磁流体推进器的推进性能影响因素分析

宋玛薇

摘要：文章首先简单介绍了磁流体推进技术的原理及特点，从螺旋型磁流体推进器设计的角度，分析了影响磁流体推进性能的因素，确定了磁体外径、磁体长度、通道数量、磁场强度与推进效率之间的相互制约关系，为螺旋型磁流体推进器的平台应用提供了设计思路。

关键词：磁流体推进;超导磁体;分析

中图分类号：U664.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）12-0009-03

1概述

磁流体推进技术是一种全新的航海平台推进方式，它几乎不需要任何机械传动部件，同时不会出现空化现象，因此在降噪、提速等方面都极具潜力。从推进原理到推进性能，磁流体推进全面颠覆了传统的螺旋桨与泵喷推进，其未来应用主要针对航海平台的静音、高速推进等。

2推进原理及技术特点

由于海水中存在大量盐类，可通过电解离子交换而具有导电性。若在磁场中给海水通电，洛伦兹力（电磁力F=JxB）将驱动海水沿垂直磁场和电流所构成平面的方向而运动，其反作用力作为推力即可推动航海平台运动（如图1所示），以上即为磁流体推进技术的基本原理。由此可见，决定磁流体推进系统性能的三要素包括：导电液体（海水）、电场、磁场。

磁流体推进的技术特点主要体现在：

（1）安静。磁流体推进系统不存在螺旋桨、轴系和减速齿轮箱等机械部件，消除了由这些转动机构引起的振动和噪声，其辐射噪声也比螺旋桨推进器小，使得航海平台几乎在安静的状态下航行，具有十分理想的噪声特性。

（2）操纵灵活。磁流体推进可控制推进器的输入电压或电流对航海平台进行操纵，通常通过调节电压（电流）的大小来控制推力及速度;通过改变电压的极性，即电流的方向，来操纵运行方向，响应快速，操作灵活。

3螺旋型磁流体推进器推进性能影响因素分析

综上，螺旋型磁流体推进器的推力FT主要取决于磁体长度L、磁体外径Ф、磁场强度B。

本文以水下平台最高航速为30节，推进功率30MW为算例，进行推进性能影响因素分析，推进器由对称型多螺旋型超导磁体组成，即通道数量为偶数。推进器参数设计主要考虑以下4个因素：通道数量N，磁体长度L，磁体外径Ф，磁场强度B。下面对这4个因素对推进效率的影响依次展开分析。

3.1磁体长度的影响

假定超导磁体磁场强度为15T，磁体外径为3m，通道数量为4个，若实现推进功率30MW、航速30节的指标，计算出磁体长度与推进效率的关系如图2所示。由计算结果得到，磁体长度与推进效率成反比。该结果显示，为保证推进效率最大化，推进器磁体长度越小越好。

3.2磁体外径的影响

假定超导磁体磁场强度为15T，磁体长度为5m，通道数量为4个，若实现推进功率30MW、航速30节的指标，计算出磁体外径与推进效率的关系如图3所示。由计算结果得到，磁体外径与推进效率成反比。

3.3通道数量的影响

假定超导磁体磁场强度为15T，磁体长度为5m。若固定磁体外径，则磁体数量是唯一的，因此限定磁体外径<3m，若实现推进功率30MW、航速30节的指标，得到磁体外径与磁体数量的关系如图4（a）所示，结果显示：磁体数量与磁体外径阶梯性成反比。

计算出推进器通道数量与推进效率的关系如图5（a）所示，结果显示：相同通道数量下，推进效率在区间内变化，这是因为磁体外径同时对推进效率和通道数量有影响;相同通道数量下存在一个最高推进效率，这些最高点对应的磁体外径即为图4（b）中每段阶梯对应的磁体外径最小值，且最高推进效率与通道数量成反比图5（b）。

3.4磁体外径、通道数量对最高推进效率的影响

为了削弱磁体外部空间发散磁场、加强磁体内部（即通道内）中心磁场，多螺旋型超导磁体通常采用偶数级的通道数量。因此设定超导磁体磁场强度为15T，磁体长度为5m，磁体外径变化范围为2-3m，计算得到的磁体外径、通道数量对推进效率的影响如图6所示。可初步判断磁体外径、通道数量对推进效率的影响规律为：磁体外径在一定变化区间内，磁体数量保持不变，但推进效率随外径增大而减小;随着磁体外径的继续增大，磁体数量在推进效率出现拐点时变小，在相同的磁体数量下，通道外径与推进效率成反比（图6（a）），最高推进效率与通道数量成反比（图6（b）），同時图6（b）虚线部分还显示，固定通道数量下最高推进效率对应的磁体外径，宏观上与推进效率成正比。该结果显示，为保证效率最大化，推进器设计应考虑尽可能少的通道数量，同时磁体外径并非越小越好。

3.5磁场强度的影响

假定电极长度5m、通道数量4个，限定磁体外径<3m的情况下，对磁场强度在15-25T的最高推进效率进行计算，得到的推进器最高推进效率如图7所示。由结果可知，最高推进效率与磁场强度成正比，即磁场强度越大，推进效率越高，当磁场强度为25T时，30节航速下最高推进效率可达39.3878%。

3.6小结

通过以上分析得到，影响推进效率的因素包括：磁场强度、磁体数量、磁体外径、磁体长度。其中，磁场强度、磁体外径与推进效率成正比，磁体数量、磁体长度与推进效率成反比。因此，在进行推进器设计过程中，为了实现推进效率最大化，磁场强度越大越好，通道数量越小越好，磁体长度越小越好，磁体外径需在一定区间内存在最优解。

4未来发展展望

限于强磁场超导磁体技术的发展现状，效率问题是磁流体推进技术应用的症结所在。但随着推进机理的深化、超导磁体技术的发展、新型电极材料的研制，并考虑用核能替代初级能源的方案，效率问题将不构成制约磁流体技术发展与应用的决定性因素。磁流体推进技术的应用将开启航海平台推进方式新的篇章。