短篇 什么是无轴泵喷推进技术
2017年，随着马伟明院士一篇采访，谈到了我国正在研究“无轴泵喷”的先进技术，并且该技术“中国已经领先美国”。一时间，有关“无轴泵喷”一词成为网络热词，但是什么才是真正的无轴泵喷呢？它的技术源头是哪里？又有什么优缺点呢？今天，我们就来给大家梳理一下无轴泵喷的来龙去脉。
无轴泵喷样机
无轴泵喷的缘起——费迪南·保时捷的汽车发明
众所周知，世界车辆设计大师斐迪南·保时捷先生不但创办了保时捷、大众这几个如雷贯耳的大品牌，而且在二战中设计出了“象”式坦克歼击车（使用虎P底盘改造），战后还把战前就已经设计出的甲壳虫汽车（二战该车被稍微修改为“桶车”作为一般的德军公务车）卖到了全世界。但是，当军迷朋友谈论著名的“象”式歼击车的电传动推进系统的时候，大部分人并不会把它和如今的混合动力车，和今天谈论的“无轴泵喷”联系在一起。
年轻时的斐迪南·保时捷
其实，早在1900年，25岁的斐迪南·保时捷就将自己一生最为得意的发明——电传动轿车搬上了巴黎汽车博览会。在那个福特汽车还未诞生的年代，汽车就如同现代的助力三轮车一样简陋，只是一个带了个发动机的马车车厢，发动机通过类似自行车的链条传动，带动一个车轮，这就是所谓的“一轮传动”。但是一轮传动不但效率低下，而且导致传动的一侧轮胎磨损严重，所以很快就过时了。
保时捷认识到了这个问题，在那个车轴传动和差速器都没有使用的时代，他便认为解决汽车平稳运行最好的传动手段，就应该采用当时刚刚兴起的电动机（同一时代美国的特斯拉发明了电动遥控船）。但是，如何把电动机的推力传输到轮子上呢？保时捷萌生了一个天才的想法——那就把电动机搬到轮毂上面！于是，具有革命性的发明——轮毂电动机发明了。
轮毂电动机的原理
鼠笼式电动机模型
我们知道，传统的电动机是导体制造的旋转线圈在内，外部放置电磁体的设计。如果是直流电动机，则磁场保持不变，旋转线圈安装换向电枢旋转；如果是三相交流电电动机，则内部线圈制造成鼠笼型，三相交流电缠绕成星型绕组，通过三相交流电后外部就会产生旋转磁场，根据电磁效应在鼠笼型线圈产生变化的电流和磁场，从而拉动内部转子旋转，带动输出轴。而斐迪南则别出心裁，将传统电机的定子和转子反了过来，轴成了定子，而电磁铁成了转子，这样就不再是“电机旋转主轴”，而是“电机外壳围着主轴旋转”，而轮毂电动机的外壳就固定在轮毂内部，这样自然就拉着车轮一起围绕轮轴运转了。
斐迪南保时捷的配备轮毂电动机的混合动力车，1900
如今，轮毂电动机已经在日常越来越多使用，只不过目前大部分日常应用环境并不是新能源车，而是我们的无链条电动自行车。
这种电动自行车的后轮就采用了轮毂电动机。节约了传统的链条
而所谓的“无轴泵喷”推进技术，则是它在舰船——尤其是潜艇上的一种应用。它取消了主轴，并反转桨叶，尖端朝向轴心，让螺旋桨围绕着外壳的圆环旋转。从本质上它是轮毂电动机的一个变形，从“轮毂绕轮轴转”变成了“内圈圆环在外圈圆环内部旋转”。
看看这个无轴泵喷，像不像一个轮毂电动机驱动的车轮？
无轴泵喷VS传统泵喷
海狼级的传统泵喷
如果把军舰的螺旋桨比喻成飞机的螺旋桨，那么泵喷推进器就可以看做“水下的涡轮风扇发动机”。由于螺旋桨被包裹在泵壳内旋转，同时带有整流板构成的定子叶片，泵喷推进器喷出的水流比起传统螺旋桨更加集中，机械效率更高，噪音更低，同时空泡率也较低，是理想中的先进水下动力系统。
泵喷推进器是在1970年代逐渐兴起的，最早在英国“丘吉尔级”潜艇运用。几乎在与此同时，美国先进的MK48鱼雷也运用了泵喷推进器。不过，用于潜艇的泵喷推进器通常定子叶片在前，而鱼雷的通常在后，这是因为经过科学家的研究，认为前置定子降噪更好，而后置定子有利于增强动力效率，所以要求安静的潜艇用前置定子，而要求速度的鱼雷用后置定子。在那之后，美国的海狼级潜艇、弗吉尼亚级潜艇、英国前卫级潜艇、法国凯旋级潜艇等欧美潜艇全部改用了泵喷推进器，苏联也在877V上试验了泵喷，但很快苏联解体。一直到苏联解体后20年，俄罗斯最先进的885“亚森”和955“北风之神”才有传言使用了泵喷推进器。
不过，泵喷推进器仍然有一些问题存在。除了加工较为复杂外，其封闭的壳体也容易导致在近海航行时，吸入海带等杂物。虽然开放式的螺旋桨更容易绞上杂物，但是停止工作后还是较为容易清理的；而泵喷一旦吸入杂物，就有可能彻底卡死，无法在海上维修。所以，泵喷推进器较不适合在近海活动。
河流和近海发生水生植物缠绕螺旋桨是很常见的，而泵喷强大的吸力也会吸入水生植物而卡住
因此，考虑到在港口和近海活动，大型船舶和重型核潜艇通常都会配备如同快艇发动机一样可以旋转的小型辅助发动机。
从长尾鲨级核潜艇开始，潜艇都配备了可伸缩的辅助发动机
小型伸缩式辅助发动机为大型潜艇进出港和在低速下保持操纵性提供了很多有益的手段，甚至前苏联还将其发展成一种有效的低速无声推进装置，巨大的971型“阿库拉”级（阿库拉为北约代号，苏联的阿库拉级指的是北约称之为台风级的941型，971的苏联代号为“白斑狗鱼”）潜艇在5节速度低速待机时，可以选择关掉主汽轮机带动的主轴，伸出2个辅助500千瓦螺旋桨保持自身运动和转弯，此时它的噪音系数可以控制在120分贝以内，完全可以和美军静音更胜一筹的洛杉矶级潜艇相抗衡。同时，伸缩式辅助发动机也是在潜艇主机故障或者被不明物体缠绕螺旋桨后，唯一还能驱动潜艇返回港口的动力，所以让辅助发动机更加安全可靠一直是各个国家追求的目标。因此，在2003年，美国人率先将无轴泵喷搬上了潜艇，用作弗吉尼亚级的辅助螺旋桨。
无轴泵喷的螺旋桨叶片是反向的
无轴泵喷在某些情况下比起传统推进器有不少好处。首先，由于无轴泵喷的螺旋桨是尖端朝内，外圈旋转线速度大，内圈线速度低，根据伯努利定律，外圈压强弱于内圈，因此气泡通常在水压较低的外圈产生，偏偏外圈又是固定的旋转环，因此被阻挡为不易产生，降低了空泡噪音和气蚀影响。
退役军舰螺旋桨通常表面都有空泡效应的气蚀痕迹
第二，无轴泵喷在复杂水域可以有效抵御杂物缠绕。其实这个道理和我们家用波轮式洗衣机、搅拌式洗衣机因桨叶旋转而导致衣服缠绕在桨叶和水流较多，而滚筒洗衣机缠绕较少的原理是差不多的，因为具有柔韧性的长条形杂物会顺着旋转的水流旋转，进而因水流的相互缠绕而发生缠绕，而中轴线又是水流最强的位置，自然会导致杂物向中心靠拢，最终缠绕在螺旋桨上。但是无轴推进器没有转轴，因此杂物向中心靠拢反而“无从下手”，就算被缠绕，也很容易通过反转螺旋桨将其甩出。所以无轴推进技术适合于复杂的近海环境使用，也不怪为何强调近海作战的弗吉尼亚级潜艇要采用无轴推进技术技术作为辅助动力了。
螺旋桨引起水流旋转
当然事物必然有其二重性，无轴推进技术既有它的优点，也有很多的难点和缺点。
第一，目前技术下无轴推进技术动力不够强大。我们知道，船用主轴通常用高级合金钢在水压机下锻压制成，能够忍受巨大的旋转力矩，将发动机的力量源源不断输送到螺旋桨推动大船前进。但是无轴推进技术缺了这个“中流砥柱”，只能靠着外壳向着船体输送推进器推动海水产生的反作用力，因此导致它的外壳比较笨重，而且进水效率受到影响，推力上限也比较低。根据测算，如果想要完全推动一艘大型核潜艇前进，需要3-4个大型无轴泵喷捆绑在尾部一起推进，但在布置间隙过于接近时，会导致互相“争抢”水流，导致效率更一步地低下。
船用主轴必须承受军舰前进的数万马力推力
第二，电传动的能量消耗。虽然当代综合电推的效率比起1910年代的列克星敦号已经好了很多，但是不可否认，从汽轮机到电动机中因为发动机的磁阻，电阻，电感仍然会损失不少效率，因此目前核潜艇的推进仍然是以汽轮机带动螺旋桨直接前进为主。
第三，也是日常中很容易遇上的问题：无轴推进的轮缘式电机的防水、防漏电和维修。传统船舶的动力系统都在人可以触及的动力舱中，只留有一根螺旋桨的主轴深入海水，这样只要不是主轴和螺旋桨被炸坏，其他的动力系统问题都可以在内部维修，便于日常和战时维护，一般小问题无需拉入干船坞修理；但对于无轴泵喷潜艇来说，由于电动机布置在泵喷系统外壳之上，平时就在海水之中，人不可直接触摸到里面的设备，因此对其密封要求更加严格——尤其是轮圈高速在水下旋转的密封。一旦发生故障，由于电动机位于舰体之外，那么船必须返回陆地的干船坞，抽干海水，拆掉整个推进器才可以维护，这对于民用工程船舶尚可，对于时刻都会损伤的军舰和潜艇显然并不怎么适合。
因此，目前各国对于无轴泵喷的研究，仍然是局限于改进潜艇的辅助发动机，而非直接用于主推进器。美国开工的“哥伦比亚”级和英国“无畏级”等先进弹道导弹潜艇，都未采用这种设计。
此处不留爷，自有爷去处——潜艇之外的无轴推进技术的使用
虽然在短时间内，无轴泵喷用于军用主力舰、核潜艇的主推进器的希望不大，但不代表它无法用于军用领域。在某些不强调最大推力，但非常强调静音和防缠绕的环境，仍然有其用武之地，其中一个领域就是我们之前提到的蛙人突击艇。
用于蛙人渗透的微型潜艇极其强调安静和复杂地形移动性
纵观历史上的蛙人奇袭，有一个很大的难点就是如何在成功后撤回英勇的蛙人。由于传统运输方式——潜艇释放蛙人或者采用人操鱼雷的运输方式——航程很短，而且速度很慢，在蛙人破坏后很难返回母船，只能光荣就义或者就地投降二选一，这种有去无回的行动往往需要蛙人绝对的奉献精神。而使用稍微大一些的微型潜艇，虽然让蛙人得以代步更远距离，但由于微型潜艇终究是体型较大，不易在水下环境复杂的近岸活动（尤其是近海养殖丰富地区），而且传统螺旋桨噪音也比人大很多，很容易导致提前触发警报。而这一来，采用无轴推进技术的小型蛙人艇就有了很大用武之地。
如前文所述，无轴推进在安静性、抗缠绕方面都胜过传统有轴推进器。因此，未来如同下图的小型无人潜航器和搭载潜水员的小型潜艇都可以采用无轴泵喷技术，从而实现更低的噪音，以及更好的在遍布杂物的近岸水底悄无声息执行渗透任务。
结语——一款革命性的技术，往往需要经过时间的积累才能够真正推广开来
从1900年保时捷的轮毂电动机混合动力车，到如今的汽油·电池混合动力车已经度过了整整一百年，而从列克星敦的电传动战舰推进技术，到如今的综合电传推进技术，也度过了接近一百年。在上个世纪，无论是保时捷自己设计的“象”式自行反坦克炮，还是同时代科京设计的IS-6电传动坦克，都是不成功的例子。这充分说明，技术的发展和社会的发展是一样的，都需要建立在稳固的“经济基础”和“技术基础”之上的，当它所需要的配套技术都已经基本成熟时，发展这种技术就是水到渠成的事情。所以，我们开发先进科技切不可操之过急，更需要耐心和积极努力的心态。
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