核潛艇作為大國重器，一向是保持著其獨特的神秘形象。很多朋友甚至還不太了解核潛艇和常規(guī)潛艇的巨大差異，以及核反應(yīng)堆的能量輸出方式，和最重要的消聲降噪的原理。今天，就讓我們一起了解一下核潛艇最基礎(chǔ)的原理。

第一，是核潛艇是如何做到“無限續(xù)航”的。這里有必要提一下核動力?？催^我之前的文章的朋友應(yīng)該了解到世界上早在75年前就有反應(yīng)堆技術(shù)了，因此核能并不是一種新能源。核能（目前只能利用裂變能）來自于鈾235鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋放的巨大能量，不需要氧氣參與即可發(fā)生，所以這是核潛艇之所以可以長時間不浮出水面的決定性原因。同時，核動力能量密度很大，就拿60年代的第一代核潛艇來說，加一次燃料也足夠20多萬海里航行，是二戰(zhàn)續(xù)航力最大的U9D2型的十倍。因此，核潛艇通常間隔數(shù)年才會更換一次堆芯，而最先進的弗吉尼亞級甚至可以在服役期40年內(nèi)不用更換堆芯，出廠后就帶夠了以后所有的燃料。

有人問，雖然核反應(yīng)堆不需要空氣，那么住在里面的船員總得需要吃喝拉撒吧？也需要呼吸空氣吧？但事實上，就算是缺乏海水淡化機的091型核潛艇，在1980年代后半段也成功進行了一次90多天環(huán)繞地球的遠(yuǎn)航（乘員約一百人），可見人員消耗的空氣，飲水和食物在核潛艇內(nèi)并不缺乏，何況現(xiàn)代核潛艇基本都解決了水下制氧機，海水淡化機，甚至可以在潛艇內(nèi)洗澡洗衣服（事實上二戰(zhàn)美國小鯊魚級就解決了海水淡化量產(chǎn)技術(shù)，是最早配備浴室的潛艇）。這樣一來，潛艇就無需攜帶飲水和空氣，只需要裝滿冷庫即可出港。

第二，是核動力輸出原理。

由于人類技術(shù)局限，使用核能70年來，絕大多數(shù)核能都是通過熱能轉(zhuǎn)換輸出的。因此，在核潛艇中也是通過熱交換器把核反應(yīng)堆的熱能加熱的水轉(zhuǎn)換成高壓蒸汽的。由于尺寸有限，在核潛艇中迄今為止只用過壓水堆和液態(tài)金屬反應(yīng)堆（不過已經(jīng)全部退役），以下都按壓水堆介紹。

壓水核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)已經(jīng)介紹過。在核反應(yīng)堆中直接與燃料棒接觸為一回路，一回路維持約150個大氣壓，熱水可以維持到350度而不沸騰，因此可以將反應(yīng)堆的熱量大量帶出來;二回路連接在熱交換器上，使用一回路熱水加熱至沸騰，再使用汽水分離器分離水，形成高溫高壓干蒸汽，即可推動汽輪機將熱能轉(zhuǎn)為機械能。蒸汽推動汽輪機后進入冷凝器變回液態(tài)水，再回到熱交換器內(nèi)受熱，完成循環(huán)。

因此，一回路熱水不會實質(zhì)上接觸到二回路，這使得核潛艇的冷卻水不會帶出放射性物質(zhì)，有利于安全。但是，二回路輸出功率取決于一回路熱水熱量輸出，所以說當(dāng)核潛艇要加速時，就必須抽出更多的一回路熱水，使得二回路產(chǎn)生更多蒸汽，這就涉及到一個核潛艇重要的概念：熱交換器循環(huán)模式（實際上和鍋爐模式相同）。

一回路的熱水流動到二回路通常有兩個常規(guī)模式，第一是自循環(huán)模式，通過熱水和冷水的密度差異形成密度流，熱水從上部管道流出，進入熱交換器換熱后能量減少溫度下降，密度變大后從底部反向流回堆芯，就和我們?nèi)粘畨乩锓v的水一樣。自循環(huán)不需要泵，因此可靠性好，但為了形成足夠的密度流，一般來說熱交換器尺寸就比較大。因此絕大多數(shù)自循環(huán)反應(yīng)堆都是在商業(yè)核電廠使用，西方國家通常是立式熱交換器，而蘇聯(lián)VVER是獨特的臥式熱交換器。

第二種是強制循環(huán)模式，使用高壓水泵不斷抽出一回路熱水，沿著設(shè)定的路徑推入熱交換器放熱，再用另一個泵抽出已冷卻的水注入堆芯，整個循環(huán)全部依賴外部動力進行。由于是泵壓推動熱水單向流動，所以又叫直流式熱交換器。由于熱水受泵驅(qū)動，路徑可以精確規(guī)劃，因此換熱效率高，熱交換器體積也小，但弱點就是一旦泵故障就會導(dǎo)致核能無法輸出，導(dǎo)致堆芯無法冷卻進而出現(xiàn)堆芯熔毀事故。

由于直流式熱交換器體積小，所以大部分核潛艇都是使用直流式熱交換器的。這樣一來，為了讓反應(yīng)堆運轉(zhuǎn)，一回路泵必須不間斷工作，使得潛艇反應(yīng)堆產(chǎn)生了一個穩(wěn)定噪聲源頭：冷卻泵噪音。這個噪音通常是低速噪音最大源頭，70年代左右的核潛艇在10節(jié)航行時通常都有130-160分貝噪音，堪比一艘使用柴油機巡航的常規(guī)潛艇。

為了解決冷卻泵噪音和增強意外事故時的安全性，美國在70年代投入巨資研發(fā)新一代反應(yīng)堆。其中最有突破性的設(shè)計是“獨角鯨”號核潛艇。它創(chuàng)造性采用了“混合循環(huán)熱交換器+電動傳動”的模式。其中混合循環(huán)熱交換器極其復(fù)雜，它使用了多重冷卻管道，在潛艇處于低速巡航時，潛艇啟用自循環(huán)工況，此時熱交換器為自循環(huán)，不啟動主循環(huán)泵;在潛艇需要高速離開戰(zhàn)場時，則關(guān)閉自循環(huán)管道，啟動主循環(huán)泵，讓潛艇全速前進。這樣一來，潛艇10節(jié)速度噪音成功從135分貝降低到105分貝，此設(shè)計在俄亥俄級和海狼級，和目前最新的弗吉尼亞級都有應(yīng)用，大幅降低無聲速度噪音。

第三就是潛艇推進結(jié)構(gòu)。目前有兩大類，第一是傳統(tǒng)螺旋槳，由于螺旋槳空泡（空蝕效應(yīng)）會產(chǎn)生沖擊波，會產(chǎn)生較大噪音和腐蝕螺旋槳，因此美國1959年在長尾鯊級核潛艇率先開發(fā)了7葉傾斜螺旋槳技術(shù)，通過增大螺旋槳尺寸，降低轉(zhuǎn)速來降低空蝕效應(yīng)，也使得噪音大幅下降。目前現(xiàn)役大部分潛艇都是這種螺旋槳。

第二就是美國開發(fā)的泵噴推進模式。這種模式原先是為了解決mk48魚雷最大速度的，這樣的推進系統(tǒng)實際上是把螺旋槳封裝在一個泵殼內(nèi)，形成軸流式渦輪泵，通過定子（泵導(dǎo)板，和電風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)風(fēng)板差不多）整流后把水流方向匯聚起來，極大提升推力效率（mk48泵噴推進效率可達(dá)91%），同時由于螺旋槳被密封，它的噪音得以控制在泵殼內(nèi)，因此噪音大幅降低。在做了這些處理后，海狼和弗吉尼亞可以在噪音水平保持110分貝情況下，把航速由洛杉磯級的10節(jié)提升到16節(jié)，大幅度提升潛航效率。

今天就到這里，希望對大家認(rèn)識核潛艇有用。