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。
