推进技术 浅谈下一代潜艇推进技术——无轴泵喷推进技术

2017年5月30日，中央电视台播出的一篇报道称，中国工程院院士少将·马伟明和中国海军工程大学研制的“潜艇用无轴泵喷气推进器”在技术上领先美国十年。中国下一代核潜艇将使用中国自主研发的“无轴泵喷气推进器”。消息一出，就引起了国内外的热烈讨论，各种智库发表了各种张文分析，大大感叹美国不再拥有水下优势的局面。那么什么是无轴泵喷气推进动力呢？有什么优势？离实际应用还有多远？

众所周知，潜艇推进装置可分为螺旋桨推进器和泵喷射推进器。泵喷推进器可分为两种:轴向泵喷推进器和无轴泵喷推进器。目前实际使用的泵喷推进器都是轴流泵喷推进器。

潜艇采用螺旋桨推进时，由于桨叶振动和空气泡会产生很大的噪声。这种噪声辐射到海水中后很容易被敌方反潜声纳捕捉到。为了降低潜艇螺旋桨的运行噪音，人们想了很多办法。方法之一是给潜艇装备七叶大侧斜螺旋桨。潜艇是否采用七叶大侧斜螺旋桨曾是潜艇是否先进的标志。大侧倾角七叶螺旋桨是一种低噪声的推进装置。

然而，七叶片螺旋桨并不是一个完美的推进装置。经过反复试验，科学家和工程师们发现，如果在螺旋桨上覆盖一层隔音、防振的导流板，可以进一步降低螺旋桨的工作噪音。这种潜艇推进装置比螺旋桨-泵喷射推进器更先进。与传统的螺旋桨相比，泵喷式螺旋桨在外观上最大的特点是其螺旋桨叶片包裹在环形护罩中。泵喷式螺旋桨可以大大提高推进效率，同时泵喷式螺旋桨辐射的噪声远低于七叶大倾角螺旋桨。

英国是第一个在潜艇上使用泵喷射推进器的国家。跟随英国的脚步，美国人也为他们的核潜艇开发了泵喷射推进器。目前，在英国的特拉法尔加级、美国的海狼级、弗吉尼亚级等先进的攻击核潜艇上都使用了泵喷推进器。美国正在规划中的“哥伦比亚级”战略导弹核潜艇，肯定会使用泵喷推进器。

虽然螺旋桨的噪音比螺旋桨大幅度降低，但仍有传动轴系统使用螺旋桨贯穿潜艇的耐压船体。因此，当潜艇航行时，传动轴系统与船体、传动轴系统与泵喷推进器会相互作用，产生能暴露潜艇行踪的噪声。为了进一步降低潜艇的噪声，科学家们开始研制下一代潜艇推进动力——无轴泵喷推进器。

与轴流泵射流推进器相比，无轴泵射流将驱动轴驱动的叶轮改为电机驱动，电机不安装在潜艇的中心轴上，而是布置在环形导管中，没有中心驱动轴，推进器(转子)不再是一体的，而是由几个单独的叶片组成，由中心驱动变为外围驱动，因此称为无轴泵射流。

无轴泵喷推进器与船体压力壳内的动力装置之间只有电缆连接。电缆负责将潜艇船体中的动力和控制信号传递给无轴泵喷气推进器；安装在无轴泵喷射推进器上的各种监测传感器收集的数据也通过电缆传输回潜艇，供潜艇运营商决策。

在潜艇上使用无轴泵喷推进器有许多优点。首先，由于无轴泵喷推进器上没有来自潜艇船体的主传动轴，所以主传动轴系统在运行时不会产生噪音。其次，由于无轴泵喷推进器将电机布置在船体外部的环形导管上，也可以节省潜艇船体舱内宝贵的空空间；最后，无轴泵喷推进器与船体之间只有电缆连接，因此其布置非常灵活。它可以安装在潜艇尾部的中心轴上，潜艇尾部的两侧，以及潜艇的各种舵上。它甚至可以安装在潜艇船体上，并与潜艇集成在一起。潜艇船体前后开有一个孔，两个孔之间的尾水管内可以放置无轴泵喷气推进器。

无轴泵喷气推进技术的实验样机虽然已经在国内制造完成，但要实现工程应用并成功应用于潜艇，还需要解决一系列技术问题。

首先要解决舰舰一体化动力技术的实际问题。因为无轴泵-射流推进器的转子叶轮是由大功率电机驱动的。一方面，这些电机是电力的大消费者；另一方面，由于潜艇的速度变化很大，这些电机的电力需求随时都在变化。潜艇需要采用一体化的动力系统，使发动机提供的动力能够准确调度，从而在“无轴泵-喷气推进器”获得充足持续的动力供应时，也能满足潜艇上其他设备和武器的动力消耗。据目前报道的信息，我国已经完成了第二代船舶综合电力系统——中压DC船舶综合电力系统的研发，这意味着我国已经解决了这部分问题。

其次，需要开发一种大功率、小尺寸、轻重量的驱动电机。中国下一代核潜艇的排水量肯定会超过一万吨。如果只装备一个无轴泵喷推进器，这个推进器的可用功率将达到几万马力。这种螺旋桨使用的电机必须具有体积小、重量轻的特点，同时要有足够的功率。否则，它根本无法装入“无轴泵喷气推进器”的环形尾水管。

最后，无轴泵-喷射推进器中使用的电机应该能够在高盐度和高腐蚀性的环境中长时间工作。无轴泵喷推进器的内置电机必须暴露在恶劣的水环境中，使海水能够流过电机定子和转子之间的间隙，带走电机产生的热量，从而完成电机冷却的任务。因此，电机定子和转子的外壁需要特殊的保护设计。无轴泵喷推进器的整流罩对电机起着机械保护作用，这也需要特殊的设计。

当然，无轴泵-喷气推进技术也不是没有缺陷。从目前的技术水平来看，无轴泵喷推进不适合与大功率主推力推进系统配合使用。大多数实践主要是利用其灵活的转向，因为它不需要推进轴，并将其用作辅助推进系统来提高船舶的机动性，同时保留螺旋桨或机械泵喷作为主要动力。当然，理论上只要增加几个无轴泵，功率是可以提高的，但是对于核潜艇来说，螺旋桨不可能无限增加。

根据现有的计算，如果潜艇上“捆绑”的无轴泵喷流数量超过3个，这些布置得太近的螺旋桨就会互相“抢水喝”，导致螺旋桨的功率下降，但只安装了一两个。力量不够；另一个缺点是它的电磁设备，如电机，布置在潜艇外部的整流罩内，其电磁信号缺乏屏蔽，容易导致潜艇磁信号的增强。基于以上两方面的考虑，美国最新的弗吉尼亚核潜艇仍然采用轴流泵-射流推进技术，但在美国未来的潜艇规划中，无轴泵-射流推进器仅作为辅助动力，机械泵-射流仍然是主要动力，与我国整体无轴泵-射流的设计相差甚远。