杜 度，杨 坤

(中国人民解放军92857部队，北京 100161)

苏/俄核潜艇螺旋桨技术发展研究

杜 度，杨 坤

(中国人民解放军92857部队，北京 100161)

螺旋桨作为潜艇主要推进装置，直接影响潜艇快速性、声隐身性等战技性能。本文以苏/俄核潜艇发展历程为主线，梳理不同核潜艇型号发展阶段，螺旋桨布局设计、装备研制和技术发展研究过程。分析关键技术突破、重难问题解决过程运用的方法手段，总结各阶段核潜艇螺旋桨研制研究取得的主要研究成果，对我国潜艇螺旋桨领域研究具有重要的借鉴意义。

苏/俄；潜艇；螺旋桨；技术发展

0 引 言

二战结束后，为形成对苏联水下作战优势，美国不断发展探测距离远、精度高的声呐系统，苏联核潜艇隐蔽性面临极大威胁。为有效对抗美国先进声呐探测，苏联海军不断提高其核潜艇声隐身性能，特别是在推进器噪声控制方面，推动苏联推进装置设计思想的根本改变，螺旋桨性能由追求“动力装置全功率推进下的高速航行能力”转变为“最小噪声级下的高速航行能力”[1]，研制隐身性、快速性均优的螺旋桨成为此后苏联/俄罗斯发展各型核潜艇的重大课题之一。

1 第 1 代核潜艇螺旋桨研制

第1代核潜艇采用双轴双桨布局，螺旋桨研制首次将声隐身性能提升到重要位置，研究工作集中在降低空化噪声、提高临界航速、加强基础条件建设等方面[2]，建立了可靠的螺旋桨科研模式和研究条件。1947年，为第1代核潜艇627型（N级）研制螺旋桨，通过减小叶梢剖面梯度、改变负荷沿桨叶分布规律，显著降低了空化噪声，并提高快速性。1953年，在613型常规潜艇（W级）开展实艇试验，最高航速提高30%～50%，且未出现显著空化现象。627型实艇应用结果显示潜艇水下航速较预报值高出10%～12%，临界航速则低于计算值。针对该型螺旋桨实艇测试暴露问题进行了大量研究，得到一些教训经验，为后续研究工作打下很好基础。

1.1 “粗糙度”修正系数应用不准确

627型核潜艇快速性预报计算采用的“粗糙度”修正系数，其影响因素包括艇体粗糙度、孔穴阻力、突出体阻力，以及由潜艇直航非定常性引起的阻力等。与之前潜艇型号相比，627核潜艇开孔和突出部件数量显著减少，艇体粗糙度有所改善，采用传统“粗糙度”修正系数使得快速性计算结果误差较大。这一教训使得苏联科研人员认识到新潜艇设计应采用模型试验方法确定“粗糙度”系数，而非直接沿用传统系数，该方法至今仍在应用。

1.2 自由液面对螺旋桨与艇体之间相互作用影响估计不足

实艇水下航行性能可根据几何相似、运动相似船模试验结果，通过摩擦阻力系数计算、剩余阻力系数换算等得到。限于当时试验水池深度，无法消除自由液面对潜艇模型拖曳或自航试验产生阻力的影响，对剩余阻力系数测试产生误差，导致627型核潜艇航速性能预报偏低。要获取较为准确的船模航行性能数据，必须使得潜艇模型潜深与实艇设计深度几何相似对应，该问题直到1960年建成全新深水试验水池才得以较好地解决[3]。

1.3 临界航速计算方式不合理

通过空泡水洞螺旋桨模型试验获取空化特性曲线，即空化数（桨叶初生空化时的空化数）与进速比的函数，并引入修正系数换算到实艇，得到627型核潜艇临界航速。该修正系数与“粗糙度”修正系数相似，也由613常规潜艇实测结果确定，主要考虑初始空化形状的尺度效应和水流周向不均匀性。627潜艇和613潜艇螺旋桨尺寸不同，尺度效应存在差异，初始空化形状也不相同。另外，各型潜艇桨盘面特有的水流周向不均匀性，决定桨叶不同的初生空化参数，不能采用固定的量来估算。综合作用下导致临界航速预报偏高。

2 第 2 代核潜艇螺旋桨研制

第2代核潜艇包括弹道导弹核潜艇、巡航导弹核潜艇和攻击型核潜艇等，螺旋桨科研工作面临任务新、任务重的特点，研究涵盖高速单轴螺旋桨、轴对称流线体双轴螺旋桨、导管螺旋桨以及其他新型螺旋桨等，研制高性能螺旋桨有效提高第2代核潜艇的战技性能，使苏联核潜艇航速、声隐身性能有了更大提高。

2.1 高速单轴螺旋桨

第1代核潜艇使得水下航行成为主要航行方式，自20世纪60年代始，苏联科学家对潜艇水下航行高性能螺旋桨展开广泛的理论和试验研究，以追求在尽可能小拖曳阻力下，获得更高水下航速和推进系数，同时保持较好声隐身性能。大量模型试验表明单轴螺旋桨布局潜艇快速性明显优于双轴螺旋桨布局潜艇，在理想情况下，单桨潜艇型线应满足以下要求[4]：具有长径比7～8的回转体外形，中横剖面位距首柱约艇长0.3～0.4；艇体首端成半椭球形，其长度不小于2倍型宽；艇体去流角不超过20°，水线位置主艇体到尾部保证光顺过渡；指挥室围壳尽可能小；尾部“十字”操纵面，在保证操纵性条件下，面积尽可能小，布置在螺旋桨前方，尾操纵面后缘至螺旋桨距离不小于1倍桨直径。这些对于后续潜艇型号螺旋桨研制和布局设计起到很好的指导作用。

1970年，按照上述单桨潜艇型线和桨叶布局设计要求，并控制艇体外板状态、艇体孔穴以及突出体数量，705型核潜艇（A级）实艇试验获得很高的推进系数值（约80%），达到临界航速设计值，水下状态总阻力系数减小1.4～1.5倍，最大航速达到40 kn，螺旋桨相关指标基本符合预报值。

2.2 轴对称流线体双轴螺旋桨

第2代核潜艇部分应用新研单轴高速螺旋桨，为可靠性考虑，弹道导弹核潜艇仍采用双轴双螺旋桨。为提高双轴螺旋桨快速性和声隐身性不足，将传统尾端一分为二，拉长为轴对称流线体尾端（称为“燕形尾”），显著减小桨盘面水流周向不均匀性，使双轴螺旋桨工作环境接近单轴布局艇尾，缩减单、双轴潜艇推进和声学性能差距。最早在661型（P级）巡航导弹核潜艇应用，轴对称流线体双轴螺旋桨设计被广泛应用于20世纪70年代末、80年代初苏联核潜艇。

2.3 导管螺旋桨

采用导管能够有效提高重负荷螺旋桨的推进性能，为研究导管对螺旋桨声学性能的影响，1960年，苏联科学家在633型常规潜艇（R级）研究装备导流管的螺旋桨推进系统，使得潜艇推进性能提高12%～15%，临界航速提高约1.3倍。当前，美、英等国新一代核潜艇均采用的泵喷推进器实质是一种改进型导管螺旋桨，苏联在双轴核潜艇上超前采用低噪声导管螺旋桨，体现其在潜艇螺旋桨研制方面的技术前瞻性。

2.4 低噪声串列螺旋桨

苏联科学家通过大量试验研究，发现单轴潜艇装备低噪声串列螺旋桨，能显著提高潜艇临界航速。低噪声串列螺旋桨作为一种特殊推进装置，由前后排列2个同轴螺旋桨组成，两桨转速、旋转方向一致[5]，可有效降低桨叶单位负荷，推力主要由后桨提供，在前桨诱导速度局部整流作用下，后桨来流品质得以改善。串列螺旋桨技术实现难度在于确定前后桨最佳推力比，以达到两桨同时产生初生空化，降低空化噪声。低噪声串列螺旋桨空泡水洞实验表明，相比第一代低噪声桨，潜艇临界航速可提高约1.3倍，但由于粘性损耗增加，推进效率损失约4%～5%。综合权衡各因素，苏联海军仍然将低噪声串列螺旋桨列入核潜艇制式推进器名单，直到20世纪70年代末。

3 第 3 代核潜艇螺旋桨研制

随着水声技术发展、探潜声呐基阵尺寸增大（水下固定基阵达数千米，舰用声呐基阵达几十米），探潜频率不断降低，而机械设备噪声水平不断提高，使得螺旋桨噪声问题凸显，螺旋桨非空化水动力噪声成为潜艇主要噪声源之一，研制亚临界航速低辐射噪声螺旋桨成为第3代核潜艇减振降噪研究工作的主要任务。螺旋桨非空化水动力噪声由艇尾尾迹水流周向不均匀性，以及由湍流脉动力引起的螺旋桨叶频次声辐射。为有效降低螺旋桨非空化噪声，苏联科学家采用专门理论和试验方法，研究确定桨叶数，优选桨叶形状，以减小桨叶上水流不均匀性和非定常性，降低螺旋桨次声频段辐射噪声，同时可有效降低潜艇在隐蔽航速的螺旋桨转速[6]。1979年，基于理论研究、模型试验和效能评估基础上，第3代核潜艇首次研发装备7叶大侧斜螺旋桨，80年代中期实艇试验表明7叶大侧斜螺旋桨控制潜艇次声频段辐射噪声级较第2代单轴螺旋桨降低2～3倍。

特定航速下桨叶梢部噪声在特征频带范围内声压强度较高，是螺旋桨主要噪声源之一，具有连续谱的特征。通过苏联科学家的研究，解决该问题的有效途径包括增加桨叶结构刚度、提高材料阻尼损耗，或降低转速。另外，由于螺旋桨次声辐射与艇体周围水动力特性直接相关，自20世纪80年代初开始，苏联就开展了艇体线型优化研究课题，以改善螺旋桨水动力特性，研究提出了尾操纵面形状、附体与艇体布局，以及附体结构形式等[7]，水池和风洞试验表明，艇体线型优化可有效降低螺旋桨低频辐射噪声，据计算预报，如果全部应用课题研究成果，螺旋桨叶频辐射噪声强度将降低约2倍，低频连续谱噪声强度可降低1.5～1.6倍。艇体线型优化课题部分研究成果成功应用于俄罗斯第4代核潜艇。

4 第 4 代核潜艇螺旋桨研制

苏联解体对其后续核潜艇螺旋桨研制工作产生极其不利的影响，加之投入资金和试验物资匮乏，研究任务大幅减少。科学家在重点研制第4代核潜艇泵喷推进装置外，主要解决之前型号存在问题，在螺旋桨科研运用智能化、数字化设计做过一定尝试。

4.1 泵喷推进器

鉴于西方国家泵喷推进器研制取得突破，80年代末，苏联科学家成功研制一型泵喷推进器样机，并在877型常规潜艇（“基洛”级）上进行实船试验[8]。后因苏联解体，泵喷推进器研制陷入停滞，随着俄罗斯经济复苏以及俄高层对核潜艇装备的重新重视，泵喷推进器研制工作转入正轨。当前，俄罗斯新一代955型战略核潜艇（“北风之神”级）装备泵喷推进器，新一代885型攻击型核潜艇（“亚森”级）首艇采用7叶大倾斜螺旋桨，但已明确后续艇将采用泵喷推进器。

4.2 螺旋桨科研数据库建设

为更好总结、吸取近半个世纪潜艇螺旋桨研究成果和研制经验，苏/俄科学家采用计算机辅助手段构建了螺旋桨噪声特性数据库，以提升螺旋桨科研软件实力。噪声数据库为螺旋桨研制各阶段水池模型试验提供数据参考、指导关键技术攻关和重难点问题解决，以及比对不同螺旋桨方案潜艇推进性能和声学性能，有力、高效地支撑苏联/俄罗斯核潜艇各型螺旋桨的研制工作。

5 结 语

历经半个世纪研究发展，苏/俄科学家在核潜艇螺旋桨研制领域取得的丰硕成果，主要如下：

1）潜艇水下推进系数提高1.6～1.8倍（从0.45～0.50提高到了0.75～0.80）；

2）潜艇水下阻力系数减小1.4～1.5倍（从4.0×10–3～4.2×10–3降低到了 2.8×10–3～3.0×10–3）；

3）潜艇临界航速提高3～3.5倍，螺旋桨空化本底噪声级显著降低；

4）在整个声谱范围内，螺旋桨非空化噪声辐射强度降低10余倍。

苏/俄科学家在高性能螺旋桨领域持续不断攻关，对提高核潜艇快速性、隐身性，改善水动力特性等做出了突出贡献。如今，随着俄罗斯经济、军事实力复苏，国防机构和俄海军对相关研究单位面临的困境逐步重视，政府逐步加大对螺旋桨科研事业的投入，以确保俄罗斯核潜艇螺旋桨技术处于世界先进水平。

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

[2]徐亦凡,何成.潜艇螺旋桨空化临界特性仿真[J].系统仿真学报,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,帅长庚,等.潜艇螺旋桨轴承降噪技术研究进展[J].舰船科学技术,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，高级工程师，从事舰船总体技术研究。