超高速靜音潛艇成真! 中國突破前沿動力技術(shù)，等離子體爆轟推進

國內(nèi)頂尖的學(xué)術(shù)期刊《光學(xué)學(xué)報》刊登了一篇英譯版的原版論文《水下光纖納秒激光推進的短微腔結(jié)構(gòu)性能研究》，點名中國已經(jīng)完成了潛艇的等離子體爆轟推進技術(shù)論證，在業(yè)內(nèi)引發(fā)轟動。

這種技術(shù)的全稱是“水下光纖激光誘導(dǎo)等離子體爆轟波推進”，原理是利用光纖將一定波長的超高功率激光傳導(dǎo)到推進位置，這種波長的激光不會反射出水面，光線只會在水中不斷折射，確保激光能量不會丟失。高能激光束能在極短的時間內(nèi)將水氣化并等離子化，水從液態(tài)到氣態(tài)再到等離子態(tài)的過程中體積會急劇膨脹，從而在瞬間產(chǎn)生巨大的推力！

科學(xué)家經(jīng)過測試，僅需2兆瓦的激光功率下，就能產(chǎn)生高達70000牛頓的推力，足夠推動潛艇高速前進。

《光學(xué)學(xué)報》以光學(xué)科研為主，能在上面發(fā)表的論述，有是具有可靠數(shù)據(jù)的實驗報道，有科學(xué)依據(jù)的技術(shù)應(yīng)用和階段性科研成果的實驗報告。幾乎可以肯定，這一切是真的，有科學(xué)依據(jù)的。

香港的《南華早報》也稱，中國科學(xué)家已經(jīng)實現(xiàn)了一種利用“等離子體爆轟推進”的潛艇推進技術(shù)，能讓潛艇在超高速航行的同時實現(xiàn)超靜音狀態(tài)。

要知道，噪聲是一艘潛艇上的最高機密，幾十年來我們沒有任何可借鑒的消音技術(shù)，研發(fā)只能是自己摸索，受限于我國低下的制造水平，導(dǎo)致我國潛艇發(fā)展在很長一段時間內(nèi)極其緩慢，極易被其他國家的聲吶系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)。

以至于上世紀(jì)90年代曾被美國媒體嘲諷：“中國潛艇從西太平洋下海，一出港口便可以聽到聲響”。

潛艇的噪音主要來自于潛艇內(nèi)部的機械運轉(zhuǎn)和螺旋槳，我國“等離子體爆轟推進”技術(shù)的突破，將螺旋槳這塊最大噪音產(chǎn)生體的噪音直接歸零。這不僅宣告美國人的夸張形容一去不復(fù)返，并且還實現(xiàn)了彎道超車，做到遙遙領(lǐng)先！

什么是等離子體爆轟推進，我國怎么就成了第一個用到潛艇上的呢？

科學(xué)家很早就發(fā)現(xiàn)利用激光能夠讓氣體產(chǎn)生等離子體，于是提出了“等離子體爆轟推進”這種技術(shù)，瞄準(zhǔn)航空航天器上的動力裝置進行開發(fā)。

2000年代初，一名日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)通過控制激光波長，也能讓激光在水中產(chǎn)生等離子體，于是提出了艦船利用等離子體膨脹形成的爆轟波進行推進的理念。

然而日本科學(xué)家在實驗的過程中發(fā)現(xiàn)，雖然利用這種技術(shù)產(chǎn)生的推力效率不錯，但有一個非常嚴(yán)重的問題，當(dāng)?shù)入x子體破裂形成爆轟波時，產(chǎn)生的推力向各個方向的傳導(dǎo)是相等的，也就是說不會產(chǎn)生任何推力。

為什么說這樣不會產(chǎn)生任何推力，我舉個例子大家就明白了。這就好比四個人站在四個方向以相同的力推你，你會發(fā)生位移嗎？不會的，這只會形成一種動態(tài)的平衡，所以這種劃時代的推進系統(tǒng)被認(rèn)為沒有可行性，棄之一邊。

后來有科學(xué)家尋求通過結(jié)構(gòu)改進，讓“爆破”的力量只往一個方向傳遞。他們在半封閉空間中加入小球，將力量往一個方向傳遞，原理猶如汽車發(fā)動機的曲柄連桿機構(gòu)將上下運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)一般。

然而這種結(jié)構(gòu)盡管解決了推力反向的問題，但在密閉空間內(nèi)損耗極大，產(chǎn)生的推力極低，一瓦激光功率只產(chǎn)生百萬分之一牛頓的推力，這個推力甚至比空間推進器的離子推進引擎都要低。

空間站或衛(wèi)星使用的離子推進引擎頂多只能推動一張A4的紙，在真空中還行，但在水中，這種推力完全沒有任何實際應(yīng)用的價值。如此炸裂的推進器，居然無法使用。

在其他國家科學(xué)家放棄之際，我國科學(xué)家卻沒有放棄，因為差距太大，只要哪怕有那么一點機會，我們都不會放棄。

1954年我國第一次從蘇聯(lián)那里獲得兩艘中型舊式潛艇，同一時刻美國第一代鸚鵡螺號核潛艇下水。我國連常規(guī)潛艇都未搞明白的情況下，別人已經(jīng)在玩全球巡航了。這種情況如同后來的汽車產(chǎn)業(yè)，我們在追對方也在跑，在燃油機上我們沒有追上對方的可能，必須依靠彎道超車。

中國科學(xué)家通過不斷努力和嘗試，創(chuàng)造性的在光纖尾部設(shè)計了一個U型結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以對等離子體爆開的時間與產(chǎn)生推力的方向進行精確控制，利用諸如“爆沖”和“沖擊波能夠疊加”的原理，將激光產(chǎn)生等離子爆破的推力效率提高了4個數(shù)量級，也就是此前推力的10000倍，完美解決了這個一直困擾業(yè)界的難題，從而讓這種劃時代的推進器進入實用階段。

這種U型高精度結(jié)構(gòu)的原理簡單，但設(shè)計非常復(fù)雜，實施起來非常難，牽一發(fā)而動全身，目前只有中國掌握，自然是處于保密狀態(tài)，不便多言。

我國科學(xué)家之所以“死磕”這一領(lǐng)域，除了靜音的原因，還有一點是功率。們先來看一組論文中給出的數(shù)據(jù)：2兆瓦的激光功率下能產(chǎn)生70000牛頓的推力，用推力除以功率，我們可以得出“等離子體爆轟推進”技術(shù)的每千瓦功率推力比是0.035，而常規(guī)潛艇的功率推力比大約為0.0125。

非常直觀的數(shù)據(jù)，可以簡單理解為用激光推進比用同樣功率下的螺旋槳推進效率要高2.8倍！

但這只是一個理論數(shù)據(jù)，實際過程中激光做功到轉(zhuǎn)換為推力，這中間還有一個轉(zhuǎn)換系數(shù)，最開始這個轉(zhuǎn)換系數(shù)我國只能做到30%，這一來一回的折扣，差不多剛好折回了船用螺旋槳的比例！

乍一看30%這個系數(shù)不高，但它的這個起點已經(jīng)是螺旋槳的終點，而且系數(shù)低說明提升空間大，大有可為，經(jīng)過科學(xué)家的改良，我國的光纖激光器的效率已經(jīng)能達到60%左右。

也就是在相同船用功率的條件下，使用光纖激光推進的推力是螺旋槳的2倍左右，速度能增加大約26%左右。

為什么推力增加兩倍，速度的提升不是兩倍呢？這里要給大家說明一點，水作為載體和在陸地上行駛是完全的兩回事。在水里，推力成倍增加并不表示速度會成倍增加，，一般經(jīng)驗計算是速度增加一倍，功率需要需要增加到8倍，也就是說從15千米/小時到30千米/小時，需要的功率將是原來的8倍。

這樣的速度提升太不劃算了，這就好比你花了做五星級酒店的錢，入住的卻是青年旅館一樣，這可不是我們想得到的。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)使用等離子體爆轟推進的過程中，會出現(xiàn)一種意想不到的效果——氣泡。水在激光的加持下，發(fā)生氣化和等離子化時會產(chǎn)生大量的空泡，這個時候你會想到什么？

沒錯，就是俄羅斯首創(chuàng)的“暴風(fēng)”超空泡魚雷，最高速度可達200節(jié)（370千米/小時），常規(guī)的魚雷的3~4倍。

超空泡魚雷的關(guān)鍵是魚雷頭部設(shè)置了一個空泡發(fā)射結(jié)構(gòu)，源源不斷的產(chǎn)生一種氣體外衣包裹魚雷彈體，讓魚雷彈體與水的接觸完全隔離，從而阻力大幅下降。在同樣的推力下，有“氣體外衣”的魚雷速度要比“裸奔”的魚雷快上好3~4倍。

同時因為這層外衣的阻隔或叫潤滑作用，魚雷快速運行過程中的噪音也大幅下降了，做到了出其不意，攻其不備。

因此各國一直都想把這種空泡技術(shù)應(yīng)用到潛艇上個，提速降噪。然而潛艇不像魚雷，體積小，形狀規(guī)則，只需要一組空泡發(fā)生器結(jié)構(gòu)。潛艇的超大體積需要很多組空泡發(fā)生器，每增加一組，都會產(chǎn)生牽一發(fā)動全身的問題，最終驗證的結(jié)果是必須大幅改變潛艇的外形結(jié)構(gòu)才能實現(xiàn)潛艇的全身空泡。

而且傳統(tǒng)的空泡發(fā)生裝置是靠氣管輸送氣體或者通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體，這兩種方式都無法做到多組裝置的快速統(tǒng)一調(diào)節(jié)。如果不能做到氣泡統(tǒng)一調(diào)節(jié)，潛艇運行過程中就會向有氣泡的一側(cè)偏移，因為那個方向阻力小，導(dǎo)致的結(jié)果就是操控失靈。

但光纖激光技術(shù)只需要布置幾根線過來，再加一個末端發(fā)射器，體積小布置方便，想在潛艇哪個位置安裝就在哪個位置安裝，操控上更是有無與倫比的優(yōu)勢，可以做到毫秒級反應(yīng)，完美實現(xiàn)潛艇的超空泡技術(shù)。

試想一下，以后我國的潛艇跑得比他國潛艇的魚雷都快，這是什么概念，這種降維打擊會讓對方有多絕望？

潛艇推進技術(shù)，等離子體爆轟推進是未來賽道

目前已經(jīng)投入實用的潛艇推進技術(shù)是大側(cè)斜螺旋槳和無軸泵推，正在大力研發(fā)的是等離子體爆轟推進和磁流體推進。它們各有千秋：

目前全球最先進的潛艇都采用的是七葉大側(cè)斜螺旋槳。之所以是7個，這是科學(xué)測量的結(jié)果，科學(xué)家測試過3葉到9葉螺旋槳，結(jié)果發(fā)現(xiàn)七葉螺旋槳是噪音最低，可靠性最高的。

螺旋槳推進又分為柴油、核能的長軸結(jié)構(gòu)和電推動的短軸結(jié)構(gòu)兩大類。電推動的短軸消除了長軸的機械運動，減少了大量噪聲，但無論多少葉的螺旋槳中間都有聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)——槳轂。螺旋槳運轉(zhuǎn)時，槳葉上產(chǎn)生的紊流會順著槳轂被水流推向尾流，產(chǎn)生渦流，從而產(chǎn)生噪音和增加額外的阻力，所以只要是螺旋槳，哪一種都不夠完美。

既然是因為槳轂存在而產(chǎn)生的弊端，那就取消它，于是無軸泵推技術(shù)出現(xiàn)。

無軸泵推技術(shù)是將葉片固定在另外一端上面，周圍是一套電機驅(qū)動系統(tǒng)，讓其旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)減少了高速流體經(jīng)過時產(chǎn)生的氣泡與噪音，降噪的同時增推，難度在密封技術(shù)與效率轉(zhuǎn)化上。效率轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵是電機功率，得益于我國是稀土大國，目前在無軸泵推技術(shù)上我國處在全球先進的行列。

無軸泵推技術(shù)還有一個好處是防止螺旋槳打到淺海泥沙或者纏繞水草，因為它的外圍一圈自帶保護套，說不明白直接上圖比較好理解。

目前盛行的另外一種前沿的驅(qū)動方式是磁流體推進。利用通電導(dǎo)體在磁場中的運動原理，將導(dǎo)體換成了海水，從上下兩端磁場中間通過。當(dāng)海水導(dǎo)電時就因電磁反應(yīng)產(chǎn)生流動，從而推動艦船或潛艇運動。。

磁流體推進的結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢相當(dāng)簡潔，沒有任何活動部件，噪音是所有技術(shù)方案中最低的，可維護性也是絕佳，但缺點是效率比較低，因為海水不像導(dǎo)線一樣“聽話”，難以掌控。

為了改變這一點，中國科學(xué)家把超導(dǎo)體搬到了磁流體推進上，性能有一定的提升了，但可維護性變得不好了！因為超導(dǎo)磁體需要在液氦的溫度下才能運行，這相當(dāng)于需要在潛艇上增加一個存儲液氦的大容器，體積大了，運行成本自然高了，所以它是的實用化完全取決于超導(dǎo)材料技術(shù)的進步。

到目前為止，我國潛艇絕大多數(shù)使用的推進方式是大側(cè)斜螺旋槳，也有部分無軸泵推。“等離子體爆轟推進”以及“磁流體推進”尚處在研究中。我國目前在這兩項技術(shù)上均有突破，在全球處于第一梯隊，但距離實用還有一段時間和距離。