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無軸泵噴推進技術,助力未來潛艇成為“大洋黑洞”

泵噴推進器是當代潛艇,尤其是核潛艇上應用的新型組合式水動力推進器。與此前潛艇廣泛使用的七葉大側斜螺旋槳相比,泵噴推進器在推進效率高于後者的同時,其輻射噪聲反而低于七葉大側斜槳。高航速下,降噪效果更為明顯。且泵噴空化性能要優于七葉大側斜螺旋槳,使得泵噴臨界航速更高,十分适合水下高速航行的核潛艇使用。

當然,泵噴推進器也有一定的缺陷。目前實際應用的潛艇泵噴推進器都屬于機械式泵噴推進器,這一推進系統由于仍然依賴潛艇艇體内的驅動軸提供動力,因此,并沒有徹底解決傳統“螺旋槳—軸系—艇體”耦合振動産生的低頻譜噪聲。現有的潛艇泵噴推進系統還必須使用驅動軸,相當于在常規潛艇的螺旋槳外,包裹一層蒙皮以增加推進效率并減少噪音的傳播,其結構形象地說就如同家用電風扇。同時,機械式泵噴推進器還有結構複雜、技術要求高、重量大等缺陷。為了進一步降低這一噪聲,研制無軸泵噴推進器就成了海軍強國正在集力攻關階段。

泵噴推進器是當代潛艇,尤其是核潛艇上應用的新型組合式水動力推進器,但其也有缺陷

無軸泵噴推進器

無軸泵噴推進器,是繼機械式泵噴推進器之後新一代的潛艇推進系統,是有軸泵噴推進潛艇的升級版。潛艇泵噴射推進器使用無軸推進方式,取消了螺旋槳中心部位的傳動軸,各個螺旋槳葉片分别連接在原本的外包蒙皮上,由電機驅動。通過動力機組提供的電力驅動電動機獲得推進動力,而不是像以往一樣用一根長長的軸去帶動螺旋槳。無軸泵噴技術是目前世界上最先進的潛艇推進系統,也是各海軍強國競相追求發展的關鍵技術。

無軸泵噴推技術能夠實現“全靜音”,是由于其将傳統螺旋槳和機械式泵噴推進器的軸系驅動,轉化為電機驅動,由于電動機不是安裝到潛艇的中心軸線上,而是布置在環狀導管内,所以不需要中心驅動軸,從而傳統動力系統的驅動軸被取消了,因此,也就不會産生傳統“螺旋槳—軸系—艇體”耦合振動産生的低譜噪聲。

無軸泵噴推進器徹底擺脫了傳統軸系推進系統及其制造的噪音,與潛艇全電推進系統搭配使用,能同時降低潛艇的機械噪聲和螺旋槳噪聲,對核潛艇降噪具有十分顯著的效果。裝備這一推進器的潛艇具有極高的安靜戰術航速,直接提升至20節以上的水平。意味着在同等噪聲條件下,由無軸泵噴推進器驅動的潛艇,能以更高的航速對傳統軸系驅動方式的潛艇展開攻防戰術行動。

無軸泵噴推進器概念圖

美國是最早開始研制無軸泵噴推進器的國家之一。2004年,美國海軍和國防預先研究計劃局(DARPA)聯合發起了Tango Bravo項目,該項目拟取得的技術突破中,第一條即是實現無軸推進。2011年,麻省理工學院機械工程系完成了潛艇吊艙推進的概念設計,而美國海軍研究署則在着手研究無軸泵噴推進器實用化技術,并計劃在美國下一代戰略彈道導彈核潛艇上率先應用無軸泵噴推進器。但直至現在仍舊沒有較大相關消息傳出。

我國無軸泵噴推進技術的發展

我國無軸泵噴推進器技術方面,則已經獲得了實際應用。2017年5月30日,中央電視台《焦點訪談》欄目播出了紀念全國首個科技工作者日的特别節目“科技強國的追夢人”,介紹了北京郵電大學網絡與交換技術國家重點實驗室主任張平教授與中國工程院院士、海軍工程大學電力電子研究所所長馬偉明。其中在介紹中國工程院院士、海軍工程大學電力電子研究所所長馬偉明院士的相關事迹時,記者獲準進入了海軍工程大學的一所實驗室,拍攝并采訪了馬偉明院士帶領研發的一系列科技成果。其中一件帶有展闆的展品被馬偉明院士介紹為他所在團隊“在世界上第一個領先項目”,而根據展闆上的介紹,這一成果是“潛艇無軸泵噴推進器”。

據馬偉明院士介紹,潛艇無軸泵噴推進器是下一代核潛艇所用的推進系統,并且“現在已經在應用了”,而在技術上,他的團隊掌握的這一技術“領先就領先美國”,且“美國也是沿着這條路線走的”。

無軸泵噴推進器徹底擺脫了傳統軸系推進系統及其制造的噪音,對核潛艇降噪具有十分顯著的效果

據悉,研制無軸泵噴推進器的先決條件就是實現動力系統的綜合全電力推進,這也正是馬偉明團隊所科研攻關的重點項目。目前,我國在艦艇綜合電力系統方面已經實現了巨大突破。相比于美國采用的以中壓交流技術為核心的艦艇綜合電力系統,我國采用的是以中壓直流技術為核心的艦艇綜合電力系統,相比于中壓交流綜合電力系統,中壓直流綜合電力系統由于取消了中壓交流系統中的一些設備,實現了發動機轉速不受交流頻率限制,對原動機的調速性能要求也比較低,因而具有體積重量小、功率大、運行效率高、穩定性好、運行靈活等優點,領先中壓交流綜合電力系統一代,也是未來艦艇綜合電力系統發展的必然趨勢。

所以,在此基礎上研發的潛艇無軸泵噴推進器,自然較美國先進,具有推進功率大、體積小、噪音低、可靠性高等諸多優點,未來完全可以應用在新型潛艇上。

據悉,研制無軸泵噴推進器的先決條件就是實現動力系統的綜合全電力推進,我國在這方面已經走到了世界前列

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