喷水推进：助力舰船高速航行
■贾轩闻 梁 澳 罗 灿
炎炎夏日，当人们骑着摩托艇在海面上惬意冲浪时，可能会想过这样一个问题，是什么驱动着摩托艇高速航行？没错，就是喷水推进技术。
这项技术最早可以追溯至17世纪中叶。随着技术的成熟，喷水推进逐渐发展为中小排水量、高航速、高性能船舶极具竞争力的推进方式之一，被广泛应用于滑行艇、巡逻舰、导弹快艇等高速船舶上。
如今，喷水推进技术已受到各国军队的广泛关注。它的应用不仅可以提高舰船的航速，还能提升声隐身性、复杂工况适应性和矢量操纵性，从而更好地适应未来作战需求。
采用了喷水推进技术的救生船。资料图片
并非“后生可畏”，而是“大器晚成”
一切技术发展的背后，都离不开物理。学过物理的人，肯定会对牛顿第三运动定律有印象：相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。而喷水推进的原理也正是基于此。
喷水推进的原理很简单。水泵将水吸入，然后经由喷嘴将水喷出。在这一吸一喷的过程中，推力便施加给了船体。相比螺旋桨推进，喷水推进在高航速时的推进效率更高、抗空化性能更好、机动性和操纵性更加优越、水下声辐射更小。凭借着种种优势，喷水推进在高速、高性能船舶和两栖车辆上得到了越来越多的应用。
说到喷水推进技术的发明，最早可以追溯到17世纪。英国人图古德和海斯或许是世界上第一批体验喷水推进乐趣的人。1661年，他们发明了一项专利，采用一种特别的方法迫使水流通过船舶底部或两舷使船舶前进。而他们使用的这项技术，被视为是喷水推进技术的原点。1787年，美国人卢姆塞第一次将喷水推进器应用于蒸汽船上，这被公认为世界第一艘喷水推进船。
然而，在接下来的100多年里，喷水推进技术的发展一度进入低迷期。当时，正处于螺旋桨推进取代明轮推进的阶段，螺旋桨推进的优越性受到广泛认可。而喷水推进则由于大推力水泵的限制等因素，迟迟难以普及。
直到20世纪四五十年代，各种高性能舰船概念被提出。为了满足高性能舰船高航速的需求，各国开始加大对喷水推进器的研究投入。到了20世纪七十年代左右，喷水推进器步入快速发展期，被广泛应用在高速船舶上。
喷水推进器装置工作原理。
并非“后生可畏”，而是“大器晚成”。目前，国内外喷水推进的应用需求呈现快速增长的趋势，从事喷水推进研究和开发的机构日益增多，研究成果不断丰富。今年6月，由我国主导制定的首个喷水推进技术领域国际标准发布。这意味着，喷水推进技术正在得到越来越多的关注和重视，呈现出更加规范、健康、高效的发展态势。
既要“高速航行”，又要“水波不兴”
在一些旅游博主拍的vlog里，我们经常能看到他们开着汽艇劈波斩浪，享受速度与激情。汽艇过后，一道道白色的尾迹在碧蓝的海面上分外美丽。
但是，如果是在军事行动中，这些尾迹便不那么美丽了。
喷水尾迹中包含着形、声、电磁、热等多种物理特征。当前的卫星图像识别技术可以很轻易地捕捉到这些尾迹，从而造成舰船坐标与航向的暴露，给舰船的隐身航行带来巨大挑战。一般来说，舰船航速越快、吨位越大，尾迹特征越明显。
世界战争史上，一个个生动的战例展现出舰船尾迹带来的影响。
中途岛海战中，美军飞行员凭借着海面上一行清晰的人字形尾迹，找到了正在全速返回的日本航母编队。他们操纵轰炸机投下一枚枚重磅炸弹，将“赤城”号、“加贺”号和“苍龙”号3艘航母变成了燃烧的火球。这次行动，对中途岛海战乃至整个二战都产生了重大的影响。
“赤城”号等3艘航母均采用的是螺旋桨推进。如若大型舰艇的推进方式改为高速的喷水推进，那么其产生的尾迹会更大更长，暴露的风险也随之变得更大。
因此，在喷水推进技术在军事领域越来越受到重视的今天，如何减小甚至消除喷水尾迹，成为摆在各国科学家面前的一大难题。
科学家们通过实验和模拟“两大法宝”，展开了一系列优化喷水尾迹、提高舰船的隐身性能和安全性的研究。既要“高速航行”，又要“水波不兴”，对于如何消除或减少喷水尾迹，他们提出了3个“妙招”：
改变喷嘴。喷嘴是喷水推进器的重要组成部分，它决定了水流的速度、压力和方向。如果喷嘴设计得不好，水流就会和周围的水发生剧烈的碰撞，产生很多波浪和气泡，这样就会暴露船的位置，也会降低船的速度。为此，科学家们通过优化喷嘴设计，研发出可变截面喷嘴和多孔式喷嘴，喷出的水流更平稳、更均匀，所形成的尾迹也更“低调”。
控制喷射流。喷射流是推动船前进的主要力量。如果喷射流控制得不好，就会造成大量的能量损失和尾迹产生。为此，科学家们采用空化控制、激波控制等多种手段，对喷射流进行“隐身化”处理。
优化船体。船体是指舰船本身的结构和形状。它决定了舰船在水中运动时受到的阻力和干扰。如果船体设计得不好，就会影响到推进器和喷射流的工作效果，并增加尾迹的产生。为此，科学家们在船体设计时想了很多办法，通过船体-推进器匹配和船体-兴波抑制，尽可能地将尾迹消弭于无形。
推波“轻舟疾驶”，助澜“重船快进”
如今，喷水推进已经在高速高性能船推进领域占据了主导地位。与此同时，随着军事领域高速船应用需求的持续增长，船舶喷水推进系统的研究也迎来了新的方向。
喷水推进器正朝着大功率方向发展。喷水推进器之所以需要更大的功率，来自船舶吨位不断增长的现实需要。在大功率喷水推进器产品中，传统的轴流泵推进技术已不能满足船舶运行需求。为了适应这一新形势，国际上高速船喷水推进技术的研发重点已经转变为研发功率密度更大、结构更加紧凑的喷水推进器。早在1999年至2001年的东帝汶维和行动中，澳大利亚海军使用的喷水推进穿浪双体船“杰维斯湾”号，就配备了4台单台功率为7.08兆瓦的柴油机。在这次维和行动中，该舰船表现出优秀的机动性和操纵性。
喷水推进器正朝着无轴化方向发展。常见的喷水推进器均属于有轴喷水推进器。有轴喷水推进器不仅不利于推进效率的提高，且极易造成装置的振动，最终影响推进器的工作寿命。据科学研究表明，如若将喷水推进器的传动轴去除，使用齿轮轮缘或者电磁等方式直接驱动叶轮转动，使得喷水推进器在无轴的条件下工作，推进器的推进效率和推力会显著提升。此外，采用无轴结构，还能有效改善泵进流的速度场，避免叶片轮缘处的堵塞和回流。
喷水推进器正朝着特种化研制方向发展。目前，艉板式喷水推进是喷水推进的主要形式之一。虽然这种形式具有众多优点，但不足也很明显。为了规避这些缺点，近年来一些具有特种功能的喷水推进器，如雨后春笋不断涌现。比如，德国汉堡JAFO科技公司研制了一款浸没式喷水推进器，可以为了避免流向叶轮的水流因位置提高和流向改变所引起的流动损失；韩国国立釜山大学科研人员为两栖军用轮式车专门设计了吊舱式喷水推进器，能够让轮式两栖车辆在水上快速推进；一些学者提出了冲气增强的两相流喷水推进器概念，可以提高喷水推进器在船舶加速阶段的推力，增强越过船体驼峰阻力的能力……
推波“轻舟疾驶”，助澜“重船快进”。未来，随着计算机技术、材料科学、控制工程等相关领域的进一步发展，已经迈入发展快车道的喷水推进技术，必将实现更大的进步和突破，为人类提供更高效、更环保、更安全的水上交通工具。
