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亚太军情观察 | 我国无轴泵喷推进器技术领先美国 未来可应用到新一代核潜艇

2017-06-04 12:30:00  来源:亚太日报 【返回列表】

亚太日报评论员石宏

5月30日,央视《焦点访谈》栏目在特别节目“科技强国的追梦人”中,介绍了两位优秀的科技工作者,其中一位是中国工程院院士、海军工程大学电力电子研究所所长马伟明。根据报道,马伟明介绍了他的团队在世界上的第一个领先项目——潜艇无轴泵喷推进器。

众所周知,潜艇最大的优势在于隐蔽性,而隐蔽性的关键又取决于潜艇的水下续航力和噪声水平。对于水下续航力来说,核动力装置的应用已经解决了这个问题,使潜艇出航之后无需再浮出水面,所以现在拥有核潜艇的大国都将主要精力放在降低噪声上。

核潜艇噪声源主要来自机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声等三方面。这三大类噪声所形成的辐射噪声,随着核潜艇的航行深度和速度进行着变化。

当核潜艇在潜望镜深度以大于4-5节的速度航行时以及完全进入水下以任何航速时,螺旋桨噪声几乎都是主要噪声;当核潜艇在潜望镜深度以小于4-5节的速度航行时,机械噪声是主要噪声;当核潜艇在水下高速航行时,机械噪声是不亚于螺旋桨噪声的重要低频噪声;水动力噪声在一般情况下会被机械噪声和螺旋桨噪声所掩盖,但在某些特定情况下却有可能是主要的噪声。

而这三大类噪声所形成的自噪声对核潜艇的影响又与辐射噪声不同。

当核潜艇低速(小于6节)航行时,机械噪声是的主要自噪声;当核潜艇中速(6-16节)航行时,艇壳、艇首导流罩等周围的水动力噪声和螺旋桨噪声是主要的自噪声;当核潜艇高速(16节以上)航行时,螺旋桨空泡噪声以及艇壳表面、艇首导流罩周围的空泡噪声是主要的自噪声。

从上面的介绍不难看出,螺旋桨噪声对于核潜艇的总体噪声水平影响很大。这是因为核潜艇的尾部是有伴流场存在的,而且伴流场在周向是不均匀的,这样螺旋桨叶片在不均匀伴流场中工作就产生非定常的推力和转矩,引起螺旋桨叶片、轴系甚至艇壳的振动,进而产生机械噪声。

不仅如此,当螺旋桨转动时,由于桨叶要划动水流排向后方,因此桨叶吸水面的水流压力要小于排水面的水流压力,而且桨叶转速越高,吸水面的水压力就越小。在不均匀的伴流场中,这个特点越发明显。

而当桨叶转速增加到某一数值,桨叶吸水面水流压力降到海水的饱和蒸汽压力时,一部分海水就要汽化成为水蒸气,并在桨叶的吸水面上出现汽泡溢出,这就是空泡效应。

当气泡运动到叶片的较高压力部位时,发生破裂重新闭合而产生爆破声,这就是高频空泡噪声。螺旋桨的转数越高,空泡效应越严重,空泡噪声也越大。大量资料表明,空泡噪声是螺旋桨噪声的最大来源,通常要比空泡效应产生前的螺旋桨噪声高出10-30分贝。

对核潜艇来说,空泡效应不仅会产生空泡噪声,还会带来其他负面影响:大量空泡的产生,使航行中的潜艇像拖着一条大尾巴(专业名称为尾迹),使潜艇被发现的概率大增;使水流发生畸变,让桨叶产生空转,从而降低桨叶的推进效能;可能导致强冲击波的出现,并引起桨叶表层的腐蚀。此外,螺旋桨叶片拍击、切割水流时还会引起螺旋桨唱音,即旋转噪声。

传统的螺旋桨降噪方式主要是通过采用七叶大侧倾螺旋桨,以降低螺旋桨转速来来降低转速。但是,这种方法不仅难度大,而且技术潜力也快到了极限。

 七叶大侧斜螺旋桨外形图 (图片来源:网络)

七叶大侧斜螺旋桨外形图 (图片来源:网络)

那么,能不能取消螺旋桨来彻底消除螺旋桨噪声呢?答案是能。英国就在世界上率先在特拉法尔加级攻击核潜艇用一种新型的低噪声推进器——泵喷推进器取代了螺旋桨。

泵喷推进器由转子、定子和减速阻尼导管组成。根据转子和定子的前后位置不同,泵喷推进器可分为两类:定子布置在转子的前面称为“前置定子式”,定子布置在转子的后面则称为“后置定子式”。

核潜艇采用的是“前置定子式”泵喷推进器,定子可以使核潜艇尾部流入转子的水流产生预旋,起到均匀来流的作用、改善转子的进流条件,从而提高潜艇的推进效率、降低推进装置的噪声,但转子的推进效率稍低。

英国的研究和应用结果表明:低航速下,泵喷推进器的低频线谱噪声比七叶大侧斜螺旋桨小15分贝以上,宽带谱声级总噪声下降10分贝以上:高航速下,泵喷推进器的空化性能更是优于七叶大侧倾螺旋桨,降噪效果十分明显。因此,英国后来的“前卫”级战略核潜艇和“机敏”级攻击核潜艇全部采用了泵喷推进器。

而美国、法国在英国的示范效应下,也陆续在各自的“海狼”级和弗吉尼亚级攻击核潜艇、“凯旋”级战略核潜艇用泵喷推进器取代了七叶大侧倾螺旋桨。其中美国还在技术上实现了后来居上,其泵喷推进器的性能比英国更好。

不过,西方新一代核潜艇所采用的泵喷推进器都属于机械式,也就是仍然需要核潜艇艇体内的推进轴来提供驱动力,所以没有从根本上解决传统的“螺旋桨-轴系-艇体”耦合所产生的低频噪声。

而我国海军工程大学马伟明团队研究的无轴泵喷推进器则完全取消了推进轴,以布置在减速阻尼导管里的电机驱动泵喷推进器,不仅会彻底消除核潜艇轴系所产生的机械噪声,同时还将会因为取消复杂的轴系而使核潜艇的设计进一步简化、艇内有效利用空间进一步增加。当然,无轴泵喷推进器要在核潜艇上应用,前提条件是要实现综合电力推进,而这正是马伟明团队一直努力的重点。

根据马伟明的介绍,我国在无轴泵喷推进器技术上已经领先于目前同样在研究该技术的美国,未来如果应用到我国新一代核潜艇上,那么将会使我国核潜艇的噪声显著下降,隐蔽性、生存力都将得到大幅提高。这样一来,我国的攻击核潜艇将成为令人生畏的水下“静默杀手”,而战略核潜艇的威慑能力将变得更加有力。


作者简介:

石宏,资深军事媒体编辑、撰稿人,深圳卫视特约军事评论员,南方防务智库顾问,曾在国内多家军事杂志发表过大量军事装备和防务类文章,著有《日本军情》一书。

“亚太军情观察”作者均为资深军事记者和评论员,专栏紧扣全球军事热点和动态,为读者解析大国国防政策、地缘军事动向、国际军事技术、新型武器装备以及军事战略思想等。

(来源:亚太日报)