性能優異的泵噴推進,為何只應用於核潛艇,而不應用於常規潛艇?

1944年,G.F.Wislicenus首先提出使用導管螺旋槳或者泵噴通過降低流經槳葉的流速來改善推進器的空化性能。1957年美國賓夕法尼亞大學ARL研究所的工程師成功地設計出世界首臺泵噴推進器,並開始應用於重型魚雷上,自此,開啟了魚雷的泵噴推進時代。到目前為止世界各國設計航速高於45節以上的高速魚雷已全部採用泵噴推進。


性能優異的泵噴推進,為何只應用於核潛艇,而不應用於常規潛艇?


到了冷戰時期,美國為了確保潛艇在下一個世紀能夠強於蘇聯潛艇,制定了建造新一代攻擊型核潛艇計劃。在這一背景下,美國開始著手將泵噴推進引入到新一代攻擊型核潛艇上來。雖然泵噴技術源於美國,但真正第一個將泵噴推進器用於核潛艇的並不是美國。1984年,英國率先在“特拉法爾加”級攻擊核潛艇的二號艦“洶湧”號(Turbulent)上裝備泵噴推進器,這是世界上第一艘採用泵噴推進的核潛艇。


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“特拉法爾加”級攻擊核潛艇

自此開始,西方陣營開始陸續發展採用泵噴推進的核潛艇,如英國的“前衛”級、“機敏”級;法國的‘梭魚“級、”凱旋“級;美國的”海狼“級、”弗吉尼亞“級等等。而反觀常規動力潛艇,僅有在冷戰末期,蘇聯為應對美國開始發展泵噴推進的核潛艇,開始在”基洛“級上實驗泵推技術。1990年,採用了泵噴推進的B-771常規潛艇服役,這是迄今為止唯一採用泵噴的常規潛艇。這樣我們難免有疑問:泵噴推進為何不應用在常規潛艇上呢?


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俄羅斯B-771常規潛艇尾部泵噴

在筆者看來想要搞清楚常規潛艇為何不採用泵噴推進,先要搞清楚為何核潛艇需要發展泵噴推進。泵噴推進器是一種旋轉組合式水動力推進器,由軸對稱環形導管以及導管內的靜止導葉(導輪)、旋轉葉輪組成。泵噴推進器最主要的優勢來源於導管對流場的分割作用,而使推進泵的葉輪在均勻的流場中工作,以及減少工作流體的擴展。如果再加上特定的導管和導輪,使得泵噴推進器在高速範圍內有更好的抗空泡性能。因此,提高了潛艇推進器在高航速下的噪聲水平和效率。據統計,在航速大於20節以上時,泵噴推進器具有較明顯的優勢。(注:高航速是重要條件)


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後置導輪的泵噴推進器內部結構

現在核潛艇的水下航速普遍在25節以上。同時,現在的核潛艇為了提升戰鬥力和自持力,也朝著排水量越來越大的方向發展。潛艇越來越大,航速還越來越高,這樣對於推進器的推力要求也就越來越高。這樣,為了維持潛艇的高航速,除去減阻技術外,就不得不提高螺旋槳的推力。提高螺旋槳推力最有效的辦法,就是提高轉速和增大直徑。但是提高轉速會造成螺旋槳空化和震動加劇,噪音水平也隨之上升,破壞了潛艇的隱身性能;而增大直徑,受當下材料和加工水平的限制,很難進一步增大,所以只能尋求新的設計思路——如噴水推進(泵噴推進)。


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“美國弗吉尼亞”級攻擊核潛艇水下航速高達34節

通過上述我們不難看出,泵噴是一款非常適合高速潛艇的推進器。而再反觀世界上一些典型的常規潛艇,如瑞典的“哥特蘭”級,德國的“212”型和“209”型,法國的“阿戈斯塔’級,俄羅斯的”基洛“級等,它們的水下排水量普遍在1000~4000噸之間,設計最高航速在20節以下,而水下經濟航速在5~10節之間。這樣我們不難看出,相較於水下排水量動輒上萬噸甚至幾萬噸,最高航速25節甚至更高的核潛艇,常規潛艇具有排水量小,航速低的特點。


性能優異的泵噴推進,為何只應用於核潛艇,而不應用於常規潛艇?

英國“機敏”級核潛艇的泵噴推進器包裹的嚴嚴實實

潛艇在水下的阻力主要來源於摩擦阻力,而水下排水量小,意味著溼表面積小,在同航速下的阻力也越小;同時,航速更低,意味著所需要的推力也更小。這樣採用一款直徑不大的大傾斜七葉槳就能滿足需要。而反觀泵噴推進器,除了在低航速下效率不及大傾斜七葉槳的缺點外,還存在著結構複雜、質量大、不易維護、設計匹配難度大的缺點。這樣看來,顯然是結構簡單可靠、且低航速下性能更優異的大傾斜七葉槳更適合常規動力潛艇。也正因此,常規潛艇普遍不採用泵噴推進方式。


性能優異的泵噴推進,為何只應用於核潛艇,而不應用於常規潛艇?

採用了大傾斜七葉槳的潛艇


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