1、超導磁流體推進新技術從船被造”出來的第一天起，人們就沒有停止思考怎樣讓它更好的前進尋找可借之力據船史學家考證，距今約一萬年前,人類就開始使用篙、短槳和櫓等工具，驅駛著獨木舟、木排以及皮筏等原始船只在水中航行。大約在5000年前，埃及、腓尼基和巴比倫就出現了裝槳的船只，靠眾多奴隸劃槳航行。這是船舶發展史上最早的推進方式：肌肉加木槳。公元前3000年，古希臘人首次使用了帆，利用風力驅動船只前進,這便是船舶的又一種推進方式：風力加船帆。然而，在此后長達3500年的時間里，木槳一直仍是船舶最主要的推進器。盡管在一些槳船上也掛有簡易的橫帆，但那只是輔助動力，如圖2。純粹用帆作為推進器的船舶直到16世紀以

2、后才開始普及，然后，風帆航海時代延續了將近300年。18世紀下半葉，英國人瓦特發明了蒸汽機，隨之帶來了船舶動力的革命，而機動篙、機動劃槳、明輪及螺旋槳等動用新動力的新型推進器設計相繼出現。就19惜紀卜半葉蒸汽機的性能及工業條件而言，無疑明輪最為適宜，它由安裝在船舷或船尾的大轉輪旋轉打水推動船舶。因為巨大的葉輪一半暴露在水面之外一目了然，人們稱之為輪船，而這一稱呼一直沿用到了現在，如圖3。明輪風光了百余年，但在風浪下葉輪的槳板會完全露出水面而形成空轉、導致主機“飛車自毀，而槳板又極易受損壞。因此，19世紀中葉以后,遠洋船舶和導不尋找推進新秀螺旋槳。使用螺旋槳的想法由來已久，如圖4。有人認為早在1

3、5世紀，達芬奇就提出了類似構想，而另一種說法則認為一位叫伯努力的瑞士人于1752年的某天，因觀看一木匠干活，而受螺絲釘的啟發提出了螺旋槳的設想。遺憾的是，當時沒有蒸汽機，所以直到80年后（1838年）英國人史密斯才研制出世界上第一艘螺旋槳船“阿基米德”號。船上的那只螺旋推進器是一只長尾巴一樣的木制單螺紋蝸桿，最初試航時，達到了約4節航速。然而，一次偶然的噱桿斷裂卻證明螺旋越少、航速越高，斷桿竟然跑出了13節的航速。與其它推進器相比,螺旋槳重量輕、效率高、結構簡單又完全安裝在水下，用它推進的軍艦在海戰中不易被毀，因此，螺旋槳很快取代了明輪成為主要推進方式。隨著航運業的迅猛發展,船舶噸位越來越大、

4、主機轉速、功率成倍增加，螺旋槳的負荷也不斷增大。于是，它的致命弱點也逐漸暴露出來一螺旋槳葉片在高負荷下尖端易形成大量細小的空氣泡，氣泡破裂的爆破力又使得剝蝕損傷槳葉，從而導致推進效率降氐、振動加劇。此外，螺旋槳的機械傳動設備與自身在水中的旋轉都會產生巨大的噪聲，螺旋槳推進方式遠非無懈可擊。據說在螺旋槳誕生之前，也曾有人提出不用劃槳和船帆推動船舶運動的設想。其中一種構想是利用安裝于船只后甲板的火炮向船尾開火，用火炮后坐力推進；而另一種則設想從船首吸人海水，再由船尾噴出以獲得推力。放炮的設想對現代氣墊船引入空氣螺旋槳推進不無幫助，而“噴水推進的設想從17世紀產生以來,一直得到不斷的改進。今天實用的

5、噴水推進器由吸管、水泵、整流器及噴管等組成,如圖5。其工作原理與抽水機水泵相同，分軸流、混流、離心等幾類。70年代以來，噴水推進的專用泵運用現代科技取得了相當的進展,推進效率已能與先進螺旋槳相媲美。然而，這種推進方式仍無法擺脫部件的機械轉動，因而功率始終受到限制，加之管道較長，水力損失較大,系權率也很難再有跨躍式的提高。推進的極限如何打破呢?人們苦苦求索，終于有一天，輪機工程師們在一種運用介質導電性工作的電磁泵那兒找到了曙光！揚棄機械運動!在核動力、化工、冶金和鑄造等工業部門中，電磁泵是一種用于輸送導電流體（液態金屬）的工具。由于海水也具有導電性，因此也能在電場、磁場的共同作用下被“推動，于是

6、一種全新的推進系統一磁流體推進器應運而生。1961年，美國人賴斯提出磁流體推進系統的設想；1962年，菲力浦提出交流磁流體推進系統，即利用行波磁場與其在海水中的感應電流相互作用產生的電磁力推動船舶。1963年，多拉格提出直流內磁式超導磁流體推進器，這種方案與賴斯最早的設想區別在于磁體磁場對海水作用的電磁力區域處于推進器內部而非其外。在隨后的10多年間,人們設計和制作了多種磁流體推進系統，但由于當時超導技術不夠成熟，只能采用常規導磁體（磁場強度較低）試驗，磁流體推進的研究主要停留在原理階段。要使磁流體推進器產生很大推力，就需要建立強大的磁場。眾所周知，通電的導體會對電流產生一些阻力。但是當某種材

7、料變的很冷時，電阻就會消失，幾乎為零，于是導體就成了超導體。而肺胃超導磁體就是用超導材料（線材或帶材）繞制的空心線圈；當給這種線圉通電勵磁以后，電流將毫無衰減地在閉合回路中流動從而建立磁感應強度極大的、穩定永久磁場”。而在磁流體推進器中，人們通常把采用了超導磁體的電磁泵”稱為超導磁流體推進器（簡稱MHD,如圖6）。雖然技術、工程上的障礙十分巨大,人們為什么還是對MHD抱以如此巨大的期望呢?原因就在于它作為推進裝置具有無可比擬的優越性其飛躍性有如航空領域的噴氣動力取代螺旋槳、地面軌道領域的磁懸浮列車拋棄鋼輪。首先，MHD取消了船用螺旋槳及水泵式噴水推進裝置所使用的各類轉動機構，消除了由此引起的振

8、動、噪聲問題，使船舶幾乎在安靜的狀態下航行，大大改善了航海人員的生活、工作環境，并可極大的增加軍用艦艇隱蔽性；其次，MHD是一個靜止設備，即克服了轉動機械的功率限制，也克服了螺旋槳高速旋轉的空泡效應，可大大提高輸出功率，為制造超高速艦船創造了條件；再者，MHD各個部件，如發電機、推進器、輔控設備等，相互之間沒有剛性連接（如連接柴油機、螺旋槳的主軸），可集中安裝也可分散于任可艙室之中，從而極大地增加了艙室布置的靈活性；此外，MHD通過控制輸入電壓或電流操縱，適于集中控制，且操縱靈活、機動性能好，容易應付緊急狀態，航行安全性好。HOWMHDWORKS?磁流體推進器由超導磁體、電極和通道3部分構成。

9、其中超導磁體系統是由超導材料繞制的空心線圈和裝有冷卻介質液氨的低溫容器組成；電極一般選用電流密度較低且具有良好電化學性能的材料（如：金屬氧化物DSA、鍍鉗鈦等）制成;通道是指貫穿海水的空間，由超導磁流體和電極形成。在磁流體推進過程中，海水作為一個導體通電后穿過超導磁體所建立的磁場，因而受到洛侖茲力的作用沿看一定方向運動，其反作用力推動船舶前進。具體的說，可以借助物理學中的磁場對通電直導線的作用這一現象來解釋,如圖7。將金屬直導線放入磁場中,當導線通電時，磁場就會對通電導線施加一側向力而使導線發生移動，力的方向為拇指所指方向。若將圖中的磁體視為磁流體推進器的超導磁體，將磁體之間的空間視為通道，金

10、屬導線視為海水，則海水就會像圖中的金屬導線一樣向拇指所指方向運動。在磁場一定的情況下，電流大，電磁力大，推力也大，船的運動速度就快；反之，電流小，推力也小，船的運動速度就慢。當電流方向改變，船舶運動方向也會隨之改變。可見，利用調節電流大小，可控制船的速度；利用改變電極極性，可操縱船的運動方向。前文已經提過，菲力浦和多拉格分別提出的是交流與直流兩種磁流體推進系統。交流磁流體推進器采用的是交流超導磁體，直流磁流體推進器采用是直流超導磁體。盡管它們在原理上一樣，都需要在高強磁場下才能獲得很高的效率，但是交流磁流體推進要比直流磁流體推進優越的多。只是由于目前交流超導磁流體尚未達到實用水平，因此，直流超

11、導磁流體成為人們研究的首選對象。直流磁流體推進按其推進器的電磁力作用區域分為內磁式加外磁式兩種推進方式。內磁式的電磁力作用區域在管道（通道）內部；外磁式的電磁力作用區域在船體的下面或周圍水域，如圖8。二者相比，內磁式磁流體推進器不像外磁式那樣將電滴口磁場在海域中擴散，不污染海洋環境、隱藏性好，因而更受青睞，也是重點研究方向。就內磁式磁流體推進器的通道幾何形狀而言，若通道呈直線型，則稱為線性MHD;若通道為螺旋型，則稱為螺旋型MHD;若通道為圓環型，則稱為環型MHD,如圖9。通常線性和螺旋型磁流體推進器可作為獨立裝置安裝在船體內部某處，而環型磁流體推進器只能套在潛艇等水下航行器的外殼上。基于磁流

12、體推進器安靜、高速、操縱靈活的優點，人們探討了多種磁流體推進船型結構。如利用內磁式推進器的構想的單體船、雙體船、潛艇等。這里，不妨以單螺旋、雙螺旋及6連環螺旋磁流體為例，簡單介紹實用MHD的具體工作過程。單螺旋型MHD磁體采用直流超導螺旋管線圉，內部安裝一對圓筒形電極，其中一個為內電極，另一個為外電極，如圖10。兩電極之間設置由非導磁的絕緣材料制成的螺旋壁，電極與螺旋壁之間形成螺旋通道。由于經電極通人海水的電流方向為徑向，磁體產生的磁場方向為軸向，因此載流海水就會受到圓周切線方向的電磁力。如果將電磁力分成兩個分量，一個平行于螺旋通道，另一個垂直于螺旋通道，那么平行于螺旋通道方向的電磁力就成為使

13、海水沿螺旋通道流動的動力。為了減少海水流動的阻力，需要在通道的進口和出口分別安置一個由幾片扇形葉片構成的導流器。進口導流器使通道前遠方平行的水流轉變方向而進入螺旋通道；出口導流器使螺旋通道的水流轉變為平行水流，然后由噴口噴射產生推力。若將兩個單螺旋型MHD平行排列在一起便組合成了兩螺旋型MHD。兩個磁體所產生的磁場會相互作用,為增大推進器通道內的磁通量、減小磁場外部空間的泄漏，需將兩磁體的不同磁極放在同一端。即將一個磁體南極與另一磁體的1般端朝向一個方向。這樣組合后，兩個推進器的電極極性或螺旋通道的旋轉方向也將相應換位。換句話說，當兩個推進器的內、外電極相同時，需改變螺旋通道的旋轉方向，即：一

14、個為左螺旋，而另一個應為右螺旋。而當螺旋通道旋轉方向一致時，就需改變電極的極性，即：一個為“內陽、外陰，而另一個應為內明、外陽，以保證兩推進器的海水沿同一方向噴射。所渭6連環螺旋型MHD由6個單螺旋型MHD組成，推進器兩兩之間平行排列，且按一正一反的J頃序交替擺放。從橫截面看6個推進器管道截面均勻分布在一圓周上，構成正6邊形。這樣的布設保證了穿過各通道的磁感應線兩兩疊加后具有相同方向，如圖Ho與其它船用推進器一樣，磁流體推進器也需要由原動機驅動。但它不像螺旋槳或水泵噴水推進器那樣，由主機通過傳動設備給螺旋槳或水泵提供機械功率，使之產生機械推力，而是由主機、發電機附屬設備等組成船舶電站，給磁流體

15、推進器供電產生電磁推力。原動機是用來帶動發電機運轉的主機，可是內燃機、蒸汽輪機、燃氣輪機、核反應堆中的任意一種。主機與發電機共同組成發電機組；控制器是用來調控通電電流大小；輔助設備是指制冷機、空氣壓縮機等。為使所述問題更接近實際，我們假設將磁流體推進器的整套系統安設在某艘船的底部，核能發電，推進器為6連環螺旋型直流磁流體推進器，6根進、出水管道均短解貫通，且安置在水線以下。當我們啟動核發電機組工作后，磁流體推進器的6個超導線圖即通電勵磁，在其通道內形成高強磁場。與此同時，控制器通過電極給海水通電，磁場便對載流海水施加電磁推力，在這一推力的作用下，海水在6個螺旋通道內高速旋轉并向后一齊噴射，推動

16、船舶前進。船舶進入航行狀態后，推進器前方的水流將不斷地吸人進口管道，在通道內加速后,又從出口管道不斷地噴出，使船持續高速航行。若同時改變6對電極的極性，則將改變其運動方向，也就是我們通常所說的“倒車。由于6個推進器相互獨立，因此,當任意改變其中某幾個推進器的電流的大小和電極極性，船舶將實現各種運動姿態，即具有極佳的操縱性。表征磁流體推進的主要技術指標為：電磁力與工作壓力、噴速與船速、推力與阻力，磁流體推進效率等。它們的好壞，直接關系到磁流體推進船舶是否具有良好的推進性能。成果與問題70年代，超導技術步人實用化階段并很快應用于磁流體推進裝置之中。1976年，日本神戶商船大學佐治吉郎、巖田章等人將

17、超導磁流體用于磁流體推進器，研制出磁場0.607特斯拉、推力0.015牛頓的SEMD-1磁流體推進船模,并在水槽中進行了試驗，首次證實了超導磁體在磁流體推進器中應用的有效性以及推力的快速響應。1979年，他們又成功地利用超導磁體研制出磁場2特斯拉、推力15牛頓的磁流體推進器，并安裝在ST-500船模上在水池中進行航行試驗。試驗表明，在船體的振動和沖擊下，推進器的超導磁體仍能正常工作,從而為超導磁體能夠可靠地作為推進器的磁體提供了依據。80年代后，船舶磁流體的推進研究逐步向實用化階段邁進。1985年，日本成立超導電磁推進船的開發研究委員會并決定建立超導磁流體推進試驗船。1992年，大和1號試驗船建成并成功地進行了海上自航試驗，世界上第一艘無螺旋槳MHD船的誕生,如圖12,緊接著大和2號下水。與此同時，美國和俄羅斯等國也在船舶磁流體推進方面做了大量的試驗研究，均具備相當能力。我國于70年代初開展了對磁流體推進方式的研究工作，中國艦船研究院所屬數家研究所參加了有關研究課題，研制出常導磁體產生磁場（0.075特斯拉）的夕磁流式磁流體推進器，并安裝在潛艇模型上進行了水池試驗,艇速約0.62米/秒。但是，由于當時我國沒有實用