福特號航空母艦上的螺旋槳,重達30噸,請對比左下角那5人。
在我們印象中,船無(wú)非就是在尾部吊裝一個(gè)或幾個(gè)螺旋槳以進(jìn)行推進(jìn),如上圖福特號航母這般。
然而,不少非軍迷朋友所不了解的是,諸如美國海狼級核潛艇,英國機敏級等先進(jìn)核潛艇,卻是使用“泵射推進(jìn)”。
而像美國瀕海戰斗艦等這樣的高速艦使用的又是“噴水推進(jìn)”,咱們先說(shuō)后者,因為兩者極為類(lèi)似。
何為噴水推進(jìn)?
上圖為美國瀕海戰斗艦獨立號,它使用的就是“噴水推進(jìn)”。
使用“噴水推進(jìn)”的艦船,我們任何時(shí)候都甭想看到它的螺旋槳,最多只能看到上圖那4個(gè)裝置。
怎么運作的?
運作的大概原理就如上面的剖視動(dòng)圖。靜態(tài)圖如下:
推進(jìn)時(shí),就是下圖這樣子。
據一些資料上說(shuō),某大型船只上的噴水推進(jìn)裝置,其總流量非常驚人,相當于美加邊界的尼亞加拉瀑布的平均水流量。
到這里,有的網(wǎng)友會(huì )有疑問(wèn),傳統的螺旋槳外露推進(jìn),可以方便轉向和倒車(chē)。而使用噴水推進(jìn)的船只又是如何實(shí)現拐彎和倒車(chē)的?
倒車(chē)很簡(jiǎn)單,原理恰如上面的動(dòng)圖。
而轉向的原理,咱們來(lái)看看美國瀕海戰斗艦獨立號的變種姊妹艦,USS Tulsa (LCS-16) 塔爾薩號。
塔爾薩號安裝4個(gè)噴水推進(jìn),全功率推進(jìn)時(shí),每秒的水流量24000加侖,合每秒90噸水流量。
作為對比,我國黃果樹(shù)大瀑布水流量一般保持在每秒8至12噸,當然,黃果樹(shù)片區普降大雨時(shí)例外(最大時(shí),黃果樹(shù)大瀑布水流量高達每秒690噸)。
瀕海戰斗艦上的每一個(gè)“噴水推進(jìn)”裝置都如此靈活,這讓瀕海戰斗艦相比于其他戰艦,操作更靈活。
泵射推進(jìn)
“泵射推進(jìn)”與“噴水推進(jìn)”原理是相似的,只不過(guò),前者用在核潛艇上,后者多用在軍艦和民用船舶上。
一個(gè)在水面,一個(gè)潛行于水下,我們總不能期望它們的推進(jìn)裝置長(cháng)相一樣,稱(chēng)呼還一樣。
老式潛艇上的螺旋槳,圖片來(lái)自Weston Westmoreland。
而現代的先進(jìn)核潛艇是看不到螺旋槳的。
某些先進(jìn)核潛艇的泵射裝置如上圖,而實(shí)物圖如下:
圖片來(lái)自美國海軍研究所的Jeff Head。
上圖為造價(jià)23億美元的美國弗吉尼亞級攻擊型核潛艇,因為核潛艇都是各大國的核心機密,故這艘弗吉尼亞級攻擊型核潛艇上浮時(shí),其泵射裝置是用一塊布遮擋起來(lái)的,其內部結構無(wú)法知曉。
因此,我們只能通過(guò)上面這張大概的參考圖來(lái)略知一二,而實(shí)際結構可能會(huì )出入很大。
總之,我們只要知道,泵射推進(jìn)跟噴水推進(jìn)有一點(diǎn)是類(lèi)似的,都是用“管子”將螺旋槳包起來(lái)。
泵射推進(jìn),有哪些優(yōu)勢?
核潛艇使用泵射推進(jìn),核心出發(fā)點(diǎn)就是為了靜音。螺旋槳外漏容易產(chǎn)生空泡噪音,這會(huì )讓核潛艇難以成為真正意義上的“大洋黑洞”。
上圖為螺旋槳在水中產(chǎn)生空泡的高速攝影圖??张莸漠a(chǎn)生跟壓力密切相關(guān),而用“管子”把槳葉包起來(lái)后,管子里的水流很急,槳葉受到的動(dòng)壓很大,空泡不容易產(chǎn)生。
美國海軍工程試驗站為了對比泵射推進(jìn)和普通螺旋槳推進(jìn)時(shí)的噪音。他們上世紀曾經(jīng)做過(guò)對比實(shí)驗,結果表明,泵射推進(jìn)比普通的螺旋槳推進(jìn)最高可低20分貝左右,差距非常大。
而在艦艇上使用噴水推進(jìn),最大的好處是操縱性和倒車(chē)性能優(yōu)越;艦體外的附件少,減少了阻力。
另外,跟外露螺旋槳相比,使用噴水推進(jìn)的船可在淺水活動(dòng),因為只要入水口被淹沒(méi)就行。還有就是,因為旋轉部件是包裹起來(lái)的,所以里面的槳葉能得到很好的保護,不會(huì )切割外面的礁石和魚(yú)兒。
鯨魚(yú)背上的累累疤痕,拜某條船的上的螺旋槳所賜。
也正因此,一些救生艇也使用噴水推進(jìn)。原因不難理解,我們得把人完完整整地救上船,而不是弄成幾塊后……
我國的潛艇用無(wú)軸泵噴推進(jìn)器
在核潛艇推進(jìn)裝置研發(fā)上,中國已取得領(lǐng)先美國的技術(shù)成果。由中國武漢海軍工程大學(xué)馬偉明院士團隊研制的“潛艇用無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”,將應用在中國下一代核潛艇上!“無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”,是世界各海軍強國競相開(kāi)發(fā)的新型推進(jìn)裝置,它比“有軸泵噴推進(jìn)器”要先進(jìn)一代。目前,英美等國海軍最先進(jìn)的核潛艇上,配裝的均是“有軸泵噴推進(jìn)器”。
2017年5月30日,中國中央電視臺播發(fā)報道,稱(chēng)中國工程院院士、中國武漢海軍工程大學(xué)馬偉明少將所在團隊研制的“潛艇用無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”,在技術(shù)領(lǐng)先美國十年。中國的下一代核潛艇上,將用上中國自主研發(fā)的“無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”。
圖注:英國“機敏”級核潛艇也使用泵噴推進(jìn)器,不過(guò)是有軸的
圖注:美國“弗吉尼亞”級核潛艇,尾部的圓柱狀裝置就是泵噴推進(jìn)器
無(wú)軸泵噴則是把驅動(dòng)軸帶動(dòng)葉輪改成電機驅動(dòng),而且電動(dòng)機不是安裝到潛艇的中心軸線(xiàn),而是布置在環(huán)狀導管內,不需要中心驅動(dòng)軸,螺旋槳(轉子)也不再是一體式的,而是由多個(gè)單獨的葉片組成,從中心驅動(dòng)變成了四周驅動(dòng),所以叫無(wú)軸泵噴。
圖注:國外研制的無(wú)軸螺旋槳,能看出轉子不是一體式的,而是由多個(gè)單獨的葉片組成,從中心驅動(dòng)變成了四周驅動(dòng)
大家知道,潛艇按所用動(dòng)力裝置來(lái)分類(lèi),可分為常規動(dòng)力潛艇與核動(dòng)力潛艇兩大類(lèi)。按所用推進(jìn)裝置來(lái)分,可分為螺旋槳推進(jìn)器潛艇與泵噴推進(jìn)器潛艇兩大類(lèi)。
泵噴推進(jìn)器,是一種比螺旋槳推進(jìn)器運行噪聲更小、推進(jìn)效率更高、技術(shù)上更先進(jìn)的推進(jìn)器。
潛艇用推進(jìn)螺旋槳在運行時(shí),由于葉片振動(dòng)及空泡的存在,會(huì )產(chǎn)生很大噪聲。這種噪聲輻射到海水中后,容易被敵方反潛聲吶捕捉到。
為降低潛艇推進(jìn)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。潛艇是否采用七葉大側斜推進(jìn)螺旋槳,曾是潛艇是否先進(jìn)的一個(gè)標志。七葉大側斜螺旋槳,是一種噪聲較低的推進(jìn)裝置。
但七葉大側斜螺旋槳并不是一種完美的推進(jìn)裝置。
科學(xué)家與工程師經(jīng)過(guò)反復試驗發(fā)現,如果在螺旋槳外面罩上一個(gè)隔音隔振的導流罩,就可進(jìn)一步降低螺旋槳的運行噪聲。
科學(xué)家與工程師繼續研究下去,就弄出了一種比螺旋槳推進(jìn)器更先進(jìn)的潛艇用推進(jìn)裝置——泵噴推進(jìn)器。與傳統的螺旋槳推進(jìn)器相比,泵噴推進(jìn)器在外觀(guān)上的最大特點(diǎn)是,它的推進(jìn)槳葉,被包裹在一個(gè)環(huán)形導流罩內。
泵噴推進(jìn)器在大幅提高推進(jìn)效率的同時(shí),輻射出的噪聲比七葉大側斜螺旋槳還要低很多。
最早在潛艇上使用泵噴推進(jìn)器的國家,是英國。步英國后塵,美國人也為自己的核潛艇開(kāi)發(fā)了泵噴推進(jìn)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(jìn)攻擊核潛艇上,都采用了泵噴推進(jìn)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(jìn)器。
因受時(shí)代與技術(shù)的限制,截至目前,歐美國家所有先進(jìn)核潛艇使用的“泵噴推進(jìn)器”,都是“有軸泵噴推進(jìn)器”。
“有軸泵噴推進(jìn)器”在結構上,由固定不動(dòng)的環(huán)形導流罩與其內的螺旋槳兩部分組成。螺旋槳的作用是驅動(dòng)海水從導流罩內部流過(guò),從而產(chǎn)生推力。但它的螺旋槳,仍是由一根來(lái)自潛艇耐壓殼內的傳動(dòng)軸驅動(dòng)的。這根傳動(dòng)軸,一頭連著(zhù)潛艇艇內的蒸汽輪機或電動(dòng)機,一頭連著(zhù)螺旋槳的中心軸。
采用“有軸泵噴推進(jìn)器”的潛艇,仍有貫穿艇體耐壓殼的傳動(dòng)軸系存在。因而,潛艇在航行時(shí),這個(gè)傳動(dòng)軸系與艇體、傳動(dòng)軸系與泵噴推進(jìn)器之間,會(huì )相互影響而產(chǎn)生可暴露潛艇行蹤的噪聲。
所有的電動(dòng)機,都由定子與轉子兩大部分構成;泵噴推進(jìn)器,也由外部的環(huán)形導流罩與罩內的推進(jìn)槳葉兩部分組成。
在“無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”中,電動(dòng)機的定子被集成在環(huán)形導流罩中,與環(huán)形導流罩合二為一了;電動(dòng)機的轉子則與導流罩內的推進(jìn)槳葉融為一體了。
或者說(shuō),在“無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”中,其推進(jìn)槳葉,是直接由安裝在導流罩內的電動(dòng)機驅動(dòng)的,而不是由來(lái)自艇體內發(fā)動(dòng)機或電動(dòng)機的驅動(dòng)軸驅動(dòng)。
“有軸泵噴推進(jìn)器”推進(jìn)槳葉,由中心軸驅動(dòng)。而“無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”的推進(jìn)槳葉,由導流罩內的電動(dòng)機從四周驅動(dòng),根本就沒(méi)有中心軸。潛艇在配置“無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”后,其推進(jìn)器與潛艇耐壓殼內的汽輪機或電動(dòng)機之間,不再有復雜的機械軸系聯(lián)系。因為在“無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”中,驅動(dòng)泵噴推進(jìn)器的電機、推進(jìn)槳葉、環(huán)形導流罩已被集成到一起了,或說(shuō)一體化了。
“無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”與艇體耐壓殼內的動(dòng)力裝置,只存在電纜聯(lián)系。電纜負責將潛艇艇體內的電力與控制信號,傳送到“無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”上;“無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”上配裝的各種監控傳感器收集的數據,也通過(guò)電纜回傳到潛艇艇內,供潛艇操作人員決策用。
(圖為中國094、093型核潛艇發(fā)射武器場(chǎng)面)
潛艇采用“無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”的好處很多:
第一,因為沒(méi)有“有軸泵噴推進(jìn)器”上那根來(lái)自潛艇艇體內的主傳動(dòng)軸,所以它在運行時(shí),就沒(méi)有了主傳動(dòng)軸系產(chǎn)生的噪聲。
第二,由于“無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”是把電機布置在艇體外部的環(huán)形導管上,所以還能節省潛艇艇體艙內的寶貴空間;
第三,“無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”與艇體內部只存在電纜聯(lián)系,所以它的布置非常靈活。它可以裝在潛艇尾部正中軸線(xiàn)上,也可裝在潛艇尾部?jì)蓚?,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。在潛艇艇體前后各開(kāi)一個(gè)口子,兩個(gè)口子之間的導流管內,就可放置“無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”。
有人覺(jué)得“無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”技術(shù)很神秘,這是一種誤解。實(shí)際上,艦船用“無(wú)軸泵噴推進(jìn)技術(shù)”,與民用電動(dòng)汽車(chē)及電瓶車(chē)上使用的“無(wú)軸驅動(dòng)技術(shù)”有很深淵源。
我們常見(jiàn)的電瓶車(chē)及某些電動(dòng)轎車(chē)中,就使用了“電動(dòng)機直接驅動(dòng)車(chē)輪技術(shù)”?!半妱?dòng)機直接驅動(dòng)車(chē)輪技術(shù)”,就是一種“無(wú)軸驅動(dòng)技術(shù)”。因為使用這種驅動(dòng)技術(shù)的電動(dòng)轎車(chē)與電瓶車(chē),驅動(dòng)車(chē)輪前進(jìn)的動(dòng)力,是由安裝在車(chē)輪上與車(chē)輪已合為一體的電動(dòng)機驅動(dòng)的。裝在車(chē)輪上的電動(dòng)機,與發(fā)動(dòng)機之間,只有電纜聯(lián)系。而在普通汽車(chē)上,其發(fā)動(dòng)機艙內發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生的動(dòng)力,需要通過(guò)變速箱與復雜的軸系作中介,才能傳遞到車(chē)輪上,以驅動(dòng)車(chē)輪轉動(dòng)。
在“無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”的研制方面,中國起步稍晚于美國,但進(jìn)步神速。從目前的研究情況來(lái)看,在該項技術(shù)的研發(fā)上,中國已超越美國而處于全球領(lǐng)跑者地位。
但“無(wú)軸泵噴推進(jìn)技術(shù)”要實(shí)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(shù)難題。
首先,需要解決艦船舶綜合電力技術(shù)實(shí)用化難題。因為無(wú)軸泵噴推進(jìn)器的轉子葉輪是使用大功率電動(dòng)機驅動(dòng)的。這些電動(dòng)機一方面是耗電大戶(hù);另一方面因潛艇的航速變化范圍大,所以這些電動(dòng)機工作時(shí)對電力的需求,也是在隨時(shí)變化的。潛艇需采用綜合電力系統,才能對發(fā)動(dòng)機提供的電力實(shí)施精確化調度,從而使“無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”在得到足夠與持續的電力供應時(shí),潛艇上其它設備與武器裝備的用電,也可得到滿(mǎn)足。
這一個(gè)難題,對中國來(lái)說(shuō),已不是難題。因為中國工程院院士、中國武漢海軍工程大學(xué)馬偉明少將領(lǐng)導的科研團隊,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(fā)工作,這是一種領(lǐng)先歐美一代的先進(jìn)技術(shù)。
英國45型驅逐艦、美國“福特級”航母上使用的是第一代船舶綜合電力系統技術(shù),即中壓交流船舶綜合其次,需研制出功率大、體積小、重量輕的驅動(dòng)電機。排水量幾千甚至上萬(wàn)噸的核潛艇,如果僅配裝一臺“無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”的話(huà),這臺推進(jìn)器的可用功率,就得達到幾萬(wàn)馬力。這臺推進(jìn)器所用的電動(dòng)機,在功率足夠大的同時(shí),還必須具備體積小、重量輕特點(diǎn)。否則,它根本裝不進(jìn)“無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”的環(huán)形導流管內。
三是“無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”所用電動(dòng)機,要能在高鹽高腐蝕性的環(huán)境中長(cháng)期工作?!盁o(wú)軸泵噴推進(jìn)器”的內置電機,必須暴露在惡劣的水環(huán)境中,以讓海水流過(guò)電動(dòng)機定子和轉子之間的間隙,帶走電動(dòng)機產(chǎn)生的熱量,從而完成對電動(dòng)機的冷卻任務(wù)。所以,電動(dòng)機定子和轉子的外壁,都需要采用特殊的防護設計?!盁o(wú)軸泵噴推進(jìn)器”的導流罩對電動(dòng)機起到機械防護作用,也需要專(zhuān)門(mén)設計。據說(shuō)中國武漢理工大學(xué)的科學(xué)家,已初步解決了“無(wú)軸泵噴推進(jìn)器”電動(dòng)機防護設計難題。