核潜艇无轴泵喷推进器是啥？为何中美都抢着研制？
在核潜艇推进装置研发上，中国已取得领先美国的技术成果。由中国武汉海军工程大学马伟明院士团队研制的“潜艇用无轴泵喷推进器”，将应用在中国下一代核潜艇上！“无轴泵喷推进器”，是世界各海军强国竞相开发的新型推进装置，它比“有轴泵喷推进器”要先进一代。目前，英美等国海军最先进的核潜艇上，配装的均是“有轴泵喷推进器”。
作者：楚人陈奇雄
日，中国中央电视台播发报道，称中国工程院院士、中国武汉海军工程大学马伟明少将所在团队研制的“潜艇用无轴泵喷推进器”，在技术领先美国十年。中国的下一代核潜艇上，将用上中国自主研发的“无轴泵喷推进器”。
大家知道，潜艇按所用动力装置来分类，可分为常规动力潜艇与核动力潜艇两大类。按所用推进装置来分，可分为螺旋桨推进器潜艇与泵喷推进器潜艇两大类。
泵喷推进器，是一种比螺旋桨推进器运行噪声更小、推进效率更高、技术上更先进的推进器。
（下为国宝级专家马伟明院士接受记者采访画面）
潜艇的推进装置，是潜艇上的一个主要噪声源。
潜艇用推进螺旋桨在运行时，由于叶片振动及空泡的存在，会产生很大噪声。这种噪声辐射到海水中后，容易被敌方反潜声呐捕捉到。
为降低潜艇推进螺旋桨的运行噪声，人们想了很多办法。其中一种办法就是给潜艇配备七叶大侧斜螺旋桨。潜艇是否采用七叶大侧斜推进螺旋桨，曾是潜艇是否先进的一个标志。七叶大侧斜螺旋桨，是一种噪声较低的推进装置。
但七叶大侧斜螺旋桨并不是一种完美的推进装置。
科学家与工程师经过反复试验发现，如果在螺旋桨外面罩上一个隔音隔振的导流罩，就可进一步降低螺旋桨的运行噪声。
科学家与工程师继续研究下去，就弄出了一种比螺旋桨推进器更先进的潜艇用推进装置——泵喷推进器。与传统的螺旋桨推进器相比，泵喷推进器在外观上的最大特点是，它的推进桨叶，被包裹在一个环形导流罩内。
泵喷推进器在大幅提高推进效率的同时，辐射出的噪声比七叶大侧斜螺旋桨还要低很多。
（下为七叶大侧斜螺旋桨外形图）
最早在潜艇上使用泵喷推进器的国家，是英国。步英国后尘，美国人也为自己的核潜艇开发了泵喷推进器。目前，英国的“特拉法尔加级”“机敏级”、与美国“海狼级”“弗吉尼亚级”等先进攻击核潜艇上，都采用了泵喷推进器。美国正在规划中的下一代战略导弹核潜艇“哥伦比亚级”，也铁定要使用泵喷推进器。
因受时代与技术的限制，截至目前，欧美国家所有先进核潜艇使用的“泵喷推进器”，都是“有轴泵喷推进器”。
“有轴泵喷推进器”在结构上，由固定不动的环形导流罩与其内的螺旋桨两部分组成。螺旋桨的作用是驱动海水从导流罩内部流过，从而产生推力。但它的螺旋桨，仍是由一根来自潜艇耐压壳内的传动轴驱动的。这根传动轴，一头连着潜艇艇内的蒸汽轮机或电动机，一头连着螺旋桨的中心轴。
采用“有轴泵喷推进器”的潜艇，仍有贯穿艇体耐压壳的传动轴系存在。因而，潜艇在航行时，这个传动轴系与艇体、传动轴系与泵喷推进器之间，会相互影响而产生可暴露潜艇行踪的噪声。
所有的电动机，都由定子与转子两大部分构成；泵喷推进器，也由外部的环形导流罩与罩内的推进桨叶两部分组成。
（欧美现役先进核潜艇，配有“有轴泵喷推进器”）
在“无轴泵喷推进器”中，电动机的定子被集成在环形导流罩中，与环形导流罩合二为一了；电动机的转子则与导流罩内的推进桨叶融为一体了。
或者说，在“无轴泵喷推进器”中，其推进桨叶，是直接由安装在导流罩内的电动机驱动的，而不是由来自艇体内发动机或电动机的驱动轴驱动。
“有轴泵喷推进器”推进桨叶，由中心轴驱动。而“无轴泵喷推进器”的推进桨叶，由导流罩内的电动机从四周驱动，根本就没有中心轴。潜艇在配置“无轴泵喷推进器”后，其推进器与潜艇耐压壳内的汽轮机或电动机之间，不再有复杂的机械轴系联系。因为在“无轴泵喷推进器”中，驱动泵喷推进器的电机、推进桨叶、环形导流罩已被集成到一起了，或说一体化了。
“无轴泵喷推进器”与艇体耐压壳内的动力装置，只存在电缆联系。电缆负责将潜艇艇体内的电力与控制信号，传送到“无轴泵喷推进器”上；“无轴泵喷推进器”上配装的各种监控传感器收集的数据，也通过电缆回传到潜艇艇内，供潜艇操作人员决策用。
潜艇采用“无轴泵喷推进器”的好处很多：
第一，因为没有“有轴泵喷推进器”上那根来自潜艇艇体内的主传动轴，所以它在运行时，就没有了主传动轴系产生的噪声。
（美国先进核潜艇上的“有轴泵喷推进器”清晰可见）
第二，由于“无轴泵喷推进器”是把电机布置在艇体外部的环形导管上，所以还能节省潜艇艇体舱内的宝贵空间；
第三，“无轴泵喷推进器”与艇体内部只存在电缆联系，所以它的布置非常灵活。它可以装在潜艇尾部正中轴线上，也可装在潜艇尾部两侧，还能设在潜艇的各种舵上。甚至可设置在潜艇艇体内，与潜艇融为一体。在潜艇艇体前后各开一个口子，两个口子之间的导流管内，就可放置“无轴泵喷推进器”。
有人觉得“无轴泵喷推进器”技术很神秘，这是一种误解。实际上，舰船用“无轴泵喷推进技术”，与民用电动汽车及电瓶车上使用的“无轴驱动技术”有很深渊源。
我们常见的电瓶车及某些电动轿车中，就使用了“电动机直接驱动车轮技术”。“电动机直接驱动车轮技术”，就是一种“无轴驱动技术”。因为使用这种驱动技术的电动轿车与电瓶车，驱动车轮前进的动力，是由安装在车轮上与车轮已合为一体的电动机驱动的。装在车轮上的电动机，与发动机之间，只有电缆联系。而在普通汽车上，其发动机舱内发动机产生的动力，需要通过变速箱与复杂的轴系作中介，才能传递到车轮上，以驱动车轮转动。
（下为“无轴泵喷推进器”外观图）
在“无轴泵喷推进器”的研制方面，中国起步稍晚于美国，但进步神速。从目前的研究情况来看，在该项技术的研发上，中国已超越美国而处于全球领跑者地位。
但“无轴泵喷推进技术”要实现工程化应用，要成功应用到潜艇上去，还需要解决一系列技术难题。
首先，需要解决舰船舶综合电力技术实用化难题。因为无轴泵喷推进器的转子叶轮是使用大功率电动机驱动的。这些电动机一方面是耗电大户；另一方面因潜艇的航速变化范围大，所以这些电动机工作时对电力的需求，也是在随时变化的。潜艇需采用综合电力系统，才能对发动机提供的电力实施精确化调度，从而使“无轴泵喷推进器”在得到足够与持续的电力供应时，潜艇上其它设备与武器装备的用电，也可得到满足。
这一个难题，对中国来说，已不是难题。因为中国工程院院士、中国武汉海军工程大学马伟明少将领导的科研团队，已完成第二代船舶综合电力系统——中压直流船舶综合电力系统的研发工作，这是一种领先欧美一代的先进技术。
英国45型驱逐舰、美国“福特级”航母上使用的是第一代船舶综合电力系统技术，即中压交流船舶综合电力系统技术。
（下为中国现役核潜艇航行场面）
其次，需研制出功率大、体积小、重量轻的驱动电机。排水量几千甚至上万吨的核潜艇，如果仅配装一台“无轴泵喷推进器”的话，这台推进器的可用功率，就得达到几万马力。这台推进器所用的电动机，在功率足够大的同时，还必须具备体积小、重量轻特点。否则，它根本装不进“无轴泵喷推进器”的环形导流管内。
三是“无轴泵喷推进器”所用电动机，要能在高盐高腐蚀性的环境中长期工作。“无轴泵喷推进器”的内置电机，必须暴露在恶劣的水环境中，以让海水流过电动机定子和转子之间的间隙，带走电动机产生的热量，从而完成对电动机的冷却任务。所以，电动机定子和转子的外壁，都需要采用特殊的防护设计。“无轴泵喷推进器”的导流罩对电动机起到机械防护作用，也需要专门设计。据说中国武汉理工大学的科学家，已初步解决了“无轴泵喷推进器”电动机防护设计难题。
（本文为原创作品，如需转载，请注明出处！本文作者“楚人陈奇雄”先生，是武汉某报资深记者、军事版编辑、科技史爱好者。）
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（下为中国094、093型核潜艇发射武器场面）
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静音全球第一？　陆095核潜艇使用无轴泵喷推进器
▲陆095、095A首曝光，央视「首次解密」核潜艇部队演习。中国工程院院士、海军工程大学电力电子研究所所长马伟明近日在《央视》首度公开中国最新一代综合电力系统，并宣布无轴泵喷推进器将运用在下一代核潜艇上。马伟明口中的核潜艇，指的就是正在生产中的095型和096型，届时中国和美俄的核潜艇技术差距将追到15年以内，媒体更以「静音全球第一，马伟明立不世之功」形容他的贡献。在《央视》的「焦点访台」节目中，马伟明引领记者罕见进入了海军工程大学的一所实验室，展示其所带领研发的一系列科技成果，其中最大亮点莫过于是他口中「在世界上第一个领先项目」的潜艇无轴泵喷推进器。马伟明并强调，这些技术比美国相关技术还要先进，并且已经在实际应用中。▲▼中国工程院院士、海军工程大学电力电子研究所所长马伟明透过央视《焦点访谈》栏目中，首度介绍无轴泵喷推进器，将运用于下代核潜艇上。下图黑色的小型物体就是无轴泵喷推进器样机。所谓的无轴泵喷推进器，是将传统螺旋桨和机械式泵喷推进器的轴系驱动转化为布置在泵喷导流管内的电机驱动，从而取消了传统动力系统的驱动轴，也从根本上消除了轴系所带来的各种噪声。此次曝光无轴泵喷推进器，将说明中国下代核潜艇将不再使用机械结构复杂噪音大的传动轴，直接采用动力系统的综合全电力推进，有利于全艇空间的优化和潜艇强度的改进。值得注意的是，综合电力还能解决高能武器上舰的问题。据过去的报导指出，中国的095与096型核潜艇或许已经开始在葫芦岛造船厂开始组装。《解放军报》在4月20日刊登一篇「中国海军昂首阔步走向大洋」的文章曾提及，航母是国之重器，建造过程「举国关注、举世瞩目」，但「同样作为新质作战力量代表的核潜艇战斗力建设也实现了巨大飞跃」，「日，已经退役的我国第一艘核潜艇在拖船的拖带下，缓缓靠上海军博物馆码头。这艘游弋大洋40余载、屡建功勋的核潜艇，将作为展品供世人参观。」报导还特别说，「千万别小看这则新闻。这意味着，我国核潜艇进入了新老接替的新阶段。」该报导接着还以直白的方式说道，「在航母、核潜艇等大国重器捷报频传之际，海军主战装备也在成建制更新换代。........」。归纳这些用语，可以说是「明示」或「暗示」的透露对新型核潜艇的建造技术已经「攻关成功」，更几乎可以确定的说，在首艘国产航母001A下水前夕，095型或096型中的某型号几乎可以确定已经开工。▼中国唯一建造核潜艇的渤海造船厂（简称渤船）内部罕见公开，预料将建造首艘095型攻击核潜艇。095型是是中国海军的第三代攻击型核潜艇，与上一代093型核潜艇相比，095型将装备更先进的核反应堆、垂直发射系统和更多的先进传感器，如新式主/被动舷侧阵列声呐和低高频拖曳列阵声呐，将为未来的中国航母编队提供水下护航。096型潜艇则是为解放军海军开发的弹道导弹核潜艇。据推测，096型在艇体设计上更加类似于西方弹道导弹核潜艇，其采用的是一种一体化具有较强自然循环能力的新型压水堆。在开启主泵的条件下，潜艇能够达到33节的最高航速；如果以满20节的持续静音巡航，潜艇发出的噪音只有95分贝，基本上已经处于世界领先水平。值得注意的是，中国同时研制射程可达1万2000公里的巨浪-3型潜射导弹，再配合马伟明率领团队研制的综合电力系统，096可谓是如虎添翼。▼解放军096型战略核潜艇模型。
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马伟明院士登央视曝中国新一代核潜艇无轴泵喷推进器
　　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。
　　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。（观察者网）当前位置: &
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详解中国潜艇无轴泵喷推进技术：为何能领先世界
　　图注：央视《焦点访谈》电视画面截图，图中红圈所示即为无轴泵喷推进器样机
作者署名：兵工科技
微信公众号：binggongkeji　　5月30日，中央电视台《焦点访谈》栏目播出的“科技强国的追梦人”特别节目，在介绍中国工程院院士、海军工程大学电力电子研究所所长马伟明院士的相关事迹时，提到了了他所在团队研制的“在世界上第一个领先项目”——“潜艇无轴泵喷推进器”。　　什么是无轴泵喷？　　据马伟明院士介绍，潜艇无轴泵喷推进器是下一代核潜艇推进系统，“现在已经在应用了”，而且我们在技术上“领先美国”。那么，无轴泵喷推进器到底是个什么样子？　　无轴泵喷是相对于有轴泵喷而言的，目前像英国的“机敏”级、美国的“海狼”级、“弗吉尼亚”级攻击核潜艇所采用的泵喷推进器，仍是由潜艇的驱动轴来提供动力，使用驱动轴带动泵喷推进器的转子转动，通过与水流的相互作用产生推力，推动潜艇达到要求的航速。这种推进器简单来说，就是在螺旋桨外面加个罩子（环状导管），以屏蔽螺旋桨（转子）旋转产生的噪声，并通过定子和导管改善进流条件，使流场更均匀、流速更快，从而提高推进效率。从本质上讲还是“艇体-轴系-螺旋桨”那一套传统推进方式，属于有轴泵喷。　　图注：英国“机敏”级核潜艇也使用泵喷推进器，不过是有轴的　　图注：美国“弗吉尼亚”级核潜艇，尾部的圆柱状装置就是泵喷推进器　　无轴泵喷则是把驱动轴带动叶轮改成电机驱动，而且电动机不是安装到潜艇的中心轴线，而是布置在环状导管内，不需要中心驱动轴，螺旋桨（转子）也不再是一体式的，而是由多个单独的叶片组成，从中心驱动变成了四周驱动，所以叫无轴泵喷。
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