潛艇模塊化設(shè)計與建造

朱宙宇，滕大偉，國占東，王志鵬

(1.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064;2.海軍××工程辦公室，北京 100841)

0 引言

潛艇設(shè)計與建造是一項非常復雜的系統(tǒng)工程，傳統(tǒng)研制模式下，潛艇從設(shè)計至首艇交付使用所需的周期較長，一般不少于10年;潛艇建造工作被限制在狹窄的艙室內(nèi)進行，工種混雜，人員擁擠，專業(yè)干擾，工人的工作環(huán)境差，生產(chǎn)效率低，建造質(zhì)量難以得到有效提高。另一方面，潛艇從設(shè)計開始到服役期結(jié)束大約要經(jīng)歷40年的時間，而現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展使電子、武備的壽命周期縮短到5～10年，所以在潛艇服役期內(nèi)必須對性能落后的電子、武備進行2～3次的現(xiàn)代化改換裝。采用傳統(tǒng)方法研制的潛艇，改換裝工程難度大，工藝復雜，工程周期長。

隨著傳統(tǒng)研制方式越來越難以適應新形勢下潛艇的研制需求，迫切需要對其研制模式進行改進和提高，而采用模塊化方式是當今世界潛艇研制模式的主流發(fā)展方向。

20世紀80年代，蘇聯(lián)已經(jīng)在其潛艇的設(shè)計與建造中開始應用模塊化技術(shù)，潛艇所配備的武備與電子系統(tǒng)可以在短時間內(nèi)迅速得到更換，使?jié)撏У膱?zhí)行任務能力在短期內(nèi)得到變換。美國在“海狼”級潛艇的設(shè)計與建造中已全面采用了模塊化技術(shù)，根據(jù)潛艇的可生產(chǎn)性制定了模塊化建造設(shè)計準則。繼“海狼”級潛艇后又在“弗吉尼亞”級潛艇的總體設(shè)計上采用了模塊化設(shè)計方法，該級艇不但在動力控制、武器等方面采用模塊化的獨立艇體結(jié)構(gòu)，還可根據(jù)執(zhí)行任務的不同，裝配不同的任務功能模塊，組成不同類型的潛艇，大大縮短了設(shè)計周期，提高了潛艇設(shè)計的適應能力。

“弗吉尼亞”級核潛艇模塊化研制典型的部分過程見圖1～圖2。

1 模塊化研制方式相對傳統(tǒng)方式的優(yōu)點

1.1 模塊化的定義

不同行業(yè)針對不同類型的研究對象，模塊化的定義和理解存在較大差別。對于潛艇研制而言，模塊化是指將潛艇總體的各系統(tǒng)、設(shè)備按區(qū)域、功能分解為具有功能相對獨立的模塊，對這些模塊之間的連接界面實施標準化。這樣，各自獨立的功能模塊在滿足連接要素標準化的前提下，可以不斷發(fā)展，根據(jù)科技進步的速度不斷提高模塊的性能及互換性，變傳統(tǒng)的串行作業(yè)為并行作業(yè)，最終有效綜合成適應外來威脅不斷變化及科學技術(shù)不斷進步的潛艇。它是提高設(shè)計效率、縮短設(shè)計周期以及提高建造速度和改進建造質(zhì)量的有效措施，也是潛艇設(shè)計和建造技術(shù)的發(fā)展方向。

1.2 模塊化研制方式的優(yōu)點

與傳統(tǒng)研制模式相比，潛艇模塊化設(shè)計和建造具有十分明顯的優(yōu)越性:

1)模塊化設(shè)計技術(shù)能有效提高潛艇總體的優(yōu)化程度。潛艇模塊化技術(shù)的優(yōu)化對象是由多個平臺和多個功能模塊組成的裝備序列，可實現(xiàn)跨產(chǎn)品系列和跨功能模塊的全局最優(yōu)，與傳統(tǒng)的潛艇研制模式相比，優(yōu)化的范圍更廣、層次更高，能取得更大成效。

2)模塊化技術(shù)能有效縮短裝備的研制周期。對于模塊化潛艇的研制工程而言，如能有效依托現(xiàn)有系列化平臺和種類齊全的功能模塊庫，產(chǎn)品研制進度就能大大加快，實現(xiàn)快速開發(fā);另外，由于平臺研制和功能模塊研制進度的并行度得到提高，整個工程的研制進度也得到有效提高。

3)模塊化技術(shù)能有效提高裝備維修保障和現(xiàn)代化改換裝的便利性。由于制定了標準的接口界面，使得平臺和模塊之間具有良好的獨立性和組合性，能通過更換模塊方便的進行現(xiàn)代化改換裝，較好解決了平臺和作戰(zhàn)系統(tǒng)之間的壽命期差異問題。

2 潛艇模塊化設(shè)計

開展?jié)撏K化設(shè)計，工作流程主要包括模塊化頂層設(shè)計，總段劃分，模塊設(shè)計，大型模塊的進艙工藝及專用工裝具設(shè)計，總段合攏設(shè)計。

2.1 模塊化頂層設(shè)計

作為潛艇的模塊化頂層設(shè)計，其所承擔的主要任務是通過選擇合適的功能模塊并進行優(yōu)化組合，以實現(xiàn)用戶對該型號產(chǎn)品下達的全部戰(zhàn)技指標，在開展?jié)撏K化頂層設(shè)計中應遵循以下原則:

1)以實現(xiàn)潛艇戰(zhàn)技指標為目標;

2)以模塊化建造需求為導向;

3)構(gòu)建的模塊化體系結(jié)構(gòu)應具備相對的穩(wěn)定性;

4)構(gòu)建模塊化體系結(jié)構(gòu)的模塊應具備可擴展性。

2.2 總段劃分

對于潛艇的模塊化設(shè)計和建造而言，總段劃分是實現(xiàn)模塊化建造的起點和基礎(chǔ)，必須確定合適的總段劃分原則和方法，為下一步的設(shè)計和建造建立基礎(chǔ)。

2.2.1 總段劃分的原則

1)工藝性原則

總段劃分方案的工藝性需要滿足模塊安裝和試驗要求、滿足規(guī)定的建造精度、結(jié)構(gòu)的建造工藝合理、船廠生產(chǎn)能力(起重、運輸?shù)?滿足總段建造要求。

2)經(jīng)濟性原則

總段劃分方案的經(jīng)濟性主要體現(xiàn)在總工時、船臺周期和船臺占用面積、所要求的新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備的投入、現(xiàn)有設(shè)備的利用率等幾個方面。

2.2.2 總段劃分的方法

采用模塊化建造的潛艇總段與單純的結(jié)構(gòu)總段相比有較大區(qū)別，因此對潛艇進行總段劃分要考慮一般要求外，還需要按照以下方法來開展總段劃分:

1)含有特殊要求模塊的區(qū)域適宜整體劃分作為單獨的總段進行建造;

2)總段的最大尺寸和重量應適應工廠的轉(zhuǎn)運能力和建造場地的大小;

3)考慮增強結(jié)構(gòu)剛性，尤其是無艙壁的端口部位剛性的措施;

4)總段合攏縫的設(shè)置需兼顧附近區(qū)域設(shè)備布置和后期施工操作空間需求;

5)為提高艇體合攏精度，在滿足各模塊布置和安裝要求前提下，總段的數(shù)量要盡可能減少。

2.3 模塊設(shè)計

根據(jù)設(shè)計對象所處的不同階段，潛艇模塊可分為功能模塊和區(qū)域模塊。一般說來，為滿足潛艇的設(shè)計、施工建造至服役、現(xiàn)代化改換裝需求，模塊應具有獨立性、功能性、兼用性、組合性、可維修性等特點。

2.3.1 模塊設(shè)計的原則

1)以平臺為基礎(chǔ)

在模塊設(shè)計之前首先應明確模塊的應用平臺，即模塊的應用對象和安裝環(huán)境及相關(guān)約束條件等。

2)以功能為導向

獨立實現(xiàn)某種功能是模塊的自身特點之一，也是模塊設(shè)計的根本目標，模塊功能確定后，模塊內(nèi)主要子模塊及部件等的選取應緊緊圍繞實現(xiàn)模塊功能來開展。

3)以戰(zhàn)標為準則

是否達到模塊的功能指標是評判模塊設(shè)計成敗的最基本也是最具有決定性的因素，模塊設(shè)計必須達到其相應的戰(zhàn)技指標。

4)以建造為需求

模塊化設(shè)計的一個重要目標是實現(xiàn)模塊的整體安裝和調(diào)試，各總段并行建造，縮短建造周期、提高建造質(zhì)量和便于現(xiàn)代化改換裝，模塊設(shè)計應滿足模塊化建造工藝的需求。

5)以“三化”為手段

模塊的整體性、兼用性、組合性等特點需要通過模塊的標準化、系列化、通用化設(shè)計手段來實現(xiàn)。

2.3.2 模塊設(shè)計的方法

模塊設(shè)計涉及的主要環(huán)節(jié)和流程見圖3。

圖3 模塊設(shè)計基本流程示意圖Fig.3 The flow chart of modular designing

2.4 大型模塊的進艙工藝及工裝具設(shè)計

在完成總段劃分及模塊設(shè)計后，需對大型模塊或設(shè)備的進艙安裝和專用工裝具開展研究和設(shè)計。模塊進艙工藝及工裝具設(shè)計是潛艇模塊化設(shè)計和建造技術(shù)中工藝設(shè)計研究的關(guān)鍵，進艙方案的合理性和可行性是潛艇總段和模塊劃分的主要目標和檢驗依據(jù)。

2.5 總段合攏設(shè)計

總段對接區(qū)域設(shè)備安裝通常采用以下步驟:

總段對中合攏→大合攏縫焊接→對接區(qū)域結(jié)構(gòu)(平臺、嵌補板等)安裝完整→管系連接、電纜拉敷→模塊和散件設(shè)備安裝。

總段對接區(qū)域設(shè)備布置的基本要求是保證總段合攏過程中，合攏區(qū)的各種設(shè)備、管路和電纜等能按照預定的工藝流程順利安裝。總段對接區(qū)域設(shè)備布置的原則有:

1)滿足大合攏焊縫及相關(guān)結(jié)構(gòu)焊接作業(yè)空間要求;2)滿足總段間管路對接作業(yè)空間要求;3)滿足電纜盤放和拉敷作業(yè)空間要求;4)對接區(qū)域設(shè)備或模塊單件重量不得超過艙內(nèi)吊裝工具的額定載荷;

5)對接區(qū)域設(shè)備或模塊應易于拆裝。

3 潛艇模塊化建造

潛艇模塊化建造的工藝流程見圖4。

3.1 船體放樣下料、各總段結(jié)構(gòu)并行建造

圖4 潛艇模塊化建造工藝流程圖Fig.4 The flow chart of submarine's modular building

對于潛艇總裝廠而言，進行船體放樣下料標志著新一艘潛艇建造的開始。模塊化建造方式下的船體放樣與傳統(tǒng)建造方式下的基本相同。根據(jù)潛艇總段及模塊劃分方案，全艇主要結(jié)構(gòu)被劃分為若干船體總段，各船體總段均作為1個結(jié)構(gòu)模塊在總段合攏之前進行獨立并行建造。

3.2 結(jié)構(gòu)密性試驗

對于模塊化方式建造潛艇的結(jié)構(gòu)密性試驗，目前不同國家采取的方式主要有以下幾種:

1)通過保證焊接質(zhì)量和焊縫檢查的措施來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的密性試驗，即取消結(jié)構(gòu)泵水試驗，該方式一般為歐美國家采用;

2)采用各總段單獨試水的方式進行結(jié)構(gòu)密性試驗，該方法主要為俄羅斯所采用。

3)沿用傳統(tǒng)總體試水方式。

具體密性試驗方法可根據(jù)各自技術(shù)水平和生產(chǎn)模式在以上3種方式中進行選擇。

3.3 各總段模塊及設(shè)備并行安裝

艇體結(jié)構(gòu)水壓試驗及其他相關(guān)密性試驗完畢并拆除密性試驗專用輔助結(jié)構(gòu)后，潛艇建造進入模塊及散件設(shè)備的安裝階段。

一般情況下，模塊及設(shè)備安裝順序需遵循以下3個原則:

1)先內(nèi)后外。指根據(jù)模塊安裝位置距離模塊進艙處距離的遠近，先安裝距離進艙位置較遠的模塊，后安裝距離進艙位置較近的模塊。遵循本條原則的目的是為了使模塊進艙通道不被其他先期安裝的模塊阻擋，確保模塊進艙簡便、可行。

2)先上后下。主要針對含敞開式總段端面的總段或區(qū)域，按自上而下的順序依次安裝上層、中層和下層模塊及設(shè)備。本條原則的出發(fā)點在于考慮模塊縱向進艙時，一般需在其底部設(shè)置臨時支撐和滑軌，需要占用較多的模塊下部空間。按照“先上后下”的順序以便于在模塊縱向進艙時利用下部空間布置模塊進艙臨時工裝及其他輔助設(shè)備。

3)先大后小。“大”、“小”是針對模塊的外形尺寸而言，“先大后小”即首先安裝大型模塊，后安裝小型模塊及散件設(shè)備。大型模塊對進艙通道及安裝空間的需求較大，應優(yōu)先考慮。小型模塊和散件設(shè)備的進艙及安裝相對較為容易，空間需求較小，進艙方式也較為靈活，受已安裝模塊的影響和制約較小，確定安裝順序時適宜設(shè)置在后期安裝。

根據(jù)以上3個模塊安裝順序原則，部份模塊或設(shè)備可能存在不能同時滿足的情況。如某個大型設(shè)備布置在中層或下層，上層布置若干小型模塊和散件設(shè)備，先上后下和先大后小2個原則要求的安裝順序正好相反，在此情況下，對于該大型模塊究竟是先裝還是后裝不能一概而論，需要根據(jù)實際情況來確定。

3.4 總段合攏、嵌補分段安裝

各總段模塊及散件設(shè)備進艙安裝完畢后，開展總段合攏施工。

確定總段合攏的基準總段，其余總段依次移向基準總段與之對中合攏，各總段建造完成后，應分別參照各種裝置或軸中心線修正總段基準，全船合攏時按修正后的基準對中操作，并精確定位裝置基準。

總段大合攏后分別安裝大合攏縫處的龍骨結(jié)構(gòu)和非耐壓船體結(jié)構(gòu)的嵌補部分，安裝內(nèi)部嵌補結(jié)構(gòu)并進行焊接和焊接質(zhì)量檢查工作。

3.5 合攏縫附近區(qū)域模塊及管路、電纜等散件設(shè)備

安裝

根據(jù)總段合攏施工特別是耐壓殼體對接焊接的操作空間需求，跨越總段合攏縫或布置在總段合攏縫附近區(qū)域的模塊和設(shè)備在總段合攏完成前暫不能安裝固定，總段合攏完成后需進行該部份模塊和設(shè)備的安裝定位。同時，按照設(shè)計確定的工藝方案開展不同總段之間管路、電纜的對接安裝工作。

3.6 上建、消聲瓦及舾裝件安裝

在艙內(nèi)設(shè)備安裝完成后，開展可拆板復裝和艙外結(jié)構(gòu)、舾裝件安裝工作。

在總段建造及模塊設(shè)備安裝階段應盡量提高預舾裝率，實施單元組裝、上層建筑整體吊裝、分段涂裝，盡量減少船臺立體交叉施工工作量。

下水前完成其余船體結(jié)構(gòu)舾裝件和機電設(shè)備系統(tǒng)管路、電纜等安裝工作，保證在船臺上達到最大完成率。

3.7 下水、碼頭舾裝、系泊試驗、航行試驗及交艇

船臺建造工作完成后，將艇下水并停靠碼頭。下水后同步開展碼頭舾裝和系泊試驗。在潛艇正式交付海軍使用前完成系泊試驗和航行試驗。

4 模塊化研制方式的技術(shù)難點

模塊化研制方式雖然有諸多優(yōu)點，但其相對傳統(tǒng)方式也帶來了若干新的問題和技術(shù)難點需要攻克和解決:

1)模塊化設(shè)計技術(shù)

作為一種全新的設(shè)計模式，潛艇模塊化設(shè)計與傳統(tǒng)方式存在較大差異，在其建立之初一般不可能達到能成熟應用的水平，需隨著理論研究和實際型號研制工作的不斷開展逐步深入和完善。另外，潛艇模塊化設(shè)計對三維設(shè)計和虛擬裝配等技術(shù)手段的依賴性更強，與建造工藝的關(guān)系也更為密切。

2)模塊化建造工藝

模塊化建造工藝在帶來并行建造和提高建造安裝環(huán)境條件的同時，需要大量新型工藝技術(shù)的支撐，如總段合攏技術(shù)、艇體結(jié)構(gòu)變形精度控制技術(shù)、主干電纜連接技術(shù)和大型模塊進艙技術(shù)及其工裝具研制技術(shù)等。

3)模塊化研制模式下的工程組織管理

開展?jié)撏K化研制需建立與其相適應的組織管理系統(tǒng)，打破傳統(tǒng)分工與合作方式，不同部門和專業(yè)需要開展大量協(xié)同設(shè)計，傳統(tǒng)生產(chǎn)關(guān)系需進行重組。

5 結(jié)語

潛艇模塊化設(shè)計與建造技術(shù)的研究和應用，是傳統(tǒng)潛艇研制模式向當代先進模式的一項具有劃時代意義的重大技術(shù)革新和進步，順應了當前世界發(fā)展潮流，是先進設(shè)計制造技術(shù)在潛艇研制中的體現(xiàn)，也是潛艇研制技術(shù)發(fā)展的必由之路。

潛艇模塊化研制方式的實施，必將在確保產(chǎn)品性能和質(zhì)量的前提下，有效的縮短研制和生產(chǎn)周期，降低成本和提高效益，同時它也會加快潛艇技戰(zhàn)術(shù)性能的發(fā)展和提升。

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