（1）具有可接受的推进效率；（2）稳定可靠；（3）没有负面影响，像磁场的泄漏，电解产生气泡引起的航迹，海洋环境污染危害等。这些标准大大提高了磁流体应用的门槛，有许多关键技术问题：超导磁体的结构设计，主要为了产生均匀的高强度磁场，线圈的绕制及安装，降低支撑材料的承受强度；管道设计技术，主要为了降低阻力提高喷射效率及与船身的配合问题；低温容器技术，主要为了降低液氦挥发，保持超导，适合船舰装载的问题；电极材料技术，主要为了延长电极的使用寿命，减少电解气泡的产生，因为附着物产生的压降问题；船型设计技术，解决船体与推进器的配合问题，提高推进效率和机动性；提高海水电导率的技术，减少焦耳热散失的功率，提高效率。

6 结束语

船舶超导磁流体推进在理论上相比于目前采用的螺旋桨推进装置有许多的潜在优点。随着许多关键技术的深入研究和一些问题上的攻克，人们看到磁流体推进应用的希望。当然不可否认，超导磁流体推进研究还处于初级阶段，离推广应用还有一段很艰难的历程，还需要更多热心从事于磁流体推进系统工作者的不懈努力。

伴随着超导技术的发展，超导技术的应用研究也随之发展。超导单极电机，超导电力推进，超导磁流体推进，超导电磁发射技术等在发达国家已经到了实际应用研究的地步，并且有了突破性进展。美国、英国、日本和俄罗斯等国在这些方面的研究已经逐渐趋于成熟，并有计划在下世纪初投入使用。同样，超导低温技术的突破，促进了超导磁流体推进技术的发展，正如各国专家所公认的，超导磁流体推进是可以代替螺旋桨、齿轮箱和轴系等传动部件的。超导低温技术的发展将为研究发展静默型大功率船舶奠定基础，使传统的造船业技术大为改观。这种变革可以和航空采用喷气式推进器取代螺旋桨推进的破坏性改革相比拟。

超导磁流体推进技术是一项跨领域综合各种学科的高新技术，它的研究覆盖面广，研究难度大，关键技术问题多，例如高磁感应强度磁体的绕制技术及磁场屏蔽技术，电极材料的耐久性技术，电解气泡的消除，高性能磁流体通道的设计，制冷设备的小型化可靠化设计等。但可以猜想，随着各种关键技术的逐个突破，超导磁流体推进技术在这个世纪有希望获得重大的发展，并有实际的应用。