中国研制出高超声速发电机，可为未来武器提供强大动力

科技时坛
2023-05-17
中国科学家们宣布，他们已经开发出一种能够将高超音速运动的热气体转化为强大电流的发电机，这种电流可以为未来的高能武器提供动力。该装置使用不到一升的高超音速气体就能产生高达212千瓦的脉冲电流。

中国科学家宣布，他们已经成功开发出一种高超声速发电机，可以将高温高速的气体转化为强大的电流，为未来的激光、轨道炮、微波武器等脉冲能武器提供动力。这项技术也有可能用于民用领域，如核聚变能源或紧急情况下的强力求救信号。

据《南华早报》报道，中国科学院力学研究所的张晓远副研究员带领的团队发表在《中国理论与应用力学学报》上的一篇论文中介绍了这项技术。

在一个实验中，他们使用了一种基于爆轰驱动高超声速气体流动（DDHG）模型来模拟磁流体发电机（MHDG）系统，并用不到一升的高超声速气体就产生了高达212千瓦的电流，显示出它在极短时间内释放巨大能量的潜力。

磁流体发电机是解决脉冲能武器开发和部署中最大的难题之一。脉冲能武器是指利用巨大的能量脉冲来摧毁目标的武器，如激光、轨道炮、微波武器等。传统的燃烧方式，如喷气发动机中的化石燃料燃烧，无法快速产生足够的离子化气体来进行高功率发电。

中国科学家表示，他们制造出来的高超声速发电机具有容量大、效率高、无需中间储能组件、无需高功率开关、启动快等优点，并且没有旋转部件，增加了效率和易用性。

他们还表示，如果使用177立方英尺（约5立方米）的高超声速等离子体，就可以产生千兆级别（1千兆=1000兆）的输入功率，这是目前许多武器所需的功率水平。

不过，中国还没有准备好部署这种新系统。在运输和使用过程中还有许多物流难题需要解决，比如如何控制爆炸、如何在移动时补充气体等。此外，如果要实现技术的自动化和连续化，还需要进一步完善装置的设计和性能。

磁流体发电机（MHDG）的原理

磁流体发电机（MHDG）的原理是利用导电流体（如气体或液体）与磁场相对运动而发电的一种设备。

导电流体在通道中横越磁场时，由于电磁感应而在垂直于磁场和流速的方向上感生出一个电场，如果把导电流体与外负载相接，导电流体中的能量就可直接转换成电能，向外输出。

这样能省去普通发电机组中某些能量转换的中间过程，因此这种发电又称磁流体直接发电。在这种发电装置中主要部件是发电通道、电极和磁场。

根据电流由导电流体中引出的方式，发电装置可分为传导式和感应式两种。

在传导式发电器中，电流是通过发电通道两侧的电极引出的；在感应式发电器中，没有电极，电流直接由磁场绕组输出。根据输出电流的类别，发电装置可分为交流和直流两种。

根据工作介质在装置中是一次使用还是在系统中循环使用,发电装置可分为开式和闭式两种。根据发电通道几何形状的不同，发电装置可分为直线型、涡旋型和径向外流型等几种。

开式循环直线型磁流体发电装置是一种典型的应用。这种发电装置中的工作介质是温度2500~3500K的高温等离子气体。

等离子气体在连续或分段的直线型发电通道中横越磁场时，由于霍尔效应（Hall effect），即当等离子体密度较低时，气体中的正负离子在磁场中偏转不同角度而产生垂直于平行于磁场方向的霍尔电流，从而产生感应出一个垂直于磁场和霍尔电流方向的平行于通道方向的霍尔电压，即达成了发电的目的。

MHDG技术的优点

无需旋转部件、无需中间储能组件、无需高功率开关等，可以在高达3000 K以上的温度下工作，从而提高了热效率。传统的燃烧方式，如喷气发动机中的化石燃料燃烧，受到材料和结构的限制，一般不超过2000 K，而且无法快速产生足够的离子化气体来进行高功率发电。

张晓远团队表示，他们制造出来的MHDG系统在一些条件下可以达到千兆级别（1千兆=1000兆）的输入功率，这是目前许多武器所需的功率水平。

例如，在假设气体为理想气体、比热容为1005 J/kg·K、温度为3000 K、压力为10 MPa、速度为14 Mach时，需要约0.4 kg/s的质量流量才能达到1000 MW的输入功率。而要达到这样的质量流量，需要约5.6 m3/s的体积流量。如果假设气体在进入MHDG之前是均匀分布在177立方英尺（约5立方米）的空间内，则需要约1.12 s才能将所有气体输送到MHDG中。