高溫超導(dǎo)磁體在掃雷裝備中的應(yīng)用探討

周友援

（1. 中國船舶集團有限公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003；2. 清江創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430076）

0 引言

電磁掃雷具靠通電電流在磁引信水雷所處空間產(chǎn)生一個近似艦船的磁場而引爆水雷，目前的電磁掃雷具主要有螺線管式和電極式2 種形式，為了保證作業(yè)時自身的安全，電磁掃雷具產(chǎn)生的磁場需要在足夠遠(yuǎn)的距離誘爆水雷，因此需要產(chǎn)生強大的磁場，導(dǎo)致電磁掃雷具普遍“笨重”，對電源和搭載平臺依賴度高。隨著無人艇、無人機等輕型可運載平臺在反水雷作戰(zhàn)中的運用，對掃雷裝備輕小型化的需求日益迫切[1-2]，傳統(tǒng)電磁掃雷具面臨著新的挑戰(zhàn)。超導(dǎo)線圈在低溫下具有零電阻、高密度載流能力和完全抗磁性等電磁特性，用超導(dǎo)線繞制成的超導(dǎo)磁體具有功耗低、體積小、重量輕、磁場強、無剩磁等特點[3]，將其應(yīng)用于電磁掃雷具中，可望成為解決掃雷裝備輕小型化的有效技術(shù)途徑之一。同時，由于高溫超導(dǎo)磁體的運行費用低、磁體的穩(wěn)定性高和低溫系統(tǒng)簡單易操作，高溫超導(dǎo)磁體的應(yīng)用得到較快發(fā)展，為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)提供了有力的技術(shù)支撐。

1 高溫超導(dǎo)磁體的特點

1.1 運行成本低

低溫超導(dǎo)材料由于臨界轉(zhuǎn)變溫度低，必須在液氦溫度下工作，需配置復(fù)雜的液氦冷卻系統(tǒng)并不定期補充液氦，運轉(zhuǎn)費用昂貴，由于低溫超導(dǎo)受運行成本高、保障條件繁雜等諸多因素制約，其應(yīng)用推廣受到影響。相對低溫超導(dǎo)材料而言，高溫超導(dǎo)材料由于臨界轉(zhuǎn)變溫度高，能在液氮溫度下工作，液氮是一種制備簡單、價格低廉的冷卻介質(zhì)[4-5]。用高溫超導(dǎo)材料繞制成的磁體系統(tǒng)擺脫了昂貴的液氦，不需要液氦回收裝置，結(jié)構(gòu)輕小、緊湊；對低溫環(huán)境的要求降低，使低溫容器設(shè)計制造變得簡單容易，成本大大降低；超導(dǎo)磁體閉環(huán)運行后幾乎不消耗電功率，為維持超導(dǎo)磁體所需的低溫環(huán)境而配置的小型制冷機功率為百瓦級，節(jié)約了運行成本。

1.2 工作穩(wěn)定性好

螺旋管式掃雷磁體為產(chǎn)生掃雷所需的交變磁場，通常通以交變的電流，由此會帶來交變損耗。傳導(dǎo)冷卻的低溫超導(dǎo)磁體，在低溫狀態(tài)下較小的熱量傳入會導(dǎo)致不可接受的熱積聚和失超，交流穩(wěn)態(tài)工作極其困難，為產(chǎn)生掃雷所需的交變磁場，磁體通常需要設(shè)置旋轉(zhuǎn)裝置。高溫超導(dǎo)磁體在交流諧波和電流急速上升或下降的情況下，因多數(shù)材料在較高溫度下熱導(dǎo)率和比熱容增加，可以容納更多的熱負(fù)荷，高溫超導(dǎo)磁體因此可工作于交變電流狀態(tài)，且系統(tǒng)簡潔、操控簡便。超導(dǎo)磁體的穩(wěn)定運行取決于低溫條件，高溫超導(dǎo)磁體的工作溫度高且低溫冷卻液體的消耗小，使磁體長期穩(wěn)定運行得以實現(xiàn)。

1.3 搭載平臺靈活

相比常規(guī)螺線管式掃雷磁體，超導(dǎo)磁體在重量、體積方面具有明顯優(yōu)勢，可方便地搭載于不同作戰(zhàn)平臺使用。當(dāng)磁體磁矩大小為6×105A·m2時，常規(guī)磁體重量4.8 t、體積Φ450 mm×12 m，超導(dǎo)磁體重量460 kg、體積Φ1 200 mm×1 800 mm[6]，其重量約為常規(guī)磁體的1/10。當(dāng)磁體磁矩大小為1.27×106A· m2時，常規(guī)磁體重量12 t、體積Φ670 mm×12 m，超導(dǎo)磁體重量800 kg、體積Φ900 mm×1 800 mm，其重量約為常規(guī)磁體的1/15。超導(dǎo)磁體不需要大功率專用電源，對平臺依賴度低，搭載于不同的作戰(zhàn)平臺使用，空間布置靈活。搭載平臺可根據(jù)作戰(zhàn)需求在掃雷、探雷、滅雷等不同作戰(zhàn)模式進行靈活換裝。高溫超導(dǎo)磁掃雷具可裝載于無人艇中，或由無人艇拖曳執(zhí)行掃雷任務(wù)，實現(xiàn)無人化掃雷作業(yè)，極大地保障人員安全。高溫超導(dǎo)磁掃雷具可由直升機拖曳執(zhí)行掃雷作業(yè)，具有反應(yīng)時間快、掃除面積大和安全性好的優(yōu)點，提升應(yīng)對突發(fā)危機的快速反應(yīng)能力。高溫超導(dǎo)磁掃雷具可裝載于民船或由民船拖曳執(zhí)行應(yīng)急掃雷任務(wù)，由于不需要專用發(fā)電機組，對民船要求低，通過簡易改裝即可彌補反水雷兵力的不足。

1.4 剩余磁場小

鐵芯是常規(guī)螺線管式電磁掃雷具的重要組成部分，當(dāng)結(jié)束掃雷工作或掃雷機組在作業(yè)中發(fā)生故障時，磁體中留有相當(dāng)強度的剩磁，這對掃雷平臺自身的安全和鄰船的磁羅經(jīng)有很大危害，而超導(dǎo)磁體掃雷具由于沒有鐵芯和完全抗磁性，當(dāng)掃雷結(jié)束電流釋放完后幾乎沒有剩磁。

2 國外超導(dǎo)掃雷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

超導(dǎo)磁體用于掃雷時具有其獨特的技術(shù)優(yōu)勢，能大幅提高掃雷效率，增強自身安全性，因此世界上多個國家研制裝備了超導(dǎo)磁掃雷系統(tǒng)。

具有出色掃雷能力的前蘇聯(lián)早在20 世紀(jì)70 年代就開展了低溫超導(dǎo)掃雷技術(shù)研究，并就超導(dǎo)磁體掃雷裝置樣機進行充分的海試，完成拖體穩(wěn)態(tài)測試、測磁、拖體補氦、磁體閉環(huán)、艦艇拖曳和直升機拖曳等多項試驗，隨后研制了一型帶旋轉(zhuǎn)超導(dǎo)磁體的遙控掃雷樣機，低溫容器可在電機驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，在波羅的海進行了旋轉(zhuǎn)超導(dǎo)磁體磁場測試，由置于海底的磁傳感器記錄磁場的3 個分量。記錄的旋轉(zhuǎn)超導(dǎo)磁體掃雷樣機的磁場通過特性如圖1 所示，圖的上部所示為樣機僅向前航行時的磁場通過特性，下部所示為向前航行與旋轉(zhuǎn)相結(jié)合時的磁場通過特性，該圖表明后者模擬艦船磁場的異符號特性比前者好，而且掃寬更大。

圖1 旋轉(zhuǎn)超導(dǎo)磁體掃雷樣機的磁通過特性Fig. 1 Passing characteristics of revolving LTS prototype for minesweeping

1984 年，前蘇聯(lián)第1 個船載超導(dǎo)掃雷具在黑海通過試驗考核，并被收入前蘇聯(lián)海軍武器庫。超導(dǎo)磁體被裝載于一型磁–聲自航遙控掃雷艇，如圖2 和圖3 所示。

圖2 前蘇聯(lián)超導(dǎo)磁–聲自航遙控掃雷艇Fig. 2 Remote-control LTS and acoustics generator of Former Soviet Union

圖3 前蘇聯(lián)超導(dǎo)磁–聲自航遙控掃雷艇結(jié)構(gòu)布置圖Fig. 3 Layout of remote-control LTS and acoustics minesweeper of Former Soviet Union

超導(dǎo)磁–聲自航遙控掃雷艇主要技術(shù)指標(biāo)：排水量16.1 t，艇長14.15 m，發(fā)動機735 kW，航速10～32 kn，續(xù)航力130 n mile。

美國海軍于80 年代開展了超導(dǎo)掃雷具的研究。1995 年，美國海軍研制了一個中心磁場為3.4 T的超導(dǎo)掃雷磁體，磁體線圈由NbTi 低溫超導(dǎo)線繞制，采用閉式低溫冷卻方式，磁體溫度冷卻到4.0 K，能抗100g 加速度。1997 年進行了演示驗證試驗，圖4 所示為該超導(dǎo)磁體超導(dǎo)掃雷磁體樣機。

隨著高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，美國緊接著開啟高溫超導(dǎo)磁體掃雷技術(shù)研究，1999 年美國超導(dǎo)公司為航空掃雷局研制了高溫超導(dǎo)掃雷磁體[7-8]，磁體樣機如圖5 所示，超導(dǎo)掃雷磁體考核試驗表明高溫超導(dǎo)磁體已達(dá)到成熟階段，于2000 年完成測試并交付美國海軍研究所。

圖5 美國高溫超導(dǎo)掃雷磁體Fig. 5 U.S. HTS minesweeping prototype

據(jù)報道，美國海軍開發(fā)的模塊化掃雷系統(tǒng)“輕型非接觸掃雷系統(tǒng)”（ALISS），包括磁子系統(tǒng)和聲子系統(tǒng)，其中的磁子系統(tǒng)所采用的正是高溫超導(dǎo)磁體[9]。該系統(tǒng)重量輕、輸出場強大、拉力小、速度快，能由氣墊登陸艇、MHC-51 反水雷艇或SH-60直升機等平臺搭載，磁體直徑560 mm，長1.5 m，于2003 年左右投入使用，用于淺水水域的感應(yīng)式掃雷。

2006 年澳大利亞國防科學(xué)技術(shù)組織開展高溫超導(dǎo)掃雷技術(shù)研究，隨后進行了高溫超導(dǎo)磁掃雷系統(tǒng)的演示試驗。澳大利亞是領(lǐng)先的掃雷設(shè)備出口國，宣稱該技術(shù)代表磁掃雷技術(shù)的前沿，新技術(shù)的應(yīng)用是對現(xiàn)有系統(tǒng)的補充，彌補了現(xiàn)有掃雷具的不足，使相關(guān)設(shè)備更小、更輕，可以由飛機運輸，便于掃雷具在任意海域展開部署，幾乎能由任意平臺拖曳。

日本住友電氣工業(yè)公司也開展了超導(dǎo)磁體掃雷技術(shù)的研究，并申請了專利昭58—76395“超導(dǎo)磁性掃雷裝置”。

3 高溫超導(dǎo)掃雷磁體系統(tǒng)方案設(shè)想

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

高溫超導(dǎo)掃雷磁體系統(tǒng)由磁體線圈、低溫容器、制冷機、磁體電源、磁控制器等組成，磁體線圈和低溫容器構(gòu)成超導(dǎo)磁體。

高溫超導(dǎo)磁體用于掃雷時，利用的是超導(dǎo)磁體線圈所產(chǎn)生的遠(yuǎn)場，對線圈內(nèi)部磁場無特殊要求，超導(dǎo)磁體宜采用標(biāo)準(zhǔn)的螺線管線圈結(jié)構(gòu)形式，磁體本身的幾何形狀根據(jù)安裝平臺或使用場景可選擇長柱形或圓餅形。超導(dǎo)線圈的制作是將絕緣高溫超導(dǎo)線材繞制在線圈骨架上，線圈骨架采用由低溫非金屬結(jié)構(gòu)材料制成的芯軸管。超導(dǎo)材料主要有釔鋇銅氧（YBCO）和鉍鍶鈣銅氧（BSCCO）2 種，超導(dǎo)線圈宜選用適合制造線材的鉍鍶鈣銅氧。為增大工作電流，可用多根高溫超導(dǎo)線材繞制。繞制好的超導(dǎo)線圈在真空環(huán)境中，采用環(huán)氧樹脂填充，使線圈的結(jié)構(gòu)緊湊且具有良好的機械強度性能和絕緣性。線圈內(nèi)部提供連通開關(guān)，斷開外部勵磁電源時，磁導(dǎo)線圈能在閉環(huán)狀態(tài)下長期無損耗運行。

低溫容器與制冷機總成主要包含低溫容器、制冷機、真空貫穿線（用于電氣接口）等。低溫容器采用不銹鋼無磁材料作為主要材質(zhì)，選用單層不銹鋼加多層絕熱圍護結(jié)構(gòu)，用于連接線圈骨架與殼體的支撐座、電流引線圍護結(jié)構(gòu)采用多層絕熱材料包裹。在整個結(jié)構(gòu)的設(shè)計和總裝過程中，需要良好的漏熱保護及熱傳導(dǎo)設(shè)計，以保證制冷機足以冷卻所有組件，使其在超導(dǎo)狀態(tài)下穩(wěn)定運行。磁體的一端安裝制冷機冷頭，選用兩級冷頭冷卻磁體及電流引線。電流引線是主要熱源，引線和制冷機通過一級冷頭連接。磁體芯軸管表面軸向開貫通淺槽，淺槽容納銅編織帶，磁體通過由多根銅帶編織而成的傳熱總線進行冷卻，傳熱總線將熱負(fù)荷從磁體帶往二級冷頭與制冷機連接。

磁體配置2 根高溫超導(dǎo)電流引線，所有的熱學(xué)、電氣檢測設(shè)備集成于磁體中，便于磁體工作時對低溫容器內(nèi)的關(guān)鍵部分點進行溫度監(jiān)控，以確保磁體的安全運行。用于掃雷作業(yè)還需配置磁控制器、人工和遙控控制終端等設(shè)備。高溫超導(dǎo)掃雷磁體系統(tǒng)組成如圖6 所示。

圖6 高溫超導(dǎo)掃雷磁體系統(tǒng)組成示意圖Fig. 6 Composition diagram of HTS sweeping system

3.2 抗沖設(shè)計

為減輕水雷爆炸沖擊對超導(dǎo)掃雷磁體的影響，可采用三級減震措施：1）低溫容器外表面包覆橡膠材料抗沖護套，從外往里分別是：抗沖護套、流線殼體、真空夾層和裝有超導(dǎo)磁體的低溫容器；2）在掃雷作業(yè)準(zhǔn)備階段，可預(yù)先將冷卻介質(zhì)液氮冷卻成固氮，使超導(dǎo)磁體在受到爆炸沖擊時不會與殼體發(fā)生相對運動，確保磁體的穩(wěn)定性；3）在固氮液化后，為了確保超導(dǎo)磁體在水雷爆炸沖擊時，仍然能夠穩(wěn)定運行，超導(dǎo)磁體采用低溫材料制成的三自由度拉桿懸吊在低溫容器內(nèi)，以減少超導(dǎo)磁體在水雷爆炸沖擊時所承受的沖擊加速度。磁體不銹鋼基座可采用絞支結(jié)構(gòu)，以應(yīng)對磁體平面多軸旋轉(zhuǎn)和垂向運動沖擊。真空容器是一個獨立結(jié)構(gòu)，可以承受大于20g（g為重力加速度）沖擊而無永久形變和功能性損傷。

3.3 使用與保障

掃雷作業(yè)前，低溫容器在離岸時灌滿液氮，將超導(dǎo)磁體冷卻至77 K 左右，完成準(zhǔn)備工作；掃雷作業(yè)時，磁控制器根據(jù)掃雷作業(yè)計劃產(chǎn)生控制信號，通過控制勵磁電源給超導(dǎo)磁體勵磁，產(chǎn)生掃雷磁場，同時啟動小型制冷機，以彌補超導(dǎo)磁體工作時產(chǎn)生的冷量損耗，維持超導(dǎo)掃雷磁體所需的低溫環(huán)境；若因爆炸沖擊或其它原因?qū)е鲁瑢?dǎo)掃雷系統(tǒng)失超，線圈通過引線將儲能迅速釋放至勵磁電源，故障消除后可由液氮儲罐給磁體低溫容器補充液氮，恢復(fù)低溫環(huán)境，超導(dǎo)掃雷系統(tǒng)恢復(fù)超導(dǎo)態(tài)后，可以繼續(xù)進行掃雷作業(yè)；掃雷作業(yè)結(jié)束后，線圈通過引線將儲能釋放至勵磁電源，此時磁體變?yōu)榱愦判?，便于貯存和運輸。

根據(jù)低溫容器漏熱計算，裝滿液氮的超導(dǎo)磁體，即使制冷機斷電，也能在一定時期內(nèi)維持低溫環(huán)境：在磁體不通電流的情況下，維持時間可達(dá)2個月，超導(dǎo)磁體工作期間，制冷機最長斷電時間可達(dá)4 h 以上。在長期執(zhí)行任務(wù)時可考慮配備1 個液氮罐，以應(yīng)對較長時間停電帶來的液氮損耗，靜態(tài)液氮存儲時間為半年，中小城市液氮可在氣體廠市購，價格低廉，若軍港比較偏僻，可考慮配置液氮制備設(shè)備。

4 研制我國高溫超導(dǎo)掃雷具的可行性

我國已掌握多種實用化高溫超導(dǎo)材料的制備技術(shù)，第1 代實用化鉍系線材早已實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，單位長度達(dá)到數(shù)千米以上，以釔系帶材為代表的第2 代高溫超導(dǎo)線材國內(nèi)已有生產(chǎn)廠家達(dá)到單位長度千米以上、年產(chǎn)數(shù)千千米的量產(chǎn)水平，在高溫超導(dǎo)材料及其應(yīng)用領(lǐng)域處于國際先進行列。近年我國首臺具有完全知識產(chǎn)權(quán)的高溫超導(dǎo)高速磁懸浮工程化樣車正式下線并啟用，自主研制的三相同軸高溫超導(dǎo)電纜已投入使用，關(guān)鍵設(shè)備全部實現(xiàn)國產(chǎn)化。超導(dǎo)磁體在核磁共振、大科學(xué)工程、科學(xué)儀器和工業(yè)裝備等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，尤其是高溫超導(dǎo)，因其使用液氮冷卻，液氮的制備簡單、價格低廉，為其帶來了廣闊的應(yīng)用前景，高溫超導(dǎo)已成為一門成熟的實用化技術(shù)。

高溫超導(dǎo)掃雷磁體系統(tǒng)所涉及的高溫超導(dǎo)長線制備、小型制冷機設(shè)計制造、低溫系統(tǒng)集成、超導(dǎo)線圈勵磁電源、系統(tǒng)相關(guān)輔件材料等，國內(nèi)已經(jīng)具備成熟技術(shù)，這為研制我國的高溫超導(dǎo)掃雷磁體奠定了堅實基礎(chǔ)，使高溫超導(dǎo)技術(shù)在反水雷中的應(yīng)用可以實現(xiàn)。

5 結(jié)束語

高溫超導(dǎo)磁體零電阻、無損耗、大載流能力的技術(shù)特點，特別適合磁感應(yīng)掃雷輕小型化的需求，各軍事強國在超導(dǎo)掃雷技術(shù)方面投入了大量的研究。在高溫超導(dǎo)技術(shù)和應(yīng)用日益成熟的今天，將高溫超導(dǎo)磁體與掃雷技術(shù)相結(jié)合，加大投資力度，相關(guān)單位協(xié)同攻關(guān)，研制高溫超導(dǎo)磁體掃雷裝備，不失為解決電磁掃雷具輕小型化難題的一種優(yōu)先途徑。