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盘点中国新一代核潜艇的黑科技

2017-11-10 07:26:31

【文/ 观察者网专栏作者 晨枫】

10月23日,中船重工官微报道,中国海军在三亚基地成功地试验了潜艇用永磁电机。这使得中国在核潜艇静音诸环节中又锁上了重要的一环。

核潜艇是国之重器,但只有安静的核潜艇才是国之利器。在70年代中国就憋劲咬牙造出了第一代核潜艇。但由于技术和经济条件的限制,这是有遗憾的。

40年后,中国在许多关键的工业技术方面取得了巨大的进展,有些甚至跨入世界前沿,但在核潜艇静音方面还是有显著差距。在各级舰船下饺子的时候,核潜艇方面进展缓慢,不乏关键技术没有取得突破,不宜在低水平上投入过多的考虑。

核潜艇具有实际上无限的水下航程,而且持续航速高。现代驱护舰靠放出直升机追核潜艇,如果不是跟上航母编队的要求,现代驱护舰很多已经跑不过核潜艇了,因为勉强跑出高速没有意义,常规动力的驱护舰要不了多久就追不上可以持续以最高航速一骑绝尘而去的核潜艇了,当然水下是没有尘的。

核潜艇常给人一种尺寸很小的错觉。图为俄亥俄级战略核潜艇佛罗里达号,艇员站坡都紧紧巴巴

实际上她是一艘能以24节航速飞驰的水下“巡洋舰”,其动力需求可想而知

但核潜艇具有本质噪声较高的问题。反应堆的冷却水泵和管路内的水流噪声,齿轮减速箱的噪声,传动轴的振动和轴承噪声,螺旋桨的噪声,都使得核潜艇的降噪难度很高。

自然循环反应堆大大降低反应堆的噪声。自然循环没有了泵机的噪声,本身的水流流动也比较舒缓。水壶烧水的时候,只要不是一上来就大火猛烧,在产生气泡、快要烧开之前,基本上是无声的,但水壶里已经由于热水上升和冷水下降而在自然循环了。自然循环噪声低,没有泵机的功率消耗,但传热效率较低。完全自然循环的反应堆会很大,很笨重。在中低功率状态下用自然循环,在高功率状态下加入强制循环,可以较好地达到静音和功率密度之间的平衡。

4月21日,中国科技奖励网报道引用核潜艇总师张锦岚的话说,中国已经在实现了反应堆的自然循环,这就从反应堆方面解决了噪声问题。

反应堆示意图。红圈所示即为循环泵,关了这个东西之后,才到见“真功夫”的时候。

海狼级核潜艇动力舱段,里面是世界上最强大的自循环核潜艇堆S6W

反应堆产生热量,产生高温高压蒸汽,推动汽轮机,转换为机械能。传统方式是把这机械能直接用于推进。但汽轮机转速大大高于螺旋桨转速,需要大功率减速齿轮箱,这是可观的噪声源。反应堆、汽轮机、齿轮箱重量打,只能布置在艇体中段,保证中心和重量的合理分配,导致的很长的传动轴,不仅制造要求高、重量大、占用宝贵空间,还不可避免地产生振动和轴承噪声,这是另一个可观的噪声源。


用电力推进的话,汽轮机驱动发电机,大功率输配电系统“柔性”地通过电缆传递功率,不仅大大便利艇内的设备布置,而且便于用可变转速电机推动,一举取消了齿轮箱、传动轴的噪声。传统上用励磁电机,现在采用更先进的永磁电机,功率密度更高,噪声更低。

并非巧合的是,大名鼎鼎的马伟明院士的重要贡献之一就是中压交直流系统。中压比低压的功率密度更高,这是现代电推的关键技术,新一代汽车也有向48伏直流转变的趋势,舰船使用的可以更高,但英国“伊丽莎白女王”级航母和美国“朱姆瓦尔特”级驱逐舰据说用的还是低压直流系统。直流便于大功率传输和调速,用于推进;交流用于艇其他一般用户。中压系统和永磁电机一起,这又锁上核潜艇动力系统降噪链的又一环。

马伟明院士的话讲的硬气,但相关节目中展示的无轴泵喷装置还是个小型装置,距离实际应用到底有多少距离还难估计

更非巧合的是,在央视《焦点访谈》节目中,马伟明院士展示了无轴泵推技术。展示的当然是实验室规模的小东西,现在达到什么样的实用化程度是保密的,到底离装艇使用有多少距离,就留给人们想象了。

传统推进用螺旋桨,倾斜的叶片在旋转中通过对水的斜切的向后分量形成推进力。从另一个角度来说,就是在叶片前后制造一个压力差。压力差越大,推进的力道越大。不过,压力差也是有副作用的,叶片背后的减压会造成汽化,空泡在水压下破灭会产生很大的噪声。由于叶片产生压差的能力与线速度的平方成正比,简单叶片的空泡澡声在叶尖达到最大。由于直接暴露在水中,这或许是潜艇噪声的最大来源。

为了使得叶片的推进效率在半径方向相对均匀以达到最优,叶片宽度和扭转需要精心设计,这就形成了螺旋桨叶片像现代抽象派雕刻一样的奇特形状。为了加大推力但减小噪声,通常还需要加大直径、降低转速。大直径复杂扭转的螺旋桨制造是技术难关,当年东芝因为私下向苏联出口有关数控机床还遭到美国的严厉制裁。

但螺旋桨的降噪是有极限的,进一步降噪要在螺旋桨以外做文章,这就是泵推。泵推也称涵道螺旋桨,在常见螺旋桨之外围上一圈围壳,对叶片噪声实现屏蔽,只有在尾后很小的锥形区域内才容易探测到螺旋桨的噪声。

泵推不是新概念,在鱼雷上也早就得到应用,但在潜艇上的应用依然属于前沿技术。魔鬼正在细节之中。

法国凯旋级战略核潜艇的模型,红圈部位即为泵喷推进系统

泵推的围壳套在艇艉锥顶端,必然需要支撑结构,这称为定子,通常是顺着流向的固定叶片结构。螺旋桨当然就是转子。在结构上,要么定子在前,转子在后;要么转子在前,定子在后。两者各有好处。

前置定子可以起到整流作用,把进水理顺,有利于转子发挥最大推进效率,常用于追求最大速度的鱼雷。螺旋桨产生的推进水流必然带有转动。转动是不产生推进作用的,但转动又必然与周围的静止水体产生互动,产生紊流和噪声。前置定子有利于转子发力,这也导致较大的噪声。

后置定子则相反,把转子的出水理顺,减少水流的转动,减少噪声。后置定子本身对噪声也有一定的屏蔽作用,进一步降噪,多用于追求最大降噪的潜艇。

检修中的基洛级潜艇“埃罗莎”号。A:转子,B:定子,C:外壳。可见典型的定子后置设计。

围壳体围成的涵道也有讲究,这可以类比于喷气发动机的进气道。从进水口开始逐渐扩大,可以使得进水减速增稳,改善转子工作效率。在转子之后逐渐收小,可以使得出水水流进一步加速,提高航速。但这是以额外阻力为代价的。渐扩段相当于倒拖一朵喇叭花,渐缩段则直接增加转子的背压,“憋住”转子的有效出力。世上本无免费的午餐。

有的泵推只有渐缩,渐缩的进水段套在艇艉锥周围,这样有利于与艇艉整合,比较紧凑,但并不利于改善转子工况。进水在又薄又长的渐缩环道里加速,阻力也大,更加适合于现有潜艇的泵推化改装,全新设计一般不这么做。取消渐扩进水段是有的,只有短到几乎可以忽略不计的进水段,但依然用渐缩的出水段对水流加速,提高航速。这样对抑制转子空泡噪声效果要损失一些,但结构重量也要小一些。

不管前置还是后置,定子结构本身都要造成阻力,吃掉一点功率。泵推围壳本身又是一大块重量和阻力,涵道内与水流的互动也导致一点推力损失。泵推吃功率,在很长时间里是妨碍在潜艇上采用的一大障碍,传统潜艇没有多余的功率可以损失。现代核潜艇反应堆出力大大提高了,才有条件推广。

传统泵推可以机械直推,也可以电推,但还是需要传动轴,所以也称有轴泵推。这带来一系列传动轴的固有问题。电推的话可以电机外置,解决传动轴问题,但解决不了泵推的另一顽固问题:缠绕。

开放的螺旋桨也有缠绕问题,但一般情况下,外物在叶尖甩出,问题不大。泵推有围壳围着,甩不掉,很容易“吸引”缠绕。增加进水网格可以缓解外物问题,但网格本身也会堵塞,更何况增加阻力。

无轴泵推就不一样了。顾名思义,无轴泵推没有传动轴,环形电机直接整合在泵推围壳内,螺旋桨叶片是直接安装在环形电机的转子上的,与有轴泵推好比是滚筒式洗衣机与波轮式洗衣机的差别。

环形电机在原理上与普通电机相仿,只是转子(电机的转子,在这里也是推进器的转子)直径大大加大,而且是空心的。用于无轴泵推时,叶片像从圆环伸向中央的牙齿。牙尖可以搭接,但通常悬空,所以圆心是空心的。圆形处线速度为零,本来就没有推进作用,没有叶片也不损失推力。外物缠绕通常向中心聚集,空心的圆心正好让外物通过。演示表明,无轴泵推很难发生缠绕问题。这对潜艇在容易发生缠绕危险的浅海行动具有不言而喻的意义。

曾经使得西方误认为基洛级潜艇采用了无轴泵喷技术的照片,其实是“埃罗莎”号的定子


基洛级潜艇其实还是两级定子,图中可见有明显的两道接缝

无轴泵推没有中心体,因此也没有由此而来的中心体尾后低压区和阻力问题。本来空心的旋转的推进水柱,现在中心被进水通过空心的中央填满了,出水特别平顺,也降低了尾流噪声。无轴泵推也不需要定子,不管用什么方式把围壳固定在艇体上了,围壳内是不需要定子的。相比之下,有轴泵推是必然有定子的。

无轴泵推由于是从轮圈传力,扭力特别大,不需要变距叶片,就可以在一两秒钟内从全速前进转为全速倒退,这是螺旋桨或者有轴泵推难以做到的。

无轴泵推在阿姆斯特丹的全电游船上已经实现了,每天在运河里悄无声息、水波不兴地划过。

叶片的叶根现在扎根在环圈上,受力设计和制造极大简化,容易在推进效率、噪声、重量、成本上优化,比如像现代超高涵道比涡扇发动机的风扇叶片一样,在叶尖反而“铲出”。

只要能解决大尺寸环形电机的制造问题,大直径无轴泵推的叶片制造反而相对简单。当然,这个“只要”可不简单,大直径、大功率、低磨耗、高精度的环形电机是技术难关,这也限制了无轴泵推的功率。用多个降低直径的环形电机驱动的无轴泵推并联工作,可以解决单个大直径环形电机的设计和制造问题。

应用了无轴泵喷技术的渡轮,该船首尾各装一个无轴泵喷推进器

 目前应用的无轴泵喷系统缺点是功率小,单个推进器只能用作小船的动力,或者大船的辅助动力

在其他因素不变的情况下,泵推的推力大体取决于叶片扫过的面积。至今减半的话,需要四个半直径单元才能等效于一个全直径单元。好在无轴泵推的安装灵活,没有常规螺旋桨或者有轴泵推要考虑传动轴从艇体穿出的问题,除了围壳与艇体的连接,并不需要定子,只要在艇艉设计时考虑到,多单元的安装是可以解决的。比如说,常规艇艉是水滴形的尾巴,可以近似为圆锥,天然适合单螺旋桨设计。但把艇艉改成扁锲形,水动力特性和制造上依然没有太大的问题,但提供了天然的安装多单元无轴泵推的空间。与电传操控相结合的话,甚至引入可转动单元,还可大大减小常规的尾翼尺寸,降低阻力。多单元还降低对可靠性的要求。

多单元之间的“抢水”是一个问题,但单元越多,每个单元的功率越低,抢水问题实际上越小,当然保证所有单元均匀出力对水动力设计的要求也越高。在这方面,航空上有很多先例,可以借鉴。随着涡电混动的兴起,新一代飞机沿翼展布满了螺旋桨。大量小功率电驱动螺旋桨的制造成本低,可靠性要求低,与传统设计中追求尽量减少发动机和螺旋桨数量的做法截然相反。这与多单元无轴泵推有相似之处。

多单元除了要在艇体设计时就有所考虑和可靠的中压直流系统的支持,还有较大的重量和阻力。与全直径泵推相比,四个半直径泵推的围壳总周长要加倍,大体上也导致重量和阻力加倍。还是那句老话,没有免费的午餐。

另一个问题是外置的环形电机不易屏蔽电磁信号,多单元无轴泵推加剧了屏蔽困难,容易导致暴露目标。这些原因使得无轴泵推尚未在潜艇的主要推进上得到应用。就看马伟明能不能给人们带来惊喜了。

即使中国尚未突破无轴泵推技术,有轴泵推依然是一个飞跃,这方面已经没有一票否决式的技术障碍了。

中国正在有关核潜艇动力系统降噪的一系列关键技术取得突破,是否会在下一代核潜艇上集中采用还不好说,这里有风险控制问题。

先进核潜艇是一系列尖端技术组成的复杂系统,图为“海狼”级核潜艇的艇艏声呐基阵

另一个问题是艇体设计。理论上,水滴形艇体阻力最小,噪声也最小。但纯水滴形每一段艇体都是连续可变曲率,制造很困难,一般用改进水滴形或者纺锤形,艏艉与水滴形相同,中段为简单的圆柱形,简化制造。饶是如此,大直径艇体制造依然是技术难关。

大直径艇体内空间完整,便于系统布置,更有利于布置长大的重型垂发导弹,极大地提高打击威力和火力密度。但大直径艇体的制造、焊接、质检都难度很高。所谓大直径厚板比小直径薄板容易制造,这是似是而非的。

凡事都有一个度。适中尺度永远是最容易制造的,更大更小更厚更薄都要难度增加。大的比小的好做,这只是把微小的与适中的相比,而不是适中的与庞大的相比。特大特厚构件的精密制造永远是技术难题,而精密制造对艇体是关键。艇体的不平整或者接缝不能对齐,会造成严重噪声。耐压要求还使得艇体必须用高强度厚板制造,厚度可想而知。不过中国正在重型精密制造方面悄悄地走到了世界的前面。西方用更小的技术装备达到了同样的制造尺寸,中国技法尚不如人,只好把剑打造的更长一点。有一天中国的技法也一样精湛了,那就是另外一个境界了。

在现代海战中,航母像威风八面、力撼四方的泰森,但核潜艇才是杀人越货的忍者杀手。中国核潜艇的春天就要到来了吗。人们正在急切期待。

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晨枫

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来源:观察者网 | 责任编辑:于宝辰
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