直管超导磁流体推进器

Direct channel MHD propulsion

磁流体推进器的基本原理是被推动的流体受到方向相互垂直的电场和磁场作用时,受到洛伦兹力作用,流体对推进器产生反作用力,当然被推动的流体必须是导电的。

由于流体必须是导电的,在自然界只有海水是导电的,但海水的导电率不高,要得到较大的推动力,不但需要大电流,还需要强大的磁场。根据一些理论计算,所需磁通密度要高于5T(特斯拉)才有实际应用价值,普通电磁铁在1.5T左右就会饱和,只有采用超导磁体才可能产生强大的磁场。

超导磁体就是一个超导线圈,超导线圈没有铁芯,就是一空心线圈,但导线必须是超导体。理想的超导体电阻为0,线圈可以流通超大的电流,产生超强磁场,而且超导线圈内的电流建立后,短路线圈端头,切断电源,线圈内仍然保留着电流,理论上该电流将无限制的循环下去,所产生的磁场也是永恒的。

本课件介绍直管超导磁流体推进器。其原理结构类似于传导式电磁泵,只不过这里驱动的是海水。

   直管马鞍型超导磁流体推进器

图1是直管马鞍形超导磁流体推进器基本部件,海水的通道是一根直管,由上下两个马鞍形线圈在管道内建立超强磁场。

直管超导磁流体推进器的导管与超导线圈

图1-直管超导磁流体推进器的导管与超导线圈

在管道两侧面壁有电极板,电极板通过母线连接外电源,见图2。

直管超导磁流体推进器的基本结构

图2-直管超导磁流体推进器的基本结构

图3是直管超导磁流体推进器中部的垂直截面图,在该图中显示了线圈磁场与电极的方位布局。

直管超导磁流体推进器的磁场走向图

图3-直管超导磁流体推进器的磁场走向图

由于超导线圈必须工作在接近绝对零度(0K),线圈通过浸泡在液氮等液体中来得到超低温,在超导线圈外围包着外罩,外罩密封并要有一定的强度,更重要的是要有很好的隔热能力,同样海水导管也要有很好的隔热能力,在外罩与导管之间抽真空,充液氮保证超低温。在外罩中还有一层磁屏蔽层,减少磁场的外泄。

后面将用一个动画来演示直管超导磁流体推进器的工作状态,图4是一张动画的截图,图中马鞍形线圈以半透明显示,显出其中电流的箭头,两极板间运动的黄色小球代表海水中的电流,管道内蓝色箭头代表流动的海水。

直管超导磁流体推进器动画截图

图4-直管超导磁流体推进器动画截图

下面是直管超导磁流体推进器的动画。

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直管超导磁流体推进器动画

最早的磁流体推进装置是由美国科技人员在1961年提出并研究,制造多种模型进行了各种试验。较正式的船只是日本在1991年秋建成的“大和1号”试验船,下面收集了网络上的相关照片,对其进行简单说明。图5是该船使用的超导磁流体推进器的外观,左面是海水进口,右面是海水的出口。

超导磁流体推进器外观

图5-超导磁流体推进器外观

图6是超导磁流体推进器的前端,每一个超导磁流体推进器包含有6个直管超导磁流体推进器。

有6个直管的超导磁流体推进器

图6-有6个直管的超导磁流体推进器

图7是“大和1号”试验船的外观图,船配有2台超导磁流体推进器,分装在船的两侧下方。

“大和1号”试验船的外观图

图7-“大和1号”试验船的外观图

“大和1号”试验船长约30米,总吨位280吨,推进器直管中磁通密度为4T,电流约2000A,由两台柴油发电机供电,航速8节。由于海水加热,电解等引起能量损耗,大和1号的总效率较低,约4%。

   直管环面超导磁流体推进器

直管环面超导磁流体推进器的磁体线圈是跑道形状的超导线圈,将数个超导线圈沿圆周环面均匀布置,在本模型中有6个线圈,图8左是按圆周布置的6个跑道形超导线圈,图8右是6个跑道形超导线圈的轴视图。

直管环面超导磁流体推进器的线圈

图8-直管环面超导磁流体推进器的线圈

6个线圈是安装在舰艇体外圆周表面,见图9,图中截取了舰艇体的一段,在线圈构成的圆环内侧,也就是舰艇体表面安装内层电极板。在在线圈构成的圆环外侧是推进器的包容罩,包容罩是海水的通道,也是各种管线安装的通道,在包容罩内侧表面安装有外层电极板。超导线圈安装在线圈罩内,线圈罩内充液态氮,保证线圈处在超低温状态,线圈罩也是固定推进器包容罩的支架。为显示内部结构,图中隐去了2个超导线圈罩,剖去了推进器包容罩一部分。

直管环面超导磁流体推进器的结构

图9-直管环面超导磁流体推进器的结构

当超导线圈启动运行超导电流后,在6个线圈产生环形磁场,见图10。为看清磁力线、电流、水流的走向,图中隐蔽了外电极的3块电极板,图中浅蓝色环形线就是磁力线的走向;内层电极板接电源正极,外层电极板接电源负极,用红色箭头线表示电流;在洛伦兹力作用下,海水流动,流动方向如绿色箭头线所示,符合左手定律。

直管环面超导磁流体推进器的水流走向

图10-直管环面超导磁流体推进器的水流走向

图11是装有直管环面超导磁流体推进器的潜艇示意图,超导磁流体推进器推动海水向后流动,推动潜艇向前运动。

超导磁流体推进器潜艇

图11-超导磁流体推进器潜艇

目前多国在进行磁流体推进器在船舰中的应用试验,但还未进入实际应用阶段。

   结语

磁流体推进器有许多优点:由于取消了螺旋桨或喷水推进等旋转机械,大大降低了振动与噪声,特别适用于潜艇推进;根据需要推进器可安装在舰艇的任何位置;只需改变推进器内电场方向即可改变推动方向,提高了舰船的灵活性。

但磁流体推进器的发展还面临一些问题: 由于海水中导电离子是少数,电阻较高,海水与通电电极发生电解反应产生气泡和电极腐蚀,气泡会增大海水电阻,特别是极板上的蒸汽层,大电流通过海水产生热量很大,损失很大的能量。提高海水电导率可以有效降低电阻,从而提高效率,在海水中添加溶液增加海水电导率,例如加入硫酸,但会增加许多成本。

提高磁流体推进器的效率的主要办法是提高磁场强度,例如“大和1号”试验船若把磁通密度提高到8T,总效率可达30%,航速提可提高到16节。英国研究者认为要使磁流体推进器效率达到螺旋桨推进器效率,需要高达20~30T 的强磁场,因此,开发强磁磁体是一项关键技术。目前大家期望高温超导技术迅速进步,解决强磁体的问题。

 
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