Napęd magnetohydrodynamiczny

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania

Napęd magnetohydrodynamiczny (MHD) – napęd jednostek pływających, zwłaszcza okrętów podwodnych, znajdujący się obecnie w fazie zaawansowanych prac badawczo-rozwojowych, oparty na zasadach magnetohydrodynamiki (MHD).

We wczesnych latach 60. XX wieku, amerykański naukowiec Stewart Way przeprowadził na uniwersytecie kalifornijskim w Santa Barbara eksperyment w którym zademonstrował w jaki sposób pole magnetyczne może napędzać okręt podwodny[1]. Napęd magnetohydrodynamiczny (MHD) używa pola magnetycznego (magneto-) do oddziaływania na strumień wody (-hydro-) oraz tworzenia kierunkowej siły (-dynamika). System tego rodzaju jest cichy i eliminuje konieczność używania śruby i wału napędowego, przekładni napędu i innych związanych z nimi elementów mechanicznych. Dodatkowo, mechanika w tego rodzaju układzie napędowym nie jest złożona, jeśli układ wykorzystuje nadprzewodnictwo[1].

Magnetohydrodynamiczna jednostka napędowa japońskiej eksperymentalnej jednostki pływającej z napędem magnetohydrodynamicznym „Yamato I

Do pojawienia się nadprzewodników, ilość energii niezbędnej do wytwarzania pola magnetycznego dla pracującego układu napędowego MHD okrętu podwodnego była olbrzymia. Nadprzewodnikowe magnesy – z uwagi na brak generowanego normalnie przez opór elektryczny ciepła – mogą wytwarzać bardzo silne pole magnetyczne, niezbędne do wytworzenia ciągu zdolnego poruszać okręt podwodny. Napęd MHD działa dzięki wykorzystaniu siły Lorentza, kiedy pole magnetyczne oddziałuje na poruszający się ładunek elektryczny zjonizowanej wody morskiej (w omawianym przypadku)[a].

Woda morska wpływa do urządzenia wytwarzającego ciąg, gdzie w obszarze pola magnetycznego wytworzonego przez elektromagnes płynie przez nią między elektrodami prąd elektryczny o kierunku prostopadłym do kierunku pola magnetycznego i ruchu wody. Na wodę, tak jak na przewodnik znajdujący się w polu magnetycznym, w którym płynie prąd elektryczny działa siła. Siła ta przyśpiesza wodę przepływającą przez urządzenie tworzące ciąg, a zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona odpowiadająca jej siła reakcji (ciąg) oddziałuje na okręt w kierunku przeciwnym[1].

Jak wspomniano wyżej napęd tego rodzaju jest cichy, gdyż redukuje do minimum urządzenia mechaniczne układu napędowego, z punktu widzenia okrętów podwodnych nie jest jednak pozbawiony wad. Na elektrodach tworzą się bowiem bąble wodoru, które pękając następnie, tworzą sygnaturę akustyczną okrętu. Według naukowców jednak, problem ten jest rozwiązywalny w dalszym rozwoju tej technologii[1]. Także silne pole magnetyczne niezbędne dla działania układu może być wykryte przez samoloty i helikoptery zwalczania okrętów podwodnych, wyposażone w detektory anomalii magnetycznych (MAD). Jednakże zajmujące się tą tematyką źródła, wskazują na możliwość skutecznego ekranowania[1]. Aktualna wydajność istniejących napędów MHD jest jeszcze niska, i według danych przedstawionych w roku 1988 na londyńskiej konferencji „London Underseas Defense” wynosiła 5% a nawet mniej, jednakże postęp techniczny w tej dziedzinie jest bardzo szybki[1].

Yamato I” w ekspozycji Muzeum Morskiego w Kobe w Japonii

Na przełomie lat 70. i 80. XX wieku, zachodnie służby wywiadowcze podejrzewały marynarkę radziecką o umieszczenie nad rufowym sterem pionowym swoich okrętów z napędem jądrowym układu MHD. W 1990 roku jednak, odwiedzający niemiecką stocznię okrętów podwodnych HDW w Kilonii ostatni dowódca marynarki radzieckiej i późniejszy pierwszy dowódca marynarki wojennej Federacji Rosyjskiej adm. Władymir Czernawin ujawnił, że umieszczona na sterze pionowym gondola mieści antenę ultra-niskiej częstotliwości, umożliwiającą skrytą komunikację okrętu z lądem[1]. Jeszcze inne informacje sugerowały iż gondola ta mieści holowaną antenę sonaru. Po upadku jednak Związku Radzieckiego, podejrzenia o zastosowanie napędu MHD zostały ponad wszelką wątpliwość rozwiane, jednakże potencjał rozwoju, a następnie zastosowania tego rodzaju napędu jest bardzo duży[1].

W 1991 roku japońska „Fundacja Rozwoju Budownictwa Okrętowego”, w kooperacji z Mitsui Engineering and Shipbuilding, Hitachi Zōsen oraz Mitsubishi Heavy Industries, zwodowała 30-metrową jednostkę eksperymentalną „Yamato I”, wyposażoną w napęd MHD używający nadprzewodnictwa niskotemperaturowego. Według specjalistów z amerykańskiego Naval Hydromechanics Division of David Taylor Model Basin z dostępem do japońskiego programu, „Yamato I” wyposażony jest w dwie bliźniacze podwieszane gondole MHD, każda składająca się z sześciu cewek dipolowych wokół 6 kanałów, ułożonych w pierścień celem redukcji radiacji elektromagnetycznej oraz eliminacji konieczności ekranowania[1]. Każdy kanał ma 24 cm średnicy. Energię dla bliźniaczych gondol zapewniają dwa generatory elektryczne napędzane przez silniki Diesla, produkujące około 4 megawatów energii elektrycznej[1]. Zapewnia to jednostce prędkość konstrukcyjną 8 węzłów. Konstrukcja ma jeszcze wszystkie opisane wyżej wady napędu magnetohydrodynamicznego, w tym wydajność mniejszą niż 4%, generacja bąbli wodorowych i korozja elektrod, które muszą zostać usunięte, jednakże perspektywa pozbycia się z okrętów podwodnych masywnych wałów, hałaśliwych przekładni i śrub, powoduje że koncepcja MHD jest bardzo atrakcyjna dla konstruktorów okrętów podwodnych na początku XXI wieku[1].

Uwagi

  1. Siła działająca pod kątem prostym do pola magnetycznego i ładunku elektrycznego, została odkryta pod koniec XIX wieku przez holenderskiego fizyka Hendrika Lorentza.

Przypisy

  1. 1,00 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1,06 1,07 1,08 1,09 1,10 Stan Zimmerman: Submarine Technology for the 21st Century, ss. 103-124