美俄小型核潛艇的發展與展望

汪鴻武，沙彬彬，郭燕舞，李 想，胡大煒

(1. 海軍裝備部重大專項裝備項目管理中心，北京 100071；2. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

深海空間廣闊、戰略縱深大，是各海洋大國加強軍事控制和強化軍事存在的戰略制高點。因此在深海作戰理念的導向下，深海技術的研發正在經歷跨越式發展，各類深海技術和武備呈穩步增長的趨勢。隨著人類對海洋領域的探索逐步加強，其中海底礦產與油氣資源、深海生物資源和深海水資源領域已被確認具有開發價值或潛力。特別是深海環境中的生物及微生物，它們獨特的生理結構、代謝機制和活性物質在生命健康科學中有著廣泛的應用前景。而在軍事領域中，由于深海具有通透性差、壓力變化大、水溫特性復雜等特點使得整體空間難以被探查，可以實現隱蔽行動和突襲進攻。根據我國周邊復雜的地緣政治環境與大國軍事博弈所帶來的軍事威懾來考慮，深海領域的作戰與防御的戰略制定和技術發展必須提上日程。

出于深海環境作戰的需要，小型核潛艇應運而生，它可以承擔偵察、攻擊、深海工程、援潛救援、海洋科研等多種任務。相比于其他水下裝備，其在續航時間、潛深、機動性和隱身性等方面有突出優勢。美·俄早在20世紀60年代開始就對深海領域進行戰略規劃和武備試驗，研制出各型小型核潛艇，如美國的NR-1，俄羅斯的1851型、1910型和10831型等。對中國而言，在奉行防御型戰略下，無論從開發深海經濟，還是從增強我國深海戰略防御角度考慮，設計并發展小型核潛艇都存在迫切的需求。

本文基于美國和俄羅斯的小型核潛艇發展歷史狀況，分析總結目前設計制造中存在的主要技術制約因素，討論其在未來深海戰爭領域的必要性，并預測未來的發展趨勢與方向。

1 美俄小型核潛艇發展現狀

自美·蘇冷戰開始，雙方就開始對水下和海底作戰裝備進行了研究和規劃。美國通過部署大量海底軍事設施來贏得優勢，而蘇聯則是將核潛艇的潛深做到了極致。隨著水下對抗戰略的發展和需求，小型核潛艇的概念被提出，美俄兩國都對該類核潛艇投入了巨大的人力財力，研究其在深海作戰的可能性。

1.1 美國

深海領域的緊張對抗局勢堅定了美國海軍對小型核潛艇的需求。大潛深的深海潛艇不僅可以為潛艇深海作戰提供所需的水文環境和相關數據，還可以使用深度潛艇進行演習，積累深海反潛經驗，NR-1號核動力潛艇由此被提了出來。

1.1.1 NR-1

1）基本情況

NR-1號由通用動力電船分部于1967年6月開工建造，1969年完工并服役。在結構方面，艇體中央為耐壓殼體，由高強度鋼制成，前后則為非耐壓殼體。駕駛室、觀察區和居住區占據了潛艇前部約1/3部分，后2/3由反應堆等動力系統占據。由于艇體空間小，所以沒有廚房和洗浴設施，不僅居住舒適度差，還導致補給量存在上限，限制了續航力。該艇規格參數參見表1。

NR-1與普通潛艇存在區別，裝備了一些新型裝備，以更加方便開展深海研究[1]。

收縮式車輪：NR-1在其前后龍骨附近安裝了2個可伸縮的橡膠車輪，用以保障潛艇在海底停留或移動，提高對任務的完成精準度。

推進器：NR-1除了主推進螺旋槳外，還擁有2對推進器，分別位于艇首和艇尾。2對推進器確保了其在水中高度精準的機動能力，能輕易實現懸停和轉向。

表 1 美國NR-1小型核潛艇規格Tab. 1 Main technical indicators of NR-1 midget nuclear submarine

機械臂：機械臂的存在幫助NR-1快速進行海底作業，主要在海底取樣、設備部署和武備碎片回收中使用。

水下照明與觀察系統：NR-1有3個視窗口，位于艇腹部，方便操作員觀察艇艏前方和艇腹下方。艇殼外側還安裝了25個外部照明燈，低照度相機，變焦相機，彩色攝像機，電子靜態相機和各種傳感器，幫助操作員觀察和作業。

導航聲吶系統：在水面航行時使用全球定位系統及慣性導航進行定位。在水下潛航時使用航位推算方法對位置進行大致定位。靠近海底航行時，則利用多普勒聲吶、避碰聲吶和側掃聲吶進行精確導航。

圖 1 NR-1結構圖Fig. 1 Structure of NR-1

2）主要任務

NR-1號能執行多種不同類型的任務，按任務屬性區分為兩類：軍事任務和非軍事任務[2]。軍事任務涵蓋了海底地形圖繪制、失事軍機、艦艇和裝備的打撈與回收、深海潛艇救援、海底電纜和光纜的維護或間諜行為、海底軍事設備的安置和維護、深海反潛演習訓練、新型武備的測試等。而非軍事任務以科研任務為主，主要是海底科研探索任務、失事客機殘骸的搜索、海底礦產資源取樣調查、海底管路維護等。

NR-1上沒有任何武器裝備，不具備作戰能力。但其作為一艘專門執行特殊任務的海洋研究潛艇，為海底對抗爭取到了巨大的優勢。

圖 2 NR-1潛艇水下作業設想圖Fig. 2 Imagine plan of underwater operation of NR-1 midget nuclear submarine

1.1.2 NR-2

美國于1990年開始研究NR-1的后續艇計劃——NR-2號潛艇。在之后的10年間進行了大量的預研和論證，提出3種設計方案，但也止步于設計方案。2003年美國海軍重啟對NR-2潛艇的先期研究，對其提出了性能指標：優異的機動性、充足的負載、最大潛深1 000 m、具備多功能的海底作業能力、可攜帶無人設備、最大航速達到15～20 kn[3]。

圖 3 NR-2概念設計圖Fig. 3 Concept drawing of 3 designs of NR-2

雖然這些NR-2潛艇的設計仍停留在概念上，但也從側面反映出美海軍對小型核潛艇的重視，對未來的美國深海潛艇留下了參考價值。

1.2 蘇/俄

俄羅斯于1976年成立了深海研究總局（GUGI），工作領域涵蓋海洋調查、深海軍事裝備的架設和維護（其中包括潛艇探測系統），打撈試驗和事故后遺留海底的武器殘骸，以及海底通信電纜的識別、敷設和破壞。

據外界估計，深海總局擁有8艘甚至更多的特種用途核潛艇，它們主要分為小型深海核潛艇及其水下搭載母艇。

1.2.1 小型深海核潛艇

該型潛艇在官方報告中也稱為核動力深水站（AGS），目前已知有3型小型核潛艇曾經或正在服役。

1）1851型“帕爾圖斯”級

該型艇計劃建造3艘，實際建成2艘，舷號為AS-35和AS-21，分別于1991年4月和1994年9月下水。1851型艇殼體為鈦合金，可下潛至1 000 m。艇艏下部布置了一處觀察窗和機械手臂，整體配置與美國NR-1相似[4]。一些來源將678型“X射線”級認為是單獨的一級艇，但更權威的來源將“X射線”級認為是1851型中的1艘。

2）1910型“抹香鯨”級

該型艇計劃建造3艘，實際建成2艘。第1艘艇AS-13于1977年下水，1986年交付海軍。第2艘艇AS-15于1983年下水，1991年交付海軍[5]。該型艇與1851型相比有了大量的改進：整體上擴大了艇體，使用了單殼體鈦合金結構；在艇兩側的加裝了側推進器，“輪拱”型的位置被設計用來容納側推進器；該艇在艇下部安裝了支架，用以支撐在海床上，輔助精細任務的操作。

3）10831型

該型艇于1978年完成設計圖，計劃建造3艘。1991年該型潛艇的首艇AS-12下水。第2艘艇AS-35于1994年下水。而第3艘艇AS-31于1988年因資金問題暫停建造，之后于2000年重啟建造，舷號AS-31保持不變，2003年下水[6]，由于2019年發生火災事故，被媒體稱為“洛沙里克”號。該級艇裝備鈦合金殼體，內部構造由幾個連接起來的球體模塊組成，以提升下潛性能，其下潛深度為1 000 m。最大下潛深度未知，但2012年北極航行期間，曾下潛至2 000 m深處。

表 2 俄羅斯小型深海核潛艇的參數Tab. 2 Main technical indicators of Russian each class midget nuclear submarine

圖 4 俄羅斯小型核潛艇對比圖Fig. 4 Comparison diagram of Russian midget nuclear submarine

1.2.2 小型核潛艇水下搭載母艇

針對護士生的護理教學方法，應積極探索，以傳統教學法為基礎，積極采用案例教學和情景模擬法，案例教學可以使護士生融入到教學的情境之中，積極參與理論的研究和問題的探討，有助于提高其相關專業知識水平和技術的提升，而情境教學法則可有效的將護士生帶入到臨床實際環境之中。綜上，在傳統護理教學的基礎上采用案例教學與情景模擬法，可有效提高護士生的理論水平、實踐操作及溝通能力，值得推廣。

小型核潛艇水下搭載母艇，也被稱為“宿主潛艇”[7]，設計用于運輸和補給小型核潛艇，以延長它們的任務周期。由于小型核潛艇在負載和空間方面存在限制，無法自帶補給執行長達數月的戰斗部署，故需搭載母艇將它們安全運至任務海域附近，在水中分離釋放后，小型核潛艇獨自駛入任務區域進行作業。

圖 5 俄羅斯GUGI所屬核潛艇體型對照圖Fig. 5 Comparison diagram of the nuclear submarine belonging to GUGI. (Since there is no official data,the data in the figure is for reference only)

目前，俄羅斯擁有3艘小型核潛艇水下搭載母艇，分別是Delta-III STRETCH型（09786型）“奧倫堡”號、Delta-IV STRETCH型（09787型）“莫斯科郊外”號和Oscar-II型（09852型）“別爾哥羅德”號核潛艇[8]。主要技術指標詳見表3。

母艇的存在提升小型核潛艇在執行任務過程中的安全性和作業效率，并對小型核潛艇的長期運作提供了后勤保障。

2 小型核潛艇技術特征

由于小型核潛艇需要在深海區域進行軍事活動，其設計、能力和戰技術指標嚴苛，主要可以分為5個特征點。

表 3 水下搭載母艇的主要技術指標Tab. 3 Main technical indicators of the host submarine

2.1 高強度耐壓殼

小型核潛艇的耐壓殼是決定下潛深度的重要部件，而決定耐壓殼的性能，主要有2個因素：第1是耐壓殼的結構。到目前為止，耐壓殼的常規形狀主要是球殼和圓柱殼。從強度角度來看，球殼結構最為有利，其在均勻壓力下大部分區域的中面應力相等，且為相同直徑的圓柱殼的一半[9]。而環肋圓柱殼的結構，因其艙室空間利用率高，有利于總體布置，而在大多數潛艇中得到應用。第2是耐壓殼的材料。深海潛器的殼體材料在強度、韌性、塑性、耐疲勞性、耐海水腐蝕性、可焊性、工藝性等方面有較高的指標。鈦合金這種金屬材料是最適合打造1 000 m以上大潛深潛艇的耐壓殼，以致蘇聯海軍對其青睞有加，并建成多艘大潛深核潛艇。但其復雜的工藝和高昂的價格讓美軍望而卻步，轉而去研發高強度鋼材，并成功開發出HY80，HY100和HY130特種鋼材。

2.2 小型反應堆

核反應堆的小型化是實現核潛艇小型化的另一關鍵。目前主要存在壓水反應堆、液態金屬反應堆和熱離子反應堆3種技術。這其中壓水反應堆由于最早發展，其技術最為成熟，但小型化難度高。而液態金屬冷卻快堆則在安全性上需要進一步提高[12]。目前各國核潛艇的壓水堆是由反應堆、一回路、二回路、電力系統、應急電力系統和軸系所組成，所進行的小型化工程主要是對二回路和軸系系統進行優化。近年來由于核潛艇的全電氣化理念被提出，熱離子反應堆重新回到了候選名單中。

2.3 對母艇的通信能力

目前深海領域的通信主要以聲吶通信、水聲通信和藍綠激光通信為主。其中水聲通信較為成熟，聲道窗口處于600～2 000 m的深度，與目前潛器的常用深度重合，具有較高的發展前景。小型核潛艇與母艇間的通信能力可以確保小艇對自身的定位，并及時將有效信息傳輸給母艇，提高信息的處理效率。

2.4 深海作業能力

小型核潛艇的任務涵蓋了深海打撈、援潛救生以及軍事任務，所以其在深海作業能力主要是由續航力、移動靈活性和攜帶設備這3個方面所決定的。核動力技術基本解決了深海作業時的續航力問題。美俄通過給艇體加裝多臺外部推進器來確保在海底作業時潛艇能懸停在水中完成相關作業，并且還在艇首下方安裝了六自由度的機械手臂，用來完成深海作業中的精細工作。

3 美俄小型核潛艇對比

3.1 戰略定位

早期，美俄都通過小型核潛艇來開展對深海領域的探索及作業。隨著技術的變革和時代的變遷，兩國在該領域的認知發生了改變，選擇了不同的發展道路，因此小型核潛艇的發展與應用也進入多功能化的時代。

美國將小型核潛艇定位為特殊的試驗型核潛艇，其主要任務是以科研任務為主。究其根本是因為美國作為超級大國其目前的軍事實力與技術（包括儲備技術）已經滿足當時國際局勢的需求，額外的軍費開支對國家財政來說是負擔。同時深海領域作戰存在很大的局限性。由于聲吶探測技術與導航技術能力不足，無法進行深海的準確探測、識別、跟蹤與導航，使得整體作戰節奏極為緩慢。這些問題導致深海戰需要投入數量巨大的輔助設備與高額的資金預算。

蘇聯海軍對小型核潛艇的定位為具有軍事用途的間諜核潛艇，其主要是以軍事任務為主。在軍事對抗中，北約在挪威和阿拉斯加地區面向俄羅斯方向的海域，部署了聲吶監聽系統（SOSUS），對俄羅斯的海洋行動進行監聽和限制。小型核潛艇通過其優異的隱身性能可以對這類設備進行破壞、移動和電子攻擊，以保證己方的軍事任務得以展開。另一方面目前沒有已知的有效武器可以對處于1 500 m以下水深的小型核潛艇進行打擊，而小型核潛艇可以攜帶外置的戰略核武器對敵方港口進行戰略打擊。這種應用方式對蘇聯/俄羅斯來說都是一種提高戰略威懾能力維護自身的有效途徑。

3.2 耐壓殼體

單一的球形耐壓殼結構雖然讓材料得到充分的利用，但也存在不利于加工和艙室空間利用率低的特點。俄羅斯海軍為了克服這一問題，通過將多個球殼連接在一起形成藕節型，以在滿足強度的同時獲取足夠的艙室空間。10831型小型核潛艇就是藕節型的典型代表，據俄羅斯船舶制造網報道，該結構可以承受6 000 m水深的壓力。而美國NR-1使用的是環肋圓柱殼的結構，其艙室空間利用率高，有利于總體布置[10]。該結構主要依靠殼板來承受各項應力，然后通過加肋骨的方式提高殼體的穩定性，抵抗形變。但增加的肋骨，雖然提升了殼體的安全穩定性同時也帶來了額外的重量。小型核潛艇還需要實現輕量化以減小體積并滿足其運行的快速性。

在使用材料上，美國的NR-1使用的是HY-80高強度合金鋼材，屈服強度達到56～66.5 kg·N/cm2，可承受 700 m深的水壓。為了趕超蘇聯，隨后更是開發出HY-100和HY-130高強度合金鋼材。而蘇聯在當時的背景下追求潛艇的大潛深和高機動性，開啟了鈦合金潛艇的時代。事實證明鈦合金的比強度（強度與重量比）在金屬結構材料中突出，它的強度與鋼材相當，但其重量僅為低碳鋼的 57% 左右，適合作為1 000 m以上大潛深核潛艇的耐壓殼材料。但其制作工藝復雜并且價格昂貴，限制了鈦合金核潛艇的數量。近年來，隨著新型復合型材料的發展，美軍研發出了氧化鋁陶瓷材料。以其制作的小型深潛器耐壓殼足以承受6 000 m深的水壓，其重量與排水量的比值為0.6，而同樣設計深度的鈦合金耐壓殼則為0.85[11]。

3.3 小型核反應堆

美俄小型核潛艇都是使用的壓水堆作為推進能源裝置。美國的NR-1使用的是1座由諾爾斯核動力研究所研制的輸出熱功率為95.6 kW的小型壓水堆、1臺汽輪發電機、2臺推進電動機（總輸出軸功率60馬力）。俄羅斯的小型核潛艇使用的是1座壓水堆（1910型1.5 MW，10831型5 MW，1851型不詳）、1臺汽輪發電機等。在反應堆的選擇和布置上都十分相似，都是以確保安全第一。但關鍵的一點，就是各艇的輸出熱功率不同，呈逐步上升的趨勢。而且俄羅斯的小型核潛艇出于戰略定位不同，其功率遠超美國的NR-1。

目前，隨著世界核潛艇全電氣化的趨勢，熱離子反應堆被提出成為核潛艇動力源的可能性。熱離子反應堆是將核熱能在反應堆內直接轉換為電能，然后可直接輸出作為動力。美國研制成功的由SP-100型空間反應堆組成的核熱離子反應堆動力裝置由反應堆、功率轉換組件、廢熱移去系統等組成，直接實現熱電轉換。省去壓水堆一、二回路的許多設備，如蒸汽發生器、主蒸汽系統、主冷凝器、汽輪發電機組等，有效使核動力裝置的重量和體積大幅縮減，并且熱離子堆動力裝置在艇上布置非常靈活和方便，有望使裝置更能耐沖擊，也可避免高溫、高壓的環境，使得對裝置的材料苛求程度降低。此外，會提高可靠性和自動化水平，大大減少操縱和維護人員。

在功率方面，用壓水堆和SP-100型熱離子堆進行對比時，假設裝備這2種反應堆的潛艇具有相同能力時，壓水堆的熱功率為66 MW，而熱離子堆的熱功率為176 MW，這表明SP-100型熱離子堆的效率僅為6%～7%，而壓水堆則在16%左右（指最后推進功率與堆功率之比）[13]。可見熱離子堆用于核潛艇，其效率相對較低。但從另一方面看，由于熱離子堆所占體積、重量小，可減小艇的排水量，提高航速。所以，壓水堆受體積、重量限制，其實現熱效率再提高的潛力不大。而熱離子堆雖然目前在熱電轉換效率低，但卻存在提升空間，受設備體積、重量的限制小。

4 經驗總結以及對我國的啟示

世界各國對海洋越來越重視，謀劃對海洋的開發以加強對海洋的利用和控制，而小型核潛艇在此趨勢下開始在一些領域發揮自己獨特的作用。

通過研究美俄小型核潛艇的發展過程，可以得到如下啟示：

1）深海小型核潛艇所承擔任務范圍，可以覆蓋深海區域的大部分科研及軍事需求。盡快開展相關的研究有助于未來我國維護自身的海洋權益，提升我國的深海開發戰略的進程，并在深海領域的戰略防御上發揮反潛對抗的作用。

2）深海小型核潛艇中涉及到多項關鍵技術，包括可承受大潛深水壓的潛艇結構設計、耐壓殼的材料研發與應用、小型核反應堆技術、深海作業能力以及生命環境保障能力等。這些關鍵技術的研發對海洋領域的發展具有推動作用。同時小型核潛艇本身就是很好的試驗平臺，可以承擔型號、新材料、新結構和新武備的試驗任務。

3）目前核潛艇整體的發展趨勢傾向于載人潛器作戰平臺化。而與無人智能化作戰體系的結合，加強了小型核潛艇在深海區域的作業能力和活動范圍，實現了大廣度和大縱深的覆蓋，具有極高的戰略意義和價值。

4）小型核潛艇總體設計的科學合理性。小型核潛艇的總體優化設計是一個多目標的妥協折衷優化問題，需要明確主要性能，以系統工程方法進行研制，將復雜總體優化平衡過程變成程序化、規范化的操作[14]。

5 結 語

現代深海領域的競爭正在逐漸升溫，深海對抗的手段正迅速發展與變革。小型核動力潛艇將成為深海領域對抗的一股不可忽視的力量，其可以強化在深海領域的優勢，特別是對于潛艇救援、深海信息戰、深海戰略對抗和海洋科研等方面具有重大意義。通過研發小型核潛艇，可以推動深海領域技術的發展，有利于提高我國對于深海區域的防御以及維護自身的海洋權益。