國外新型核潛艇技術特征研究

陳 鋒，齊國英，賴 鳴，楊清軒

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

0 引 言

近年來，美、俄、英、法等國在戰略調整、技術發展推動、老舊裝備服役到期等因素的推動下，逐步開始進行核潛艇的更新換代，研制和建造新型核潛艇。攻擊型核潛艇方面包括美國“弗吉尼亞”級、俄羅斯“亞森”級、英國“機敏”級和法國“梭魚”級。彈道導彈核潛艇方面包括美國的“俄亥俄”級替代艇和英國的下一代彈道導彈核潛艇。從上述潛艇目前所公布的技術特征來看，其在動力系統、武器發射系統、自動化、隱身能力等方面有著共同的技術特征，本文通過對共性技術體征的梳理，總結出未來核潛艇技術發展方向，供我國潛艇設計人員參考。

1 核反應堆與艇同壽，增加部署時間，減少維修成本

目前，美、俄、英、法等國的核潛艇反應堆堆芯壽命基本都達到了與艇同壽。美國的“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇所使用的S9G 型分散布置核反應堆裝置的壽命達到了33年，實現了真正的“與艇同壽”。目前正在研發的“俄亥俄”級替代艇新型反應堆，其壽命將超過40年;英國“機敏”級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，在艇的服役期內可不用更換核燃料。俄羅斯“亞森”級和“北風”級潛艇上采用的核反應堆是俄羅斯于1995年研制成功的第4 代壓水反應堆，目前具體反應堆型號尚未確定，但確定其反應堆燃料更換周期為25-30年，基本實現了與艇同壽。法國“梭魚”級潛艇均采用K15 一體化壓水堆反應堆，反應堆堆芯壽命也達到了25年，基本實現全壽期不換料。

表1 國外新型核潛艇反應堆型號和使用壽命Tab.1 Foreign new generation nuclear submarine reactor models and service life

此外，新型核潛艇的反應堆單堆功率也有所提高，如美國“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇所采用的S9G 型反應堆熱功率達到200 MW。“洛杉磯”級攻擊型潛艇所使用的S6G 型反應堆熱功率為160 MW;英國PWR-2 壓水堆單堆功率比PWR-1 高40%。俄羅斯第4 代反應堆單堆功率達到190 MW，是第2 代反應堆的2 倍。

2 采用多種措施不斷提高綜合隱身性能

1)繼承、創新艇內降噪技術，降低聲信號

新型核潛艇均在研制初期采用多種手段進行減振降噪，不但吸取上一代潛艇的減振經驗，還不斷有所創新。以美國“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇為例，其繼承了“海狼”級攻擊型核潛艇的降噪技術，裝備具有自然循環能力的超低聲S9G 型核反應堆，主機艙采用浮閥式減振的整體模塊設計，使用首創的模塊化隔離甲板結構，并對動力推進設備進行優化，推進設備使用的動力電纜和閥門、斷路器、泵等，其數量分別僅為“洛杉磯”級攻擊型核潛艇的50%、40%和30%左右。

2)多數采用泵噴推進器，降低聲信號

從目前新一代核潛艇建造、研制狀態來看，除“亞森”級首艇外，其余新型核潛艇均采用泵噴推進器。未來，“亞森”級第2 艘也將采用泵噴推進器，可認為泵噴推進器取代7 葉大側斜螺旋槳已是大勢所趨。相比螺旋槳，這種推進器具有較高的推進效率和更好的聲學性能以及優異的空泡特性，可增強潛艇的聲隱身能力。

3)外形優化，降低聲信號

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圍殼向低矮化發展，并增加指揮臺圍殼與艇體之間的光滑過渡，減少潛艇的水動力噪聲。

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

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

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

4)進一步應用復合材料，降低磁信號

目前國外核潛艇除主承力結構仍使用高強度合金鋼外，正積極研究復合材料建造潛艇大型承力構件，正在進一步在非承力構件上應用復合材料。復合材料由于具有可設計性強、耐海水腐蝕、質輕(與鋼材相比，在結構上應用時能降低30% ～50%的重量)、無磁等優點，當前美、英、法等國的新型潛艇上已大量應用了復合材料，以法國“凱旋”級和美國“弗吉尼亞”級最為突出。法國潛艇中應用的復合材料主要以聲學復合材料為主，“凱旋”號彈道導彈核潛艇上60%非耐壓結構都采用了結構功能一體化的聲學復合材料。美國海軍潛艇應用復合材料更為廣泛，已經實艇應用的包括聲吶導流罩、透聲窗、消聲瓦、推進裝置、泵、通風系統、非燃油管路等。

圖4 “弗吉尼亞”級潛艇復合材料聲吶導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，復合材料在潛艇上的應用呈現出進一步擴大的趨勢。如具有透聲、減振、降噪等功能的復合材料在潛艇聲吶導流罩、聲吶透聲窗、螺旋槳、消聲瓦、減振基座、推進器等部件上的應用越來越廣;具有一定結構強度的輕質復合材料，在艙壁、艙口、管道、通風系統、高壓氧氣瓶及熱交換裝置等小型部件上的應用也日益廣泛;一些潛艇大型結構部件也正在或將采用復合材料制造，例如正在研制中的復合材料尾錐等，結構復合材料還將在潛艇操縱面、非耐壓殼等上獲得應用。復合材料無疑為未來潛艇技術取得重大突破，全面提升戰技性能，具有革命性的意義。

2 戰略艇載彈量減少，導彈質量提高

近年來，國外發展新一代彈道導彈核潛艇呈現出載彈量減少、換裝新一代彈道導彈的特點。主要原因有以下2 個方面:

1)受核裁軍影響，限制了每個國家所允許擁有的彈道導彈規模;

2)當前彈道導彈質量越來越高，表現在分導彈頭數量增多，命中精度上升，射程越來越遠，末段打擊速度越來越高。在這種情況下，減少載彈量，一方面可以減少核潛艇在導彈上的負載，增加其他設備的負載能力，另一方面又不會導致核威懾或核打擊能力下降。

美國在2010年4月提出的新一代SSBN(X)彈道導彈核潛艇構想中，導彈發射管的數量由“俄亥俄”級的24 個減少為16 個;俄羅斯現役“臺風”級彈道導彈核潛艇裝備了20 枚“鱘魚”彈道導彈，而新一代“北風”級彈道導彈核潛艇將裝備16 枚新型“布拉瓦”彈道導彈;英國現役的“前衛”級彈道導彈核潛艇有16 個導彈發射管，裝備了16 枚“三叉戟”Ⅱ彈道導彈，而下一代彈道導彈核潛艇則將只裝備12 個導彈發射管。法國現役的“凱旋”級彈道導彈核潛艇攜帶有16 枚M45 型彈道導彈，現正逐步換裝為新M51 型彈道導彈。

3 電氣化、自動化水平不斷提高

潛艇電氣化、自動化的實現能夠減少空間要求、降低重量、減少人員數量、縮減成本，而且將使潛艇設計更加靈活、增加負載能力、提升作戰系統的效率。此外，潛艇電氣化將代替原有液壓和氣壓子系統，使系統更加整潔和安靜。

在操縱系統方面，美國“弗吉尼亞”級核潛艇的操控系統進行了大幅的革新。操控部位大面積的觸摸式顯示屏取代“洛杉磯”和“海狼”級上大量分散的傳統顯示屏;高度自動化的電傳操縱系統代替了以往傳統的模擬液壓操縱系統。憑借快速實時顯示的艇位詳細數據，2 名操控人員用2 個操縱桿，利用觸摸屏幕，就能夠完成以往“洛杉磯”級和“海狼”級核潛艇需要3 名操縱人員完成的航行、潛浮和均衡等工作。 “弗吉尼亞”級核潛艇高度自動化的操縱系統，還可對水下深度和艇體運動加速度，做出連續計算判斷，并在計算機自控下做出自動補償，使潛艇的操縱性能獲得了很大的提升。

在作戰與武器系統方面，美國“弗吉尼亞”級核潛艇采用了高度集成的作戰指揮系統，它采用了一種開放式、分布式和實時的網絡系統，集成了聲吶、雷達、作戰指揮和導航等系統，實現了信息的集中顯示，使得整個控制站只需3 名人員，取代了傳統的5 人編制。 “弗吉尼亞”級核潛艇上安裝了名為“電子海圖顯示與信息系統”(ECDIS)的新型數字化導航系統，該系統能夠對所在海域的航線進行自動選擇和監控，不僅進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。

在管理系統方面，法國“梭魚”級潛艇由于采用了分布式網絡的高自動化平臺管理系統，使得自動化水平大幅度提高。盡管較上一代核潛艇排水量和主尺度都有所增大，但“梭魚”級潛艇人員編制僅為60 人，其中包括12 名軍官，比“紅寶石”級“紫寶石”號還減少了近10 人。節省出的空間可搭乘15 名特種部隊人員，完成特種部隊運輸的任務。核動力和推進裝置設在艇尾，出于人員在海上和維護時的健康和職業安全的考慮，艇尾設計成無人值班機艙。

4 結 語

總的來說，新型核潛艇的主要技術特征包括動力、隱身性、打擊能力以及自動化能力4 個方面。動力方面，美、俄、英、法新型核潛艇全部采用了“全壽期不換料”反應堆，堆芯壽命至少達到25年，且單堆堆芯功率均有所提高。目前除法國K15一體化堆外，所有新型核潛艇反應堆均依靠提高核燃料富集度來增大功率密度;隱身能力方面，新型核潛艇除在潛艇內部采用新型減振降噪技術，還從總體設計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射與魚雷管發射系統平分秋色，戰略艇導彈數量下降但導彈質量提高;自動化方面，新型核潛艇全部采用全新電子系統，輔以開放式體系架構，利用電子控制系統取代傳統液壓控制系統，利用計算機分析、集成作戰信息，利用自動化平臺管理艇員，其主要目的在于減少人員配置、增強操縱性能、提高作戰和人員管理效率。總之，新型核潛艇電氣化、自動化水平將不斷提高，并且基于開放式體系架構特性，系統還將不斷更新，以保持“與時俱進”。

未來潛艇的主要技術發展方向與上述技術特征緊密相連，包括動力技術，未來核反應堆將向高安全性、低富集度、高能量密度發展;綜合隱身技術主要突破振動、噪聲方面的控制;負載技術包括負載的種類和更好性能兩方面，如未來上艇的無人潛航器、各類水聲探測系統、更加先進的武器裝備等;電子技術包括更好的自動化水平，更好的電子裝備等，特別是作為潛艇“耳目”的設備，如共形陣聲吶技術。

［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.