<samp id="zw2s6"><i id="zw2s6"></i></samp><legend id="zw2s6"><li id="zw2s6"></li></legend>

  • <optgroup id="zw2s6"></optgroup>

        盤點中國掌握的黑科技 下一代核潛艇呼之欲出

        2017年11月10日 09:49 新浪軍事
        微博 微信 空間 分享 添加喜愛

          來源:觀察者網

          10月23日,中船重工官微報道,中國海軍在三亞基地成功地試驗了潛艇用永磁電機。這使得中國在核潛艇靜音諸環節中又鎖上了重要的一環。

          核潛艇是國之重器,但只有安靜的核潛艇才是國之利器。在70年代中國就憋勁咬牙造出了第一代核潛艇。但由于技術和經濟條件的限制,這是有遺憾的。

          40年后,中國在許多關鍵的工業技術方面取得了巨大的進展,有些甚至跨入世界前沿,但在核潛艇靜音方面還是有顯著差距。在各級艦船下餃子的時候,核潛艇方面進展緩慢,不乏關鍵技術沒有取得突破,不宜在低水平上投入過多的考慮。

          核潛艇具有實際上無限的水下航程,而且持續航速高。現代驅護艦靠放出直升機追核潛艇,如果不是跟上航母編隊的要求,現代驅護艦很多已經跑不過核潛艇了,因為勉強跑出高速沒有意義,常規動力的驅護艦要不了多久就追不上可以持續以最高航速一騎絕塵而去的核潛艇了,當然水下是沒有塵的。

          核潛艇常給人一種尺寸很小的錯覺。圖為俄亥俄級戰略核潛艇佛羅里達號,艇員站坡都緊緊巴巴

          實際上她是一艘能以24節航速飛馳的水下“巡洋艦”,其動力需求可想而知

          但核潛艇具有本質噪聲較高的問題。反應堆的冷卻水泵和管路內的水流噪聲,齒輪減速箱的噪聲,傳動軸的振動和軸承噪聲,螺旋槳的噪聲,都使得核潛艇的降噪難度很高。

          自然循環反應堆大大降低反應堆的噪聲。自然循環沒有了泵機的噪聲,本身的水流流動也比較舒緩。水壺燒水的時候,只要不是一上來就大火猛燒,在產生氣泡、快要燒開之前,基本上是無聲的,但水壺里已經由于熱水上升和冷水下降而在自然循環了。自然循環噪聲低,沒有泵機的功率消耗,但傳熱效率較低。完全自然循環的反應堆會很大,很笨重。在中低功率狀態下用自然循環,在高功率狀態下加入強制循環,可以較好地達到靜音和功率密度之間的平衡。

          4月21日,中國科技獎勵網報道引用核潛艇總師張錦嵐的話說,中國已經在實現了反應堆的自然循環,這就從反應堆方面解決了噪聲問題。

          反應堆示意圖。紅圈所示即為循環泵,關了這個東西之后,才到見“真功夫”的時候。

          海狼級核潛艇動力艙段,里面是世界上最強大的自循環核潛艇堆S6W

          反應堆產生熱量,產生高溫高壓蒸汽,推動汽輪機,轉換為機械能。傳統方式是把這機械能直接用于推進。但汽輪機轉速大大高于螺旋槳轉速,需要大功率減速齒輪箱,這是可觀的噪聲源。反應堆、汽輪機、齒輪箱重量打,只能布置在艇體中段,保證中心和重量的合理分配,導致的很長的傳動軸,不僅制造要求高、重量大、占用寶貴空間,還不可避免地產生振動和軸承噪聲,這是另一個可觀的噪聲源。

          用電力推進的話,汽輪機驅動發電機,大功率輸配電系統“柔性”地通過電纜傳遞功率,不僅大大便利艇內的設備布置,而且便于用可變轉速電機推動,一舉取消了齒輪箱、傳動軸的噪聲。傳統上用勵磁電機,現在采用更先進的永磁電機,功率密度更高,噪聲更低。

          并非巧合的是,大名鼎鼎的馬偉明院士的重要貢獻之一就是中壓交直流系統。中壓比低壓的功率密度更高,這是現代電推的關鍵技術,新一代汽車也有向48伏直流轉變的趨勢,艦船使用的可以更高,但英國“伊麗莎白女王”級航母和美國“朱姆瓦爾特”級驅逐艦據說用的還是低壓直流系統。直流便于大功率傳輸和調速,用于推進;交流用于艇其他一般用戶。中壓系統和永磁電機一起,這又鎖上核潛艇動力系統降噪鏈的又一環。

          馬偉明院士的話講的硬氣,但相關節目中展示的無軸泵噴裝置還是個小型裝置,距離實際應用到底有多少距離還難估計

          更非巧合的是,在央視《焦點訪談》節目中,馬偉明院士展示了無軸泵推技術。展示的當然是實驗室規模的小東西,現在達到什么樣的實用化程度是保密的,到底離裝艇使用有多少距離,就留給人們想象了。

          傳統推進用螺旋槳,傾斜的葉片在旋轉中通過對水的斜切的向后分量形成推進力。從另一個角度來說,就是在葉片前后制造一個壓力差。壓力差越大,推進的力道越大。不過,壓力差也是有副作用的,葉片背后的減壓會造成汽化,空泡在水壓下破滅會產生很大的噪聲。由于葉片產生壓差的能力與線速度的平方成正比,簡單葉片的空泡澡聲在葉尖達到最大。由于直接暴露在水中,這或許是潛艇噪聲的最大來源。

          為了使得葉片的推進效率在半徑方向相對均勻以達到最優,葉片寬度和扭轉需要精心設計,這就形成了螺旋槳葉片像現代抽象派雕刻一樣的奇特形狀。為了加大推力但減小噪聲,通常還需要加大直徑、降低轉速。大直徑復雜扭轉的螺旋槳制造是技術難關,當年東芝因為私下向蘇聯出口有關數控機床還遭到美國的嚴厲制裁。

          但螺旋槳的降噪是有極限的,進一步降噪要在螺旋槳以外做文章,這就是泵推。泵推也稱涵道螺旋槳,在常見螺旋槳之外圍上一圈圍殼,對葉片噪聲實現屏蔽,只有在尾后很小的錐形區域內才容易探測到螺旋槳的噪聲。

          泵推不是新概念,在魚雷上也早就得到應用,但在潛艇上的應用依然屬于前沿技術。魔鬼正在細節之中。

          法國凱旋級戰略核潛艇的模型,紅圈部位即為泵噴推進系統

          泵推的圍殼套在艇艉錐頂端,必然需要支撐結構,這稱為定子,通常是順著流向的固定葉片結構。螺旋槳當然就是轉子。在結構上,要么定子在前,轉子在后;要么轉子在前,定子在后。兩者各有好處。

          前置定子可以起到整流作用,把進水理順,有利于轉子發揮最大推進效率,常用于追求最大速度的魚雷。螺旋槳產生的推進水流必然帶有轉動。轉動是不產生推進作用的,但轉動又必然與周圍的靜止水體產生互動,產生紊流和噪聲。前置定子有利于轉子發力,這也導致較大的噪聲。

          后置定子則相反,把轉子的出水理順,減少水流的轉動,減少噪聲。后置定子本身對噪聲也有一定的屏蔽作用,進一步降噪,多用于追求最大降噪的潛艇。

          檢修中的基洛級潛艇“埃羅莎”號。A:轉子,B:定子,C:外殼。可見典型的定子后置設計。

          圍殼體圍成的涵道也有講究,這可以類比于噴氣發動機的進氣道。從進水口開始逐漸擴大,可以使得進水減速增穩,改善轉子工作效率。在轉子之后逐漸收小,可以使得出水水流進一步加速,提高航速。但這是以額外阻力為代價的。漸擴段相當于倒拖一朵喇叭花,漸縮段則直接增加轉子的背壓,“憋住”轉子的有效出力。世上本無免費的午餐。

          有的泵推只有漸縮,漸縮的進水段套在艇艉錐周圍,這樣有利于與艇艉整合,比較緊湊,但并不利于改善轉子工況。進水在又薄又長的漸縮環道里加速,阻力也大,更加適合于現有潛艇的泵推化改裝,全新設計一般不這么做。取消漸擴進水段是有的,只有短到幾乎可以忽略不計的進水段,但依然用漸縮的出水段對水流加速,提高航速。這樣對抑制轉子空泡噪聲效果要損失一些,但結構重量也要小一些。

          不管前置還是后置,定子結構本身都要造成阻力,吃掉一點功率。泵推圍殼本身又是一大塊重量和阻力,涵道內與水流的互動也導致一點推力損失。泵推吃功率,在很長時間里是妨礙在潛艇上采用的一大障礙,傳統潛艇沒有多余的功率可以損失。現代核潛艇反應堆出力大大提高了,才有條件推廣。

          傳統泵推可以機械直推,也可以電推,但還是需要傳動軸,所以也稱有軸泵推。這帶來一系列傳動軸的固有問題。電推的話可以電機外置,解決傳動軸問題,但解決不了泵推的另一頑固問題:纏繞。

          開放的螺旋槳也有纏繞問題,但一般情況下,外物在葉尖甩出,問題不大。泵推有圍殼圍著,甩不掉,很容易“吸引”纏繞。增加進水網格可以緩解外物問題,但網格本身也會堵塞,更何況增加阻力。

          無軸泵推就不一樣了。顧名思義,無軸泵推沒有傳動軸,環形電機直接整合在泵推圍殼內,螺旋槳葉片是直接安裝在環形電機的轉子上的,與有軸泵推好比是滾筒式洗衣機與波輪式洗衣機的差別。

          環形電機在原理上與普通電機相仿,只是轉子(電機的轉子,在這里也是推進器的轉子)直徑大大加大,而且是空心的。用于無軸泵推時,葉片像從圓環伸向中央的牙齒。牙尖可以搭接,但通常懸空,所以圓心是空心的。圓形處線速度為零,本來就沒有推進作用,沒有葉片也不損失推力。外物纏繞通常向中心聚集,空心的圓心正好讓外物通過。演示表明,無軸泵推很難發生纏繞問題。這對潛艇在容易發生纏繞危險的淺海行動具有不言而喻的意義。

          曾經使得西方誤認為基洛級潛艇采用了無軸泵噴技術的照片,其實是“埃羅莎”號的定子

          基洛級潛艇其實還是兩級定子,圖中可見有明顯的兩道接縫

          無軸泵推沒有中心體,因此也沒有由此而來的中心體尾后低壓區和阻力問題。本來空心的旋轉的推進水柱,現在中心被進水通過空心的中央填滿了,出水特別平順,也降低了尾流噪聲。無軸泵推也不需要定子,不管用什么方式把圍殼固定在艇體上了,圍殼內是不需要定子的。相比之下,有軸泵推是必然有定子的。

          無軸泵推由于是從輪圈傳力,扭力特別大,不需要變距葉片,就可以在一兩秒鐘內從全速前進轉為全速倒退,這是螺旋槳或者有軸泵推難以做到的。

          無軸泵推在阿姆斯特丹的全電游船上已經實現了,每天在運河里悄無聲息、水波不興地劃過。

          葉片的葉根現在扎根在環圈上,受力設計和制造極大簡化,容易在推進效率、噪聲、重量、成本上優化,比如像現代超高涵道比渦扇發動機的風扇葉片一樣,在葉尖反而“鏟出”。

          只要能解決大尺寸環形電機的制造問題,大直徑無軸泵推的葉片制造反而相對簡單。當然,這個“只要”可不簡單,大直徑、大功率、低磨耗、高精度的環形電機是技術難關,這也限制了無軸泵推的功率。用多個降低直徑的環形電機驅動的無軸泵推并聯工作,可以解決單個大直徑環形電機的設計和制造問題。

          應用了無軸泵噴技術的渡輪該船首尾各裝一個無軸泵噴推進器

          目前應用的無軸泵噴系統缺點是功率小,單個推進器只能用作小船的動力,或者大船的輔助動力

          在其他因素不變的情況下,泵推的推力大體取決于葉片掃過的面積。至今減半的話,需要四個半直徑單元才能等效于一個全直徑單元。好在無軸泵推的安裝靈活,沒有常規螺旋槳或者有軸泵推要考慮傳動軸從艇體穿出的問題,除了圍殼與艇體的連接,并不需要定子,只要在艇艉設計時考慮到,多單元的安裝是可以解決的。比如說,常規艇艉是水滴形的尾巴,可以近似為圓錐,天然適合單螺旋槳設計。但把艇艉改成扁鍥形,水動力特性喝制造上依然沒有太大的問題,但提供了天然的安裝多單元無軸泵推的空間。與電傳操控相結合的話,甚至引入可轉動單元,還可大大減小常規的尾翼尺寸,降低阻力。多單元還降低對可靠性的要求。

          多單元之間的“搶水”是一個問題,但單元越多,每個單元的功率越低,搶水問題實際上越小,當然保證所有單元均勻出力對水動力設計的要求也越高。在這方面,航空上有很多先例,可以借鑒。隨著渦電混動的興起,新一代飛機沿翼展布滿了螺旋槳。大量小功率電驅動螺旋槳的制造成本低,可靠性要求低,與傳統設計中追求盡量減少發動機和螺旋槳數量的做法截然相反。這與多單元無軸泵推有相似之處。

          多單元除了要在艇體設計時就有所考慮和可靠的中壓直流系統的支持,還有較大的重量和阻力。與全直徑泵推相比,四個半直徑泵推的圍殼總周長要加倍,大體上也導致重量和阻力加倍。還是那句老話,沒有免費的午餐。

          另一個問題是外置的環形電機不易屏蔽電磁信號,多單元無軸泵推加劇了屏蔽困難,容易導致暴露目標。這些原因使得無軸泵推尚未在潛艇的主要推進上得到應用。就看馬偉明能不能給人們帶來驚喜了。

          即使中國尚未突破無軸泵推技術,有軸泵推依然是一個飛躍,這方面已經沒有一票否決式的技術障礙了。

          中國正在有關核潛艇動力系統降噪的一系列關鍵技術取得突破,是否會在下一代核潛艇上集中采用還不好說,這里有風險控制問題。

          先進核潛艇是一系列尖端技術組成的復雜系統,圖為“海狼”級核潛艇的艇艏聲吶基陣

          另一個問題是艇體設計。理論上,水滴形艇體阻力最小,噪聲也最小。但純水滴形每一段艇體都是連續可變曲率,制造很困難,一般用改進水滴形或者紡錘形,艏艉與水滴形相同,中段為簡單的圓柱形,簡化制造。饒是如此,大直徑艇體制造依然是技術難關。

          大直徑艇體內空間完整,便于系統布置,更有利于布置長大的重型垂發導彈,極大地提高打擊威力和火力密度。但大直徑艇體的制造、焊接、質檢都難度很高。所謂大直徑厚板比小直徑薄板容易制造,這是似是而非的。

          凡事都有一個度。適中尺度永遠是最容易制造的,更大更小更厚更薄都要難度增加。大的比小的好做,這只是把微小的與適中的相比,而不是適中的與龐大的相比。特大特厚構件的精密制造永遠是技術難題,而精密制造對艇體是關鍵。艇體的不平整或者接縫不能對齊,會造成嚴重噪聲。耐壓要求還使得艇體必須用高強度厚板制造,厚度可想而知。不過中國正在重型精密制造方面悄悄地走到了世界的前面。西方用更小的技術裝備達到了同樣的制造尺寸,中國技法尚不如人,只好把劍打造的更長一點。有一天中國的技法也一樣精湛了,那就是另外一個境界了。

          在現代海戰中,航母像威風八面、力撼四方的泰森,但核潛艇才是殺人越貨的忍者殺手。中國核潛艇的春天就要到來了嗎。人們正在急切期待。(作者署名:晨楓)

        推薦閱讀
        聚焦
        關閉評論
        伦理片电影大全