噴水推進：助力艦船高速航行

噴水推進：助力艦船高速航行

■賈軒聞  梁  澳  羅  燦

炎炎夏日，當人們騎著摩托艇在海面上愜意沖浪時，可能會想過這樣一個問題，是什么驅(qū)動著摩托艇高速航行？沒錯，就是噴水推進技術(shù)。

這項技術(shù)最早可以追溯至17世紀中葉。隨著技術(shù)的成熟，噴水推進逐漸發(fā)展為中小排水量、高航速、高性能船舶極具競爭力的推進方式之一，被廣泛應(yīng)用于滑行艇、巡邏艦、導(dǎo)彈快艇等高速船舶上。

如今，噴水推進技術(shù)已受到各國軍隊的廣泛關(guān)注。它的應(yīng)用不僅可以提高艦船的航速，還能提升聲隱身性、復(fù)雜工況適應(yīng)性和矢量操縱性，從而更好地適應(yīng)未來作戰(zhàn)需求。

  采用了噴水推進技術(shù)的救生船。資料圖片

并非“后生可畏”，而是“大器晚成”

一切技術(shù)發(fā)展的背后，都離不開物理。學過物理的人，肯定會對牛頓第三運動定律有印象：相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。而噴水推進的原理也正是基于此。

噴水推進的原理很簡單。水泵將水吸入，然后經(jīng)由噴嘴將水噴出。在這一吸一噴的過程中，推力便施加給了船體。相比螺旋槳推進，噴水推進在高航速時的推進效率更高、抗空化性能更好、機動性和操縱性更加優(yōu)越、水下聲輻射更小。憑借著種種優(yōu)勢，噴水推進在高速、高性能船舶和兩棲車輛上得到了越來越多的應(yīng)用。

說到噴水推進技術(shù)的發(fā)明，最早可以追溯到17世紀。英國人圖古德和海斯或許是世界上第一批體驗噴水推進樂趣的人。1661年，他們發(fā)明了一項專利，采用一種特別的方法迫使水流通過船舶底部或兩舷使船舶前進。而他們使用的這項技術(shù)，被視為是噴水推進技術(shù)的原點。1787年，美國人盧姆塞第一次將噴水推進器應(yīng)用于蒸汽船上，這被公認為世界第一艘噴水推進船。

然而，在接下來的100多年里，噴水推進技術(shù)的發(fā)展一度進入低迷期。當時，正處于螺旋槳推進取代明輪推進的階段，螺旋槳推進的優(yōu)越性受到廣泛認可。而噴水推進則由于大推力水泵的限制等因素，遲遲難以普及。

直到20世紀四五十年代，各種高性能艦船概念被提出。為了滿足高性能艦船高航速的需求，各國開始加大對噴水推進器的研究投入。到了20世紀七十年代左右，噴水推進器步入快速發(fā)展期，被廣泛應(yīng)用在高速船舶上。

  噴水推進器裝置工作原理。

并非“后生可畏”，而是“大器晚成”。目前，國內(nèi)外噴水推進的應(yīng)用需求呈現(xiàn)快速增長的趨勢，從事噴水推進研究和開發(fā)的機構(gòu)日益增多，研究成果不斷豐富。今年6月，由我國主導(dǎo)制定的首個噴水推進技術(shù)領(lǐng)域國際標準發(fā)布。這意味著，噴水推進技術(shù)正在得到越來越多的關(guān)注和重視，呈現(xiàn)出更加規(guī)范、健康、高效的發(fā)展態(tài)勢。

既要“高速航行”，又要“水波不興”

在一些旅游博主拍的vlog里，我們經(jīng)常能看到他們開著汽艇劈波斬浪，享受速度與激情。汽艇過后，一道道白色的尾跡在碧藍的海面上分外美麗。

但是，如果是在軍事行動中，這些尾跡便不那么美麗了。

噴水尾跡中包含著形、聲、電磁、熱等多種物理特征。當前的衛(wèi)星圖像識別技術(shù)可以很輕易地捕捉到這些尾跡，從而造成艦船坐標與航向的暴露，給艦船的隱身航行帶來巨大挑戰(zhàn)。一般來說，艦船航速越快、噸位越大，尾跡特征越明顯。

世界戰(zhàn)爭史上，一個個生動的戰(zhàn)例展現(xiàn)出艦船尾跡帶來的影響。

中途島海戰(zhàn)中，美軍飛行員憑借著海面上一行清晰的人字形尾跡，找到了正在全速返回的日本航母編隊。他們操縱轟炸機投下一枚枚重磅炸彈，將“赤城”號、“加賀”號和“蒼龍”號3艘航母變成了燃燒的火球。這次行動，對中途島海戰(zhàn)乃至整個二戰(zhàn)都產(chǎn)生了重大的影響。

“赤城”號等3艘航母均采用的是螺旋槳推進。如若大型艦艇的推進方式改為高速的噴水推進，那么其產(chǎn)生的尾跡會更大更長，暴露的風險也隨之變得更大。

因此，在噴水推進技術(shù)在軍事領(lǐng)域越來越受到重視的今天，如何減小甚至消除噴水尾跡，成為擺在各國科學家面前的一大難題。

科學家們通過實驗和模擬“兩大法寶”，展開了一系列優(yōu)化噴水尾跡、提高艦船的隱身性能和安全性的研究。既要“高速航行”，又要“水波不興”，對于如何消除或減少噴水尾跡，他們提出了3個“妙招”：

改變噴嘴。噴嘴是噴水推進器的重要組成部分，它決定了水流的速度、壓力和方向。如果噴嘴設(shè)計得不好，水流就會和周圍的水發(fā)生劇烈的碰撞，產(chǎn)生很多波浪和氣泡，這樣就會暴露船的位置，也會降低船的速度。為此，科學家們通過優(yōu)化噴嘴設(shè)計，研發(fā)出可變截面噴嘴和多孔式噴嘴，噴出的水流更平穩(wěn)、更均勻，所形成的尾跡也更“低調(diào)”。

控制噴射流。噴射流是推動船前進的主要力量。如果噴射流控制得不好，就會造成大量的能量損失和尾跡產(chǎn)生。為此，科學家們采用空化控制、激波控制等多種手段，對噴射流進行“隱身化”處理。

優(yōu)化船體。船體是指艦船本身的結(jié)構(gòu)和形狀。它決定了艦船在水中運動時受到的阻力和干擾。如果船體設(shè)計得不好，就會影響到推進器和噴射流的工作效果，并增加尾跡的產(chǎn)生。為此，科學家們在船體設(shè)計時想了很多辦法，通過船體-推進器匹配和船體-興波抑制，盡可能地將尾跡消弭于無形。

推波“輕舟疾駛”，助瀾“重船快進”

如今，噴水推進已經(jīng)在高速高性能船推進領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。與此同時，隨著軍事領(lǐng)域高速船應(yīng)用需求的持續(xù)增長，船舶噴水推進系統(tǒng)的研究也迎來了新的方向。

噴水推進器正朝著大功率方向發(fā)展。噴水推進器之所以需要更大的功率，來自船舶噸位不斷增長的現(xiàn)實需要。在大功率噴水推進器產(chǎn)品中，傳統(tǒng)的軸流泵推進技術(shù)已不能滿足船舶運行需求。為了適應(yīng)這一新形勢，國際上高速船噴水推進技術(shù)的研發(fā)重點已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)檠邪l(fā)功率密度更大、結(jié)構(gòu)更加緊湊的噴水推進器。早在1999年至2001年的東帝汶維和行動中，澳大利亞海軍使用的噴水推進穿浪雙體船“杰維斯灣”號，就配備了4臺單臺功率為7.08兆瓦的柴油機。在這次維和行動中，該艦船表現(xiàn)出優(yōu)秀的機動性和操縱性。

噴水推進器正朝著無軸化方向發(fā)展。常見的噴水推進器均屬于有軸噴水推進器。有軸噴水推進器不僅不利于推進效率的提高，且極易造成裝置的振動，最終影響推進器的工作壽命。據(jù)科學研究表明，如若將噴水推進器的傳動軸去除，使用齒輪輪緣或者電磁等方式直接驅(qū)動葉輪轉(zhuǎn)動，使得噴水推進器在無軸的條件下工作，推進器的推進效率和推力會顯著提升。此外，采用無軸結(jié)構(gòu)，還能有效改善泵進流的速度場，避免葉片輪緣處的堵塞和回流。

噴水推進器正朝著特種化研制方向發(fā)展。目前，艉板式噴水推進是噴水推進的主要形式之一。雖然這種形式具有眾多優(yōu)點，但不足也很明顯。為了規(guī)避這些缺點，近年來一些具有特種功能的噴水推進器，如雨后春筍不斷涌現(xiàn)。比如，德國漢堡JAFO科技公司研制了一款浸沒式噴水推進器，可以為了避免流向葉輪的水流因位置提高和流向改變所引起的流動損失；韓國國立釜山大學科研人員為兩棲軍用輪式車專門設(shè)計了吊艙式噴水推進器，能夠讓輪式兩棲車輛在水上快速推進；一些學者提出了沖氣增強的兩相流噴水推進器概念，可以提高噴水推進器在船舶加速階段的推力，增強越過船體駝峰阻力的能力……

推波“輕舟疾駛”，助瀾“重船快進”。未來，隨著計算機技術(shù)、材料科學、控制工程等相關(guān)領(lǐng)域的進一步發(fā)展，已經(jīng)邁入發(fā)展快車道的噴水推進技術(shù)，必將實現(xiàn)更大的進步和突破，為人類提供更高效、更環(huán)保、更安全的水上交通工具。