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船用磁流体推进技术应用前景展望
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摘要：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
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。
文章来源：《船舶标准化与质量》 网址: http://www.cbbzhyzl.cn/qikandaodu/2021/0302/725.html
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