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    美军想让核潜艇超级静音,研究为潜艇配磁流体推进器

    2024-04-11 09:41:21 来源:澎湃新闻

    美国海军想率先为核潜艇安装划时代的磁流体推进器,进一步扩大其在水下领域的优势。

    目前,美国海军“弗吉尼亚”级攻击核潜艇“蒙大拿”号正在康涅狄格州格罗顿的通用动力电船公司接受改装,该潜艇将会安装磁流体推进器。报道称,这种“史上最安静的推进系统”将让美国核潜艇的噪声水平降低到难以察觉的地步,“进一步扩大其在水下领域的优势”。

    美军想让核潜艇超级静音,研究为潜艇配磁流体推进器

    准备下水的美国“弗吉尼亚”级核潜艇,该潜艇目前采用泵喷推进器。

    划时代的推进技术

    船舶推进器是进行能量转化把主机产生的能量转化为船舶前进动力的重要装置,一直以来科学界都十分注重提高船舶推进器尤其是潜艇推进器的效能。现代船舶大部分采用螺旋桨推进器,随着科技的发展,一些新的推进方式也应运而生,其中就包括磁流体推进技术。

    磁流体推进技术就是将海水作为导电体(海水中存在大量盐类),通过在舰艇上贯通海水的通道内建立起磁场,对导电的海水产生电磁力,使海水在通道内向舰艇艉部高速流动,其反作用力推动舰艇运动。根据产生磁场的不同方式,可以把磁流体推进装置分为交流磁场方式和直流磁场方式,直流磁场方式采用的是直流磁体,交流磁场方式采用的是交流磁体。目前交流磁场推进方式的研究还处于原理性探讨和模拟试验阶段,更容易取得进展的是直流磁场推进方式。

    美国是最早开展电磁推进研究的国家,早在1961年,美国的赖斯就获得了电磁推进的专利。1968年,美国加州大学研制了世界上第一艘模型试验船FMS-1,并在圣芭芭拉城的试验水池中成功地进行了航行试验。试验结果表明:使用普通线圈产生磁场的磁通量太小,要形成足够的推力,线圈或磁铁的重量就很大。因此电磁推进的关键在于产生高磁场密度,而这种高磁场密度是无法从普通线圈获得的。

    此后在缩小磁流体动力系统体积,提高功率以达到实用化方面的研究一直进展缓慢。到了70年代,超导研究取得很大进展,高温超导材料的出现才给磁流体动力推进带来了新的发展前景。使用超导线圈作为磁流体动力推进装置的电磁线圈时,只要保持超导状态,线圈充电后,电流就在线圈中无损耗地循环流动,转化效率高,能够形成几乎是恒定的强磁场。从90年代开始美国加强了超导磁流体推进的研究工作,美军在这方面投入巨资,目的是将超导磁流体推进应用于潜艇。

    日本也很早就开始了关于超导磁流体推进技术的研究,并于1992年成功试验了世界上第一艘磁流体推进试验船“大和1号”,这艘船长30米、宽18米、满载排水量185吨,使用的磁流体推进器的磁场强度约4特斯拉,转换效率约为30%,航速为6.6节。后来有消息称,由于“大和1号”的推进效率和速度等方面不尽如人意,日本造船振兴财团又开始筹划研制“大和2号”,目标是20节航速,推进效率比“大和1号”提高5%-10%,使用液氮温度下工作的高温超导磁体。

    美军想让核潜艇超级静音,研究为潜艇配磁流体推进器

    采用磁流体推进器的日本“大和1”号试验船。

    静音潜艇的重要方向

    此次报道中提到的磁流体推进项目由美国国防高级研究计划局(DARPA)主导开发,直到2023年才首次对外披露。报道称,推进器的进水口安装在潜艇艇艏,类似于鱼雷发射管,但尺寸更大,与潜射弹道导弹的直径相当。如果“蒙大拿”号进行的相关试验取得成功,未来新建的“弗吉尼亚”级和未来的SSN(X)型攻击核潜艇都将采用这种装置。可以预见的是,如果该项目取得成功,那么对美国水下战力的提高将产生重大意义。

    相比于传统推进方式,磁流体推进装置优势十分明显。首先磁流体推进可极大地提高潜艇的安静性,而这也是研制超导磁流体推进装置的最主要的原因。潜艇的噪声来源主要有机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。由于取消了螺旋桨,螺旋桨噪声不复存在,没有了推进轴和减速齿轮,机械噪声将得到极大地降低,这将使潜艇的安静性技术出现革命性的突破。降低噪声,提高安静性不仅能显著降低敌被动声呐的作用,还可提高己方声呐的探测距离,增强舰艇的战斗力。同时取消螺旋桨不仅消除了螺旋桨噪声,还改善了潜艇的尾流,能降低敌尾流制导武器的作用距离。再加上由于不需要在耐压壳体上开孔安装螺旋桨轴,因此提高了耐压壳体的稳定性,有助提升潜艇的安全性。

    其次,磁流体推进让潜艇的布置有较大的灵活性。由于不再需要螺旋桨、桨轴与动力源、减速齿轮之间的刚性连接,推进系统的部件可以放在任意方便的位置,可以腾出更多宝贵空间来提高有效载荷,或在相同的有效载荷下,缩小潜艇的体积。

    另外磁流体推进有利于提高潜艇的机动性和生存能力。改变电极电源的极性,使水流方向改变,就可以获得相反的推力,无需克服推进器的惯性,就可使潜艇倒退航行。由于采用分割式环形结构,当某一部分受损,仍可使潜艇继续航行。紧急情况下,还可利用贮存在磁铁系统中的能量作应急推进动力源,使潜艇获得5-8节的航速。

    美军想让核潜艇超级静音,研究为潜艇配磁流体推进器

    “弗吉尼亚”级核潜艇是目前美国海军水下力量的核心。

    不过也应该看到的是,虽然美媒称磁流体推进器将使对手探测美国核潜艇的主要手段——被动声呐失效,“美国核潜艇将进一步扩大其在水下领域的优势”,但磁流体推进器要做到真正的实用化还是有不少关卡要过。

    一方面磁流体推进系统作为舰船整体的一部分,必须具有功率密度高、重量小、耐风浪、耐冲击、耐振动、耐用和极少需要维修的特点。同时这还要求磁流体推进器不但要具有可接受的推进效率,还要稳定可靠且不会产生较大的负面影响(如海洋环境污染)。

    另一方面,海水在被施加电场时将会在阴极发生电解产生氢气形成气泡,这是无法避免的,气泡的破裂和振荡会引起噪声,而气泡随海水从喷口喷出又会产生痕迹,影响到船舶的航行隐蔽性。噪声和航迹与气泡的数量及尺寸有关,研究表明,在电流密度不高的情况下,气泡的半径一般不会超过10微米,如果再考虑气泡在运动中的破碎,则其半径会小于10微米,并减少生成数量,这样小尺寸的气泡以及由气泡引起的噪声对船舶航行隐蔽性产生的负面影响几乎可以忽略不计。但随着电流密度的提高,气泡的危害性又会相应显现出来。所以,就提高船舶航行的隐蔽性而言,应采用较小的电流密度,但如此又会导致电磁力及推力下降,为了解决该问题,只能提高磁场,所以推进器最好采用高场超导磁体。

    随着高场超导磁体的应用,漏磁就会成为需要重点关注的又一问题。漏磁的危害性在于其不仅会影响船内仪表的正常工作,还会吸引海水中的铁磁物质,由此可能导致通道面积缩小,流动阻力增大,从而降低推进器的推力和效率。此外,漏磁在船体外散布,还容易被敌方探测设备发现,从而影响潜艇的航行隐蔽性。因此磁流体推进系统需要做好屏蔽工作,但屏蔽又会大大增加推进系统的重量,其中的矛盾需要做出合理的权衡。不管如何,美军在磁流体推进技术方面的进展还是值得跟踪研究的。

    (责任编辑傅鑫)
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