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据美国海军学会网站报导，中国专业建造核潜艇的葫芦岛造船厂正在扩建，有可能形成同时建造4-5艘核潜艇的产能。按照大约2年的建造周期推算，这意味着中国在为每年建成2-3艘核潜艇做准备。中国海军在经历防空驱逐舰、航母的大发展之后，核潜艇必然是下一个主要目标。: |5 s; P- N. n8 t
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中国早就有了核潜艇，但由于时代限制，这是有遗憾的
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3 E& U# n: j2 [4 I/ @核潜艇包括核动力弹道导弹潜艇和核动力攻击潜艇。中国的核动力弹道导弹潜艇也需要大发展，海基核力量是核三位一体不可或缺的一极，但这是另外一个话题。本文里核潜艇主要指核动力攻击潜艇。
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核动力攻击潜艇可以细分为鱼雷攻击潜艇和巡航导弹攻击潜艇，现在有两者合一的趋势，带有大容量垂发系统的鱼雷攻击潜艇可以在很大程度上取代传统上专用的巡航导弹攻击潜艇。另一方面，核潜艇的吨位也在向大型化方向发展，美国“海狼”级达到12000吨，俄罗斯的“亚森”级更是达到13800吨，接近传统上只有核动力弹道导弹潜艇才有的吨位，但速度都可高达35节。俄亥俄”级、“前卫”级、“凯旋”级等核动力弹道导弹潜艇的最高速度只有25节。相比之下，中国的093级据报道只有7000吨，最大航速30节。095的技术数据不明。; q& o/ D2 d6 q$ B
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6 Q# x; @" |, k& r' {( {现代核动力攻击潜艇越来越大，这是俄罗斯的“亚森”级。但就这样还不容易看出大小
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, T/ |0 o: B6 c和海军官兵在一起，就容易看出有多大了3 u2 ?2 j5 A; j' `# _* y$ p4 T
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在可预见的将来，海洋是中国受到威胁最大的方向。在海上力量三位一体中，航母与舰载飞机、水面战舰和潜艇各司其职。潜艇是海战攻坚主力，不让敌人通过海洋达到战争目的，包括运输、机动、进攻和防守；舰载飞机是海上控制主力，确保自己能通过海洋达到战争目的；水面战舰则是衔接两者和填空补缺的多面手。
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0 V' I# u# I2 X$ z: l3 J# J% R常规动力潜艇的速度、潜航时间有限，只适宜在中近海作战。远洋还是要靠核潜艇。核潜艇不仅可用鱼雷攻击舰船和其他潜艇，也可用巡航导弹攻击舰船和陆上目标，这使得现代核潜艇具有准战略性质，已经不是单纯的反舰反潜平台了。这对中国海军特别重要。由于缺乏远程轰炸机，航母力量的发展也还在初级阶段，中国海军缺乏战区级（2500-4500公里级）常规打击力量。东风26当然很有力，但毕竟成本较高，不宜大量使用，即使在精确打击普及化的现在，必要的弹药投放吨位还是必要的。巡航导弹的成本比同等射程的弹道导弹要低至少80%，核潜艇的巡航导弹打击能力对中国格外重要。) @0 {# C% z! n# ~' I* t
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反舰导弹也发展到高超音速阶段了。传统潜射反舰导弹可通过鱼雷管发射，弹径和弹长都受到限制。这在高亚音速掠海导弹时代不是太大的问题，但在高超音速时代可能就是过分的限制。高超音速导弹首先需要较大的助推级，其次乘波体弹头有一定的“翼展”和长细比，这些都使得高超音速导弹的弹长弹径超过传统的反舰巡航导弹，不再适宜从鱼雷管发射，但从大直径垂发发射还是可以的。陆攻巡航导弹也需要一定的数量才能达成效果。反舰和陆攻需求相加，使得新一代核潜艇需要大容量量垂发系统，携带巡航导弹能力从无到有是不够的。6 F+ K+ v$ q0 G
4 ?9 D: J- ?5 y" I2 `; B在现代，“大桶垂发“成为潜艇垂发的新技术方向。与水面战舰的方格子垂发不同，潜艇垂发一般采用冷发射，所以垂发是列管式的。但固定直径的列管垂发不仅有最大直径问题，还有不便把若干个垂发管的空间合并使用、以便用于超尺寸载荷的问题，比如搭载潜航器、无人机、特种部队载具等。大桶垂发则可以大桶套小桶，形成通常的列管垂发；也可以把单一大桶用作体积更大的特种载荷，极大地提高核潜艇的携载能力和战术灵活性。& E* [+ o ^) [- z6 Z- k# E( J" T
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“弗吉尼亚”级Block 5将配备4个大桶
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艇体为此插入一段带小龟背的加长段，线形因此走样，吨位也因此增加，反应堆和推进系统还是原来的，但美国海军坚持说对航速和机动性没有影响) l6 i( H4 I1 z' c* ]* N
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与基本设计（上）相比，Block V（第三）明显加长，已经接近“俄亥俄”级（第四）了。第二是训练艇，插入了额外的训练舱段，但这是系留在码头训练用的，不出海, o) Q; Q* k8 T! n; [7 h
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“亚森”级在设计时就有大桶，两排八个
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“大桶垂发“最早是从美国”俄亥俄“级弹道导弹潜艇改装巡航导弹潜艇时作为权宜之计引入的，但在使用中发现独特的优越性，改进、发展后成为美国”弗吉尼亚“级Block 5的标配了。“弗吉尼亚”级Block 5带有12个专用的垂发管，供标准尺寸的导弹垂直发射之用；另有4个大桶，每个可带有7个小桶垂发管，总共可携带40枚巡航导弹。这与能携带150枚以上的“俄亥俄”级改装巡航导弹潜艇还是不能比，但“佛罗里达”级的潜艇数量多，部署灵活，还是很有用的。俄罗斯的“亚森”级也采用了大桶垂发，8个大桶里，每个可容纳4枚“锆石”反舰导弹或者5枚“克拉布”巡航导弹。
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由于大桶原来就来自”三叉戟D5“的发射管，只要长度足够，大桶还可以发射弹道导弹。核动力攻击潜艇的艇体直径不及核动力弹道导弹潜艇，大桶的长度不能容纳潜射洲际导弹，也没有必要，但容纳潜射中程导弹还是有可能的。这样的核常两用打击能力也是非常有用的。不过由于成本控制原因，也由于需要全新研发，美国海军并无计划为 “弗吉尼亚”级配备中程弹道导弹，但正在研制的潜射高超音速导弹可能成为未来标配。$ }2 H. o" p& j: t( [0 R9 e4 m
8 G1 n2 @) V! }( J' n& G“弗吉尼亚”Block 5那样单列4大桶的总长度较大，但对艇体直径的压力较小，有利于在单层壳艇体内实现。“亚森”那样双列8中桶的总长度有所缩短，但对艇体直径的压力较大，用双层壳可以借用一点非压力壳体的空间，实现起来相对容易。但单层壳的排水量和截面积小，对动力要求比较友好；双层壳正好相反，不光对动力要求更高，而且两层壳体之间的流水噪声问题不好解决。单层壳与双层壳的优劣是潜艇界争论了几十年的问题，不能简单地说此优彼劣，但两者的技术特点也确实对潜艇的设计有决定性的影响。1 k- X% x2 D9 f0 |3 R8 N/ x' p
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# a+ L8 e$ j& A“俄亥俄”级看起来好像没有龟背，实际上还是有的，只是比较低矮( L% Y0 x0 g! O
0 h5 g8 I$ ]' B$ a! W- u( O小直径艇体要容纳长大导弹也可以通过“龟背”来实现，094潜艇就有显眼的龟背。这不仅增加阻力，也增加噪声。更好的办法是圆滑的梨形截面，但这对制造要求非常高。大直径耐压筒体的制造难度非常高，核潜艇大多采用中间段为简单筒体的纺锤形而不是全3D曲面但水动力上最优的水滴形，就是为了降低制造难度。为了降低直径而采用梨形截面实际上是舍近求远了，最后只有硬啃大直径筒体。好在大直径筒体有利于安装高度较大反应堆，有利于利用自然循环降低噪声。8 K0 ^" Y3 `( j8 H7 M- R/ L8 k2 V9 i
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这样看来，新一代中国核潜艇需要达到10000吨级，最大速度需要达到30-35节。如果采用单层壳设计，艇体直径需要至少达到“弗吉尼亚”级的10米等级；如果采用双层壳设计，则需要达到“亚森”级的13-14米。需要40000-45000轴马力的单堆推进，应该具有自然循环下实现安静巡航和强制循环下实现最大速度的能力。推进器应该采用比大弯度螺旋桨更先进的泵推，最好是无轴泵推。在声纳方面，需要装备大尺寸的舷侧阵面，而不仅仅是传统的拖曳声纳。在武器方面，除了鱼雷，应该采用大桶垂发。“洛杉矶”级在设计时没有考虑巡航导弹垂发的问题，垂发模块是后来加的。“弗吉尼亚”级在设计时考虑到巡航导弹垂发问题，所以在基本设计里就有12个垂发管，但没有考虑到大桶垂发的问题，这也是后来加的。中国的新一代核潜艇可以考虑一步到位，并且在容量上要达到至少40发才够用。 H8 E" t& D7 |0 ]* A) T, p
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罗列新一代中国核潜艇需要具备什么样的特点不难，能做到什么样的能力就是另一回事了。大桶、大长度垂发要求艇体直径较大，大直径厚板精密卷曲和焊接是高难度技术，中国能达到什么样的水平是保密的。但不保密的是反应堆自然循环冷却技术和无轴泵推技术。2 Q/ k& Z* v% f, {/ V4 m
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9 |# o3 E3 E! m3 ?4 c3 J! f核潜艇的动力舱很拥挤，这是法国“可畏”号的反应堆舱
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) E' F6 L5 p. w9 s$ y# k Y很多潜艇反应堆是强制循环的2 y. R# @; A: _4 y
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自然循环不需要泵机，但需要一定的高度
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) C9 @% X- e* @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高大，很笨重。对于核潜艇来说，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。- @- s( ]2 a) R9 Z* z/ Q% T) t5 g
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2017年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，中国已经在实现了核潜艇反应堆的自然循环，这就从反应堆方面解决了噪声问题。+ L7 ^+ o, f/ H1 J
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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、齿轮箱重量大，只能布置在艇体中段，保证重心和重量的合理分配，这导致很长的传动轴，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。
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2 q4 r5 q* S. A6 {0 w3 T9 h. G通常舰船的沉重的发动机需要安装在船体中段重心附近，驱动船尾的螺旋桨通常需要又长又重的传动轴
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) n1 B8 d! s0 p, D但采用全电推进的话，发电机（G1到G4）在理论上可以布置在艇内任何地方. A& o0 t7 C' r' [
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吊舱式电推还可以与转向结合起来，降低尾舵的作用，甚至取消，减少阻力
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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。
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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。直流便于大功率传输和调速，也便于大功率用户在电网中的隔离，适合推进；交流用于一般用户，毕竟绝大部分电器是为交流电设计的。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。( j) i7 z0 B7 t
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马伟明的硬气不是吹的
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2 q# A3 a- A g% d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。
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7 l8 v; L0 ^/ ?6 N% [- p: [6 L8 e传统螺旋桨有严重的空泡噪声，叶尖线速度最快，空泡也最严重7 ^8 s5 s4 k% c. T1 |
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桨叶背面的低压区造成的空泡的危害也很大: B# J+ O9 J- O- M! T2 {
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另一个计算流体力学的图示，红色为高压区，蓝色为低压区，低压造成汽化' X& J9 r/ ]# l6 F3 L& P0 O1 F
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空泡严重的话，还可能对桨叶造成侵蚀0 L3 j8 _0 z! K
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螺旋桨搅动而旋转的推进水柱与环境静止水体的互动也造成流动噪声
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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，而且直接暴露在水中，成为潜艇噪声的最大来源。$ H' @/ S2 {: S4 X/ S% h
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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。1 X0 W# @5 c ]. A
+ ~6 s( [7 O. e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。泵推属于涵道螺旋桨，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。: t" b; @; g) ~. A
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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。
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& G6 U4 w, t N有轴泵推，可以看到传动轴从船体内伸出来: s) N9 d1 F2 A6 r
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" L) K2 _- n* N m3 \5 _1 f泵推是保密技术，弗吉尼亚级潜艇进港后，在水里泵推都要蒙起来4 V5 _4 @: a8 \/ o5 M# I
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基洛级试验过泵推，不过不成功- q2 V$ G8 F! X: T# `# g5 M' `) s
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这是围壳和定子结构
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* i! X9 r; C1 `6 H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。
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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，也导致较大的噪声。" u. q0 h4 m2 @/ i
6 N y! d% w% r D* G; `& h1 O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。5 b; b% O: ^# X+ q7 K/ J; @" E
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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，可以使得进水减速减紊，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。
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' @3 K6 q- g5 L! Y: y, o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。" s2 ]0 Z) l' Y- V
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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。
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! m8 C$ y8 q8 |" b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：外物缠绕。
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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。
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" z8 s) w- _+ e$ q* q5 ^) J3 u3 t0 [" B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。* b$ t8 b v# F# V' m9 i+ A
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3 j! R" x# K3 i# g t- U简单的无轴泵推, F* k( M# [# g9 E; L3 u% s
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更复杂的多级无轴泵推
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1 K8 g6 b i0 S, s. w5 ~, B3 ~; q潜艇无轴泵推示意图
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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。
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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后，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。; ~4 A: m. y# X7 m) t+ e
) T7 L- R F, V$ N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。
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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。
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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”。5 z. e9 P# |; K3 P; Z
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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。
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3 s4 I4 L/ W H9 D1 L5 b但大直径环形电机的难题可以用化整为零来解决。泵推的推力大体取决于叶片扫过的面积。直径减半的话，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，但上下斜面提供了天然的安装多单元无轴泵推的空间。与电传操控和艏侧推相结合的话，还可大大减小常规的尾舵尺寸，降低阻力。多单元还降低对可靠性的要求。6 ?# Z) `( Z# n6 H' l
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9 F. k$ x; {8 C9 y" ]# l俄罗斯“台风”级潜艇采用扁平的艇尾，上下斜面也是安装多单元无轴电推的理想起点
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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异曲同工之处。8 E5 T- W( P; C% X; a- z1 f
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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。
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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。电磁信号在水中衰减很快，所以雷达不能用于探测潜艇，但大电机的电磁信号可能还是足够强，尤其是磁场信号，容易暴露踪迹。外层的固定围壳和内层转动的环形转子之间的减噪也是难题。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。法国SMX31那样采用推进涵道的设计可以有效地屏蔽电磁和噪声，不过阻力和重量较大。6 b3 t; Z5 [% L4 y& C
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另一种无轴泵推方案; Z0 Q! C& g, f, k+ g6 n; v8 h
9 v2 l: A$ ?% m L8 z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。( p: W8 k& c& t1 \: \+ b/ P
8 Q7 X& H% Y6 g2 k据报道，美国海军情报局认为，2000年时，中国海军有5艘核动力攻击潜艇，2020年增加到7艘，增加数量不大，大头还是093替换091。但预计2030年增加到13艘，而且主体是更先进的095和改进的093。这可能是低估了。很奇怪，西方在鼓噪中国威胁和夸大中国军力的时候，经常对中国的核导弹、核潜艇数量和技术水平低估。到中国核动力攻击潜艇达到40-50艘的时候，中美海军力量对比就是全新的局面了。在战时，这是强大的突击力量。在平时，这不仅牵制了美国海军核动力攻击潜艇的主体，还迫使美国海军增加反潜兵力，打乱装备发展和战略构想。 |
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发表于 2020-11-16 07:48:32
