Direct channel MHD propulsion
磁流體推進(jìn)器的基本原理是被推動的流體受到方向相互垂直的電場和磁場作用時，受到洛倫茲力作用,流體對推進(jìn)器產(chǎn)生反作用力，當(dāng)然被推動的流體必須是導(dǎo)電的。
由于流體必須是導(dǎo)電的，在自然界只有海水是導(dǎo)電的，但海水的導(dǎo)電率不高，要得到較大的推動力，不但需要大電流，還需要強(qiáng)大的磁場。根據(jù)一些理論計(jì)算，所需磁通密度要高于5T（特斯拉）才有實(shí)際應(yīng)用價值，普通電磁鐵在1.5T左右就會飽和，只有采用超導(dǎo)磁體才可能產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場。
超導(dǎo)磁體就是一個超導(dǎo)線圈，超導(dǎo)線圈沒有鐵芯，就是一空心線圈，但導(dǎo)線必須是超導(dǎo)體。理想的超導(dǎo)體電阻為0，線圈可以流通超大的電流，產(chǎn)生超強(qiáng)磁場，而且超導(dǎo)線圈內(nèi)的電流建立后，短路線圈端頭，切斷電源，線圈內(nèi)仍然保留著電流，理論上該電流將無限制的循環(huán)下去，所產(chǎn)生的磁場也是永恒的。
本課件介紹直管超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器。其原理結(jié)構(gòu)類似于傳導(dǎo)式電磁泵，只不過這里驅(qū)動的是海水。
直管馬鞍型超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器圖1是直管馬鞍形超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器基本部件，海水的通道是一根直管，由上下兩個馬鞍形線圈在管道內(nèi)建立超強(qiáng)磁場。
圖1-直管超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器的導(dǎo)管與超導(dǎo)線圈
在管道兩側(cè)面壁有電極板，電極板通過母線連接外電源，見圖2。
圖2-直管超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器的基本結(jié)構(gòu)
圖3是直管超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器中部的垂直截面圖，在該圖中顯示了線圈磁場與電極的方位布局。
圖3-直管超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器的磁場走向圖
由于超導(dǎo)線圈必須工作在接近絕對零度（0K）,線圈通過浸泡在液氮等液體中來得到超低溫，在超導(dǎo)線圈外圍包著外罩，外罩密封并要有一定的強(qiáng)度，更重要的是要有很好的隔熱能力，同樣海水導(dǎo)管也要有很好的隔熱能力，在外罩與導(dǎo)管之間抽真空，充液氮保證超低溫。在外罩中還有一層磁屏蔽層，減少磁場的外泄。
后面將用一個動畫來演示直管超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器的工作狀態(tài)，圖4是一張動畫的截圖，圖中馬鞍形線圈以半透明顯示，顯出其中電流的箭頭，兩極板間運(yùn)動的黃色小球代表海水中的電流，管道內(nèi)藍(lán)色箭頭代表流動的海水。
圖4-直管超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器動畫截圖
下面是直管超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器的動畫。
直管超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器動畫
最早的磁流體推進(jìn)裝置是由美國科技人員在1961年提出并研究，制造多種模型進(jìn)行了各種試驗(yàn)。較正式的船只是日本在1991年秋建成的“大和1號”試驗(yàn)船，下面收集了網(wǎng)絡(luò)上的相關(guān)照片，對其進(jìn)行簡單說明。圖5是該船使用的超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器的外觀，左面是海水進(jìn)口，右面是海水的出口。
圖5-超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器外觀
圖6是超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器的前端，每一個超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器包含有6個直管超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器。
圖6-有6個直管的超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器
圖7是“大和1號”試驗(yàn)船的外觀圖，船配有2臺超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器，分裝在船的兩側(cè)下方。
圖7-“大和1號”試驗(yàn)船的外觀圖
“大和1號”試驗(yàn)船長約30米，總噸位280噸，推進(jìn)器直管中磁通密度為4T，電流約2000A，由兩臺柴油發(fā)電機(jī)供電，航速8節(jié)。由于海水加熱，電解等引起能量損耗，大和1號的總效率較低，約4%。
直管環(huán)面超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器直管環(huán)面超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器的磁體線圈是跑道形狀的超導(dǎo)線圈，將數(shù)個超導(dǎo)線圈沿圓周環(huán)面均勻布置，在本模型中有6個線圈，圖8左是按圓周布置的6個跑道形超導(dǎo)線圈，圖8右是6個跑道形超導(dǎo)線圈的軸視圖。
圖8-直管環(huán)面超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器的線圈
6個線圈是安裝在艦艇體外圓周表面，見圖9，圖中截取了艦艇體的一段，在線圈構(gòu)成的圓環(huán)內(nèi)側(cè)，也就是艦艇體表面安裝內(nèi)層電極板。在在線圈構(gòu)成的圓環(huán)外側(cè)是推進(jìn)器的包容罩，包容罩是海水的通道，也是各種管線安裝的通道，在包容罩內(nèi)側(cè)表面安裝有外層電極板。超導(dǎo)線圈安裝在線圈罩內(nèi)，線圈罩內(nèi)充液態(tài)氮，保證線圈處在超低溫狀態(tài)，線圈罩也是固定推進(jìn)器包容罩的支架。為顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖中隱去了2個超導(dǎo)線圈罩，剖去了推進(jìn)器包容罩一部分。
圖9-直管環(huán)面超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)
當(dāng)超導(dǎo)線圈啟動運(yùn)行超導(dǎo)電流后，在6個線圈產(chǎn)生環(huán)形磁場，見圖10。為看清磁力線、電流、水流的走向，圖中隱蔽了外電極的3塊電極板，圖中淺藍(lán)色環(huán)形線就是磁力線的走向；內(nèi)層電極板接電源正極，外層電極板接電源負(fù)極，用紅色箭頭線表示電流；在洛倫茲力作用下，海水流動，流動方向如綠色箭頭線所示，符合左手定律。
圖10-直管環(huán)面超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器的水流走向
圖11是裝有直管環(huán)面超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器的潛艇示意圖，超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器推動海水向后流動，推動潛艇向前運(yùn)動。
圖11-超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器潛艇
目前多國在進(jìn)行磁流體推進(jìn)器在船艦中的應(yīng)用試驗(yàn)，但還未進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。
結(jié)語磁流體推進(jìn)器有許多優(yōu)點(diǎn)：由于取消了螺旋槳或噴水推進(jìn)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械，大大降低了振動與噪聲，特別適用于潛艇推進(jìn)；根據(jù)需要推進(jìn)器可安裝在艦艇的任何位置；只需改變推進(jìn)器內(nèi)電場方向即可改變推動方向，提高了艦船的靈活性。
但磁流體推進(jìn)器的發(fā)展還面臨一些問題： 由于海水中導(dǎo)電離子是少數(shù)，電阻較高，海水與通電電極發(fā)生電解反應(yīng)產(chǎn)生氣泡和電極腐蝕，氣泡會增大海水電阻，特別是極板上的蒸汽層，大電流通過海水產(chǎn)生熱量很大，損失很大的能量。提高海水電導(dǎo)率可以有效降低電阻，從而提高效率，在海水中添加溶液增加海水電導(dǎo)率，例如加入硫酸，但會增加許多成本。
提高磁流體推進(jìn)器的效率的主要辦法是提高磁場強(qiáng)度，例如“大和1號”試驗(yàn)船若把磁通密度提高到8T，總效率可達(dá)30%，航速提可提高到16節(jié)。英國研究者認(rèn)為要使磁流體推進(jìn)器效率達(dá)到螺旋槳推進(jìn)器效率，需要高達(dá)20～30T 的強(qiáng)磁場，因此，開發(fā)強(qiáng)磁磁體是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前大家期望高溫超導(dǎo)技術(shù)迅速進(jìn)步，解決強(qiáng)磁體的問題。
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