周友援

（1. 中國(guó)船舶集團(tuán)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(gè)近似艦船的磁場(chǎng)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(shí)自身的安全，電磁掃雷具產(chǎn)生的磁場(chǎng)需要在足夠遠(yuǎn)的距離誘爆水雷，因此需要產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，導(dǎo)致電磁掃雷具普遍“笨重”，對(duì)電源和搭載平臺(tái)依賴度高。隨著無(wú)人艇、無(wú)人機(jī)等輕型可運(yùn)載平臺(tái)在反水雷作戰(zhàn)中的運(yùn)用，對(duì)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(chǎng)強(qiáng)、無(wú)剩磁等特點(diǎn)[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(shí)，由于高溫超導(dǎo)磁體的運(yùn)行費(fèi)用低、磁體的穩(wěn)定性高和低溫系統(tǒng)簡(jiǎn)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(duì)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(diǎn)

1.1 運(yùn)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(bǔ)充液氦，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用昂貴，由于低溫超導(dǎo)受運(yùn)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(duì)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(jiǎn)單、價(jià)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(duì)低溫環(huán)境的要求降低，使低溫容器設(shè)計(jì)制造變得簡(jiǎn)單容易，成本大大降低；超導(dǎo)磁體閉環(huán)運(yùn)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(jī)功率為百瓦級(jí)，節(jié)約了運(yùn)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(chǎng)，通常通以交變的電流，由此會(huì)帶來(lái)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(huì)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(chǎng)，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(jiǎn)潔、操控簡(jiǎn)便。超導(dǎo)磁體的穩(wěn)定運(yùn)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(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行得以實(shí)現(xiàn)。

1.3 搭載平臺(tái)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(shì)，可方便地搭載于不同作戰(zhàn)平臺(tái)使用。當(dāng)磁體磁矩大小為6×105A·m2時(shí)，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(shí)，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(duì)平臺(tái)依賴度低，搭載于不同的作戰(zhàn)平臺(tái)使用，空間布置靈活。搭載平臺(tái)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(jìn)行靈活換裝。高溫超導(dǎo)磁掃雷具可裝載于無(wú)人艇中，或由無(wú)人艇拖曳執(zhí)行掃雷任務(wù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)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(jī)拖曳執(zhí)行掃雷作業(yè)，具有反應(yīng)時(shí)間快、掃除面積大和安全性好的優(yōu)點(diǎn)，提升應(yīng)對(duì)突發(fā)危機(jī)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(jī)組，對(duì)民船要求低，通過(guò)簡(jiǎn)易改裝即可彌補(bǔ)反水雷兵力的不足。

1.4 剩余磁場(chǎng)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(jī)組在作業(yè)中發(fā)生故障時(shí)，磁體中留有相當(dāng)強(qiáng)度的剩磁，這對(duì)掃雷平臺(tái)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(méi)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(méi)有剩磁。

2 國(guó)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(shí)具有其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能大幅提高掃雷效率，增強(qiáng)自身安全性，因此世界上多個(gè)國(guó)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(kāi)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(jī)進(jìn)行充分的海試，完成拖體穩(wěn)態(tài)測(cè)試、測(cè)磁、拖體補(bǔ)氦、磁體閉環(huán)、艦艇拖曳和直升機(jī)拖曳等多項(xiàng)試驗(yàn)，隨后研制了一型帶旋轉(zhuǎn)超導(dǎo)磁體的遙控掃雷樣機(jī)，低溫容器可在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，在波羅的海進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)超導(dǎo)磁體磁場(chǎng)測(cè)試，由置于海底的磁傳感器記錄磁場(chǎng)的3 個(gè)分量。記錄的旋轉(zhuǎn)超導(dǎo)磁體掃雷樣機(jī)的磁場(chǎng)通過(guò)特性如圖1 所示，圖的上部所示為樣機(jī)僅向前航行時(shí)的磁場(chǎng)通過(guò)特性，下部所示為向前航行與旋轉(zhuǎn)相結(jié)合時(shí)的磁場(chǎng)通過(guò)特性，該圖表明后者模擬艦船磁場(chǎng)的異符號(hào)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(jī)的磁通過(guò)特性Fig. 1 Passing characteristics of revolving LTS prototype for minesweeping

1984 年，前蘇聯(lián)第1 個(gè)船載超導(dǎo)掃雷具在黑海通過(guò)試驗(yàn)考核，并被收入前蘇聯(lián)海軍武器庫(kù)。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(zhǎng)14.15 m，發(fā)動(dòng)機(jī)735 kW，航速10～32 kn，續(xù)航力130 n mile。

美國(guó)海軍于80 年代開(kāi)展了超導(dǎo)掃雷具的研究。1995 年，美國(guó)海軍研制了一個(gè)中心磁場(chǎng)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(jìn)行了演示驗(yàn)證試驗(yàn)，圖4 所示為該超導(dǎo)磁體超導(dǎo)掃雷磁體樣機(jī)。

隨著高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，美國(guó)緊接著開(kāi)啟高溫超導(dǎo)磁體掃雷技術(shù)研究，1999 年美國(guó)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(jī)如圖5 所示，超導(dǎo)掃雷磁體考核試驗(yàn)表明高溫超導(dǎo)磁體已達(dá)到成熟階段，于2000 年完成測(cè)試并交付美國(guó)海軍研究所。

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

據(jù)報(bào)道，美國(guó)海軍開(kāi)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(chǎng)強(qiáng)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(jī)等平臺(tái)搭載，磁體直徑560 mm，長(zhǎng)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(guó)防科學(xué)技術(shù)組織開(kāi)展高溫超導(dǎo)掃雷技術(shù)研究，隨后進(jìn)行了高溫超導(dǎo)磁掃雷系統(tǒng)的演示試驗(yàn)。澳大利亞是領(lǐng)先的掃雷設(shè)備出口國(guó)，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(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的補(bǔ)充，彌補(bǔ)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(jī)運(yùn)輸，便于掃雷具在任意海域展開(kāi)部署，幾乎能由任意平臺(tái)拖曳。

日本住友電氣工業(yè)公司也開(kāi)展了超導(dǎo)磁體掃雷技術(shù)的研究，并申請(qǐng)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(jī)、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(shí)，利用的是超導(dǎo)磁體線圈所產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)，對(duì)線圈內(nèi)部磁場(chǎng)無(wú)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(tái)或使用場(chǎng)景可選擇長(zhǎng)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(shù)脂填充，使線圈的結(jié)構(gòu)緊湊且具有良好的機(jī)械強(qiáng)度性能和絕緣性。線圈內(nèi)部提供連通開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)外部勵(lì)磁電源時(shí)，磁導(dǎo)線圈能在閉環(huán)狀態(tài)下長(zhǎng)期無(wú)損耗運(yùn)行。

低溫容器與制冷機(jī)總成主要包含低溫容器、制冷機(jī)、真空貫穿線（用于電氣接口）等。低溫容器采用不銹鋼無(wú)磁材料作為主要材質(zhì)，選用單層不銹鋼加多層絕熱圍護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)采用多層絕熱材料包裹。在整個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和總裝過(guò)程中，需要良好的漏熱保護(hù)及熱傳導(dǎo)設(shè)計(jì)，以保證制冷機(jī)足以冷卻所有組件，使其在超導(dǎo)狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行。磁體的一端安裝制冷機(jī)冷頭，選用兩級(jí)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(jī)通過(guò)一級(jí)冷頭連接。磁體芯軸管表面軸向開(kāi)貫通淺槽，淺槽容納銅編織帶，磁體通過(guò)由多根銅帶編織而成的傳熱總線進(jìn)行冷卻，傳熱總線將熱負(fù)荷從磁體帶往二級(jí)冷頭與制冷機(jī)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(cè)設(shè)備集成于磁體中，便于磁體工作時(shí)對(duì)低溫容器內(nèi)的關(guān)鍵部分點(diǎn)進(jìn)行溫度監(jiān)控，以確保磁體的安全運(yùn)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(jì)

為減輕水雷爆炸沖擊對(duì)超導(dǎo)掃雷磁體的影響，可采用三級(jí)減震措施：1）低溫容器外表面包覆橡膠材料抗沖護(hù)套，從外往里分別是：抗沖護(hù)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(shí)不會(huì)與殼體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(shí)，仍然能夠穩(wěn)定運(yùn)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(shí)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(duì)磁體平面多軸旋轉(zhuǎn)和垂向運(yùn)動(dòng)沖擊。真空容器是一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)，可以承受大于20g（g為重力加速度）沖擊而無(wú)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(shí)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(shí)，磁控制器根據(jù)掃雷作業(yè)計(jì)劃產(chǎn)生控制信號(hào)，通過(guò)控制勵(lì)磁電源給超導(dǎo)磁體勵(lì)磁，產(chǎn)生掃雷磁場(chǎng)，同時(shí)啟動(dòng)小型制冷機(jī)，以彌補(bǔ)超導(dǎo)磁體工作時(shí)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(guò)引線將儲(chǔ)能迅速釋放至勵(lì)磁電源，故障消除后可由液氮儲(chǔ)罐給磁體低溫容器補(bǔ)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(jìn)行掃雷作業(yè)；掃雷作業(yè)結(jié)束后，線圈通過(guò)引線將儲(chǔ)能釋放至勵(lì)磁電源，此時(shí)磁體變?yōu)榱愦判?，便于貯存和運(yùn)輸。

根據(jù)低溫容器漏熱計(jì)算，裝滿液氮的超導(dǎo)磁體，即使制冷機(jī)斷電，也能在一定時(shí)期內(nèi)維持低溫環(huán)境：在磁體不通電流的情況下，維持時(shí)間可達(dá)2個(gè)月，超導(dǎo)磁體工作期間，制冷機(jī)最長(zhǎng)斷電時(shí)間可達(dá)4 h 以上。在長(zhǎng)期執(zhí)行任務(wù)時(shí)可考慮配備1 個(gè)液氮罐，以應(yīng)對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間停電帶來(lái)的液氮損耗，靜態(tài)液氮存儲(chǔ)時(shí)間為半年，中小城市液氮可在氣體廠市購(gòu)，價(jià)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(guó)高溫超導(dǎo)掃雷具的可行性

我國(guó)已掌握多種實(shí)用化高溫超導(dǎo)材料的制備技術(shù)，第1 代實(shí)用化鉍系線材早已實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，單位長(zhǎng)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(guó)內(nèi)已有生產(chǎn)廠家達(dá)到單位長(zhǎng)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(guó)際先進(jìn)行列。近年我國(guó)首臺(tái)具有完全知識(shí)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(shí)現(xiàn)國(guó)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(jiǎn)單、價(jià)格低廉，為其帶來(lái)了廣闊的應(yīng)用前景，高溫超導(dǎo)已成為一門成熟的實(shí)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(zhǎng)線制備、小型制冷機(jī)設(shè)計(jì)制造、低溫系統(tǒng)集成、超導(dǎo)線圈勵(lì)磁電源、系統(tǒng)相關(guān)輔件材料等，國(guó)內(nèi)已經(jīng)具備成熟技術(shù)，這為研制我國(guó)的高溫超導(dǎo)掃雷磁體奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，使高溫超導(dǎo)技術(shù)在反水雷中的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

高溫超導(dǎo)磁體零電阻、無(wú)損耗、大載流能力的技術(shù)特點(diǎn)，特別適合磁感應(yīng)掃雷輕小型化的需求，各軍事強(qiáng)國(guó)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。