淺談下一代潛艇推進技術——無軸泵噴推進技術

淺談下一代潛艇推進技術——無軸泵噴推進技術

  2017年5月30日,在中國中央電視台播發的報道中,稱中國工程院院士、中國武漢海軍工程大學馬偉明少將所在團隊研製的“潛艇用無軸泵噴推進器”,在技術領先美國十年。中國的下一代核潛艇上,將用上中國自主研發的“無軸泵噴推進器”。消息一出,就引起國內外一片熱烈討論,各大智庫紛紛發表各種文章分析,大有感嘆美國水下優勢不再的局面。那麼什麼是無軸泵噴推進動力呢?它具有什麼優點呢?離實際應用還有多遠?

淺談下一代潛艇推進技術——無軸泵噴推進技術

  大家知道,潛艇的推進裝置可分為螺旋槳推進器與泵噴推進器兩大類。其中泵噴推進器又可以分為有軸泵噴推進器和無軸泵噴推進器兩類。目前實際應用泵噴推進器都是有軸泵噴推進器。

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  潛艇在用螺旋槳推進時,由於葉片振動及空泡的存在,會產生很大噪聲。這種噪聲輻射到海水中後,容易被敵方反潛聲吶捕捉到。為降低潛艇推進螺旋槳的運行噪聲,人們想了很多辦法。其中一種辦法就是給潛艇配備七葉大側斜螺旋槳。潛艇是否採用七葉大側斜推進螺旋槳,曾是潛艇是否先進的一個標誌。七葉大側斜螺旋槳,是一種噪聲較低的推進裝置。

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  但是七葉大側斜螺旋槳並不是一種完美的推進裝置。科學家與工程師經過反覆試驗發現,如果在螺旋槳外面罩上一個隔音隔振的導流罩,就可進一步降低螺旋槳的運行噪聲。這種比螺旋槳推進器更先進的潛艇用推進裝置——泵噴推進器。與傳統的螺旋槳推進器相比,泵噴推進器在外觀上的最大特點是,它的推進槳葉,被包裹在一個環形導流罩內。泵噴推進器在大幅提高推進效率的同時,輻射出的噪聲比七葉大側斜螺旋槳還要低很多。

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  最早在潛艇上使用泵噴推進器的國家,是英國。步英國後塵,美國人也為自己的核潛艇開發了泵噴推進器。目前,英國的“特拉法爾加級”“機敏級”、與美國“海狼級”“弗吉尼亞級”等先進攻擊核潛艇上,都採用了泵噴推進器。美國正在規劃中的下一代戰略導彈核潛艇“哥倫比亞級”,也鐵定要使用泵噴推進器。

淺談下一代潛艇推進技術——無軸泵噴推進技術

  儘管有軸泵噴推進器相比螺旋槳大幅降低了噪聲,然而採用“有軸泵噴推進器”的潛艇,仍有貫穿艇體耐壓殼的傳動軸系存在。因而,潛艇在航行時,這個傳動軸系與艇體、傳動軸系與泵噴推進器之間,會相互影響而產生可暴露潛艇行蹤的噪聲。為進一步降低潛艇的噪聲,科學家們開始研製下一代的潛艇推進動力——無軸泵噴推進器。

淺談下一代潛艇推進技術——無軸泵噴推進技術

  相比有軸泵噴推進器,無軸泵噴則是把驅動軸帶動葉輪改成電機驅動,而且電動機不是安裝到潛艇的中心軸線,而是佈置在環狀導管內,不需要中心驅動軸,螺旋槳(轉子)也不再是一體式的,而是由多個單獨的葉片組成,從中心驅動變成了四周驅動,所以叫無軸泵噴。

淺談下一代潛艇推進技術——無軸泵噴推進技術

  無軸泵噴推進器與艇體耐壓殼內的動力裝置,只存在電纜聯繫。電纜負責將潛艇艇體內的電力與控制信號,傳送到無軸泵噴推進器上;無軸泵噴推進器上配裝的各種監控傳感器收集的數據,也通過電纜回傳到潛艇艇內,供潛艇操作人員決策用。

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  潛艇採用無軸泵噴推進器的好處很多,首先因為沒有有軸泵噴推進器上那根來自潛艇艇體內的主傳動軸,所以它在運行時,就沒有了主傳動軸系產生的噪聲。其次,由於無軸泵噴推進器是把電機佈置在艇體外部的環形導管上,所以還能節省潛艇艇體艙內的寶貴空間;最後,無軸泵噴推進器與艇體內部只存在電纜聯繫,所以它的佈置非常靈活。它可以裝在潛艇尾部正中軸線上,也可裝在潛艇尾部兩側,還能設在潛艇的各種舵上。甚至可設置在潛艇艇體內,與潛艇融為一體。在潛艇艇體前後各開一個口子,兩個口子之間的導流管內,就可放置無軸泵噴推進器。

淺談下一代潛艇推進技術——無軸泵噴推進技術

  儘管目前中國已經制造出但無軸泵噴推進技術的實驗樣機,但是無軸泵噴推進技術要實現工程化應用,要成功應用到潛艇上去,還需要解決一系列技術難題。

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  首先,需要解決艦船舶綜合電力技術實用化難題。因為無軸泵噴推進器的轉子葉輪是使用大功率電動機驅動的。這些電動機一方面是耗電大户;另一方面因潛艇的航速變化範圍大,所以這些電動機工作時對電力的需求,也是在隨時變化的。潛艇需採用綜合電力系統,才能對發動機提供的電力實施精確化調度,從而使“無軸泵噴推進器”在得到足夠與持續的電力供應時,潛艇上其它設備與武器裝備的用電,也可得到滿足。從目前報道的信息,中國目前已完成第二代船舶綜合電力系統——中壓直流船舶綜合電力系統的研發工作,這意味着這部分的難題中國已經解決。

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  其次,需研製出功率大、體積小、重量輕的驅動電機。中國下一代核潛艇排水量肯定會超過一萬噸,要想推進排水量上萬噸的核潛艇,如果僅配裝一台無軸泵噴推進器的話,這台推進器的可用功率,就得達到幾萬馬力。這台推進器所用的電動機,在功率足夠大的同時,還必須具備體積小、重量輕特點。否則,它根本裝不進“無軸泵噴推進器”的環形導流管內。

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  最後是無軸泵噴推進器所用電動機,要能在高鹽高腐蝕性的環境中長期工作。無軸泵噴推進器”的內置電機,必須暴露在惡劣的水環境中,以讓海水流過電動機定子和轉子之間的間隙,帶走電動機產生的熱量,從而完成對電動機的冷卻任務。所以,電動機定子和轉子的外壁,都需要採用特殊的防護設計。無軸泵噴推進器的導流罩對電動機起到機械防護作用,也需要專門設計。

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  當然,無軸泵噴推進技術也不是沒有缺陷的,從目前的技術水平來看,無軸泵推還不適合作為主推力的大功率推進系統,大多數的實踐主要還是利用其不需要推進軸,所以轉向靈活的優勢,作為改善艦船操縱性的輔助推進系統,同時保留螺旋槳或者機械式泵噴作為主動力。當然理論上只要增加幾個無軸泵噴,動力確實也能得到改善,但對於核潛艇來説,推進器也不能無限制增加。

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  根據現有的測算,如果“捆綁”在潛艇上的無軸泵噴數量超過3個,這些佈置距離太近的推進器就會互相“搶水喝”,導致推進器的功率下降,而只裝1個或者2個則功率又不夠;另一個缺陷則是因為其電機等電磁設備都佈置於潛艇外的導流罩內,其電磁信號缺乏遮蔽,很容易導致潛艇的磁信號增強。基於上述兩個考慮,目前美國最新的弗吉尼亞核潛艇還是使用有軸泵噴推進技術,而在美國未來潛艇的規劃中,只是將該無軸泵噴推進器作為輔助動力,機械泵推仍然是主動力,這與中國的全無軸泵推設計有很大差距的。

  以下為網友評論:

  網友“花148746117”:中國現在就像印度。印度是什麼都和中國比,自以為比中國厲害,中國都懶得和它比。中國搞個什麼都説領先美國,有意思麼?

  網友“樂天派O178362196”:中壓直流,無軸泵噴,電磁彈射,電磁阻攔,電磁炮,高能武器,歷害了馬偉明,不愧是八一獎章的獲得者。實至名歸!

  網友“小河流水74194144”:最後還是得靠扔石頭

  網友“朝鮮泡菜17613441”:我是知識少,可是我還識字,多看看書就知道這無軸多麼可笑

  網友“薴瀞致逺161371563”:其實潛艇的噪音來自多方面,最大的噪音來自動力和傳動,其次是螺旋槳,潛艇外表面和艇內人員。最早的降噪是從螺旋槳和潛艇表面開始搞的,因為動力和傳動基本上是無解的。早在九十年代我們引進了毛子的消音瓦工藝,但是效果不是很好,現在新的潛艇基本上沒采用,美帝採用的是仿鯊魚皮蒙皮技術,比消音瓦好的多,但是造價很當昂貴。螺旋槳降噪主要是螺旋槳的加工工藝,早期我們沒有精密的加工機牀,這幾年我們主要的精密數控機牀取得了重大突破,螺旋槳問題基本解決,但是前面這兩項把降噪水平提升都不是太大。最大的噪音源是動力和傳動,我們現在的無軸推進也只是解決了傳動系統的噪音,但是這是個偉大的進步,它使我們的噪音水平下降了一個數量級。我們現在和美國的差距主要在動力系統的降噪水平,我們相信我們的技術人員會解決的。

  網友“KiraCookie”:我就想問 電磁特徵會不會很大……

  網友“流水不腐32”:十幾萬匹功率的馬達,做得立方米體積大小,還要在水下幾百米密封……,宛如外星科技……,不敢想象,有點吹過頭了[流淚][流淚]

  網友“UrbaneChang”:馬院士,終於接過了泰斗“錢學森”的班,中國需要這樣大師級的著名科學家;某種意義上,代表着中國最高科技水平;作者所寫的文章中的技術難點,也正是美國還沒有突破的原因;這些難點,也毫無疑問被馬院士團隊拿下來了!要讓對手不敢輕舉妄動,就得事實上超過對手的能力!

  網友“太陽125933863”:各國還曾研究過像魚那樣週期性變動外形的,不實用,放棄了,重拾螺旋槳動力

  網友“三1240453”:無軸指的是沒有傳動軸,你確實是知識少!

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