蘇/俄核潛艇螺旋槳技術發展研究

杜 度，楊 坤

(中國人民解放軍92857部隊，北京 100161)

蘇/俄核潛艇螺旋槳技術發展研究

杜 度，楊 坤

(中國人民解放軍92857部隊，北京 100161)

螺旋槳作為潛艇主要推進裝置，直接影響潛艇快速性、聲隱身性等戰技性能。本文以蘇/俄核潛艇發展歷程為主線，梳理不同核潛艇型號發展階段，螺旋槳布局設計、裝備研制和技術發展研究過程。分析關鍵技術突破、重難問題解決過程運用的方法手段，總結各階段核潛艇螺旋槳研制研究取得的主要研究成果，對我國潛艇螺旋槳領域研究具有重要的借鑒意義。

蘇/俄；潛艇；螺旋槳；技術發展

0 引 言

二戰結束后，為形成對蘇聯水下作戰優勢，美國不斷發展探測距離遠、精度高的聲吶系統，蘇聯核潛艇隱蔽性面臨極大威脅。為有效對抗美國先進聲吶探測，蘇聯海軍不斷提高其核潛艇聲隱身性能，特別是在推進器噪聲控制方面，推動蘇聯推進裝置設計思想的根本改變，螺旋槳性能由追求“動力裝置全功率推進下的高速航行能力”轉變為“最小噪聲級下的高速航行能力”[1]，研制隱身性、快速性均優的螺旋槳成為此后蘇聯/俄羅斯發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、加強基礎條件建設等方面[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）研制螺旋槳，通過減小葉梢剖面梯度、改變負荷沿槳葉分布規律，顯著降低了空化噪聲，并提高快速性。1953年，在613型常規潛艇（W級）開展實艇試驗，最高航速提高30%～50%，且未出現顯著空化現象。627型實艇應用結果顯示潛艇水下航速較預報值高出10%～12%，臨界航速則低于計算值。針對該型螺旋槳實艇測試暴露問題進行了大量研究，得到一些教訓經驗，為后續研究工作打下很好基礎。

1.1 “粗糙度”修正系數應用不準確

627型核潛艇快速性預報計算采用的“粗糙度”修正系數，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。與之前潛艇型號相比，627核潛艇開孔和突出部件數量顯著減少，艇體粗糙度有所改善，采用傳統“粗糙度”修正系數使得快速性計算結果誤差較大。這一教訓使得蘇聯科研人員認識到新潛艇設計應采用模型試驗方法確定“粗糙度”系數，而非直接沿用傳統系數，該方法至今仍在應用。

1.2 自由液面對螺旋槳與艇體之間相互作用影響估計不足

實艇水下航行性能可根據幾何相似、運動相似船模試驗結果，通過摩擦阻力系數計算、剩余阻力系數換算等得到。限于當時試驗水池深度，無法消除自由液面對潛艇模型拖曳或自航試驗產生阻力的影響，對剩余阻力系數測試產生誤差，導致627型核潛艇航速性能預報偏低。要獲取較為準確的船模航行性能數據，必須使得潛艇模型潛深與實艇設計深度幾何相似對應，該問題直到1960年建成全新深水試驗水池才得以較好地解決[3]。

1.3 臨界航速計算方式不合理

通過空泡水洞螺旋槳模型試驗獲取空化特性曲線，即空化數（槳葉初生空化時的空化數）與進速比的函數，并引入修正系數換算到實艇，得到627型核潛艇臨界航速。該修正系數與“粗糙度”修正系數相似，也由613常規潛艇實測結果確定，主要考慮初始空化形狀的尺度效應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，不能采用固定的量來估算。綜合作用下導致臨界航速預報偏高。

2 第 2 代核潛艇螺旋槳研制

第2代核潛艇包括彈道導彈核潛艇、巡航導彈核潛艇和攻擊型核潛艇等，螺旋槳科研工作面臨任務新、任務重的特點，研究涵蓋高速單軸螺旋槳、軸對稱流線體雙軸螺旋槳、導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代核潛艇的戰技性能，使蘇聯核潛艇航速、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60年代始，蘇聯科學家對潛艇水下航行高性能螺旋槳展開廣泛的理論和試驗研究，以追求在盡可能小拖曳阻力下，獲得更高水下航速和推進系數，同時保持較好聲隱身性能。大量模型試驗表明單軸螺旋槳布局潛艇快速性明顯優于雙軸螺旋槳布局潛艇，在理想情況下，單槳潛艇型線應滿足以下要求[4]：具有長徑比7～8的回轉體外形，中橫剖面位距首柱約艇長0.3～0.4；艇體首端成半橢球形，其長度不小于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。這些對于后續潛艇型號螺旋槳研制和布局設計起到很好的指導作用。

1970年，按照上述單槳潛艇型線和槳葉布局設計要求，并控制艇體外板狀態、艇體孔穴以及突出體數量，705型核潛艇（A級）實艇試驗獲得很高的推進系數值（約80%），達到臨界航速設計值，水下狀態總阻力系數減小1.4～1.5倍，最大航速達到40 kn，螺旋槳相關指標基本符合預報值。

2.2 軸對稱流線體雙軸螺旋槳

第2代核潛艇部分應用新研單軸高速螺旋槳，為可靠性考慮，彈道導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，將傳統尾端一分為二，拉長為軸對稱流線體尾端（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境接近單軸布局艇尾，縮減單、雙軸潛艇推進和聲學性能差距。最早在661型（P級）巡航導彈核潛艇應用，軸對稱流線體雙軸螺旋槳設計被廣泛應用于20世紀70年代末、80年代初蘇聯核潛艇。

2.3 導管螺旋槳

采用導管能夠有效提高重負荷螺旋槳的推進性能，為研究導管對螺旋槳聲學性能的影響，1960年，蘇聯科學家在633型常規潛艇（R級）研究裝備導流管的螺旋槳推進系統，使得潛艇推進性能提高12%～15%，臨界航速提高約1.3倍。當前，美、英等國新一代核潛艇均采用的泵噴推進器實質是一種改進型導管螺旋槳，蘇聯在雙軸核潛艇上超前采用低噪聲導管螺旋槳，體現其在潛艇螺旋槳研制方面的技術前瞻性。

2.4 低噪聲串列螺旋槳

蘇聯科學家通過大量試驗研究，發現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裝置，由前后排列2個同軸螺旋槳組成，兩槳轉速、旋轉方向一致[5]，可有效降低槳葉單位負荷，推力主要由后槳提供，在前槳誘導速度局部整流作用下，后槳來流品質得以改善。串列螺旋槳技術實現難度在于確定前后槳最佳推力比，以達到兩槳同時產生初生空化，降低空化噪聲。低噪聲串列螺旋槳空泡水洞實驗表明，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，推進效率損失約4%～5%。綜合權衡各因素，蘇聯海軍仍然將低噪聲串列螺旋槳列入核潛艇制式推進器名單，直到20世紀70年代末。

3 第 3 代核潛艇螺旋槳研制

隨著水聲技術發展、探潛聲吶基陣尺寸增大（水下固定基陣達數千米，艦用聲吶基陣達幾十米），探潛頻率不斷降低，而機械設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。螺旋槳非空化水動力噪聲由艇尾尾跡水流周向不均勻性，以及由湍流脈動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，蘇聯科學家采用專門理論和試驗方法，研究確定槳葉數，優選槳葉形狀，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，同時可有效降低潛艇在隱蔽航速的螺旋槳轉速[6]。1979年，基于理論研究、模型試驗和效能評估基礎上，第3代核潛艇首次研發裝備7葉大側斜螺旋槳，80年代中期實艇試驗表明7葉大側斜螺旋槳控制潛艇次聲頻段輻射噪聲級較第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聲壓強度較高，是螺旋槳主要噪聲源之一，具有連續譜的特征。通過蘇聯科學家的研究，解決該問題的有效途徑包括增加槳葉結構剛度、提高材料阻尼損耗，或降低轉速。另外，由于螺旋槳次聲輻射與艇體周圍水動力特性直接相關，自20世紀80年代初開始，蘇聯就開展了艇體線型優化研究課題，以改善螺旋槳水動力特性，研究提出了尾操縱面形狀、附體與艇體布局，以及附體結構形式等[7]，水池和風洞試驗表明，艇體線型優化可有效降低螺旋槳低頻輻射噪聲，據計算預報，如果全部應用課題研究成果，螺旋槳葉頻輻射噪聲強度將降低約2倍，低頻連續譜噪聲強度可降低1.5～1.6倍。艇體線型優化課題部分研究成果成功應用于俄羅斯第4代核潛艇。

4 第 4 代核潛艇螺旋槳研制

蘇聯解體對其后續核潛艇螺旋槳研制工作產生極其不利的影響，加之投入資金和試驗物資匱乏，研究任務大幅減少?？茖W家在重點研制第4代核潛艇泵噴推進裝置外，主要解決之前型號存在問題，在螺旋槳科研運用智能化、數字化設計做過一定嘗試。

4.1 泵噴推進器

鑒于西方國家泵噴推進器研制取得突破，80年代末，蘇聯科學家成功研制一型泵噴推進器樣機，并在877型常規潛艇（“基洛”級）上進行實船試驗[8]。后因蘇聯解體，泵噴推進器研制陷入停滯，隨著俄羅斯經濟復蘇以及俄高層對核潛艇裝備的重新重視，泵噴推進器研制工作轉入正軌。當前，俄羅斯新一代955型戰略核潛艇（“北風之神”級）裝備泵噴推進器，新一代885型攻擊型核潛艇（“亞森”級）首艇采用7葉大傾斜螺旋槳，但已明確后續艇將采用泵噴推進器。

4.2 螺旋槳科研數據庫建設

為更好總結、吸取近半個世紀潛艇螺旋槳研究成果和研制經驗，蘇/俄科學家采用計算機輔助手段構建了螺旋槳噪聲特性數據庫，以提升螺旋槳科研軟件實力。噪聲數據庫為螺旋槳研制各階段水池模型試驗提供數據參考、指導關鍵技術攻關和重難點問題解決，以及比對不同螺旋槳方案潛艇推進性能和聲學性能，有力、高效地支撐蘇聯/俄羅斯核潛艇各型螺旋槳的研制工作。

5 結 語

歷經半個世紀研究發展，蘇/俄科學家在核潛艇螺旋槳研制領域取得的豐碩成果，主要如下：

1）潛艇水下推進系數提高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顯著降低；

4）在整個聲譜范圍內，螺旋槳非空化噪聲輻射強度降低10余倍。

蘇/俄科學家在高性能螺旋槳領域持續不斷攻關，對提高核潛艇快速性、隱身性，改善水動力特性等做出了突出貢獻。如今，隨著俄羅斯經濟、軍事實力復蘇，國防機構和俄海軍對相關研究單位面臨的困境逐步重視，政府逐步加大對螺旋槳科研事業的投入，以確保俄羅斯核潛艇螺旋槳技術處于世界先進水平。

[1]M IL-DTL-17901C(SH),Bearing Com ponents,Bonded Synthetic Rubber,Water Lubricated[S],200.

[2]徐亦凡,何成.潛艇螺旋槳空化臨界特性仿真[J].系統仿真學報,2009,21(16):5022–5029.XU Y i-fan,HE Cheng.Cavitating-critical charateristics simulation of submarine propeller[J].Journal of System Simulation,2009,21(16):5022–5029.

[3]SCHNCIDER.Rubber bearings design and research[C]//Philadelphia,USA:1988.

[4]RA ILKO LTD.Water lubricated composite marine bearings[EB/OL].http://www.armedforces-int.com,2009.

[5]RICHARD C,Dorset green technology park,integrating external electric drive actuation systems into the submarine.UDT2010.

[6]HIRANIH,VERMA M.Tribological study of elastomeric bearings for marine propeller shalft system[J].Tribology International,2009,42:378–390.

[7]何琳,帥長庚,等.潛艇螺旋槳軸承降噪技術研究進展[J].艦船科學技術,2011,33(10):3–8.HE Lin,SHUAIChang-geng.Research development of noise attenuation for submarine propeller bearing[J].Ship Science and Technology,2011,33(10):3–8.

[8]THORDON Bearing INC.Thordon elastomeric bearings engineering manual[M].Thordon Bearing INC,Canada,2006.

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，高級工程師，從事艦船總體技術研究。