核潛艇：中國海軍大發展的下一個主要目標_風聞

據美國海軍學會網站報導，中國專業建造核潛艇的葫蘆島造船廠正在擴建，有可能形成同時建造4-5艘核潛艇的產能。按照大約2年的建造週期推算，這意味着中國在為每年建成2-3艘核潛艇做準備。中國海軍在經歷防空驅逐艦、航母的大發展之後，核潛艇必然是下一個主要目標。

中國早就有了核潛艇，但由於時代限制，這是有遺憾的

核潛艇包括核動力彈道導彈潛艇和核動力攻擊潛艇。中國的核動力彈道導彈潛艇也需要大發展，海基核力量是核三位一體不可或缺的一極，但這是另外一個話題。本文裏核潛艇主要指核動力攻擊潛艇。

核動力攻擊潛艇可以細分為魚雷攻擊潛艇和巡航導彈攻擊潛艇，現在有兩者合一的趨勢，帶有大容量垂髮系統的魚雷攻擊潛艇可以在很大程度上取代傳統上專用的巡航導彈攻擊潛艇。另一方面，核潛艇的噸位也在向大型化方向發展，美國“海狼”級達到12000噸，俄羅斯的“亞森”級更是達到13800噸，接近傳統上只有核動力彈道導彈潛艇才有的噸位，但速度都可高達35節。俄亥俄”級、“前衞”級、“凱旋”級等核動力彈道導彈潛艇的最高速度只有25節。相比之下，中國的093級據報道只有7000噸，最大航速30節。095的技術數據不明。

現代核動力攻擊潛艇越來越大，這是俄羅斯的“亞森”級。但就這樣還不容易看出大小

和海軍官兵在一起，就容易看出有多大了

在可預見的將來，海洋是中國受到威脅最大的方向。在海上力量三位一體中，航母與艦載飛機、水面戰艦和潛艇各司其職。潛艇是海戰攻堅主力，不讓敵人通過海洋達到戰爭目的，包括運輸、機動、進攻和防守；艦載飛機是海上控制主力，確保自己能通過海洋達到戰爭目的；水面戰艦則是銜接兩者和填空補缺的多面手。

常規動力潛艇的速度、潛航時間有限，只適宜在中近海作戰。遠洋還是要靠核潛艇。核潛艇不僅可用魚雷攻擊艦船和其他潛艇，也可用巡航導彈攻擊艦船和陸上目標，這使得現代核潛艇具有準戰略性質，已經不是單純的反艦反潛平台了。這對中國海軍特別重要。由於缺乏遠程轟炸機，航母力量的發展也還在初級階段，中國海軍缺乏戰區級（2500-4500公里級）常規打擊力量。東風26當然很有力，但畢竟成本較高，不宜大量使用，即使在精確打擊普及化的現在，必要的彈藥投放噸位還是必要的。巡航導彈的成本比同等射程的彈道導彈要低至少80%，核潛艇的巡航導彈打擊能力對中國格外重要。

反艦導彈也發展到高超音速階段了。傳統潛射反艦導彈可通過魚雷管發射，彈徑和彈長都受到限制。這在高亞音速掠海導彈時代不是太大的問題，但在高超音速時代可能就是過分的限制。高超音速導彈首先需要較大的助推級，其次乘波體彈頭有一定的“翼展”和長細比，這些都使得高超音速導彈的彈長彈徑超過傳統的反艦巡航導彈，不再適宜從魚雷管發射，但從大直徑垂髮發射還是可以的。陸攻巡航導彈也需要一定的數量才能達成效果。反艦和陸攻需求相加，使得新一代核潛艇需要大容量量垂髮系統，攜帶巡航導彈能力從無到有是不夠的。

在現代，“大桶垂髮“成為潛艇垂髮的新技術方向。與水面戰艦的方格子垂髮不同，潛艇垂髮一般採用冷發射，所以垂髮是列管式的。但固定直徑的列管垂髮不僅有最大直徑問題，還有不便把若干個垂髮管的空間合併使用、以便用於超尺寸載荷的問題，比如搭載潛航器、無人機、特種部隊載具等。大桶垂髮則可以大桶套小桶，形成通常的列管垂髮；也可以把單一大桶用作體積更大的特種載荷，極大地提高核潛艇的攜載能力和戰術靈活性。

“弗吉尼亞”級Block 5將配備4個大桶

艇體為此插入一段帶小龜背的加長段，線形因此走樣，噸位也因此增加，反應堆和推進系統還是原來的，但美國海軍堅持説對航速和機動性沒有影響

與基本設計（上）相比，Block V（第三）明顯加長，已經接近“俄亥俄”級（第四）了。第二是訓練艇，插入了額外的訓練艙段，但這是繫留在碼頭訓練用的，不出海

“亞森”級在設計時就有大桶，兩排八個

“大桶垂髮“最早是從美國”俄亥俄“級彈道導彈潛艇改裝巡航導彈潛艇時作為權宜之計引入的，但在使用中發現獨特的優越性，改進、發展後成為美國”弗吉尼亞“級Block 5的標配了。“弗吉尼亞”級Block 5帶有12個專用的垂髮管，供標準尺寸的導彈垂直髮射之用；另有4個大桶，每個可帶有7個小桶垂髮管，總共可攜帶40枚巡航導彈。這與能攜帶150枚以上的“俄亥俄”級改裝巡航導彈潛艇還是不能比，但“佛羅里達”級的潛艇數量多，部署靈活，還是很有用的。俄羅斯的“亞森”級也採用了大桶垂髮，8個大桶裏，每個可容納4枚“鋯石”反艦導彈或者5枚“克拉布”巡航導彈。

由於大桶原來就來自”三叉戟D5“的發射管，只要長度足夠，大桶還可以發射彈道導彈。核動力攻擊潛艇的艇體直徑不及核動力彈道導彈潛艇，大桶的長度不能容納潛射洲際導彈，也沒有必要，但容納潛射中程導彈還是有可能的。這樣的核常兩用打擊能力也是非常有用的。不過由於成本控制原因，也由於需要全新研發，美國海軍並無計劃為 “弗吉尼亞”級配備中程彈道導彈，但正在研製的潛射高超音速導彈可能成為未來標配。

“弗吉尼亞”Block 5那樣單列4大桶的總長度較大，但對艇體直徑的壓力較小，有利於在單層殼艇體內實現。“亞森”那樣雙列8中桶的總長度有所縮短，但對艇體直徑的壓力較大，用雙層殼可以借用一點非壓力殼體的空間，實現起來相對容易。但單層殼的排水量和截面積小，對動力要求比較友好；雙層殼正好相反，不光對動力要求更高，而且兩層殼體之間的流水噪聲問題不好解決。單層殼與雙層殼的優劣是潛艇界爭論了幾十年的問題，不能簡單地説此優彼劣，但兩者的技術特點也確實對潛艇的設計有決定性的影響。

“俄亥俄”級看起來好像沒有龜背，實際上還是有的，只是比較低矮

小直徑艇體要容納長大導彈也可以通過“龜背”來實現，094潛艇就有顯眼的龜背。這不僅增加阻力，也增加噪聲。更好的辦法是圓滑的梨形截面，但這對製造要求非常高。大直徑耐壓筒體的製造難度非常高，核潛艇大多采用中間段為簡單筒體的紡錘形而不是全3D曲面但水動力上最優的水滴形，就是為了降低製造難度。為了降低直徑而採用梨形截面實際上是捨近求遠了，最後只有硬啃大直徑筒體。好在大直徑筒體有利於安裝高度較大反應堆，有利於利用自然循環降低噪聲。

這樣看來，新一代中國核潛艇需要達到10000噸級，最大速度需要達到30-35節。如果採用單層殼設計，艇體直徑需要至少達到“弗吉尼亞”級的10米等級；如果採用雙層殼設計，則需要達到“亞森”級的13-14米。需要40000-45000軸馬力的單堆推進，應該具有自然循環下實現安靜巡航和強制循環下實現最大速度的能力。推進器應該採用比大彎度螺旋槳更先進的泵推，最好是無軸泵推。在聲納方面，需要裝備大尺寸的舷側陣面，而不僅僅是傳統的拖曳聲納。在武器方面，除了魚雷，應該採用大桶垂髮。“洛杉磯”級在設計時沒有考慮巡航導彈垂髮的問題，垂髮模塊是後來加的。“弗吉尼亞”級在設計時考慮到巡航導彈垂髮問題，所以在基本設計裏就有12個垂髮管，但沒有考慮到大桶垂髮的問題，這也是後來加的。中國的新一代核潛艇可以考慮一步到位，並且在容量上要達到至少40發才夠用。

羅列新一代中國核潛艇需要具備什麼樣的特點不難，能做到什麼樣的能力就是另一回事了。大桶、大長度垂髮要求艇體直徑較大，大直徑厚板精密捲曲和焊接是高難度技術，中國能達到什麼樣的水平是保密的。但不保密的是反應堆自然循環冷卻技術和無軸泵推技術。

核潛艇的動力艙很擁擠，這是法國“可畏”號的反應堆艙

很多潛艇反應堆是強制循環的

自然循環不需要泵機，但需要一定的高度

自然循環反應堆大大降低反應堆的噪聲。自然循環沒有了泵機的噪聲，本身的水流流動也比較舒緩。水壺燒水的時候，只要不是一上來就大火猛燒，在產生氣泡、快要燒開之前，基本上是無聲的，但水壺裏已經由於熱水上升和冷水下降而在自然循環了。自然循環噪聲低，沒有泵機的功率消耗，但傳熱效率較低。完全自然循環的反應堆會很高大，很笨重。對於核潛艇來説，在中低功率狀態下用自然循環，在高功率狀態下加入強制循環，可以較好地達到靜音和功率密度之間的平衡。

2017年4月21日，中國科技獎勵網報道引用核潛艇總師張錦嵐的話説，中國已經在實現了核潛艇反應堆的自然循環，這就從反應堆方面解決了噪聲問題。

反應堆產生熱量，產生高温高壓蒸汽，推動汽輪機，轉換為機械能。傳統方式是把這機械能直接用於推進。但汽輪機轉速大大高於螺旋槳轉速，需要大功率減速齒輪箱，這是可觀的噪聲源。反應堆、汽輪機、齒輪箱重量大，只能佈置在艇體中段，保證重心和重量的合理分配，這導致很長的傳動軸，不僅製造要求高、重量大、佔用寶貴空間，還不可避免地產生振動和軸承噪聲，這是另一個可觀的噪聲源。

通常艦船的沉重的發動機需要安裝在船體中段重心附近，驅動船尾的螺旋槳通常需要又長又重的傳動軸

但採用全電推進的話，發電機（G1到G4）在理論上可以佈置在艇內任何地方

吊艙式電推還可以與轉向結合起來，降低尾舵的作用，甚至取消，減少阻力

用電力推進的話，汽輪機驅動發電機，大功率輸配電系統“柔性”地通過電纜傳遞功率，不僅大大便利艇內的設備佈置，而且便於用可變轉速電機推動，一舉取消了齒輪箱、傳動軸的噪聲。傳統上用勵磁電機，現在採用更先進的永磁電機，功率密度更高，噪聲更低。

並非巧合的是，大名鼎鼎的馬偉明院士的重要貢獻之一就是中壓交直流系統。中壓比低壓的功率密度更高，這是現代電推的關鍵技術，新一代汽車也有向48伏直流轉變的趨勢，艦船使用的可以更高。直流便於大功率傳輸和調速，也便於大功率用户在電網中的隔離，適合推進；交流用於一般用户，畢竟絕大部分電器是為交流電設計的。中壓系統和永磁電機一起，這又鎖上核潛艇動力系統降噪鏈的又一環。

馬偉明的硬氣不是吹的

更非巧合的是，在央視《焦點訪談》節目中，馬偉明院士展示了無軸泵推技術。展示的當然是實驗室規模的小東西，現在達到什麼樣的實用化程度是保密的，到底離裝艇使用有多少距離，就留給人們想象了。

傳統螺旋槳有嚴重的空泡噪聲，葉尖線速度最快，空泡也最嚴重

槳葉背面的低壓區造成的空泡的危害也很大

另一個計算流體力學的圖示，紅色為高壓區，藍色為低壓區，低壓造成汽化

空泡嚴重的話，還可能對槳葉造成侵蝕

螺旋槳攪動而旋轉的推進水柱與環境靜止水體的互動也造成流動噪聲

傳統推進用螺旋槳，傾斜的葉片在旋轉中通過對水的斜切的向後分量形成推進力。從另一個角度來説，就是在葉片前後製造一個壓力差。壓力差越大，推進的力道越大。不過，壓力差也是有副作用的，葉片背後的減壓會造成汽化，空泡在水壓下破滅會產生很大的噪聲。由於葉片產生壓差的能力與線速度的平方成正比，簡單葉片的空泡澡聲在葉尖達到最大，而且直接暴露在水中，成為潛艇噪聲的最大來源。

為了使得葉片的推進效率在半徑方向相對均勻以達到最優，葉片寬度和扭轉需要精心設計，這就形成了螺旋槳葉片像現代抽象派雕刻一樣的奇特形狀。為了加大推力但減小噪聲，通常還需要加大直徑、降低轉速。大直徑複雜扭轉的螺旋槳製造是技術難關，當年東芝因為私下向蘇聯出口有關數控機牀還遭到美國的嚴厲制裁。

但螺旋槳的降噪是有極限的，進一步降噪要在螺旋槳以外做文章，這就是泵推。泵推屬於涵道螺旋槳，在常見螺旋槳之外圍上一圈圍殼，對葉片噪聲實現屏蔽，只有在尾後很小的錐形區域內才容易探測到螺旋槳的噪聲。

泵推不是新概念，在魚雷上也早就得到應用，但在潛艇上的應用依然屬於前沿技術。魔鬼正在細節之中。

有軸泵推，可以看到傳動軸從船體內伸出來

泵推是保密技術，弗吉尼亞級潛艇進港後，在水裏泵推都要蒙起來

吊艙式有軸泵推

基洛級試驗過泵推，不過不成功

這是圍殼和定子結構

泵推的圍殼套在艇艉錐頂端，必然需要支撐結構，這稱為定子，通常是順着流向的固定葉片結構。螺旋槳當然就是轉子。在結構上，要麼定子在前，轉子在後；要麼轉子在前，定子在後。兩者各有好處。

前置定子可以起到整流作用，把進水理順，有利於轉子發揮最大推進效率，常用於追求最大速度的魚雷。螺旋槳產生的推進水流必然帶有轉動。轉動是不產生推進作用的，但轉動又必然與周圍的靜止水體產生互動，產生紊流和噪聲。前置定子有利於轉子發力，也導致較大的噪聲。

後置定子則相反，把轉子的出水理順，減少水流的轉動，減少噪聲。後置定子本身對噪聲也有一定的屏蔽作用，進一步降噪，多用於追求最大降噪的潛艇。

圍殼體圍成的涵道也有講究，這可以類比於噴氣發動機的進氣道。從進水口開始逐漸擴大，可以使得進水減速減紊，改善轉子工作效率。在轉子之後逐漸收小 ，可以使得出水水流進一步加速，提高航速。但這是以額外阻力為代價的。漸擴段相當於倒拖一朵喇叭花，漸縮段則直接增加轉子的背壓，“憋住”轉子的有效出力。世上本無免費的午餐。

有的泵推只有漸縮，漸縮的進水段套在艇艉錐周圍，這樣有利於與艇艉整合，比較緊湊，但並不利於改善轉子工況。進水在又薄又長的漸縮環道里加速，阻力也大，更加適合於現有潛艇的泵推化改裝，全新設計一般不這麼做。取消漸擴進水段是有的，只有短到幾乎可以忽略不計的進水段，但依然用漸縮的出水段對水流加速，提高航速。這樣對抑制轉子空泡噪聲效果要損失一些，但結構重量也要小一些。

不管前置還是後置，定子結構本身都要造成阻力，吃掉一點功率。泵推圍殼本身又是一大塊重量和阻力，涵道內與水流的互動也導致一點推力損失。泵推吃功率，在很長時間裏是妨礙在潛艇上採用的一大障礙，傳統潛艇沒有多餘的功率可以損失。現代核潛艇反應堆出力大大提高了，才有條件推廣。

傳統泵推可以機械直推，也可以電推，但還是需要傳動軸，所以也稱有軸泵推。這帶來一系列傳動軸的固有問題。電推的話可以電機外置，解決傳動軸問題，但解決不了泵推的另一頑固問題：外物纏繞。

開放的螺旋槳也有纏繞問題，但一般情況下，外物在葉尖甩出，問題不大。泵推有圍殼圍着，甩不掉，很容易“吸引”纏繞。增加進水網格可以緩解外物問題，但網格本身也會堵塞，更何況增加阻力。

無軸泵推就不一樣了。顧名思義，無軸泵推沒有傳動軸，環形電機直接整合在泵推圍殼內，螺旋槳葉片是直接安裝在環形電機的轉子上的，與有軸泵推好比是滾筒式洗衣機與波輪式洗衣機的差別。

簡單的無軸泵推

更復雜的多級無軸泵推

潛艇無軸泵推示意圖

環形電機在原理上與普通電機相仿，只是轉子（電機的轉子，在這裏也是推進器的轉子）直徑大大加大，而且是空心的。用於無軸泵推時，葉片像從圓環伸向中央的牙齒。牙尖可以搭接，但通常懸空，所以圓心是空心的。圓形處線速度為零，本來就沒有推進作用，沒有葉片也不損失推力。外物纏繞通常向中心聚集，空心的圓心正好讓外物通過。演示表明，無軸泵推很難發生纏繞問題。這對潛艇在容易發生纏繞危險的淺海行動具有不言而喻的意義。

無軸泵推沒有中心體，因此也沒有由此而來的中心體尾後低壓區和阻力問題。本來空心的旋轉的推進水柱，現在中心被進水通過空心的中央填滿了，出水特別平順，也降低了尾流噪聲。無軸泵推也不需要定子，不管用什麼方式把圍殼固定在艇體上後，圍殼內是不需要定子的。相比之下，有軸泵推是必然有定子的。

無軸泵推由於是從輪圈傳力，扭力特別大，不需要變距葉片，就可以在一兩秒鐘內從全速前進轉為全速倒退，這是螺旋槳或者有軸泵推難以做到的。

無軸泵推在阿姆斯特丹的全電遊船上已經實現了，每天在運河裏悄無聲息、水波不興地劃過。

葉片的葉根現在紮根在環圈上，受力設計和製造極大簡化，容易在推進效率、噪聲、重量、成本上優化，比如像現代超高涵道比渦扇發動機的風扇葉片一樣，在葉尖反而“剷出”。

只要能解決大尺寸環形電機的製造問題，大直徑無軸泵推的葉片製造反而相對簡單。當然，這個“只要”可不簡單，大直徑、大功率、低磨耗、高精度的環形電機是技術難關，這也限制了無軸泵推的功率。

但大直徑環形電機的難題可以用化整為零來解決。泵推的推力大體取決於葉片掃過的面積。直徑減半的話，需要四個半直徑單元才能等效於一個全直徑單元。好在無軸泵推的安裝靈活，沒有常規螺旋槳或者有軸泵推要考慮傳動軸從艇體穿出的問題，除了圍殼與艇體的連接 ，並不需要定子，只要在艇艉設計時考慮到，多單元的安裝是可以解決的。比如説，常規艇艉是水滴形的尾巴，可以近似為圓錐，天然適合單螺旋槳設計。但把艇艉改成扁鍥形，水動力特性和製造上依然沒有太大的問題，但上下斜面提供了天然的安裝多單元無軸泵推的空間。與電傳操控和艏側推相結合的話，還可大大減小常規的尾舵尺寸，降低阻力。多單元還降低對可靠性的要求。

俄羅斯“颱風”級潛艇採用扁平的艇尾，上下斜面也是安裝多單元無軸電推的理想起點

多單元之間的“搶水”是一個問題，但單元越多，每個單元的功率越低，搶水問題實際上越小，當然保證所有單元均勻出力對水動力設計的要求也越高。在這方面，航空上有很多先例，可以借鑑。隨着渦電混動的興起，新一代飛機沿翼展布滿了螺旋槳。大量小功率電驅動螺旋槳的製造成本低，可靠性要求低，與傳統設計中追求儘量減少發動機和螺旋槳數量的做法截然相反。這與多單元無軸泵推有異曲同工之處。

多單元除了要在艇體設計時就有所考慮和可靠的中壓直流系統的支持，還有較大的重量和阻力。與全直徑泵推相比，四個半直徑泵推的圍殼總周長要加倍，大體上也導致重量和阻力加倍。還是那句老話，沒有免費的午餐。

另一個問題是外置的環形電機不易屏蔽電磁信號，多單元無軸泵推加劇了屏蔽困難。電磁信號在水中衰減很快，所以雷達不能用於探測潛艇，但大電機的電磁信號可能還是足夠強，尤其是磁場信號，容易暴露蹤跡。外層的固定圍殼和內層轉動的環形轉子之間的減噪也是難題。這些原因使得無軸泵推尚未在潛艇的主要推進上得到應用。法國SMX31那樣採用推進涵道的設計可以有效地屏蔽電磁和噪聲，不過阻力和重量較大。

另一種採用側艙的無軸泵推方案，還容易設置尾門，便於收放拖曳聲納、潛航器等

即使中國尚未突破無軸泵推技術，有軸泵推依然是一個飛躍，這方面已經沒有一票否決式的技術障礙了。

據報道，美國海軍情報局認為，2000年時，中國海軍有5艘核動力攻擊潛艇，2020年增加到7艘，增加數量不大，大頭還是093替換091。但預計2030年增加到13艘，而且主體是更先進的095和改進的093。這可能是低估了。很奇怪，西方在鼓譟中國威脅和誇大中國軍力的時候，經常對中國的核導彈、核潛艇數量和技術水平低估。到中國核動力攻擊潛艇達到40-50艘的時候，中美海軍力量對比就是全新的局面了。在戰時，這是強大的突擊力量。在平時，這不僅牽制了美國海軍核動力攻擊潛艇的主體，還迫使美國海軍增加反潛兵力，打亂裝備發展和戰略構想。