美國戰(zhàn)略核潛艇新型水面救援艙概念設(shè)計

陳黎俊，于 浩

(1.海裝艦船技術(shù)保障部，北京100841; 2.中國船舶重工集團公司 第七一四研究所，北京100012)

0 引 言

2000年8月12日，俄羅斯攻擊核潛艇“庫爾斯克”號在距瑟沃摩爾斯克北137 km 水下107 m 失事。潛艇耐壓殼體內(nèi)部連續(xù)兩次爆炸后， “庫爾斯克”號首部4個艙室進水。艇上23 名官兵未能打開逃生艙蓋被困艇中，受一氧化碳中毒死亡。

俄羅斯政府因在剛發(fā)生事故時不接受北約的救援幫助，而受到世界輿論的公開指責。盡管俄羅斯在確認事故過程中有所拖延，但潛艇救援潛器“PRIZ”號僅用了32 h 就與“庫爾斯克”號潛艇實現(xiàn)了對接。西方媒體仍認為俄羅斯救援系統(tǒng)響應(yīng)時間過長，行動嚴重滯后。然而，即使西方救援系統(tǒng)加入救援，實際上也不會取得更好的結(jié)果。因為美國海軍最先進的潛艇救援系統(tǒng)——潛艇救援潛水再加壓系統(tǒng)(SRDRS)，所公布的救援響應(yīng)時間也需要72 h。

“庫爾斯克”號的災(zāi)難提醒人們，時間就是生命。目前，世界上潛艇救援潛器種類很多，如PRIZ，LR- 5，NSRS，SRV300，URF，S- SRV，DSRV 以及SRDRS 等，但是沒有任何一種能在潛艇出事的第一時間內(nèi)做出救援響應(yīng)。目前，只有自主逃生的方法能在第一時間采取響應(yīng)措施。

為此美國海軍提出的一種用于戰(zhàn)略核潛艇的水面救援艙設(shè)計概念。這種設(shè)計可用于潛艇艇員深海集體逃生，彌補當前美國潛艇救援能力的不足。

1 美國當前的救援策略和存在的不足

1.1 美國當前的救援策略

潛艇水下救援方式可分為3 種類型:一是個人逃生方法，如自由上浮、STEINKE HOOD 逃生裝備和潛艇逃生浸沒裝備(SEIE);二是集體逃生方法，如分離艙(SC)、可重復(fù)使用救援裝置(RRG)、水面救援裝置(SRG)和水面救援艙(SRC);三是集體救援方法，如潛艇救援潛器、潛艇救援艙和潛艇救援潛水再加壓系統(tǒng)(SRDRS)。圖1 為潛艇逃生救援體系結(jié)構(gòu)圖，一旦潛艇發(fā)生失事，將單獨或組合利用圖中的3 種方法實施救援，其中標星(* )的為美國海軍現(xiàn)役的潛艇救援裝備。以美國為代表的絕大多數(shù)具有潛艇救援能力的國家采用救援策略，都是以集體救援系統(tǒng)為主要救援方法，只在個別情況下采用個人逃生系統(tǒng)。

圖1 潛艇救援策略結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Submarine rescue strategy structure

美國潛艇部隊指揮官對于美國潛艇水下搜救(SAR)的目標是這樣闡述的:“美國海軍的潛艇搜救任務(wù)是，在世界任何地方，將幸存者在可存活的條件下從沉沒的失事潛艇中轉(zhuǎn)移到水面上?！?/p>

美國海軍現(xiàn)行的救援策略是:以SRDRS 救援系統(tǒng)集體救援為主，利用SEIE 裝備的個人逃生方法為輔的潛艇救援策略。SRDRS 救援系統(tǒng)利用飛機或艦船運往全世界范圍任一潛艇出事的地點。利用帶壓轉(zhuǎn)移艙(PRM)與失事潛艇對接，將艇員轉(zhuǎn)移到水面。艇員在水面救援船上減壓艙中進行減壓治療。其中，美國海軍公布的SRDRS 救援響應(yīng)時間為72 h。

1.2 美國潛艇水下救援能力存在的不足

歷史表明，如果還存在生還的希望，就需要對失事潛艇盡快啟動救援響應(yīng)。在圖2 中，黑色實心標記表示歷史上全部已知的成功潛艇逃生/救援的案例，空心白色標記表示潛艇失事報廢案例。對圖2進行解讀，包括以下3 點:

1)失事潛艇延時救援/逃生超過57 h，沒有人能夠幸存;

2)個人逃生全部在潛艇失事的48 h 內(nèi)進行，其中半數(shù)以上個人逃生都是在第一個小時內(nèi)進行;

3)超過91.4 m 深度成功自由上浮逃生的只有2 次。

圖2 美國潛艇搜救能力及歷史數(shù)據(jù)Fig.2 The submarine rescue ability and the historical data of US Navy

從圖中也可以看出，美國潛艇水下救援能力存在以下不足:

1)美國潛艇水下救援裝備體系存在能力真空區(qū)

歷史數(shù)據(jù)表明，潛艇艇員從失事潛艇中成功逃生的幾率，與失事時所處深度和響應(yīng)時間緊密相關(guān)。時間方面，第一救援時間(TTFR)或者是第一逃生時間評價救援能力。第一救援時間是指從艇上警報響起到第一個人通過救援裝備安全到達水面所用的時間。從圖2 可以直觀地看到美國各救援系統(tǒng)的救援能力和歷史上潛艇失事所處深度位置。Y 軸為深度，X 軸為TTFR 時間，其長度單位為TTFR 取10的對數(shù)(log10)。SEIE的有效救援深度不超過183 m，而SRDRS的響應(yīng)時間則在72 h 以上。將SEIE和SRDRS的救援能力相疊加，很清楚地看到美國海軍現(xiàn)在所采用的救援策略(不包括潛艇救援艙)的能力存在“真空區(qū)”。救援能力“真空區(qū)”在圖2 中表現(xiàn)為白色區(qū)域，即美國現(xiàn)有的救援裝備在潛艇失事的前3 天里，無法成功營救深度超過183 m的艇上幸存者。

2)現(xiàn)有救援裝備響應(yīng)時間長

72 h 是美國SRDRS 從接受任務(wù)到抵達失事地點開始營救所需的時間，而美國實際救援響應(yīng)速度要遠低于SRDRS 響應(yīng)速度。這是因為SRDRS的響應(yīng)時間僅是TTFR 總時間的一部分。無論SRDRS的響應(yīng)時間有多快，其TTFR 總是受到潛艇失蹤通知和潛艇失事定位的制約。救援任務(wù)能否成功依賴于潛艇信號傳輸裝置(如潛艇應(yīng)急通信發(fā)射機浮標和潛艇應(yīng)急位置指示無線電信標)。如果失事潛艇沒有部署這樣的信號傳輸裝置，必須按照潛艇水下搜救OPLAN 2137法規(guī)啟動救援響應(yīng)。根據(jù)法規(guī)規(guī)定，如果潛艇例行報告上傳失敗，美國海軍將宣布潛艇失去聯(lián)絡(luò)。在潛艇宣布失去聯(lián)絡(luò)之后，由潛艇運行責任部門啟動通信故障檢查，此時并不采取救援行動。這里需要說明的是，例行報告超期72 h 之內(nèi)宣布潛艇失去聯(lián)絡(luò)。在宣布潛艇失去聯(lián)絡(luò)之后的20 h內(nèi)，潛艇運行責任部門根據(jù)實際情況宣布潛艇失蹤。此時，啟動潛艇水下搜救行動。最后，當?shù)弥蛲茰y潛艇出現(xiàn)故障無法到達水面時，將宣布潛艇沉沒。在最糟糕的情況下，從潛艇失事到啟動潛艇搜救工作的時間間隔將長達92 h。采用集體救援方法時，救援工作有可能被極大地延誤。在宣布潛艇失蹤之前，全體艇員就極有可能已經(jīng)死亡。如果再加上SRDRS的3 d 左右的響應(yīng)時間及約40 h 后續(xù)工作，最后一名幸存者要經(jīng)過8～9 d 才能進行減壓。如此長的救援時間，對于艇上幸存者而言看不到生還希望。況且這個時間還是以潛艇失事位置已知為前提的。美國潛艇救援響應(yīng)過慢，突顯出美國潛艇救援能力的不足。

2 水面救援艙應(yīng)用策略和發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 水面救援艙的優(yōu)勢

由于水面救援艙可以立刻用于逃生，設(shè)計深度超過潛艇的最大下潛深度，為此水面救援艙可以有效彌補美國海軍現(xiàn)有潛艇搜救能力的不足。目前，世界上只有俄羅斯和印度2個國家使用水面救援艙進行集體逃生。一旦潛艇失事，艇內(nèi)幸存者進入固定于進出艙口的“逃生膠囊艙”中。隨后，膠囊艙從潛艇中釋放，利用自身浮力到達水面。水面救援艙一旦達到水面上將作為救生船使用，等待營救的到來。這種水面救援艙的救生方式，與個人逃生和集體救援的系統(tǒng)相比，具有不可比擬的優(yōu)勢。利用水面救援艙能在第一時間集體逃生，有效作用深度最大，安全性高，無需進行減壓，極大提升了幸存者的生存希望。

因此，要在美國海軍中推行水面救援艙，就需要從根本上改變其潛艇水下搜救的策略，取代SRDRS 成為主要救援方法，而SRDRS和SEIE 裝備則成為輔助方法。水面救援艙與SRDRS 在使用上不存在沖突，應(yīng)用于同一策略中，形成功能互補，提高救援能力。

表1 是SRDRS 與水面救援艙的救援環(huán)節(jié)的對比。從表中可以看出，SRDRS所需的環(huán)節(jié)很多，而水面救援艙只需2個環(huán)節(jié)，使救援時間遠遠小于SRDRS所需的時間，從而提高救援成功的概率。

表1 SRDRS 與水面救援艙的救援環(huán)節(jié)對比Tab.1 The rescue process compare with SRDRS and SRC

失事潛艇中的艇員在等待救援過程中，承受高壓，需要進行減壓。SRDRS 之所以需要帶壓轉(zhuǎn)移功能，是因為美國海軍要求SRDRS 在72 h 之內(nèi)到達全球范圍內(nèi)的任一出事地點。只有采取空運的運輸方式才能到達這一要求，空運的方式嚴重限制了帶壓轉(zhuǎn)移模塊(PRM)大小。這導(dǎo)致PRM沒有足夠的空間將全部艇員一次性救出，需要多次救援。由于時間緊迫，因此不允許艇員在PRM中進行減壓，待轉(zhuǎn)移到水面救援船上，在減壓艙中進行減壓治療。

然而實際情況是，如果不將艇員置于等待救援的情境中，在潛艇失事的第一時間逃生，則無需承受高壓，也就不需要減壓治療。由此可見，帶壓轉(zhuǎn)移功能是采用集體救援策略的結(jié)果，而不是實際所必需的。帶壓轉(zhuǎn)移功能的“問題”可通過2 種方式解決:1)工程技術(shù)上解決，如帶壓轉(zhuǎn)移功能系統(tǒng);2)改變救援策略。采用工程技術(shù)方法解決，將增加救援系統(tǒng)的成本和實施救援的復(fù)雜性。救援系統(tǒng)越復(fù)雜，則救援失敗或拖延的可能性就越大。每項不必要的功能都將帶來新的未知情況，系統(tǒng)救援成功可能性將大打折扣。例如，如果遠程部署SRDRS，將必需利用保障船或飛機運載。而保障船和飛機的狀態(tài)將直接影響SRDRS 響應(yīng)時間。

2.2 水面救援艙可行性分析

在美國潛艇上推行水面救援艙是具有挑戰(zhàn)性的。水面救援艙設(shè)計必須要考慮將對潛艇作戰(zhàn)能力的影響最小，所需輔助系統(tǒng)最少，所在位置不能影響日常行動。最有效的設(shè)計是使水面救援艙具備多種功能，水面救援艙所占據(jù)的空間可以用于其他用途。俄羅斯和蘇聯(lián)潛艇大多數(shù)設(shè)計中，水面救援艙都具有雙重作用，除了主要功能，還可作為進入潛艇的通道使用，如圖3所示。因此，如果不在潛艇設(shè)計的最初階段考慮水面救援艙，將很難取得最佳的設(shè)計效果。

圖3 俄羅斯“阿爾法”級核潛艇上水面救援艙Fig.3 The SRC of Russia Alpha class submarine

設(shè)計水面救援艙的尺寸、外型和放置位置等方面的時候，必須要考慮到如何在潛艇事故中將受損的可能性降到最低，并增大艇員可達性，提高水面救援艙在發(fā)射和上浮過程中的安全性。水面救援艙的放置位置是對設(shè)計的一項挑戰(zhàn)。因為必須保證可達性，確定水面救援艙的放置位置，需要考慮潛艇艙壁隔斷。為了確保印度209 (1 500 t)型潛艇的可達性，設(shè)計者將水面救援艙直接放在首艙壁隔斷上(見圖4)。這樣，“膠囊艙”可以從單個或同時從2個艙室進入。這樣的設(shè)計在美國潛艇上也可行。

圖4 印度209 (1 500 t)型潛艇水面逃生艙所處位置Fig.4 The location of the SRC in India′s 209 class submarine

由于美國潛艇上人員配備的較多，這就要求水面救援艙的耐壓殼體采用細長型設(shè)計。另一種方案是將水面救援艙裝入多任務(wù)發(fā)射管(MMT)中，該發(fā)射管與“俄亥俄”級潛艇上使用的多彈密級發(fā)射管和“弗吉尼亞”級潛艇上的負載發(fā)射管相類似。這種設(shè)計適用于美國海軍單殼體潛艇，水面救援艙的重心將低于潛艇的浮心。在潛艇設(shè)計時考慮水面救援艙的方式，可使其對潛艇的影響降到最低。如果將水面救援艙系統(tǒng)裝備到現(xiàn)有戰(zhàn)略核潛艇中，則可考慮使用潛射彈道導(dǎo)彈(SLBM)發(fā)射管這種形式。由于戰(zhàn)略潛艇裝備了導(dǎo)彈補償系統(tǒng)(如可變壓載)，水面救援艙與導(dǎo)彈的重量差問題很容易解決。

與現(xiàn)在所使用的導(dǎo)彈發(fā)射管相同，多任務(wù)發(fā)射管必須能承受的壓力要與潛艇最大極限深度所承受的壓力相當，并配有水密艙作為進入水面救援艙的通道。為了確?？蛇_性，多任務(wù)發(fā)射管應(yīng)置于艙與艙之間的艙壁處。這樣的布置將確保在任何狀況下，都能進入水面救援艙。第2 種方案，在耐壓殼體的中央艙放置一個或多個多任務(wù)發(fā)射管。狹窄的爬行通道在正常運行情況下保持關(guān)閉，只有在緊急情況下才開啟。圖5 為水面救援艙布置，多任務(wù)發(fā)射管和水面救援艙的進入通道有陰影。

圖5 水面救援艙可達性布置Fig.5 The possible location with the SRC

3 水面救援艙概念設(shè)計

1)結(jié)構(gòu)、艙壁隔斷和艙口蓋

為了能使內(nèi)部空間最大化，水面救援艙采用圓柱形設(shè)計，耐壓殼體裝有內(nèi)部結(jié)構(gòu)加強件，兩端為半球形。膠囊艙在水中豎直漂浮，這種漂浮方式將具有更大的動態(tài)穩(wěn)定性。水面救援艙底端設(shè)計有固定壓載，而逃生出口設(shè)在頂端(見圖6)。

在水面救援艙的頂部裝有水密艙壁。水密艙壁起到3 點作用:一是在海洋與艇員間形成第二道屏障;二是如果艙壁強度足夠大可承受大壓差，水面救援艙可以成為雙閘門減壓艙。這種布置可以進行多種減壓。水面救援艙內(nèi)的全部艇員可以立刻進行減壓，或者將受傷嚴重的艇員移到外艙，使其在到達水面后進行減壓。還可允許醫(yī)務(wù)人員進入膠囊艙;三是水密艙壁減少耐壓殼體的有效長度，減少內(nèi)部結(jié)構(gòu)加強件。

潛艇艇員通過潛艇通道艙蓋進入水面救援艙。為確保在失事潛艇艙室進水的情況下可進入膠囊艙，內(nèi)艙的艙蓋盡可能的高。為了使指揮官也能迅速進入，艙蓋需要靠近指揮艙。潛艇通道艙蓋是最具挑戰(zhàn)性水面救援艙設(shè)計之一。多任務(wù)發(fā)射管的結(jié)構(gòu)要求潛艇通道艙蓋向外開。

2)外“指揮”艙

水面救援艙設(shè)計將幾乎全部控制功能置于外艙。這種布置使指揮官能夠?qū)δz囊艙進行控制。 “指揮艙”只有一排座位，最多可容納7 人。在座位下面存放有信號彈、急救箱、食物、飲用水、垃圾袋、羊毛毯和通風系統(tǒng)箱。在干舷的加強構(gòu)件間裝有大氣監(jiān)測設(shè)備、通信手持送受話機、深度和壓力測量儀器、系統(tǒng)操作手冊、通風、減壓和液壓控制閥、以及照明、排水、通風和多任務(wù)發(fā)射管運行與發(fā)射控制板。離指揮艙內(nèi)艇員較遠的閥門包括:排水、壓縮空氣、液氧隔離閥，以及排水系統(tǒng)及備用閥。與大多數(shù)減壓艙不同，水面救援艙內(nèi)艙艙蓋向外開，主要是為防止進水。

圖6 水面救援艙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成Fig.6 The system structure of SRC

3)內(nèi)艙

內(nèi)艙用于可消耗負載的存儲和艇員的安置。艇員座位由10個環(huán)形長椅組成，垂直間隔距離0.9 m。通過梯子可到達每一層，扶手延伸到頭頂，以提供安全性。艇員坐姿為傾斜向前，將雙腳放在座位下(見圖7)。這種座位設(shè)計限制了艇員執(zhí)行簡單任務(wù)的能力。最大的載人數(shù)量是設(shè)計的基本出發(fā)點。雖然大部分艇員在水面救援艙中不用承擔任務(wù)，但是還要進行艇員的適居性測試，以評估艇員在極端封閉環(huán)境中隨機運動所帶來的生理和心理影響。

圖7 水面救援艙座位設(shè)計Fig.7 The seat design of SRC

在潛艇通道艙蓋上方裝有通風扇以及全部通信和導(dǎo)航設(shè)備。當大量的海水灌入膠囊艙時， “電子區(qū)域”受到水密艙壁保護不會進水，保持干燥。內(nèi)艙中的其他系統(tǒng)(包括電池、壓縮空氣和液氧罐、排水泵、單IC 手持)安裝在膠囊艙底部。可消耗負載和二氧化碳幕簾存儲在外舷。

4 結(jié) 語

潛艇救援歷史表明，時間是關(guān)系到潛艇救援能否成功的最重要因素。集體救援方法，如SRDRS，由于響應(yīng)過慢而不應(yīng)作為主要的救援方法。雖然SEIE 逃生裝備可以用于“迅速”逃生，但是使用的深度有限，而且還有受傷的風險，因此也不宜作為主要的救援手段。響應(yīng)最快、最有效的救援策略應(yīng)該是依靠集體逃生方法。單純從救援效果看，應(yīng)將集體逃生作為主要救援手段，集體救援和個人逃生方法作為備用應(yīng)急救援手段。

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