高温超导磁体在扫雷装备中的应用探讨

周友援

（1. 中国船舶集团有限公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003；2. 清江创新中心，湖北 武汉 430076）

0 引言

电磁扫雷具靠通电电流在磁引信水雷所处空间产生一个近似舰船的磁场而引爆水雷，目前的电磁扫雷具主要有螺线管式和电极式2 种形式，为了保证作业时自身的安全，电磁扫雷具产生的磁场需要在足够远的距离诱爆水雷，因此需要产生强大的磁场，导致电磁扫雷具普遍“笨重”，对电源和搭载平台依赖度高。随着无人艇、无人机等轻型可运载平台在反水雷作战中的运用，对扫雷装备轻小型化的需求日益迫切[1-2]，传统电磁扫雷具面临着新的挑战。超导线圈在低温下具有零电阻、高密度载流能力和完全抗磁性等电磁特性，用超导线绕制成的超导磁体具有功耗低、体积小、重量轻、磁场强、无剩磁等特点[3]，将其应用于电磁扫雷具中，可望成为解决扫雷装备轻小型化的有效技术途径之一。同时，由于高温超导磁体的运行费用低、磁体的稳定性高和低温系统简单易操作，高温超导磁体的应用得到较快发展，为应对上述挑战提供了有力的技术支撑。

1 高温超导磁体的特点

1.1 运行成本低

低温超导材料由于临界转变温度低，必须在液氦温度下工作，需配置复杂的液氦冷却系统并不定期补充液氦，运转费用昂贵，由于低温超导受运行成本高、保障条件繁杂等诸多因素制约，其应用推广受到影响。相对低温超导材料而言，高温超导材料由于临界转变温度高，能在液氮温度下工作，液氮是一种制备简单、价格低廉的冷却介质[4-5]。用高温超导材料绕制成的磁体系统摆脱了昂贵的液氦，不需要液氦回收装置，结构轻小、紧凑；对低温环境的要求降低，使低温容器设计制造变得简单容易，成本大大降低；超导磁体闭环运行后几乎不消耗电功率，为维持超导磁体所需的低温环境而配置的小型制冷机功率为百瓦级，节约了运行成本。

1.2 工作稳定性好

螺旋管式扫雷磁体为产生扫雷所需的交变磁场，通常通以交变的电流，由此会带来交变损耗。传导冷却的低温超导磁体，在低温状态下较小的热量传入会导致不可接受的热积聚和失超，交流稳态工作极其困难，为产生扫雷所需的交变磁场，磁体通常需要设置旋转装置。高温超导磁体在交流谐波和电流急速上升或下降的情况下，因多数材料在较高温度下热导率和比热容增加，可以容纳更多的热负荷，高温超导磁体因此可工作于交变电流状态，且系统简洁、操控简便。超导磁体的稳定运行取决于低温条件，高温超导磁体的工作温度高且低温冷却液体的消耗小，使磁体长期稳定运行得以实现。

1.3 搭载平台灵活

相比常规螺线管式扫雷磁体，超导磁体在重量、体积方面具有明显优势，可方便地搭载于不同作战平台使用。当磁体磁矩大小为6×105A·m2时，常规磁体重量4.8 t、体积Φ450 mm×12 m，超导磁体重量460 kg、体积Φ1 200 mm×1 800 mm[6]，其重量约为常规磁体的1/10。当磁体磁矩大小为1.27×106A· m2时，常规磁体重量12 t、体积Φ670 mm×12 m，超导磁体重量800 kg、体积Φ900 mm×1 800 mm，其重量约为常规磁体的1/15。超导磁体不需要大功率专用电源，对平台依赖度低，搭载于不同的作战平台使用，空间布置灵活。搭载平台可根据作战需求在扫雷、探雷、灭雷等不同作战模式进行灵活换装。高温超导磁扫雷具可装载于无人艇中，或由无人艇拖曳执行扫雷任务，实现无人化扫雷作业，极大地保障人员安全。高温超导磁扫雷具可由直升机拖曳执行扫雷作业，具有反应时间快、扫除面积大和安全性好的优点，提升应对突发危机的快速反应能力。高温超导磁扫雷具可装载于民船或由民船拖曳执行应急扫雷任务，由于不需要专用发电机组，对民船要求低，通过简易改装即可弥补反水雷兵力的不足。

1.4 剩余磁场小

铁芯是常规螺线管式电磁扫雷具的重要组成部分，当结束扫雷工作或扫雷机组在作业中发生故障时，磁体中留有相当强度的剩磁，这对扫雷平台自身的安全和邻船的磁罗经有很大危害，而超导磁体扫雷具由于没有铁芯和完全抗磁性，当扫雷结束电流释放完后几乎没有剩磁。

2 国外超导扫雷技术发展现状

超导磁体用于扫雷时具有其独特的技术优势，能大幅提高扫雷效率，增强自身安全性，因此世界上多个国家研制装备了超导磁扫雷系统。

具有出色扫雷能力的前苏联早在20 世纪70 年代就开展了低温超导扫雷技术研究，并就超导磁体扫雷装置样机进行充分的海试，完成拖体稳态测试、测磁、拖体补氦、磁体闭环、舰艇拖曳和直升机拖曳等多项试验，随后研制了一型带旋转超导磁体的遥控扫雷样机，低温容器可在电机驱动下旋转，在波罗的海进行了旋转超导磁体磁场测试，由置于海底的磁传感器记录磁场的3 个分量。记录的旋转超导磁体扫雷样机的磁场通过特性如图1 所示，图的上部所示为样机仅向前航行时的磁场通过特性，下部所示为向前航行与旋转相结合时的磁场通过特性，该图表明后者模拟舰船磁场的异符号特性比前者好，而且扫宽更大。

图1 旋转超导磁体扫雷样机的磁通过特性Fig. 1 Passing characteristics of revolving LTS prototype for minesweeping

1984 年，前苏联第1 个船载超导扫雷具在黑海通过试验考核，并被收入前苏联海军武器库。超导磁体被装载于一型磁–声自航遥控扫雷艇，如图2 和图3 所示。

图2 前苏联超导磁–声自航遥控扫雷艇Fig. 2 Remote-control LTS and acoustics generator of Former Soviet Union

图3 前苏联超导磁–声自航遥控扫雷艇结构布置图Fig. 3 Layout of remote-control LTS and acoustics minesweeper of Former Soviet Union

超导磁–声自航遥控扫雷艇主要技术指标：排水量16.1 t，艇长14.15 m，发动机735 kW，航速10～32 kn，续航力130 n mile。

美国海军于80 年代开展了超导扫雷具的研究。1995 年，美国海军研制了一个中心磁场为3.4 T的超导扫雷磁体，磁体线圈由NbTi 低温超导线绕制，采用闭式低温冷却方式，磁体温度冷却到4.0 K，能抗100g 加速度。1997 年进行了演示验证试验，图4 所示为该超导磁体超导扫雷磁体样机。

随着高温超导体的发现和应用，美国紧接着开启高温超导磁体扫雷技术研究，1999 年美国超导公司为航空扫雷局研制了高温超导扫雷磁体[7-8]，磁体样机如图5 所示，超导扫雷磁体考核试验表明高温超导磁体已达到成熟阶段，于2000 年完成测试并交付美国海军研究所。

图5 美国高温超导扫雷磁体Fig. 5 U.S. HTS minesweeping prototype

据报道，美国海军开发的模块化扫雷系统“轻型非接触扫雷系统”（ALISS），包括磁子系统和声子系统，其中的磁子系统所采用的正是高温超导磁体[9]。该系统重量轻、输出场强大、拉力小、速度快，能由气垫登陆艇、MHC-51 反水雷艇或SH-60直升机等平台搭载，磁体直径560 mm，长1.5 m，于2003 年左右投入使用，用于浅水水域的感应式扫雷。

2006 年澳大利亚国防科学技术组织开展高温超导扫雷技术研究，随后进行了高温超导磁扫雷系统的演示试验。澳大利亚是领先的扫雷设备出口国，宣称该技术代表磁扫雷技术的前沿，新技术的应用是对现有系统的补充，弥补了现有扫雷具的不足，使相关设备更小、更轻，可以由飞机运输，便于扫雷具在任意海域展开部署，几乎能由任意平台拖曳。

日本住友电气工业公司也开展了超导磁体扫雷技术的研究，并申请了专利昭58—76395“超导磁性扫雷装置”。

3 高温超导扫雷磁体系统方案设想

3.1 系统构成

高温超导扫雷磁体系统由磁体线圈、低温容器、制冷机、磁体电源、磁控制器等组成，磁体线圈和低温容器构成超导磁体。

高温超导磁体用于扫雷时，利用的是超导磁体线圈所产生的远场，对线圈内部磁场无特殊要求，超导磁体宜采用标准的螺线管线圈结构形式，磁体本身的几何形状根据安装平台或使用场景可选择长柱形或圆饼形。超导线圈的制作是将绝缘高温超导线材绕制在线圈骨架上，线圈骨架采用由低温非金属结构材料制成的芯轴管。超导材料主要有钇钡铜氧（YBCO）和铋锶钙铜氧（BSCCO）2 种，超导线圈宜选用适合制造线材的铋锶钙铜氧。为增大工作电流，可用多根高温超导线材绕制。绕制好的超导线圈在真空环境中，采用环氧树脂填充，使线圈的结构紧凑且具有良好的机械强度性能和绝缘性。线圈内部提供连通开关，断开外部励磁电源时，磁导线圈能在闭环状态下长期无损耗运行。

低温容器与制冷机总成主要包含低温容器、制冷机、真空贯穿线（用于电气接口）等。低温容器采用不锈钢无磁材料作为主要材质，选用单层不锈钢加多层绝热围护结构，用于连接线圈骨架与壳体的支撑座、电流引线围护结构采用多层绝热材料包裹。在整个结构的设计和总装过程中，需要良好的漏热保护及热传导设计，以保证制冷机足以冷却所有组件，使其在超导状态下稳定运行。磁体的一端安装制冷机冷头，选用两级冷头冷却磁体及电流引线。电流引线是主要热源，引线和制冷机通过一级冷头连接。磁体芯轴管表面轴向开贯通浅槽，浅槽容纳铜编织带，磁体通过由多根铜带编织而成的传热总线进行冷却，传热总线将热负荷从磁体带往二级冷头与制冷机连接。

磁体配置2 根高温超导电流引线，所有的热学、电气检测设备集成于磁体中，便于磁体工作时对低温容器内的关键部分点进行温度监控，以确保磁体的安全运行。用于扫雷作业还需配置磁控制器、人工和遥控控制终端等设备。高温超导扫雷磁体系统组成如图6 所示。

图6 高温超导扫雷磁体系统组成示意图Fig. 6 Composition diagram of HTS sweeping system

3.2 抗冲设计

为减轻水雷爆炸冲击对超导扫雷磁体的影响，可采用三级减震措施：1）低温容器外表面包覆橡胶材料抗冲护套，从外往里分别是：抗冲护套、流线壳体、真空夹层和装有超导磁体的低温容器；2）在扫雷作业准备阶段，可预先将冷却介质液氮冷却成固氮，使超导磁体在受到爆炸冲击时不会与壳体发生相对运动，确保磁体的稳定性；3）在固氮液化后，为了确保超导磁体在水雷爆炸冲击时，仍然能够稳定运行，超导磁体采用低温材料制成的三自由度拉杆悬吊在低温容器内，以减少超导磁体在水雷爆炸冲击时所承受的冲击加速度。磁体不锈钢基座可采用绞支结构，以应对磁体平面多轴旋转和垂向运动冲击。真空容器是一个独立结构，可以承受大于20g（g为重力加速度）冲击而无永久形变和功能性损伤。

3.3 使用与保障

扫雷作业前，低温容器在离岸时灌满液氮，将超导磁体冷却至77 K 左右，完成准备工作；扫雷作业时，磁控制器根据扫雷作业计划产生控制信号，通过控制励磁电源给超导磁体励磁，产生扫雷磁场，同时启动小型制冷机，以弥补超导磁体工作时产生的冷量损耗，维持超导扫雷磁体所需的低温环境；若因爆炸冲击或其它原因导致超导扫雷系统失超，线圈通过引线将储能迅速释放至励磁电源，故障消除后可由液氮储罐给磁体低温容器补充液氮，恢复低温环境，超导扫雷系统恢复超导态后，可以继续进行扫雷作业；扫雷作业结束后，线圈通过引线将储能释放至励磁电源，此时磁体变为零磁性，便于贮存和运输。

根据低温容器漏热计算，装满液氮的超导磁体，即使制冷机断电，也能在一定时期内维持低温环境：在磁体不通电流的情况下，维持时间可达2个月，超导磁体工作期间，制冷机最长断电时间可达4 h 以上。在长期执行任务时可考虑配备1 个液氮罐，以应对较长时间停电带来的液氮损耗，静态液氮存储时间为半年，中小城市液氮可在气体厂市购，价格低廉，若军港比较偏僻，可考虑配置液氮制备设备。

4 研制我国高温超导扫雷具的可行性

我国已掌握多种实用化高温超导材料的制备技术，第1 代实用化铋系线材早已实现批量化生产，单位长度达到数千米以上，以钇系带材为代表的第2 代高温超导线材国内已有生产厂家达到单位长度千米以上、年产数千千米的量产水平，在高温超导材料及其应用领域处于国际先进行列。近年我国首台具有完全知识产权的高温超导高速磁悬浮工程化样车正式下线并启用，自主研制的三相同轴高温超导电缆已投入使用，关键设备全部实现国产化。超导磁体在核磁共振、大科学工程、科学仪器和工业装备等领域得到广泛的应用，尤其是高温超导，因其使用液氮冷却，液氮的制备简单、价格低廉，为其带来了广阔的应用前景，高温超导已成为一门成熟的实用化技术。

高温超导扫雷磁体系统所涉及的高温超导长线制备、小型制冷机设计制造、低温系统集成、超导线圈励磁电源、系统相关辅件材料等，国内已经具备成熟技术，这为研制我国的高温超导扫雷磁体奠定了坚实基础，使高温超导技术在反水雷中的应用可以实现。

5 结束语

高温超导磁体零电阻、无损耗、大载流能力的技术特点，特别适合磁感应扫雷轻小型化的需求，各军事强国在超导扫雷技术方面投入了大量的研究。在高温超导技术和应用日益成熟的今天，将高温超导磁体与扫雷技术相结合，加大投资力度，相关单位协同攻关，研制高温超导磁体扫雷装备，不失为解决电磁扫雷具轻小型化难题的一种优先途径。