无轴泵推是潜艇的新机遇

晨枫

“自古以来”，潜艇就用螺旋桨推进，现在的主流泵推可以看做套上涵管的螺旋桨。螺旋桨转速越高，出力越大，但空泡噪声越大。套上涵管后，噪声受到很大的抑制，主要传导方向局限在正前方和正后方，侧向噪声大大降低。但螺旋桨的直径、转速和噪声的关系没有本质改变。


6 E: p7 B! k8 K# l! [5 `: M
5 F4 e2 ~& N9 B, j* D1 e# ?现代潜艇常用大直径7叶大弯度螺旋桨。叶数越多，螺旋桨每转动一圈，出力越大，桨叶的“啪嗒”声越均匀，缺乏明显节奏的噪声容易融入海洋环境的背景噪声。直径越大，同样每转动一圈的出力越大，但在同样转速下叶尖速度越高，空泡噪声越大，所以需要降低转速。大弯度桨叶的弯度是三维的，不仅前后缘弯度增加，呈弯刀形，还从根部向叶尖沿径向逐步减小扭转。这是为了在接近轴心的部位增加桨叶出力，在接近叶尖的部位降低出力，尽量使得出力和噪声均匀化，减少“局部热点”，增大全局效力。
2 j: X& ?  Z' @' j& [1 G6 B
6 {; Z1 K; A% q* q& h) J但单个螺旋桨还是有叶尖的空泡速度限制，还是有免不了的“啪嗒”声。

泵推不进给螺旋桨套上涵道，还提供了新的可能性。现有泵推还是推进电机内置在艇内，通过大轴驱动艇尾的桨叶。无轴泵推取消了大轴。

无轴泵推取消大轴后，一般采用外挂短舱，螺旋桨的进水条件更好，可转动短舱还起转向作用，对于港内低速靠泊机动尤其有用。

! I. f3 M2 F0 _

5 E' t7 I2 D2 A短舱泵推可以用轴心电机和环形电机。轴心电机比较常规，在涵道内用支架固定驱动电机，电机直接驱动螺旋桨。这到底算有轴泵推还是无轴泵推也可以争议。
7 F- r  b. d, \% }' E
真正的无轴泵推采用环形电机，涵道的固定外壁结构本身就是定子，转动内壁是转子，桨叶“生根”在转动内壁上，叶尖反而在圆心。

0 S3 Z8 y) f! G7 K

: D% d5 v2 a. D无轴泵推可以是开放叶尖的
6 Q0 Y& }/ x' l) ~& U5 L7 c( E/ N: Z
. E1 f6 u5 P) Q开放叶尖的好处是不可能被外物缠绕，渔网、绳缆直接就从中心的开口“吐”出去了。缺点是桨叶的出力和受力是反的，靠近圆心处受力条件差，但线速度低，需要加强出力；靠近环壁处受力条件好，但线速度高，需要降低出力。没有这样的均衡化的话，桨叶出力沿径向向圆心递减可能在圆心造成回流阻力。



% Z. `" W- R6 M" {/ \6 V% u& D8 z6 J& \也可以是带更加常规的叶尖整流装置
" G. ], J: r3 e. Q) ?
这样可以避免圆心的回流阻力，但可能有缠绕问题，也牺牲了一些桨叶扫过面积。
. X# P0 A# r+ i: j* J1 P2 |3 ?
不管是哪一种，无轴泵推有利于分布式推进，用多个推进器代替单一推进器。除了可靠性上的好处外，分布式推进还降低噪声。一个全直径的螺旋桨和4个半直径的螺旋桨具有相同的扫过面积，在转速相同的情况下，可大致看作具有相同的推进作用。但全直径螺旋桨的叶尖速度2倍于半直径螺旋桨，这意味着前者噪声更大。如果空泡速度介于两者之间，噪声水平就是质变了。
; G% l0 ^9 F: r& p* L! B( c
4 z3 W1 h/ Y4 B) ]# X7 \6 _
: ~, F- A) R. G: \; Q( s3 b
单个螺旋桨有富有特征的“啪嗒啪嗒”声。多个螺旋桨在协调相位后，可以大大降低明显的“啪嗒”声，驾车人开过三缸、四缸、V6、V8的话，容易感受到噪声特征的差别。含混而连贯的噪声更加容易融入环境噪声，如果有意地随机增减转速，更可以把推进噪声伪装为自然的环境噪声，当然，不断的加速减会使推进效率会有所损失。
' h& Z4 o4 X$ _6 y+ S3 U
分布式推进还有可能拉动艇体表面的附面层，降低流体阻力。分布式推进更可以减小尾舵舵面面积，降低阻力和噪声。巡航速度下的精确操控用舵面更加成熟可靠，低速精确机动可以通过转动短舱来实现，高速、大幅度机动用短舱粗调、尾舵细调。

无轴泵推的缺点是电机“暴露”，噪声和磁场不容易屏蔽。