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[海洋船舶] 潜艇螺旋桨降噪的奥秘,大国海军始终守口如瓶

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发表于 2018-2-23 16:13 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  潜艇是人类历史上第一型隐身武器,它的威力不用多说,二战期间,德国的U艇一度称霸北大西洋,当时的英国首相丘吉尔在回忆这段历史时曾经说“战争中唯一让我恐惧的就是U艇威胁”。

  二战结束后,潜艇的价值令所有海军不敢轻视,现代潜艇技术在冷战中日新月异,如果把潜艇比喻成海狼,那么经历战后技术革命的海狼们已经越发致命和危险。

  但是,这些海狼却有一个要害——噪声。

  有噪声,再好的潜艇也白搭。这话绝不是耸人听闻。

  潜艇的生命力和威力的发挥依赖于隐蔽性能,没有隐蔽性潜艇就等于是活靶子,潜艇的隐蔽性包含很多领域,包括声隐身、磁隐身、生物场隐身等等,其中最要害,也是各国海军投入最多的领域就是声隐身,因为声波是唯一一种能在水中远距离传播的能量辐射形式,是最容易暴露行踪的途径。

  当然,完全无声是不可能的,我们所说的有噪声,是指高出(甚至明显高出)海洋背景噪声的情况。对潜艇来说,噪声的主要来源有三个:机械噪声——来自艇内的主辅机及其系统,这种噪声是低速航行时的主要噪声类型;螺旋桨噪声——来自螺旋桨及与其相接的艇壳;水动力噪声——源自艇体表面和水介质的相互作用。后两种噪声是高航速时的主要噪声类型,航速越高,水动力噪声就越明显。
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  看起来很漂亮的螺旋桨空泡是潜艇噪声的罪魁祸首之一

  一艘典型的现代常规潜艇在海洋里航行时,会发出无规律的水动力噪声、模糊的机械噪声以及很有节奏感的螺旋桨噪声。螺旋桨噪声尤其让人印象深刻,这种噪声实际上也是潜艇噪声控制重点和难点,说它是最让人头疼的,也不为过,看似简单的螺旋桨居然如此不简单,门道在哪?

  细分一下,螺旋桨产生的噪声主要有4类,首先是空泡噪声,螺旋桨转速达到一定程度,会导致桨叶局部压力降低,一旦低于水的汽化压力,就会出现空化,产生空泡,这是空泡产生的一种典型机理,空泡在叶面溃灭,产生内爆,会带来很大噪声。

  第二类是伴流不均匀和斜流引起桨叶振动的噪声,第三类是螺旋桨后漩涡产生的漩涡噪声,第四类是艇体尾部反射来的噪声以及螺旋桨旋转引起的艇体振动噪声。

  这些噪声里,最主要的是空泡噪声,空泡产生之前,也就是潜艇保持较低航速时,螺旋桨噪声很难和艇体固有噪声区分开,换句话说就是螺旋桨噪声还不是最大的,一旦螺旋桨出现空化,噪声就会突然增大,伴随空泡持续产生、发展、溃灭,螺旋桨噪声会不断增大,成为潜艇最大的噪声来源,而且空泡还会导致螺旋桨性能恶化或剥蚀。

  因此对付空泡就成了螺旋桨降噪的重中之重!

  一方面,螺旋桨转速高于临界值,空化就会出现,所以必须把转速降下来;但另一方面,潜艇不可能始终龟速,高速始终是关键指标,该快的时候必须快起来,这个问题,怎么破?

  唯一的办法是,在设计螺旋桨时尽量避免或者延缓空泡发生。首先,增大盘面比,简单说就是增加桨叶弦长,增大螺旋桨直径,以便减小最大减压系数。其次,采用压力分布较均匀的叶切面,因为压力分布均匀会降低压力峰。第三,减小叶根附近切面的螺距,这里伴流较大,易发生空泡,减小螺距可以有效减缓空化发生情况。第四,尽可能减小螺旋桨转速。
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  加工精良的螺旋桨犹如一件工艺品,它对加工能力的要求是相当高的。

  有了好的设计,还必须要好的加工手段才能实现,因为大侧斜螺旋桨的加工难度格外大,要求格外高。由于大侧斜螺旋桨桨叶形状复杂,为防止产生偏心,保证螺旋桨性能,对加工精度要求很高,角度限制非常严格,制造大侧斜螺旋桨必须使用高精度多轴数控机床,苏联潜艇的螺旋桨噪声长期居高不下,一个关键障碍是缺乏能加工螺旋桨的大型精密机床,他们也知道大侧斜螺旋桨的价值,奈何本国机床无法加工。

  这个问题直到上世纪80年代才通过非常方法解决,日本东芝公司和瑞典康士堡公司和苏联签订秘密合同,向苏联提供了数台MBP—11OS型九轴数控大型船用螺旋桨铣床,这种高约10米、重250吨的先进铣床可以精确地加工出巨大的螺旋桨,使潜艇螺旋桨发出的噪音大大降低,应用这批机床加工的螺旋桨安装在苏联海军的S级攻击型核潜艇上,使这型潜艇相较于以往型号噪声显著降低。
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  大侧斜螺旋桨已经成为现代潜艇的标准配置

  采用这些措施的螺旋桨会具有大侧斜桨叶的特征,大侧斜桨可以有效推迟空化、抑制空化,显著提高临界航速。在本世纪初,最好的大侧斜桨已经可以把临界航速提高到18节。

  回顾近些年来潜艇的发展历史,我们会发现已经有越来越多的潜艇采用这类螺旋桨。中国已经成功研制出了五叶和七叶大侧斜潜艇螺旋桨,并投入使用。

  螺旋桨的桨叶不可能大起来没头,侧斜也必须适可而止,一旦螺旋桨这条路走到极致,还有什么办法去进一步降噪?

  20世纪70年代,英国人给出了另一种答案:泵喷推进器,所谓泵喷推进器,简单地讲就是在一个多叶片、大螺旋桨外罩上减速导管,导管的前方有一圈固定的叶片作为定子,螺旋桨在导管内作为转子低速转动,推动潜艇前进。泵喷推进器能改变螺旋桨叶片的压力,防止空泡产生,因此就极大地改善了螺旋桨噪声情况,其产生空泡的临界航速很高,从而有效提高了潜艇的安静性,并保持较高的推进效率,最后泵喷还可以改善尾流场,使航迹模糊,这也可以减弱潜艇的目标特征。
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  美国海军即将下水的“弗吉尼亚”级核潜艇,艇尾的泵喷被苫布盖得严严实实。

  所以80年代初泵喷技术成熟之后,英国开始在核潜艇上推广泵喷推进器,第一型采用泵喷推进器的是英国的“特拉法尔加”级,根据试验,13叶泵喷推进器比常规桨噪声小20dB,英、美、法等国海军的新型核潜艇已经普及泵喷技术,目前英国“前卫”级弹道导弹核潜艇以及“机敏”级攻击型核潜艇、法国“凯旋”级弹道导弹核潜艇、美国“海狼”级、“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇上都采用了泵喷。

  未来,泵喷技术很可能成为先进核潜艇的标配技术。这种技术如此优越,以至于上述国家的海军始终不肯把它的真面目展示出来,美国核潜艇服役仪式上,罩在泵喷上的苫布从来没有拿下去过。

  本文转载自雷曼军事现代舰船公众号,ID:xdjc-rimnds。

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