淺談下一代潛艇推進技術——無軸泵噴推進技術

2017年5月30日，在中央電視台播發的報道中，稱工程院院士、武漢海軍工程大學馬偉明少將所在團隊研製的「潛艇用無軸泵噴推進器」，在技術領先美國十年。的下一代核潛艇上，將用上自主研發的「無軸泵噴推進器」。消息一出，就引起國內外一片熱烈討論，各大智庫紛紛發表各種文章分析，大有感嘆美國水下優勢不再的局面。那麼什麼是無軸泵噴推進動力呢？它具有什麼優點呢？離實際應用還有多遠？

大家知道，潛艇的推進裝置可分為螺旋槳推進器與泵噴推進器兩大類。其中泵噴推進器又可以分為有軸泵噴推進器和無軸泵噴推進器兩類。目前實際應用泵噴推進器都是有軸泵噴推進器。

潛艇在用螺旋槳推進時，由於葉片振動及空泡的存在，會產生很大雜訊。這種雜訊輻射到海水中后，容易被敵方反潛聲吶捕捉到。為降低潛艇推進螺旋槳的運行雜訊，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。潛艇是否採用七葉大側斜推進螺旋槳，曾是潛艇是否先進的一個標誌。七葉大側斜螺旋槳，是一種雜訊較低的推進裝置。

但是七葉大側斜螺旋槳並不是一種完美的推進裝置。科學家與工程師經過反覆試驗發現，如果在螺旋槳外面罩上一個隔音隔振的導流罩，就可進一步降低螺旋槳的運行雜訊。這種比螺旋槳推進器更先進的潛艇用推進裝置——泵噴推進器。與傳統的螺旋槳推進器相比，泵噴推進器在外觀上的最大特點是，它的推進槳葉，被包裹在一個環形導流罩內。泵噴推進器在大幅提高推進效率的同時，輻射出的雜訊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器的國家，是英國。步英國後塵，美國人也為自己的核潛艇開發了泵噴推進器。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」等先進攻擊核潛艇上，都採用了泵噴推進器。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器。

儘管有軸泵噴推進器相比螺旋槳大幅降低了雜訊，然而採用「有軸泵噴推進器」的潛艇，仍有貫穿艇體耐壓殼的傳動軸系存在。因而，潛艇在航行時，這個傳動軸系與艇體、傳動軸系與泵噴推進器之間，會相互影響而產生可暴露潛艇行蹤的雜訊。為進一步降低潛艇的雜訊，科學家們開始研製下一代的潛艇推進動力——無軸泵噴推進器。

相比有軸泵噴推進器，無軸泵噴則是把驅動軸帶動葉輪改成電機驅動，而且電動機不是安裝到潛艇的中心軸線，而是布置在環狀導管內，不需要中心驅動軸，螺旋槳（轉子）也不再是一體式的，而是由多個單獨的葉片組成，從中心驅動變成了四周驅動，所以叫無軸泵噴。

無軸泵噴推進器與艇體耐壓殼內的動力裝置，只存在電纜聯繫。電纜負責將潛艇艇體內的電力與控制信號，傳送到無軸泵噴推進器上；無軸泵噴推進器上配裝的各種監控感測器收集的數據，也通過電纜回傳到潛艇艇內，供潛艇操作人員決策用。

潛艇採用無軸泵噴推進器的好處很多，首先因為沒有有軸泵噴推進器上那根來自潛艇艇體內的主傳動軸，所以它在運行時，就沒有了主傳動軸系產生的雜訊。其次，由於無軸泵噴推進器是把電機布置在艇體外部的環形導管上，所以還能節省潛艇艇體艙內的寶貴空間；最後，無軸泵噴推進器與艇體內部只存在電纜聯繫，所以它的布置非常靈活。它可以裝在潛艇尾部正中軸線上，也可裝在潛艇尾部兩側，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。在潛艇艇體前後各開一個口子，兩個口子之間的導流管內，就可放置無軸泵噴推進器。

儘管目前已經製造出但無軸泵噴推進技術的實驗樣機，但是無軸泵噴推進技術要實現工程化應用，要成功應用到潛艇上去，還需要解決一系列技術難題。

首先，需要解決艦船舶綜合電力技術實用化難題。因為無軸泵噴推進器的轉子葉輪是使用大功率電動機驅動的。這些電動機一方面是耗電大戶；另一方面因潛艇的航速變化範圍大，所以這些電動機工作時對電力的需求，也是在隨時變化的。潛艇需採用綜合電力系統，才能對發動機提供的電力實施精確化調度，從而使「無軸泵噴推進器」在得到足夠與持續的電力供應時，潛艇上其它設備與武器裝備的用電，也可得到滿足。從目前報道的信息，目前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工作，這意味著這部分的難題已經解決。

其次，需研製出功率大、體積小、重量輕的驅動電機。下一代核潛艇排水量肯定會超過一萬噸，要想推進排水量上萬噸的核潛艇，如果僅配裝一台無軸泵噴推進器的話，這台推進器的可用功率，就得達到幾萬馬力。這台推進器所用的電動機，在功率足夠大的同時，還必須具備體積小、重量輕特點。否則，它根本裝不進「無軸泵噴推進器」的環形導流管內。

最後是無軸泵噴推進器所用電動機，要能在高鹽高腐蝕性的環境中長期工作。無軸泵噴推進器」的內置電機，必須暴露在惡劣的水環境中，以讓海水流過電動機定子和轉子之間的間隙，帶走電動機產生的熱量，從而完成對電動機的冷卻任務。所以，電動機定子和轉子的外壁，都需要採用特殊的防護設計。無軸泵噴推進器的導流罩對電動機起到機械防護作用，也需要專門設計。

當然，無軸泵噴推進技術也不是沒有缺陷的，從目前的技術水平來看，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，目前美國最新的弗吉尼亞核潛艇還是使用有軸泵噴推進技術，而在美國未來潛艇的規劃中，只是將該無軸泵噴推進器作為輔助動力，機械泵推仍然是主動力，這與的全無軸泵推設計有很大差距的。