现代潜艇,总是在想方设法的隐身,但它们还是有一个硬伤,那就是螺旋桨。
尽管在把叶片变多、转速变慢、造型也越变越扭曲之后,是带来了更好的静音效果。但是,只要是有这个运动的部件,它就会发声,不管发声是大是小,只要我们调整好声纳的灵敏度和精确度,就能把它给找出来。
哎呀,你说怎么办才好呢?要说脑洞大,还得是小说家。 在汤姆·克兰西的处女作《猎杀红色十月》中,他描写了一艘叛变的苏联潜艇所配备的一种新型的静音推进系统。这种系统,形似一系列的涵道风扇,有点像现代水上摩托艇上的涵道螺旋桨一样,但是,其中却并没有螺旋桨,也没有任何其他可移动的部件。取而代之的是——磁铁,固定的磁铁——它依靠磁场和电场的作用,直接推动海水来获得动力。在书中,它的名字叫做“履带推进器”,让人感觉是一个完全幻想出来的装置,但其实,它是真实存在的,并且极有希望在不远的的将来,真正装到潜艇上。它的名字叫做——磁流体推进器。今天,我们就来了解一下它。
我先简述一下它的工作原理,没时间往下看的你只需要记住下面这两段话就可以了——磁流体推进器,简称MHD,基于的是磁流体力学原理,它主要利用电磁场与导电流体,如海水或等离子体的相互作用来产生推力。在该系统中,强磁场与电流相互作用,产生洛伦兹力,推动流体向特定方向运动,从而产生反作用力,推动载体前进,完全不需要任何的机械运动部件参与。
接着,我们再展开一下。都知道海水里面是有盐的,当你在盐水中放入正极和负极板时,会产生电场。盐水中的盐会产生正离子和负离子——这些离子都受到电场的影响。在我现在给你看到的图示中,负离子会向右移动,正离子会向左移动。但离子的运动本身并不会产生推进力。要产生推进力,你还需要一个磁场。正如图中所示,磁铁的北极指向下方,这会产生一个主要指向下方的磁场,如红色箭头所示。现在,我们来探讨有趣的物理部分。如果你在磁场中移动一个带电粒子,这个粒子会受到一个力——这个力的大小取决于磁场的强度、电荷的大小和粒子的速度。这个力可以用以下方程表示:
方程中的q表示电荷的大小,v表示粒子的运动速度,B表示磁场的强度,最后得出来的,FB等于qv叉积B,就是该磁流体系统的推力大小了。你注意到了,那个中间的乘号我并没有读作乘以而是读作叉积,因为你看,F、v和B上都是有箭头的对吗?这代表这几个物理量都是既有大小又有方向的矢量。矢量之间的组合用叉积,标量,就是没有方向的物理量之间的组合才会用乘法。叉积运算符将两个矢量组合并生成另一个矢量。生成的矢量的大小和方向取决于起始矢量的大小和方向。但在这个方程中,重要的是结果矢量与两个初始矢量三者之间都相互垂直。这就意味着,你必须在三维空间中理解这个问题。总之,矢量F总是垂直于qv和B,如果你想再确定一下这个结论的话,你需要使用“右手法则”,当然,需要在你还没有把它还给老师之前。
回到磁流体推进系统。你可能会注意到一个问题——水中的一些离子向左移动,比如正电荷。而一些离子向右移动,比如负电荷。然而,正负离子都会被推向同一个方向,即屏幕外的方向。如果此时它正好是一艘潜艇的推进器的话,那么这艘潜艇将会悄无声息的往屏幕里面前进了。
噪音低、无机械磨损,你就说它怎么可能不是潜艇梦寐以求的推进装置呢。以至于,凭空捏造也要给它造一个出来。
你可以去搜搜看网上有没有这样的一些报道,说美国海军正在对其“弗吉尼亚”级攻击核潜艇“蒙大拿”号改装,以测试一款“ 划时代的磁流体推进器”,使其成为“史上最安静的核潜艇”。搞得所有人都以为,带有磁流体推进器的潜艇就快推出了。我的天,那电影当中那个可以突然消失的潜艇,真的就快成为现实了,有点恐怖哦。结果吧,是有点愚蠢。因为此消息的来源,全都集中在一个出处,一篇发布在《海军新闻》网站上的文章。而你再仔细看一下这篇文章的发布日期——2024年4月1日。懂了吧,愚人节呀。就连他们自己都用黑体字做了标注,但还是有很多网站和媒体不假思索的转载。我曾经跟大家说过什么,网上的内容,你看看就行了,别全信好不好。
当然,我相信磁流体推进器终有一天会装上潜艇、船舶,甚至是宇宙飞船上的——NASA正在研究一种全新的磁流体动力电解池,它可以在微重力条件下提取并分离水中的氧气和氢气,同样无需移动部件,因此就省去了需要强制水循环的相关设备,如泵或离心机等,让整体减重高达50%,可靠性则远大于原本的系统。只是就目前来说,这项开始于20世纪中叶的研究,还在受困于高能耗、材料耐久性等问题,无法实现大规模的商业化应用。那咱们,拭目以待呗。