「深度分析」高温超导消磁系统将在美海军舰艇上应用

军事 06-11 来源：蓝海星智库

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摘要

舰载消磁系统对于舰艇降低目标特征信号、保障自身安全有重要意义。高温超导消磁系统相对于传统的铜导线消磁系统具有重量轻、成本低、耗能少等显著优点，美国海军通过多年的研发，在这一技术上已趋近成熟，即将在新建舰艇中推广应用。

一、美海军高温超导消磁系统研制背景

舰艇是一个磁性体，通常被一个磁场所包围。该磁场是一个重要的目标特征信号，容易被敌方用于探测和攻击舰艇。例如，舰艇的磁场可能触发磁性水雷的引爆机制，使水雷爆炸。因此，舰艇通常需要消磁，以降低舰艇被探测和攻击的概率。

舰艇的磁性通常分为永久磁化和感应磁化两部分。舰艇长期位于固定位置（如船厂或基地）或在固定纬度区域部署时，会产生永久磁化；舰艇在地球磁场中还会产生感应磁化，其随所处磁场的变化而变化。舰艇消磁的原理是利用缠绕在舰艇上的临时或固定线圈，接通电流后产生一个与舰艇磁场相抵消的磁场，达到消除磁场影响的目的。

舰艇消磁主要有两种方式：消磁站磁性处理和舰载消磁系统消磁。前者只能在固定的消磁站进行处理，通过在舰艇外布设临时的消磁线圈来消除舰艇过大的永久磁化。后者可根据需要随时随地开启消磁，通过固定安装在舰艇上的消磁线圈对舰艇余留的永久磁化及感应磁化进行补偿，可根据舰艇所处的磁纬度、航向及摇摆等因素对电流进行相应调整。美国海军包括航母在内的舰艇通常都装有舰载消磁系统。美国海军规定，舰艇在水深少于600英尺（183米）的水域作业时，舰载消磁系统必须开启。

图1 美海军航母在开展消磁作业

舰载消磁系统由消磁线圈、电力供应系统、控制设备及罗盘补偿设备等组成。传统消磁系统采用铜线作为导体，为产生足够强的磁场，需要缠绕足够数量的线圈，并通以足够强的电流，其系统采购成本高，自身重量及能量消耗等都很大。随着超导技术的发展，美国海军从20世纪90年代就开始探索将高温超导技术用于舰载消磁。高温超导消磁系统可大幅降低系统自身重量和能耗，有助于提升舰艇性能。

二、美海军高温超导消磁系统研制历程与技术特点

高温超导体通常是指在液氮温度（77K）以上超导的材料。高温超导体制成的高温超导电线通过冷却到低温，其电流密度可达到常规导体的100~200倍。在磁动势和磁通量相同的情况下，由高温超导电缆制成的磁体重量远小于常规磁体。用超导电缆替代传统消磁系统中的铜导体电缆可减少线圈匝数、减轻导体重量。由于高温超导体的体积、重量和成本优势，其在海军舰艇上的电动机、发电机、动力电缆和消磁系统等方面有巨大的应用潜力。

美国海军早在1995年就启动了高温超导消磁系统的研究，并将“希金斯”号（DDG 76）驱逐舰作为试验平台开展演示项目。项目承包商是美国超导体公司。该项目的目标是将DDG 76船尾30米的铜制“L”线圈用高温超导电缆替换，并演示其可靠性和相关环境下的运行能力。2006年4月，美国超导公司成功验证了全球首个全尺寸超导体消磁电缆。2008年7月，高温超导消磁线圈系统在“希金斯”号驱逐舰上完成安装，并成功开展初始试验。2010年4月，高温超导消磁线圈系统在磁性标校站首次运行。据美国国防杂志网2019年5月30日报道，美国超导公司获得美海军的一份采购合同,将为“劳德代尔堡”号(LPD-28)和LPD-30两艘两栖船坞登陆舰提供高温超导消磁系统。这意味着经过多年研发，美国海军的高温超导消磁系统即将进入实船应用阶段，并将在未来新型舰艇中推广。

图2 美海军“希金斯”号（DDG 76）驱逐舰

美海军高温超导消磁系统采用具有多层结构的超导陶瓷电缆，相较于传统消磁系统中的铜导体电缆，导线长度将减少近90%，系统总重量降低50~80%，如下表所示。

表1 高温超导消磁系统与传统消磁系统对比

同时，由于高温超导电缆内部没有电阻，消磁系统的供电设备仅需提供5伏甚至更低的电压，远低于传统消磁系统的数百伏，能量消耗大幅降低。

成本方面，高温超导消磁系统也具有明显优势。据2007年的计算：当年高温超导消磁系统的成本与传统的铜导线消磁系统持平；随着技术的进步，到2010年高温超导消磁系统的成本比传统消磁系统低30%。在高温超导消磁系统中，冷却系统的成本占比最大，超过50%；其次是安装成本和电缆成本，能耗成本仅占很小比例。上述对比的是直接成本，如果考虑高温超导系统重量减少给舰艇带来的性能提升，其效费比将更高。