噴水推進(jìn)：助力艦船高速航行

噴水推進(jìn)：助力艦船高速航行

■賈軒聞  梁  澳  羅  燦

炎炎夏日，當(dāng)人們騎著摩托艇在海面上愜意沖浪時(shí)，可能會(huì)想過這樣一個(gè)問題，是什么驅(qū)動(dòng)著摩托艇高速航行？沒錯(cuò)，就是噴水推進(jìn)技術(shù)。

這項(xiàng)技術(shù)最早可以追溯至17世紀(jì)中葉。隨著技術(shù)的成熟，噴水推進(jìn)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(jìn)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(jìn)技術(shù)已受到各國軍隊(duì)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(jìn)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(xué)過物理的人，肯定會(huì)對(duì)牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律有印象：相互作用的兩個(gè)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(jìn)的原理也正是基于此。

噴水推進(jìn)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(jìn)，噴水推進(jìn)在高航速時(shí)的推進(jìn)效率更高、抗空化性能更好、機(jī)動(dòng)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(shì)，噴水推進(jìn)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(jìn)技術(shù)的發(fā)明，最早可以追溯到17世紀(jì)。英國人圖古德和海斯或許是世界上第一批體驗(yàn)噴水推進(jìn)樂趣的人。1661年，他們發(fā)明了一項(xiàng)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(jìn)。而他們使用的這項(xiàng)技術(shù)，被視為是噴水推進(jìn)技術(shù)的原點(diǎn)。1787年，美國人盧姆塞第一次將噴水推進(jìn)器應(yīng)用于蒸汽船上，這被公認(rèn)為世界第一艘噴水推進(jìn)船。

然而，在接下來的100多年里，噴水推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展一度進(jìn)入低迷期。當(dāng)時(shí)，正處于螺旋槳推進(jìn)取代明輪推進(jìn)的階段，螺旋槳推進(jìn)的優(yōu)越性受到廣泛認(rèn)可。而噴水推進(jìn)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(jì)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(duì)噴水推進(jìn)器的研究投入。到了20世紀(jì)七十年代左右，噴水推進(jìn)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(jìn)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(jìn)的應(yīng)用需求呈現(xiàn)快速增長的趨勢(shì)，從事噴水推進(jìn)研究和開發(fā)的機(jī)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(gè)噴水推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域國際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。這意味著，噴水推進(jìn)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(shì)。

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(lán)的海面上分外美麗。

但是，如果是在軍事行動(dòng)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(dāng)前的衛(wèi)星圖像識(shí)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(biāo)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(gè)個(gè)生動(dòng)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(duì)。他們操縱轟炸機(jī)投下一枚枚重磅炸彈，將“赤城”號(hào)、“加賀”號(hào)和“蒼龍”號(hào)3艘航母變成了燃燒的火球。這次行動(dòng)，對(duì)中途島海戰(zhàn)乃至整個(gè)二戰(zhàn)都產(chǎn)生了重大的影響。

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

因此，在噴水推進(jìn)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(xué)家面前的一大難題。

科學(xué)家們通過實(shí)驗(yàn)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(duì)于如何消除或減少噴水尾跡，他們提出了3個(gè)“妙招”：

改變噴嘴。噴嘴是噴水推進(jìn)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(jì)得不好，水流就會(huì)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(huì)暴露船的位置，也會(huì)降低船的速度。為此，科學(xué)家們通過優(yōu)化噴嘴設(shè)計(jì)，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(dòng)船前進(jìn)的主要力量。如果噴射流控制得不好，就會(huì)造成大量的能量損失和尾跡產(chǎn)生。為此，科學(xué)家們采用空化控制、激波控制等多種手段，對(duì)噴射流進(jìn)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(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力和干擾。如果船體設(shè)計(jì)得不好，就會(huì)影響到推進(jìn)器和噴射流的工作效果，并增加尾跡的產(chǎn)生。為此，科學(xué)家們?cè)诖w設(shè)計(jì)時(shí)想了很多辦法，通過船體-推進(jìn)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(jìn)”

如今，噴水推進(jìn)已經(jīng)在高速高性能船推進(jìn)領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。與此同時(shí)，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(jìn)系統(tǒng)的研究也迎來了新的方向。

噴水推進(jìn)器正朝著大功率方向發(fā)展。噴水推進(jìn)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(shí)需要。在大功率噴水推進(jìn)器產(chǎn)品中，傳統(tǒng)的軸流泵推進(jìn)技術(shù)已不能滿足船舶運(yùn)行需求。為了適應(yīng)這一新形勢(shì)，國際上高速船噴水推進(jìn)技術(shù)的研發(fā)重點(diǎn)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(jìn)器。早在1999年至2001年的東帝汶維和行動(dòng)中，澳大利亞海軍使用的噴水推進(jìn)穿浪雙體船“杰維斯灣”號(hào)，就配備了4臺(tái)單臺(tái)功率為7.08兆瓦的柴油機(jī)。在這次維和行動(dòng)中，該艦船表現(xiàn)出優(yōu)秀的機(jī)動(dòng)性和操縱性。

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

噴水推進(jìn)器正朝著特種化研制方向發(fā)展。目前，艉板式噴水推進(jìn)是噴水推進(jìn)的主要形式之一。雖然這種形式具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但不足也很明顯。為了規(guī)避這些缺點(diǎn)，近年來一些具有特種功能的噴水推進(jìn)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(jìn)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(dòng)損失；韓國國立釜山大學(xué)科研人員為兩棲軍用輪式車專門設(shè)計(jì)了吊艙式噴水推進(jìn)器，能夠讓輪式兩棲車輛在水上快速推進(jìn)；一些學(xué)者提出了沖氣增強(qiáng)的兩相流噴水推進(jìn)器概念，可以提高噴水推進(jìn)器在船舶加速階段的推力，增強(qiáng)越過船體駝峰阻力的能力……

推波“輕舟疾駛”，助瀾“重船快進(jìn)”。未來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料科學(xué)、控制工程等相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，已經(jīng)邁入發(fā)展快車道的噴水推進(jìn)技術(shù)，必將實(shí)現(xiàn)更大的進(jìn)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。