中国超导电磁流体推进潜艇技术研发进展

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超导电磁流体推进是把电能直接转换成流体动能,以喷射推进取代传统螺旋桨推进的新技术,它具有低噪音和安全性等特点,在特殊船舶推进应用中具有重大价值。我所从1996年开始从事超导磁流体推进技术的研究,研制成功世界上第一艘超导螺旋式电磁流体推进实验船,2000年获中科院科技进步二等奖。建成了用于磁流体推进器水动力学研究的海水循环试验装置和用于试验船综合性能研究的航试水池。目前,正在进行超导电磁流体推进技术的实用化研究。

为了推进该项技术的实用化进程,中国科学院电工研究所与日本神户商船大学合作,利用日本筑波国立金属材料研究所15特斯拉螺管型超导磁体条件,于一九九九年完成了世界上首次在实用化磁场条件下的磁流体推进试验,推力密度和电磁效率与日本“大和一号”相比,提高了一个多数量级,为该项技术开始在我国应用于舰船推进准备了条件。现在,该项技术已更大地受到有关部门的重视,中国科学院电工研究所正在与有关部门一起制订“十五”发展计划,为发展21世纪新型舰船推进技术作出贡献

关于磁流体学术分类,一般是分为两种:1,磁流体静力学;2,磁流体动力学

磁流体的发现

磁流体现象的发现,起缘于19世纪40年代一位英国人的发现,当时他提出磁流体电动势力学的设想。但处于19世纪科学发展的局限,认同的同行可谓少之又少。一直到20世纪40年代,有位叫哈特曼的科学家进行了流动磁场定量试验,发明出“哈特曼流动”的理论计算方法后,这一发现才逐渐被世人所接受。再后来就是阿尔文“引导中心”和“ 阿尔文波”理论的出现、伦德奎斯特“ 磁流体静力”的发现,并且在20世纪60年代发现等离子和磁流体互相作用的新发现

磁流体的原理

因为朋友们对磁流体静力不会感兴趣,所以就谈一些关于磁流体动力方面的原理。前面提到“哈特曼流动”的理论,即,导电流体运动对磁场影响的问题,流体电阻对磁场影响的问题,其中包括磁冻结和磁扩散。磁流体动力流动的数学分析复杂化,一般使用近似方法或数值法求解。磁流体动力学流动的数学分析复杂化,通常要用近似方法或数值法求解,包括小扰动波和有限振幅波。磁流体力学基本方程组具有非线性,且包含方程个数又多,所以求解困难。但在实际问题中往往不需要求最一般形式的方程组的解,而只需求某一特殊问题的方程组的解。一般应用量纲分析和相似律求得表征一个物理问题的相似准数,并简化方程,即可得到有实用价,磁流体力学相似准数有雷诺数、磁雷诺数、哈特曼数、马赫数、磁马赫数、磁力数、相互作用数等。求解简化后的方程组不外是分析法和数值法。利用计算机技术和计算流体力学方法可以求解较复杂的问题。磁流体力学的理论很难像普通流体力学理论那样得到充分的验证。由于在常温下可供选择的介质很少,同时需要很强的磁场才能观察到磁流体力学现象,故不易进行模拟。模拟天体大尺度的磁流体力学问题更不易在实验室中实现。所以磁流体力学的理论有的可以得到定量验证,有的只能得到定性或间接的验证。当前有关磁流体力学的实验是在各种等离子体发生器和受控热核反应装置中进行的

磁流体的实用

磁流体在中国起步的时间比西方晚了很多,但也有二十多年的历史。虽说研究的迟,但在进步上还是比较迅速的,在中国牵系到研究磁流体学科的院所多大数十家,这项研究成果可运用到多部门,包括航天、航空、车辆、船舶、发电、核物理、国防、轴承等方面,为国家经济建设和军队发展起到前所未有的促进作用

举两个例子

1、舰船推进系统:磁流体在等离子照射下,能产生巨大的传动力,可以完全代替舰船动力系统的转子,也可节省大量传动装置和部分齿轮箱结构,并且使原有功率能提高20%左右,节省了舰船的空间,减轻了重量,提高了速度、少了能源负担,这些优势是巨大的。

2、破除弹道导弹黑障难题:众所周知,弹道导弹进入大气层时将有一段黑障时间,即高速导弹于大气摩擦产生等离子,使得通讯中断,可以说对于战略导弹来说没有多大问题,因为战略弹道导弹是按照既定线路打过去,只要能打中目标就行,其本来就有卫星制导和惯性陀螺制导系统。但有部分特种打法的弹道导弹是需要不断制导,就是说需要不停接收信号来为之不停地调整姿态和打击方向。这下好了,由于磁流体动力学和等离子具有特殊的作用,利用磁流场可以抑制导弹传热和阻力,并且能减轻等离子的信号障碍。这项技术就使得黑障区就有了可通讯的可能,就是说在黑障期可以接收信号,可以调整姿态和改变打击方向。呵呵,说到这里,朋友们可能就理解了,但由于磁流体装置在小型化方面没有多大进展,即不能装在弹头上,但能否直接装在弹道弹道末级上呢?我想根据科技的进步是有可能的,但如果直接装在弹道导弹的末级上通过黑障区,然后再分导,这又带来了分导的弹头分布区域不大的问题,就是不能象以前分导的弹头可以打不同的城市,跨的区域不是很大了,只能打到一定范围之内的目标。那么是什么样的目标适合使用这种分导范围不大的弹头呢?不大的范围是指几十海里X几十海里的概念,大家去想吧!

3、上世纪有位著名科学家提出一种设想,就是地球未来的能源可以大规模利用宇宙的射线和太阳热能来解决。具体的方法是这样的,比如说接收太阳的热能,然后转换成电能,再转换成微波(等离子)发射到地球的每个特定点上,接收下来的微波能量再转换成热能,然后用热能再发出电能。或者是直接接收宇宙的射能,转换成热能再发射到地球上,然后再发电。至于可行性,这项方面已经被联合国认同,但这些装置的造价是天文数,居然达到数千几亿美圆!而且工期很漫长。说到这里,让我们也设想一下,如果从地球每个特定的地方(这样简单多了,因为不需要先在外太空建设接收系统装置,在地面上容易多了),发射出微波能(或是等离子)到外层空间(没有人不相信这是不可行的),当然这些微波(或是等离子)如果遇到阻碍,就可产生热能,如果发射功率够强,那么转换成的热能或者转换成其他微波能也够强,这是常识。我们如果拿着一个电子表放在等离子中途,表会失效,如果放个手机,同样手机也会失效。这些大家也许有过经历,这是真实存在的现象。

有一天,有架超高速飞行器略过我国,我们就可以向它发射功率强大的微波能,不管这超高速有多快有多高,我们也不需要考虑提前量,微波的速度有光差不多呢。不苛求打下,只需要打瞎它,或者扰乱它的任务就行

中国的磁流体推进器研究进展

所谓的“磁流体推进器”就是贯通海水的通道内建有一个磁场,这个磁场能对导电的海水产生电磁力作用,使之在通道内运动,若运动方向指向船艉,则反作用力便会推动船舶前进。

与传统机械转动类推进器(譬如螺旋桨、水泵喷水推进器等)相比较,磁流体推进器的不同点在于:前者使用机械动力作为推力而后者使用电磁力。正因为如此,磁流体推进器无须配备螺旋桨桨叶、齿轮传动机构和轴泵等,是一个完全静止的设备。

一旦现代潜艇使用了这种推进器,便从根本上消除了因机械转动而产生的振动、噪音以及功率限制,而能在几乎绝对安静的状态下以极高的航速航行。据理论计算其航速可达150节,而这是任何机械转动类推进器不可能实现的。

超导电磁流体推进是把电能直接转换成流体动能,以喷射推进取代传统螺旋桨推进的新技术,它具有低噪音和安全性等特点,在特殊船舶推进应用中具有重大价值。中科院从1996年开始超导磁流体推进技术的研究,研制成功世界上第一艘超导螺旋式电磁流体推进实验船,2000年获中科院科技进步二等奖。建成了用于磁流体推进器水动力学研究的海水循环试验装置和用于试验船综合性能研究的航试水池。

目前,正在进行超导电磁流体推进技术的实用化研究。 中科院电工所研制的螺管超导磁体系统,磁场强度5特斯拉,室温孔径0.2米,外径0.65米,总长1.1米,总重494公斤,液氦贮量66升,一次充满液氦能连续运行6昼夜。

电工所与船舶研究院702所合作研制成功了螺旋式超导磁流体推进试验船。“HEMS-1”号,于1998年11月28日试航成功。它的研制成功标志着我国已跻身于该项高技术的国际先进行列。该试验船长3.2米,宽0.85米,排水量约1吨;船上装备有磁场强度为5万高斯的超导磁体系统,螺旋通道推进器,电池组和测控系统,由一人操作。

在实验室的盐水池中对试验船的特性参数进行了综合性试验和试航行,船速达0.65米/秒。 试验表明,超导电磁流体船舶推进具有安静无噪声,操作简便等特点。

超导螺旋式电磁流体推进试验船“HEMS-1”号的研制和试航成功证明了该技术路线可行,应用前景光明。

“HEMS-1”号与日本“大和一号”比较

日本将直线电机在交通磁浮列车方面的应用,推广到电磁推进船的驱动,它将象喷气式飞机优于螺旋桨飞机一样优于一般螺旋桨推进的船舶,美国将其应用于军事舰艇,日本则于1992年6月完成世界上第一艘载人超导直线电磁推进船"大和一号",并在日本神户港正式试航成功。

超导螺旋式电磁流体推进试验船(HEMS-1)研究采用的超导螺管磁体和螺旋式推进通道技术路线,研制的世界上第一艘超导螺旋式电磁流体推进试验船(HEMS-1)。该船船长3.2m,宽0.85m,深0.95m,排水量约1吨,船载超导磁体磁场强度为5T。试验船在25m长,2.75m,宽2.0m深的盐水池中进行了推力测量和航行试验,推力40~45N,船速达到0.61~0.68m/s。中日合作的强磁场条件下磁流体推进器试验研究,包括试验装置的结构,试验研究的程序以及试验结果。对试验结果的初步分析表明,当磁场强度为14特斯拉,电流密度为1000安培/平方米时,推进器电磁效率可达23%,比日本"大和一号"提高10倍,电磁力密度约为10000牛顿/立方米,比"大和一号"高出一个数量级。这次试验的成功,不仅首次实现了高场强条件下磁流体推进的试验研究,为理论分析提供了颇有价值的试验数据,而且进一步演示了螺管磁体螺旋通道磁流体推进器的一些优越性,为制定该技术早日实用化的研究目标提供了可靠的依据。

中国新潜艇将采用磁流体动力,静音效果大增!(2007-09-21)

中国海军研发机构一位官员日前表示,中国在下一步将要制造更新的“喷水磁流体”动力的常规潜艇。与传统机械推进器相比,磁流体推进器将是一个完全静止的设备,这将最大限度提升潜艇的静音效果。

香港《文汇报》报道,中国海军早前展示了一个潜艇预期设计模型,该模型外观十分类似德国建造的214级潜艇。潜艇将采用磁流体喷水推进技术,而喷水推进技术在欧洲刚刚开始处于初期应用范围。欧洲国际海军潜艇联盟协会(NSL)对此表示,解放军的新型潜艇首次与欧洲先进潜艇技术,采用了同等类型的模式,预料全新潜艇,具有“难以被探测的能力”。该协会专家认为,中国在潜艇设计与制造方面的能力在飞速提高。

所谓的“磁流体推进器”就是贯通海水的通道内建有一个磁场,这个磁场能对导电的海水产生电磁力作用,使之在通道内运动,若运动方向指向船艉,则反作用力便会推动船舶前进。

与传统机械转动类推进器(譬如螺旋桨、水泵喷水推进器等)相比较,磁流体推进器的不同点在于:前者使用机械动力作为推力而后者使用电磁力。正因为如此,磁流体推进器无须配备螺旋桨桨叶、齿轮传动机构和轴泵等,是一个完全静止的设备。

一旦现代潜艇使用了这种推进器,便从根本上消除了因机械转动而产生的振动、噪音以及功率限制,而能在几乎绝对安静的状态下以极高的航速航行。据理论计算其航速可达150节,而这是任何机械转动类推进器不可能实现的。

国际海军潜艇联盟协会的亚洲海军发展顾问约翰博士,“中国目前的‘宋’级潜艇,中国可以做到‘最小范围的被探测几率’。全新的元级潜艇,可以做到‘难以被探测的能力’。而他们新一代潜艇,可以预料将被用于更加深的水域,并且属于无法探测阶段。”

磁流体喷水推进潜艇技术,是目前欧洲海军多个潜艇制造先进技术国家,初步开始运用的最新潜艇动力科技技术。法国,德国海军在这个领域拥有很先进的发展能力。

约翰博士表示,“虽然目前欧盟还在执行对华武器出口禁运政策。但是,看到中国海军已经拥有这样的自主开发新潜艇技术能力。这使得我们感到更加的惊奇。因此我个人相信他们所拥有的潜艇制造技术,同时这是完全出自中国人自己的发明与创造。

美海军利用AESD舰测试先进喷水推进技术(泵喷)

新式先进电力演示舰(AESD)将参与卡德罗克分部的声学研究支队(ARD)的试验。最近这艘演示舰被命名为“海喷”(Sea Jet)号。这种133英尺长的测试平台安放了罗尔斯·罗伊斯公司的海军舰船先进喷水推进系统——AWJ-21,可通过降低噪声和浪迹来提高水面舰艇的效率和机动能力。

AESD与早期DD(X)的设计类似,该钢制平台的排水量约为120吨,由达科塔·克里科工业公司(Dakota Creek Industries,Inc—DCI)建造。采用一台柴油发电机为两台推进电机供电,推进电机通过推进轴驱动两台安装在水线以下船体上的泵喷装置。在声学试验中,采用720个单体电池组成的电池组为电机供电,而不是采用柴油机,这样就消除了噪声源,使该舰可高速安静运行。AESD有6名船员,柴油机作原动机最高航速为8节,而电池做原动机时最高航速为16节。

卡德罗克分部位于孟菲斯的大空泡水道是一个水动力学研究试验站,试验小组将在此使用原DD(X)设计的1/8比例的AESD模型,采集AWJ-21数据,验证推进特性以及空泡性能。

船体部分已运输到位,在ARD的模型工程和支持车间组装。建造人员对船的测试及接收测试都会按计划进行,结束后海军就可接收“海喷”号,测试工作将持续到明年3月份。然后就测试另一台电力驱动的推进系统——RimJet推进装置,其吊舱安装在船体水线以下。这种推进装置是由电船公司开发的,它将消除船体内的推进轴。研究人员将去掉船尾并在船尾处安装一个RimJet艉分段。

中国第四代潜艇纸上谈兵:西方军事专家“明夸暗踩”?

(2007-09-24)马鼎盛

西方军事专家关注中国潜艇开发新技术,称喷水动力的潜艇噪音极小,几乎无法探测。中国不少网站出于「壮我军威」的心态,都欢欣鼓舞地奔走相告。

欧洲一向注视中国军力发展的「国际海军潜艇联盟协会」NSL的约翰博士,是该学会亚洲海军发展顾问,他说,中国潜艇采用磁流体喷水推进技术,将会极大程度增加各级潜艇的水下生存与对抗反潜探测能力。

目前的「宋级」潜艇,可以做到「最小范围的被探测机率」,新服役的「元级」潜艇可能「拥有难以被探测的能力」,而正在试验的第三代潜艇,将被用于更加深的水域,并且属于「无法探测」的阶段。

磁流体喷水技术的确避免了传统的螺旋桨推进器所产生的噪音,但是发动机等机械噪音,和艇体摩擦水流等噪声源依然存在。(更正:使用电池供电,无机电噪声。)

此外,探测潜艇另有红外、尾流、磁异等特征有迹可寻,「无法探测」的境界谈何容易?何况磁流体喷水推进器的动力不足以达到传统螺旋桨的高速,一般只能作为辅助动力。(更正:据理论计算其航速可达150节,而这是任何机械转动类推进器不可能实现的。)

目前欧洲多个潜艇制造技术先进的国家,已初步运用了磁流体喷水推进器于潜艇,法国、德国是其中佼佼者。NSL的专家指出:中国海军研发机构官员展示的潜艇预期设计模型,外形十分类似德国制造的二一四级潜艇。约翰博士说,解放军新型潜艇首次与欧洲先进潜艇技术采用同等类型的模式,说明他们的潜艇设计与制造能力在飞速提高。(更正:欧洲尚未发现在研磁流体喷水推进器技术,故不可能有“采用同等类型的模式”之说。)

说了半天,原来磁流体喷水推进技术在西欧早已实用化,中国还在设计阶段。与其说西方在称赞,不如说是居高临下的嘲弄。针对中国潜艇技术的发展,日本反潜机也在更新换代。(更正:“磁流体喷水推进技术在西欧早已实用化”纯属无稽之谈!)


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