超導技術的發展與應用前景

1911年，荷蘭科學家h.k.onus在測量汞阻力時發現了這種含有存在的優勢。從那時起，它進入了人類社會。超導體處于超導態時電阻率為零,且具有完全抗磁性,正由于它這不同尋常的特性,潛藏著無比廣闊的應用前景,幾十年來吸引著大批科學家孜孜不倦地探索它的奧秘。近年來超導研究飛速發展,不少國家在實用化超導技術的開發應用中取得累累碩果,大批超導產品紛紛問世。據國際超導產業技術研究中心等機構預測,到2020年,超導產業在電子和醫療等領域將發揮重要作用,會發展成1500億美元的巨大國際市場。美國和日本將超導視為未來的支柱性產業,目前兩國每年都要投入2億美元從事超導研究。我國超導研究緊跟國際步伐,也開始從實驗室邁向應用階段,許多方面達到了國際先進水平。本文旨在介紹超導技術的發展近況,并著重探討了其在軍事上的應用前景。1.超越大系統的發展繼1986年超導研究取得重大突破后,科學家的研究熱情受到極大鼓舞,全世界掀起了研究與應用超導的熱潮,近年來取得了豐碩的成果。1.1.磁浮列車示范線開通超導磁懸浮列車是一種速度高,載量大,安全舒適,噪聲低的新型陸上交通工具。列車根據超導體的完全抗磁性,利用電磁懸浮技術將列車從軌道上懸浮起來,再利用超導直線同步電機推動列車高速前進,日本的電動懸浮(EDL)式低溫超導磁浮列車于1999年4月在山梨試驗段18.4km示范線上速度已達552km/h,這種列車懸浮高度高(100mm)速度快,但制造和運行成本較高,工作溫度大約為(4.2K)液氦溫度,日本在研究液氮溫度(77K)的電動懸浮式超導列車還有待不斷完善。我國也加快了研究磁懸浮列車的步伐,西南交大已成功研制出第一個液氮工作溫度的載人實驗型超導列車。采用的是直接懸浮式。據新華社介紹,作為中國具有全部知識產權的超導中低速磁浮列車技術成果的應用,四川青城山磁浮列車工程試驗示范線的首期工程,將于2001年完工并投入試運行,其中,由西南交通大學、長春客車廠和株洲電力機車研究所聯合研制的磁浮車輛將于近期在長春客車廠完成組裝。中國將可能是世界上率先研制出高溫超導磁浮實驗車的國家。預計不久在上海浦東機場至陸家嘴將建成中國首條超導列車營運示范線。1.2.國內外研究現狀由高溫超導帶材做成的輸電電纜,其電阻幾乎為0,輸電損耗極小。而現在一般的輸電電纜在長距離輸送電力時損耗達20%。相比之下,使用超導輸電線路可以極大降低輸電成本,因此若普及超導材料制成的輸電線路用于長距離直流輸電,可以節省大量的能源,前景極為可觀。國內外超導材料研究工作的重點正逐步轉向材料的應用和開發。美國、日本、德國都相繼在此方面的研發上進行大量投入并取得長足進展。德國奧格斯伯大學宣布已找到一種新型超導材料具有強大輸電能力,但工藝過于復雜尚處于研究階段。日本東京電力公司與住友電工區開發了一代高溫超導電纜線材。其在以往電線直徑1/10情況下,輸電1000mw時,與地下電纜損耗來比,為其1/100。該公司正努力做到使其2010年實用化,至1998年7月,我國研制出第一根1米長1000A鉍系高溫超導直流輸電電纜來。2000年6月又制成6m長1450A輸電電纜,其性能穩定,各項指標達到世界先進水平。新華社2000年11月26日報道:北京有研究院研制成功116米長77K下的超導線材,使我國的超導電線也走向應用階段。1.3.其他方面的發展超導強磁體對制造高效發電機,電動機和電磁鐵有極為重要的作用。日本制成了現今世界上最高水平的超導磁體。日本金屬材料研究所與神戶鋼鐵公司聯合開發出了磁場感應強度達21.1T.共振頻率為900mHz的超導磁體。另外,超導技術在其他方面也有長足發展。如亞氮刀切除腫瘤。亞氮刀不是真正意義的手術刀,它擁有4-8支超導有溫差電偶的2mm直徑的超導針,在CT,B超引導下對腫瘤部位精確定位,超導小針經皮穿刺至腫瘤中心部位,由計算機控制,準確連續監控超導刀頭端及探針周圍組織溫度,旋即打開,釋放巨能,精確控溫,調變腫瘤抗原的介入,在3分鐘內可達到攝氏零下195度,在10分鐘內便可形成一個直徑8厘米的冰球殺死癌細胞。我國對超導技術的發展極為重視。1987年國家科委籌建了國家超導實驗室。1991年4月建成并通過驗收。該實驗室依托中科院物理所、專攻超導技術理論研究及開發應用,相信中國將在超導技術上有更大作為。2.超出技術的軍事前景任何一項高新技術的應用,最為敏感之處莫過于其軍事用途。超導技術更是如此,如果超導材料進入實用階段,將會對未來產生重大影響。2.1.高速與隱私的矛盾在未來海戰中,艦艇占有舉足輕重的地位。艦艇的高速機動與安全隱蔽日益受到各國軍事部門的關注,各國競相開發隱型艦和高速艇。但按現在的技術,高速與隱身卻不可兼得。高速總伴隨著噪聲,而隱身卻不得不低速。如果裝上超導推進系統,二者的矛盾便不復存在了。因而從70年代開始,俄、英、美、日等國就已開展超導技術在海軍艦艇方面的應用研究,隨著新型超導材料的出現,實際應用將成為可能。2.1.1.超聲磁流體推進技術在船體安裝一個超導磁體,通電后,海水中就會有磁力線,同時產生方向與磁力線垂直的電流,在磁場和電流相互作用下,由于艦艇與海水之間產生大小相等方向相反的反作用力,艦艇將獲得向前運動的推力,推力的大小與磁場強度和電流大小的乘積成正比。于是海中的磁場和電場在船尾相互作用推動船只前進。又稱“超導磁流體推進技術”。由于這種船為非螺旋槳推進,因而噪聲極低,振動小,不產生渦流。如果配合表面吸收雷達波等傳統隱身技術,則水上可防敵艦敵機,水下可躲潛艇,成為真正意義上的全方位隱形軍艦。自1987年起,日本便開始著手研制。至90年代初日本造船振興財團便建成世界上第一艘超導船“大和號”,噸位185噸,發展潛力十分看好,引起了人們廣泛關注。2.1.2.“其不意”—超導潛艇與現役的常規潛艇或核潛艇相比,超導潛艇具有結構簡單、推力大、航速高、無噪聲、無污染、造價低等顯著優點。隱蔽地接近敵艦并將其擊沉是研制潛艇的初衷。“出其不意”是潛艇作戰的主要特點。若將超導磁流體推進系統安裝在潛艇上,可以有效地減小其噪聲,使敵反潛艦被動聲納基本失去作用,反潛作戰效率大減,這將大大提高潛艇的隱蔽性和生存能力。另外獨特的推進原理和極高的能量利用率將使潛艇具有更好的動力性能,航行速度無疑將會大大提高。據推算,超高速超導潛艇的航速可達50節以上。如此高速的巡航機動,將給敵人以嚴重的打擊。這種潛艇才是當之無愧的“幽靈潛艇”。據說俄羅斯的新型潛艇“奧斯卡”級便部分采用了此項技術。2.1.3.魚肉魚的采集超導推進的魚雷在作戰效能上將明顯高于普通魚雷。由于魚雷體積小,又無螺旋尾流及噪聲等因素,使敵艦很難發現其蹤跡,能有效地命中敵艦。2.2.超越戰略武器超導武器威力之大絕不亞于核武器,可視為未來戰爭的新型戰略武器。其設想早在美國的星球大戰計劃中體現出來了。2.2.1.產生廣泛的脈沖電流,產生廣泛的脈沖電流,這是我國年利用超導儲能裝置無損地把能量儲存起來并在瞬間釋放出來,產生強大的脈沖電流。其強大的推力能把炮彈加到極高的速度,可制成超高速、高質量、高重復頻率的軌道炮,可以用來攔截包括洲際導彈在內的任何太空軍事目標。2.2.2.能量傳遞系統自由電子激光器是最有軍事前途的激光武器。若依靠超導儲能系統工作,它則可以瞬間得到數十億到數百億焦爾的能量供應。特別是可以在持續電流下工作,從而使激光器處于戒備狀態。電子通過射頻超導諧振控制作的超導直線加速器,成為高能電子束。再送入超導磁體產生強大的相干輻射,將流能轉變為電磁波能產生激光發射出去。采用超導物質大大減少了自由電子激光器長度而功率更高。2.2.3.高能粒子束發射利用超導高能加速器,將粒子加到很高能量,再通過偏轉超導磁體將高能粒子束發射出去,形成殺傷力極強的動能武器。負氫離子源先初級加速再在漂移管中主加速,后經束流放大器形成具有強大穿透力的中性粒子束。這種中性粒子武器不受電磁干擾,能準確命中目標。2.3.多色超導探測超導檢測器具有很高的靈敏度。超導輻射探測器具有非常寬的響應波段,它可以探測0.2—1000微米的電磁輻射,還可以探測微波毫米波和亞毫米波等。用它制成多色超導探測器廣泛用于軍事目標的偵察、搜索、跟蹤和制導中。此外制成多元超導探測器,可用于成像系統中獲得紅外微波等多波段圖象。此外,超導量子干涉器,可以探測弱到10e～15T的磁場變化,制成磁力偵察設備可用來偵察敵方潛艇和裝甲等活動目標。2.4.提高了部隊實力利用超導電子器件更新普通電子器件后,將大大改善軍用電子設備性能,增強電子戰能力。特別是超導計算機在火控系統電子對搞系統預警系統和搜索跟蹤系統等方面應用將極大地提高部隊實力,在戰爭中贏得勝利。因此超導電子計算機是現代軍事指揮武器自動化控制提高軍事裝備交通的關鍵設備。2.5.纖多t形成分超導傳輸線可以載送10—15皮秒電脈沖,一根超導線每秒可送1太比特