辛 旭

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧 大連 116000）

1 .推進(jìn)器的種類與應(yīng)用

推進(jìn)器作為船舶的動(dòng)力裝置是用來(lái)為機(jī)械提供動(dòng)力，以提高速度的。船舶推進(jìn)器是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化把主機(jī)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為船舶前進(jìn)動(dòng)力的重要裝置。船舶推進(jìn)器尤其是潛艇的推進(jìn)器的研究一直注重高性能推進(jìn)的開發(fā)?，F(xiàn)代船舶大部分采用的是反應(yīng)式推進(jìn)器，其中應(yīng)用最廣的是螺旋槳推進(jìn)器。自從螺旋槳推進(jìn)器被廣泛應(yīng)用于船舶推進(jìn)之后，人們開始在以螺旋槳為核心的基礎(chǔ)上研究創(chuàng)造出了很多新型的推進(jìn)器形式，如吊艙推進(jìn)器、泵推進(jìn)器、對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)器，同時(shí)也發(fā)明了未來(lái)可能替代螺旋槳的推進(jìn)形式如噴水推進(jìn)和磁流體推進(jìn)。

2 推進(jìn)器的歷史衍變

從船舶推進(jìn)器發(fā)明到現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)不斷的優(yōu)化與調(diào)整，其性能不斷增強(qiáng)，而在這個(gè)過(guò)程中，得益于人們的智慧，新型的推進(jìn)器形式也不斷地被創(chuàng)造出來(lái)。19世紀(jì)螺旋槳推進(jìn)器應(yīng)運(yùn)而生，之后早期形式的推進(jìn)裝置慢慢淡出大型船舶的視野。

2.1 原始推進(jìn)

早期的船舶還不能算真正的船舶，像獨(dú)木舟、小船，它們的推進(jìn)主要依靠的是人力、畜力和風(fēng)力（即撐篙、劃槳、搖櫓和風(fēng)帆）等。因?yàn)樗鼈兊男问皆絹?lái)越不能滿足大型輪船的需求，人們一直在探尋更高性能的推進(jìn)器。

明輪推進(jìn)的形狀很像車輪，在原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下輪邊緣上的槳板向后撥水使船前進(jìn)。采用明輪的船舶吃水淺，操作比較靈活，內(nèi)部可用空間大，可以承載更多貨物，行駛起來(lái)也比較平穩(wěn)。但是葉片由于部分或全部露出了水面，很容易與其他船舶的船身或者明輪發(fā)生碰撞，使船舶不能穩(wěn)定安全地航行。并且，明輪的葉片結(jié)構(gòu)問(wèn)題使其在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)很容易損壞。因此，在后期裝有螺旋槳的輪船便將裝有明輪的輪船淘汰了。

2.2 新型推進(jìn)方式

隨著科技的發(fā)展，一些新的推進(jìn)方式應(yīng)運(yùn)而生，比如仿生學(xué)的發(fā)展，使人們發(fā)明了模擬魚類游動(dòng)的水下仿生推進(jìn)器。由物理學(xué)定律，人們想到用電磁力推進(jìn)船舶前進(jìn)。

（1）仿生推進(jìn)器是一種將仿生學(xué)和船舶推進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的新型推進(jìn)技術(shù)，具有低噪聲，高效率，低擾動(dòng)的突出優(yōu)點(diǎn)。水下仿生推進(jìn)器作為跨領(lǐng)域綜合技術(shù)，是要伴隨類似生物流體力學(xué)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，仿生機(jī)電的關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展而向更高效、更高速、更高機(jī)動(dòng)性和低噪聲、高續(xù)航的方向發(fā)展。當(dāng)今，仿生推進(jìn)器主要應(yīng)用在水下機(jī)器人上，在船舶上的應(yīng)用還比較罕見。

（2）磁流體推進(jìn)是一種利用作用于海水的電磁力獲得反作用力作推進(jìn)力的比較先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念的新型船舶推進(jìn)方式。與傳統(tǒng)推進(jìn)方式相比，因?yàn)閽仐壛顺林氐穆菪龢鸵恍┡涮椎膫鲃?dòng)裝置等，不僅減輕了船舶重量，可以提高推進(jìn)效率而且避免了因?yàn)槁菪龢a(chǎn)生的噪聲，也利于抑制潛艇機(jī)械噪聲和流體動(dòng)力噪聲。

自進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，現(xiàn)代社會(huì)快速的發(fā)展要求船舶滿足高航速、高適航、高穩(wěn)定性、高易操作性和低能耗等標(biāo)準(zhǔn)。電力推進(jìn)系統(tǒng)在綜合船舶推進(jìn)的各項(xiàng)性能指標(biāo)來(lái)看，具有很大的優(yōu)越性，研究和開發(fā)電力推進(jìn)設(shè)計(jì)和制造核心對(duì)整個(gè)船舶推進(jìn)發(fā)展有不可估量的作用。磁流體推進(jìn)，特別是超導(dǎo)磁流體推進(jìn)雖然具有很多的優(yōu)點(diǎn)，但還需要克服一系列的問(wèn)題才能應(yīng)用到實(shí)船。

3 磁流體推進(jìn)的研究現(xiàn)狀

3.1 磁流體技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

我國(guó)從20世紀(jì)70年代就一直致力于超導(dǎo)磁流體技術(shù)的研究。近幾年，中國(guó)科學(xué)院電工研究所在研制出了磁流體推進(jìn)試驗(yàn)用0.87 T的永磁磁體和0.46 T的永磁式磁流體推進(jìn)器及船模后，又研制出了推進(jìn)器用磁通密度達(dá)4 T的螺管型超導(dǎo)磁體，并正在積極地進(jìn)行著螺旋型超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器及船模的研究。研究得到結(jié)論：磁流體推進(jìn)方式的原理是正確的，但是只有采用超導(dǎo)體產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)才能使磁流體推進(jìn)實(shí)用化。相對(duì)來(lái)說(shuō)，磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度大，孔徑大的螺管磁體的制造較為容易實(shí)現(xiàn)。1999年9月中國(guó)科學(xué)院電工研究所、日本神戶商船大學(xué)和日本國(guó)立材料科學(xué)研究所的科學(xué)研究人員在日本筑波首次完成了強(qiáng)磁場(chǎng)下14 T的螺旋通道磁流體船舶推進(jìn)器的合作試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為14 T，平均達(dá)13.4 T，電流密度達(dá)到1 000 A/m2，電磁力達(dá)到20 000 N/m，電機(jī)效率高達(dá)40%，推進(jìn)器的推進(jìn)效率達(dá)到了23%，其技術(shù)性能指標(biāo)相比于日本研制的“大和一號(hào)”試驗(yàn)船已經(jīng)提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，某些技術(shù)已接近實(shí)用水平。

3.2 磁流體推進(jìn)器的展望

磁流體推進(jìn)技術(shù)有一個(gè)特點(diǎn)就是在運(yùn)行的時(shí)候沒(méi)有聲音，具有很強(qiáng)的隱蔽性，但是目前還處于研究實(shí)驗(yàn)階段，并在很大程度上依賴于超導(dǎo)體的發(fā)展。高溫超導(dǎo)技術(shù)的飛速發(fā)展將大大促進(jìn)磁流體推進(jìn)的發(fā)展。磁流體推進(jìn)作為一門跨領(lǐng)域的綜合學(xué)科，相當(dāng)復(fù)雜并且難度非常大，還需要世界上各國(guó)科研人員的不懈努力。將來(lái)磁流體推進(jìn)應(yīng)用于潛艇上后，不僅可以大大提高操作性和機(jī)動(dòng)性還有相當(dāng)高的隱蔽性，掌握主動(dòng)權(quán)。應(yīng)用到商船上，也可以大幅度提高航速，增加經(jīng)濟(jì)效益。

4 磁流體推進(jìn)器的研究與開發(fā)

1992年6月，世界上第一艘載人超導(dǎo)直流電磁推進(jìn)船“大和一號(hào)”在日本神戶港正式試航成功，引起了世界造船界的震驚。在此之前，1961年美國(guó)賴斯（A·Rice）教授首先提出了“電磁泵”的專利，從而揭開了船舶電磁推進(jìn)器研究的序幕。1966年美國(guó)的S·Way制作了這種模型船并且進(jìn)行了航行實(shí)驗(yàn)。英國(guó)1970年制作了1 000 kW的超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組合的陸上試驗(yàn)，1976年日本神戶商船大學(xué)佐治教授制成了超導(dǎo)直線電磁推進(jìn)模型船。美國(guó)在1980年制作了300 kW超導(dǎo)電磁推進(jìn)船的海上試驗(yàn)，并制作了2 250 kW的試驗(yàn)樣機(jī)。1985年日本成立了“超導(dǎo)電磁推進(jìn)船開發(fā)研究委員會(huì)”，1990年完成了480 kW超導(dǎo)直流單極電機(jī)的開發(fā)，最終使超導(dǎo)直流電磁推進(jìn)船于1992年在日本試航成功。

4.1 開發(fā)中存在的問(wèn)題

4.1.1 電極問(wèn)題

通電后，在海水中溶解的大量離子會(huì)在電極周圍發(fā)生電解反應(yīng)，在陰極生成可能會(huì)產(chǎn)生航跡的氫氣氣泡，在陽(yáng)極生成有害的次氯酸鈉和附著在電極上的氫氧化鎂。因此在電極的選用上有兩大問(wèn)題：氣泡引起的航跡和電極的腐蝕。氣泡的產(chǎn)生會(huì)引起尾跡效應(yīng)，進(jìn)而會(huì)影響到軍用潛艇艦船的隱蔽性，而且氣泡的形成會(huì)產(chǎn)生電壓降，繼而影響到推進(jìn)效率，目前尚未有有效的辦法可以解決這個(gè)問(wèn)題。一般采用電鍍的方法來(lái)減緩電極的腐蝕從而延長(zhǎng)電極的使用壽命。

4.1.2 效率問(wèn)題

由于電磁之間的相互作用力跟通電海水的電流密度和磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度兩者有關(guān)，要增大船舶前進(jìn)的推力可以從這兩個(gè)方面著手。在海水中添加一定的雜質(zhì)可以有效地提高海水的電導(dǎo)率，使在電流密度一定的情況下降低產(chǎn)生的焦耳熱，從而提高效率。在1989年，美國(guó)開展了對(duì)在海水中添加鹽溶液對(duì)海水導(dǎo)電率的影響的研究，試驗(yàn)結(jié)果顯示在鹽酸、硫酸和氫氧化鈉3種溶液中硫酸對(duì)提高海水電導(dǎo)率的效果最好。

4.2 目前有較大進(jìn)展的技術(shù)問(wèn)題

雖然超導(dǎo)磁流體推進(jìn)具有很大的發(fā)展?jié)摿?，但是在現(xiàn)階段開發(fā)研究中依然存在著很大的阻力，諸如強(qiáng)磁體支撐技術(shù)、低溫容器技術(shù)及超導(dǎo)磁體繞制技術(shù)等問(wèn)題懸而未決。經(jīng)歷了多年的研究，超導(dǎo)體在磁流體推進(jìn)方面的應(yīng)用已經(jīng)有了突破性進(jìn)展，為未來(lái)磁流體推進(jìn)的應(yīng)用化帶來(lái)了曙光。雖然距離超導(dǎo)磁流體推進(jìn)的實(shí)際應(yīng)用還有一段很長(zhǎng)很艱難的歷程，但通過(guò)研究和理論分析，我們認(rèn)為超導(dǎo)磁流體推進(jìn)最終會(huì)被得到應(yīng)用。

4.2.1 超導(dǎo)磁體技術(shù)

超導(dǎo)磁體的快速發(fā)展源于超導(dǎo)材料技術(shù)的突破，雖然在液氮溫度區(qū)高溫材料尚不能制作成線材，但是類似鈮三錫等的低溫材料已經(jīng)在美國(guó)和俄羅斯制成線材，除了可以減少傳輸電路上的功率損失，當(dāng)其應(yīng)用在繞制磁體時(shí)還可大大提高產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。相對(duì)來(lái)說(shuō)高溫超導(dǎo)技術(shù)難度更高，但是應(yīng)用高溫超導(dǎo)技術(shù)可以大大降低對(duì)低溫容器技術(shù)的要求。目前，高溫超導(dǎo)技術(shù)還在進(jìn)一步研究開發(fā)中，并獲得了一些突破，相信最終高溫超導(dǎo)技術(shù)可以應(yīng)用到磁流體推進(jìn)上。

4.2.2 低溫容器技術(shù)

低溫容器技術(shù)在過(guò)去的很長(zhǎng)一段時(shí)間里已經(jīng)取得了一些技術(shù)上的突破，20世紀(jì)末期日本的“大和一號(hào)”試驗(yàn)船在做下水前的低溫試驗(yàn)時(shí)就已經(jīng)可以使超導(dǎo)的保持時(shí)間達(dá)到15 d，在一般情況下，在磁體上添加一個(gè)循環(huán)氦的液化裝置就可以滿足長(zhǎng)時(shí)間的要求。國(guó)內(nèi)的技術(shù)也可以使低溫容器的超導(dǎo)保持時(shí)間達(dá)到9 d?，F(xiàn)代的低溫容器技術(shù)不僅在超導(dǎo)保持時(shí)間上有了明顯進(jìn)步，在結(jié)構(gòu)上和輕量化方面也取得了重大突破。

4.2.3 電解氣泡的抑制技術(shù)

海水在被施加電場(chǎng)通過(guò)電流時(shí)將會(huì)在陰極發(fā)生電解產(chǎn)生氫氣形成氣泡，從而產(chǎn)生航跡。在電極產(chǎn)生電解氣泡是無(wú)法避免的，一般只能從增大海水電導(dǎo)率和減小氣泡的直徑這兩方面來(lái)解決。對(duì)于增大海水電導(dǎo)率，目前尚沒(méi)有有效的解決方法。但是從減小生成的氣泡直徑來(lái)看，有試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)證實(shí)，如果選取合適的電流密度和電極材料可以有效減小產(chǎn)生的氣泡的直徑，使?jié)撏г谒潞叫袝r(shí)不會(huì)引起明顯的航跡。

4.3 一些需要說(shuō)明的問(wèn)題

作為艦船的推進(jìn)裝置可以被業(yè)主所接受的第一條件是應(yīng)具有良好的推進(jìn)性能，也就是說(shuō)必須有可以接受的推進(jìn)效率。因此，超導(dǎo)磁流體推進(jìn)效率低下的問(wèn)題成為了研究者們爭(zhēng)論是否發(fā)展磁流體推進(jìn)的焦點(diǎn)。雖然它在理論上可以達(dá)到可接受的效率水平，但至今尚未有試驗(yàn)證明磁流體推進(jìn)可以達(dá)到理論上的推進(jìn)效率。影響推進(jìn)效率的主要原因是海水電導(dǎo)率產(chǎn)生的焦耳熱功率的散失和不夠足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)。因?yàn)橥七M(jìn)效率與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比，所以提高推進(jìn)效率最有效的辦法是提高磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。根據(jù)理論分析，假如磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以達(dá)到15 T，那么電磁推進(jìn)效率就可以達(dá)到60%。因?yàn)榇帕黧w推進(jìn)的推力與電流密度成正比，在磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度有限的情況下，為了產(chǎn)生足夠的推進(jìn)力，只有加大電流密度，但是電流密度使散失的焦耳熱以平方的關(guān)系增加，又會(huì)使推進(jìn)效率降低，“大和一號(hào)”試驗(yàn)船效率低下的原因就是如此。因?yàn)榇帕黧w推進(jìn)效率伴隨航速的增加而升高（有最佳航速），從原理上說(shuō)磁流體推進(jìn)更適合高速船。為了提高推進(jìn)效率，對(duì)推進(jìn)器本身必須圍繞增加海水電導(dǎo)率、增加磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度、合適的電流及合適的航速4個(gè)方面繼續(xù)進(jìn)行研究，從發(fā)展趨勢(shì)上來(lái)看，上述問(wèn)題最終都是可以解決的。

5 高溫超導(dǎo)磁流體推進(jìn)技術(shù)

5.1 高溫超導(dǎo)技術(shù)促進(jìn)了磁流體推進(jìn)的發(fā)展

由于磁流體推進(jìn)現(xiàn)階段的推進(jìn)效率大大低于人們可以接受的范圍，所以在很大程度上阻礙了其工程應(yīng)用化的進(jìn)程，尤其是在能源越來(lái)越緊缺的情況下，這個(gè)問(wèn)題顯得更為嚴(yán)重。目前提高推進(jìn)效率最有效的方法就是采用超導(dǎo)體繞制的磁體產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)?，F(xiàn)代超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展為磁流體推進(jìn)的發(fā)展提供了重大機(jī)遇。

事實(shí)上，提高磁感應(yīng)強(qiáng)度到5 T可得到適合的效率這個(gè)結(jié)論是科學(xué)家Hummer對(duì)海水直流電磁推進(jìn)器進(jìn)行研究時(shí)得出的。隨后，日本兩位科學(xué)家對(duì)此又進(jìn)行了進(jìn)一步的深入探索，將超導(dǎo)技術(shù)提到科研報(bào)告中，指出該技術(shù)對(duì)于磁流體推進(jìn)的進(jìn)一步發(fā)展的重要作用。也有英國(guó)研究者認(rèn)為必須要有磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)20~30 T的強(qiáng)磁場(chǎng)才能使磁流體推進(jìn)的效率達(dá)到和螺旋槳同等的推進(jìn)效率。因此，擺在面前的最重要問(wèn)題就是強(qiáng)磁體的開發(fā)。與低溫超導(dǎo)技術(shù)相比，高溫超導(dǎo)技術(shù)受制冷系統(tǒng)的體積和效率的限制較小，所以較受人們的青睞。自高溫超導(dǎo)技術(shù)誕生之日起，人們使用該技術(shù)成功制造出了較為成熟的超導(dǎo)線材，部分已經(jīng)應(yīng)用到了實(shí)際生活中。

5.2 超導(dǎo)磁流體推進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)

超導(dǎo)磁流體推進(jìn)作為跨學(xué)科的綜合技術(shù)，不僅覆蓋面廣，而且研究難度大，需要有眾多學(xué)科的學(xué)者聯(lián)合攻關(guān)。

從高溫超導(dǎo)磁流體推進(jìn)系統(tǒng)的構(gòu)成和性能出發(fā)可以了解到，作為艦船用的推進(jìn)裝置必須和船體作為一個(gè)整體來(lái)考慮，這就要求系統(tǒng)具有功率密度高、重量小、耐風(fēng)浪、耐沖擊、耐振動(dòng)、耐用和極少需要維修的特點(diǎn)。對(duì)于超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器的要求主要是：（1）具有可接受的推進(jìn)效率；（2）穩(wěn)定可靠；（3）沒(méi)有負(fù)面影響，像磁場(chǎng)的泄漏，電解產(chǎn)生氣泡引起的航跡，海洋環(huán)境污染危害等。這些標(biāo)準(zhǔn)大大提高了磁流體應(yīng)用的門檻，有許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：超導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要為了產(chǎn)生均勻的高強(qiáng)度磁場(chǎng)，線圈的繞制及安裝，降低支撐材料的承受強(qiáng)度；管道設(shè)計(jì)技術(shù)，主要為了降低阻力提高噴射效率及與船身的配合問(wèn)題；低溫容器技術(shù)，主要為了降低液氦揮發(fā)，保持超導(dǎo)，適合船艦裝載的問(wèn)題；電極材料技術(shù)，主要為了延長(zhǎng)電極的使用壽命，減少電解氣泡的產(chǎn)生，因?yàn)楦街锂a(chǎn)生的壓降問(wèn)題；船型設(shè)計(jì)技術(shù)，解決船體與推進(jìn)器的配合問(wèn)題，提高推進(jìn)效率和機(jī)動(dòng)性；提高海水電導(dǎo)率的技術(shù)，減少焦耳熱散失的功率，提高效率。

6 結(jié)束語(yǔ)

船舶超導(dǎo)磁流體推進(jìn)在理論上相比于目前采用的螺旋槳推進(jìn)裝置有許多的潛在優(yōu)點(diǎn)。隨著許多關(guān)鍵技術(shù)的深入研究和一些問(wèn)題上的攻克，人們看到磁流體推進(jìn)應(yīng)用的希望。當(dāng)然不可否認(rèn)，超導(dǎo)磁流體推進(jìn)研究還處于初級(jí)階段，離推廣應(yīng)用還有一段很艱難的歷程，還需要更多熱心從事于磁流體推進(jìn)系統(tǒng)工作者的不懈努力。

伴隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用研究也隨之發(fā)展。超導(dǎo)單極電機(jī)，超導(dǎo)電力推進(jìn)，超導(dǎo)磁流體推進(jìn)，超導(dǎo)電磁發(fā)射技術(shù)等在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)到了實(shí)際應(yīng)用研究的地步，并且有了突破性進(jìn)展。美國(guó)、英國(guó)、日本和俄羅斯等國(guó)在這些方面的研究已經(jīng)逐漸趨于成熟，并有計(jì)劃在下世紀(jì)初投入使用。同樣，超導(dǎo)低溫技術(shù)的突破，促進(jìn)了超導(dǎo)磁流體推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，正如各國(guó)專家所公認(rèn)的，超導(dǎo)磁流體推進(jìn)是可以代替螺旋槳、齒輪箱和軸系等傳動(dòng)部件的。超導(dǎo)低溫技術(shù)的發(fā)展將為研究發(fā)展靜默型大功率船舶奠定基礎(chǔ)，使傳統(tǒng)的造船業(yè)技術(shù)大為改觀。這種變革可以和航空采用噴氣式推進(jìn)器取代螺旋槳推進(jìn)的破壞性改革相比擬。

超導(dǎo)磁流體推進(jìn)技術(shù)是一項(xiàng)跨領(lǐng)域綜合各種學(xué)科的高新技術(shù)，它的研究覆蓋面廣，研究難度大，關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題多，例如高磁感應(yīng)強(qiáng)度磁體的繞制技術(shù)及磁場(chǎng)屏蔽技術(shù)，電極材料的耐久性技術(shù)，電解氣泡的消除，高性能磁流體通道的設(shè)計(jì)，制冷設(shè)備的小型化可靠化設(shè)計(jì)等。但可以猜想，隨著各種關(guān)鍵技術(shù)的逐個(gè)突破，超導(dǎo)磁流體推進(jìn)技術(shù)在這個(gè)世紀(jì)有希望獲得重大的發(fā)展，并有實(shí)際的應(yīng)用。