船艦的電磁推進系統
LUZE
現代的船艦推進是以螺旋槳或水噴射達成的,而所謂的水噴射其實也差不多是再螺旋槳外加一個套筒,以減低噪音並增加些許推力。在軍事上,這種推進方法越來越無法滿足時代需要,因此有人想到以電磁推進方式來取代螺旋槳,如果有一天電磁推進能實用化,他與螺旋槳的關係將如同飛機上噴射發動機與螺旋槳發動機的關係。因為,與螺旋槳推進相比,他具有幾大優勢: • 首先是速度方面:軍艦的速度越快、戰略機動能力越高,且較易閃避魚雷,但螺旋槳的推力已經幾乎發展到極限,船艦或潛艦的最大速度大多限制在30節左右,一如螺旋槳飛機無法破音障一樣。但根據預估,使用電磁推進裝置的船艦最大航速將可超過100節。 • 噪音方面:螺旋槳推進系統仰賴機械傳動,船體內部的機械會產生噪音,螺旋槳旋轉也會產生噪音。對於前者,先進軍艦會將主機與船體以柔性方式連接以吸收震動能量進而降低噪音;關於後者可藉由螺旋槳的形狀來降低噪音。但機械就是機械,噪音還是會有。而電磁推進使用電磁方法,整個推進系統理論上完全不產生噪音、完全不產生振動,對於軍艦的匿蹤有莫大的幫助。 • 結構配置方面:機械推進裝置需要靠軸承、齒輪等來傳遞功,而電磁推進系統主要靠導線傳遞功,因此在配置上,後者比前者更具彈性,因為整個推進系統可以不必侷限於某個空間,講得極端些,即使整個系統拆散分裝在船體各處,只要以導線相連,一樣可以作用,因而再船艦內部的結構、武器配置上,較為方便。 • 潛艦的控制方面:可以藉由多個推進系統的推力改變來控制方向,減低舵的負擔,實際操作中,潛艦的舵是影響潛艦安全的重大因素,舵一旦失效,潛艦就有永不見天日的可能。 以下介紹電磁推進系統的原理,以及直線型、螺旋型電磁推進系統,還有很可能是最早實用化的〝六管螺旋型電磁推進系統〞: 一•電磁推進原理 電磁推進,就是給海水通電並加以磁場,則對海水產生了電磁力F=IL x B如圖一,然後海水就會給船反作用力。 海水是很好的導電體,因此在海水中的正負電極間會產生電流,在用推進系統的超導線圈通電後形成的電磁鐵製造磁場,就是構成電磁推進的基本要素。 二•電磁推進系統的幾大要素 包括電極(產生電流)、超導線圈(產生磁場)、通道(海水流經的通道)。其中超導線圈還要有冷卻系統。 三•分類 電磁推進原理就這麼一丁點,但卻有相當多種形式,光從通道來分類,就分為外通道式(通道在船體外面,與外界海水相通)與內通道式(海水流經船體內部)。目前有發展電磁推進的國家多發展內通道式。 內通道式又根據通道的形狀而分為直線型(通道為直線)、環型(通道為圓環)、螺旋型(通道為螺旋型)。直線型是最典型的例子,也最容易說明電磁推進;環型的可討在潛艦外面,作為輔助推進;螺旋型是可能最早實用的裝置,原因專段介紹。中國大陸、日本研發的電磁推進就是螺旋式的。 因此以下就介紹最容易了解的,以及最可能實用的兩種。 〈1〉 線型推進器(參考圖二):圖二是線型推進器的俯視圖,海水由左邊進入,上下各為正負電極(實際上就是左右兩側),通電後,就會產生向下的電流,同時,通道外的超導線圈也產生射進示意圖磁場,由F=IL x B可得海水得到向右的推力,海水沿著直線推進器加速後噴出,與流進的海水有動量變化(海水視為不可壓縮,故質量不變,只變速度),故由F=d(mv)/dt得噴出海水受之力,此即海水給予船艦的反作用力。 〈2〉 螺旋型推進器(參考圖三):圖三是螺旋推進器示意圖,海水由左流進。推進系統前端有一個轉向通道使海水平順的進入螺旋軌道,螺旋軌道的外筒與軸各為正負極,筒外纏繞超導線圈(即磁場為軸向),螺旋部分之材料必需為低導磁性材料以使磁力能貫穿整個通道。推進器後面又是一個轉向通道,讓水流延軸向噴出。 在圖中,通電時,電流由外筒流向軸,磁場向右,故任何位置海水受一〝切線方向的力〞(切於外筒之同軸圓筒),此力沿著螺旋通道的分力就是讓海水流動的力,若螺紋很平緩,則海水受力接近電磁力。海水延著螺旋管加速,最後噴出,與流進的海水有動量差,故由F=d(mv)/dt得推進器之總推力。 從這裡很容易看出為何螺旋型較可能實用,因為當推進器長度、電流、磁場、進水口徑、航速相同的情況下,螺旋型對海水造成的動量變化大於直線型,又因為航速相同,故相同時間處理的水量相同,故速度變化大的推力就大。因此螺旋型系統的發展前景較大,他可以以相同大 小取得比直線型大的推力,或是以較小的體積、長度取得相當的推力。 關於螺旋型推進器,必須特別介紹〝六管螺旋型推進器〞,日本的大和號試驗船與中國大陸在863計畫期間發展的電磁推進器都是這種六管式的。圖四是六管式推進器示意圖,他是將六個螺旋型推進器在一個圓周上對稱分布,相鄰的螺旋管之磁性兩兩相反,這樣相鄰線圈的磁場就有彼此增強的現象(磁力線由N進入S),因為磁性不同,因此為了維持推力方向相同,就必須讓不同雌性的螺旋管螺紋不同,或是電極不同。 使用六管螺旋式有以下好處: • 相較於單個螺旋管,六管複合,可以同大小的螺旋管得到較大推力,或以較小螺旋管組合以得到相當的推力。 • 藉由調節不同螺旋推進器之推力差,可達到控制船體姿態的效果,特別是在潛艦上,這特別重要,因為這提供了更有效且更安全的操控方式。 四•現況與瓶頸 電磁推進系統需要電流與磁場,為了要大磁場,需要超導線圈,而超導導線又需要冷卻,這些都要消耗許多電力,因此這類系統應該是以核動力船艦為優先考量。日本的大和號試驗船航速不到10節,雖然航速不高,但證實電磁進構想是可行的。此外,他不是核動力,因此功率本身就不足。當使用核動力以及高溫超導體,以及更有效的冷卻系統後,電磁推進才有實用之可能。
若能實用化,電磁推進在船艦的地位,一如噴射發動機在飛機的地位
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