水下航速为80节的战略核潜艇动力原理

水下航速为 节的战略核潜艇动力原理 哈尔滨工程大学物理钾 王赛 摘 要 作者首先珠述了美苏两国的战庵核潜艇的速度状态 , 然后提出一种大功率的超导电盛发动 机 , 可使战略核潜艇的水下航速达到 节 。 关键词 超导磁体 铜排 喷水器 引言 现代潜艇 中以战略核潜艇 的实力最雄 厚 , 除鱼雷以外 , 还有反舰导弹 、反潜导弹 , 都 是水中发射 , 反舰导弹从水中攻击水面舰船 而反潜导弹由水中发射后在空气中飞行 , 接 近 目标时再入水中实施攻击 , 由于弹头可以 装核燃料 , 就大大提高其威力 , 除了反舰导弹 之外在战略核潜艇上还设有远程导弹 。 美国的战略核潜艇俄亥俄级 , 水下航速 节 , 核发动机功率为 匹马力 , 下潜 深度为 米 , 水下排水量为 吨 , 水面 排水量为 吨 , 利用功率及水下航速的 两个指标可计算出该艇在水中前进时所受的 阻力为 吨 , 水下 航速 为 节 装 有 枚射 程为 。海里的 一 一 潜地导 弹 , 是分导 式 多 弹 头 弹道 导 弹 , 核 发 动 机 的 功 率 为 匹马力 , 可计算出该潜艇在水中航行 所受的阻力 又 一一 工 一一 ‘ 牛顿 阿尔法潜艇长为 米 、 宽 米 、 吃 水 米 , 核动 力发动机功率为 万匹马 力 , 水下航速为 节 , 则水下航行的阻力为 又 义 火一一 · 工 一一 又 。‘ 牛顿 该 艇 长 米 , 宽 米 、 吃 水 深 米 。 美国最新型的核潜艇为洛杉矶级 。 水中 的排水量为 。。吨 , 水中航速为 节 , 下潜 米 , 核发动机功率约为 匹马 力 。 可 计算出该艇在水中航行时所受的阻力为 ‘ 牛顿 水上排水量 吨 、象下排水量 。。 吨 。 维克托级潜艇 , 长为 一 米之间 , 宽 介于 一 米之间 , 吃水深为 一 米之间 , 核发动机的功率为 万匹马 力 , 水下航速为 一 节 。 可计算出潜艇在水 中航行的阻力 一一一一 又 一 。 义 又 一一一 工 一一 护 牛顿 下面再考查几艘前苏联的核潜艇 前苏 联 的 台风级 核潜 艇 排 水 量 。 牛顿 扬基级核潜艇 , 长度为 米 , 宽 米 吃水 米 , 水下排水量 吨 , 水 上排水量为 吨 , 水下航速为 节 。 核动 力发动机功率为 万匹马 力 在水下航行的 阻 力为 。, 牛顿 从上面的说明中可以看到 目前美苏的战 略核潜艇在水中的航行速度最大值尚未能大 于 。节 在水下航行时受到的阻力数量级在 一 牛屯之间 。 战略核 冬艇上以核发动机为主 , 配 合蒸 汽轮机 、燃气抡机 、 内燃机 、发电机 。推进系统 是螺旋桨 。 喷水式超导电磁发动机 假设有一个磁空间 , 如果把一个载流导 线引入到这个磁空间中 , 则载流导线会受到 电磁力的作用 。 把载流导线分成无数段微元 , 其中任一段微元用符号 表示 , 导线中的 电 流强度为 , 傲元 的方向与流经该微元的 电流流动方向一致 , 该微元所在处磁空间的 磁感应强度为 氏则该微元所受到的 电磁力 可表示成 整个载流导线在磁空间所受到的 电磁力 应是 各微元在 磁空间 中所受 电磁力 的矢量 和 如果以符号 代表整个载流导线在磁空 间所受的电磁力 , 则有关系式 、一坛一五元 当磁空间是均匀磁场且磁感应强度 的 方向处处与载流直导线相垂直时 , 可简化为 设想把一个矩形载 流线 圈 水平地 放在潜艇的中轴面上 , 其中的 边与潜艇的 中轴线垂直且位于接近 潜艇首部一侧 , 。 边 垂直于 中轴线且位于接近潜艇尾部一侧 , 要 使 边浸入在一个均匀的外滋场中 这个均 匀的外磁场的磁感应强度的方向是铅直的且 处处垂直于 边 , 只要适当调节 边 中电 流的流动方向 , 就可以使得 边在均匀外磁 场中所受的电磁 力指向潜艇的首部 。 为了增大电磁 力可把许多个形状完全相 同 的 矩形 载 流 线 圈重 叠 地 放 在 矩 形 线 圈 之上 , 注意每一线圈 中电流强度的值及 流动方向都是相同的 。 如果设线圈的匝数为 , 要求把 侧的几根直导线完全浸入到均 匀 的外磁场之中 , 则这些根载流直导线在均 匀外磁场中所受的电磁力为 设 。 边的长度 为 均匀 的外磁场可以通过超 导磁体来形 成 , 选用两块完全相同的超导磁体 , 分别位于 边的上下两侧 , 要求两块超导磁体的 极 极要相对地放置 , 这样就可以保证使 侧 的那些根载流导线完全浸入在均匀的外磁场 中 。 每 一 个 矩 形 线 圈 是 由 横 截 面 积 为 的铜排构成的 , 回路中允许 通过的电流强度为 安培 。 上面的说明仅仅描述 了问题的一个方 面 , 事实上除了 边侧的那些根载流直导线 在均匀外磁场中受到指向潜艇首部的电磁力 外 , 还存在 另外一种受力情形 , 边侧的载 流直导 线也会形成磁场 , 这个磁场会对两块 超导磁体发生作用 因为每块超导磁体都是 由一定数 目的载流螺线管组成的 , 形成指向 潜艇尾 部的 电磁力 , 出现 指向潜艇首部 , 尾 部的一对电磁力 。 由于这套设备是固定在潜 艇上 , 所以潜艇不会前进 , 为了解决这一问题 可在每块超导 磁体上联接 一个特制的蓄水 器 , 每当超导 磁体上 出现指 向潜艇尾部的 电 磁 力时就压缩蓄水器 向潜艇尾部高速喷射出 水流 , 被喷射 出的水流对超导磁体所受的 电 磁 力有抗衡的作用 , 这样就使得潜艇在整体 上 只受到一个 由 边侧的 那些 根载流导 线 所形成的指 向潜艇首部的 电滋力 。 如果矩形线圈 的 边长度为 米 边的长度为 米 均匀磁场的磁感应 强度 线圈中的 电流强度 一 , 线 圈 的 匝数 则 可 以计算出 边 侧 的 电磁 力为 二 牛顿 前面曾计炸出几艘核潜艇在水下航行时 受到的阻力值介于 ’ 牛顿之间 , 取这 个阻力值为 。,牛倾 核潜艇在水下航行的动力学方程为 一 式中 为潜艇的质量取为 吨 可计算出潜艇航行的加速度 为 米 秒之 经过佗 秒钟潜艇在水下的航速可达到 节 。 如果想让潜艇在水中以 节的速率前 进 , 可 以通过调节矩形 回路中的电流强度来 实现 , 只要适当减小电流强度使得 电磁力等 于潜艇在水下航行所受的阻力即可 牛顿 由于 、 、 不变 , 可计算出需要的电流 强度 一 。 如果想使潜艇减速或刹车可以通过 进一步减少矩形 回路 中的电流强度 或改 变均匀外磁场的方向 下面对均匀外磁场进行设计 , 均匀外磁 场的合磁感应强度 是通过两块超导 磁体来实现的 , 每块超导磁体的 极与 极 相对立并分开一定的距离 , 分开的距离应 以 容纳下 侧的那些载流导线为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 , 每一块 超导磁体应该具有形成 的能力 选用高临界磁场与高临界电流的超导材 料 。 将这种 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 制成半径为 毫米的 线 , 由于这种超导材料每平方毫米允许通过 安培的 电流 , 所以允许通过 安培 的电流 利用柱壳型框架将这种线绕制成螺 线管 , 要求螺线管的半径为 一 米 , 要求 螺线管包含的线圈匝数为 。 螺线管 中一个 单线圈在其园心处的磁感应强度为 二 义 一 又 所以在螺线管轴线上的磁感应强度为 幻 在加工成螺线管之前在线上要涂一层厚 度为 。 毫米的环氧聚脂为绝缘 。 整个螺线 管的长度为 又 又 又 米 前面曾提到要把 侧的那些根载流导 线完全浸入到均匀外磁扬中 , 由于 的长度 为 米 , 而螺线管的半径为 米 , 必须有 个螺线管排成一列就可实现这一 目的 实际上只能取 个螺线管 。 把这 个螺线 管并排加以 固定 , 然后投入到装有液氦的一 端开 口 的方盒内 , 方盒中的液氦与低温循环 系统相通 , 这样处理可以保证把螺线管的一 端浸入到液氮中形成超导工作环境 。 把两块 这样的超导磁体彼此平行地置于同一个铅直 面 内 , 铅直方向两者之间拉开的距离要求为 米 , 则在 米 米 米的范围内 磁感应强度为 , 方向处处相同 。 由于每一个矩形线圈都是 由横截面积为 的铜排构成的 , 设 是 沿水平方向而 是铅直方向的尺寸 , 注 意到矩形线圈的内口尺寸为 即 , 。 , 所以总的矩形铜排尺寸为 长 内口尺寸 , 另一边为 宽 · 高 又 铜排本身的体积为 父 又 又 丫 又 米 铜排的重量为 吨 当核潜艇在水下以 节的速度前进时 , 电磁力的功率为 一 , , 。 , 、 又 丫丫 二于兰答拼去笼井’ 一 ‘ 、 一 、 又 义 护 马力 其中用于克服核潜艇在水下航行所受阻 力的功率为 一一耐一一一 整个的螺线管是 由 个单线圈组成的 , , , “ , 、 , 又 二 怡去长舟关长于二二“ “ “ ‘ 一 ‘ ’ · 义 , 马力 下面讨论铜排 回路消耗的焦耳热功率 , 一个笼形铜排回路的电阻为 苏 中 为电阻 , 。 ”欧 · 米 为铜 自 电阻率 , 可取 为铜 排回路的 内 口 周 长 , 即 又 一 米 一 米之 所以一个矩形铜排回路的电阻为 一 ‘欧姆 一个矩形铜排回路上的焦耳热功率为 义 一 ‘ 瓦 个矩形铜排回路的焦耳热功率为 又 马力 前面曾说明为了得到使潜艇前进的电磁 动力 , 需要在超导磁体上联接一个特殊水箱 , 一旦在超导磁体上出现指 向潜艇尾部的电磁 力 , 水箱就 向潜艇尾部方向喷射出高速水流 , 借此 以抵消出现的指 向潜艇尾 部的 电磁力 , 单位时间从水箱喷出的水量可以利用冲量定 理加 以计算 , 这个喷水量取决于作用 于水箱 上的 电磁 力的大小及作用 时间的 长短 , 另外 与喷水的速度也有关 , 每秒钟喷水量的数量 级为几十吨 。 为了提高超导磁体工 作 的稳定性 , 必须 采用 敷铜 技术 , 原来在超导材料 中会存在一 定的点阵缺陷 、 位错 , 它们构成磁通线的钉扎 体 出现大 量的磁通线被钉扎体钉扎的现象 , 造成 磁通跳跃 , 在超导 体 内的局部 区域 出现 大量的热 , 导致局部的超导态被破坏 , 如果不 把这 部分热量迅速传走可能 出现整个的超导 体都转入到常态的可能性 如果采用敷铜技 术 就可以 防止这种现 象的 出现 , 铜在极低温 条件下的 电阻率远远小 于超 导材料的 电阻 率 , 而铜的导热率却高于超导材料的导热率 , 所以如果在超导材料的表面镀上一层敷铜 , 就可以将 由磁通跳跃造成 的热以极快的速度 传走 另外由于铜的 电阻率比较小 , 超导体的 局部虽然超导态被破坏 了 , 但电流可以分流 到铜层 内 , 即可 以形成旁 路电流在 电阻很 小 的铜层中流过 , 可以 减轻发热现象 由于磁通 跳跃能够形成涡电流 , 当 涡电流通过电阻很 小的铜层时可以防止磁通雪崩运动的蔓延 。 结语 喷水式超导 电磁发动机是一种新颖 、 大 功 率而又实用的发动机 , 它要求的几项主要 指 标都是可实现 的 , 例如用超导磁体形成 磁 感应强度为 的磁场是没有问题的 , 世界 上 目前通过超导磁体可以形成 的磁场 利用铜排或铝排构成 层矩形 回路 , 每一 层的电流强度为 安培在技术上是不存 在 问题的 , 所以这种发动机是现实可行的 , 目 前美苏的战略核潜艇上使用的核发动机 , 核 裂变形成的原子 能不是直接转变成机械 能 , 中间要经过热能的转换环节 , 转换的效率 比 较低 , 目前用在核潜艇或重型航空母舰上 的 核发动机的功率为 万匹马力 , 本发动机中 巨大的 电磁能可直接转换成潜艇前进的机械 能 , 功率可达到四百万匹马力 , 比现有的核发 动机功率提高一个数量级 参考文献 、 伯克利 物理学 高等教育出版社 、 王 赛 高 亚 音 速航 空 母 舰 原理 船 电 技 术 、 王 赛 音速海空舰艇 船 电技术