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如何在水上利用电与磁的力量?

现代舰舶的螺旋桨,自19世纪初问世以后,通过不断地改进技术与蒸汽动力一起,推动了人类航海史的巨大跨越。毫无疑问螺旋桨和蒸汽机一样,是200多年前第一次工业的产物。

今天,无论是内河还是大洋,冒着浓浓黑烟的蒸汽船早就不见了踪迹,可大大小小的船艇上螺旋桨还在隆隆地旋转。可是人类进入电器时代已超过100年了,陆地上的磁悬浮列车已经创造速度纪录,而在水面上,为什么不能用电与磁的力量,替代庞大而笨重的机械转动推进舰船呢?

设计师将目光聚焦到了“磁流体推进”技术。所谓磁流体推进,是对一个贯通海水的通道加上磁场,使导电的海水产生电磁力而在通道内流动,产生反作用力推动舰船前进。而采用超导磁体作为磁场来源,则称为超导磁流体推进器。

磁流体推进器由磁体、电极和通道3部分构成,其推进过程可以借助物理学中的“磁场对通电直导线的作用”这一现象解释。

将金属直导线放入磁场中,当导线通电时,磁场就会对通电导线施加一个侧向力而使导线发生移动,力的方向为右手拇指所指方向。若将金属导线视替换为带电的海水,则海水就会像导线一样向拇指所指方向运动。通过调节电流大小,可以控制速度;改变电极极性可以改变运动方向。

与传统推进器相比,磁流体推进装置没有转动机构,可以使船舶几乎在安静的状态下航行,从而大大改善了航海人员的生活、工作环境,并可极大的增加军用舰艇隐蔽性。

由于克服了转动机械的功率限制,不会像螺旋桨那样在高速旋转时产生空泡,磁流体推进还可以大幅提高输出功率,为制造超高速舰船创造条件。

此外,磁流体推进器各个部件,如发电机、推进器、辅控设备等,相互之间没有“刚性连接”,可集中安装也可分散于任何舱室之中,从而极大地增加了舱室布置的灵活性。

虽然有突出的优势,但目前超导磁流体推进器在实用化方面还存在着一些亟待解决的问题。主要是系统轻量化、小型化问题,高性能电极材料技术、磁流体漏磁问题,以及高效率的通道设计等。

20世纪末以来,船舶磁流体的推进研究逐步向实用化阶段迈进。日本建造的“大和”1号试验船是世界上第一艘无螺旋桨推进船。“大和一号”为直线式电磁推进系统,主要由超导磁铁、磁屏蔽装置、励磁与电极的供电装置、超导线圈、驱动机械、液氦等主要设备和材料构成。船体运行及电磁推进系统的电力供应是船体的发电供配电系统。应用超导电磁铁增强磁场强度,并且将超导电磁铁浸泡在液氮中降温以保证长期运行。美俄等国也在磁流体推进方面做了大量的试验研究,其中俄海军曾披露计划将磁流体推进运用于核潜艇。

中国方面,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。此外,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。


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