从095攻击核潜艇的无轴泵推全解潜艇推进器演进

我们对于保密状态下095核潜艇的了解,大概就如渤海造船厂新厂房的内景一样:空空荡荡、白纸一张。官方唯一透露的信息就是在2017年央视《深度国际》栏目爆料:中国海军已经接收了新一代095型攻击核潜艇,该型核潜艇的研制工作历时5年,采用了基于中压直流电力系统的无轴泵推技术。
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美国海军战争学院的中国海事研究所最近的第30号与第31号两期报告都聚焦于中国潜艇的技术发展,其中第30号报告说道:中国自第一艘091型攻击核潜艇服役近至今50年后,终于诞生了世界一流的核动力潜艇。另据未经证实的《简氏防务周刊》9月26日报道,当地时间9月15日,美国侦查卫星在佐治亚州大西洋附近海域发现一艘露出海面的095潜艇,该艇距离金斯湾海军基地,即美国大西洋舰队最先进的战略导弹核潜艇的母港仅300海里。中国095型核潜艇主动现身大西洋,说明美军遍布全球的水下监听系统已经无法侦测到095潜艇,美军侦听员坐在机器前嚼着口香糖就发现中国的“水下拖拉机”已经成为历史。
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潜艇的静音水平,美国是当之无愧的全球第一,美国的弗吉尼亚级攻击核潜艇和海狼级的噪声水平相当,只有95分贝左右,基本被海洋背景噪声掩盖,生存能力极强。
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英国机敏级、法国苏弗朗级,俄罗斯亚森级核潜艇都是100分贝左右。中国早期核潜艇确实堪称水下拖拉机,091型核潜艇噪声高达160分贝,093改进型核潜艇采用了类似鲨鱼皮结构的消声瓦等多重降噪技术,噪声进步到110分贝左右,093B2型终于实现了泵推技术,预计噪声水平为98分贝。现在基于中压直流电力的无轴泵喷推进的095攻击核潜艇噪声预计低于95分贝。
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我们知道,七叶大侧斜螺旋桨已经取代了传统螺旋桨,后来更加先进的泵喷推进器又进一步给潜艇降噪,无轴泵喷推进器算得上是有轴泵喷推进器的进化版。
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潜艇的噪声大小是关系到它在作战中生死存亡、作战成败的关键因素。潜艇噪声大,不仅暴露自己,破坏了隐蔽性,而且严重干扰本艇水声设备的工作,使本艇耳目失灵,完全处于被动挨打的地位。在相同条件下,如果辐射噪声下降10分贝,对方被动声呐作用距离下降为原来的30%~50%;比如2009年2月3日深夜,法国的凯旋号弹道导弹核潜艇和英国皇家海军的先锋号战略核潜艇,因为均采用极低噪声的低速巡航,且巡航路线正好交叉,被动声呐均无法发现对方而在大西洋深处相撞,凯旋号的艇艏声呐罩完全破损,先锋号则完全无法自航。降低潜艇的自噪声水平,还可以提高本艇声呐设备的作用距离,若自噪声级下降10分贝,探测距离将增加到原来的2~3倍。
航速在7节以上时,潜艇的总辐射噪声曲线和螺旋桨噪声曲线非常接近,10~30kHz的高频部分的噪声基本完全是螺旋桨噪声;7节以下低速航行时,潜艇的总辐射噪声和螺旋桨噪声有一定差异,螺旋桨噪声会显著下降,这时的总辐射噪声主要是潜艇内部的机械噪声。不过无论是中高速还是低速航行,螺旋桨噪声都是潜艇总辐射噪声的重要组成部分。
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螺旋桨噪声主要由螺旋桨叶片振动和螺旋桨空化产生的,其中螺旋桨空化噪声是影响潜艇隐蔽性的主要噪声源。当螺旋桨快速旋转起来之后,贴着它表面的那一层薄薄的水也会被它带着快速流动起来了。而根据伯努利效应,流体的速度越快压力就会越小,而压力越小其沸点也会越低,所以随着螺旋越转越快,当压力低于水的饱和蒸气压时,液体中的液态分子就转化为气态分子,最终会产生大量的气泡,被称为“空泡效应”。常规的螺旋桨最佳转速只有300-600转/分钟,大型货轮的最佳转速甚至不到100转/分钟。一旦超过这个转速,空泡就开始出现,转速越高空泡就越严重。
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高速旋转的螺旋桨在几百万分之一秒的时间里,产生的空泡呈现爆发式增长,之后由于周围水的高压,空泡又被急剧压缩,直至崩溃,而崩溃时会有爆炸性射流产生,这个射流的时速高达几千公里以上,再坚硬的螺旋桨也经不起其长年累月的冲击。空泡破灭时,还会产生爆炸性的冲击波。射流和冲击波是空泡损伤螺旋桨的根本原因。发生空泡之后,产生的大量气泡使螺旋桨的阻力加大、推力下降,从而大大降低螺旋桨的推进效率,更要命的是大量空泡破裂时产生的噪音正是潜艇最主要的噪音来源。
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除了螺旋桨的叶片附近会产生空泡,螺旋桨旋转后会产生泄出涡,由于旋转和离心力的作用,泄出涡内的压力会远远小于旋涡外的海水压力,并且压力下降与涡的强度呈现正相关性,当涡内的压力小于当前水温下的饱和蒸汽压力时,也会产生空化气泡。桨毂涡流扩散器可以破坏涡流的汇聚,在一定程度上可以抑制空泡现象的产生,比如德国212型常规潜艇就应用了这项技术。
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当然理论分析和实艇试验均表明,螺旋桨叶空化比泄出涡空化更易产生,是空化噪声的主要噪声源。可以通过理论计算出潜艇螺旋桨旋转的导致的海水压力降值,根据海水的汽化压力从而确定螺旋桨不同工况下的临界空化深度。比如某型潜艇在深度95米时,潜艇航速达到10节,螺旋桨转速为119转/分钟时,螺旋桨产生空化现象;当潜艇浮至9米时,潜艇在4节航速时就会产生空化现象。潜艇的航行深度越小,螺旋桨临界空化速度越小。可见,潜艇越接近海面,越容易产生空化现象。
螺旋桨的空化高频噪声级有一个极大值。当潜深较小时,海水压力较低,这时潜艇噪声级随海水静压力的增加而升高。但是随着潜艇速度的提高,噪声可能会随着潜深的增加而升高,而不是与预期的一样随着潜深的增加而降低,这种现象称之为异常深度效应。
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所以为了降低噪声,潜艇的战术机动必须十分小心,比如由于异常深度效应的影响,有时加大下潜深度反而会使螺旋桨噪声能级增加。为了抑制空化噪声的产生,应以不高于当前深度下的最小小噪声航速的速度进行航行机动。潜艇在加速或转向过程中,会使螺旋桨的尾部流场发生紊乱,从而使螺旋桨的环流发生变化,加速空化的产生。潜艇在跟踪解算敌方潜艇目标要素时,应尽量减少变向变速的次数,以降低加速过程中的辐射噪声。在潜望深度螺旋桨极易产生空化,潜艇对水面舰船进行鱼雷攻击或进行规避时,应尽量避免在潜望深度进行。战时,潜艇在潜望深度航行时应尽量采用经济航速电机航行,减小螺旋桨空化噪声。
潜艇想要隐身必须在螺旋桨上做文章,包括降低螺旋桨的转速、增加螺旋桨的直径、减少螺旋桨的表面积、增加桨叶的数量、扭转桨叶的形状和角度等等,其中有着太多的冲突和妥协。
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比如苏联采用双轴双螺旋桨来保证推力的情况下降低螺旋桨转速,将传统潜艇尾端一分为二,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,从而缩减单、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。
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苏联科学家通过大量试验研究还发现单轴串列螺旋桨,也能显著提高潜艇空化临界航速。串列螺旋桨由前后排列2个同轴螺旋桨组成,两桨转速、旋转方向一致,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,可有效降低桨叶单位负荷,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。
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同时期,西方得益于更加精确的机床加工工艺,可以设计更优秀的单螺旋桨。比如日本“涡潮”级潜艇,日本利用其先进的机床加工工艺,开发了5片内倾整体成型推进螺旋桨,有效降低潜艇水下噪声。
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苏联虽然在不断改进潜艇的螺旋桨,但是对于螺旋桨的空化噪声重视程度还是不够。直到上世纪70年代,美国大西洋舰队潜艇部队通讯总部主管的沃克准尉向苏联出卖了美国海军通讯密码,水下监听系统等绝密情报。沃克后来还将在尼米兹号航母上服役的儿子迈克尔·兰斯·沃克给“拉下了水”,向苏联出卖了1500份的绝密海军文件,包括航母的武器系统、核武器控制参数、指挥程序、敌我识别系统、以及隐身处理方法等等诸多情报。
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沃克的情报才让苏联海军意识到:自己潜艇螺旋桨的空化噪声被美国拿来用于定位潜艇位置。当时苏联建造的最先进“阿尔法”级攻击核潜艇,当它在挪威海域活动的时候,引起的水声振荡甚至可以被大西洋另一侧的百慕大群岛的美国海军水声监听站探测到!
这一时期,苏联9个工业部部长组成了一个“军事工业委员会”,负责领导苏联武器系统研究。“军事工业委员会”有个搜集计划,每年列出3000~5000项苏联所需的技术和设备,由克格勃负责向西方获取情报,苏联海军遂对加工7叶大侧斜螺旋桨的机床提出了需求。
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从1979年,西方第3代核潜艇开始装备7叶大侧斜螺旋桨,除了能够大幅度降低螺旋桨空化噪声,还能够以减小桨叶上水流不均匀性和非定常性,从而降低螺旋桨非空化水动力噪声。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振动的噪声。7叶大侧斜螺旋桨加工工艺复杂,极度依赖高精度机床,所以苏联长期未能解决7叶大侧斜螺旋桨加工精度问题。
1983年早春的一个深夜,在克格勃的精心策划下,由苏联海运公司的万吨货轮“老共产党员”号,从日本芝浦码头出港,运走了东芝生产的四台九轴五联动大型数控螺旋桨铣床!它可以通过一套复杂的算法和精准的控制系统完成复杂曲面的数学建模和高精度加工,非常适合加工核潜艇所需要的高性能螺旋桨。九轴联动数控机床是”巴统“最高级别的禁运名单,即便是现在,九轴五联动数控机床依然是高精尖设备,我国直到2006年才制造出第一台这样的设备。东芝把这4台机床以35亿日元的高价卖给了苏联人,是当时市场价的十倍,高额的利润让东芝铤而走险。这次事件的后果是严重的:美国海军第一次丧失对苏联海军舰艇的水声探测优势,以“阿库拉”为代表的苏联核潜艇噪音大大降低,迫近到美国东海岸附近10海里才能被发现!首次超过美国当时最先进的攻击型潜艇——改良型“洛杉矶”级核潜艇。北约在冷战中长期保持的水面下战场优势也因此被削弱。
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美国人绝不会想到,此时苏联的波罗的海造船厂正在使用日本提供的高性能数控机床,以年产量16—18个的速度生产螺旋桨,供应苏联海军最新型核潜艇。直到1986年10月12号,在直布罗陀海峡,美国核潜艇“奥古斯塔”号与苏联K-219核潜艇发生碰撞,美国才开始深入调查苏联潜艇这么安静的原因。1987年,美国查明了日本东芝违禁销售机床事件,而且在过去的几十年里,日本持续出口苏联20多套违反禁运规定的高精度数控系统,还有用于声呐制造设备的陶瓷换能器,用于间谍卫星的感光乳剂,用于制造半导体原材料的单晶熔炉,用于训练航母舰载机飞行员的离心机等等。美国国会议员在白宫门口砸烂东芝产品,以抗议该公司违反禁令向苏联出口机床,全美掀起了制裁日本的强大呼声。
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美国国防部取消所有与东芝的军事合同,包括购买导弹技术,以及原定从东芝进口的150亿日元的计算机合同,同时对东芝的所有产品实施禁止向美出口5年的惩罚。日本警视厅逮捕了两名东芝的高管。东芝董事长佐波正一和社长杉一郎宣布辞职。时任日本首相中曾根亲自赴美道歉,日本还不惜重金买下多家主流媒体头版头条,发表谢罪声明。
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在80年代末期,苏联海军的潜艇数量达到历史鼎峰,居然拥有78艘导弹核潜艇、228艘攻击型核潜艇,从广袤的太平洋到拥挤的地中海都是苏联潜艇的正常活动范围,如此庞大的核潜艇部队在今天的海军强国们看来也是无出其右的存在。这也是促成美国在美苏对峙高峰期,不惜血本建造“海狼”级攻击核潜艇,旨在深水海域猎杀最新的苏联核潜艇。苏联解体后,美国、俄罗斯的静音潜艇的水下斗法也没有停止,1993年3月20号,美国“鮰鱼”号核潜艇与俄罗斯“德尔塔”3型核潜艇在巴伦支海再次相撞。
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为了充分发挥核潜艇的作战效能,攻击型核潜艇进一步向高航速发展,新一代安静型攻击型核潜艇的水下最高航速超过30节,低噪声航速达到20节。这就给推进器的设计提出了新的课题:如果仍旧采用传统的单个七叶大侧斜螺旋桨推进,则由于螺旋桨的负荷过大,桨叶将提前出现空化,使核潜艇的低噪声航速下降:如果为了推迟空泡的产生,必须加大螺旋桨的桨叶面积,则导致螺旋桨的效率下降、噪声也一样增大。
为了替新一代核潜艇寻找合适的低噪声推进方式,美、英、法、俄等国家花费大量的人力、财力,开展了广泛、深入的研究和试验,最终形成了两种不同的解决途径:一种是以俄罗斯为代表,采用2套七叶大侧斜螺旋桨推进的方式,将总的螺旋桨负荷一分为二,如“库尔斯克”号核潜艇上就采用了这种推进方式。
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另一种就是全新的泵喷推进器方式,英国率先在“特拉法尔加”级攻击核潜艇二号舰“汹涌”号上装备了泵喷推进器,开启了高速核潜艇装备泵喷推进器的先河。随后英国的“前卫”级和“机敏”级核潜艇,法国的“凯旋”级核潜艇,美国的“海狼”级和“弗吉尼亚”级核潜艇都陆续开始装备泵喷推进器。
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其中法国最新锐的“苏弗朗”级攻击核潜艇,更采用了蒸汽-电力泵推系统,2021年首艇交付,研发和建造历时15年之久。除经费与技术原因导致工期延时外,美国从中作梗是另一原因。2013年,美国通过《反海外腐败法》,以涉嫌海外贿赂为由,将法国阿尔斯通公司高管逮捕,迫使阿尔斯通公司被美国通用电气公司收购。此事也使与阿尔斯通公司合作的其他企业受到牵连,其中包括为核动力攻击潜艇提供新型核反应堆的阿海珐集团,其核动力系统的研发工作受到严重干扰,迟迟未能交付。
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在美国的再次干涉下,2021年澳大利亚撕毁与法国造船厂海军集团签订的价值900亿澳元的潜艇合同,转而与美国和英国合作,改用美制核动力潜艇,再次狠狠的阴了法国一把。
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鉴于西方国家泵喷推进器研制取得突破,80年代末,苏联科学家也成功研制了泵喷推进器样机,并在877型常规潜艇“基洛”级上进行实船试验。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,但后续艇都采用泵喷推进器。
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潜艇泵喷推进器是由环状导管、定子和转子构成的组合式推进装置,结构紧凑, 内外流场复杂。
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环状导管的剖面为机翼型,罩住转子和定子,它是泵喷推进器内外流场的控制面,采用具有吸声和减振的材料制造,可以屏蔽转子及内流道产生的噪声,可以减少转子叶稍滑流损失,提高推进效率。为了推迟转子叶片的空化、降低转子的噪声,通常采用能降低转子入流速度的减速型导管;定子为一组与来流成一定角度的固定叶片,使转子入流产生预旋或吸收转子尾流的旋转能量,同时用于固定导管,位于转子前方的定子可以使转子进流场更均匀,从而减少转子的脉动力,降低推进器的线谱辐射噪声;转子为类似于螺旋桨的旋转叶轮,泵喷推进器的旋转噪声与转子的转速的4次方成正比,因此降低转速可以使得转子产生的涡流强度明显减弱,从而显著降低涡流噪声。
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美国采用七叶大侧斜螺旋桨推进的“洛杉矶”和“俄亥俄”级潜艇的推进器转速为150转/分,而采用泵喷推进器推进的“海狼”级潜艇的推进器转速则为130转/分左右。
泵喷推进器充分利用了大型航行体尾段线型和迟滞尾流, 削弱伴流影响, 改善转子进流, 来降低泵喷的非定常力, 改善辐射噪声。低航速下,泵喷的低频线谱噪声比七叶大侧斜桨要小15分贝以上,宽带谱总噪声级下降10分贝以上,高航速下,降噪效果更为明显,十分适合水下高速航行的核潜艇使用。泵喷推进器对于导管、定子和转子以及艇体之间的相互配合要求很高,重量是普通螺旋桨的2~3倍,对艇体的配平、艇体尾部的结构强度和推进器轴系的振动要求极高。
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比如英国海军新一代“机敏”级核潜艇上装备的泵喷装置,由于采用了精密铸造技术铸造的镍铝青铜铸件、导管采用了新型复合材料,耐腐蚀寿命从原来的2年增加到25年、重量减少了11吨。
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在泵喷推进技术成熟以后,随着航速的增加,传动轴系的不利影响逐渐突出起来了。潜艇艉部结构的非对称性会引起不均匀伴流场,螺旋桨在其中运转时,将产生非定常推力,并导致推进轴系产生周期性的纵向拉压变形,即推进轴系的纵向振动。推进轴系纵向振动经推力轴承传递到艇体,进而产生水下噪声。
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工程师们想到了取消传统泵喷推进器的传动轴,采取动力源直接驱动泵喷叶轮的模式。事实上,无轴泵喷推进器算的上是有轴泵喷推进器的进化版。早在2004年,美国海军和国防预先研究计划局DARPA联合发起了Tango Bravo项目,该项目拟取得的技术突破中,第一条即是实现无轴推进。2011年,麻省理工学院机械工程系完成了潜艇吊舱推进的概念设计,而美国海军研究署则在着手研究无轴泵喷推进器实用化技术,美国已经在“弗吉尼亚”级攻击核潜艇上应用了无轴泵喷,不过只是作为改善潜艇操纵性的辅助推进系统。美国计划在下一代战略弹道导弹核潜艇上应用无轴泵喷推进器。
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根据中国海军工程大学马伟明团队水动力仿真研究,无轴泵喷在推进效率上其实要略低于有轴泵喷。不过无轴泵喷由于省略了推进轴系这一噪声源,在低噪声方面更优秀。因此总体上无轴泵喷更占优势。
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无轴泵喷本质上是把原本通过驱动轴驱动的转子转为通过集成在泵喷导管内的电机来驱动转子旋转。虽然原理上很像无刷电机,但无论是制造工艺还是其采用的润滑方式都有相当大的不同。泵喷推进器要将螺旋桨、电力传输系统等全部整合到一起,进行小型化处理,这对材料、加工工艺、结构、电机都提出了极高的要求。其次,无轴泵推全部置于潜艇外部,工况状态下几乎无法维修,对可靠性提出了极高的要求。同时因为其电机等电磁设备都布置于潜艇外的导流罩内,其电磁信号缺乏足够的遮蔽,很容易导致潜艇的磁信号增强。所以集合了诸多功能的泵喷推进器,对电机、散热、控制等多方面都需要很高的技术成熟度。
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另外,置于潜艇外部的无轴泵喷的永磁电机转子结构不平衡导致的振动噪声,代替了传动轴成为主要噪声源。这种结构不平衡包括材料质量分布不均引起的材料不平衡、机械加工精度引起的结构不平衡以及装配环节引起的装配不平衡。由于安装在转子上的永磁体产生的强磁场会干扰动平衡测试系统中传感器的测量精度,极易造成动平衡失败,所以大尺寸、大功率的无轴泵喷的工程实用化的难度是地狱级的。
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使用无轴泵推进器好处多多,不仅消除了主轴运转造成的噪音和震动,同时由于动力发生源置于潜艇外,大大节约潜艇内空间,而电动机和电力供应源之间只存在电缆连接而不受传动主轴的制约,电动机不用限定在潜艇中轴线上,它可以是任意位置,潜艇尾部、头部、侧翼、背部和潜艇底部都可以,只要合理都可以,从而可以大幅度提高潜艇的操纵性能。
所以潜艇的螺旋桨一般都会被遮蔽起来,因为它上面基本上就写满了整艘潜艇的关键数据。它的形状,可以暴露出其为了实现水下隐身时的最佳转速是多少,而一旦我们既知道形状也知道转速后,就能计算出其输出的频率是多少,进而将发动机的类型和发动机的转速给摸清楚,并据此来调整训练声纳侦测系统。潜艇推进器作为潜艇重要的部件向来都是判断一个国家潜艇性能的重要来源之一,所以任何一个国家的潜艇推进器技术都是这个国家绝对的机密,不要说购买技术了,就是近距离的观看都很困难。
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在过去几十年中,美军很少会关注到解放军水下潜艇的威胁,解放军的潜艇技术起步晚、技术较为落后,尤其是潜艇在水下行进的过程中噪音非常大,美军可以很轻松地发现它们的踪迹。但美国在潜艇方面的绝对统治地位可能已经结束,无轴泵推技术所带来的静音效果,它会真正让解放军的水下潜艇成为“大洋黑洞”。
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