2017年，隨著馬偉明院士一篇采訪，談到了我國(guó)正在研究“無軸泵噴”的先進(jìn)技術(shù)，并且該技術(shù)“中國(guó)已經(jīng)領(lǐng)先美國(guó)”。一時(shí)間，有關(guān)“無軸泵噴”一詞成為網(wǎng)絡(luò)熱詞，但是什么才是真正的無軸泵噴呢？它的技術(shù)源頭是哪里？又有什么優(yōu)缺點(diǎn)呢？今天，我們就來給大家梳理一下無軸泵噴的來龍去脈。

無軸泵噴的緣起——費(fèi)迪南·保時(shí)捷的汽車發(fā)明

眾所周知，世界車輛設(shè)計(jì)大師斐迪南·保時(shí)捷先生不但創(chuàng)辦了保時(shí)捷、大眾這幾個(gè)如雷貫耳的大品牌，而且在二戰(zhàn)中設(shè)計(jì)出了“象”式坦克殲擊車（使用虎P底盤改造），戰(zhàn)后還把戰(zhàn)前就已經(jīng)設(shè)計(jì)出的甲殼蟲汽車（二戰(zhàn)該車被稍微修改為“桶車”作為一般的德軍公務(wù)車）賣到了全世界。但是，當(dāng)軍迷朋友談?wù)撝摹跋蟆笔綒灀糗嚨碾妭鲃?dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的時(shí)候，大部分人并不會(huì)把它和如今的混合動(dòng)力車，和今天談?wù)摰摹盁o軸泵噴”聯(lián)系在一起。

其實(shí)，早在1900年，25歲的斐迪南·保時(shí)捷就將自己一生最為得意的發(fā)明——電傳動(dòng)轎車搬上了巴黎汽車博覽會(huì)。在那個(gè)福特汽車還未誕生的年代，汽車就如同現(xiàn)代的助力三輪車一樣簡(jiǎn)陋，只是一個(gè)帶了個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的馬車車廂，發(fā)動(dòng)機(jī)通過類似自行車的鏈條傳動(dòng)，帶動(dòng)一個(gè)車輪，這就是所謂的“一輪傳動(dòng)”。但是一輪傳動(dòng)不但效率低下，而且導(dǎo)致傳動(dòng)的一側(cè)輪胎磨損嚴(yán)重，所以很快就過時(shí)了。

保時(shí)捷認(rèn)識(shí)到了這個(gè)問題，在那個(gè)車軸傳動(dòng)和差速器都沒有使用的時(shí)代，他便認(rèn)為解決汽車平穩(wěn)運(yùn)行最好的傳動(dòng)手段，就應(yīng)該采用當(dāng)時(shí)剛剛興起的電動(dòng)機(jī)（同一時(shí)代美國(guó)的特斯拉發(fā)明了電動(dòng)遙控船）。但是，如何把電動(dòng)機(jī)的推力傳輸?shù)捷喿由夏?？保時(shí)捷萌生了一個(gè)天才的想法——那就把電動(dòng)機(jī)搬到輪轂上面！于是，具有革命性的發(fā)明——輪轂電動(dòng)機(jī)發(fā)明了。

我們知道，傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)是導(dǎo)體制造的旋轉(zhuǎn)線圈在內(nèi)，外部放置電磁體的設(shè)計(jì)。如果是直流電動(dòng)機(jī)，則磁場(chǎng)保持不變，旋轉(zhuǎn)線圈安裝換向電樞旋轉(zhuǎn)；如果是三相交流電電動(dòng)機(jī)，則內(nèi)部線圈制造成鼠籠型，三相交流電纏繞成星型繞組，通過三相交流電后外部就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，根據(jù)電磁效應(yīng)在鼠籠型線圈產(chǎn)生變化的電流和磁場(chǎng)，從而拉動(dòng)內(nèi)部轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)輸出軸。而斐迪南則別出心裁，將傳統(tǒng)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子反了過來，軸成了定子，而電磁鐵成了轉(zhuǎn)子，這樣就不再是“電機(jī)旋轉(zhuǎn)主軸”，而是“電機(jī)外殼圍著主軸旋轉(zhuǎn)”，而輪轂電動(dòng)機(jī)的外殼就固定在輪轂內(nèi)部，這樣自然就拉著車輪一起圍繞輪軸運(yùn)轉(zhuǎn)了。

如今，輪轂電動(dòng)機(jī)已經(jīng)在日常越來越多使用，只不過目前大部分日常應(yīng)用環(huán)境并不是新能源車，而是我們的無鏈條電動(dòng)自行車。

而所謂的“無軸泵噴”推進(jìn)技術(shù)，則是它在艦船——尤其是潛艇上的一種應(yīng)用。它取消了主軸，并反轉(zhuǎn)槳葉，尖端朝向軸心，讓螺旋槳圍繞著外殼的圓環(huán)旋轉(zhuǎn)。從本質(zhì)上它是輪轂電動(dòng)機(jī)的一個(gè)變形，從“輪轂繞輪軸轉(zhuǎn)”變成了“內(nèi)圈圓環(huán)在外圈圓環(huán)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)”。

無軸泵噴VS傳統(tǒng)泵噴

如果把軍艦的螺旋槳比喻成飛機(jī)的螺旋槳，那么泵噴推進(jìn)器就可以看做“水下的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)”。由于螺旋槳被包裹在泵殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶有整流板構(gòu)成的定子葉片，泵噴推進(jìn)器噴出的水流比起傳統(tǒng)螺旋槳更加集中，機(jī)械效率更高，噪音更低，同時(shí)空泡率也較低，是理想中的先進(jìn)水下動(dòng)力系統(tǒng)。

泵噴推進(jìn)器是在1970年代逐漸興起的，最早在英國(guó)“丘吉爾級(jí)”潛艇運(yùn)用。幾乎在與此同時(shí)，美國(guó)先進(jìn)的MK48魚雷也運(yùn)用了泵噴推進(jìn)器。不過，用于潛艇的泵噴推進(jìn)器通常定子葉片在前，而魚雷的通常在后，這是因?yàn)榻?jīng)過科學(xué)家的研究，認(rèn)為前置定子降噪更好，而后置定子有利于增強(qiáng)動(dòng)力效率，所以要求安靜的潛艇用前置定子，而要求速度的魚雷用后置定子。在那之后，美國(guó)的海狼級(jí)潛艇、弗吉尼亞級(jí)潛艇、英國(guó)前衛(wèi)級(jí)潛艇、法國(guó)凱旋級(jí)潛艇等歐美潛艇全部改用了泵噴推進(jìn)器，蘇聯(lián)也在877V上試驗(yàn)了泵噴，但很快蘇聯(lián)解體。一直到蘇聯(lián)解體后20年，俄羅斯最先進(jìn)的885“亞森”和955“北風(fēng)之神”才有傳言使用了泵噴推進(jìn)器。

不過，泵噴推進(jìn)器仍然有一些問題存在。除了加工較為復(fù)雜外，其封閉的殼體也容易導(dǎo)致在近海航行時(shí)，吸入海帶等雜物。雖然開放式的螺旋槳更容易絞上雜物，但是停止工作后還是較為容易清理的；而泵噴一旦吸入雜物，就有可能徹底卡死，無法在海上維修。所以，泵噴推進(jìn)器較不適合在近海活動(dòng)。

因此，考慮到在港口和近海活動(dòng)，大型船舶和重型核潛艇通常都會(huì)配備如同快艇發(fā)動(dòng)機(jī)一樣可以旋轉(zhuǎn)的小型輔助發(fā)動(dòng)機(jī)。

小型伸縮式輔助發(fā)動(dòng)機(jī)為大型潛艇進(jìn)出港和在低速下保持操縱性提供了很多有益的手段，甚至前蘇聯(lián)還將其發(fā)展成一種有效的低速無聲推進(jìn)裝置，巨大的971型“阿庫(kù)拉”級(jí)（阿庫(kù)拉為北約代號(hào)，蘇聯(lián)的阿庫(kù)拉級(jí)指的是北約稱之為臺(tái)風(fēng)級(jí)的941型，971的蘇聯(lián)代號(hào)為“白斑狗魚”）潛艇在5節(jié)速度低速待機(jī)時(shí)，可以選擇關(guān)掉主汽輪機(jī)帶動(dòng)的主軸，伸出2個(gè)輔助500千瓦螺旋槳保持自身運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)彎，此時(shí)它的噪音系數(shù)可以控制在120分貝以內(nèi)，完全可以和美軍靜音更勝一籌的洛杉磯級(jí)潛艇相抗衡。同時(shí)，伸縮式輔助發(fā)動(dòng)機(jī)也是在潛艇主機(jī)故障或者被不明物體纏繞螺旋槳后，唯一還能驅(qū)動(dòng)潛艇返回港口的動(dòng)力，所以讓輔助發(fā)動(dòng)機(jī)更加安全可靠一直是各個(gè)國(guó)家追求的目標(biāo)。因此，在2003年，美國(guó)人率先將無軸泵噴搬上了潛艇，用作弗吉尼亞級(jí)的輔助螺旋槳。

無軸泵噴在某些情況下比起傳統(tǒng)推進(jìn)器有不少好處。首先，由于無軸泵噴的螺旋槳是尖端朝內(nèi)，外圈旋轉(zhuǎn)線速度大，內(nèi)圈線速度低，根據(jù)伯努利定律，外圈壓強(qiáng)弱于內(nèi)圈，因此氣泡通常在水壓較低的外圈產(chǎn)生，偏偏外圈又是固定的旋轉(zhuǎn)環(huán)，因此被阻擋為不易產(chǎn)生，降低了空泡噪音和氣蝕影響。

第二，無軸泵噴在復(fù)雜水域可以有效抵御雜物纏繞。其實(shí)這個(gè)道理和我們家用波輪式洗衣機(jī)、攪拌式洗衣機(jī)因槳葉旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致衣服纏繞在槳葉和水流較多，而滾筒洗衣機(jī)纏繞較少的原理是差不多的，因?yàn)榫哂腥犴g性的長(zhǎng)條形雜物會(huì)順著旋轉(zhuǎn)的水流旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而因水流的相互纏繞而發(fā)生纏繞，而中軸線又是水流最強(qiáng)的位置，自然會(huì)導(dǎo)致雜物向中心靠攏，最終纏繞在螺旋槳上。但是無軸推進(jìn)器沒有轉(zhuǎn)軸，因此雜物向中心靠攏反而“無從下手”，就算被纏繞，也很容易通過反轉(zhuǎn)螺旋槳將其甩出。所以無軸推進(jìn)技術(shù)適合于復(fù)雜的近海環(huán)境使用，也不怪為何強(qiáng)調(diào)近海作戰(zhàn)的弗吉尼亞級(jí)潛艇要采用無軸推進(jìn)技術(shù)技術(shù)作為輔助動(dòng)力了。

當(dāng)然事物必然有其二重性，無軸推進(jìn)技術(shù)既有它的優(yōu)點(diǎn)，也有很多的難點(diǎn)和缺點(diǎn)。

第一，目前技術(shù)下無軸推進(jìn)技術(shù)動(dòng)力不夠強(qiáng)大。我們知道，船用主軸通常用高級(jí)合金鋼在水壓機(jī)下鍛壓制成，能夠忍受巨大的旋轉(zhuǎn)力矩，將發(fā)動(dòng)機(jī)的力量源源不斷輸送到螺旋槳推動(dòng)大船前進(jìn)。但是無軸推進(jìn)技術(shù)缺了這個(gè)“中流砥柱”，只能靠著外殼向著船體輸送推進(jìn)器推動(dòng)海水產(chǎn)生的反作用力，因此導(dǎo)致它的外殼比較笨重，而且進(jìn)水效率受到影響，推力上限也比較低。根據(jù)測(cè)算，如果想要完全推動(dòng)一艘大型核潛艇前進(jìn)，需要3-4個(gè)大型無軸泵噴捆綁在尾部一起推進(jìn)，但在布置間隙過于接近時(shí)，會(huì)導(dǎo)致互相“爭(zhēng)搶”水流，導(dǎo)致效率更一步地低下。

第二，電傳動(dòng)的能量消耗。雖然當(dāng)代綜合電推的效率比起1910年代的列克星敦號(hào)已經(jīng)好了很多，但是不可否認(rèn)，從汽輪機(jī)到電動(dòng)機(jī)中因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的磁阻，電阻，電感仍然會(huì)損失不少效率，因此目前核潛艇的推進(jìn)仍然是以汽輪機(jī)帶動(dòng)螺旋槳直接前進(jìn)為主。

第三，也是日常中很容易遇上的問題：無軸推進(jìn)的輪緣式電機(jī)的防水、防漏電和維修。傳統(tǒng)船舶的動(dòng)力系統(tǒng)都在人可以觸及的動(dòng)力艙中，只留有一根螺旋槳的主軸深入海水，這樣只要不是主軸和螺旋槳被炸壞，其他的動(dòng)力系統(tǒng)問題都可以在內(nèi)部維修，便于日常和戰(zhàn)時(shí)維護(hù)，一般小問題無需拉入干船塢修理；但對(duì)于無軸泵噴潛艇來說，由于電動(dòng)機(jī)布置在泵噴系統(tǒng)外殼之上，平時(shí)就在海水之中，人不可直接觸摸到里面的設(shè)備，因此對(duì)其密封要求更加嚴(yán)格——尤其是輪圈高速在水下旋轉(zhuǎn)的密封。一旦發(fā)生故障，由于電動(dòng)機(jī)位于艦體之外，那么船必須返回陸地的干船塢，抽干海水，拆掉整個(gè)推進(jìn)器才可以維護(hù)，這對(duì)于民用工程船舶尚可，對(duì)于時(shí)刻都會(huì)損傷的軍艦和潛艇顯然并不怎么適合。

因此，目前各國(guó)對(duì)于無軸泵噴的研究，仍然是局限于改進(jìn)潛艇的輔助發(fā)動(dòng)機(jī)，而非直接用于主推進(jìn)器。美國(guó)開工的“哥倫比亞”級(jí)和英國(guó)“無畏級(jí)”等先進(jìn)彈道導(dǎo)彈潛艇，都未采用這種設(shè)計(jì)。

此處不留爺，自有爺去處——潛艇之外的無軸推進(jìn)技術(shù)的使用

雖然在短時(shí)間內(nèi)，無軸泵噴用于軍用主力艦、核潛艇的主推進(jìn)器的希望不大，但不代表它無法用于軍用領(lǐng)域。在某些不強(qiáng)調(diào)最大推力，但非常強(qiáng)調(diào)靜音和防纏繞的環(huán)境，仍然有其用武之地，其中一個(gè)領(lǐng)域就是我們之前提到的蛙人突擊艇。

縱觀歷史上的蛙人奇襲，有一個(gè)很大的難點(diǎn)就是如何在成功后撤回英勇的蛙人。由于傳統(tǒng)運(yùn)輸方式——潛艇釋放蛙人或者采用人操魚雷的運(yùn)輸方式——航程很短，而且速度很慢，在蛙人破壞后很難返回母船，只能光榮就義或者就地投降二選一，這種有去無回的行動(dòng)往往需要蛙人絕對(duì)的奉獻(xiàn)精神。而使用稍微大一些的微型潛艇，雖然讓蛙人得以代步更遠(yuǎn)距離，但由于微型潛艇終究是體型較大，不易在水下環(huán)境復(fù)雜的近岸活動(dòng)（尤其是近海養(yǎng)殖豐富地區(qū)），而且傳統(tǒng)螺旋槳噪音也比人大很多，很容易導(dǎo)致提前觸發(fā)警報(bào)。而這一來，采用無軸推進(jìn)技術(shù)的小型蛙人艇就有了很大用武之地。

如前文所述，無軸推進(jìn)在安靜性、抗纏繞方面都勝過傳統(tǒng)有軸推進(jìn)器。因此，未來如同下圖的小型無人潛航器和搭載潛水員的小型潛艇都可以采用無軸泵噴技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)更低的噪音，以及更好的在遍布雜物的近岸水底悄無聲息執(zhí)行滲透任務(wù)。

結(jié)語(yǔ)——一款革命性的技術(shù)，往往需要經(jīng)過時(shí)間的積累才能夠真正推廣開來

從1900年保時(shí)捷的輪轂電動(dòng)機(jī)混合動(dòng)力車，到如今的汽油·電池混合動(dòng)力車已經(jīng)度過了整整一百年，而從列克星敦的電傳動(dòng)戰(zhàn)艦推進(jìn)技術(shù)，到如今的綜合電傳推進(jìn)技術(shù)，也度過了接近一百年。在上個(gè)世紀(jì)，無論是保時(shí)捷自己設(shè)計(jì)的“象”式自行反坦克炮，還是同時(shí)代科京設(shè)計(jì)的IS-6電傳動(dòng)坦克，都是不成功的例子。這充分說明，技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的發(fā)展是一樣的，都需要建立在穩(wěn)固的“經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)”和“技術(shù)基礎(chǔ)”之上的，當(dāng)它所需要的配套技術(shù)都已經(jīng)基本成熟時(shí)，發(fā)展這種技術(shù)就是水到渠成的事情。所以，我們開發(fā)先進(jìn)科技切不可操之過急，更需要耐心和積極努力的心態(tài)。