蘇/俄核潛艇螺旋槳技術(shù)發(fā)展研究

杜 度，楊 坤

(中國(guó)人民解放軍92857部隊(duì)，北京 100161)

蘇/俄核潛艇螺旋槳技術(shù)發(fā)展研究

杜 度，楊 坤

(中國(guó)人民解放軍92857部隊(duì)，北京 100161)

螺旋槳作為潛艇主要推進(jìn)裝置，直接影響潛艇快速性、聲隱身性等戰(zhàn)技性能。本文以蘇/俄核潛艇發(fā)展歷程為主線，梳理不同核潛艇型號(hào)發(fā)展階段，螺旋槳布局設(shè)計(jì)、裝備研制和技術(shù)發(fā)展研究過程。分析關(guān)鍵技術(shù)突破、重難問題解決過程運(yùn)用的方法手段，總結(jié)各階段核潛艇螺旋槳研制研究取得的主要研究成果，對(duì)我國(guó)潛艇螺旋槳領(lǐng)域研究具有重要的借鑒意義。

蘇/俄；潛艇；螺旋槳；技術(shù)發(fā)展

0 引 言

二戰(zhàn)結(jié)束后，為形成對(duì)蘇聯(lián)水下作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)，美國(guó)不斷發(fā)展探測(cè)距離遠(yuǎn)、精度高的聲吶系統(tǒng)，蘇聯(lián)核潛艇隱蔽性面臨極大威脅。為有效對(duì)抗美國(guó)先進(jìn)聲吶探測(cè)，蘇聯(lián)海軍不斷提高其核潛艇聲隱身性能，特別是在推進(jìn)器噪聲控制方面，推動(dòng)蘇聯(lián)推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)思想的根本改變，螺旋槳性能由追求“動(dòng)力裝置全功率推進(jìn)下的高速航行能力”轉(zhuǎn)變?yōu)椤白钚≡肼暭?jí)下的高速航行能力”[1]，研制隱身性、快速性均優(yōu)的螺旋槳成為此后蘇聯(lián)/俄羅斯發(fā)展各型核潛艇的重大課題之一。

1 第 1 代核潛艇螺旋槳研制

第1代核潛艇采用雙軸雙槳布局，螺旋槳研制首次將聲隱身性能提升到重要位置，研究工作集中在降低空化噪聲、提高臨界航速、加強(qiáng)基礎(chǔ)條件建設(shè)等方面[2]，建立了可靠的螺旋槳科研模式和研究條件。1947年，為第1代核潛艇627型（N級(jí)）研制螺旋槳，通過減小葉梢剖面梯度、改變負(fù)荷沿槳葉分布規(guī)律，顯著降低了空化噪聲，并提高快速性。1953年，在613型常規(guī)潛艇（W級(jí)）開展實(shí)艇試驗(yàn)，最高航速提高30%～50%，且未出現(xiàn)顯著空化現(xiàn)象。627型實(shí)艇應(yīng)用結(jié)果顯示潛艇水下航速較預(yù)報(bào)值高出10%～12%，臨界航速則低于計(jì)算值。針對(duì)該型螺旋槳實(shí)艇測(cè)試暴露問題進(jìn)行了大量研究，得到一些教訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)研究工作打下很好基礎(chǔ)。

1.1 “粗糙度”修正系數(shù)應(yīng)用不準(zhǔn)確

627型核潛艇快速性預(yù)報(bào)計(jì)算采用的“粗糙度”修正系數(shù)，其影響因素包括艇體粗糙度、孔穴阻力、突出體阻力，以及由潛艇直航非定常性引起的阻力等。與之前潛艇型號(hào)相比，627核潛艇開孔和突出部件數(shù)量顯著減少，艇體粗糙度有所改善，采用傳統(tǒng)“粗糙度”修正系數(shù)使得快速性計(jì)算結(jié)果誤差較大。這一教訓(xùn)使得蘇聯(lián)科研人員認(rèn)識(shí)到新潛艇設(shè)計(jì)應(yīng)采用模型試驗(yàn)方法確定“粗糙度”系數(shù)，而非直接沿用傳統(tǒng)系數(shù)，該方法至今仍在應(yīng)用。

1.2 自由液面對(duì)螺旋槳與艇體之間相互作用影響估計(jì)不足

實(shí)艇水下航行性能可根據(jù)幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似船模試驗(yàn)結(jié)果，通過摩擦阻力系數(shù)計(jì)算、剩余阻力系數(shù)換算等得到。限于當(dāng)時(shí)試驗(yàn)水池深度，無法消除自由液面對(duì)潛艇模型拖曳或自航試驗(yàn)產(chǎn)生阻力的影響，對(duì)剩余阻力系數(shù)測(cè)試產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致627型核潛艇航速性能預(yù)報(bào)偏低。要獲取較為準(zhǔn)確的船模航行性能數(shù)據(jù)，必須使得潛艇模型潛深與實(shí)艇設(shè)計(jì)深度幾何相似對(duì)應(yīng)，該問題直到1960年建成全新深水試驗(yàn)水池才得以較好地解決[3]。

1.3 臨界航速計(jì)算方式不合理

通過空泡水洞螺旋槳模型試驗(yàn)獲取空化特性曲線，即空化數(shù)（槳葉初生空化時(shí)的空化數(shù)）與進(jìn)速比的函數(shù)，并引入修正系數(shù)換算到實(shí)艇，得到627型核潛艇臨界航速。該修正系數(shù)與“粗糙度”修正系數(shù)相似，也由613常規(guī)潛艇實(shí)測(cè)結(jié)果確定，主要考慮初始空化形狀的尺度效應(yīng)和水流周向不均勻性。627潛艇和613潛艇螺旋槳尺寸不同，尺度效應(yīng)存在差異，初始空化形狀也不相同。另外，各型潛艇槳盤面特有的水流周向不均勻性，決定槳葉不同的初生空化參數(shù)，不能采用固定的量來估算。綜合作用下導(dǎo)致臨界航速預(yù)報(bào)偏高。

2 第 2 代核潛艇螺旋槳研制

第2代核潛艇包括彈道導(dǎo)彈核潛艇、巡航導(dǎo)彈核潛艇和攻擊型核潛艇等，螺旋槳科研工作面臨任務(wù)新、任務(wù)重的特點(diǎn)，研究涵蓋高速單軸螺旋槳、軸對(duì)稱流線體雙軸螺旋槳、導(dǎo)管螺旋槳以及其他新型螺旋槳等，研制高性能螺旋槳有效提高第2代核潛艇的戰(zhàn)技性能，使蘇聯(lián)核潛艇航速、聲隱身性能有了更大提高。

2.1 高速單軸螺旋槳

第1代核潛艇使得水下航行成為主要航行方式，自20世紀(jì)60年代始，蘇聯(lián)科學(xué)家對(duì)潛艇水下航行高性能螺旋槳展開廣泛的理論和試驗(yàn)研究，以追求在盡可能小拖曳阻力下，獲得更高水下航速和推進(jìn)系數(shù)，同時(shí)保持較好聲隱身性能。大量模型試驗(yàn)表明單軸螺旋槳布局潛艇快速性明顯優(yōu)于雙軸螺旋槳布局潛艇，在理想情況下，單槳潛艇型線應(yīng)滿足以下要求[4]：具有長(zhǎng)徑比7～8的回轉(zhuǎn)體外形，中橫剖面位距首柱約艇長(zhǎng)0.3～0.4；艇體首端成半橢球形，其長(zhǎng)度不小于2倍型寬；艇體去流角不超過20°，水線位置主艇體到尾部保證光順過渡；指揮室圍殼盡可能??；尾部“十字”操縱面，在保證操縱性條件下，面積盡可能小，布置在螺旋槳前方，尾操縱面后緣至螺旋槳距離不小于1倍槳直徑。這些對(duì)于后續(xù)潛艇型號(hào)螺旋槳研制和布局設(shè)計(jì)起到很好的指導(dǎo)作用。

1970年，按照上述單槳潛艇型線和槳葉布局設(shè)計(jì)要求，并控制艇體外板狀態(tài)、艇體孔穴以及突出體數(shù)量，705型核潛艇（A級(jí)）實(shí)艇試驗(yàn)獲得很高的推進(jìn)系數(shù)值（約80%），達(dá)到臨界航速設(shè)計(jì)值，水下狀態(tài)總阻力系數(shù)減小1.4～1.5倍，最大航速達(dá)到40 kn，螺旋槳相關(guān)指標(biāo)基本符合預(yù)報(bào)值。

2.2 軸對(duì)稱流線體雙軸螺旋槳

第2代核潛艇部分應(yīng)用新研單軸高速螺旋槳，為可靠性考慮，彈道導(dǎo)彈核潛艇仍采用雙軸雙螺旋槳。為提高雙軸螺旋槳快速性和聲隱身性不足，將傳統(tǒng)尾端一分為二，拉長(zhǎng)為軸對(duì)稱流線體尾端（稱為“燕形尾”），顯著減小槳盤面水流周向不均勻性，使雙軸螺旋槳工作環(huán)境接近單軸布局艇尾，縮減單、雙軸潛艇推進(jìn)和聲學(xué)性能差距。最早在661型（P級(jí)）巡航導(dǎo)彈核潛艇應(yīng)用，軸對(duì)稱流線體雙軸螺旋槳設(shè)計(jì)被廣泛應(yīng)用于20世紀(jì)70年代末、80年代初蘇聯(lián)核潛艇。

2.3 導(dǎo)管螺旋槳

采用導(dǎo)管能夠有效提高重負(fù)荷螺旋槳的推進(jìn)性能，為研究導(dǎo)管對(duì)螺旋槳聲學(xué)性能的影響，1960年，蘇聯(lián)科學(xué)家在633型常規(guī)潛艇（R級(jí)）研究裝備導(dǎo)流管的螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)，使得潛艇推進(jìn)性能提高12%～15%，臨界航速提高約1.3倍。當(dāng)前，美、英等國(guó)新一代核潛艇均采用的泵噴推進(jìn)器實(shí)質(zhì)是一種改進(jìn)型導(dǎo)管螺旋槳，蘇聯(lián)在雙軸核潛艇上超前采用低噪聲導(dǎo)管螺旋槳，體現(xiàn)其在潛艇螺旋槳研制方面的技術(shù)前瞻性。

2.4 低噪聲串列螺旋槳

蘇聯(lián)科學(xué)家通過大量試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)單軸潛艇裝備低噪聲串列螺旋槳，能顯著提高潛艇臨界航速。低噪聲串列螺旋槳作為一種特殊推進(jìn)裝置，由前后排列2個(gè)同軸螺旋槳組成，兩槳轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向一致[5]，可有效降低槳葉單位負(fù)荷，推力主要由后槳提供，在前槳誘導(dǎo)速度局部整流作用下，后槳來流品質(zhì)得以改善。串列螺旋槳技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度在于確定前后槳最佳推力比，以達(dá)到兩槳同時(shí)產(chǎn)生初生空化，降低空化噪聲。低噪聲串列螺旋槳空泡水洞實(shí)驗(yàn)表明，相比第一代低噪聲槳，潛艇臨界航速可提高約1.3倍，但由于粘性損耗增加，推進(jìn)效率損失約4%～5%。綜合權(quán)衡各因素，蘇聯(lián)海軍仍然將低噪聲串列螺旋槳列入核潛艇制式推進(jìn)器名單，直到20世紀(jì)70年代末。

3 第 3 代核潛艇螺旋槳研制

隨著水聲技術(shù)發(fā)展、探潛聲吶基陣尺寸增大（水下固定基陣達(dá)數(shù)千米，艦用聲吶基陣達(dá)幾十米），探潛頻率不斷降低，而機(jī)械設(shè)備噪聲水平不斷提高，使得螺旋槳噪聲問題凸顯，螺旋槳非空化水動(dòng)力噪聲成為潛艇主要噪聲源之一，研制亞臨界航速低輻射噪聲螺旋槳成為第3代核潛艇減振降噪研究工作的主要任務(wù)。螺旋槳非空化水動(dòng)力噪聲由艇尾尾跡水流周向不均勻性，以及由湍流脈動(dòng)力引起的螺旋槳葉頻次聲輻射。為有效降低螺旋槳非空化噪聲，蘇聯(lián)科學(xué)家采用專門理論和試驗(yàn)方法，研究確定槳葉數(shù)，優(yōu)選槳葉形狀，以減小槳葉上水流不均勻性和非定常性，降低螺旋槳次聲頻段輻射噪聲，同時(shí)可有效降低潛艇在隱蔽航速的螺旋槳轉(zhuǎn)速[6]。1979年，基于理論研究、模型試驗(yàn)和效能評(píng)估基礎(chǔ)上，第3代核潛艇首次研發(fā)裝備7葉大側(cè)斜螺旋槳，80年代中期實(shí)艇試驗(yàn)表明7葉大側(cè)斜螺旋槳控制潛艇次聲頻段輻射噪聲級(jí)較第2代單軸螺旋槳降低2～3倍。

特定航速下槳葉梢部噪聲在特征頻帶范圍內(nèi)聲壓強(qiáng)度較高，是螺旋槳主要噪聲源之一，具有連續(xù)譜的特征。通過蘇聯(lián)科學(xué)家的研究，解決該問題的有效途徑包括增加槳葉結(jié)構(gòu)剛度、提高材料阻尼損耗，或降低轉(zhuǎn)速。另外，由于螺旋槳次聲輻射與艇體周圍水動(dòng)力特性直接相關(guān)，自20世紀(jì)80年代初開始，蘇聯(lián)就開展了艇體線型優(yōu)化研究課題，以改善螺旋槳水動(dòng)力特性，研究提出了尾操縱面形狀、附體與艇體布局，以及附體結(jié)構(gòu)形式等[7]，水池和風(fēng)洞試驗(yàn)表明，艇體線型優(yōu)化可有效降低螺旋槳低頻輻射噪聲，據(jù)計(jì)算預(yù)報(bào)，如果全部應(yīng)用課題研究成果，螺旋槳葉頻輻射噪聲強(qiáng)度將降低約2倍，低頻連續(xù)譜噪聲強(qiáng)度可降低1.5～1.6倍。艇體線型優(yōu)化課題部分研究成果成功應(yīng)用于俄羅斯第4代核潛艇。

4 第 4 代核潛艇螺旋槳研制

蘇聯(lián)解體對(duì)其后續(xù)核潛艇螺旋槳研制工作產(chǎn)生極其不利的影響，加之投入資金和試驗(yàn)物資匱乏，研究任務(wù)大幅減少?？茖W(xué)家在重點(diǎn)研制第4代核潛艇泵噴推進(jìn)裝置外，主要解決之前型號(hào)存在問題，在螺旋槳科研運(yùn)用智能化、數(shù)字化設(shè)計(jì)做過一定嘗試。

4.1 泵噴推進(jìn)器

鑒于西方國(guó)家泵噴推進(jìn)器研制取得突破，80年代末，蘇聯(lián)科學(xué)家成功研制一型泵噴推進(jìn)器樣機(jī)，并在877型常規(guī)潛艇（“基洛”級(jí)）上進(jìn)行實(shí)船試驗(yàn)[8]。后因蘇聯(lián)解體，泵噴推進(jìn)器研制陷入停滯，隨著俄羅斯經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇以及俄高層對(duì)核潛艇裝備的重新重視，泵噴推進(jìn)器研制工作轉(zhuǎn)入正軌。當(dāng)前，俄羅斯新一代955型戰(zhàn)略核潛艇（“北風(fēng)之神”級(jí)）裝備泵噴推進(jìn)器，新一代885型攻擊型核潛艇（“亞森”級(jí)）首艇采用7葉大傾斜螺旋槳，但已明確后續(xù)艇將采用泵噴推進(jìn)器。

4.2 螺旋槳科研數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

為更好總結(jié)、吸取近半個(gè)世紀(jì)潛艇螺旋槳研究成果和研制經(jīng)驗(yàn)，蘇/俄科學(xué)家采用計(jì)算機(jī)輔助手段構(gòu)建了螺旋槳噪聲特性數(shù)據(jù)庫(kù)，以提升螺旋槳科研軟件實(shí)力。噪聲數(shù)據(jù)庫(kù)為螺旋槳研制各階段水池模型試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)參考、指導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和重難點(diǎn)問題解決，以及比對(duì)不同螺旋槳方案潛艇推進(jìn)性能和聲學(xué)性能，有力、高效地支撐蘇聯(lián)/俄羅斯核潛艇各型螺旋槳的研制工作。

5 結(jié) 語(yǔ)

歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)研究發(fā)展，蘇/俄科學(xué)家在核潛艇螺旋槳研制領(lǐng)域取得的豐碩成果，主要如下：

1）潛艇水下推進(jìn)系數(shù)提高1.6～1.8倍（從0.45～0.50提高到了0.75～0.80）；

2）潛艇水下阻力系數(shù)減小1.4～1.5倍（從4.0×10–3～4.2×10–3降低到了 2.8×10–3～3.0×10–3）；

3）潛艇臨界航速提高3～3.5倍，螺旋槳空化本底噪聲級(jí)顯著降低；

4）在整個(gè)聲譜范圍內(nèi)，螺旋槳非空化噪聲輻射強(qiáng)度降低10余倍。

蘇/俄科學(xué)家在高性能螺旋槳領(lǐng)域持續(xù)不斷攻關(guān)，對(duì)提高核潛艇快速性、隱身性，改善水動(dòng)力特性等做出了突出貢獻(xiàn)。如今，隨著俄羅斯經(jīng)濟(jì)、軍事實(shí)力復(fù)蘇，國(guó)防機(jī)構(gòu)和俄海軍對(duì)相關(guān)研究單位面臨的困境逐步重視，政府逐步加大對(duì)螺旋槳科研事業(yè)的投入，以確保俄羅斯核潛艇螺旋槳技術(shù)處于世界先進(jìn)水平。

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Research on propeller technology development of russian nuclear submarine

DU Du,YANG Kun
(NO.92857Unitof The PLA,Beijing 100161,China)

The propeller as the main propulsion device,directly the rapidity and stealth of the submarine.This paper takes the development process of Soviet and Russia nuclear submarines as the main line,sorts out the layout design,equipment development and technological development process of the nuclear submarine propeller in the different stages.By Analysising of key technical breakthroughs heavy and difficult problems,the main results in every process of using units and methods ware obtained.The process and achievements can be of great significance to the development of our China.

Soviet and Russia；nuclear submarine；propeller；technical development

U661.3

A

1672–7649(2017)12–0184–04

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.039

2017–09–18

杜度(1973–)，男，高級(jí)工程師，從事艦船總體技術(shù)研究。