中国突破高超音速发电机!爆轰驱动磁流体发电:可供电高能脉冲武器

2月2日，《南华早报》报道了中国科学家在高能脉冲领域的一大突破，爆轰驱动惰性等离子气体致高超音速发电机获得突破性进展，未来将可以为军用激光器、轨道炮和微波武器供电。

爆轰驱动磁流体超音速发电：这到底是什么技术？

《南华早报》报道称，北京的科学家已经开发出一种发电机，可以将以高超音速运动炽热气体转化为能够为未来武器提供动力的强电流。中国科学院力学研究所助理研究员张晓源领导的团队称，产生的电能可用于为军用高能脉冲武器的供电，也能为民用环境下的核聚变高能环境供电。

关于技术成果，已经于1月19日发布在《Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics》（力学学报）上，标题为《爆轰驱动惰性气体磁流体发电试验研究》，下文就来介绍下，这到底是怎样一种技术。

• 磁流体发电：和普通发电机还真有点不一样

磁流体发电机（MHD）是一种直接将热能和动能转换成电能技术，其原理从根本上和传统的发电机差别不大，但结构却千差万别！传统发电机原理是这样的，导体在磁场中运动切割磁力线，就会中导线两端产生电动势，将多股线圈的电动势连起来就可以产生足够的电压供给设备使用，或者磁场运动，导体不动，或者磁场导体都运动，只要让两者有相对运动即可。

在磁流体发电机中，磁场还是原来的磁场，可以用永磁体产生，也可以用脉冲电源供电，甚至可以用发电机本身发电的电源自激，但运动的导体却不是一般意义上的金属体了，而是高温等离子体，上过中学的朋友都知道，等离子体是物质固液气外的第四种状态，它是导电的。

让高温的等离子体以极高的速度通过高强度磁场，然后在磁力线的垂直方向拾取出导电的等离子体切割磁力线产生的电流，这基本就是磁流体发电的原理。

• 磁流体发电：如何提高效率与功率

发电机提高效率与功率的方式大家都明白，加大磁场，减少间隙漏磁损失、用电阻更小的导体甚至超导体，同时增加导体或者磁场运动速度。在磁流体发电机中，也是几个套路，比如加大磁场强度，增加等离子体速度，增加等离子体的导电率等；

如何更容易达到等离子态？如何增加导电率

物质等离子体化是比较容易的，只要将物质加热到等离子化的高温即可，但温度太高不仅要消耗大量能量，而且会让设备耐高温性能增加，因此必须要找到一种比较低的温度下达到等离子态的方法：

• 早期西屋公司的工程师用汽油与纯氧燃烧来产生高温等离子体，在1.4T的磁场下获得了10.4KW的功率；
• 后来MHD研究公司的专家用炸药爆炸并加入硝酸铯增加电离性能，制成了一台爆炸磁流体发电机，效率达到了1.6%。
• 再后来IWATA的工程师用激光加热氩气进行磁流体发电实验，结果发现效果显著；
• 我国科学家李益文以航空煤油作为磁流体发电工质，欧东斌利用电弧加热氩气获得等离子体，并注入铯提高导电率等等

这些科学家都进行了大量探索，但不是导电率不足就是时间太短，比如使用高危物品炸药只能达到微秒级，或者加大炸药用量，又或者动用激光这些本来就需要强大电源供电的技术，如何解决这个难题？

• 中国科学家：突破磁流体发电的瓶颈，把功率增加10倍

科学家都不约而同的想到了用激波风洞来提高等离子体的温度与速度，采用激波管或激波风洞可以将来流温度提升至10000 K以上, 试验时间可达毫秒量级，并且在达到等离子体要求后无需再添加铯等碱金属。

• Okuno首次在直线型法拉第发电机中采用氦气驱动无种子的高温氩等离子体进行了磁流体发电试验, 获得了几乎无波动的输出功率；
• Murakami利用激波风洞, 将发电机入口总温从8000 K提高到9000 K, 最大输出功率由9.3 kW升至15.1 kW

这些试验证明了激波管在磁流体发电中的应用潜能，但问题也很明显，磁流体发电的激波管试验工作均在轻气体驱动的激波管上开展，受其驱动能力影响,，产生的气体工质导电性受到限制。

如何突破这个难题？

激波管的驱动方式有轻气体驱动、燃烧驱动和自由活塞驱动等，爆轰驱动是激波管驱动的一种特殊形态，其能产生极大的输出功率，能量释放率可轻松达到普通燃烧的万倍以上，如果以爆轰驱动激波管作为磁流体发电机的能量源，可以产生导电气体更优良的等离子体，同时还获得极大的速度。

而我国正是风洞大国与强国，其中爆轰驱动的风洞技术更是全球顶尖。2021年5月31日，《南华早报》报道了中国30马赫的爆轰驱动JF-22风洞，其产生的功率是胡佛水坝的7倍，仅仅略小于三峡大坝。据中国科学院力学研究所的韩贵来博士称，这个风洞大约领先西方20~30年。

虽然张晓源领导的研究团队并没有表示用的哪种风洞，但可以相信的是他们能调动的资源要比国外科学家要多得多。在如此优秀的测试条件下，团队利用氢氧爆轰将氩气加速到了14马赫，将惰性气体转变为充满高温带电离子的高导电等离子体。

这个测试系统的组成部分由爆轰驱动激波管、拉瓦尔喷管、发电通道、电磁铁和真空罐等组成，激波管内径224毫米, 驱动段11米，被驱动段15米，采用反向爆轰时还需卸爆段3米。

高达14马赫的等离子体在通过有效发电长度为300毫米的连续电极型的法拉第直线型磁流体发电机时（磁场强度0.9T），其产生瞬态功率达到了212千瓦，这个功率几乎是目前磁流体同类研究中的10倍以上。

这是一项相当了不起的成就，张晓源领导的研究团队为高功率脉冲电源的发展提供了一种新的思路。

高能脉冲武器：供电要求到底有多复杂？

在大家的印象中，电源都是需要稳定的，这种瞬发的高能脉冲简直就是祸害，如果在供电系统中出现一个尖峰脉冲，估计无保护的大量电子设备都得挂了！但随着各种特殊设备的使用，在很多特殊场合都需要这种超强脉冲电源。

• 比如兆瓦级的战略级激光武器，其激发方式有微秒级、纳秒级和飞秒级，毁伤方式各不相同，这些极短时间的脉冲激光，只有超高强度的脉冲电源才能实现；
• 除了激光武器以外，还有电磁炮与电磁弹射等，前者时间相对比较短，而后者时间则会长一些，但也就在2-3秒内，功率则高达130MW以上；
• 还有EMP电磁脉冲武器或者干扰器，这种瞬间功率要求也极高，而时间同样很短

目前给这些设备供电系统包括电网或者离线的燃油发电机，再加上飞轮储能或者蓄电池储能，然后再来高功率电容储能，最后就是按设备要求的变频电源了。

大家都知道飞轮储能体积相当大，不是航母这些级别还真供不起，目前能适应小环境的是蓄电池与高功率电容储能，前者是功率不大但容量大，后者是功率很大但容量小，目前只能搭配起来使用，因为没有电源能同时满足高功率并且大容量的。

磁流体发电机是有机会将化学能瞬间释放出来的设备，目前的各种常见燃料中，氢的热值是汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。而各位尊为天神的锂电池能量密度只有汽油的1/20（另一说是1/40甚至更低），所以要是有一种设备能将这些化学能瞬间释放，哪怕效率只有10%，也比那些不成器锂电池要好得多。

当然目前磁流体发电机也是存在体积庞大，效率低下的问题！但磁流体发电需要将技术简化，设备缩小，尽管目前看来还比较遥远，但技术迭代是很快的，搞不好我们在未来真会用上磁流体发电机。

延伸阅读：磁流体发电体系，效率可达60%以上

各位先来了解下常规的热电厂发电效率：普通亚临界电厂效率约为30%、单位碳排放高达1116克/千瓦时：

• 而超临界电厂的效率可达38%，单位碳排放降至881克/千瓦时；
• 超超临界电厂效率可达45%，单位碳排放为742克/千瓦时；
• 先进超超临界电厂的效率可达50%，单位煤耗为669千克/千瓦时；

基本上这个数字已经到极限了，如果加入磁流体发电体系，那么这个效率可达60%以上，原因是这样的，目前的磁流体发电效率是闭环盘式磁流体发电机瞬间峰值焓提取达到30.2%，平均效率可达22%以上。

在高温的燃煤热流中，磁流体只是利用了其中的等离子体导电性发电，只有气体的部分动能与热能，通过磁流体发电机的产物依然是高温，再结合涡轮机布雷顿循环或蒸汽发生器朗肯循环发电，那么整体效率可以达60%以上。

目前已经很难将燃煤电厂的效率提高，而磁流体发电是目前的一个重要方向，尽管本文前半部分描述是高超音速脉冲电源，但磁流体同样能提供稳定的电源，并且它的优势是可以将此前发电方式中无法利用的部分通过磁流体发电有效利用，进一步增加发电厂的效率。