高溫超導消磁系統將在美海軍艦艇上應用

摘 要

艦載消磁系統對於艦艇降低目標特徵信號、保障自身安全有重要意義。高溫超導消磁系統相對於傳統的銅導線消磁系統具有重量輕、成本低、耗能少等顯著優點，美國海軍通過多年的研發，在這一技術上已趨近成熟，即將在新建艦艇中推廣應用。

一、美海軍高溫超導消磁系統研製背景

艦艇是一個磁性體，通常被一個磁場所包圍。該磁場是一個重要的目標特徵信號，容易被敵方用於探測和攻擊艦艇。例如，艦艇的磁場可能觸發磁性水雷的引爆機制，使水雷爆炸。因此，艦艇通常需要消磁，以降低艦艇被探測和攻擊的概率。

艦艇的磁性通常分為永久磁化和感應磁化兩部分。艦艇長期位於固定位置（如船廠或基地）或在固定緯度區域部署時，會產生永久磁化；艦艇在地球磁場中還會產生感應磁化，其隨所處磁場的變化而變化。艦艇消磁的原理是利用纏繞在艦艇上的臨時或固定線圈，接通電流後產生一個與艦艇磁場相抵消的磁場，達到消除磁場影響的目的。

艦艇消磁主要有兩種方式：消磁站磁性處理和艦載消磁系統消磁。前者只能在固定的消磁站進行處理，通過在艦艇外布設臨時的消磁線圈來消除艦艇過大的永久磁化。後者可根據需要隨時隨地開啟消磁，通過固定安裝在艦艇上的消磁線圈對艦艇余留的永久磁化及感應磁化進行補償，可根據艦艇所處的磁緯度、航向及搖擺等因素對電流進行相應調整。美國海軍包括航母在內的艦艇通常都裝有艦載消磁系統。美國海軍規定，艦艇在水深少於600英尺（183米）的水域作業時，艦載消磁系統必須開啟。

艦載消磁系統由消磁線圈、電力供應系統、控制設備及羅盤補償設備等組成。傳統消磁系統採用銅線作為導體，為產生足夠強的磁場，需要纏繞足夠數量的線圈，並通以足夠強的電流，其系統採購成本高，自身重量及能量消耗等都很大。隨著超導技術的發展，美國海軍從20世紀90年代就開始探索將高溫超導技術用於艦載消磁。高溫超導消磁系統可大幅降低系統自身重量和能耗，有助於提升艦艇性能。

二、美海軍高溫超導消磁系統研製歷程與技術特點

高溫超導體通常是指在液氮溫度（77K）以上超導的材料。高溫超導體製成的高溫超導電線通過冷卻到低溫，其電流密度可達到常規導體的100~200倍。在磁動勢和磁通量相同的情況下，由高溫超導電纜製成的磁體重量遠小於常規磁體。用超導電纜替代傳統消磁系統中的銅導體電纜可減少線圈匝數、減輕導體重量。由於高溫超導體的體積、重量和成本優勢，其在海軍艦艇上的電動機、發電機、動力電纜和消磁系統等方面有巨大的應用潛力。

美國海軍早在1995年就啟動了高溫超導消磁系統的研究，並將「希金斯」號（DDG 76）驅逐艦作為試驗平台開展演示項目。項目承包商是美國超導體公司。該項目的目標是將DDG 76船尾30米的銅製「L」線圈用高溫超導電纜替換，並演示其可靠性和相關環境下的運行能力。2006年4月，美國超導公司成功驗證了全球首個全尺寸超導體消磁電纜。2008年7月，高溫超導消磁線圈系統在「希金斯」號驅逐艦上完成安裝，並成功開展初始試驗。2010年4月，高溫超導消磁線圈系統在磁性標校站首次運行。據美國國防雜誌網2019年5月30日報道，美國超導公司獲得美海軍的一份採購合同,將為「勞德代爾堡」號(LPD-28)和LPD-30兩艘兩棲船塢登陸艦提供高溫超導消磁系統。這意味著經過多年研發，美國海軍的高溫超導消磁系統即將進入實船應用階段，並將在未來新型艦艇中推廣。

美海軍高溫超導消磁系統採用具有多層結構的超導陶瓷電纜，相較於傳統消磁系統中的銅導體電纜，導線長度將減少近90%，系統總重量降低50~80%，如下表所示。

表1 高溫超導消磁系統與傳統消磁系統對比

同時，由於高溫超導電纜內部沒有電阻，消磁系統的供電設備僅需提供5伏甚至更低的電壓，遠低於傳統消磁系統的數百伏，能量消耗大幅降低。

成本方面，高溫超導消磁系統也具有明顯優勢。據2007年的計算：當年高溫超導消磁系統的成本與傳統的銅導線消磁系統持平；隨著技術的進步，到2010年高溫超導消磁系統的成本比傳統消磁系統低30%。在高溫超導消磁系統中，冷卻系統的成本佔比最大，超過50%；其次是安裝成本和電纜成本，能耗成本僅占很小比例。上述對比的是直接成本，如果考慮高溫超導系統重量減少給艦艇帶來的性能提升，其效費比將更高。

圖3 高溫超導消磁系統與傳統消磁系統的成本比較

高溫超導消磁系統需要低溫製冷系統保證高溫超導電纜處於較低的運行溫度。美國海軍將採用克雷爾公司設計生產的逆布雷頓制冷機。2015年，美國海軍金屬加工中心改進了該製冷系統的製造方案，使成本進一步降低，有力地推動了將來的上艦運用。

三、結語

高溫超導消磁系統相對於傳統的消磁系統具有重量輕、成本低、耗能少等顯著優點，是艦艇消磁系統發展的趨勢。目前美國海軍在這一技術上已趨近成熟，將在未來新建艦艇中得到廣泛應用。

（藍海星）

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