復合材料在國外海軍艦船上層建筑上的應用與發展

錢　江，李　楠，史文強

(1.海軍裝備部，北京 100071； 2.中國船舶重工集團公司 第七一四研究所，北京 100012)

復合材料在國外海軍艦船上層建筑上的應用與發展

錢江1，李楠2，史文強2

(1.海軍裝備部，北京 100071； 2.中國船舶重工集團公司 第七一四研究所，北京 100012)

摘要：近年來，復合材料在海軍艦船上層建筑上的應用引發了各國的關注和激烈的競爭。本文對復合材料在各國海軍艦船上層建筑上的應用、發展和特點進行深入研究總結，并以美國DDG 1000驅逐艦為例，詳細介紹艦船上層建筑中復合材料的應用情況，最后對艦船上層建筑用復合材料的發展進行展望。

關鍵詞：海軍；艦船；上層建筑；復合材料

0引言

復合材料是由2種或者2種以上不同材料組成的新材料。由于材料之間的協同效應，克服了單一材料的缺點，具有輕質量、高可設計性、耐腐蝕等優點，是未來追求更大有效負載、更強綜合隱身能力、更低全壽期費用艦船裝備的最佳材料選擇之一。

復合材料在海軍艦船上層建筑中的應用始于20世紀60年代中期，最初用于制造巡邏炮艇上的炮艇甲板室。70年代后，獵雷艇的上層建筑也開始采用復合材料，如芬蘭皇家海軍的快速巡邏艇“勞馬”號[1]。90年代后，復合材料開始應用于艦船的全封閉式桅桿/傳感器系統(AEM/S)[2]。到目前為止，復合材料在艦船上層建筑中的應用涉及低可探測性煙囪、綜合桅桿到整個集成上層建筑，實現了減重、雷達紅外隱身等功能，如表1所示[3]。

美國、英國、瑞典、法國、俄羅斯和意大利等海軍科技發達國家對復合材料在艦船的應用十分重視，都制定了相應的復合材料先進技術開發計劃，并在艦船上層建筑中推廣使用復合材料。本文對復合材料在各國海軍艦船上層建筑上的應用、發展和特點進行了深入的研究總結，并以美國DDG 1000驅逐艦為例，詳細介紹了艦船上層建筑中復合材料的使用情況，最后對艦船上層建筑用復合材料的發展進行展望，對我國發展艦船上層建筑用復合材料提出了建議。

表1　各國海軍艦船上層建筑中復合材料的應用典型

1國外海軍艦船上層建筑中復合材料的應用與發展

1.1　美國

美國海軍在艦船上層建筑上使用復合材料的起步時間很早，發展持續，具有相對較好工業基礎，同時通過引進意大利等國艦船用先進復合材料設計使用經驗和不斷的技術創新，使美國在復合材料船艦方面處于國際領先的地位，裝備復合材料上層建筑的艦船數量也最多。

美國海軍艦船復合材料上層建筑最初用于“鶚”級掃雷艇。該艇全長57.2 m，排水量近900 t，為全玻璃鋼結構，是世界上最大的全玻璃鋼加強型復合材料掃雷艇。其上層建筑是由一種叫“Rovimat”的復合材料制造，該材料采用機織粗紗布、高等級增韌間苯二甲酸船用聚酯樹脂制成，具有高韌性，無脆性斷裂特性，在承受水下爆炸沖擊時具有優秀的性能[4]。

隨后，復合材料在美國艦船上層建筑的應用推廣到驅逐艦等大型艦船桅桿。美國首先在通信船、“懷特”航母(CVL49)和“塞班”號航母(CVL48)上改裝使用了高達10~25 m的玻璃纖維復合材料桅桿。1995年，美國開始開發先進封閉桅桿/傳感器系統(AEM/S)，并于1997年率先在“亞瑟雷德福”號導彈驅逐艦中使用，不僅保護了天線和其他敏感元件，使其性能得到改善；而且還降低了桅桿雷達反射截面(RCS)。隨后AEM/S安裝/改裝應用于 “圣·安東尼奧”兩棲船塢運輸艦(LPD17)、“阿利·伯克”驅逐艦及其他部分現役艦船。此外，2006年，復合材料桅桿還成功安裝在CVN77“布什”號航母上。

21世紀以來，美國海軍提出DD(x)項目，計劃制造DDG 1000級驅逐艦，整個上層建筑全部為復合材料制成，是美國未來海軍的主力戰艦。首艦DDG 1000船面艙室采用“集成上層建筑和孔徑”(IHDA)結構，即將雷達天線、通信天線等多個天線集成在由復合材料和復合結構構成的一體化上層建筑中，復合材料為夾芯結構的碳纖維/乙烯基酯/巴爾薩芯，具有質量輕、雷達隱身性好、電磁兼容性好、耐腐蝕等優點[5]。復合材料集成上層建筑極大提高了艦船的隱身能力，良好的復合材料也保證了該艦具有較高的航速。

2007年后，由美國海軍投資，雷聲公司牽頭，Atlantic海洋裝備公司等多家單位參與開始設計下一代近海岸巡邏艦(LCS)。為達到隱身性能，整艦全部采用輕質、高強的高性能纖維復合材料，實現最大航速50 kn以上，具有反潛、反水雷戰能力，被稱之為“海上戰斗機”。

1.2　英國

英國是最早使用玻璃纖維增強材料用于海軍艦船的國家之一。20世紀60年代中期，英國先后建成450噸級和625噸級的大型玻璃鋼掃雷艇和獵雷艇，在歐洲掀起了用玻璃鋼制造獵掃雷艇的熱潮。此后，英國在復合材料高速艇、巡邏艇等方面的發展也令世界矚目。但英國海軍在艦船上層建筑中使用復合材料的發展速度較慢，加之近年來經費限制，其使用復合材料上層建筑的艦船數量很少。

英國海軍和Vosper Thorneycroft公司于1996年提出設計一種使用復合材料建造的集成技術桅桿(Integrated Technology Mast，ITM)，該項目與美國AEM/S項目類似。ITM的復合材料是一種三明治結構，內含雷達吸波材料。同時通信、監控天線和探測器也嵌入到ITM中。復合材料桅桿提高了隱身性，具有更好的環境耐蝕性，并減少了傳感器的電子干擾。該桅桿將首先安裝在Vosper Thorneycroft公司為英國海軍建造的隱身護衛艦“Sea Wraith”上。該艦還具有非對稱塔臺，可移動桅桿等先進隱身技術特性，號稱下一代隱身艦船，但目前還沒有相關建造試驗的報道[6]。

英國海軍2009年服役的45型驅逐艦上安裝了綜合桅桿，采用夾芯結構復合材料建造，表面涂有雷達吸波材料、外殼內部則集成了濾波材料，具有提高隱身性能、增強探測效果、減少天線維護工作量等優點。

1.3　瑞典

瑞典在艦船用復合材料應用方面起步較早，其復合材料設計制造技術全球領先，工業基礎也很好，近年來其復合材料上層建筑的研發與制造發展快速，以出口為導向，其上層建筑設計及產品更是出口多個國家，如印度。其發展方向主要是小噸位的近海作戰艦船、中小護衛艦為主，追求全艦整體使用，增強艦船隱身能力，以“維斯比”級輕護衛艦為典型。

21世紀已裝備瑞典海軍的“維斯比”級輕護衛艦全艦采用復合材料，實現了高度的隱身性能，同時保證了一定的攻擊性能。此型艦長72 m，排水量620 t，最大速度可達35 kn，整艦采用碳纖維復合材料建造，整體重量減輕了30%，這種復合材料用碳纖維增強塑料夾層板制成，內層是聚乙烯(PVC)材料，外層是碳纖維和乙烯基物質，覆蓋在PVC上。每塊平板達到60 m2，使用Kockums真空輔助三明治注入(KVASI)系統[7]。這種材料的應用使得整個“維斯比”艦的磁場特征極低，基本上能夠躲避所有雷達或其他先進聲吶(包括紅外成像系統)的探測，達到了極好的隱身效果，有效降低被對方雷達及水雷武器發現的概率[8]。

該艦制造商為Kockums AB，由瑞典2個大型造船集團Kockums和Karlskronavarvet合并而成，是ThyssenKrupp Marine System的一部分，處于水下和艦船技術的前沿。該公司為澳大利亞、印度、德國等國家海軍的艦船制造復合材料上層建筑。2013年起，該公司將為新加坡海軍8艘近海作戰艦船提供復合材料上層建筑。

1.4　法國

法國在艦船上層建筑中使用復合材料的時間不長，使用復合材料上層建筑的艦船類型不多，但基于其先進的復合材料技術和薩科齊總統等的大力支持下，以整艦裝備出口為導向，法國艦船上層建筑用復合材料發展快速。

法國海軍的“拉斐特”級護衛艦設計獨特，其煙囪不采用易于產生紅外輻射的金屬材料制造，而采用玻璃鋼制造，再涂以一種低輻射的特殊涂料，進一步加強了隔熱和絕緣效果，抑制紅外輻射，大大提高了艦船的紅外隱身性能。“拉斐特”在艙面船室和甲板結構采用滌綸合成樹脂制作的玻璃纖維/輕木夾層板，提供相對鋁更輕的質量和更好的耐火性能。此外，該艦機庫也使用了玻璃纖維增強(聚酯樹脂)/巴爾薩芯材復合材料。

最新的法國近海作戰艦“追風”級淘汰了“拉斐特”級前后桅桿的傳統設計，代之以一個先進的綜合封閉式桅桿，復合材料也在部分上層建筑中使用，如圓錐形雷達罩使用了一種新型復合材料，具有足夠的強度和厚度，還可確保雷達波透過雷達罩后不發生衰減。

1.5　俄羅斯

蘇聯在艦船上使用復合材料歷史很長，與美國競爭激烈。蘇聯從20世紀50 年代起開始批量生產各類復合材料艦船等，如1959 年建成了長32.5 m的玻璃鋼內河油輪，1970 年建成24. 6 m長的小型玻璃鋼反水雷艇“Yevgenya”號，1989年起批量建造“Lida”級玻璃鋼沿海獵雷艇等。俄羅斯將復合材料應用在艦船上層建筑的歷史相對較短，技術相對落后，但對新技術開發應用十分重視，發展很快，大有后來居上的趨勢，其發展的焦點集中在大型艦船應用大尺寸復合材料。

自2001年起在圣彼得堡的Severnaya Verf船廠建造的4艘20380型護衛艦，開啟了俄羅斯冷戰后建造護衛艦的序幕。2007年首艦開始服役，該艦艦長104.5 m，航速26 kn，設計使用鋼鐵船體和復合材料上層建筑，其復合材料使用了3層纖維增強復合材料，其中2層表面玻璃纖維和中間層碳纖維，實現了雷達波隱身的功能[9]。

俄羅斯海軍22350級護衛艦首艦“戈爾什科夫上將”號由俄羅斯圣彼得堡的北方設計研發局設計，以服役于印度的“塔爾瓦爾”級護衛艦隱身技術為基礎，于2006年2月開始建造，2010年10月29日下水，2012年11月在巴倫支海進行了海試。該艦長135 m，寬16 m，航速30 kn。其上層建筑采用的復合材料為碳纖維/聚氯乙烯樹脂，能夠有效地減少雷達波反射[10]。

最近，俄羅斯圣彼得堡涅夫斯基造船廠首次澆鑄了世界上最大的復合材料艦船。這艘為俄羅斯海軍建造的、船體完全采用碳塑材料制成的魚雷艦，高度8 m，排水量2 000 t，其制造完全采用新材料、新工藝和新技術，如玻璃布、碳布等先進材料，非接觸真空澆鑄工藝。該艦具有不生銹、重量輕、節約燃料、隱身性高等優點，強度與鋼鐵制造的艦船相當[11]。

除此之外，俄羅斯還設計建造了當今最大的復合材料掃雷艇。12700計劃首艦“Alexander”號由中央海上CB Diamond設計，該艇長50~52 m，寬10~10.5 m，排水量600~800 t，航速15 kn，于2011年9月開始建造，2012年下水。該掃雷艇上層建筑為世界上最大，由一塊真空注入成型工藝加工而成的玻璃纖維復合材料制成。同時，俄羅斯于2011年后開始使用大型復合材料船體制造1000 t的掃雷艇[12]。

1.6　意大利

意大利的復合材料在艦船的應用不僅發展較早，而且技術非常先進。1976年就開始研究新穎的復合材料硬殼式獵雷艦，20世紀80年代中期建成“Lerici”Ⅰ型硬殼式獵雷艇后，相繼又開發了“Lerici”Ⅱ型和“Lerici Mk”Ⅱ型獵雷艇。1998年后又開始開發“SuperLerici”型遠洋獵雷艦。意大利在艦船上層建筑上使用復合材料的技術研發和應用發展快速，技術先進，并以技術出口為導向，吸引了諸多國家前往訂購其產品或引進其先進技術，甚至美國的多種復合材料艦船均借鑒意大利的設計技術。

意大利海軍近年來建造了4艘“克曼德安迪”級輕型護衛艦，自2002年開始服役，生產商為芬坎蒂尼造船公司里瓦·特里戈索造船廠(RivaTrigoso)，第4艘艦“福斯卡里” (P493)2004年下水，該艦長88.4 m，滿載排水量1 520 t，最大航速25 kn以上，采用了更多的現今世界最先進的復合材料，上層建筑采用玻璃纖維增強塑料，包括大部分桅桿和直升飛機庫，實現了減重、耐蝕、低雷達和紅外信號的作用。

意大利海軍艦隊規模小，但艦種齊全、綜合作戰能力強。意大利海軍使用復合材料的歷史很長，其艦船發展不斷追求新技術，技術更新快。復合材料的使用也必定會越來越多，技術越來越先進。

2DDG 1000上層建筑復合材料使用情況

美國新一代驅逐艦首艦DDG 1000，排水量約14 000 t，航速約30 kn，是美國未來海軍的主力戰艦，集成上層建筑是其最大亮點之一，尺寸約為60.35 m×21.12 m×18.1 m，具有隱身性強、電磁兼容性好等優勢。DDG 1000驅逐艦集成上層建筑應用復合材料的部件包括上層甲板室、機庫、雷達天線罩等。

2.1　上層建筑甲板室

DDG 1000驅逐艦的上層建筑甲板室，采用T700碳纖維/乙烯基酯(溴化樹脂)表面和巴爾薩芯材的夾心結構，具有質量輕、雷達隱身性好、光順性好、耐腐蝕等優點[13]。

T700碳纖維是由日本東麗(Toray)的美國公司提供，相比其他碳纖維材料，T700能夠提供其他纖維不能提供的所需剛度、強度質量比，成型的復合材料平板具有很好的表面平整度。溴化乙烯基酯具有粘度小、浸潤性好，能夠在VARTM工藝中很好地成型,實現纖維與內芯的連接。其力學性能也同樣優異，能達到和一般鋼鐵材料同等的強度，但質量更輕。巴爾薩木芯相比泡沫芯，燃燒緩慢，能夠更有效地阻止熱的傳送，同時能提高強度。每塊復合材料平板由20~30個分層組成。

2.2　機庫

DDG 1000機庫采用2個部分組裝，下半部分與下部金屬船體及外部甲板為整體，上半部分為復合材料，其結構為碳纖維/乙烯基脂表面及巴爾薩木芯夾心結構。與上層建筑甲板室復合材料相同，其應用目的也是減輕重量，同時較少雷達波反射截面。

2.3　雷達天線罩

DDG 1000驅逐艦集成上層建筑的大型隱身雷達天線罩，外層采用高強度的纖維增強層壓結構材料，中部填充分層泡沫夾芯材料(蜂窩或者泡沫結構)，層間覆蓋頻率選擇材料層，具有良好的濾波特性[14]。

3結語

復合材料雖然因為其較高的成本，在各國海軍艦船中的應用沒有傳統鋼鐵材料廣泛，但潛在的眾多優越性能和較低的全壽命期維護成本使其得到了越來越多的應用和不斷的研究創新。各國也在加強相關的科研和生產技術開發，爭取在成本控制、隱身性能和更大負載能力方面實現突破。

對于應用于艦船上層建筑上的復合材料，未來各國研究的重點可能集中于2個方面：一是大尺寸，開發大尺寸復合材料平板、大跨度復合材料橫梁等產品及其成型加工工藝，以滿足集成上層建筑的需求；二是特殊性能，開發滿足不同環境需要的復合材料，如隱身所需的頻選復合材料、防火所需的耐高溫復合材料、防爆防沖擊所需的高韌性復合材料等，以滿足不同部位對材料的需求。

我國艦船用復合材料發展較晚，在艦船上層建筑中應用復合材料較少。大力發展艦船用復合材料，特別是艦船上層建筑用復合材料，具有現實的緊迫性和重要意義。

參考文獻：

[1]唐紅艷,王繼輝,徐鵬遙.復合材料在海軍艦艇上的國內外應用現狀及進展[J].船舶, 2006(2):6-11.

TANG Hong-yan,WANG Ji-hui,XU Peng-yao.Worldwide application and development of compound matorial in naval ships[J].Ship & Boat,2006(2):6-11.

[2]MOURITZ A P,GELLERT E,BURCHILL P,et al.Review of advanced composite structures for naval ships and submarines[J].Composite Structures,2001,53:21-41.

[3]SCOTT B,BRIAN J.Composite ship structures[R].NSWC Carderock Division,2013.

[4]ERIC G A,著,趙成璧,唐友宏,譯.艦船復合材料[M].上海：上海交通大學出版社,2013.

[5]海軍裝備研究院科技信息研究所.國外新型驅逐艦綜合研究[R].2008.

[6]Associated press.British designers unveil stealth warship[EB/OL].Reading eagle/Reading times.October 25,1996:B13.

[7]FREDRIK L.Use of composites in the Visby class stealth corvette[C]//ACMC/SAMPE Conference on Marine Composites,2003.

[8]KONSTANTINOS G.Hull construction with composite mat-erials for ship over 100 m in length[D].Massachusetts Institute of Technology,2002.

[9]RIA Novosti.Russia floats out 3rd stealth corvette[EB/OL].http://iafnews.nuvodev.com/posts/russia-floats-out-3rd-stealth-corvette/.2014.

[10]Stealth Machinery.Frigates “Admiral Gorshkov” will be transferred to the navy in 2011.[EB/OL].http://paralay.net/22350.html,2010.

[11]國船.世界上最大的復合材料艦艇[EB/OL].船艇,2011.

[12]Encyclopedia of safety.Project 12700- Composite base minesweeper Alexandrite[EB/OL].http://survincity.com/2011/06/project-12700-composite-base-minesweeper,2011.

[13]Composites technology.DDG-1000 Zumwalt: Stealth warship[EB/OL].http://www.compositesworld.com/articles/ct,2010.

[14]PATRIK P.Surface ships put composites to work[J].AMPTIAC,2003,7:37-40.

The application and development of composites for foreign naval warships′ superstructure

QIAN Jiang1，LI Nan2，SHI Wen-qiang2

(1.Naval Armament Department PLAN, Beijing 100071,China;

2.The 714 Research Institute of CSIC，Beijing 100012,China)

Abstract：Recently, the application of composites to naval warships′ superstructure has attracted extensive attention and drastic competition. In the article, the application, development and characteristics of composites to naval warships′ superstructure in several countries have been comprehensively researched and systematically described. Meanwhile, the application of composites to DDG 1000 destroyer′ superstructure has been presented in detail as an example. Finally, the future development of composites used in naval warships′ superstructure is discussed and some advices are put forward.

Key words：navy; warship; superstructure; composites

作者簡介：錢江(1975-)，男，工程師，研究方向為艦船裝備管理。

收稿日期：2014-12-12

文章編號：1672-7649(2015)01-0233-05

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.01.051

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A