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俄军核潜艇具体实践以及我国核潜艇未来技术

ag亚游真人视讯我国核潜艇围壳是否可以采用流线型以减阻降噪等。事实上由于我国核潜艇发展目前仅经历过两代,且每一代都有其重要的战略使命在,所以并没有在各种技术取向上做出过很大胆的尝试。而我国的邻国俄罗斯,则由于其在流体力学方面的巨大造诣,不仅在攻击核潜艇上少有地使用了流线型围壳,还在实践中对围壳舵与传统艏水平舵做出过比较。

《俄军核潜艇具体实践以及我国核潜艇未来技术》

ag亚游真人视讯首先关于核潜艇围壳是否需要采用流线型的问题。流线型围壳的好处在于能够帮助核潜艇有效减阻降噪,但这种效果一般只有在核潜艇于水下高速行驶时才比较显著。而围壳由于除了用来容纳潜望镜等观通设备外,还要布置各种传感器,因此采用流线型设计也会导致核潜艇设计复杂化、传感器布置困难、艇体建造难度上升、围壳安装面偏大以及单壳体潜艇难以焊接等问题。美军的弗吉尼亚级攻击核潜艇从第5艘以后,原本也有安装流线型围壳的计划,但后来由于这些原因还是取消了。因为战略核潜艇对水下高速运动的需求往往不大,所以世界各国战略核潜艇基本都没有采用这种流线型围壳(又称“高级轿车型围壳”)的,只有苏/俄海军的攻击核潜艇罕见地从V级到A级一直延续使用至阿库拉级核潜艇。在具体设计上,苏/俄核潜艇在使用这种流线型围壳时,通常会将舷侧壳板向下和艇体相切,从而形成光滑的连接。这样一方面变相扩大了空间,可在其中布置漂浮救生舱、高压空气瓶和出入舱口等,另一方面当然也得使水兵在潜艇甲板上的行走变得更加困难。值得一提的是,作为苏/俄标志性的第二代攻击核潜艇,V级核潜艇还是苏/俄海军第一级突破常规线型而采用水滴型线型的核潜艇。水滴型是由对称的翼型绕其中线回转而形成的流线型回转体,其横剖面都是圆形,因此在相同的排水体积中,艇体的湿表面积比舰队潜艇艇型的要小。水滴型艇体的形状阻力小,加上便于采用较大直径和低转速的螺旋桨,这些都有利于降低艇体的总阻力和提高航速,同时还可以降低螺旋桨的噪音以提高核潜艇的隐蔽性。由于这些特性,包括我国在内的各国潜艇已经基本都采用水滴型了。

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既然谈到了围壳,那就势必要就近谈一下核潜艇技术取向上另一个老生常谈的问题——围壳舵到底应不应该取消。从作用来说,艏水平舵一般应该布置在潜艇艏部的前段,并且位于艇体的纵向轴线上。但潜艇在水下航行利用艏水平舵时,会对周围的水流产生很大的扰动,从而干扰声呐的正常运作。所以在具体应用中艏水平舵往往不会布置在最佳位置上,而会稍偏离潜艇艏段,或者上移布置在上层建筑的艏段。不过这种方式虽避免了对声呐的干扰,却也会破坏水流的稳定而造成涡动,特别是在远离艇体纵向轴线时。世界上最早采用围壳舵的是美国海军“鲣鱼”级攻击核潜艇,而苏/俄海军是从Y级战略核潜艇开始使用围壳舵,并一直沿用到了D级战略核潜艇,等到台风级战略核潜艇才又改为了传统艏水平舵。围壳舵的流行与当时的潜艇桅杆数量开始增加有一定关联,因为由此导致的围壳体积增大,其实客观上就为容纳围壳舵提供了部分条件。另外围壳舵由于是固定在指挥台围壳上的,其驱动机构也并不复杂,不仅减少了核潜艇下潜时的准备工作量,也避免了因不必要的机械故障而伸不出来。而围壳舵的缺点则在于,由于从一般降低潜艇水下航行阻力的角度来说,指挥台围壳的体积应该是越小越好的,而围壳舵的存在则显然是阻碍这一趋势的。这就容易造成,核潜艇在水下高速航行时,偏大的围壳会导致潜艇艏部在航行时会过分被上抬。此外由于围壳舵的位置较高,当核潜艇在接近海面的水下航行时,受海面波浪的影响就会更大些,从而增加了核潜艇保持潜望镜深度的难度。最后围壳舵的流场也会对尾部推进器产生影响,因此围壳舵的位置往往越前越好,但围壳越往前宽度越小,这又阻碍了对围壳舵的根部进行结构加强。除了围壳舵本身的缺点外,其实影响核潜艇是否采用围壳舵还与其所处的假想作战地域有关。台风级核潜艇由于长期在北冰洋活动,对水下破冰的要求非常高,如果采用围壳舵的话潜艇在上浮冲破冰面的过程中对围壳舵的冲击很大,非常容易造成围壳舵的损坏,所以便改回了传统艏水平舵。传统艏水平舵的好处是,可以在破冰的时候收进耐压壳和和非耐压壳之间,外面用自动启动的盖板将舵孔封闭,因此也就不存在围壳舵那样破冰时的易损的缺陷。

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ag亚游真人视讯不过这也不是绝对的,比如为了解决围壳舵在核潜艇破冰时易损的问题,美国人就设计了一种围壳舵转动机构,在破冰时能把围壳舵转动90度角。这样不仅减少了围壳舵垂直方向的受力面积,同时也增加了垂直方向的承力强度,从容解决了围壳舵在破冰时容易破损的问题。但是现代核潜艇的指挥塔围壳的发展趋势是要减小高度和体积的(来减小水下航行的阻力、流体噪音),而围壳舵的转动机构又必须要占用一定的空间,因此如果再在不断缩小体积的围壳内安装转动机构将是越来越难的,所以近些年来美国的核潜艇又转而采用类似台风级的传统艏水平舵布局。台风级核潜艇改回传统艏水平舵有其先天有利条件。由于采用双壳体的艇体结构,台风级的耐压壳和非耐压壳之间存在着相对较大的舷间空间,可以很容易地将艏水平舵的转动机构设置在耐压壳和非耐压壳之间,这样的设计对潜艇的耐压壳结构的影响相对要小很多,而且也有效利用了双壳体潜艇的舷间空间,可谓是一举两得。相比较美国的核潜艇则由于绝大多数采用单壳结构,耐压壳直接裸露在外,如果采用艏水平舵布局的话,会对耐压壳的结构产生较大的影响,这也是以往美国一直主要采用围壳舵的原因之一。当然台风级战略核潜艇重新换回传统艏水平舵还有另一个原因,那就是传统艏水平舵能更靠近潜艇艏部,离潜艇的重心较远,因此摆舵时候产生的力矩会更大,可以转动很小角度,来实现较大的潜艇航行状态的调整,这对于体积偏大的台风级来说意义重大。而围壳舵因为布置在潜艇的指挥塔围壳上,因此离潜艇重心更近些,产生的力矩要小于传统艏水平舵。美国人想到将指挥塔围壳布置得尽量靠近潜艇的艏端,不过要达到相同的调整能力,舵面偏转还是会相对更大一些。其实除了苏/俄之外,在潜艇上同时使用过围壳舵和传统艏水平舵的还有法国(常规潜艇使用传统艏水平舵,核潜艇使用围壳舵)。这主要由于法国核潜艇的活动海域一般偏南,遇到破冰上浮的情形极其罕见。而相比之下,英国的攻击核潜艇和战略核潜艇因为基本都活动在北大西洋水域,遇到破冰上浮的几率要比法国更大,所以无一例外地都使用了传统艏水平舵。当然英国不使用围壳舵还有另一个原因,那就是其光电技术要比法国落后不少,因此为了避免指挥台围壳内变得更加拥挤,故也没有使用围壳舵。

ag亚游真人视讯关于围壳,其实还有最后一个问题——是否有必要取消这么个玩意。从降低核潜艇水下航行时的阻力和噪音,以及提高核潜艇操纵性能方面来说,取消围壳无疑是核潜艇设计上的上上之选。但为何各国海军吵吵嚷嚷这么些年都没有取消呢?一方面核潜艇上的许多设备仍需要指挥台围壳来放置,除了众多的桅杆之外,俄罗斯的潜艇救生球、美国的潜艇模块化武器和一些特殊声呐(如测冰声呐)也都是安装在围壳内的;另一方面核潜艇的水面航行仍旧需要它,比如我们就常常可以在围壳上看到一些透明的航行观察窗和不透明的透声窗。虽然取消围壳暂时做不到,但各国还是做了不少减阻降噪的工作,除了上面所提的流线型围壳外,目前较为常见的还有填角和取消围壳的阶梯状设计等。

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谈完了前面的舵,当然也得谈谈后面的舵。苏/俄大多数核潜艇采用的都是传统的十字型艉舵,其中艉水平舵用于控制潜艇的俯仰姿态和上浮/下沉运动,艉垂直舵则用于控制潜艇的航行方向。一般苏/俄核潜艇艉垂直舵中的上舵会高过后甲板平面,这样做的好处,一是可以利用上下两个垂直舵不对称的构型所产生的力矩,来抵消指挥台围壳所产生的力矩,另一方面则是便于核潜艇破冰上浮。而目前在俄罗斯最新的“北风之神”级955A型战略核潜艇上,还出现了955型所没有的艉水平舵两端端板,其目的并不是为了增加艉垂直舵的作用,而是用于增强核潜艇航行时的稳定性。相比俄罗斯人的“保守”,美国人在其最新的“哥伦比亚”级战略核潜艇上则大胆采用了以往只有常规潜艇敢用的X型艉舵。X型艉舵的好处是,一可以使每个操纵面都有较大的长度,而又不会超过潜艇靠岸时与岸壁相撞的限制边界;二是充分发挥水下两个舵面在潜艇水面航行时的作用,从而有助改善潜艇的水面操纵性能;三则是在某一个舵杆被卡住时,能够及时消除潜艇的继续下潜或上浮运动;四也是最重要的,其45度角布置可以有效散射敌方主动声呐发出的声波。但其缺点也很明显,即X型艉舵需要为4个操纵面分别独立设置操纵装置,会降低艉舵控制可靠性及潜艇安全。除了上面所提到的之外,有网友也提到了关于核潜艇下潜深度的问题。一般而言核潜艇的下潜深度当然越大越好,因为这样不仅有利于减少反潜飞机用磁探仪发现潜艇的可能性,还有利于延缓螺旋桨空泡的出现从而降低螺旋桨噪音,以及增大核潜艇通过反潜区的成功几率等。但核潜艇下潜深度过大也会带来不少其他问题,比如不仅会对耐压艇体的承压能力有着更高要求,还需要提高所有承受舷外海水压力的系统(如疏水系统)和一些密封件的承压能力等。苏联在刚开始建造A级攻击核潜艇时,就曾计划将下潜深度定为600米,但随即便遭到了造船部门的大力反对。苏/俄核潜艇的解决办法主要是尝试采用钛合金材料来制造艇体,因为钛合金具备高强度、重量轻、低磁性(便于降低被磁探仪发现的概率)和耐腐蚀的优点,用来制造耐压艇体正好能够有效降低核潜艇的排水量和增大核潜艇下潜深度等。不过用钛合金来制造艇体也会有一些技术问题,比如钛合金焊接时必须要用惰性气体防护好正在冷却的焊缝金属及其相邻的母材区域,但这容易会使焊缝本身和焊缝周围部分产生脆性并导致裂缝。此外钛合金昂贵的材料费用以及对加工工艺的较高要求,也造成了造船厂在制造核潜艇时,一般难以批量生产钛合金艇体。例如在苏/俄核潜艇中,P级和M级都只建造了1艘,而A级和S级也不过分别建造了6艘和4艘。相比“战斗民族”在核潜艇制造上的“敢拼敢闯”,美国人就显得保守得多了,干脆是直接不用钛合金来制造艇体,当然这可能也跟“长尾鲨”号沉没以后他们对追求核潜艇过高极限下潜深度的谨慎取态有关。

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总的来说,由于影响核潜艇性能的技术因素实在太多,而且水下作战的环境也过于复杂,各个国家的海军往往只能根据作战的具体要求,来对核潜艇的各种技术取向进行优化抉择,这也导致核潜艇的设计从来没有出现过所谓的最佳标准,有的只是随着时代进步所带来的设计思路的不断开放,这一点在艉舵和指挥台围壳的形态选择上尤为明显。

 

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