這項技術 中國領先美國至少十年

【文/觀察者網專欄作者 施洋】

新一代核潛艇的推進器

本周三，在央視焦點訪談里，曾在電磁彈射器領域做出過突出貢獻的馬偉明院士又拿出了一項鼓舞人心的成就，那就是展示了號稱用於下一代核潛艇的無軸泵噴推進器。由於這項技術比較先進，互聯網上一時間也沒有特別靠譜的介紹，於是在一時之間，從「無軸泵噴只是一個大號的無刷電機」到「無軸泵噴就是電磁超導推進」的各種說法都冒了出來。

作為美國打算在10年以後才在核潛艇上實際裝備的真·高技術裝備，把無軸泵噴技術「矮化」成一種共享電瓶車上都有的地點技術顯然是荒謬可笑的。不過作為美國10年後就打算實用化的裝備，用超導之類的高技術辭彙過分神話這一技術，把它描述成像可控核聚變一樣的未來科技自然也不合適。要說明白這一切，還得從傳統的潛艇動力——螺旋槳說起。

在一般水面艦艇上，作為推進裝置的螺旋槳最主要考慮的就是推進效率。而在潛艇上，除了要儘可能提高推進效率，提升潛艇的航速外，螺旋槳的設計還有一個重要的考慮就是降低噪音，這一方面的要求一個是盡量減少螺旋槳產生的空泡（因為空泡破裂會產生額外噪音，同時降低螺旋槳推進效率並且損壞槳葉表面），另一個則是降低螺旋槳的轉速獲得較低的噪音（這毫無疑問會帶來速度的降低）。這兩項互相矛盾的要求在技術上互相妥協，加上參考現實的螺旋槳加工工藝的結果，就是我們在談到潛艇的時候經常會用到的一個詞「七葉大側斜螺旋槳」，這種螺旋槳相對來說比較不容易產生空泡，同時在低轉速的情況下還能獲得較高的推進效率和航速。

七葉大側斜螺旋槳

當然這顯然不是潛艇推進器的終點，在冷戰後期，泵噴推進器就走上了潛艇動力的舞台。從本質上說，泵噴推進的確也不是什麼高科技，顧名思義就是「像水泵一樣推進」。因為泵噴的外部設有漸擴式導管，就像飛機的進氣道一樣，可以將流入的水流減速，從而提高驅動的效率，並且延緩空泡的產生，從而提升動力效率，因此最早被用於魚雷提升航速。隨著技術的進一步發展，泵噴推進器在推進效率高於後者的同時，其輻射雜訊反而低於七葉大側斜槳。文獻表明，低航速下，泵噴的低頻線譜雜訊比七葉大側斜槳要小15dB以上，寬頻譜總雜訊級下降10dB以上，高航速下，降噪效果更為明顯。且泵噴空化性能要優於七葉大側斜螺旋槳，使得泵噴臨界航速更高，十分適合水下高速航行的核潛艇使用。當然，驅動幾噸重魚雷的泵噴和驅動幾千甚至上萬噸核潛艇的泵噴在技術難度上不是一個檔次，二者在結構上也因為定子位置不同分別採用後置定子泵噴和前置定子泵噴。分別突出速度和靜音性。經過多年發展，目前在美、英、法等國，泵噴已經成為新一代核潛艇的標準配備。

基洛級改進型拆下的後定子和轉子

至於無軸泵噴，本質上是把原本通過驅動軸驅動的轉子轉為通過集成在泵噴導管或者輪轂內的電機發出的電磁力驅動轉子旋轉。雖然原理上很像無刷電機，但無論是製造工藝還是其採用的潤滑方式都有相當大的不同。不過與傳統機械式泵噴相比，無軸泵噴的推進效率實際上是降低的，消耗功率則反而要增加，其主要的優勢還是在於能夠降低噪音。這當然不是說外置電機就比潛艇內部的電機更加安靜，而是因為無軸泵噴甩掉了無論是機械式泵噴還是螺旋槳都逃不掉的驅動軸，這根驅動軸帶來的整個推進器和軸系的震動及其產生的噪音，在無軸泵噴上都得以取消，從而在動力系統減噪方面邁進了一大步。當然這一技術難度不小，在此之前，美國是唯一將這一技術產品實用化的，潛艇上唯一運用無軸泵噴的就是美國的「弗吉尼亞」級，而且只是其艇上的輔助推進集成電機泵噴，美國目前的規劃，也只是在至少10年以後建造的下一代戰略彈道導彈核潛艇上可能採用的推進形式。

「弗吉尼亞」級潛艇的泵噴推進器，當然，還不是無軸泵噴

規劃中的美國海軍未來無軸泵噴

不過這一推進系統也不是毫無缺陷，一個是以目前的技術來看，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，但對於核潛艇來說，推進器也不能無限制增加。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，這些布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布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，目前美國最新的核潛艇規劃里，機械式泵噴又成了主流，無軸泵噴還是回到了輔助推進的位置上。

回到馬偉明院士的產品上，現場看到的無軸泵噴推進器體積和直徑都相當小，要麼只是一台功率較小的輔助推進器，要麼根本只是更加早期的技術驗證機。無論如何，這台無軸泵噴推進器距離真正裝上核潛艇，成為水下高速航行的主動力系統，顯然還存在相當大的距離。雖然這樣也不影響其在技術上的先進性甚至領先性，但就實用性而言，我們顯然還不能就此樂觀的認為，即將服役的新核潛艇的推進系統就能因為這樣一台驗證機而萬事大吉。

《焦點訪談》截圖 採訪中出現的無軸泵噴樣機

從目前的情況觀察，無論是已經服役並且多次遠赴印度洋、太平洋甚至大西洋進行巡航的093型核潛艇，還是增加了垂直發射的對陸攻擊巡航導彈，指揮台圍殼後部有隆起的093改進型核潛艇，都還沒有使用泵噴推進器的跡象，而是繼續使用傳統的七葉大側斜螺旋槳，因此對於中國海軍而言，無論是哪一種泵噴推進器，都能提高中國核潛艇的水下隱蔽性，並且提高中國海軍核潛艇的推進效率。對於過往記錄中水下噪音偏大，且長期因為反應堆尺寸和技術問題功率不足、水下航速偏慢的中國核潛艇來說，無論哪個形式的改變都是值得可喜的，而如果考慮到技術的複雜性，那麼技術上更加成熟可靠，且同時在推進效率和降噪兩方面都能取得較大進展的機械式泵噴推進系統，也許是眼前中國海軍核潛艇的最好選擇。至於隨著技術的進一步發展，中國的無軸泵噴推進器能否突破現有的技術上限，就要看馬院士給我們帶來的驚喜有多大了。

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