來(lái)源：觀察者網(wǎng)

　　10月23日，中船重工官微報(bào)道，中國(guó)海軍在三亞基地成功地試驗(yàn)了潛艇用永磁電機(jī)。這使得中國(guó)在核潛艇靜音諸環(huán)節(jié)中又鎖上了重要的一環(huán)。

　　核潛艇是國(guó)之重器，但只有安靜的核潛艇才是國(guó)之利器。在70年代中國(guó)就憋勁咬牙造出了第一代核潛艇。但由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件的限制，這是有遺憾的。

　　40年后，中國(guó)在許多關(guān)鍵的工業(yè)技術(shù)方面取得了巨大的進(jìn)展，有些甚至跨入世界前沿，但在核潛艇靜音方面還是有顯著差距。在各級(jí)艦船下餃子的時(shí)候，核潛艇方面進(jìn)展緩慢，不乏關(guān)鍵技術(shù)沒(méi)有取得突破，不宜在低水平上投入過(guò)多的考慮。

　　核潛艇具有實(shí)際上無(wú)限的水下航程，而且持續(xù)航速高�，F(xiàn)代驅(qū)護(hù)艦靠放出直升機(jī)追核潛艇，如果不是跟上航母編隊(duì)的要求，現(xiàn)代驅(qū)護(hù)艦很多已經(jīng)跑不過(guò)核潛艇了，因?yàn)槊銖?qiáng)跑出高速?zèng)]有意義，常規(guī)動(dòng)力的驅(qū)護(hù)艦要不了多久就追不上可以持續(xù)以最高航速一騎絕塵而去的核潛艇了，當(dāng)然水下是沒(méi)有塵的。

　　核潛艇常給人一種尺寸很小的錯(cuò)覺(jué)。圖為俄亥俄級(jí)戰(zhàn)略核潛艇佛羅里達(dá)號(hào)，艇員站坡都緊緊巴巴

　　實(shí)際上她是一艘能以24節(jié)航速飛馳的水下“巡洋艦”，其動(dòng)力需求可想而知

　　但核潛艇具有本質(zhì)噪聲較高的問(wèn)題。反應(yīng)堆的冷卻水泵和管路內(nèi)的水流噪聲，齒輪減速箱的噪聲，傳動(dòng)軸的振動(dòng)和軸承噪聲，螺旋槳的噪聲，都使得核潛艇的降噪難度很高。

　　自然循環(huán)反應(yīng)堆大大降低反應(yīng)堆的噪聲。自然循環(huán)沒(méi)有了泵機(jī)的噪聲，本身的水流流動(dòng)也比較舒緩。水壺?zé)�水的時(shí)候，只要不是一上來(lái)就大火猛燒，在產(chǎn)生氣泡、快要燒開(kāi)之前，基本上是無(wú)聲的，但水壺里已經(jīng)由于熱水上升和冷水下降而在自然循環(huán)了。自然循環(huán)噪聲低，沒(méi)有泵機(jī)的功率消耗，但傳熱效率較低。完全自然循環(huán)的反應(yīng)堆會(huì)很大，很笨重。在中低功率狀態(tài)下用自然循環(huán)，在高功率狀態(tài)下加入強(qiáng)制循環(huán)，可以較好地達(dá)到靜音和功率密度之間的平衡。

　　4月21日，中國(guó)科技獎(jiǎng)勵(lì)網(wǎng)報(bào)道引用核潛艇總師張錦嵐的話說(shuō)，中國(guó)已經(jīng)在實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)堆的自然循環(huán)，這就從反應(yīng)堆方面解決了噪聲問(wèn)題。

　　反應(yīng)堆示意圖。紅圈所示即為循環(huán)泵，關(guān)了這個(gè)東西之后，才到見(jiàn)“真功夫”的時(shí)候。

　　海狼級(jí)核潛艇動(dòng)力艙段，里面是世界上最強(qiáng)大的自循環(huán)核潛艇堆S6W

　　反應(yīng)堆產(chǎn)生熱量，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)，轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。傳統(tǒng)方式是把這機(jī)械能直接用于推進(jìn)。但汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速大大高于螺旋槳轉(zhuǎn)速，需要大功率減速齒輪箱，這是可觀的噪聲源。反應(yīng)堆、汽輪機(jī)、齒輪箱重量打，只能布置在艇體中段，保證中心和重量的合理分配，導(dǎo)致的很長(zhǎng)的傳動(dòng)軸，不僅制造要求高、重量大、占用寶貴空間，還不可避免地產(chǎn)生振動(dòng)和軸承噪聲，這是另一個(gè)可觀的噪聲源。

　　用電力推進(jìn)的話，汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，大功率輸配電系統(tǒng)“柔性”地通過(guò)電纜傳遞功率，不僅大大便利艇內(nèi)的設(shè)備布置，而且便于用可變轉(zhuǎn)速電機(jī)推動(dòng)，一舉取消了齒輪箱、傳動(dòng)軸的噪聲。傳統(tǒng)上用勵(lì)磁電機(jī)，現(xiàn)在采用更先進(jìn)的永磁電機(jī)，功率密度更高，噪聲更低。

　　并非巧合的是，大名鼎鼎的馬偉明院士的重要貢獻(xiàn)之一就是中壓交直流系統(tǒng)。中壓比低壓的功率密度更高，這是現(xiàn)代電推的關(guān)鍵技術(shù)，新一代汽車也有向48伏直流轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，艦船使用的可以更高，但英國(guó)“伊麗莎白女王”級(jí)航母和美國(guó)“朱姆瓦爾特”級(jí)驅(qū)逐艦據(jù)說(shuō)用的還是低壓直流系統(tǒng)。直流便于大功率傳輸和調(diào)速，用于推進(jìn)；交流用于艇其他一般用戶。中壓系統(tǒng)和永磁電機(jī)一起，這又鎖上核潛艇動(dòng)力系統(tǒng)降噪鏈的又一環(huán)。

　　馬偉明院士的話講的硬氣，但相關(guān)節(jié)目中展示的無(wú)軸泵噴裝置還是個(gè)小型裝置，距離實(shí)際應(yīng)用到底有多少距離還難估計(jì)

　　更非巧合的是，在央視《焦點(diǎn)訪談》節(jié)目中，馬偉明院士展示了無(wú)軸泵推技術(shù)。展示的當(dāng)然是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小東西，現(xiàn)在達(dá)到什么樣的實(shí)用化程度是保密的，到底離裝艇使用有多少距離，就留給人們想象了。

　　傳統(tǒng)推進(jìn)用螺旋槳，傾斜的葉片在旋轉(zhuǎn)中通過(guò)對(duì)水的斜切的向后分量形成推進(jìn)力。從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，就是在葉片前后制造一個(gè)壓力差。壓力差越大，推進(jìn)的力道越大。不過(guò)，壓力差也是有副作用的，葉片背后的減壓會(huì)造成汽化，空泡在水壓下破滅會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲。由于葉片產(chǎn)生壓差的能力與線速度的平方成正比，簡(jiǎn)單葉片的空泡澡聲在葉尖達(dá)到最大。由于直接暴露在水中，這或許是潛艇噪聲的最大來(lái)源。

　　為了使得葉片的推進(jìn)效率在半徑方向相對(duì)均勻以達(dá)到最優(yōu)，葉片寬度和扭轉(zhuǎn)需要精心設(shè)計(jì)，這就形成了螺旋槳葉片像現(xiàn)代抽象派雕刻一樣的奇特形狀。為了加大推力但減小噪聲，通常還需要加大直徑、降低轉(zhuǎn)速。大直徑復(fù)雜扭轉(zhuǎn)的螺旋槳制造是技術(shù)難關(guān)，當(dāng)年?yáng)|芝因?yàn)樗较孪蛱K聯(lián)出口有關(guān)數(shù)控機(jī)床還遭到美國(guó)的嚴(yán)厲制裁。

　　但螺旋槳的降噪是有極限的，進(jìn)一步降噪要在螺旋槳以外做文章，這就是泵推。泵推也稱涵道螺旋槳，在常見(jiàn)螺旋槳之外圍上一圈圍殼，對(duì)葉片噪聲實(shí)現(xiàn)屏蔽，只有在尾后很小的錐形區(qū)域內(nèi)才容易探測(cè)到螺旋槳的噪聲。

　　泵推不是新概念，在魚(yú)雷上也早就得到應(yīng)用，但在潛艇上的應(yīng)用依然屬于前沿技術(shù)。魔鬼正在細(xì)節(jié)之中。

　　法國(guó)凱旋級(jí)戰(zhàn)略核潛艇的模型，紅圈部位即為泵噴推進(jìn)系統(tǒng)

　　泵推的圍殼套在艇艉錐頂端，必然需要支撐結(jié)構(gòu)，這稱為定子，通常是順著流向的固定葉片結(jié)構(gòu)。螺旋槳當(dāng)然就是轉(zhuǎn)子。在結(jié)構(gòu)上，要么定子在前，轉(zhuǎn)子在后；要么轉(zhuǎn)子在前，定子在后。兩者各有好處。

　　前置定子可以起到整流作用，把進(jìn)水理順，有利于轉(zhuǎn)子發(fā)揮最大推進(jìn)效率，常用于追求最大速度的魚(yú)雷。螺旋槳產(chǎn)生的推進(jìn)水流必然帶有轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)是不產(chǎn)生推進(jìn)作用的，但轉(zhuǎn)動(dòng)又必然與周圍的靜止水體產(chǎn)生互動(dòng)，產(chǎn)生紊流和噪聲。前置定子有利于轉(zhuǎn)子發(fā)力，這也導(dǎo)致較大的噪聲。

　　后置定子則相反，把轉(zhuǎn)子的出水理順，減少水流的轉(zhuǎn)動(dòng)，減少噪聲。后置定子本身對(duì)噪聲也有一定的屏蔽作用，進(jìn)一步降噪，多用于追求最大降噪的潛艇。

　　檢修中的基洛級(jí)潛艇“埃羅莎”號(hào)。A：轉(zhuǎn)子，B：定子，C：外殼�？梢�(jiàn)典型的定子后置設(shè)計(jì)。

　　圍殼體圍成的涵道也有講究，這可以類比于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道。從進(jìn)水口開(kāi)始逐漸擴(kuò)大，可以使得進(jìn)水減速增穩(wěn)，改善轉(zhuǎn)子工作效率。在轉(zhuǎn)子之后逐漸收小，可以使得出水水流進(jìn)一步加速，提高航速。但這是以額外阻力為代價(jià)的。漸擴(kuò)段相當(dāng)于倒拖一朵喇叭花，漸縮段則直接增加轉(zhuǎn)子的背壓，“憋住”轉(zhuǎn)子的有效出力。世上本無(wú)免費(fèi)的午餐。

　　有的泵推只有漸縮，漸縮的進(jìn)水段套在艇艉錐周圍，這樣有利于與艇艉整合，比較緊湊，但并不利于改善轉(zhuǎn)子工況。進(jìn)水在又薄又長(zhǎng)的漸縮環(huán)道里加速，阻力也大，更加適合于現(xiàn)有潛艇的泵推化改裝，全新設(shè)計(jì)一般不這么做。取消漸擴(kuò)進(jìn)水段是有的，只有短到幾乎可以忽略不計(jì)的進(jìn)水段，但依然用漸縮的出水段對(duì)水流加速，提高航速。這樣對(duì)抑制轉(zhuǎn)子空泡噪聲效果要損失一些，但結(jié)構(gòu)重量也要小一些。

　　不管前置還是后置，定子結(jié)構(gòu)本身都要造成阻力，吃掉一點(diǎn)功率。泵推圍殼本身又是一大塊重量和阻力，涵道內(nèi)與水流的互動(dòng)也導(dǎo)致一點(diǎn)推力損失。泵推吃功率，在很長(zhǎng)時(shí)間里是妨礙在潛艇上采用的一大障礙，傳統(tǒng)潛艇沒(méi)有多余的功率可以損失。現(xiàn)代核潛艇反應(yīng)堆出力大大提高了，才有條件推廣。

　　傳統(tǒng)泵推可以機(jī)械直推，也可以電推，但還是需要傳動(dòng)軸，所以也稱有軸泵推。這帶來(lái)一系列傳動(dòng)軸的固有問(wèn)題。電推的話可以電機(jī)外置，解決傳動(dòng)軸問(wèn)題，但解決不了泵推的另一頑固問(wèn)題：纏繞。

　　開(kāi)放的螺旋槳也有纏繞問(wèn)題，但一般情況下，外物在葉尖甩出，問(wèn)題不大。泵推有圍殼圍著，甩不掉，很容易“吸引”纏繞。增加進(jìn)水網(wǎng)格可以緩解外物問(wèn)題，但網(wǎng)格本身也會(huì)堵塞，更何況增加阻力。

　　無(wú)軸泵推就不一樣了。顧名思義，無(wú)軸泵推沒(méi)有傳動(dòng)軸，環(huán)形電機(jī)直接整合在泵推圍殼內(nèi)，螺旋槳葉片是直接安裝在環(huán)形電機(jī)的轉(zhuǎn)子上的，與有軸泵推好比是滾筒式洗衣機(jī)與波輪式洗衣機(jī)的差別。

　　環(huán)形電機(jī)在原理上與普通電機(jī)相仿，只是轉(zhuǎn)子（電機(jī)的轉(zhuǎn)子，在這里也是推進(jìn)器的轉(zhuǎn)子）直徑大大加大，而且是空心的。用于無(wú)軸泵推時(shí)，葉片像從圓環(huán)伸向中央的牙齒。牙尖可以搭接，但通常懸空，所以圓心是空心的。圓形處線速度為零，本來(lái)就沒(méi)有推進(jìn)作用，沒(méi)有葉片也不損失推力。外物纏繞通常向中心聚集，空心的圓心正好讓外物通過(guò)。演示表明，無(wú)軸泵推很難發(fā)生纏繞問(wèn)題。這對(duì)潛艇在容易發(fā)生纏繞危險(xiǎn)的淺海行動(dòng)具有不言而喻的意義。

　　曾經(jīng)使得西方誤認(rèn)為基洛級(jí)潛艇采用了無(wú)軸泵噴技術(shù)的照片，其實(shí)是“埃羅莎”號(hào)的定子

　　基洛級(jí)潛艇其實(shí)還是兩級(jí)定子，圖中可見(jiàn)有明顯的兩道接縫

　　無(wú)軸泵推沒(méi)有中心體，因此也沒(méi)有由此而來(lái)的中心體尾后低壓區(qū)和阻力問(wèn)題。本來(lái)空心的旋轉(zhuǎn)的推進(jìn)水柱，現(xiàn)在中心被進(jìn)水通過(guò)空心的中央填滿了，出水特別平順，也降低了尾流噪聲。無(wú)軸泵推也不需要定子，不管用什么方式把圍殼固定在艇體上了，圍殼內(nèi)是不需要定子的。相比之下，有軸泵推是必然有定子的。

　　無(wú)軸泵推由于是從輪圈傳力，扭力特別大，不需要變距葉片，就可以在一兩秒鐘內(nèi)從全速前進(jìn)轉(zhuǎn)為全速倒退，這是螺旋槳或者有軸泵推難以做到的。

　　無(wú)軸泵推在阿姆斯特丹的全電游船上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，每天在運(yùn)河里悄無(wú)聲息、水波不興地劃過(guò)。

　　葉片的葉根現(xiàn)在扎根在環(huán)圈上，受力設(shè)計(jì)和制造極大簡(jiǎn)化，容易在推進(jìn)效率、噪聲、重量、成本上優(yōu)化，比如像現(xiàn)代超高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片一樣，在葉尖反而“鏟出”。

　　只要能解決大尺寸環(huán)形電機(jī)的制造問(wèn)題，大直徑無(wú)軸泵推的葉片制造反而相對(duì)簡(jiǎn)單。當(dāng)然，這個(gè)“只要”可不簡(jiǎn)單，大直徑、大功率、低磨耗、高精度的環(huán)形電機(jī)是技術(shù)難關(guān)，這也限制了無(wú)軸泵推的功率。用多個(gè)降低直徑的環(huán)形電機(jī)驅(qū)動(dòng)的無(wú)軸泵推并聯(lián)工作，可以解決單個(gè)大直徑環(huán)形電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造問(wèn)題。

　　應(yīng)用了無(wú)軸泵噴技術(shù)的渡輪該船首尾各裝一個(gè)無(wú)軸泵噴推進(jìn)器

　　目前應(yīng)用的無(wú)軸泵噴系統(tǒng)缺點(diǎn)是功率小，單個(gè)推進(jìn)器只能用作小船的動(dòng)力，或者大船的輔助動(dòng)力

　　在其他因素不變的情況下，泵推的推力大體取決于葉片掃過(guò)的面積。至今減半的話，需要四個(gè)半直徑單元才能等效于一個(gè)全直徑單元。好在無(wú)軸泵推的安裝靈活，沒(méi)有常規(guī)螺旋槳或者有軸泵推要考慮傳動(dòng)軸從艇體穿出的問(wèn)題，除了圍殼與艇體的連接，并不需要定子，只要在艇艉設(shè)計(jì)時(shí)考慮到，多單元的安裝是可以解決的。比如說(shuō)，常規(guī)艇艉是水滴形的尾巴，可以近似為圓錐，天然適合單螺旋槳設(shè)計(jì)。但把艇艉改成扁鍥形，水動(dòng)力特性喝制造上依然沒(méi)有太大的問(wèn)題，但提供了天然的安裝多單元無(wú)軸泵推的空間。與電傳操控相結(jié)合的話，甚至引入可轉(zhuǎn)動(dòng)單元，還可大大減小常規(guī)的尾翼尺寸，降低阻力。多單元還降低對(duì)可靠性的要求。

　　多單元之間的“搶水”是一個(gè)問(wèn)題，但單元越多，每個(gè)單元的功率越低，搶水問(wèn)題實(shí)際上越小，當(dāng)然保證所有單元均勻出力對(duì)水動(dòng)力設(shè)計(jì)的要求也越高。在這方面，航空上有很多先例，可以借鑒。隨著渦電混動(dòng)的興起，新一代飛機(jī)沿翼展布滿了螺旋槳。大量小功率電驅(qū)動(dòng)螺旋槳的制造成本低，可靠性要求低，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中追求盡量減少發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳數(shù)量的做法截然相反。這與多單元無(wú)軸泵推有相似之處。

　　多單元除了要在艇體設(shè)計(jì)時(shí)就有所考慮和可靠的中壓直流系統(tǒng)的支持，還有較大的重量和阻力。與全直徑泵推相比，四個(gè)半直徑泵推的圍殼總周長(zhǎng)要加倍，大體上也導(dǎo)致重量和阻力加倍。還是那句老話，沒(méi)有免費(fèi)的午餐。

　　另一個(gè)問(wèn)題是外置的環(huán)形電機(jī)不易屏蔽電磁信號(hào)，多單元無(wú)軸泵推加劇了屏蔽困難，容易導(dǎo)致暴露目標(biāo)。這些原因使得無(wú)軸泵推尚未在潛艇的主要推進(jìn)上得到應(yīng)用。就看馬偉明能不能給人們帶來(lái)驚喜了。

　　即使中國(guó)尚未突破無(wú)軸泵推技術(shù)，有軸泵推依然是一個(gè)飛躍，這方面已經(jīng)沒(méi)有一票否決式的技術(shù)障礙了。

　　中國(guó)正在有關(guān)核潛艇動(dòng)力系統(tǒng)降噪的一系列關(guān)鍵技術(shù)取得突破，是否會(huì)在下一代核潛艇上集中采用還不好說(shuō)，這里有風(fēng)險(xiǎn)控制問(wèn)題。

　　先進(jìn)核潛艇是一系列尖端技術(shù)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，圖為“海狼”級(jí)核潛艇的艇艏聲吶基陣

　　另一個(gè)問(wèn)題是艇體設(shè)計(jì)。理論上，水滴形艇體阻力最小，噪聲也最小。但純水滴形每一段艇體都是連續(xù)可變曲率，制造很困難，一般用改進(jìn)水滴形或者紡錘形，艏艉與水滴形相同，中段為簡(jiǎn)單的圓柱形，簡(jiǎn)化制造。饒是如此，大直徑艇體制造依然是技術(shù)難關(guān)。

　　大直徑艇體內(nèi)空間完整，便于系統(tǒng)布置，更有利于布置長(zhǎng)大的重型垂發(fā)導(dǎo)彈，極大地提高打擊威力和火力密度。但大直徑艇體的制造、焊接、質(zhì)檢都難度很高。所謂大直徑厚板比小直徑薄板容易制造，這是似是而非的。

　　凡事都有一個(gè)度。適中尺度永遠(yuǎn)是最容易制造的，更大更小更厚更薄都要難度增加。大的比小的好做，這只是把微小的與適中的相比，而不是適中的與龐大的相比。特大特厚構(gòu)件的精密制造永遠(yuǎn)是技術(shù)難題，而精密制造對(duì)艇體是關(guān)鍵。艇體的不平整或者接縫不能對(duì)齊，會(huì)造成嚴(yán)重噪聲。耐壓要求還使得艇體必須用高強(qiáng)度厚板制造，厚度可想而知。不過(guò)中國(guó)正在重型精密制造方面悄悄地走到了世界的前面。西方用更小的技術(shù)裝備達(dá)到了同樣的制造尺寸，中國(guó)技法尚不如人，只好把劍打造的更長(zhǎng)一點(diǎn)。有一天中國(guó)的技法也一樣精湛了，那就是另外一個(gè)境界了。

　　在現(xiàn)代海戰(zhàn)中，航母像威風(fēng)八面、力撼四方的泰森，但核潛艇才是殺人越貨的忍者殺手。中國(guó)核潛艇的春天就要到來(lái)了嗎。人們正在急切期待。（作者署名：晨楓）