超导技术在舰船上的应用前景

范 昕

(海装武汉局，武汉430064)

超导技术在舰船上的应用前景

范 昕

(海装武汉局，武汉430064)

本文分析和展望了高温超导电机、超导消磁电缆、超导扫雷具、超导储能、超导磁流体推进等超导技术在舰船领域的应用现状和前景。

舰船 超导电机 消磁电缆 超导储能 磁流体

0 引言

超导体由于其零电阻特性和迈斯纳效应，使其具备常规导体无可比拟的优势。自从1986年瑞士苏黎世实验室发现了临界温度达到30K以上的超导体，在世界范围内掀起了新的高温超导体研究热潮，也使得超导技术的发展迈上了一个新的阶段。近年来，随着超导材料制备工艺的不断成熟和性能的提高，超导技术作为一项具有战略意义的前沿科技，正逐渐受到各领域的广泛关注，尤其在能源、交通、医学、国防及大型科学工程中得到应用推广[1]。本文将根据国内外研究现状，针对超导技术在舰船领域的应用现状和前景进行总结和展望。

1 高温超导电机在舰船电力推进中的应用前景

舰船电力推进系统具有推进效率高、布置灵活、声学性能好等技术优势，能够有效提高舰船续航力、声隐身性、快速性、武器载荷量，更好满足高性能舰船动力需求，是未来舰船动力的重要发展方向。舰船推进电机主要有直流电机、永磁电机、感应电机和超导电机，其中直流推进电机主要作为常规潜艇的主推进电机和核潜艇的应急推进电机，一般最大功率不超过5MW。根据美国南德（RAND）公司国防研究报告得知，相比永磁电机和感应电机，高温超导电机转矩密度最高，对比情况如表1所示，同时具有体积小、重量轻、效率高、噪声低等优点，是未来大型舰船推进电机最有优势的技术方案。

表1 不同类型推进电机的技术参数比较

高温超导推进电机采用高温超导磁体进行激磁，由于超导材料具有零电阻特性，使得高温超导线圈在低温下载流能力远大于铜线圈，进而在给定空间内能产生很强的磁场，使其具有高功率密度、高效率、重量轻、噪声低、过载能力强、无周期热负载等优点。随着高温超导线材性能的不断进步，其技术优势将越来越显著[2]。在许多大中型电机应用场合，特别是对电机体积、重量有严格要求的船舶电力推进领域，高温超导推进电机具有十分广阔的应用前景。

国外对高温超导电机的研究十分重视，美、德、日、韩等国采取一系列措施，完善体制，增加研究经费，制定研发计划，并取得了重大的突破。美国于2007年3月成功完成了36.5 MW 高温超导推进电机（如图1所示）出厂试验，并于2008年交付海军基地作进一步的测试。该电机转速为120 r/min，重量75吨（包括辅助系统），其体积和重量约为常规电机的1/2和1/3，技术性能优异。日本川崎重工于2013年6月宣布完成3 MW船舶电力推进用高温超导电机。德国于2006年成功研制4 MW、3600 r/min 发电机，2011年又研制成功4 MW、120 r/min 高温超导电动机。国内于2012年成功完成1 MW高温超导推进电机样机的研制（如图2所示），初步建立了高温超导电机设计与分析方法，突破了高温超导电机部分共性关键技术。

图1 美国36.5 MW高温超导电机

图2 我国1 MW高温超导电机

2 高温超导消磁技术在舰船消磁系统中的应用前景

舰船消磁是通过减弱舰船磁场强度并改善其分布特性的技术措施，进而提高舰船的磁性防护能力，防御水中磁性武器的攻击和被磁探测仪器发现，消除磁化后的舰船对仪器设备和武器精度的影响，保障舰艇航行安全及作战效能。目前，常规的舰船消磁系统主要采用铜制消磁电缆对舰船进行消磁，铜制电缆存在单位长度重量大、电阻率高，能耗大等缺点，尤其对于大型舰船的消磁，往往需要加大消磁电流，使能耗增大，发热大也会给整个工作环境带来安全隐患，也大大限值了舰船大容量消磁系统的发展。

高温超导消磁系统采用超导材料作为载流导体，即使在大电流下，超导电缆本体的焦耳损耗也接近为零，同时也大大降低了供电电源的容量。相比常规铜制消磁电缆系统，高温超导消磁系统具有体积小、重量轻、安装灵活、运行维护费用较低、能耗低、发热小、安全性好、扩容空间大等多种优势[3]。因此，超导消磁技术是未来舰船消磁领域的具有很大优势的技术方向，可实现更为高效的消磁功能，从而更大程度上保障了舰船航行的安全性及作战效能。

目前，只有美国于2006年公布研制出了长40 m，载流4100 A的高温超导消磁电缆[4]（如图3所示）。该电缆能够在外包层内灵活弯曲，符合各种船舶的安装需求，并在“阿利·伯克”级希金斯号驱逐舰上完成了初始试验。美国海军部门预计，在LPD-17两栖船坞登陆舰、LCS近海战斗舰、CG(X)巡洋舰、DDG-1000驱逐舰和CVN-21航母上应用的高温超导消磁系统在导线总重量上将比铜导线减少50%至80%，总成本也将低于目前用铜导线制造的消磁电缆系统，而且，安装在所有舰艇上的导线总长度将比铜导线减少90%，从而得知，超导消磁系统具有重大的军事价值。

3 超导扫雷具在舰船反水雷技术中的应用前景

感应式触发水雷是现代海上作战中的一种常用武器，常用于封锁商业港口和海军基地，切断敌方海上运输，消灭重型战舰和商船。目前最广泛使用的水雷是磁引信。对抗磁性水雷的第一种形式是船去磁，这是英国和前苏联在第二次世界大战中采用的，有效地保护了前苏联海军对抗德国布置的水雷。但第二次世界大战以后，随着水雷磁引信的灵敏度增加，能检测到远距离的去磁船，使得船去磁方式无法发挥作用。携带扫雷装置的扫雷舰应运而生，并成为目前扫雷作战的主要手段。扫雷舰的作业方式是在疑似有水雷的海域来回航行，利用舰上的扫雷具清除与引爆水雷，以确保清扫过的水域没有危险，从而保护船只航行航道安全。

图3 美国超导公司的超导消磁电缆

磁扫雷具的工作原理是模拟舰船磁场特性，采用两根大电流电缆在海水中形成电极、并与海水组成闭合电路产生磁场，或者在船上安装一个电磁体产生磁场引爆水雷[5]。这种扫雷具通常在引爆水雷时往往容易造成自身损坏，为了防止人员的伤亡，通常借助直升飞机进行牵引。常规扫雷具采用铁心与线圈的组合结构，其体积重量较大，给直升机牵引带来了困难。而超导扫雷具采用空心磁体，且载流能力远大于常规铜导体，具有重量轻、尺寸小、无剩磁、易运输安装等优点，可实现灵活布置，便于直升飞机牵引形成队列，如图4所示。

图4 超导扫雷具队列示意图

据国防科技信息网报道，特拉华州威尔明顿市创新能源方案公司的高功率电子专家将协助美国海军的研究员开发以高温超导技术为基础的扫雷技术。美国海军水面中心（NSWC）卡迪洛克分部的官员发表声明，称将从创新能源方案公司引进高温超导扫雷技术。澳大利亚海军科研人员率先在世界上研究高温超导扫雷技术。澳大利亚国防科学和技术组织（DSTO）使用高温超导磁线缆产生高能电磁波以蒙蔽水雷并使水雷触发。

4 超导储能技术在舰船电力系统中的应用前景

在现代舰船上，随着若干高新技术的应用，舰船电力系统乃至整个能源管理系统的要求必将越来越高。导航、武器目标搜捕、瞄准、跟踪等指挥和控制系统等信息技术的广泛应用，计算机及电子设备的稳定运行至关重要。由于其对电源电压的变化较为敏感，这对舰船电力系统的可靠性、电压、频率的稳定性等技术要求也更加苛刻。此外，以激光、粒子束以及电磁炮为代表的新概念武器作为舰船重要打击力量，大多需要大功率脉冲电源，这对舰船能源管理系统、包括能量存储、大功率释放、能量高效高速控制的技术要求都是前所未有的。

超导储能技术是一种利用超导磁体的高效储能特性和电力电子换流装置快速响应特性相结合的高新技术，具有效率高、储能密度大、释放能量快速和可控等优势[6]。超导储能系统通过高效地从系统中吸收并储存能量，快速地向电力系统提供有功或无功功率，以补偿发电和用电之间的功率不平衡程度，调整发电机组向电网送出的功率以及负荷点从系统中吸收的功率，从而提高系统的暂态稳定性；同时也可快速地对负荷的变化做出响应，减小负荷波动对系统的影响[7]。因此，超导储能系统可以提高系统稳定性、抑制电压、频率的波动，改善供电品质，进而保障舰船指挥控制系统的电子设备对高质量电能的供应需求。上世界90年代开始，世界各国就广泛开展了超导储能系统的研发，日本东芝公司2006年研发出了6.5 MJ的超导储能系统，韩国、中国、法国等也取得了较大进展。

5 超导磁流体推进技术在舰艇低噪声推进器中的应用前景

目前，世界上各国均在发展无人艇、水下潜航器、水中兵器等水下武器装备，从最初用于执行特别危险和不适于载人舰艇执行的任务，逐步推广到海上侦查监视、反水雷战、反潜战、特种部队支持等更多领域。水下武器装备的噪声水平是影响其行驶安全的主要因素之一，而推进器是水下武器装备的最主要噪声源。当前主要采取的改进型螺旋桨结构、气幕降噪、泵喷推进等技术措施，可在一定程度上抑制螺旋桨噪声，但无法从根本上消除转动部件及空泡噪声。

磁流体推进技术取消了传统螺旋桨、水泵的转动机构，可以从根本上消除转动部件及空泡噪声，进而有效提高了水下推进器的安静性[8]。超导磁流体推进的工作原理是通过舰船内部的超导磁体在流入船体的海水区域产生一个强大的磁场，在海水中通以定向电流，使得海水中产生电磁作用力，推动海水运动进而产生推力，同时可以利用调节海水电流大小的方法来控制水下武器装备的速度，利用改变电极的极性来改变推进方向[9]。水下超导磁流体推进相关技术一旦突破，将为水下航行器等武器装备的低噪声隐身性能带来变革，其低噪声性能优势是其它推进方式所无法比拟的，将大力提升水下武器装备的综合性能。

国内外很早就开始对超导磁流体推进技术进行探索研究。美国阿贡实验室建有一套超导磁流体推挤器实验装置，完成了“洛杉矶号”核潜艇磁流体推进器的概念设计。日本船舶和海洋财团电磁推进船研发委员会开发的“大和一号”（如图5所示）试验船是首例超导电磁推进器试验船，该船排水量185 t，海水通电功率3420 kW，于1992年完成系泊试验。我国从上世纪90年代开始磁流体推进技术的研究，2011年研制成功磁流体海水推进器实验室样机，并完成回路测试。

图5 日本大和一号超导水下磁流体推进器

6 结论

超导技术在舰船领域具有十分可贵的潜在应用价值，能够满足常规技术难以达到的技术要求。但由于超导技术涉及了材料、结构、电力、低温等多学科的交叉融合，也给超导技术的工程应用带来了很多挑战，使得目前超导技术的应用大部分尚处于研发或示范运行阶段。随着近几年国内超导材料制备技术的快速发展，逐渐克服了早期超导带材依赖国外进口的局限性，降低了超导技术的经济成本。同时，随着国内外科研机构对超导技术的研发和应用研究的不断投入和加强，技术难题不断被攻克，为超导技术的应用提供了技术保障。

[1] 吴稀西, 李占林等. 超导电力技术及其发展前景.电气开关, 2013,(2)： 15-16.

[2] 郑征, 邹瑾, 胡迪. 高温超导船用推进电动机的发展和现状. 微特电机, 2013,（9）：64-67.

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[4] 美国海军SBIR FY2008.1 高温超导消磁电缆. 船电技术, 2010, 30（2）： 64.

[5] 林良真, 张金龙等. 超导电性及其应用. 北京工业大学出版社, 2001.1： 361-366.

[6] 石晶, 唐跃进等. 35Kj/7kW直接冷却高温超导磁储能系统. 电力系统自动化, 2006, 30（21）： 99-102.

[7] Kreutz R, Salbert H, Krischel D. Design of a 150 kJ high-T SMES for a 20 kVA uninterruptible power supply system. IEEE Trans on Applied Superconductivity, 2003, 13 (2) ： 1860-1862.

[8] Patrick Hales, Peter Hirst, Steven Milward. A solid nitrogen cooled high temperature superconducting magnet for use in magnetohydrodynamic marine propulsion. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 16, No. 2, June 2006.

[9] 李亚旭, 刘晓林. 船舶磁流体推进与高温超导. 船电技术, 2009, 29（8）： 1-4.

Reviews on Application of Superconducting Technology to A Warship

Fan Xin

(Naval Representatives Office of Naval Armaments Department in Wuhan, Wuhan430064, China)

This paper summaries the application status and prospect of superconducting technology such as high temperature superconducting motor, superconducting degaussing cable, superconducting mine sweeping tool, superconducting energy storage and superconducting magnetohydrodynamic propulsion in the field of marine.

warship; high temperature superconducting motor; superconducting degaussing cable; superconducting energy storage; superconducting magnetohydrodynamic

TM725

A

1003-4862（2016）12-0077-04

2016-08-19

范昕（1965-），男，高级工程师。研究方向：舰船电力系统及控制专业。