短篇：说说为啥核潜艇比常规潜艇安静

昨天搞了一个“核潜艇和常规潜艇谁更安静”的投票，结果不出所料很多人选择了“核潜艇更加安静”，这令我相当感到欣慰，这说明起码大部分参加我调查的朋友是有基本的海军装备认识的。不过，大家之所以填写“核潜艇更加安静”恐怕是来自于网上各种宣传，但可能并不一定了解为何核潜艇更加安静。那么，今天就从本人写的核潜艇和常规潜艇的原理的专栏复习一下，为何如今的核潜艇比常规潜艇安静很多。

让我们先回顾一下潜艇产生噪音的几个点位：主机、辅机、推进器和外壳水流噪音。

1、主机噪音

毋庸置疑，潜艇和所有的有动力的载具一样，主动力系统必定是最大的噪音来源。现代核潜艇的主动力是汽轮机，而当代AIP潜艇的主动力就比较复杂，在水面和通气管深度工作时是柴油机发电+电动机推进，在深水AIP航行是AIP系统发电+巡航电动机推进，在深水高速规避时只用大功率电动机推进。

首先讲讲核潜艇。

核潜艇的主动力系统自然是蒸汽轮机。蒸汽轮机是一种涡轮机，强大的干蒸汽流从热交换器冲入汽轮机内，推动叶片高速旋转而发出推力。去过发电厂的朋友可能都会对发电厂的汽轮机的轰鸣声感到震撼，发电厂的汽轮机噪音可达80-120DB，潜艇内部也不例外。

在汽轮机的噪声综合整治中，通常采用隔音罩、消声瓦（舱内贴敷）等手段，在潜艇还可以利用浮筏减震和有源对消技术，可以削减40DB以上的噪音，有效处理后汽轮机噪音可以控制在80DB-90DB，低速时噪音更低。

常规潜艇水面充电需要用柴油机。

柴油机虽然功率远不如汽轮机，但是柴油机噪声也一点不小。由于柴油机是往复式发动机，其活塞运转、燃烧室点火、连轴机械噪音等相当巨大，而且由于柴油机在高速发电工况时因不断地往复冲击而产生强烈震动，会使得潜艇本身也产生共振。所以柴油机噪音是潜艇水面/通气管深度最大的噪音。而且，由于柴油机中低速运转时产生低频波，在海水中传输距离很远，很容易导致自己被敌人提前发现。所以，当潜艇进入战区后，就得关掉柴油机，用AIP或者电动机进入战场。

虽然电动机的噪音比起柴油机小了很多——但是电动机也不是完全没有噪音。电动机的主要噪音在于电磁噪音（因电磁场的交替变化产生的不均衡磁力，导致定子和转子的铁芯发生周期性形变导致）、空气气流噪音（发电机冷却风扇的噪音）和机械噪音。由于电动机高功率下电流极高，产生磁场非常强大，所以会导致转子受到的电磁力矩很大，因此产生强烈的电磁噪音；由于大电流放电，会产生极高的电阻热量，电动机内又必须使用气冷方式不断进行散热（潜艇电动机通常散热的空气会利用热交换器给循环水加热，然后循环水排入外部海洋）。在高速工况下，空气气流噪音会占到电动机噪音的70%，所以现实中绝大多数常规潜艇会带两个电动机，第一个是高速巡航的电动机，一个是静音航速的低速巡航电动机，后者往往无需冷却系统，所以常规潜艇在低速模式下（低于3节）会非常安静，但这个速度只能用于预定海域的潜伏，在某些流速较大的海底还可能会“随波逐流”。

说完了主机，就谈谈辅机。

核潜艇最重要的辅机就是它的泵系统。由于反应堆的热水需要通过热交换器将二回路水气化，所以得有泵把一回路热水带入二回路；同时，由于冷凝器将通过汽轮机的蒸汽转回水，也需要泵把这部分水带回热交换器完成循环，所以核潜艇的泵是无时无刻都要运转的，否则发动机就无法正常运作。为了推动这些泵，潜艇还需要有强大的涡轮发电机系统，以发出源源不断的电力，带动水泵完成汽轮机的循环。所以，潜艇在中低速工况下，主泵噪音——尤其是一回路泵会占有较大比重。因此，在上世纪70年代以前，绝大部分核潜艇噪音都大于130分贝以上。

不过美国在1969年推出了革命性的实验船——一角鲸号。该潜艇最大的改变是多设计了一组一回路管道，可以让它在低速工况时凭借热水的冷热对流完成从高液面（高温区）流入热交换器，通过散热片冷却后，密度增加，从反应堆底部再回流堆芯，完成循环。这个原理和电油汀（油冷式电暖气）的对流原理是相似的，在这个阶段无需使用主泵。在需要高速巡航时，它可以启动备用的一回路泵，使得短时间供应热交换器的热水大量增加，使得输出动力大幅增加。这样一来，就很好实现了削减低速噪音和保持高航速的均衡。通过使用自循环技术后，一角鲸号的反应堆噪音在低速下几乎消除，只剩下涡轮发电机、推进汽轮机的噪声，总噪声下降到105分贝，比同期洛杉矶级核潜艇的115分贝，1984年开始服役的阿库拉级的120分贝都有极为显著的优势，因此该潜艇在大洋服役的30年里不断前往苏联基地进行侦查，几乎一刻不停，完成了罕见的两次反应堆换料（同时代大部分的鲟鱼级30年仅换料一次就退役了），获得了大量集体荣誉。

不过自循环技术也有很多缺点，第一是设计极为复杂，第二就是体积甚大。由于热对流只有在热源和垂直液面顶端相距较远的情况下才会有效产生，所以自循环堆需要较大的内壳尺度。一角鲸号的内舱因此比同期的鲟鱼级核潜艇大很多，很多水兵会在反应堆舱附近聚集和娱乐（类似中国人在鱼雷舱举行的“龙宫运动会”）。由于设计非常出众，美国潜艇此后享有苏联远不可及的静音技术直到现在，此后的海狼级，俄亥俄级、弗吉尼亚级，及法国人的凯旋级，英国机敏级、前卫级也全部采用该技术，中国在2017年报道中国似乎也取得了该技术。在取得该技术后，核潜艇即使保持10节速度，也能控制在110分贝以内，堪比常规潜艇3节的噪声，战斗机动性远大于常规潜艇。

常规潜艇的辅机也主要是冷却系统，在水面航行时还有强大的进气噪声。

柴油机运转需要吸入大量的空气，在潜艇水面航行时，顶部的舱盖会被打开用于柴油机的进风，产生的强大风力让人几乎无法站稳，同时潜艇的排气筒也会轰隆隆喷出滚滚柴油浓烟，因此常规潜艇水面噪音中有一大部分都是空气噪音。进入水下后，主要的噪音则转为冷却系统噪音，不过比起核潜艇整体还是可以控制的。

推进器噪音：

当代水下推进器都是利用前后压力差产生向后的水流，以此的反作用力将船推向前方。因此原理都是很接近的。在现实中，当代潜艇主要是两种推进器：螺旋桨和泵喷推进器，类似于飞机的螺旋桨和喷气发动机。

纵观潜艇推进器的发展，一直以来都表现在“增多叶片，降低转速”方面。虽然最理想的高效螺旋桨应当是高转速的三叶螺旋桨，但是高速螺旋桨产生液体空泡和气蚀噪音的概率也更高，较低的航速下也会转动较快，因此不利于消声降噪。因此美国在1960年的长尾鲨级核潜艇率先采用七叶螺旋桨，相同航速下转速得以大幅压低，降低了空泡率，而同等技术一直到1980年代才得以普及。在世界普及大七叶螺旋桨后，英国在丘吉尔级潜艇率先使用了泵喷推进器，外部罩上了一个外壳，内部设置导流板，螺旋桨替换为类似喷气发动机涡轮机的涡轮形状，推进效率更高，噪音更低，当年击沉贝尔格拉诺将军号的征服者号核潜艇就采用这种推进器。泵喷技术在1990年代普及在欧洲和美国所有的潜艇之上（不过英国快捷号除外，即使如此，它也创造了水底拍摄基辅号螺旋桨的壮举），只有中国和俄罗斯（877V实验艇用过，但未列装；北风之神和亚森级不明朗）尚未推广，现役主要动力还是大七叶螺旋桨。因此虽然低速工作条件下中俄潜艇噪音还能和欧美抗衡，在高速（超过10节）下的噪音就会显著高于欧美主流核潜艇。

常规潜艇和核潜艇的螺旋桨、泵喷推进器并无太多区别。但是，考虑到常规潜艇的桨叶面积较小，发动机最大功率较低，在实现同样是10节以上航速时，其推进器转速会大于同等的核潜艇推进器转速，所以高速工况下，常规潜艇的螺旋桨噪音也会大于核潜艇。

流体噪音：

流体噪音是潜艇水下高速航行的主要噪音之一，其来源是水流通过船体因表面张力和其他阻力而把动能转化为声波，和我们开车达到100km后，打开车窗感受到的风声和阻力明显大于未开窗水平是一个道理。所以理论上潜艇开的口子越少，同等浸润面积越小，相同速度下流体噪音也越低。所以双壳体潜艇因为必须要在两层壳之间设置流水缝，导致开口必然多于单壳体潜艇，所以在高速下的阻力会显著高于单壳体潜艇，噪音也会大一些。

流体噪音是核潜艇和常规潜艇差异最小的领域。而且考虑到常规潜艇普遍比核潜艇小得多，最大航速也慢很多，因此相关噪音也小得多。不过，整体而言在低速工况时，流体噪音可以忽略不计。

最后一项并不是噪音源头，但同样重要——水下动力储备。

虽然理论上通过各种降噪控制，常规潜艇确实是可以在相同航速下维持和核潜艇差不多的噪音水平，但是他们本质上的区别——动力源导致常规潜艇无法像核潜艇一样执行水下巡航任务。由于常规潜艇打开柴油机就必须上浮到通气管深度，让敌方反潜机和声纳得以捕捉，常规潜艇在战区内只能用蓄电池和AIP维持极低速度巡航。由于蓄电池的能量密度远远低于核动力，因此最好的非AIP常规潜艇——636基洛级也不过只能在水下以1.5节潜伏96小时（而209潜艇不到24小时，二战潜艇不到12小时）。而配备AIP后，最多也只能以3节在水下潜伏15天。一旦潜艇被敌人发现，被迫要用全速逃离时，其20节的最大水下航速会导致500吨的蓄电池在4小时内枯竭，而且需要上浮充电16小时才能恢复满电力。相比之下，最先进的弗吉尼亚级潜艇可以在保持相同噪音水平（110-120分贝）下以12-16节速度在水下待命超过30天，一天走行距离就相当于基洛级潜艇全部电力下的4天潜航距离。同时，由于洛杉矶级以后的美国攻击核潜艇在无威胁海域可以长时期维持26节以上航速，从2640公里外的关岛潜艇基地开赴台湾只需要56小时，而中国从舟山群岛冒着美国反潜机威胁，出港就进入AIP巡航的039B型潜艇在56小时只能开行300公里，刚刚抵达台湾东侧洋面。所以，核潜艇远超过常规潜艇的战略机动性，和同等噪音水平下的速度优势，使得核潜艇能够轻松猎杀一切海上的舰艇，只有最严密保护的航母战斗群和处于本国堡垒海域的战略核潜艇有足够的“保镖”来阻止攻击性核潜艇的偷袭。

结语

虽然核潜艇的噪音水平和战略战术价值远远大于常规潜艇，但是核潜艇的高性能是以高价位换来的。如今美国的弗吉尼亚 BlockV单价已经超过32亿美金，可以购买10艘中国039B型潜艇，这种投资水平是一般国家根本无法负担的。同时，由于核潜艇体积较大，不适合近海作战（近海有大量礁石、沿海养殖业的障碍物，而且反潜机能够用磁探仪探测到50米以内的潜艇），使得中国、俄罗斯这样和周边有大量领海接壤和漫长海岸线的国家仍然有较大的常规潜艇需求空间。常规潜艇虽然速度较慢，但是在极低速度的情况下，安静性仍然非常可观，可以在本国反潜机掩护海域执行隐蔽潜伏哨的作用，让对方舰队和核潜艇不敢贸然进入看似风平浪静的我国近海，从而将我国少数的核潜艇解放出来用于大洋决战，这就是当代我国常规潜艇的最重要价值。