0 引　言

吊舱推进器具有高效节能、绿色环保、操作便利、低振动噪音和高舱内空间利用率等优势^{[1 − 5]}，市场前景良好。经过30余年的发展，吊舱推进器已逐渐成熟，广泛应用于豪华邮轮、LNG船、科考船等。国内近年来虽已在积极开展吊舱推进器的自主研发设计工作，如中国船舶集团第七〇四所早在2007年就开始了吊舱推进器的研制工作，目前已经具备中小型（5MW级）吊舱推进器产业化配套能力，并在2021年首获实船应用^[6]。然而，我国吊舱推进器研制技术仍不成熟，特别是在大功率吊舱推进器方面，国内仍然严重依赖国外技术，如我国首艘国产豪华邮轮的推进器仍由ABB提供。因此，提升大功率吊舱推进器的自主研制能力已成为我国建设造船强国的一项重要任务。

与中小型吊舱推进器相比，大功率吊舱推进器在结构可靠性、推进电机、降噪冷却等方面均有更高的要求，例如匹配大功率吊舱推进器所需的轴承时，必须考虑轴承的外径和装配等问题，这给轴承的设计和选型带来了一定的挑战^[7]。目前，全球已经涌现出5款各具特色的大功率吊舱推进器产品：Azipod、Mermaid、SSP、Dolphin、SISHIP eSiPOD，并且几乎垄断了市场。其中，ABB的Azipod采用交变频和直接转矩控制方法，具有技术成熟、水动力特性好、可靠性高和噪声低等特点；SIEMENS SCHOTTEL的SSP内置新型双绕组永磁同步电机，安装双螺旋系统，适用范围广，功率范围为5～30 MW；KAMEWA ALSTOM的Mermaid内置交流异步或无刷同步电动机，采用水冷技术，功率范围为5～27 MW；STNATLAS的Dolphin采用不带电刷的六相同步电机，采用空气冷却技术，功率范围为3～19 MW，可在水上直接更换推进器；Siemens的SISHIP eSiPOD结合了流体动力学优化设计和高效永久励磁同步电机，整体效率更高，功率范围为5～25 MW^[1]。

大功率吊舱推进器是一个技术复杂、成本高、风险较大的复杂系统，其自主研制涉及众多技术挑战，缺少可借鉴的经验，关键技术攻关难度大且周期长。为了应对上述挑战，亟需建立面向产品全制造过程的技术体系，并针对关键技术进行评估。本文在总结吊舱推进器装备体系的基础上，构建了大功率吊舱推进器的技术体系框架，评估出了大功率吊舱推进器关键技术，并引入技术成熟度评价方法，为大功率吊舱推进器技术风险控制、发展规划和全方位的技术攻关提供参考。

1 关键技术识别

关键技术（Critical Technology Element，CTE）是指在一个系统、一个环节或一项技术领域中起到重要作用且不可或缺的环节或技术。识别大功率吊舱推进器所涉及的关键技术首先需要构建大功率吊舱推进器技术分解结构，然后基于技术分解结构^[8]，综合技术性质、发展水平等确定其中关键技术，具体流程如图1所示。

1.1 技术体系构建

大功率吊舱推进器技术分解结构的构建主要包括建立技术载体架构、梳理相关技术、确定关键技术。依据大功率吊舱推进器生产特点，其技术载体架构可划分为：装备级、系统级、零部件级，其中装备级主要承载总体性能技术、部件匹配技术等，系统级和零部件级用以承接相关系统及部件设计技术^{[8 − 10]}。基于技术载体架构，梳理装备、系统和部件设计所涉及的全部技术，就能够完整识别大功率吊舱推进器研制所需的全部技术单元，随后对大功率吊舱推进器所涉及技术单元按照技术方向进行整合分类，梳理出技术单元62条，技术体系如图2所示。

1.2 关键技术单元确定

关键技术单元按照关键性和新颖性原则，通过问卷调查法，编制相关问卷，收集相关专家及相关单位的意见，并对调研问卷进行回收整理，形成了具有24项关键技术单元的关键技术清单，其中包括总体方案设计技术、水动力性能预报及优化技术等，为后续进行技术成熟度评价提供了基础。关键技术清单如表1所示。

2 关键技术分析

通过对大功率吊舱推进器的技术体系进行归纳分析，可以将关键技术主要分为5类：

1）吊舱推进器与船体结构匹配性设计技术

推进器的最终效率受到与船体结构匹配程度的影响，吊舱推进器对匹配度则有更高要求。船体尾部线型以及推进器自身水动力性能等因素都会直接影响到其工作性能。例如国内南京高精船用设备有限公司推出的NGC-Marine吊舱推进器便可结合船型，根据船舶设计要求提供不同的吊舱推进器结构形式，包括带导流结构、高舵效结构和混和对转结构等，以显著提升船舶的推进效率和操纵性。

2）吊舱推进器安装与测试技术

吊舱转舵模块与吊舱模块之间的安装精度要求较高，配合间隙达到毫米级。通常，为提高液压系统的安装精度，工业界会采用PID控制方法。但对于多缸同步控制，传统的PID控制器无法满足其安装精度要求。相对而言，智能控制算法因其高精度控制和在线自整定功能，在工业领域得到广泛应用。融合智能控制算法与传统控制策略，如神经网络PID，预计将会成为未来电力推进智能控制研究的核心重点。

3）密封装置及润滑冷却系统设计技术

密封性能直接关系到吊舱推进器的可靠性与安全性。该密封系统由复杂组件构成，包括螺旋桨尾轴密封、回转轴承密封以及必需的油气控制、监测报警和应急处理单元。其中，尾轴密封需防止外部海水渗入，同时确保内部轴承润滑油不会泄漏至吊舱或海水中，以避免环境污染。

冷却系统为吊舱推进器的重要构成部分，电机散热不充分容易引起吊舱事故。冷却系统由风机、冷却器和空气过滤设备组成，负责将冷却空气输送至电机内部并排出。对于吊舱推进器中的易损部件（如推力轴承与回转轴承）对润滑冷却均有较高要求，以保证整个推进器的可靠性。

4）推进电机设计技术

吊舱推进器采用无减速齿轮驱动技术，减小了设备体积和重量，但增加了电机设计的挑战。推进电机需要具备低速、大扭矩、高转矩密度、低毂径比等特性，还需与变频器的参数匹配并具备谐波抑制能力，以确保良好的工作性能。目前市场上主要的推进电机主要有同步电机、永磁同步电机、异步电动机3类，其中永磁电机因其小体积和使用海水冷却等优势成为主流。

5）试验验证及优化技术

吊舱推进器集成了推进和操纵功能，它能够增加船舶内部布局的灵活性，提高推进性能，减少振动并提升可维护性。然而，吊舱推进船舶的操纵性仍然存在问题，需要进一步研究。而试验能够直观地模拟和验证吊舱推进器的性能，包括推进系统实船验证、综合性能验证和模拟载荷试验等，均为确保吊舱推进器适应应用场景的重要环节。

3 技术成熟度评估 3.1 技术成熟度评估流程

技术成熟度是用于评估开发过程中不断发展的相关技术成熟度的度量。目前，技术成熟度评价已广泛应用于航空航天、舰船、汽车领域^[11]。

TRL的定义和评估是执行技术成熟度整个过程的一部分。为加强大功率吊舱推进器研制技术成熟度等级评估工作的系统性和易操作性，结合技术成熟度评估指南和大功率吊舱推进器装备特点，建立评估大功率吊舱推进器技术成熟度流程，主要步骤包括：

步骤1　建立大功率吊舱推进器技术分解结构

基于大功率吊舱推进器的产品分解结构（Product Breakdown Structure，PBS），建立大功率吊舱推进器的技术载体架构，全面梳理出每个技术承载单元承载的技术，建立大功率吊舱推进器技术分解结构。

步骤2　确定CTE

CTE是指对整个项目的顺利研制具有重要作用，并且在技术原理或技术应用领域具有创新性的技术，CTE的确定需要依托专家组，基于关键性和新颖性这两大原则来确定CTE清单。

步骤3　确定TRL的判断细则

一般而言，技术成熟度等级TRL通常分为9个节点，如表2所示，代表技术从最初的概念到满足产品需求的整个发展过程。TRL判断细则详细描述了各级别所涉及的研制工作，并与研制流程密切相关。评估专家可以逐项对照来确定某项技术是否达到特定级别的TRL^[12]。

判断细则需结合装备技术的实际特点制定，根据CTE的技术特点，可以从技术（以T表示）和制造（以M表示）这2个维度来进一步明确等级判定的标准，每个等级都与多个条件相对应，技术类条件主要是指设计和验证方面的内容，制造类条件主要是指试制（生产）所涉及的工艺性设计、制造工艺、工艺设备等内容。如表3中给出了TRL4-5的部分细则，评估过程中，首先按照当前研制阶段的TRL5判断细则进行评估。如果有未达标的情况，说明技术尚未达到TRL5。随后，会使用TRL4判断细则再次评估。若所有标准都达标，则确认技术已达到TRL4水平。

步骤4　关键技术成熟度评估及分析

确定关键技术单元和TRL评价说明及细则后，组织专家开展每项技术的技术成熟度评价，并建立技术成熟度等级较低的关键技术提升计划及发展路径。最后综合评估结果，编制大功率吊舱推进器的技术成熟度评估报告^[10]。

3.2 某项关键技术成熟度评价示例

以大功率吊舱推进器安装平台的研制技术为例，其推进电机与螺旋桨整体安装于水下，与常规推进器相比，安装要求、工序以及测试检验要求有着显著差异。目前，传统吊舱推进器安装通常采用液压平板车或工装设备配合千斤顶，小型吊舱则采用电动葫芦。然而大功率吊舱推进器重达200 t以上，使用电动葫芦和常规工装设备难以完成安装，而传统液压平板车则受限于巨大体积，难以在船尾狭小空间精准安装。因此亟需设计研发一种可实现吊舱自动化安装的平台，以填补传统安装方式的不足。

根据拟定的技术成熟度评价指标和判断细则，经相关单位和专家咨询确认，该关键技术已满足TRL3各项细则，则进行下一级TRL4的细则判断，评价结果如表4所示。可以看出，该技术有6项指标未达到要求，说明该技术的最终TRL等级为3，仍处于基本原理及理论研究阶段。

3.3 关键技术成熟度评价结果

通过对24项关键技术的技术成熟度进行分析发现（见表5），目前我国大功率吊舱推进器的技术成熟度大多集中于TRL6～7之间，即实验验证阶段。尽管我国在大功率吊舱推进器研制方面拥有较强的理论和技术储备，但整体水平仍有提升空间。以冷却系统为例，水冷结合空冷被认为是效率最高的方式，国际领先企业ABB提出的混合冷却技术已经得到广泛应用，可将电机性能提升45%。然而，我国在该领域仍处于试验模拟及验证阶段（TRL5～6）。

4 结　语

开展大功率吊舱推进器自主研制投入大、周期长、风险大，在研制过程中开展关键技术分析有助于对我国技术发展水平进行系统、全方位和客观的评估，对于技术风险的控制以及多种技术路径的优选都具有不可忽视的重要性。本文首先采用技术分解结构构建了大功率吊舱推进器的装备体系，并基于技术载体架构和专家咨询，确定了大功率吊舱推进器自主研制过程中所涉及的关键技术，同时，结合技术成熟度评估，明确了大功率吊舱推进器TRL1～9的评价细则，并开展了关键技术单元技术成熟度评价，初步给出了我国大功率吊舱推进器的发展水平，为明晰技术发展、人才梯队、软硬件条件建设提供参考，以进行重点攻关和资源整合。