超高速静音潜艇!中国科学家突破划时代动力技术:等离子体爆轰推进

据《南华早报》报道称，中国科学家已经实现了一种利用“等离子体爆轰推进”的潜艇推进技术，能让潜艇做到超高速超静音的航行状态，那个被西方诟病的从西太平洋下海，噪音连美国都能听到的夸张形容将一去不复返，并且还将做到遥遥领先！

等离子体爆轰推进！怎么就用到了潜艇上？

笔者估计大家都是懵圈的，因为“等离子体爆轰推进”这种技术，怎么看都应该是航空航天器上用的动力装置，怎么就能应用到潜艇上？所以实在信不过《南华早报》的报道，直接去国内顶尖的学术期刊《光学学报》翻到了原版论文，结果惊掉了下巴，还真是这样，论文的截图是这样的：

看论文有点累，笔者简单的大家理一理，这原理并不复杂，这种技术的全称是“水下光纤激光诱导等离子体爆轰波推进”，主要是利用超高功率的激光，通过光纤抵达推进位置，只要波长合适，激光会在光线和水的界面上释放出巨大的能量，将这个位置的水气化并等离子化，完成从液态到气态再到等离子态的过程会急剧膨胀，同时产生巨大的推力！据论文表示，在2兆瓦的激光功率下，能产生70000牛顿的推力，推动潜艇高速前进。

然而据论文介绍称，这种技术并不是中国人第一个发明的，而是日本科学家在2000年代初提出来的，当时就有论文论证了利用激光在水中产生等离子体，然后利用等离子体膨胀形成的爆轰波进行推进。然而日本科学家在实验的过程中却发现，虽然这种技术的产生推力的效率不错，但有一个非常严重的问题，当等离子体破裂形成爆轰波时的推力是四周相等的，也就是说不会产生任何推力，所以这种划时代的推进系统想要推进就很难了！

后来有科学家将这种结构改进了，转而将“爆破”水分子改成推进金属或者其他材料制成的小球，当这些小球被激光轰击后会在特定的方向上爆开，从而对潜艇产生推进力，然而这种高技术尽管解决了推力反向的问题，但产生的推力极低，一瓦激光功率只产生百万分之一牛顿的推力，这个推力甚至比空间推进器的离子推进引擎都要低，完全没有实际应用价值。

不过中国科学家创造性在光纤尾部设计一个U型结构解决了这个无解的难题，这个结构根据等离子体爆开的时间与产生推力的过程，高精度的设计了这种结构，完美的解决了这个问题，将激光产生推力的效率提高4个数量级，也就是此前的10000倍，从而让这种划时代的推进器进入实用阶段。

如此炸裂的推进器：那么难点在哪里？

首先就是功率的问题，我们先来看下论文中给出的数据：2兆瓦的激光功率下能产生70000牛顿的推力，这个比例大概是70吨/2000千瓦=0.035，而常规潜艇的功率推力比大约为0.0125，是常规潜艇效率的2.8倍，简单的理解就是用激光推进比同样功率下的螺旋桨推进效率要高2.8倍！

但有一个问题产生了，我们所说的常规推进效率是0.0125，这个参数给出的是船用或者潜艇用的主机功率，是可以转换成螺旋桨推力的功率！但使用激光推进时换算的功率是激光功率，从船用主机到激光功率之间还有一个转换系数，以现代光纤激光转换效率来看，这个比例大概是30%左右，也就是说这一来一回差不多就是刚好折合回了船用螺旋桨的比例！

不过据现代光纤激光器的效率已经能达到60%左右，在同样船用功率的条件下，使用光纤激光推进的推力是螺旋桨的2倍左右，速度能增加大约26%左右。当然这个只是简单计算，船舶功率与速度之间的关系比较复杂，与船型关系比较大，一般经验计算是速度增加一倍，功率需要需要增加到8倍，比如从20千米/小时到40千米/小时，功率将增加到原来的8倍。

尽管等离子体爆轰推进在传统速度计算上改变不了多少，但它还有一个意想不到的效果，因为等离子体爆轰推进过程中会产生空泡，可以专门设计在潜艇的前部到中部以及尾部的关键位置埋设光纤，产生空泡降低潜艇航行的阻力，这就是传说中的超空泡技术！

想必各位都知道俄罗斯的超空泡鱼雷，其最高速度可达200节（370千米/小时），常规的鱼雷最高速度也不会超过60节，其中的关键就是超空泡鱼雷在头部设置了一个空泡发射结构，源源不断的空泡包裹鱼雷弹体，鱼雷弹体与水的浸润面积被空泡隔离，使得阻力大幅下降，在同样的推力下，鱼雷速度要要比没有空泡隔离的快好几倍。

超空泡鱼雷性能实在太优秀，各国一直都想把空泡技术应用到潜艇上个，因为空泡技术不仅可以增加速度，还能降噪，因为空泡隔离了潜艇与水体之间的声音传播，使得潜艇内部的噪音无法传出，达到静音的目的。

然而超空泡技术在潜艇上应用却遭遇了难题，因为潜艇不像鱼雷，只要一组空泡发生结构即可，潜艇外部结构相对比较复杂，需要多组空泡发生结构，甚至可能会因为姿态改变临时调整空泡发生的位置，对于传统的空泡技术，比如气管输送或者气体发生器都无法快速调节，但光纤激光技术可以毫秒级反应，这个技术绝对是前途无量。

潜艇推进技术：到底有哪几种推进技术

“等离子体爆轰推进”尽管看上去非常先进，不过到目前为止还处在研究状态，现代潜艇主要还是以常规推进为主，最典型的大概有如下几类：

• 螺旋桨推进；
• 喷水推进；
• 磁流体推进；

螺旋桨推进技术是最传统的，从动力舱输出一个大轴直通尾部推进器，有的潜艇尾部可能有两个螺旋桨，长长的轴系驱动七叶大侧斜螺旋桨，基本是现代潜艇的标配，可靠性非常高，七叶大侧斜螺旋桨噪音也很低，目前全球最先进的潜艇用这种模式比例还是很高的。

但这种方式也有一个缺点，大轴非常占用潜艇内宝贵的空间，并且一根长长的轴系穿越小半个潜艇会产生无法消除的噪音，这也是潜艇噪音很难解决的问题之一，所以后来搞除了电动推进，少了轴系噪音，电动推进效率比轴系要高，并且动力装置不再受到轴系限制可以个根据潜艇的配置自由布局，实在是非常方便！

但改成电动后仍然有一个问题，因为电动还是常规的螺旋桨，即使是七叶大侧斜螺旋桨也会有中间的的桨毂，从螺旋桨桨叶上剥离的紊流会顺着桨毂被水流推向尾流，产生涡流，会产生噪音和增加额外的阻力，所以电动螺旋桨依然不够完美，必须要有一种突破性的技术来解决这个问题。

无轴泵推技术应运而生，这个技术多少有点不好理解，有网友认为泵推就是水泵抽水喷出就成了泵推，事实上理解没错，有些小水线船舶或者需要在浅水区以及沼泽地带工作的船舶使用的就是这种技术，防止螺旋桨打到浅海泥沙或者缠绕水草，但潜艇的无轴泵推却不是这样的，说不明白直接上图比较好理解：

中间没有轴系，并且螺旋桨朝向中间时会越来越小，减少了高速流体经过时产生的气泡与噪音，降噪与增推，差不多就是这种结构的评价，周围一圈的则是电机驱动系统，这种无轴泵推技术难度比较大，密封技术与效率等都比较难协调，所幸是我国在无轴泵推技术上相当高不错，目前处在全球先进的行列。

磁流体推进的原理比较容易理解，和通电导体在磁场中运动的原理没有区别，只不过导体换成了海水，比如使用一个管状结构，在管子的上下两端加载磁场，在左右两侧通入电流，因为海水导电，因此在海水中会有电流通过，在磁场的作用下可以用左手定则判断出海水流动的方向：

这个结构的优势是相当明显的，因为没有任何活动部件，所以噪音极低，可维护性绝佳，结构简单，但缺点也很明显，效率比较低，因为海水本来就不像导线一样“听话”，因此唯一能调整的就是磁场，简单地说就是磁场越大越好，所以科学家就把超导体都搬到了磁流体推进上，但即使如此，仍然不满足于其性能，而且可维护性也不好！

比如中科院电工所研制的螺管超导磁体系统，磁场强度5特斯拉，室温孔径0.2米，外径0.65米，总长1.1米，总重494公斤，液氦贮量66升，一次充满液氦能连续运行6昼夜。原因很简单，超导磁体需要在液氦的温度下才能运行，消耗液氦的超导体运行成本很高，对于战时使用来说至少要到液氮，甚至最好是常温超导体，并且到目前为止，磁流体推进的效率还整体偏低，比较难以实用化。

所以磁流体推进优点很多，但缺点也显而易见！最后简单聊聊喷水推进，其实准确的说磁流体和泵推等都属于喷水推进，上文也说了，喷水推进适合在在滑行艇、穿浪艇、水翼艇、气垫船等中、高速船舶上使用。有点是高速性能非常好，特别是高速下转弯性能非常好，但缺点也挺多，比如低速效率比较差，管道损失推力比较大，噪音也比较大。

到目前为止，潜艇推进的主要方式还是大侧斜螺旋桨，无轴泵推在快速发展，有部分潜艇上也早已在使用，不过上文中的“等离子体爆轰推进”以及“磁流体推进”都将成为未来的发展方向。