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观察者网一周军评:新一代潜艇的推进器和美国的反潜战

2017-06-04 09:05:50

【文/观察者网专栏作者 施洋】

本周,对于中国的军迷来说,年轻的马伟明院士又给我们带来了一个惊喜,在央视焦点访谈的节目中,由他所领导的团队研制的潜艇无轴泵喷推进器原理样机首次公开,加上他在采访里这句自信的“领先就领先美国”,让大家对下一代核潜艇又多了许多美好的期待;而与此同时,仿佛是有先见之明的“未雨绸缪”一般,本周美日联合进行的军事演习,也有意无意地为我们展示了美军未来反潜战可能的一个作战模式。

新一代核潜艇的推进器

本周三,在央视焦点访谈里,曾在电磁弹射器领域做出过突出贡献的马伟明院士又拿出了一项鼓舞人心的成就,那就是展示了号称用于下一代核潜艇的无轴泵喷推进器。由于这项技术比较先进,互联网上一时间也没有特别靠谱的介绍,于是在一时之间,从“无轴泵喷只是一个大号的无刷电机”到“无轴泵喷就是电磁超导推进”的各种说法都冒了出来。

作为美国打算在10年以后才在核潜艇上实际装备的真·高技术装备,把无轴泵喷技术“矮化”成一种共享电瓶车上都有的地点技术显然是荒谬可笑的。不过作为美国10年后就打算实用化的装备,用超导之类的高技术词汇过分神话这一技术,把它描述成像可控核聚变一样的未来科技自然也不合适。要说明白这一切,还得从传统的潜艇动力——螺旋桨说起。

在一般水面舰艇上,作为推进装置的螺旋桨最主要考虑的就是推进效率。而在潜艇上,除了要尽可能提高推进效率,提升潜艇的航速外,螺旋桨的设计还有一个重要的考虑就是降低噪音,这一方面的要求一个是尽量减少螺旋桨产生的空泡(因为空泡破裂会产生额外噪音,同时降低螺旋桨推进效率并且损坏桨叶表面),另一个则是降低螺旋桨的转速获得较低的噪音(这毫无疑问会带来速度的降低)。这两项互相矛盾的要求在技术上互相妥协,加上参考现实的螺旋桨加工工艺的结果,就是我们在谈到潜艇的时候经常会用到的一个词“七叶大侧斜螺旋桨”,这种螺旋桨相对来说比较不容易产生空泡,同时在低转速的情况下还能获得较高的推进效率和航速。

七叶大侧斜螺旋桨

当然这显然不是潜艇推进器的终点,在冷战后期,泵喷推进器就走上了潜艇动力的舞台。从本质上说,泵喷推进的确也不是什么高科技,顾名思义就是“像水泵一样推进”。因为泵喷的外部设有渐扩式导管,就像飞机的进气道一样,可以将流入的水流减速,从而提高驱动的效率,并且延缓空泡的产生,从而提升动力效率,因此最早被用于鱼雷提升航速。随着技术的进一步发展,泵喷推进器在推进效率高于后者的同时,其辐射噪声反而低于七叶大侧斜桨。文献表明,低航速下,泵喷的低频线谱噪声比七叶大侧斜桨要小15dB以上,宽带谱总噪声级下降10dB以上,高航速下,降噪效果更为明显。且泵喷空化性能要优于七叶大侧斜螺旋桨,使得泵喷临界航速更高,十分适合水下高速航行的核潜艇使用。当然,驱动几吨重鱼雷的泵喷和驱动几千甚至上万吨核潜艇的泵喷在技术难度上不是一个档次,二者在结构上也因为定子位置不同分别采用后置定子泵喷和前置定子泵喷。分别突出速度和静音性。经过多年发展,目前在美、英、法等国,泵喷已经成为新一代核潜艇的标准配备。

基洛级改进型拆下的后定子和转子

至于无轴泵喷,本质上是把原本通过驱动轴驱动的转子转为通过集成在泵喷导管或者轮毂内的电机发出的电磁力驱动转子旋转。虽然原理上很像无刷电机,但无论是制造工艺还是其采用的润滑方式都有相当大的不同。不过与传统机械式泵喷相比,无轴泵喷的推进效率实际上是降低的,消耗功率则反而要增加,其主要的优势还是在于能够降低噪音。这当然不是说外置电机就比潜艇内部的电机更加安静,而是因为无轴泵喷甩掉了无论是机械式泵喷还是螺旋桨都逃不掉的驱动轴,这根驱动轴带来的整个推进器和轴系的震动及其产生的噪音,在无轴泵喷上都得以取消,从而在动力系统减噪方面迈进了一大步。当然这一技术难度不小,在此之前,美国是唯一将这一技术产品实用化的,潜艇上唯一运用无轴泵喷的就是美国的“弗吉尼亚”级,而且只是其艇上的辅助推进集成电机泵喷,美国目前的规划,也只是在至少10年以后建造的下一代战略弹道导弹核潜艇上可能采用的推进形式。

“弗吉尼亚”级潜艇的泵喷推进器,当然,还不是无轴泵喷

规划中的美国海军未来无轴泵喷

不过这一推进系统也不是毫无缺陷,一个是以目前的技术来看,无轴泵推还不适合作为主推力的大功率推进系统,大多数的实践主要还是利用其不需要推进轴,所以转向灵活的优势,作为改善舰船操纵性的辅助推进系统,同时保留螺旋桨或者机械式泵喷作为主动力。当然理论上只要增加几个无轴泵喷,动力确实也能得到改善,但对于核潜艇来说,推进器也不能无限制增加。根据现有的测算,如果“捆绑”在潜艇上的无轴泵喷数量超过3个,这些布置距离太近的推进器就会互相“抢水喝”,导致推进器的功率下降,而只装1个或者2个则功率又不够;另一个缺陷则是因为其电机等电磁设备都布置于潜艇外的导流罩内,其电磁信号缺乏遮蔽,很容易导致潜艇的磁信号增强。基于上述两个考虑,目前美国最新的核潜艇规划里,机械式泵喷又成了主流,无轴泵喷还是回到了辅助推进的位置上。

回到马伟明院士的产品上,现场看到的无轴泵喷推进器体积和直径都相当小,要么只是一台功率较小的辅助推进器,要么根本只是更加早期的技术验证机。无论如何,这台无轴泵喷推进器距离真正装上核潜艇,成为水下高速航行的主动力系统,显然还存在相当大的距离。虽然这样也不影响其在技术上的先进性甚至领先性,但就实用性而言,我们显然还不能就此乐观的认为,即将服役的新核潜艇的推进系统就能因为这样一台验证机而万事大吉。

《焦点访谈》截图 采访中出现的无轴泵喷样机

从目前的情况观察,无论是已经服役并且多次远赴印度洋、太平洋甚至大西洋进行巡航的093型核潜艇,还是增加了垂直发射的对陆攻击巡航导弹,指挥台围壳后部有隆起的093改进型核潜艇,都还没有使用泵喷推进器的迹象,而是继续使用传统的七叶大侧斜螺旋桨,因此对于中国海军而言,无论是哪一种泵喷推进器,都能提高中国核潜艇的水下隐蔽性,并且提高中国海军核潜艇的推进效率。对于过往记录中水下噪音偏大,且长期因为反应堆尺寸和技术问题功率不足、水下航速偏慢的中国核潜艇来说,无论哪个形式的改变都是值得可喜的,而如果考虑到技术的复杂性,那么技术上更加成熟可靠,且同时在推进效率和降噪两方面都能取得较大进展的机械式泵喷推进系统,也许是眼前中国海军核潜艇的最好选择。至于随着技术的进一步发展,中国的无轴泵喷推进器能否突破现有的技术上限,就要看马院士给我们带来的惊喜有多大了。

反潜航母的回归

本周四,美国海军与日本海上自卫队开始在日本海进行连续三天的联合军演。美日双方合计3艘航空母舰、2艘导弹巡洋舰和7艘导弹驱逐舰参加了演习,包括美军航空母舰“卡尔·文森”(CVN-70)号、“罗纳德·里根(CVN-76)”号,导弹巡洋舰“尚普兰湖”(CG-57)号和“夏洛”(CG-67)号,导弹驱逐舰“韦恩·梅耶”(DDG-108)号、“迈克尔·墨菲”(DDG-112)号、“巴里”(DDG-52)号、“麦坎贝尔”(DDG-85)号、“菲斯杰拉德”(DDG-62)号和“马斯廷”(DDG-89)号。日本海上自卫队直升机航母“日向”号以及宙斯盾导弹驱逐舰“足柄”号。

参与演习的美日联合舰队 图片来源:美国第7舰队

双方并未名言此次演习的具体内容,只是含糊地用“例行训练”或者“提升战术技能”这样的话语搪塞,虽然演习地点在朝鲜半岛边的日本海里,但各方媒体也没有像以前几次一样大肆宣扬此次演习,并没有像前几次演习那样明确声称针对朝鲜。虽然各方在新闻稿中都提到了之前几天朝鲜连续试射了地空导弹以及末端修正的短程弹道导弹的事实,不过大家也都清楚,这种规模和级别的演习肯定是早有规划,而不是针对朝鲜的几次导弹试射临时拼凑而来。

不过笔者倒是注意到一个有意思的现象,这次3航母联合军演中,由于日本海上自卫队直升机航母“日向”的加入,使得美国海军无意间组成了一个上世纪50-60年代经典的反潜航母+攻击航母配置,使得这支舰队的反潜作战能力非同一般的强大。

反潜航母+攻击航母的配置是二战结束后美国海军为同时应对50年代苏联狂造常规潜艇威胁和强化超级航母核攻击能力而设计的一种分工体制。由于当时二战中在商船船体上建造的护航航母早已经解甲归田改回商船去了,加上新一代的舰载反潜机S-2采用双引擎布局,二战中建造的轻型航母已经运用不了,因此美国海军打上了更大型的“埃塞克斯”级舰队航母的主意。恰好随着舰载机的大型化二战中以及战后竣工的“埃塞克斯”级已经无法运用60年代初开始服役的F-4系列重型战斗机,这些已经接受现代化改装、拥有斜角甲板、蒸汽弹射器和舷侧升降机的航母就在60年代陆续被改装为反潜航母(战后未经升级,仍然保留平直飞行甲板的就只能成为第一代两栖攻击舰了),搭载S-2反潜机和SH-3反潜直升机,统领同样接受过反潜升级的二战舰队驱逐舰,成为舰队反潜作战的中流砥柱。

搭载S-2E反潜机的“埃塞克斯”级“约克城”号

不过毕竟“埃塞克斯”级到了上世纪60年代已经老迈,因此在上世纪70年代这些反潜航母就相继退役。但美国海军对反潜航母心里一直是念念不忘,此后也动过让“硫磺岛”两栖攻击舰偶尔客串反潜航母以及建造相当于轻型航母的“制海舰”的主意,但是前者航速太慢,跟不上快速的航母编队,后者则因为海军担心会影响国会对大型航母的支持根本没有建造。美国海军也不得不将超级航母从“攻击航母”变成“通用航母”,减少攻击机的搭载量,改为携带S-3反潜机和反潜直升机。至于冷战后,美国海军更是判断水下威胁已经不严重,干脆在S-3退役之后停止发展下一代舰载固定翼反潜机,只用反潜直升机对付了。

进行伙伴加油的S-3B“北欧海盗”反潜机,于2009年全部退出现役。原本应该由CSA通用支援飞机计划中的反潜压制型飞机接替,但CSA没了下文,美国海军也只能用反潜直升机进行外围反潜了

时至今日,经常为造舰预算不足发愁的美国海军连保持11艘航母的法律都要申请国会给予33个月的“豁免”才能力保不失,自然没有闲钱去发展用途单一、价格还不便宜的专业反潜航母,但作为一心想着反潜作战的海上自卫队而言,直升机航母却是最贴合他们需要的装备。更何况对于美军而言,编队中有这么一艘反潜直升机航母的益处着实不少:“日向”号最多可以搭载11架反潜直升机,差不多相当于一艘美国航母上的一个反潜直升机中队,等于将美国海军的双航母舰队的反潜力量增加了1/3,而如果按照战时出动一整个护卫队群的配置的话,编队不仅还将获得额外的5-6架直升机,更能在编队中增加5艘至关重要的反潜通用驱逐舰。

这也算是恢复了日本海自的“本职工作”

笔者以前一直吐槽美国只有4艘护航舰艇的航母打击大队反潜战力不足,没有办法派出水面舰艇长时间对水下目标进行跟踪。但从这次日本海的演习看,双航母打击大队的舰艇数量,还是能够很好满足一般威胁条件下的反潜作战需求的。而一旦编队中再加强了海上自卫队的护卫队群的反潜驱逐舰和直升机航母,则整个编队的反潜舰艇数量完全恢复到冷战高峰时期的水平,如果考虑到当代反潜舰的性能有了很大提升,那么这样的编队的反潜战斗力将相当可观。

比起更大规模的航母编队,两个航母打击大队组成的舰艇编队在平时比较容易实现,而在东亚和西太平洋地区,由于有常驻日本的“里根”号航母,美军在这一地区调集两艘航母的机会非常多,而让日本海上自卫队出动一整个护卫队群这样的事情,对于舰龄短、舰况好的海上自卫队来说,问题真的也不大。

当然会有读者表示“航母再屌,东风撂倒”,这当然也是个很不错的说法,不过美国海军这些年来正在一步一个脚印地加强自己的水面舰艇编队反导能力,本世纪初开始研制的反舰弹道导弹随着技术的进步,其作战效能也不可避免地会出现下降。而对于航母编队的打击方法而言,使用包括导弹、航空兵、水面舰艇和潜艇等多种力量进行立体打击是个常识。这样的情况下,对手在任何领域的增强,都是值得我们去关注和重视的。

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施洋

施洋

外交与军事观察者,独立评论员

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来源:观察者网 | 责任编辑:荀越
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