2.2 逆水行舟，不进则退……那船是靠什么推进的？

谚语道，逆水行舟，不进则退。船要乘风破浪并不容易，就算不是逆水行船，只要船在水中前行，水的黏性和水面波浪就会带来阻力。为了保持方向和速度，就要有推力或拉力来克服这些阻力。

推力需要能源和推进器共同产生。能源包括人力、风力和各种形式的发动机。但仅有能源还不够，还需要专门的装置或机构，把能源（发动机）发出的功率转换为推船前进的功率，这种装置就是推进器。

倘若留心一些古诗词，除了可以感受泛舟水面的意境之美，也可以看到传统推进器的影子。比如，“潮平两岸阔，风正一帆悬”中的帆，“微风泛兰桨，落日过松亭”中的桨，“谈笑间，樯橹灰飞烟灭”中的橹，“湖上雨晴时，秋水半篙初没”中的篙，都属于推进器——

如果说轮机是船的“心脏”，那推进器就相当于船背后的“推手”。

一、船都有哪些类型的“推手”？

不管是民船还是军舰，“快速”都是衡量船舶性能的重要指标。为了让船更快，就需要选择推力足够且高效的推进器。

船的推进器有很多种，下面介绍一些常见的类型：

1.风帆

自远古时代至19世纪初期，风帆一直是船舶的主要推进器。帆利用的能源便是风能，虽然免费，但得到的推力依赖于风向和风力，所以船的速度和操纵性能还是受到限制。

后来，人们采用蒸汽机作为船舶主机后，帆也被其他形式的推进器所代替，只有一些游艇、教练船和小渔船上还在用帆。不过，现在化石燃料资源愈发紧张，为了节省能源，国内外又在研究风力的利用，已经有一些风帆助航节能船开始使用“风帆助推”的方案。

2.明轮

明轮是局部没水的推进器，外形略似车轮，其水平轴沿船宽方向置于水线之上，轮之周缘装有蹼板（或称桨板）。操作时，蹼板拨水向后，自身受到水流的反作用力，该力会经轮轴传至船体，推船前进。

安装于舷侧的明轮叫边轮，安装于船尾的叫尾轮。边轮会增大船宽，对横稳性有利，但在风浪中不易保持航向；尾轮则适用于狭窄航道。明轮曾广泛用作海船的推进器，但由于本身十分笨重，在波涛中不易保持一定的航速和航向，且易损坏，所以目前仅用于部分内河船。

3.螺旋桨

它由若干桨叶（2叶至6叶）组成，桨叶固定在桨毂（固定在螺旋桨中心的部件，负责连接、支撑和保护螺旋桨叶片）上，邻近叶片之间相隔的角度相等（如下图所示）。

当螺旋桨转动时，桨叶拨水向后，自身受到水流的反作用力，其推力通过桨轴和推力轴承传递至船体上。螺旋桨构造简单、造价低廉、使用方便、效率较高，是目前应用最广的推进器。

4.直叶推进器

直叶推进器也叫竖轴推进器或平旋轮推进器，由若干垂直的叶片（4叶到8叶）组成。这些叶片等间距地分布在与船体底部齐平的圆盘上，从船体垂直伸向水中，绕垂直于船体的中心轴线做圆周运动，同时还按一定规律绕自身的轴线摆动，就这样通过改变叶片的摆动规律，可以在360°范围内连续快速地改变推进的方向和推力大小。

图片说明：直叶推进器示意图

图片说明：安装在拖船下方的直叶推进器 / 图片来源：维基共享资源 / 作者：Voith AG, Heidenheim, Germany

直叶推进器的优点是操纵性高且机动性好，能够实现船的横向移动、原地回转等动作。缺点则是结构复杂，造价昂贵，叶片的保护性差，极易损坏。目前这类推进器常用于港口作业船，或对操纵性有特殊要求的船，比如扫雷艇。

5.喷水推进器

喷水推进器依靠水的反作用力产生推力，一般安装在船尾，由主机驱动。

图片说明：喷水推进器方向控制示意图。黄色箭头——喷射方向；红色箭头——施加到船只上的力的方向；灰色箭头——船只的移动方向。

喷水推进器工作时，船外的海水从船底通过进流管道进入，由叶轮对海水做功并向后喷出。在喷口处，喷出的水流速度大于船速，其反作用力推动船前进或者后退。

当船全速航行时，所有的水流均向后喷出。而进入全速倒航模式时，所有的水流向前喷出。在零航速模式中，一部分水流向后喷出，一部分向前喷出。

6.联合推进

正如船舶各种类型的动力装置都存在优缺点，因而采用联合动力装置优势互补一样，船舶推进为了弥补单一装置的缺点，也会采用两种推进方式构成的联合推进动力装置。

常用的有泵/桨联合推进、吊舱桨（集推进和操舵于一体，螺旋桨能像舵一样随意旋转，甚至能360°旋转，操纵性能好，但维护保养比较麻烦）/泵联合推进，以及桨/吊舱桨联合推进等等。

联合推进所采用的动力形式可以是单一的，也可以是联合动力。

二、哪种推进器性价比最高？答：螺旋桨

人类很早就开始使用螺旋桨作为船的推进器，世界各国都有很多相关的发明和设计。

19世纪初，各国竞相研究螺旋桨，并在实际航行中试用。1867年曾有人统计过，有不下470人“发明”了螺旋桨。1836年，“史密斯”（Smith）号采用木制单螺纹蜗杆形螺旋推进器，以8节的速度航行了400海里，在试航中，推进器在水中碰到了障碍物，长螺杆变成了短螺杆，但船速反而增加了。发明者受到启发，又将短螺杆改进成叶片，最后演变成一根轴上带有几个叶片的现代螺旋桨。

19世纪中叶以后，螺旋桨获得了广泛应用。在长期的实践过程中，螺旋桨的形状不断改善，桨叶螺旋面的长度逐步减小，桨叶的形状也逐渐趋于完善。

和其他类型的推进器相比较，螺旋桨的构造简单、效率高，所以目前仍是军舰和商船上应用最为广泛的推进器。

螺旋桨桨叶的数目通常为3叶、4叶、5叶，叶片间相隔的角度相等。其直径往往受到船舶吃水的限制。一般来说，螺旋桨直径越大转速越低，效率越高。螺旋桨与船要有良好的配合，避免桨面露出水面而影响效率，而且间隙要适当，以避免引起严重振动。

我们可以通过普通螺钉的旋转来理解螺旋桨的运动。如下图所示，把螺钉转一圈，它就在螺帽中前进一段距离，这段距离称为螺距。船上应用最广泛的，就是螺距相等的等螺距螺旋桨。桨叶叶面通常是螺旋面的一部分，就像螺钉的螺纹一样。

图片说明：螺距示意图

螺旋桨是在水中运动的，水就相当于螺帽。螺旋桨旋转时，把水推向后方，水给螺旋桨反作用力，这就是推船前进的推力。推力的大小由转速控制，而方向由转向控制。要让船停航或倒航，就必须改变螺旋桨的转向。

除广泛应用的普通（等螺距）螺旋桨外，为满足不同船的特殊要求，实践中发展出了一些特种螺旋桨。下面介绍其中的一部分类型：

比如导管螺旋桨，也叫套筒螺旋桨，是在普通螺旋桨的外面套上一个圆形套筒。

图片说明：导管螺旋桨 / 图片来源：维基共享资源 / 版权：公共领域

套筒的作用是制造一个有利于螺旋桨工作的流场，这样可以减少艉流的能量损失，提高螺旋桨的效率；但也有缺点，就是船的倒车性能会变差。这种螺旋桨主要用在拖网渔船和拖船等多工况船。

比如对转螺旋桨，又称双反转螺旋桨，就是把两只普通螺旋桨分别装于两根同心轴上，并以等速或不等速反向转动。

图片说明：安装在鱼雷上的对转螺旋桨 / 图片来源：维基共享资源 / 版权：公共领域

相比单桨来说，一只对转桨的推进效率可以提高5%-15%左右，具有更高的操作灵活性。但这种推进器润滑比较困难，传动装置比较复杂，多用于鱼雷和潜艇。

再比如吊舱推进器，就是将推进电机安装在水下箱体内，直接驱动螺旋桨。

图片说明：吊舱推进器 / 图片来源：维基共享资源 / 版权：公共领域

吊舱推进器把舵和桨合二为一，可以绕自己的轴线做360°旋转，在航行过程中，可根据航行需要来调整推进器的角度，以实现正航、倒航以及战术机动需求。吊舱推进器价格比较贵，功率也比较有限。受电机功率容积限制，桨的直径、转速往往达不到最佳设计值。

大螺旋桨居然怕小气泡？

早在19世纪末，造船界就注意到了一种奇怪的现象：空泡。

1894年，英国的小型驱逐舰“勇敢”号（Daring）在初次试航时，发现转速比额定转速低1.54%，两台主机的总功率比额定功率低7.5%，同时航速也比原定的设计航速27节差了3节。后来人们对螺旋桨做了多次修改设计，但每次试航结果差别不大，甚至尾部还发生了剧烈振动。

1897年在造船工程师会议上，负责建造该舰的总工程师详细介绍了该舰试航时所遇到的现象，认为最初未达到预期航速的原因是螺旋桨发生了空泡现象。顾名思义，空泡就是小的空气泡泡，随着转速的不断增加，螺旋桨周围的流体介质，也就是水，会在某一个时刻从液态变成气态（水蒸气），也就出现了空泡。

日常生活中，我们会在烧开水时观察到这种现象，水的温度升高到沸点，就变成了水蒸气。其实，还有一种情况叫“冷沸腾”，也可以达到这个效果。冷沸腾实际上就是降压，不断降低水的压强，当压强降低到水的汽化压强之下，水也会从液态变成气态。螺旋桨在船后工作时，显然不能把温度提升到沸点，但是它产生推力的时候，会导致周围的水压下降，当降低到汽化压强之下，就会出现空泡现象。

对作战舰船来说，空泡会带来十分不利的影响。首先，空泡溃灭时会造成螺旋桨的剥蚀；然后空泡严重时，还会导致螺旋桨水动力性能下降；此外，空泡会引起船体尾部剧烈振动，影响舒适性；而且，空泡的发生和溃灭使流体产生微振动，螺旋桨的噪声将会大幅度增加，不利于舰艇的隐蔽。

为了解决空泡问题，尤其是军舰上与高转速和大功率主机相连的螺旋桨上难以避免的空泡，人们做了很多技术上的尝试和改进。比如，研究出了空泡螺旋桨（部分螺旋桨叶背被空泡笼罩条件下，仍能正常工作的螺旋桨）和全空泡螺旋桨（叶背完全被空泡笼罩情况下使用的螺旋桨，效率高于有部分空泡的螺旋桨，并可避免气蚀）。

但是，随着船舶变得越来越大型，功率也越来越高，螺旋桨的负荷也不断增加，即使改进技术，尾部流场的不均匀性总会使螺旋桨上产生时生时灭的空泡，导致桨叶剥蚀损伤，而且往往伴有强烈的尾部振动。

因此，必须设法减少或避免螺旋桨空泡的发生，这能够进一步提高船的最高航速，也能降低螺旋桨噪声。措施主要分两方面：一方面是可以优化螺旋桨的结构，比如：增大螺旋桨的直径、降低转速、增大盘面比、采用更为合理的叶剖面形状，使叶面载荷分布更均匀；另一方面是探索新的推进方式，比如前面提到的喷水推进装置，推进水泵的叶轮工作在均匀的流场中，因此具有较好的抗空泡性能。目前，采用喷水推进的舰船最高航速已经到了60节甚至更高，前景还是相当值得期待的。

像很多技术或装置一样，不同类型的推进器也都有各自的优缺点。比如吊舱推进器机动性好，可以更灵活满足多种需求，但价格贵，功率也受限；螺旋桨性价比高，但是会有空泡带来的风险——但是没关系，我们可以想办法去优化，或者探索新的推进形式。

其实，回顾下历史你就会发现：促进技术或者我们人类本身进步的，往往不是长处，而是短板，正是在解决短板的过程中，带来了一项项技术的演进和文明的进步。缺点可能带来阻碍，但有时换个角度看，缺点也可以变成进步的契机。

来源: 海军大连舰艇学院

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