编者按：

超导磁流体推进技术是一种有着诸多优点的船舶推进新技术。彭爱武研究员长期从事磁流体技术及其应用研究，参与和承担了“超导磁流体船舶推进” 、“中日合作高场强磁流体推进器的性能试验研究” 、“磁流体血液泵” 、“超导磁流体海面浮油回收技术基础研究”等多项国家863计划项目和国家自然科学基金项目；发表相关论文40余篇，申请专利10余项。曾获中国科学院科技进步二等奖、中国电工技术学会“海尔杯”优秀论文奖等奖励；本文简要介绍了超导磁流体推进技术及其应用，阐述了磁流体推进的基本原理、技术特点及国际国内的研究现状等，并展现了超导磁流体推进技术广阔的应用前景。

正文：

对于海上交通运输，人们日益关注其对全球环境的影响、运输的效率、速度和旅途的舒适性等。然而，现有的螺旋桨推进船舶由于技术局限性，无法实现真正安静型高速航行，很难满足人们日益提高的要求。作为船舶推进新技术之一的超导磁流体船舶推进是将电能直接转换成海水动能推动船舶前进。由于推进系统中没有高速旋转部件，消除了传统螺旋桨推进的“空泡”现象和传动机构产生的振动和噪声，能实现真正安静型高速航行。该项技术已引起造船界的关注，被认为是二十一世纪船舶推进技术的发展新方向，其实用化将引起船舶推进的重大变革，对高速舰船、远洋轮、破冰船和军事用途舰艇都有重大的实用意义。

一．　  超导磁流体推进技术的基本原理及技术特点

1、磁流体推进技术的基本原理

由于海水是导电流体，给推进器管道中的海水施加一个磁场和一个与磁场正交的电场，管道中的海水就会受到一个与电场和磁场垂直的电磁力（洛沦兹力）的作用。当这个力的方向沿着船尾方向时，海水将向船尾方向运动，同时，海水的运动给船体一个反作用力，使船体向前运动。

图1：磁流体(MHD)推进原理

2、超导磁流体推进技术的特点

1）. 安静。由于超导磁流体推进取消了常规的螺旋桨、喷水推进、泵喷等转动机构，因而可大大降低由转动机构引起的噪声和振动。尤其在高速船舶中，螺旋桨推进不可避免地会产生空泡。空泡的产生不仅会引起船舶的振动，产生噪声，而且严重影响螺旋桨的推进效率，缩短使用寿命。而超导磁流体推进将不受此种危害，使舰船真正实现安静航行。（所谓螺旋桨的空泡现象是指：螺旋桨在水中工作时，桨叶的叶背压力降低形成吸力面，若某处的压力降低至临界值以下时，导致爆发式的气化，水汽通过界面，进入气核并使之膨胀，形成气泡，称为空泡。）

2）. 高速。由于超导磁流体推进的动力输出装置，如磁体、电极等都是相对静止的，这样就可大大提高船舶主机的功率级，不再受转动机械的功率限制，从而可制造出超大功率的高航速舰船。

3）. 布置灵活。由于超导磁流体推进器的一切设备无固定地安装在机舱内某个位置的要求，因此可以在舰船的设计中有效地利用舱室空间，供给设备安装的灵活性。

4）. 操纵性好。通过改变磁流体推进器中电极的极性或电流的大小即可改变推力的方向或推力的大小，而改变电极的极性或电流的大小较机械逆转或变速更容易实现，并容易做到平滑调速，从而提高了舰船的灵活性，改善了舰船的操纵性能。

此外，使用磁流体推进还有一个重要的优点，即可能利用磁流体推进器产生的强大水动力发射水下武器（鱼雷和导弹），这样不仅省去了传统的鱼雷发射装置，而且也避免了传统水下发射时存在的巨大噪声。

3、超导磁流体推进器的组成及结构形式

超导磁流体推进器主要由超导磁体、通道、电极以及电源和控制测量系统等组成。其中，超导磁体为推进器提供所要求的磁场；通道是指由电极和绝缘壁组成并承受电磁力的推进器筒体，电极给推进器提供电场，一般选用具有良好电化学性能的材料（如金属氧化物DSA、镀铂或钛等）制成。

目前，磁流体推进器主要有线型通道磁流体推进器，螺旋型通道磁流体推进器和环形通道磁流体推进器三种基本结构形式。

1）. 线型通道磁流体推进器

线型通道磁流体推进器（见图2）的通道是直线形，管道的截面一般为矩形、圆形和环形。它的磁体一般是由鞍型线圈绕制的二极或四极磁体。这种推进器的通道结构简单，海水阻力小，水动力功率转换效率高。它的磁场方向与电流方向垂直，同时推进器中电磁力的作用方向与流体流动方向一致，因此，其磁场强度利用率高，电磁功率转换效率高。不足之处是鞍形磁体的结构复杂，加工工艺和技术要求高。

图2 直线通道磁流体推进器

2）. 螺旋型通道磁流体推进器

螺旋型通道磁流体推进器磁体内部安装一对圆筒形电极，其中一个为内电极，另一个为外电极。两电极之间设置由非导磁的绝缘材料制成的螺旋壁，电极与螺旋壁形成螺旋型通道（见图3），在通道的进口处设置有导流器，将海水的轴向流动转换成螺旋运动，在通道的出口处设置有整流器，以将海水的螺旋运动转换成轴向运动。

在螺旋型通道推进器中采用了螺管超导磁体，和鞍型超导磁体相比，螺管超导磁体具有结构简单，磁场强度高等优点。如采用多螺管组合式布置，这种结构形式的推进器在效率、磁场、磁体结构等方面都有其潜在优势。

图3 螺旋型通道磁流体推进器

3）. 环型通道磁流体推进器

环型通道磁流体推进器的通道为圆环形（见图4），这种推进器一般布置在潜艇的壳体上，它不仅可安装成单段结构，也可以分散安置成两段或更多段的结构，它与总长相等、输入功率相当的其它形式的磁流体推进器相比，不仅克服了由于磁体及通道太长而导致推进器结构复杂和制造工艺困难等问题，而且还能使它的推力和效率有所提高。另外，这种推进器形式可以节约潜艇的内部空间。

图4 环形通道磁流体推进器

二．　  超导磁流体推进技术的发展

1961年，美国人赖斯提出磁流体推进系统的设想；1963年，多拉格提出“直流内磁式超导磁流体”推进器，这种方案与赖斯最早的设想区别在于磁体磁场对海水作用的电磁力区域处于推进器内部而非其外。在随后的10多年间，人们设计和制作了多种磁流体推进系统，但由于当时超导技术不够成熟，只能采用常规磁体（磁场强度较低）进行试验，磁流体推进的研究主要停留在原理阶段。

80年代后，船舶磁流体推进的研究逐步向实用化阶段迈进。美国、日本、俄罗斯和中国等相继开展了一系列超导磁流体推进关键技术及实用化研究，包括高场强超导磁体和磁流体推进器的结构形式及其最佳设计计算方法，性能分析，试验装置及方法，物理和化学现象，推进器的辅助和控制设备以及最佳船型的设计等等。

1、美国

美国磁流体推进研究的目标是QT磁流体推进技术。主要研究单位有：美国海军水下系统中心，戴维泰勒舰船研究发展中心，阿贡国家实验室，阿夫可公司。他们在推进器的结构形式，推进通道内部流场特性等方面进行了大量的理论分析和试验研究。提出了鞍型磁体直线通道和D型磁体环形通道两种不同结构形式的磁流体推进器。并针对洛杉矶号攻击型核QT进行了QT的磁流体推进的概念设计。其结果表明，当磁场强度为6特斯拉，航速为30节时，通过合理地选取推进器的形状和电场数据，电磁推进效率可达到40% （如图5所示）。同时，在阿贡国家实验室和美国海军水下作战中心各建有一套大型的超导磁流体推进器的试验装置，用于研究推进器性能，如压力增加效率与磁场强度、电极电压、电导率、通道流速、环境压力等相互关系。同时，进行了电极性能及材料，磁流体推进器与机械泵振动的对比试验及声学特性的研究等。目前的研究工作据说已进入秘密研究阶段，进展详情不知。

图5 美国磁流体推进QT概念设计

2、俄罗斯

俄罗斯在上世纪70年代，前苏联科学院高温物理研究所、卡尔波夫物理化学研究所等单位开展了QT磁流体推进的研究，研制出5.8特斯拉、φ150´800毫米的超导螺旋型磁流体推进器通道模型，进行了压力分布、电极压降、磁流体性能的分析和试验，并在此基础上，进行了7特斯拉、φ1000´2200毫米的超导螺旋型磁流体推进器（见图6）及其推进的QT概念设计计算；此外，还进行了电极的腐蚀机理及其试验研究。

图6 俄罗斯磁流体推进回路试验装置

3、日本

日本鉴于具有超导磁流体推进船模的理论和试验研究基础，具有大型超导磁体的制造能力。在1985年，日本成立了“超导电磁推进船的开发研究委员会”，决定建立超导电磁推进船，即超导磁流体推进试验船，并以实际海域航行试验为目的，从而开始了磁流体推进在船舶实用化的研究。研究的主要内容包括：磁流体推进器和船的结构型式及最佳配合，超导磁体的强磁场和轻量化及其可靠性，电极材料及其电化学性能，磁流体推进器及其动力，制冷和控制设备的合理布局，船舶的航行及操纵性能，等等。经过理论分析计算和模型试验，于1992年研制出“大和一号”试验船，如图7 所示。该船总长为30米，排水量为185 吨，设计航速为8节，采用直流内磁式推进器，并在海上进行自航试验。在试验中，进行了航速试验、操舵试验、回旋试验等，获得了相当的成功。它标志着世界上第一艘超导磁流体推进船的诞生。

图7 日本“大和一号”

其他的一些国家，如法国、英国、意大利和韩国等，也都曾经进行过磁流体推进技术的研究。加拿大在二十一世纪前二十年的先进技术发展规划中也将超导磁流体推进技术的研究列入其中。

三．　  我国磁流体推进技术的研究

我国于70年代开展了对磁流体推进技术的研究。七〇二所曾经研究过常规导体的磁流体推进技术，但由于常规导体产生的磁场强度较弱，回转体水下模型的外磁式磁流体推进自航试验结果表明，其推进效率极低。它是我国进行磁流体推进技术研究的开端。

作为国家研究发展项目，磁流体推进技术在1992年开始得到中科院的支持，列入中科院“八五”重点攻关项目，在电工所进行基础研究，成功地研制了永磁磁体的磁流体推进QT模型，并进行了演示试验。

在“九五”期间，中科院电工所在863 计划的支持下，进行了超导磁流体推进技术的研究，已建成了较为完整的超导磁流体船舶推进实验室，包括盐水循环试验系统，航行试验池以及计算机数据采集和处理系统、激光测速系统等；建立了一套磁流体船舶推进的数学分析方法和计算模型及相应的数据库。

1、超导磁流体推进器回路试验装置的研制

其目的是研究影响螺旋型通道推进器性能的各种损失因素以及各种性能参数之间的关系，验证螺旋型通道推进器性能预测和设计的理论分析方法，同时，建立螺旋型通道推进器设计和计算时与机械损失相关的数据库。

图8是超导磁流体推进试验装置布置图，它由循环海水试验主回路，辅助回路，超导磁体及低温系统、数据测量及计算机采集系统等组成。其中主回路包括可拆卸的螺旋型通道试验段、５T超导磁体、便于观察气泡的透明段、气体分离器、带变频调速的循环泵以及不锈钢的联接管件，辅助回路的目的是将主回路海水（盐水）泵入贮罐中 ，以便多次使用，并能清除主回路的沉淀物。 试验中各物理量通过传感器转换成模拟信号，进入计算机的数据采集系统，从而实现试验过程的数据实时显示、存盘和监控，大大方便了试验操作，提高了试验数据的准确性和精度，同时也使实验数据库的建立和后期分析变得可能。

图8 超导磁流体推进试验装置

2、螺旋式磁流体推进试验船－“HEMS-1”的研制

1998年成功地研制了世界上第一条超导螺旋式磁流体推进试验船－“HEMS-1”号( 图9)。该船长3.2米，宽0.85米, 型深0.95米，排水量约1吨；船上装备有5特斯拉超导磁体系统，螺旋式通道推进器，电池组和测控系统。模型船由一人操作，在盐水池中成功地进行了上百次的航行试验。试验表明该船具有无噪声，操作简便等特点。该项研究已获得中国科学院2000年度科技进步二等奖。

图9 超导磁流体螺旋型通道试验船

3、中日高场强磁流体推进器的试验研究

在超导磁流体推进器中，船舶的推力是由电磁力产生，为了获得大的推力和高的效率，就要求提供高的磁场。初步的理论分析表明，当磁场强度为10特斯拉以上，磁流体船舶推进将具有实用价值。在以往的研究中，更多的研究工作主要集中在直线通道鞍形磁体推进器的研究和试验。由于鞍形磁体结构复杂，加工工艺要求高，目前的水平很难制造出适用于磁流体船舶推进使用的场强高，尺寸大，重量轻的鞍形超导磁体。因此，试验研究的推进器几何尺寸和磁场强度均处于较低的水平，推进器的效率和推力很难达到实用。多年来，中科院电工所主要从事螺管磁体螺旋型通道推进器的研究，在理论分析和试验研究方面积累了丰富的经验。相对而言，高场强，大温孔的螺管磁体的制造更为现实。

经中国科学院电工研究所的提议，得到日本神户商船大学和日本国立材料科学研究所的响应，两国三方的科研人员于1999年8月——9月在日本筑波首次完成了14特斯拉高场强条件下的螺旋型通道磁流体船舶推进器的合作试验研究。试验结果表明，其性能指标较“HEMS－1”试验船及日本研制的“大和一号”试验船提高了一个数量级。这是世界上首次进行的高场强情况下的磁流体推进器的试验研究，中科院电工所承担了试验核心部件¾磁流体推进器的研制工作(图10)，研制和试验中解决了一系列重要技术问题，如机械强度、电强度和性能预测等。所获得的试验数据较以前的研究有很大的提高。图11和图12表示推进器效率和电磁力密度与“大和一号”的比较。可以看出，当电流密度为1000安培/平方米，推进器电效率为22%，比“大和一号”提高了近10倍，电磁力密度约为10000牛顿/平方米，比“大和一号”高出一个数量级。这次试验的成功，不仅获得了颇有价值的实验数据，而且显示了我国已具备进行大型船舶的磁流体推进系统概念设计的能力和必要的技术基础，也确立了我国在该领域的国际先进地位。

图10 中日合作推进器

图11 推进器电效率与电流密度　　　　  图12 电磁力密度与电流密度

四．　  结束语

超导磁流体推进技术是一项涉及电磁学、流体力学、电化学等多学科，并且综合性很强的高技术。该技术难度很大，需要解决的问题很多，有些问题已经解决，有些问题正在研究，但还有些问题有待未来高新技术，尤其是超导材料及磁体技术的解决。近几年来，磁流体推进技术在其他领域的应用研究也得到扩展，如微流体泵，人工心脏辅助装置，超音速飞机、海水流动控制以及油污海水的分离回收等技术的研究。可以预言，随着科学的发展、技术的进步、新材料和新工艺的出现，超导磁流体推进技术将在不远的将来得到更大的发展，并走向实用化。