船用磁流体推进技术应用前景展望

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司，上海200438）

0 引言

船用磁流体推进技术是利用电磁力使海水运动而产生推力推进船舶运动的一种推进方式。该推进方式取消了常规的螺旋桨、喷水推进等转动机构，消除了由转动机构引起的振动和噪声，也消除了由螺旋桨空泡现象带来的种种危害，因此，具有安静推进的优点和可实现高速推进的能力。自20世纪60年代船用磁流体推进设想提出以来，美、日、前苏联等国都先后开展了针对该方面的研究，但要达到实用化的目的，仍有许多问题需要解决[1-6]。

本文在探讨与实用化密切相关的几个问题及其解决措施的基础上，对船用磁流体推进的前景进行了展望[7-10]。

1 船用磁流体推进技术概述

磁流体推进有直流和交流两种推进方式，相应地有直流和交流两种推进器[11]。就实用化而言，推进器必须有较高的推进效率，这就需要有能在数十立方米甚至更大的通道内产生20 T以上高场的磁体。直流磁流体推进器采用的是直流超导磁体，交流磁流体推进器采用的是交流超导磁体。虽然交流超导磁流体推进比直流超导磁流体推进更为优越，但从超导磁体的研制现状及发展趋势来看，直流超导磁体更易于实现，因此，直流超导磁流体推进成为研究的首选对象，因为其有最先在船舶上应用的前景[12-14]。

直流超导磁流体推进有内磁和外磁两种推进方式，相应地有内磁式和外磁式两种磁流体推进器。外磁式磁流体推进器对于降低船体摩擦阻力和兴波阻力大有裨益，但其电流和磁场在海域中扩散，不仅会对海洋环境造成污染，还会影响大船舶的航行隐蔽性。由于内磁式磁流体推进器不存在电流和磁场向海域扩散及由此引起的问题，所以其应用前景比外磁式磁流体推进器更为广阔，并有望成为船舶和鱼雷首选的推进方式。

2 船用磁流体推进技术的主要影响因素

船用磁流体推进实用化的首要条件是必须具有良好的推进性能，也就是说要有较高的效率和速度，后者对于军用舰艇而言尤为重要，因为高速舰艇既可以迅速出击，又可以快速撤离。为此，磁流体推进的速度能否有效提升，效率能否提高到可被接受的水平，这关系到磁流体推进能否在船舶上真正得以实用化。

船舶的推进速度和效率主要取决于组合参数与载荷系数，这两个参数概括了推进器及船舶的结构参数、电磁参数、流体力学参数等等。通常而言，可以通过采用较高的磁通密度、电流密度和较小的载荷系数来提高船速，采用较小的载荷系数和较大的组合参数来提高效率，而且可以利用高磁通密度和电导率来得到所需的组合参数。因此，理论上只要采用较大的组合参数和较小的载荷系数值，磁流体推进的船速和效率值就可以达到与传统螺旋桨推进相当的水平，但在实现这些参数值时存在某些问题，从而影响了磁流体推进的实用化。下面讨论与实用化有关的几个问题。

3 船用磁流体推进技术所面临的技术问题

3.1 磁流体推进装置的轻量化和小型化

提高磁流体推进船速和效率的因素之一是采用较小的载荷系数。在推进器通道尺寸一定的情况下，载荷系数与船体湿表面积成正比，而湿表面积与船体排水量成正比。由于动力、磁流体推进器、制冷及控制等设备组成的磁流体推进装置在船体总重中占比较大。因此，推进装置的轻量化有助于减轻船体质量，减小船体湿表面积，从而减小载荷系数。而推进装置的小型化可使其所占的空间减小，从而为有效载荷提供更多的空间。

推进装置的轻量化和小型化最主要是要通过提高磁流体推进器的效率来实现。因为在船舶推进功率一定的情况下，随着推进器效率的提高，输入功率减小，与此相适应的动力及制冷等设备的功率容量也有所减小，因而其质量减轻，体积减小。同时，提高各种设备的自身效率也有助于推进系统进一步实现轻量化和小型化。

3.2 磁流体推进器的强磁场化及轻量化

如上文所述，减小载荷系数主要依靠推进系统的轻量化，轻量化的关键在于磁流体推进效率，而效率主要取决于磁通密度、电导率、通道效率等参数。设计具有较高效率的通道系统，并提高海水电导率是提高效率的重要措施，但最有效的措施则为提高磁通密度，该目标可通过采用高场超导磁体实现。超导磁体系统主要由超导线圈及低温容器构成。磁流体推进器所采用的超导线圈主要由低温超导材料制成，低温容器通常由不锈钢材料制成，采用液氦冷却，其磁通密度较低。在数十立方米甚至更大的通道空间获得更强的磁场，利用低温超导材料通常难以实现该目标，但随着高温超导材料的发展，此目标将得以有效实现。高温超导材料的临界温度在未来还会持续提高，如此可采用液氮冷却。

同时，低温容器的结构也会相应地简易化和小型化，再加上具有较高强度和较小密度的新型结构材料的开发和使用，从而使磁体系统的强磁场化和轻量化成为可能。

3.3 高效率、低污染、长寿命电极的开发

当通过电极向海水通电时，会发生电化学反应，化学反应会使电极腐蚀，海水电解，并产生氯气和次氯酸钠，从而对海洋环境造成污染；所引起的电极电压降现象会导致推进器效率的降低。因此，探索一种对氧气具有催化作用、对氯气具有抑制能力，并能抗腐蚀，导电性能好，电极电压降小，机械强度高的电极就成为未来重要的研究目标。

镀铂钛电极的研制成功基本上能满足上述要求，但其价格较为昂贵，使用寿命也有限，因此进一步探索价廉、性能好、使用寿命与船舶定期检查时间相当、污染小的电极，仍然是当前研究的一项重要课题。当然，彻底解决这个问题的办法是采用交流磁流体推进器，因为其无需电极，但存在着高场交流超导磁体的研制问题。

3.4 磁流体推器中的物理和化学现象

以磁流体方式推进的船舶具有较好的航行隐蔽性，而会对船舶航行隐蔽性产生影响的主要因素为磁流体推进器中的气泡、噪声及漏磁现象。

气泡一般是由海水电解而产生的，气泡的破裂和振荡会引起噪声，而气泡随海水从喷口喷出又会产生痕迹，影响到船舶的航行隐蔽性。然而，噪声和航迹与气泡的数量及尺寸有关，研究表明，在电流密度不高的情况下，气泡的半径一般不会超过10 μm，如果再考虑气泡在运动中的破碎，则其半径会小于10 μm，并减少生成数量。这样小尺寸的气泡以及由气泡引起的噪声对船舶航行隐蔽性产生的负面影响几乎可以忽略不计。但随着电流密度的提高，气泡的危害性又会相应显现出来。所以，就提高船舶航行的隐蔽性而言，应采用较小的电流密度，但如此又会导致电磁力及推力下降，为了解决该问题，只能提高磁场，由此可知推进器采用高场超导磁体的实际意义。

随着高场超导磁体的应用，漏磁已成为需要重点关注的另一问题。漏磁的危害性在于其不仅会影响船内仪表的正常工作，还会吸引海水中的铁磁物质，由此可能导致通道面积缩小，流动阻力增大，从而降低推进器的推力和效率。此外，漏磁在船体外散布，还容易被其他探测设备检测出来，因而影响到了船舶的航行隐蔽性。因此对漏磁问题必须予以重视，可通过对磁体进行合理布局及采用磁屏蔽等措施解决该问题。

3.5 磁流体推进船型

磁流体推进器可被视为一类水下喷水推进装置，尽管其无需固定安装位置，但一般具有在船舶及船艉方向开口并贯穿船体的管道，该管道紧密地与船体结合在一起。因此需要研究开发出具有较高速度和较小阻力，并与磁流体推进器相匹配的船型。目前，已提出多种船型结构的设想，而且随着时间的推移以及研究和开发工作的深入开展，将会有更多式样的船型得以面世。

4 船用磁流体推进技术应用前景展望

船用磁流体推进与螺旋桨推进相比具有诸多优势，正是该类优点吸引着研究人员对其开展研究和开发。由于磁流体推进是一项涉及电磁学、流体力学、电化学等多学科，并且综合性较强的高新技术，其研发难度较大，并且需妥善解决诸多技术问题，如上文所提到的磁流体推进装置的轻量化和小型化、超导磁体系统的强磁场及轻量化、高性能的电极材料及最佳通道系统等。

目前，部分问题已得以妥善解决，但仍有部分问题正在研究开发进程中，尤其是超导材料及先进磁体技术问题仍有待妥善解决。可以预言，随着科学技术的不断发展与进步，以及新材料和新工艺的不断诞生，上述问题均有望得到解决。

5 结语

船舶螺旋桨从面世到发展再到较为成熟的推进阶段经过了百余年，而船用磁流体推进从提出到目前仅有数十年。未来，超导磁流体推进即便能在船舶上得以真正实用化，其与螺旋桨推进方式相比依然是后起之秀。但不可否认，考虑到磁流体推进技术的固有优势，随着当前技术水平的持续提高，正如喷气式飞机取代传统的螺旋桨飞机一样，磁流体推进技术必将引领船舶推进技术的发展潮流。