中國在研製不燒油的發動機,燒金屬就能動,可提升潛艇和魚雷速度

2019年06月15日     2,131     檢舉

在科幻大作《流浪地球》中,設定了一種「重元素聚變發動機技術」,簡單來說就是燒石頭,把山脈當作燃料,讓12000台行星發動機產生巨大的動力,推動地球脫離太陽系。對於作者大劉的腦洞,大喵深感敬佩,同時也想到了我國正在研製的一種不燒油的艦船發動機。

我們所熟知的艦船推進方式,無非傳統的划槳、後來的螺旋槳推進、噴水式推進,以及更先進的磁流體推進技術。其中,噴水式推進適合於高速艦船使用,它的原理簡單來說就是通過推進水泵噴出的水流獲得反作用力推動船隻前進,至於磁流體推進技術,目前來說成本過高,速度也比較慢,大喵有機會再單獨討論。

噴水式推進固然優點頗多,但是缺點同樣不容小覷,其中最明顯的就是結構複雜,系統龐大。最典型的噴水推進系統結構包含傳動裝置、推進水泵、管道系統等,依靠一系列組合部件維持運轉,如此一來,整個動力系統體積變得非常龐大,並且在水草或者雜物較多的水域中,管道非常容易出現堵塞,在使用過程中的噪音也比較大。因此,如何讓噴水發動機的結構更為簡化,推進效率更高,就成為了船舶動力系統中需要解決的一大難題。

對此,我國正在研製一種水衝壓噴射推進發動機,其中較為成熟的便是鈉水反應噴水發動機。這種發動機最獨特的地方在於,它不用燒油,「燒」金屬就能驅動。

在中學化學課上我們學過,活潑性較強的鹼金屬和鹼土金屬,(分別位於元素周期表的第I主族和第II主族,除氫和放射性元素外),都可以和水反應,生成氫氣和相應的鹼,並釋放出大量的熱。這個原理為鈉水式發動機提供了理論支撐。我國的科研人員正在研製的鈉水式發動機,工作原理為:

先用電熱裝置將金屬鈉加熱為液態(金屬鈉熔點97.7℃),接著將液態金屬鈉與水在反應室中發生劇烈的化學反應,生成氫氣和大量的熱,同時產生大量水蒸氣,使容器的壓力不斷增高,在快速噴出後產生推力,驅動船舶航行。反應室的頂部裝有收集氫氣的氣室,氫氣導入燃料電池用於發電,當容器內的水全部噴完後,氣室閥門打開容器重新注水,完成循環工作,實現持續運轉。

鈉水式發動機的好處顯而易見,一是免去了傳統噴水發動機的複雜系統,二是回收的氫氣可以為燃料電池供能,三是推進效率高,如果實際應用後,可提升潛艇和魚雷的速度。當然了,鈉水式發動機目前仍然屬於比較前沿的領域,仍有一些亟待解決的問題,其中包括:

鈉作為一種活潑金屬,如何儲存是個大麻煩。中學實驗室的金屬鈉都保存在煤油里,在實際應用中風險很高。另外,鈉和水反應後的產物之一便是氫氧化鈉,俗稱燒鹼,對環境和機器本身都具有強烈的腐蝕作用,處理氫氧化鈉又需要額外的成本。此外,將金屬鈉作為燃料使用,價格實在太高,因為用電解法製備金屬鈉需要消耗大量的電能。即便如此,鈉水式發動機仍然具有其它推進系統不具備的優勢,如果把它專門應用於魚雷、無人潛航器等裝備中,未來潛力不可估量。