巨鯊新生代

陳和彬+郭凱

據(jù)報道，美國海軍已經(jīng)與通用動力電船公司簽訂了設計和建造新一代戰(zhàn)略核潛艇SSBN-X的合同。該合同金額約為20億美元，所設計建造SSBN-X將用來替代已經(jīng)開始老化的“俄亥俄”級戰(zhàn)略核潛艇。近日，美國海軍表示已完成SSBN-X戰(zhàn)略核潛艇設計藍圖——潛艇技術規(guī)范書，其中的技術細節(jié)將為通用動力電船公司開工建造該級新潛艇打下良好的基礎。從采用的技術上來看，新型戰(zhàn)略核潛艇SSBN-X比“俄亥俄”級有了較大改進，有些甚至堪稱革命性的進步。

X形尾舵

SSBN-X的尾舵從“俄亥俄”級的十字形舵換成了X形舵。這是一個很大的改變。一般來說，X形舵在一兩千噸的中小型常規(guī)潛艇上比較流行，像德國212A級、日本“蒼龍”級、澳大利亞“科林斯”級、以色列“海豚”級等常規(guī)潛艇都用的是X形舵。但大型核潛艇卻基本都采用的是十字形舵或其變種，尤其是SSBN-X這種水下排水量近兩萬噸的大型戰(zhàn)略核潛艇，其采用X形舵算是首創(chuàng)了。

采用這種設計主要是可靠性方面的問題。十字形舵由水平操縱面控制上浮下潛，垂直操縱面控制轉向，技術成熟可靠，符合通常的操縱習慣，產生的扭力相對直接，控制起來也比較簡單。而X形舵的全部4個舵面都兼有垂直舵和水平舵的雙重功能，要靠4個舵面的協(xié)調工作來完成潛艇的操縱控制，復雜程度很高。4個舵面必須在集中控制操縱系統(tǒng)的管理下才能正常工作，對操縱系統(tǒng)的計算機化、自動化提出了很高的要求，單憑人工是很難操作的。一旦X形舵的操縱系統(tǒng)失靈，改為備份手操后，舵信人員需要同時手控4個舵面，并在高度協(xié)調下才能完成操舵工作。另外，美國戰(zhàn)略核潛艇處于隱蔽的需要，經(jīng)常要在北冰洋的冰下活動，而十字形尾舵的垂直舵面在破冰時受力面積小，和冰面垂直，能夠承受的力更大，在破冰時相比X形尾舵更不容易破損。所以，即使X形舵是美國發(fā)明的，并早在1959年就在“大青花魚”號潛艇上試驗了這一技術，對其操縱性能十分欣賞，但出于可靠性和安全性考慮，一直沒應用在其核潛艇上。

近年來由于科技發(fā)展、技術改進，X形舵的可靠性和安全性有了長足的進步。在克服諸多缺點的基礎上，X形舵的優(yōu)勢更加明顯了。

首先，X形舵的舵效明顯高于十字形舵。X形舵的4個舵面布置在潛艇尾部的對角線上，因此在不超出艇身尺寸的情況下，舵面可以做得更長。再加上X形舵每個舵面的擺動都能在水平面和垂直面產生操縱力，因此其舵效要比十字舵高出30%～40%。以水平回轉為例，X形舵要比“十字”舵回轉半徑小14%左右，回轉周期減小6%左右。這意味著在航速相同、舵角相同的情況下，裝備X形舵的潛艇縱傾角和深度變化率要更大，在各種航速下的垂直面和水平面機動性也更優(yōu)秀。而十字形舵要想達到和X形舵相同的舵效，就要“超限”，也就是水平舵超出艇體的最大寬度，下方向舵則超出潛艇的底座基線。這樣做會使?jié)撏г陔x靠碼頭、多艇并靠或者在潛艇坐沉海底、坐墩船塢時，導致尾舵受損。由于常規(guī)潛艇經(jīng)常在近海活動，水下環(huán)境復雜，海底的突出物較多，而且作戰(zhàn)時會經(jīng)常采用坐底戰(zhàn)術（將潛艇動力關閉，靜沉在海底），所以X形舵更為適合。

其次，X形舵在高速條件下的機動性更好。由于X形舵比十字形舵的舵葉面積更大、四葉聯(lián)動，潛艇在高速機動時舵葉受力更均勻，急劇變向、變深的效率更高，潛艇攻防戰(zhàn)術運用更加得力。同時，X形舵的穩(wěn)定橫傾角小，在大速度回轉時可以通過差動舵進一步控制整艇的橫傾，實現(xiàn)無縱傾定深回轉。這對于潛艇在水下航行，特別是高速回轉時保證潛艇的橫傾平衡十分有利，也在很大程度上提高了潛艇高速機動下的安全性。另外，X形舵潛艇縱傾角的過渡時間比十字形舵短，振蕩幅值也更小。這對幫助潛艇舵信人員提高操舵正確率、改善潛艇操縱安全性都有較大好處。

再者，X形舵的安全冗余高。十字形舵潛艇在高速航行時，一旦發(fā)生卡舵現(xiàn)象，特別是尾水平舵出現(xiàn)卡舵，容易使?jié)撏г诙虝r內超深（超出極限深度），或者讓潛艇在高速上浮中與水面物體撞擊，從而造成嚴重的安全事故。而X形舵的4個尾操縱面都可以獨立轉動，并都有操縱潛艇垂直、水平面機動的能力，這就提高了X形舵潛艇發(fā)生卡舵時的安全冗余。比如，當X形舵發(fā)生單舵卡時，還有3個舵面可以控制潛艇的航向，對潛艇的安全性影響不大。當發(fā)生概率極低的雙舵卡時，舵信人員可通過操縱反向舵面產生與卡舵舵面相反的力和力矩，實現(xiàn)潛艇的直線定深航行，避免潛艇出現(xiàn)高速超深的現(xiàn)象，保證潛艇在安全深度和安全范圍內可控航行。只有當X形舵的3個舵面同時發(fā)生卡舵才會徹底失效，但這樣的失效概率極低，幾乎可以忽略不計。所以，與十字形舵相比，X形舵的安全冗余高，發(fā)生卡舵時的失效概率低，在安全性上的優(yōu)勢非常突出。

隨著計算機技術和自動控制技術的發(fā)展，X形舵早先操縱復雜的問題也已經(jīng)得到解決，比如美國在“海狼”級和“弗吉尼亞”級攻擊核潛艇上就部分采用了X形舵技術。之所以說是部分采用，是因為“海狼”級和“弗吉尼亞”級攻擊核潛艇的尾舵是在十字形舵基礎上增加了2片X形舵的斜角舵面，形成一個獨特的木字形結構，算是取兩家之長，但也帶來結構重量和系統(tǒng)復雜度增加的問題。因此，這次美國研制SSBN-X便一步到位，直接采用X形舵。

更先進的核反應堆

除了安全性和噪聲控制方面的性能提升外，SSBN-X采用的新型反應堆的最大特點是能持續(xù)運行50年，這一點對于核潛艇來說意義重大。核潛艇上的核動力不是可以無限使用的，因為核反應堆也是有壽命周期的。這個壽命周期主要是指反應堆內裝填的核燃料（堆芯）的使用壽命。核反應堆運行后，核燃料中的易裂變核素（U-235或Pu-239）就在中子流的轟擊下不斷進行裂變反應。隨著核反應的進行，核燃料中的易裂變核素逐漸減少，反應性也逐步降低。當降低到一定程度時，裂變反應將不能維持，就需要重新填入核燃料。比如，美國“洛杉磯”級攻擊核潛艇上使用的S6G核反應堆和“俄亥俄”級戰(zhàn)略核潛艇上使用的S8G核反應堆的使用壽命為10～13年。反應堆達到使用年限后，就要進行中期換料大修，以更換堆芯，給反應堆重新裝填核燃料。endprint

但問題是，核潛艇裝填核燃料可不像其他軍艦加注燃油那么簡單，拉根管子就能進行。核潛艇需要進船廠的專用船臺，先將反應堆位置的耐壓殼體切開，拆除反應堆上方的設備，如屏蔽設備、管路、控制棒驅動機構等，然后再拆除反應堆的頂堆，將整個堆芯吊出來運到專用的換料廠房內，一組一組地慢慢更換核燃料，然后再將新堆芯按照反方向過程裝入潛艇。整個換料過程都是屏蔽操作，相當復雜，所需時間也比較長，比如美國“俄亥俄”級戰(zhàn)略核潛艇的一次中期換料就需要27個月。所以，目前各國新研制的核反應堆都比較注重延長其使用周期。美國為“弗吉尼亞”級攻擊核潛艇研制的S9G核反應堆的使用年限就可以達到25～30年，基本上與艇體同壽命。即一爐料可以用到核潛艇退役為止，這是指核潛艇正常執(zhí)行巡邏值班和訓練任務而言，即有相當?shù)氖褂脧姸取＿@樣就不需要進行中期換料，既浪費時間又浪費大量的人力物力，還消除了更換燃料時造成核輻射的風險。

SSBN-X不直接使用成熟產品，重新設計持續(xù)運行50年的新型反應堆，主要有兩個方面的原因。一是S9G反應堆的功率不夠。該反應堆的最大輸出功率是4萬馬力，用在不到8000噸的“弗吉尼亞”級上符合要求，但對于新戰(zhàn)略核潛艇近20000噸的排水量來說，就帶不動了。水下排水量18000多噸的“俄亥俄”級戰(zhàn)略核潛艇所用的S8G反應堆的最大功率是6萬馬力，因此，為SSBN-X新設計的反應堆的功率很有可能超過6萬馬力。二是S9G反應堆的壽命周期仍顯不足。戰(zhàn)略核潛艇由于造價高昂，服役時間一般都比較長，普遍都在30～40年，像美國目前現(xiàn)役的“俄亥俄”級戰(zhàn)略核潛艇，最早建造的幾艘到目前都已經(jīng)服役超過30年。再加上美國海軍是全球部署，平時的訓練也比較頻繁，核燃料用起來自然比較費。所以，美國核潛艇反應堆的工作年限一般都是取下限。顯然，S9G反應堆25～30年的壽命仍然滿足不了與潛艇同壽命的設計要求，所以才將新反應堆的運行壽命增加到50年。

全電推進系統(tǒng)

據(jù)資料顯示，SSBN-X的推進系統(tǒng)將采用電力驅動方式取代目前汽輪機與潛艇軸系直接機械連接的配置，即全電推進。顧名思義，就是采用電動機直接帶動推進器推動潛艇行進，核反應堆只提供熱量，加熱蒸汽驅動蒸汽輪機。前面這部分和現(xiàn)在的核潛艇一樣，接下來，蒸汽輪機將不是直接連接變速箱，進而帶動軸系驅動螺旋槳，而是與發(fā)電機相連，將蒸汽輪機的機械能轉化為電能，然后再由電動機帶動螺旋槳。

全電推進系統(tǒng)主要有4個優(yōu)點：一是可以大大降低潛艇的輻射噪聲。傳統(tǒng)的核潛艇推進系統(tǒng)是由蒸汽輪機通過傳動軸系（減速齒輪箱）把能量傳遞給螺旋槳。而變速齒輪箱、推進軸等機械機構是產生摩擦、震動噪聲的主要因素。使用電力推進后，就可以去掉齒輪箱、縮短推力軸，核潛艇的機械輻射噪聲必然大大降低。實際上，常規(guī)潛艇之所以輻射噪聲低，就是因為采用電力推進，所不同的是常規(guī)潛艇的電力來自蓄電池，而SSBN-X推進所需的電力是直接來自發(fā)電機。

二是有利于潛艇內部布局。以往核潛艇的螺旋槳需要通過長長的傳動軸與齒輪箱連接，這就限定了動力艙的布局位置必須離螺旋槳近，還得在船舶底部。而且傳動軸還得穿透幾個艙室，還要轉動，不利于水密艙的密封。換用電力推進后，推進發(fā)電機組不一定非要布置在推進軸線上。因此，推進軸系的傾斜角可以減少，推進軸系可以縮短，從而有利于其他設備的布置。電動機與傳動軸連接，軸的長度大大縮短，可更靠近推進器，節(jié)省了大量空間，更有利于裝備布置，可改善艦員的居住條件，工作生活環(huán)境更人性化。

三是推進效率更高。由于無需匹配推進器轉速與輪機轉速，所以推進效率更高，同等條件下可以獲得更高的航程。并且動力系統(tǒng)可以無級變速，運行也更靈活，能較容易地進行動態(tài)制動、倒車和適應海況變化，消除負載瞬態(tài)。

四是推進電機與日用所需的電力都在同一個電網(wǎng)內，可以減少全艇的發(fā)電機組裝機數(shù)量，降低艇體重量和成本。所以，全電推進不僅是水面艦艇的未來發(fā)展趨勢，也是核潛艇推進系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢。

泵噴式推進器

SSBN-X的尾部沒有螺旋槳，只有一個圓柱狀的裝置。該艇將采用噴水推進器，這個圓柱狀裝置就是噴水推進器的環(huán)形導管，導管內部還安裝有定子和轉子。定子為一組與來流成一定角度的固定葉片，用于使?jié)撏膊苛魅朕D子的水流產生預旋，起到均勻來流的作用、改善轉子的進流條件，從而提高潛艇的推進效率、降低推進裝置的噪聲同時用于固定導管。轉子為類似于螺旋槳的旋轉葉輪，通過與水流的相互作用產生推力，推動潛艇達到要求的航速。簡單來說，就是把水從前面吸進去，再通過推進器加壓后噴出，產生推力，推動潛艇前進。噴水推進雖然對于美國來說屬于成熟技術，“海狼”級和“弗吉尼亞”級攻擊核潛艇都采用這一技術，但那都是七八千噸的攻擊核潛艇，在近2萬噸的戰(zhàn)略核潛艇上使用噴水推進技術還是第一次。

相對于螺旋槳推進，噴水推進最主要的優(yōu)點是降噪。推進器噪聲是核潛艇的主要噪聲源之一，普通螺旋槳推進器暴露在艇體外，很容易向水中輻射噪聲。而泵噴推進器的轉子在環(huán)形導管內部，導管可起到屏蔽和吸聲的作用。另外，位于轉子前方的定子可以使轉子進流場更均勻，從而減少轉子的脈動力，降低推進器的線譜輻射噪聲。泵噴推進器旋轉葉輪（轉子）的直徑一般小于螺旋槳，在相同轉速下，泵噴推進器槳葉的旋轉線速度較低，可以降低推進器的旋轉噪聲。國外研究結果表明，低航速下泵噴推進器的低頻線譜噪聲比七葉大側斜螺旋槳小15分貝以上，寬帶譜聲級總噪聲下降10分貝以上。高航速下，泵噴推進器的降噪效果更為明顯。

任務多樣化

SSBN-X的水下排水量比美國現(xiàn)役的“俄亥俄”級戰(zhàn)略核潛艇大了2000多噸，但導彈發(fā)射管數(shù)量卻從24個減少到16個。這個可能是出于美俄下一步核裁軍條約考慮，俄羅斯最新的“北風之神”戰(zhàn)略核潛艇也是16個導彈發(fā)射筒。這種核裁軍條約一般會限制戰(zhàn)略核潛艇攜帶的核彈頭數(shù)量，如果單艇攜帶數(shù)量過多，到時候可能就要削減核潛艇的數(shù)量，所以干脆在建造時把發(fā)射筒的數(shù)量減少下來。另外，美國現(xiàn)役的“三叉戟”ⅡD-5是目前最為先進的潛射彈道導彈，就算是單艇只裝16枚導彈，SSBN-X也是世界上載彈量最大、突擊威力最大、打擊精度最準的戰(zhàn)略導彈核潛艇，可以保證足夠的威懾力。endprint

至于SSBN-X的導彈發(fā)射管數(shù)量減少而水下排水量比“俄亥俄”級大了2000多噸，主要原因有3個方面：一是泵噴推進器比常規(guī)螺旋槳要重2～3倍，而且為保持艇體流線型，艉部進一步拉長；二是推進電機布置會更靠近艇艉，以縮短推力軸的長度和推進效率；三是為配平這種艇體艉部的結構變化，必然在原艇型的縱向穩(wěn)定重心前增加重量和艙段空間，并用來布置新增加的多種武器作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)和改善艇員生活居住環(huán)境。

武器配置上，美國新一代戰(zhàn)略核潛艇SSBN-X除了搭載“三叉戟”潛射彈道導彈和自衛(wèi)用的魚雷外，還可以搭載潛射常規(guī)中程彈道導彈（SLIRBM）、KEI反導攔截彈、巡航導彈和無人機等。這樣一來，SSBN-X既可執(zhí)行戰(zhàn)略巡航任務，也可執(zhí)行常規(guī)快速全球打擊任務，還可執(zhí)行反導、偵察等多重任務。與目前各國功能單一的戰(zhàn)略核潛艇相比，SSBN-X將全能得多。傳統(tǒng)的戰(zhàn)略導彈核潛艇由于只承擔單一的二次核打擊任務，第一任務就是隱蔽、生存，等待發(fā)生核大戰(zhàn)后最高層發(fā)來的核反擊命令，角色是被動的。常規(guī)戰(zhàn)中，進攻性的任務則專由攻擊性核潛艇來承擔，核潛艇這種昂貴的平臺資源沒得到充分利用。增加常規(guī)彈道導彈、反導攔截彈和巡航導彈裝載能力后，戰(zhàn)略導彈核潛艇將不再只是一個象征性的威懾工具。其具有核常兼?zhèn)洹⒐シ兰鎮(zhèn)洌把夭渴鸷统浞值膶崙?zhàn)靈活性等特點，可以與美國空間反導、地面作戰(zhàn)系統(tǒng)組成一體化的打擊力量，將極大影響全球軍事力量的平衡。

另外，在目前以及未來相當一段時間內發(fā)生核戰(zhàn)爭的可能性很低，功能單一卻造價高昂的戰(zhàn)略核潛艇對于財大氣粗的美國來說也是不小的壓力。另一方面，為應對全球海上作戰(zhàn)，美國海軍又需要更多的先進核潛艇，即少花錢為保持戰(zhàn)斗力。在這一背景下，突出多用途化的SSBN-X將是一個不錯的選擇。再者，對于一些無核國家來說，面對滿載著“三叉戟”潛射彈道導彈的“俄亥俄”級或許壓力不大，畢竟美國也不敢隨意實施核打擊，但滿載著巡航導彈和中程戰(zhàn)術導彈的SSBN-X逼近，就是實實在在的威懾。可以說，好用、實用、夠用、耐用、經(jīng)濟、全能，就是美國新一代戰(zhàn)略核潛艇設計建造的最新理念和目標要求。雖然新潛艇載彈量少了，但是潛艇的綜合性能更加全面、噪聲更低、作戰(zhàn)系統(tǒng)更先進、使用范圍更廣、艇員居住環(huán)境更舒適，作戰(zhàn)能力也更強。

結 語

美國對軍隊武器裝備的設計研制理念十分先進，多年來，一直致力于通過軍事技術、實力來全面壓倒并戰(zhàn)勝對手。新一代核潛艇SSBN-X的全能化，通過4艘“俄亥俄”級巡航導彈核潛艇的改裝、新一代“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇的改進，已有了足夠技術儲備和積累。再加上采用新一代更先進的C4ISR系統(tǒng)（指揮、控制、通信、計算機與情報、監(jiān)視、偵察系統(tǒng)）技術和自動化設備，能更全面地適應美軍的網(wǎng)絡中心戰(zhàn)系統(tǒng)；并將廣泛采用電腦顯示器和掌上電腦等替代人員操作，從而使各種雷達設施、通信系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、武器裝備之間的信息傳輸更快捷、作戰(zhàn)程序更簡便、打擊威力更強勁。因此，SSBN-X必將成為今后大國設計建造大型戰(zhàn)略戰(zhàn)術潛艇的發(fā)展方向。

按計劃，第一艘“俄亥俄”級替代艇將于2021年開工建設，2031年服役，后續(xù)艇陸續(xù)建造并服役，整個項目將持續(xù)到2085年。目前，潛艇建造的準備工作、技術規(guī)格與前期模塊已在設計與研發(fā)中。預計開工建造前，潛艇的詳細設計將完成83%。

（編輯/筆嘯）endprint