美軍想讓核潛艇超級靜音，研究為潛艇配磁流體推進器

美國海軍想率先為核潛艇安裝劃時代的磁流體推進器，進一步擴大其在水下領域的優勢。

目前，美國海軍「維珍尼亞」級攻擊核潛艇「蒙大拿」號正在康涅狄格州格羅頓的通用動力電船公司接受改裝，該潛艇將會安裝磁流體推進器。報導稱，這種「史上最安靜的推進系統」將讓美國核潛艇的噪聲水平降低到難以察覺的地步，「進一步擴大其在水下領域的優勢」。

劃時代的推進技術

船舶推進器是進行能量轉化把主機產生的能量轉化為船舶前進動力的重要裝置，一直以來科學界都十分注重提高船舶推進器尤其是潛艇推進器的效能。現代船舶大部分採用螺旋槳推進器，隨著科技的發展，一些新的推進方式也應運而生，其中就包括磁流體推進技術。

磁流體推進技術就是將海水作為導電體（海水中存在大量鹽類），通過在艦艇上貫通海水的通道內建立起磁場，對導電的海水產生電磁力，使海水在通道內向艦艇艉部高速流動，其反作用力推動艦艇運動。根據產生磁場的不同方式，可以把磁流體推進裝置分為交流磁場方式和直流磁場方式，直流磁場方式採用的是直流磁體，交流磁場方式採用的是交流磁體。目前交流磁場推進方式的研究還處於原理性探討和模擬試驗階段，更容易取得進展的是直流磁場推進方式。

美國是最早開展電磁推進研究的國家，早在1961年，美國的迪勤懷斯就獲得了電磁推進的專利。1968年，美國加州大學研製了世界上第一艘模型試驗船FMS-1，並在聖芭芭拉城的試驗水池中成功地進行了航行試驗。試驗結果表明：使用普通線圈產生磁場的磁通量太小，要形成足夠的推力，線圈或磁鐵的重量就很大。因此電磁推進的關鍵在於產生高磁場密度，而這種高磁場密度是無法從普通線圈獲得的。

此後在縮小磁流體動力系統體積，提高功率以達到實用化方面的研究一直進展緩慢。到了70年代，超導研究取得很大進展，高溫超導材料的出現才給磁流體動力推進帶來了新的發展前景。使用超導線圈作為磁流體動力推進裝置的電磁線圈時，只要保持超導狀態，線圈充電後，電流就在線圈中無損耗地循環流動，轉化效率高，能夠形成幾乎是恒定的強磁場。從90年代開始美國加強了超導磁流體推進的研究工作，美軍在這方面投入巨資，目的是將超導磁流體推進應用於潛艇。

日本也很早就開始了關於超導磁流體推進技術的研究，並於1992年成功試驗了世界上第一艘磁流體推進試驗船「大和1號」，這艘船長30米、寬18米、滿載排水量185噸，使用的磁流體推進器的磁場強度約4特斯拉，轉換效率約為30%，航速為6.6節。後來有消息稱，由於「大和1號」的推進效率和速度等方面不盡如人意，日本造船振興財團又開始籌劃研製「大和2號」，目標是20節航速，推進效率比「大和1號」提高5%-10%，使用液氮溫度下工作的高溫超導磁體。

靜音潛艇的重要方向

此次報導中提到的磁流體推進項目由美國國防高級研究計劃局（DARPA）主導開發，直到2023年才首次對外披露。報導稱，推進器的進水口安裝在潛艇艇艏，類似於魚雷發射管，但尺寸更大，與潛射彈道導彈的直徑相當。如果「蒙大拿」號進行的相關試驗取得成功，未來新建的「維珍尼亞」級和未來的SSN（X）型攻擊核潛艇都將採用這種裝置。可以預見的是，如果該項目取得成功，那麼對美國水下戰力的提高將產生重大意義。

相比於傳統推進方式，磁流體推進裝置優勢十分明顯。首先磁流體推進可極大地提高潛艇的安靜性，而這也是研製超導磁流體推進裝置的最主要的原因。潛艇的噪聲來源主要有機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲。由於取消了螺旋槳，螺旋槳噪聲不複存在，沒有了推進軸和減速齒輪，機械噪聲將得到極大地降低，這將使潛艇的安靜性技術出現革命性的突破。降低噪聲，提高安靜性不僅能顯著降低敵被動聲呐的作用，還可提高己方聲呐的探測距離，增強艦艇的戰鬥力。同時取消螺旋槳不僅消除了螺旋槳噪聲，還改善了潛艇的尾流，能降低敵尾流製導武器的作用距離。再加上由於不需要在耐壓殼體上開孔安裝螺旋槳軸，因此提高了耐壓殼體的穩定性，有助提升潛艇的安全性。

其次，磁流體推進讓潛艇的佈置有較大的靈活性。由於不再需要螺旋槳、槳軸與動力源、減速齒輪之間的剛性連接，推進系統的部件可以放在任意方便的位置，可以騰出更多寶貴空間來提高有效載荷，或在相同的有效載荷下，縮小潛艇的體積。

另外磁流體推進有利於提高潛艇的機動性和生存能力。改變電極電源的極性，使水流方向改變，就可以獲得相反的推力，無需克服推進器的慣性，就可使潛艇倒退航行。由於採用分割式環形結構，當某一部分受損，仍可使潛艇繼續航行。緊急情況下，還可利用貯存在磁鐵系統中的能量作應急推進動力源，使潛艇獲得5-8節的航速。

不過也應該看到的是，雖然美媒稱磁流體推進器將使對手探測美國核潛艇的主要手段——被動聲呐失效，「美國核潛艇將進一步擴大其在水下領域的優勢」，但磁流體推進器要做到真正的實用化還是有不少關卡要過。

一方面磁流體推進系統作為艦船整體的一部分，必須具有功率密度高、重量小、耐風浪、耐衝擊、耐振動、耐用和極少需要維修的特點。同時這還要求磁流體推進器不但要具有可接受的推進效率，還要穩定可靠且不會產生較大的負面影響（如海洋環境汙染）。

另一方面，海水在被施加電場時將會在陰極發生電解產生氫氣形成氣泡，這是無法避免的，氣泡的破裂和振盪會引起噪聲，而氣泡隨海水從噴口噴出又會產生痕跡，影響到船舶的航行隱蔽性。噪聲和航跡與氣泡的數量及尺寸有關，研究表明，在電流密度不高的情況下，氣泡的半徑一般不會超過10微米，如果再考慮氣泡在運動中的破碎，則其半徑會小於10微米，並減少生成數量，這樣小尺寸的氣泡以及由氣泡引起的噪聲對船舶航行隱蔽性產生的負面影響幾乎可以忽略不計。但隨著電流密度的提高，氣泡的危害性又會相應顯現出來。所以，就提高船舶航行的隱蔽性而言，應採用較小的電流密度，但如此又會導致電磁力及推力下降，為瞭解決該問題，只能提高磁場，所以推進器最好採用高場超導磁體。

隨著高場超導磁體的應用，漏磁就會成為需要重點關注的又一問題。漏磁的危害性在於其不僅會影響船內儀表的正常工作，還會吸引海水中的鐵磁物質，由此可能導致通道面積縮小，流動阻力增大，從而降低推進器的推力和效率。此外，漏磁在船體外散佈，還容易被敵方探測設備發現，從而影響潛艇的航行隱蔽性。因此磁流體推進系統需要做好屏蔽工作，但屏蔽又會大大增加推進系統的重量，其中的矛盾需要做出合理的權衡。不管如何，美軍在磁流體推進技術方面的進展還是值得跟蹤研究的。