Магнитогидродинамические приводные устройства

Магнитогидродинамические приводные устройства

Что такое МГД, человечеству стало известно в 1961 году, когда американский учёный У.А.Райс впервые выдвинул концепцию «magnetohydrodynamic» (MGD). По сути, базой концепции магнитогидродинамические приводные устройства являются основы электромагнетизма, в частности, так называемое правило «левой руки Флеминга». Этим правилом определяется: слияние магнитного поля с электрическим током, проходящим сквозь жидкость, приводит к движению жидкости в одном направлении. Между тем, совсем недавно появились технологии, допускающие применение этого явления в конструкции морского судна.

Первые магнитогидродинамические приводные устройства

Специалистами японского фонда развития судостроения (JAFSA) создана работоспособная модель морского судна, длиной 2 метра, функционирующего по принципам МГД. Специальные лаборатории Японии и США уже достаточно давно пытаются применять магнитогидродинамические приводные устройства в деле. И вот теперь стало известно о новой водной машине, которую летом 2021 года японцы планируют спустить на воду.

Уникальное морское 150-тонное судно длиной 27,5 метров, получившее наименование «Ямато-1», продемонстрирует всему миру – что такое МГД на самом деле. Правда, на первоначальном этапе ожидается конструкция, способная развивать скорость не более 8 узлов при относительно низкой эффективности. Тем не менее, технология МГД имеет потенциал преуспеть, как в скорости, так и по эффективности.

Японцы утверждают — морские суда, где применяются магнитогидродинамические приводные устройства, однажды позволят добраться из города Иокогама в Сан-Франциско всего за три дня. Эффективность судов потенциально выглядит очень высокой, демонстрируя увеличение пропорционально квадрату напряжённости магнитного поля.

Таким образом, успех технологии МГД — магнитогидродинамические приводные устройства, зависит от технологий разработки мощных магнитов, достаточно лёгких, чтобы установить на борту водной машины. Прогресс в этой области резко увеличился благодаря усовершенствованию сверхпроводящих материалов.

На основе таковых формируют катушки электромагнитов. Если же удастся изыскать способ применения новых высокотемпературных сверхпроводящих материалов, таких как оксид меди иттрий-барий, допускающих охлаждение жидким азотом, прорыв обеспечен. Тогда уже не потребуется дорогостоящий и сложный в обращении жидкий гелий.

Принцип силовой установки МГД японского производства

По мере того, как станут доступными более компактные, мощные и эффективные магниты, задача сместится в сторону интеграции магнитов в силовую установку. Станут актуальными методы включения криостатов для поддержания сверхпроводящих температур магнитов. Потребуются блоки питания для магнитов и зарядки электродов, пропускающих ток сквозь морскую воду.

Японские специалисты опробовали два основных подхода. Самый простой — установка мощного сверхпроводящего магнита, поле которого направлено прямо вниз через днище корабля. Ток от электродов на корпусе взаимодействует с магнитным полем в окружающей массе воды. Несмотря на простоту и эффективность, такая конструкция способна вызывать сильные магнитные помехи, нарушающие функциональность других водных машин.

ЛОДОЧНЫЙ

Магнитогидродинамические приводные устройства (МГД) - схема привода
Схематика потенциального привода МГД: 1 — вход воды; 2 — опорные балки; 3 — сверхпроводящие седловые катушки; 4 — направление электротока; 5 — направление магнитного потока; 6 — направление осевой нагрузки; 7 — проводники питания магнита

Учитывая такую ситуацию, специалисты «JAFSA» решили использовать комплексный подход к делу. Экспериментальное и уникальное морское судно «Ямато-1» решено оснастить двумя реактивными блоками, которые подвешены вдоль днища судна. Каждый такой блок должен содержать шесть цилиндрических сверхпроводящих дипольных магнитов, расположенных кольцом вокруг центральной опоры.

Принцип следующий: вода всасывается передней частью блока и проталкивается через электрически заряженные каналы, проходящие в центре каждого магнита. Дальше вода попросту выбрасывается через заднюю часть блока. Изменить направление движения так же просто, как изменить направление тока воздуха через воздуховоды.

Почему американцы исследуют большие магниты под МГД?

Японские специалисты используют в конструкции магниты меньшего размера, но группируют целиковый модуль из нескольких. Американские инженеры сосредоточили усилия на производстве самого большого в мире сверхпроводящего дипольного магнита. Имеющий вес около 200 тонн, такой магнит изначально предусматривался для экспериментов в области выработки электроэнергии. Конструкция слишком велика для использования в морских условиях.

Однако цель исследований национальной американской лаборатории состоит в том, чтобы исследовать эффекты мощных магнитных полей с расчётом на тот момент, когда такие поля удастся получать от более мелких магнитов. Как отмечается, американская программа даёт возможность обойти японцев по масштабности и напряженности магнитного поля через МГД эксперименты.

Сосредоточившись на электромагнитных явлениях, лежащих в основе установки на основе магнитогидродинамических приводных устройств, американцы полностью отказались от создания полного прототипа двигательной установки. Вместо этого магнит диаметром 1,2 метра помещают в область водяной петли размером 18*7 метров, — своего рода водный динамометр. Конструкция позволяет изучить работу магнита в условиях океана, не покидая стен национальной лаборатории.

Ожидание прихода конца века гребных винтов

Если эксперименты с магнитогидродинамическими приводными устройствами окажутся успешными, на горизонте открываются множество вариантов использования МГД систем. Таковые уже используются в качестве насосных систем жидкометаллических теплоносителей, используемых в конструкциях ядерных реакторов.

Однако куда более захватывающим видится потенциал этой технологии именно в области судоходства. Преимущества отмечаются не только в плане существенно увеличенной скорости хода и высокой эффективности, но также и в плане отсутствия движущихся частей установки. Этот фактор имеет значение в области обслуживания.

Более того, устранение необходимости связывать источник энергии с двигательной установкой посредством вала или других механических средств делает возможными радикально новые конфигурации корпуса судов. Специалистами «JAFSA» разработан ряд оригинально выглядящих концептов:

  1. Грузовая подводная лодка, по форме напоминающая форму авиалайнера.
  2. Пассажирские вместительные суда с малым корпусом.
  3. Гидросамолёты с двигателями МГД.

Грузовые подводные лодки представляют особенно интригующую концепцию. Для таких судов характерным является меньшее сопротивление, чем у надводных судов, плюс подводному ходу не страшны штормы. Кроме того, морские суда исследовательского назначения приобретают исключительно тихоходную конструкцию, исключающую разрушение подводного мира.

В общем, исследования активно продолжаются, и однажды наступит момент, когда традиционные лодочные и судовые гребные винты уйдут в прошлое, как отошёл некогда актуальный парус.


При помощи информации: PopularMechanics