減小常規潛艇排水量的技術途徑分析

吳 軍 劉明靜

中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

0 引 言

常規潛艇以其噸位小、噪聲低、機動性好、造價低廉、建造周期短等特點，成為世界各國海軍近海防御的主戰裝備，受到各國海軍的青睞。常規潛艇的“減肥瘦身”，減小排水量是提高常規潛艇總體性能的主要技術途徑。

常規潛艇作為一個完整的全武器系統，在其狹小的密閉空間內，需集成具有各種功能、性能、物理特性各異而又相互關聯的設備或系統，并組成一個有機的整體，因此，這些系統、設備在一定程度上決定著潛艇的重量和排水量。

為了提高作戰能力，現代潛艇要求攜載的武器數量和種類越來越多，所使用的武器除裝備傳統的魚雷、水雷外，還要求能夠裝備各類反艦導彈，以及配備水聲對抗裝置和先進的信息處理設備，從而使得此類設備所占用的艇內空間不斷增加，要求的艇體尺度不斷加大，結果導致船體結構重量大幅增加，致使艇的排水量也大大增加。為保證和提高航速與水下連續潛航續航力，又要求增大主機功率，這將導致主機及其輔機的尺寸和重量不斷增長，進一步增大了艇的排水量。此外，由于主尺度加長導致目標強度增大，因而在隱身性設計中又不得不增加隔振和減振降噪設備的重量。由此可見，在現代潛艇的總體設計中，如果只做“加法”不做“減法”，最終必然會帶來艇的排水量的“惡性”增長。常規潛艇的機動性、經濟性和隱蔽性等綜合性能降低，最終必會導致常規潛艇綜合能力的降低。

探討常規潛艇的“瘦身”技術，減小常規潛艇的排水量，實現常規潛艇的小型化、自動化、信息化和低噪、高效，提高常規潛艇的總體能力具有重要的軍事意義［1-2］。本文將主要通過分析國外常規潛艇的載荷情況和影響常規潛艇排水量的主要因素來探討常規潛艇排水量控制的主要技術途徑。

1 各國潛艇排水量發展趨勢

1.1 各國常規潛艇排水量現狀

當前世界上有代表性的先進的常規潛艇主要有德國的212A型潛艇［3］，俄羅斯的“拉達”級（“阿穆爾”1650型）潛艇［4］，法國的“鲉魚”級潛艇和瑞典的A19潛艇［5］等，其總體參數和排水量分別如表1和圖1所示。

表1 幾型常規潛艇總體參數比較Tab.1 Dimensions comparison among some typical conventional submarines abroad

圖1 幾型常規潛艇排水量對比圖Fig.1 Displacement comparison among some typical advanced conventional submarines abroad

由表可以看出，現代世界先進常規潛艇的正常排水量約為1500～1700 t，水下排水量約為1600～2000 t，水下最大速度約為20 kn。

1.2 國外潛艇排水量控制技術的現狀

1）美國潛艇的“減肥瘦身”計劃。

以美國為代表，其最新的“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇首航還不到一年，就又開始了一項新的名為“Tango-Bravo”的攻擊型核潛艇研究計劃，該計劃致力于研究一種排水量更小、設備小型化程度高、信息處理能力強、自動化水平先進的新型攻擊型核潛艇。

從“海狼”級到“弗吉尼亞”級，再到“Tango-Bravo”計劃，美軍潛艇越來越趨向于小型化設計。“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇就是在原“海狼”級的基礎上強調“廉價、多能”，并通過設備、系統的模塊化與小型化設計，減小體積和造價來研發建造，但新一代的核潛艇將更加“迷你”。

美國的“Tango-Bravo”計劃由美海軍和國防預先研究計劃局共同發起，預計為期4年，共耗資9700萬美元，將致力于5大關鍵的潛艇技術領域研究：

（1）無軸推進技術；

（2）潛艇壓力殼外儲存和發射武器技術；

（3）艇體共形技術；

（4）簡化潛艇外殼、機械和動力系統的基礎結構；

（5）自動化指揮控制中心。

據稱，如果這些先進技術都被攻克，美軍將迎來新一代的攻擊型核潛艇，與建造中的“弗吉尼亞”級相比，新潛艇的尺寸和費用均將減小一半左右，但作戰能力卻不相上下。

2）俄羅斯潛艇改變傳統設計觀念，減小排水量。

俄羅斯非核動力潛艇的發展走過了一條漫長的道路，在俄海軍和潛艇發展中發揮了重要作用。共發展了4代常規潛艇，第1代是W級和Z級，第2代是R級和F級，第3代為T級和K級，第4代是“拉達”級。

從表2可以看出，俄羅斯常規潛艇從第1代W級（排水量1050 t）到第3代636型（排水量2350 t），其間還有2，3代之間的過渡型T級潛艇（排水量達2750 t）（圖2），每型潛艇排水量的增加都是為了其使命任務或新技術的應用而增加，如Z，F，T級潛艇都是遠洋作戰大型魚雷攻擊型潛艇，有的續航力達到了30000 n mile，自持力90天，在當時是具有戰略威懾力的潛艇。隨著主要對抗國家核潛艇的出現，以及反潛技術的發展，于上世紀70年代，俄羅斯的柴電潛艇便不再承擔戰略任務，不再將它看作是大洋交通線上的斗爭工具，其主要任務是海軍基地的防潛和在己方艦隊主要力量展開區域里進行巡邏。因此，又研制了具有海洋“黑洞”之稱的第3代常規K級潛艇。在K級潛艇上，注重了減振降噪技術的應用，同時還將自持力降為了45晝夜，并采用了先進的艇型來提高水下航速，其排水量達2300 t。至20世紀90年代，第4代常規潛艇的排水量控制問題仍是困擾俄羅斯潛艇設計的問題。從“拉達”潛艇的參數來看，俄羅斯改變了其傳統的潛艇設計理念，首次采用了西方國家海軍一直采用的單殼體結構形式，下潛深度減小到了250 m，并貫徹了設備小型化、模塊化和集成化等設計思想，排水量減少了近600 t，控制至1765 t。

表2 俄羅斯幾代潛艇性能對比Tab.2 The performance comparison among different types of Russian conventional submarines

圖2 俄幾代潛艇排水量對比圖Fig.2 Displacement comparison among different types of Russian submarines

因此，可以看出，常規潛艇發展到一定的階段后，排水量的繼續增大將制約其綜合作戰能力的提高，必須加以控制。

2 潛艇載荷組成及分析

常規潛艇的正常載荷組成部分一般分為9組：第1組，船體；第2組，船舶裝置；第3組，艙室和甲板設備；第4組，動力機械和管路；第5組，船舶系統；第6組，電氣和觀察通信設備；第7組，武器裝備和防護裝置；第8組，備品及供應品；第9組，儲備品和艦員。每組載荷與正常排水量之間的比稱之為載荷系數，據《潛艇設計》［6］中對核/常規潛艇的載荷組成分析，各組載荷系數如表3所示。

表3 潛艇的載荷組成Tab.3 The components of submarine loads

由表3可以看出，占常規潛艇正常排水量的主要部分為結構和動力裝置的重量，結構重量約占40%；動力裝置，如第4組和第6組載荷之和（柴電＋推進）約占正常排水量的20%～30%，并且其布置約占全艇50%的艙室容積；船舶裝置和系統的重量約占全艇的10%，但其布置約占20%的艙容；電子武備的重量雖占全艇的比例較小，但其布置約占20%的艙容。

因此，“減肥”最有效的途徑就是從結構和動力裝置著手，提高功率密度，優化艇體結構；“瘦身”則從船舶系統和電子武備著手，提高系統集成度，整合功能和資源，優化配置和使用流程，提高可靠性，減少設備和人員。

3 影響潛艇排水量的主要因素分析

3.1 動力裝置

動力裝置的先進性可用功率密度來反映。從潛艇布置來看，動力裝置約占全艇50%的艙室容積，載荷約占30%。因此，動力裝置的小型化是實現潛艇小型化的前提。

1）AIP系統

212A潛艇是具有代表性的德國新型常規潛艇，其AIP系統裝備由9塊燃料電池［7］組成（每塊功率34 kW），總功率306 kW，電池能量轉換效率62%。該燃料電池模塊尺寸小、重量輕、功率密度高，液氧攜帶量為15 t，金屬氫化物儲氫1.8 t，能保證潛艇在水下以3 kn的速度航行20晝夜，或者在4～5 kn的航速下續航力為1250 n mile。

瑞典斯特林熱氣機發電機組的單機功率為65 kW，熱氣機能量轉換效率僅30%（為燃料電池效率的一半）。整套系統需裝備液氧罐（液氧攜帶量取決于AIP的續航力），使用專用燃油。

斯特林熱氣機、發電機組與燃料電池相比，同樣的能量產出，燃料電池系統功率密度是熱氣機的1.53倍，系統功率與其所占潛艇的布置容積比是熱氣機的3.72倍，如表4所示。因此可以看出，斯特林熱氣機系統重量大，其裝置及設備布置所需的容積也大，而熱氣機功率則約為燃料電池的1/2。從功率密度的角度考慮，差距更大。圖3所示為212A潛艇燃料電池系統布置圖。其燃料電池系統重量輕，占用容積空間較小，且該艇為單、雙混合殼體結構，液氧罐和儲氫罐布置在舷外，充分利用了舷外空間。

2）柴油發電機組及推進電機

德國212A潛艇裝備有2臺MTU16V396柴油發電機組，永磁電機額定功率2850 kW，額定轉速150 r/min。該電機不僅重量輕、體積小，還大大降低了高速工況下的噪聲（圖4）。據此推算，功率密度為91.94 kW/t。

表4 AIP系統對比表Tab.4 The comparison of AIP systems

圖3 德國212A潛艇布置圖Fig.3 The layout plan of Germany 212A submarine

圖4 212A潛艇永磁電機布置圖Fig.4 The layout of permanent magnetic propulsion motor in 212A submarine

“拉達”級潛艇裝備有2臺2000 kW的柴油發電機組和1臺額定功率為4100 kW的永磁推進電機，該電機尺寸約為3100 mm×3000 mm×4000 mm，體積約為37.2 m3，重量49 t（該尺寸重量均含控制部分），功率密度83.67 kW/t。

二者的對比如表5所示。

表5 永磁電機對比Tab.5 The comparisons of two permanent magnetic propulsion motors

自二戰到現代，柴電潛艇共經歷了60多年的發展，按照動力形式及技術發展，常規潛艇共發展了4代。從俄羅斯第4代潛艇的動力裝置來看，柴油機由3臺向2臺轉變，單機功率的提高，說明常規潛艇的設計理念由以水面航行為主轉為以水下航行為主；螺旋槳由多槳變為單槳，蓄電池由4組變為2組，水下蓄電池續航力的提高，說明蓄電池技術發展了，蓄電池容量提高了。俄羅斯4代常規潛艇動力裝置的主要性能如表6所示。俄羅斯海軍不同代柴電潛艇柴油機與推進電機功率之比的變化如圖5所示。

表6 俄羅斯柴電潛艇動力裝置主要性能Tab.6 The main performance of Russian conventional submarine power

圖5 俄羅斯不同代柴電潛艇的柴油發電機與推進電機功率之比的變化趨勢Fig.5 The ratios of generator power to propulsion power of different Russian conventional submarines

由圖5可以看出，隨著潛艇技術的發展，不同時期柴電潛艇的柴油發電機組與推進電機的功率之比呈減小的趨勢。其中877ЭКМ型潛艇的柴油發電功率不足，造成蓄電池充電時間增加及充電時航速受限，這是由于當時缺少所需的柴油發電機，而在636型潛艇上則安裝了功率較大的柴油發電機。

由表7可以看出，當代世界先進的常規柴電潛艇的柴油發電機與推進電機功率之比一般在0.7左右，由于動力裝置對排水量的影響較大，因此，合理地配置動力系統，提高單機功率密度對控制排水量具有積極的意義。

表7 世界具有典型意義的常規潛艇動力配置表Tab.7 The typical conventional submarine power scheme

3.2 船體結構

由表3可知船體結構重量約占潛艇正常排水量的37%～38%，是潛艇載荷的重要組成部分。因此，控制船體結構重量增長是控制排水量并保持常規潛艇優勢的重要舉措之一。

船體結構載荷由耐壓船體結構、輕殼體結構、艙室間隔壁、內部船體結構、耐壓液艙、基座和加強等組成，船體的載荷占潛艇排水量的比例如表8所示。

表8 船體結構組成占潛艇排水量的比例Tab.8 The components of hull construction and their ratio in total displacement

其中，耐壓船體結構約占船體結構的50%，約占潛艇正常排水量的20%，為潛艇排水量的主要組成部分。耐壓船體結構的重量與潛艇的潛深、耐壓船體的直徑和材料有關（圖6、圖7）。在潛深和材料相同的情況下，單位容積耐壓船體的重量隨耐壓船體直徑增大而減小，同時，耐壓船體的重量與艙室長度也密切相關，艙室長度越長，由于加強的原因，耐壓船體的重量會隨之增加，可表達為：

式中，W表示耐壓船體重量，t；V表示耐壓船體容積，m3；R表示耐壓船體直徑，m；l為艙室長度，m。

圖6 不同艙室長度下單位容積的耐壓船體重量（容重比）與艙室直徑的關系Fig.6 The law between pressure hull weight and diameter in unit volume for different cabin length

圖7 不同材料單位容積的耐壓船體重量（容重比）與潛深的關系Fig.7 The law between pressure hull weight and dive depth in unit volume for different material

因此，根據常規潛艇的作戰海區及其使命任務，合理選取潛艇的極限下潛深度，綜合權衡潛艇的綜合性能，減小耐壓船體直徑，是潛艇小型化的重要途徑。

3.3 潛艇觀察通信設備和武器控制設備

潛艇的第6組載荷除去推進電機、蓄電池等電氣設備的載荷之后，觀察通信設備約占潛艇正常排水量的2.5%～3%，武器控制設備及防護裝置的重量約占潛艇正常排水量2.5%～3%（其中魚雷發射管為1.8%）。雖然這部分設備均由電子設備組成，其載荷占潛艇正常排水量的比例并不大，但由于這些電子設備的數量較多，在布置上約占潛艇30%的鋪板布置面積。同時，由于大部分設備都需要人員操控，而艇員的數量與潛艇的臺位有著直接聯系，艇員越多，臺位便越多，潛艇的床鋪和生活設施相應地也會增加，從而增加潛艇排水量［8］。

隨著潛艇自動化技術，特別是信息化技術的發展，利用網絡技術將相關系統集成，將部分功能軟件化，減少功能重疊，減少設備和臺位，以全船信息共享、資源統籌、功能整合的集成優化設計為設計手段也是常規潛艇“瘦身”的主要技術途徑之一。

德國212A潛艇的自動操縱系統使得潛艇與武器系統和平臺系統的聯合操控成為可能。在中心操縱臺上，可實現集中操縱控制，在日常工作中，潛艇操縱僅需3人操作，人員編制僅需27人，潛艇正常排水量1450 t?！袄_”潛艇較636型潛艇有較大提高，中央戰位操縱臺可對艇的設備和武器系統實施集中、統一的自動化控制，人員編制35人，潛艇正常排水量1765 t。

3.4 輔機設備

船舶系統是潛艇的保障，其設備品種和數量繁多，布置貫穿全艇，也是構成潛艇載荷的主要組成部分。輔機設備的大小與潛艇的布置密切相關。同時，輔機設備與潛艇的噪聲及潛艇的潛深有著直接聯系，不同使命任務的潛艇需要選擇不同的輔機設備。因此，功能不同、大小不同的各種輔機設備的配套是潛艇設計的基礎，潛艇低噪聲、大深度、小型化、多功能的設備配套體系的建立對潛艇的設計具有重要意義。

目前，現代船舶技術迅速發展，民用技術在許多領域已有創新和廣泛的應用。建立一種轉化機制，將其他行業的先進技術和設備進行適應性試驗和轉化，是實現潛艇技術快速提高的重要途徑之一。

3.5 新技術的應用

目前，世界潛艇先進技術不斷發展，無軸推進技術由于減少了軸系和推進電機等設備，不僅可以降低潛艇噪聲，還可大幅減少潛艇重量，潛艇的尺度也相應縮短。潛艇共型技術是使潛艇的聲吶和裝置等與潛艇的外形共型，這可減少設備所占用的潛艇容積空間，減小潛艇容積。復合材料、高強度材料等的應用可有效減小潛艇結構和裝置的重量，可實現潛艇高性能、低重量的目標。武器外置發射技術可減少武器艙室存放空間，減小潛艇的重量和容積［9-10］。

因此，潛艇新技術的應用是減小潛艇排水量的突破口，也是實現潛艇性能快速提升的重要途徑之一。

4 結 語

通過上述對比分析認為，為了提高潛艇總體性能，常規潛艇排水量的控制應以提高動力裝置的功率密度和優化潛艇結構為重點，以小型的低噪聲、多功能配套設備為基礎，以信息集成、資源統籌、功能整合的集成優化設計為手段，以新技術應用為突破口，以有效控制常規潛艇的排水量或實現潛艇小型化。

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