盘点中国掌握的黑科技 下一代核潜艇呼之欲出

                        2017年11月10日 09:49 新浪军事
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                          来源:观察者网

                          10月23日,中船重工官微报道,中国海军在三亚基地成功地试验了潜艇用?#26469;?#30005;机。这使得中国在核潜艇静音诸环节中又锁上了重要的一环。

                          核潜艇是国之重器,但只有安静的核潜艇才是国之利器。在70年代中国就憋劲咬牙造出了第一代核潜艇。但由于技术和经济条件的限制,这是有遗憾的。

                          40年后,中国在许多关键的工业技术方面取得了巨大的进展,有些甚至跨入世界前沿,但在核潜艇静音方面还是有显著差距。在各级舰船下饺子的时候,核潜艇方面进展缓慢,?#29615;?#20851;键技术没有取得突破,不宜在?#36864;?#24179;上投入过多的考虑。

                          核潜艇具有?#23548;?#19978;无限的水下航程,而?#39029;中?#33322;速高。现代驱护舰靠放出直升机追核潜艇,如果不是跟上航母编队的要求,现代驱护舰很多已经跑不过核潜艇了,因为勉强跑出高速没有意义,常规动力的驱护舰要不了多久就追不上可以?#20013;?#20197;最高航速一骑绝?#24452;?#21435;的核潜艇了,当然水下是没有尘的。

                          核潜艇常给人一种尺寸很小的错觉。图为俄亥俄级战略核潜艇佛罗里达号,艇员站坡都紧紧巴巴

                          ?#23548;?#19978;她是一艘能以24节航速飞驰的水下“巡洋舰?#20445;?#20854;动力需求?#19978;?#32780;知

                          但核潜艇具有?#23616;试?#22768;较高的问题。反应堆的冷却水泵和管路内的水流噪声,齿轮减速箱的噪声,传动轴的振动和轴?#24615;?#22768;,螺旋桨的噪声,都使得核潜艇的降噪难度很高。

                          自然循环反应堆大大降低反应堆的噪声。自然循环没有了泵机的噪声,本身的水流流动也比较舒缓。水壶烧水的时候,只要不是一上来就大火猛烧,在产生气泡、快要烧开之前,基本上是无声的,但水壶里已经由于热水上升和冷水下降而在自然循环了。自然循环噪声低,没有泵机的功率消?#27169;?#20294;传热效率较低。完全自然循环的反应堆会很大,很笨重。在中低功?#39318;?#24577;下用自然循环,在高功?#39318;?#24577;下加入强制循环,可以较好地达到静音和功率密度之间的平衡。

                          4月21日,中国科技奖励网报道引用核潜艇总师张锦岚的话说,中国已经在实现了反应堆的自然循环,这就从反应堆方面解决了噪声问题。

                          反应堆示意图。红圈所示即为循环泵,关了这个东西之后,才到见“真功夫”的时候。

                          海狼级核潜艇动力舱段,里面是世界上最强大的自循环核潜艇堆S6W

                          反应堆产生热量,产生高温高压蒸汽,推动汽轮机,转换为机?#30340;堋?#20256;统方式是把这机?#30340;?#30452;接用于推进。但汽轮机转速大大高于螺旋桨转速,需要大功?#22987;?#36895;齿轮箱,这是可观的噪声源。反应堆、汽轮机、齿轮箱重量打,只能布置在艇体中段,保证中心和重量的合理分配,导致的很长的传动轴,不仅制造要求高、重量大、占用宝贵空间,还不可避免地产生振动和轴?#24615;?#22768;,这是另一个可观的噪声源。

                          用电力推进的话,汽轮机驱动发电机,大功率输配电?#20302;场?#26580;性”地通过电缆传递功率,不仅大大便利艇内的设备布置,而且便于用可变转速电机推动,一举取消了齿轮箱、传动轴的噪声。传?#25104;?#29992;励磁电机,现在采用更先进的?#26469;?#30005;机,功率密度更高,噪声更低。

                          并非巧合的是,大名鼎鼎的马伟明院士的重要贡献之一就是中压交直流?#20302;场?#20013;压比低压的功率密度更高,这是现代电推的关键技术,新一代汽车也有向48伏直流转变的趋势,舰船使用的可以更高,但英国“伊丽莎白女王”级航母和美国“朱姆瓦尔特”级驱逐舰据说用的还是低压直流?#20302;场?#30452;流便于大功率传输和调速,用于推进;交流用于艇其他一般用户。中压?#20302;?#21644;?#26469;?#30005;机一起,这又锁上核潜艇动力?#20302;?#38477;噪链的又一环。

                          马伟明院士的话讲的?#36130;?#20294;相关节目中展示的无轴泵喷装?#27809;?#26159;个小型装置,距离?#23548;?#24212;用到底有多少距离还难估计

                          更非巧合的是,在央视《焦点访谈》节目中,马伟明院?#31354;?#31034;了无轴泵推技术。展示的当然是实验室规模的小东西,现在达到什么样的实用化程度?#28508;?#23494;的,到底离装艇使用有多少距离,就留给人们想象了。

                          传统推进用螺旋桨,倾斜的叶片在旋转中通过对水的斜切的向后分量形成推进力。从另一个角度来说,就是在叶片前后制造一个压力差。压力差越大,推进的力道越大。不过,压力差也是有副作用的,叶片背后的减压会造成汽化,空泡在水压下破灭会产生很大的噪声。由于叶片产生压差的能力与线速度的平方成正比,简单叶片的空泡澡声在?#37117;?#36798;到最大。由于直接暴露在水中,这或许是潜艇噪声的最大来源。

                          为了使得叶片的推进效率在半径方向相对均匀?#28304;?#21040;最优,叶片宽度和扭转需要精心设计,这就形成了螺旋桨叶片像现代抽象派雕刻一样的奇特形状。为了加大推力但减小噪声,通常还需要加大?#26412;丁?#38477;低转速。大?#26412;?#22797;?#20248;?#36716;的螺旋桨制造是技术难关,当年东芝因为私下向苏联出口有关数控机?#19981;?#36973;到美国的严厉制裁。

                          但螺旋桨的降噪是有极限的,进一步降噪要在螺旋桨以外做文章,这就?#28508;?#25512;。泵推也称涵道螺旋桨,在常见螺旋桨之外围上一圈围壳,对叶片噪声实?#21046;?#34109;,只有在尾后很小的锥形区域内才容易探测到螺旋桨的噪声。

                          泵推不是新概念,在鱼雷上也早就得到应用,但在潜艇上的应用依然属于前沿技术。魔鬼正在细节之中。

                          法国凯旋级战略核潜艇的模型,红圈部位即为泵喷推进?#20302;?/p>

                          泵推的围壳套在艇艉锥顶端,必然需要支撑结构,这称为定子,通常是顺着流向的固定叶片结构。螺旋桨当然就是转子。在结构上,要么定子在前,转子在后;要么转子在前,定子在后。两者各有好处。

                          前置定子可以起到整流作用,把进水理顺,有利于转子发挥最大推进效率,常用于追求最大速度的鱼雷。螺旋?#23433;?#29983;的推进水流必然带有转动。转动是不产生推进作用的,但转动又必然与周围的静止水体产生互动,产生紊流和噪声。前置定子有利于转子发力,这也导致较大的噪声。

                          后置定子则相反,把转子的出水理顺,减少水流的转动,减少噪声。后置定子本身对噪声也有一定的屏蔽作用,进一步降噪,多用于追求最大降噪的潜艇。

                          检修中的基洛级潜艇“埃罗莎”号。A:转子,B:定子,C?#21644;?#22771;。可见典型的定子后置设计。

                          围壳体围成的涵道也有讲究,这可以类比于喷气发动机的进气道。从进水口开始逐渐扩大,可以使得进水减速增稳,改善转子工作效率。在转子之后逐渐收小,可以使得出水水流进一步加速,提高航速。但这是以额外阻力为代价的。渐扩段相当于倒拖一朵喇?#28982;ǎ?#28176;缩段则直接增加转子的背压,“憋住”转子的有效出力。世上本无免费的午餐。

                          有的泵推只有渐缩,渐缩的进水段套在艇艉锥周围,这样有利于与艇艉整合,比较紧凑,但并不利于改善转子工况。进水在又薄又长的渐缩环道里加速,阻力也大,更加适合于现有潜艇的泵推化改装,全新设计一般不这么做。取消渐扩进水段是有的,只有短到几乎可以忽略不计的进水段,但依然用渐缩的出水段对水流加速,提高航速。这样对抑制转子空泡噪声效果要损失一些,但结构重量也要小一些。

                          不管前?#27809;?#26159;后置,定子结构本身都要造成阻力,吃掉一点功率。泵推围?#28508;?#36523;又是一大块重量和阻力,涵道内与水流的互动也导致一点推力损失。泵推吃功率,在很长时间里是妨碍在潜艇上采用的一大障碍,传统潜艇没有多余的功率可以损失。现代核潜艇反应堆出力大大提高了,才有条件推广。

                          传统泵推可以机械直推,?#37096;?#20197;电推,但还是需要传动轴,所以也称有轴泵推。这带来一系列传动轴的固有问题。电推的话可以电机外置,解决传动轴问题,但解决不了泵推的另一顽固问题:缠绕。

                          开放的螺旋桨也有缠绕问题,但一般情况下,外物在?#37117;?#29993;出,问题不大。泵推有围壳围着,甩不掉,很容易“吸引”缠绕。增加进水网格可以?#33322;?#22806;物问题,但网格本身?#19981;?#22581;塞,更何况增加阻力。

                          无轴泵推就不一样了。顾名思义,无轴泵推没有传动轴,环形电机直接整合在泵推围壳内,螺旋桨叶片是直接安装在环形电机的转子上的,与有轴泵推好比是滚筒?#36739;?#34915;机与波轮?#36739;?#34915;机的差别。

                          环形电机在原理上与普通电机相仿,只是转子(电机的转子,在这里也是推进器的转子)?#26412;?#22823;大加大,而且是空心的。用于无轴泵推时,叶片像从圆环伸向中央的牙齿。牙尖可?#28304;?#25509;,但通常悬空,所以圆心是空心的。圆形处线速度为零,本来就没有推进作用,没有叶片也不损失推力。外物缠绕通常向中心聚集,空心的圆心正好?#29467;?#29289;通过。演示表明,无轴泵推很难发生缠绕问题。这对潜艇在容易发生缠绕危险的浅海行动具有不言而喻的意义。

                          曾经使得西方误认为基洛级潜艇采用了无轴泵喷技术的?#25484;?#20854;实是“埃罗莎”号的定子

                          基洛级潜艇其实还是两级定子,图中可见有明显的两道接缝

                          无轴泵推没有中心体,因?#33368;?#27809;有由此而来的中心体尾后低压区和阻力问题。本来空心的旋转的推进水柱,现在中心被进水通过空心的中央填满了,出水特别平顺,也降低了尾流噪声。无轴泵推也不需要定子,不管用什么方?#26728;?#22260;壳固定在艇体上了,围壳内是不需要定子的。相比之下,有轴泵推?#28508;?#28982;有定子的。

                          无轴泵推由于是从轮圈传力,扭力特别大,不需要变距叶片,就可以在一两秒钟内从全速前进转为全速倒退,这是螺旋桨或者有轴泵推难以做到的。

                          无轴泵推在阿姆斯特丹的全电游船上已经实现了,每天在运?#27704;?#24708;无声息、水波不兴地划过。

                          叶片的叶根现在扎根在环圈上,受力设计和制造极大简化,容易在推进效率、噪声、重量、成本上优化,比如像现代超高涵道比涡扇发动机的风扇叶片一样,在?#37117;?#21453;而?#23433;?#20986;?#34180;?/p>

                          只要能解决大尺寸环形电机的制造问题,大?#26412;?#26080;轴泵推的叶片制造反而相对简单。当然,这个“只要”可不简单,大?#26412;丁?#22823;功率、低磨耗、高精度的环形电机是技术难关,这也限制了无轴泵推的功率。用多个降低?#26412;?#30340;环形电机驱动的无轴泵推并联工作,可以解决单个大?#26412;?#29615;形电机的设计和制造问题。

                          应用了无轴泵喷技术的渡轮该船首尾各装一个无轴泵喷推进器

                          目前应用的无轴泵喷?#20302;?#32570;点是功率小,单个推进器只能用作小船的动力,或者大船的辅助动力

                          在其他因素不变的情况下,泵推的推力大体取决于叶片扫过的面积。?#20004;?#20943;半的话,需要?#27597;?#21322;?#26412;?#21333;元才能等效于一个全?#26412;?#21333;元。好在无轴泵推的安装灵活,没有常规螺旋桨或者有轴泵推要考虑传动轴从艇体穿出的问题,除了围壳与艇体的连接,并不需要定子,只要在艇艉设计时考虑到,多单元的安装是可以解决的。比如说,常规艇艉是水滴形的尾巴,可以近似为圆锥,天然适合单螺旋桨设计。但把艇艉改成扁锲形,水动力特性喝制造上依然没有太大的问题,但提供了天然的安装多单元无轴泵推的空间。与电传操控相结合的话,甚至引入可转动单元,还可大大减小常规的尾翼尺寸,降低阻力。多单元还降低对可靠性的要求。

                          多单元之间的“?#28010;?#26159;一个问题,但单元越多,每个单元的功?#35797;?#20302;,?#28010;?#38382;题?#23548;?#19978;越小,当然保证所有单元均匀出力对水动力设计的要求也越高。在这方面,航空上有很多先例,可以借鉴。随着涡电混动的兴起,新一代飞机沿翼展布满了螺旋桨。大量小功率电驱动螺旋桨的制造成本低,可靠性要求低,与传?#25104;?#35745;中追求尽?#32771;?#23569;发动机和螺旋桨数量的做法截然相反。这与多单元无轴泵推有相似之处。

                          多单元除了要在艇体设计时就有所考虑和可靠的中压直流?#20302;?#30340;支持,还有较大的重量和阻力。与全?#26412;?#27893;推相比,?#27597;?#21322;?#26412;?#27893;推的围壳总周长要加倍,大体上也导致重量和阻力加倍。还是那句老话,没有免费的午餐。

                          另一个问题是外置的环形电机不易屏蔽电磁信号,多单元无轴泵推加剧了屏蔽困难,容易导致暴露目标。这些原因使得无轴泵推尚未在潜艇的主要推进上得到应用。就看马伟明能不能给人们带来惊喜了。

                          即使中国尚未突破无轴泵推技术,有轴泵推依然是一个飞跃,这方面已经没有一票否决式的技术障碍了。

                          中国正在有关核潜艇动力?#20302;?#38477;噪的一系列关键技术取得突破,是否会在下一代核潜艇上集中采用还不好说,这里有风险控制问题。

                          先进核潜艇是一系列尖端技术组成的复杂?#20302;常?#22270;为“海狼”级核潜艇的艇艏声呐基阵

                          另一个问题是艇体设计。理论上,水滴形艇体阻力最小,噪声也最小。但纯水滴形每一段艇体都是连续可变曲率,制造很困难,一般用改进水滴形或者纺锤形,艏艉与水滴形相同,中段为简单的圆柱形,简化制造。饶是如此,大?#26412;?#33351;体制造依然是技术难关。

                          大?#26412;?#33351;体内空间完整,便于?#20302;?#24067;置,更有利于布置长大的重型垂发导弹,极大地提高打击威力和火力密?#21462;?#20294;大?#26412;?#33351;体的制造、焊接、质检都难度很高。所谓大?#26412;?#21402;板比小?#26412;?#34180;板容易制造,这是似是而非的。

                          凡事都有一个?#21462;?#36866;中尺度永远是最容易制造的,更大更小更厚更薄都要难度增加。大的比小的好做,这只是把微小的与适中的相比,而不是适中的与庞大的相?#21462;?#29305;大特厚构件的精密制造永远是技术难题,而精密制造对艇体是关键。艇体的不平整或者接缝不能对齐,会造成严重噪声。耐压要求还使得艇体必须用高强度厚板制造,厚度?#19978;?#32780;知。不过中国正在重型精密制造方面悄悄地走到了世界的前面。西方用更小的技术装备达到了同样的制造尺寸,中国技法尚不如人,只好把剑打造的更长一点。有一天中国的技法也一样精湛了,那就是另外一个境界了。

                          在现代海战中,航母像威风八面、力撼四方的泰森,但核潜艇才是杀人?#20132;?#30340;忍者杀手。中国核潜艇的春天就要到来了吗。人们正在急切期待。(作者署名?#25788;?#26539;)

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