國(guó)外新型核潛艇技術(shù)特征研究

陳 鋒，齊國(guó)英，賴(lài) 鳴，楊清軒

(1.海軍裝備部991 工程辦公室，北京100841;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 物資貿(mào)易有限公司，北京100861;3.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一四研究所，北京100012)

0 引 言

近年來(lái)，美、俄、英、法等國(guó)在戰(zhàn)略調(diào)整、技術(shù)發(fā)展推動(dòng)、老舊裝備服役到期等因素的推動(dòng)下，逐步開(kāi)始進(jìn)行核潛艇的更新?lián)Q代，研制和建造新型核潛艇。攻擊型核潛艇方面包括美國(guó)“弗吉尼亞”級(jí)、俄羅斯“亞森”級(jí)、英國(guó)“機(jī)敏”級(jí)和法國(guó)“梭魚(yú)”級(jí)。彈道導(dǎo)彈核潛艇方面包括美國(guó)的“俄亥俄”級(jí)替代艇和英國(guó)的下一代彈道導(dǎo)彈核潛艇。從上述潛艇目前所公布的技術(shù)特征來(lái)看，其在動(dòng)力系統(tǒng)、武器發(fā)射系統(tǒng)、自動(dòng)化、隱身能力等方面有著共同的技術(shù)特征，本文通過(guò)對(duì)共性技術(shù)體征的梳理，總結(jié)出未來(lái)核潛艇技術(shù)發(fā)展方向，供我國(guó)潛艇設(shè)計(jì)人員參考。

1 核反應(yīng)堆與艇同壽，增加部署時(shí)間，減少維修成本

目前，美、俄、英、法等國(guó)的核潛艇反應(yīng)堆堆芯壽命基本都達(dá)到了與艇同壽。美國(guó)的“弗吉尼亞”級(jí)攻擊型核潛艇所使用的S9G 型分散布置核反應(yīng)堆裝置的壽命達(dá)到了33年，實(shí)現(xiàn)了真正的“與艇同壽”。目前正在研發(fā)的“俄亥俄”級(jí)替代艇新型反應(yīng)堆，其壽命將超過(guò)40年;英國(guó)“機(jī)敏”級(jí)攻擊型核潛艇采用的PWR-2 型壓水堆的堆芯工作壽命為25年，在艇的服役期內(nèi)可不用更換核燃料。俄羅斯“亞森”級(jí)和“北風(fēng)”級(jí)潛艇上采用的核反應(yīng)堆是俄羅斯于1995年研制成功的第4 代壓水反應(yīng)堆，目前具體反應(yīng)堆型號(hào)尚未確定，但確定其反應(yīng)堆燃料更換周期為25-30年，基本實(shí)現(xiàn)了與艇同壽。法國(guó)“梭魚(yú)”級(jí)潛艇均采用K15 一體化壓水堆反應(yīng)堆，反應(yīng)堆堆芯壽命也達(dá)到了25年，基本實(shí)現(xiàn)全壽期不換料。

表1 國(guó)外新型核潛艇反應(yīng)堆型號(hào)和使用壽命Tab.1 Foreign new generation nuclear submarine reactor models and service life

此外，新型核潛艇的反應(yīng)堆單堆功率也有所提高，如美國(guó)“弗吉尼亞”級(jí)攻擊型核潛艇所采用的S9G 型反應(yīng)堆熱功率達(dá)到200 MW?！奥迳即墶奔?jí)攻擊型潛艇所使用的S6G 型反應(yīng)堆熱功率為160 MW;英國(guó)PWR-2 壓水堆單堆功率比PWR-1 高40%。俄羅斯第4 代反應(yīng)堆單堆功率達(dá)到190 MW，是第2 代反應(yīng)堆的2 倍。

2 采用多種措施不斷提高綜合隱身性能

1)繼承、創(chuàng)新艇內(nèi)降噪技術(shù)，降低聲信號(hào)

新型核潛艇均在研制初期采用多種手段進(jìn)行減振降噪，不但吸取上一代潛艇的減振經(jīng)驗(yàn)，還不斷有所創(chuàng)新。以美國(guó)“弗吉尼亞”級(jí)攻擊型核潛艇為例，其繼承了“海狼”級(jí)攻擊型核潛艇的降噪技術(shù)，裝備具有自然循環(huán)能力的超低聲S9G 型核反應(yīng)堆，主機(jī)艙采用浮閥式減振的整體模塊設(shè)計(jì)，使用首創(chuàng)的模塊化隔離甲板結(jié)構(gòu)，并對(duì)動(dòng)力推進(jìn)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，推進(jìn)設(shè)備使用的動(dòng)力電纜和閥門(mén)、斷路器、泵等，其數(shù)量分別僅為“洛杉磯”級(jí)攻擊型核潛艇的50%、40%和30%左右。

2)多數(shù)采用泵噴推進(jìn)器，降低聲信號(hào)

從目前新一代核潛艇建造、研制狀態(tài)來(lái)看，除“亞森”級(jí)首艇外，其余新型核潛艇均采用泵噴推進(jìn)器。未來(lái)，“亞森”級(jí)第2 艘也將采用泵噴推進(jìn)器，可認(rèn)為泵噴推進(jìn)器取代7 葉大側(cè)斜螺旋槳已是大勢(shì)所趨。相比螺旋槳，這種推進(jìn)器具有較高的推進(jìn)效率和更好的聲學(xué)性能以及優(yōu)異的空泡特性，可增強(qiáng)潛艇的聲隱身能力。

3)外形優(yōu)化，降低聲信號(hào)

一方面，新型攻擊型核潛艇已全部取消圍殼舵，可回收式首水平舵成為新型攻擊型核潛艇的主要布置方式。另一方面，新型攻擊型核潛艇的指揮臺(tái)圍殼向低矮化發(fā)展，并增加指揮臺(tái)圍殼與艇體之間的光滑過(guò)渡，減少潛艇的水動(dòng)力噪聲。

圖1 美、俄、英、法新一代攻擊型核潛艇均無(wú)圍殼舵Fig.1 No sail rubber on the new generation nuclear submarine

圖2 從上至下分別為“洛杉磯”級(jí)、“海狼”、“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇Fig.2 From top to bottom，respectively LosAngeles，SeaWolf，Virginia class nuclear submarine

圖3 從上至下分別為“阿庫(kù)拉”級(jí)、“亞森”級(jí)核潛艇Fig.3 From top to bottom，respectively Akula，Yasen class nuclear submarine

4)進(jìn)一步應(yīng)用復(fù)合材料，降低磁信號(hào)

目前國(guó)外核潛艇除主承力結(jié)構(gòu)仍使用高強(qiáng)度合金鋼外，正積極研究復(fù)合材料建造潛艇大型承力構(gòu)件，正在進(jìn)一步在非承力構(gòu)件上應(yīng)用復(fù)合材料。復(fù)合材料由于具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐海水腐蝕、質(zhì)輕(與鋼材相比，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)用時(shí)能降低30% ～50%的重量)、無(wú)磁等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前美、英、法等國(guó)的新型潛艇上已大量應(yīng)用了復(fù)合材料，以法國(guó)“凱旋”級(jí)和美國(guó)“弗吉尼亞”級(jí)最為突出。法國(guó)潛艇中應(yīng)用的復(fù)合材料主要以聲學(xué)復(fù)合材料為主，“凱旋”號(hào)彈道導(dǎo)彈核潛艇上60%非耐壓結(jié)構(gòu)都采用了結(jié)構(gòu)功能一體化的聲學(xué)復(fù)合材料。美國(guó)海軍潛艇應(yīng)用復(fù)合材料更為廣泛，已經(jīng)實(shí)艇應(yīng)用的包括聲吶導(dǎo)流罩、透聲窗、消聲瓦、推進(jìn)裝置、泵、通風(fēng)系統(tǒng)、非燃油管路等。

圖4 “弗吉尼亞”級(jí)潛艇復(fù)合材料聲吶導(dǎo)流罩及圍殼上的高頻聲納透聲窗Fig.4 Composite materials sonar dome and high frequency acoustic window on Virginia class submarine

未來(lái)，復(fù)合材料在潛艇上的應(yīng)用呈現(xiàn)出進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)。如具有透聲、減振、降噪等功能的復(fù)合材料在潛艇聲吶導(dǎo)流罩、聲吶透聲窗、螺旋槳、消聲瓦、減振基座、推進(jìn)器等部件上的應(yīng)用越來(lái)越廣;具有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的輕質(zhì)復(fù)合材料，在艙壁、艙口、管道、通風(fēng)系統(tǒng)、高壓氧氣瓶及熱交換裝置等小型部件上的應(yīng)用也日益廣泛;一些潛艇大型結(jié)構(gòu)部件也正在或?qū)⒉捎脧?fù)合材料制造，例如正在研制中的復(fù)合材料尾錐等，結(jié)構(gòu)復(fù)合材料還將在潛艇操縱面、非耐壓殼等上獲得應(yīng)用。復(fù)合材料無(wú)疑為未來(lái)潛艇技術(shù)取得重大突破，全面提升戰(zhàn)技性能，具有革命性的意義。

2 戰(zhàn)略艇載彈量減少，導(dǎo)彈質(zhì)量提高

近年來(lái)，國(guó)外發(fā)展新一代彈道導(dǎo)彈核潛艇呈現(xiàn)出載彈量減少、換裝新一代彈道導(dǎo)彈的特點(diǎn)。主要原因有以下2 個(gè)方面:

1)受核裁軍影響，限制了每個(gè)國(guó)家所允許擁有的彈道導(dǎo)彈規(guī)模;

2)當(dāng)前彈道導(dǎo)彈質(zhì)量越來(lái)越高，表現(xiàn)在分導(dǎo)彈頭數(shù)量增多，命中精度上升，射程越來(lái)越遠(yuǎn)，末段打擊速度越來(lái)越高。在這種情況下，減少載彈量，一方面可以減少核潛艇在導(dǎo)彈上的負(fù)載，增加其他設(shè)備的負(fù)載能力，另一方面又不會(huì)導(dǎo)致核威懾或核打擊能力下降。

美國(guó)在2010年4月提出的新一代SSBN(X)彈道導(dǎo)彈核潛艇構(gòu)想中，導(dǎo)彈發(fā)射管的數(shù)量由“俄亥俄”級(jí)的24 個(gè)減少為16 個(gè);俄羅斯現(xiàn)役“臺(tái)風(fēng)”級(jí)彈道導(dǎo)彈核潛艇裝備了20 枚“鱘魚(yú)”彈道導(dǎo)彈，而新一代“北風(fēng)”級(jí)彈道導(dǎo)彈核潛艇將裝備16 枚新型“布拉瓦”彈道導(dǎo)彈;英國(guó)現(xiàn)役的“前衛(wèi)”級(jí)彈道導(dǎo)彈核潛艇有16 個(gè)導(dǎo)彈發(fā)射管，裝備了16 枚“三叉戟”Ⅱ彈道導(dǎo)彈，而下一代彈道導(dǎo)彈核潛艇則將只裝備12 個(gè)導(dǎo)彈發(fā)射管。法國(guó)現(xiàn)役的“凱旋”級(jí)彈道導(dǎo)彈核潛艇攜帶有16 枚M45 型彈道導(dǎo)彈，現(xiàn)正逐步換裝為新M51 型彈道導(dǎo)彈。

3 電氣化、自動(dòng)化水平不斷提高

潛艇電氣化、自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)能夠減少空間要求、降低重量、減少人員數(shù)量、縮減成本，而且將使?jié)撏гO(shè)計(jì)更加靈活、增加負(fù)載能力、提升作戰(zhàn)系統(tǒng)的效率。此外，潛艇電氣化將代替原有液壓和氣壓子系統(tǒng)，使系統(tǒng)更加整潔和安靜。

在操縱系統(tǒng)方面，美國(guó)“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇的操控系統(tǒng)進(jìn)行了大幅的革新。操控部位大面積的觸摸式顯示屏取代“洛杉磯”和“海狼”級(jí)上大量分散的傳統(tǒng)顯示屏;高度自動(dòng)化的電傳操縱系統(tǒng)代替了以往傳統(tǒng)的模擬液壓操縱系統(tǒng)。憑借快速實(shí)時(shí)顯示的艇位詳細(xì)數(shù)據(jù)，2 名操控人員用2 個(gè)操縱桿，利用觸摸屏幕，就能夠完成以往“洛杉磯”級(jí)和“海狼”級(jí)核潛艇需要3 名操縱人員完成的航行、潛浮和均衡等工作。 “弗吉尼亞”級(jí)核潛艇高度自動(dòng)化的操縱系統(tǒng)，還可對(duì)水下深度和艇體運(yùn)動(dòng)加速度，做出連續(xù)計(jì)算判斷，并在計(jì)算機(jī)自控下做出自動(dòng)補(bǔ)償，使?jié)撏У牟倏v性能獲得了很大的提升。

在作戰(zhàn)與武器系統(tǒng)方面，美國(guó)“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇采用了高度集成的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)，它采用了一種開(kāi)放式、分布式和實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，集成了聲吶、雷達(dá)、作戰(zhàn)指揮和導(dǎo)航等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了信息的集中顯示，使得整個(gè)控制站只需3 名人員，取代了傳統(tǒng)的5 人編制。 “弗吉尼亞”級(jí)核潛艇上安裝了名為“電子海圖顯示與信息系統(tǒng)”(ECDIS)的新型數(shù)字化導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)λ诤Ｓ虻暮骄€進(jìn)行自動(dòng)選擇和監(jiān)控，不僅進(jìn)一步減輕了艇員的工作量并為潛艇的航行安全提供了保障，也使得值班人員從2 名減少為1 名。

在管理系統(tǒng)方面，法國(guó)“梭魚(yú)”級(jí)潛艇由于采用了分布式網(wǎng)絡(luò)的高自動(dòng)化平臺(tái)管理系統(tǒng)，使得自動(dòng)化水平大幅度提高。盡管較上一代核潛艇排水量和主尺度都有所增大，但“梭魚(yú)”級(jí)潛艇人員編制僅為60 人，其中包括12 名軍官，比“紅寶石”級(jí)“紫寶石”號(hào)還減少了近10 人。節(jié)省出的空間可搭乘15 名特種部隊(duì)人員，完成特種部隊(duì)運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)。核動(dòng)力和推進(jìn)裝置設(shè)在艇尾，出于人員在海上和維護(hù)時(shí)的健康和職業(yè)安全的考慮，艇尾設(shè)計(jì)成無(wú)人值班機(jī)艙。

4 結(jié) 語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，新型核潛艇的主要技術(shù)特征包括動(dòng)力、隱身性、打擊能力以及自動(dòng)化能力4 個(gè)方面。動(dòng)力方面，美、俄、英、法新型核潛艇全部采用了“全壽期不換料”反應(yīng)堆，堆芯壽命至少達(dá)到25年，且單堆堆芯功率均有所提高。目前除法國(guó)K15一體化堆外，所有新型核潛艇反應(yīng)堆均依靠提高核燃料富集度來(lái)增大功率密度;隱身能力方面，新型核潛艇除在潛艇內(nèi)部采用新型減振降噪技術(shù)，還從總體設(shè)計(jì)上綜合考慮隱身特性，包括紅外隱身、磁隱身等;打擊能力方面，攻擊型核潛艇垂直發(fā)射與魚(yú)雷管發(fā)射系統(tǒng)平分秋色，戰(zhàn)略艇導(dǎo)彈數(shù)量下降但導(dǎo)彈質(zhì)量提高;自動(dòng)化方面，新型核潛艇全部采用全新電子系統(tǒng)，輔以開(kāi)放式體系架構(gòu)，利用電子控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)分析、集成作戰(zhàn)信息，利用自動(dòng)化平臺(tái)管理艇員，其主要目的在于減少人員配置、增強(qiáng)操縱性能、提高作戰(zhàn)和人員管理效率?？傊滦秃藵撏щ姎饣?、自動(dòng)化水平將不斷提高，并且基于開(kāi)放式體系架構(gòu)特性，系統(tǒng)還將不斷更新，以保持“與時(shí)俱進(jìn)”。

未來(lái)潛艇的主要技術(shù)發(fā)展方向與上述技術(shù)特征緊密相連，包括動(dòng)力技術(shù)，未來(lái)核反應(yīng)堆將向高安全性、低富集度、高能量密度發(fā)展;綜合隱身技術(shù)主要突破振動(dòng)、噪聲方面的控制;負(fù)載技術(shù)包括負(fù)載的種類(lèi)和更好性能兩方面，如未來(lái)上艇的無(wú)人潛航器、各類(lèi)水聲探測(cè)系統(tǒng)、更加先進(jìn)的武器裝備等;電子技術(shù)包括更好的自動(dòng)化水平，更好的電子裝備等，特別是作為潛艇“耳目”的設(shè)備，如共形陣聲吶技術(shù)。

［1］Commodore Stephen Saunders RN.Jane′s fighting ships 2012-2013［M］.Press:IHS.

［2］HAUSCHILDT P.The submarine of the future:technological trends［R］.Thyssen Krupp Marine Systems.

［3］CRS.Navy SSBN(X)ballistic missile submarine program:background and issues for congress［R］.April 26，2010，4.26.

［4］JACOBUS P W，YAN Puck-fai，BARRETT J.Information management:The advanced processor build(Tactical)［Z］.2002.

［5］Technology for the United States Navy and Marine Corps，2000-2035:Becoming a 21st-Century Force，Volume 7:Undersea Warfare［M］.National Academy Press，1997.

［6］OKBM AFRIKANTOV.Univeral nuclear icebreaker of the new generation［EB/OL］.www.okbm.nnov.ru.OKBM，2010.

［7］HAYS K M，SCHMIDT R G.A submarine navigator for the 21d century［J］.IEEE，2002.

［8］KILFOYLE D B，BAGGEROER A B.The state of the art in underwater acoustic telemetry［J］.IEEE Journal of Oceanic Engineering，2000，25(1):4-27.