减小常规潜艇排水量的技术途径分析

吴 军 刘明静

中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

0 引 言

常规潜艇以其吨位小、噪声低、机动性好、造价低廉、建造周期短等特点，成为世界各国海军近海防御的主战装备，受到各国海军的青睐。常规潜艇的“减肥瘦身”，减小排水量是提高常规潜艇总体性能的主要技术途径。

常规潜艇作为一个完整的全武器系统，在其狭小的密闭空间内，需集成具有各种功能、性能、物理特性各异而又相互关联的设备或系统，并组成一个有机的整体，因此，这些系统、设备在一定程度上决定着潜艇的重量和排水量。

为了提高作战能力，现代潜艇要求携载的武器数量和种类越来越多，所使用的武器除装备传统的鱼雷、水雷外，还要求能够装备各类反舰导弹，以及配备水声对抗装置和先进的信息处理设备，从而使得此类设备所占用的艇内空间不断增加，要求的艇体尺度不断加大，结果导致船体结构重量大幅增加，致使艇的排水量也大大增加。为保证和提高航速与水下连续潜航续航力，又要求增大主机功率，这将导致主机及其辅机的尺寸和重量不断增长，进一步增大了艇的排水量。此外，由于主尺度加长导致目标强度增大，因而在隐身性设计中又不得不增加隔振和减振降噪设备的重量。由此可见，在现代潜艇的总体设计中，如果只做“加法”不做“减法”，最终必然会带来艇的排水量的“恶性”增长。常规潜艇的机动性、经济性和隐蔽性等综合性能降低，最终必会导致常规潜艇综合能力的降低。

探讨常规潜艇的“瘦身”技术，减小常规潜艇的排水量，实现常规潜艇的小型化、自动化、信息化和低噪、高效，提高常规潜艇的总体能力具有重要的军事意义［1-2］。本文将主要通过分析国外常规潜艇的载荷情况和影响常规潜艇排水量的主要因素来探讨常规潜艇排水量控制的主要技术途径。

1 各国潜艇排水量发展趋势

1.1 各国常规潜艇排水量现状

当前世界上有代表性的先进的常规潜艇主要有德国的212A型潜艇［3］，俄罗斯的“拉达”级（“阿穆尔”1650型）潜艇［4］，法国的“鲉鱼”级潜艇和瑞典的A19潜艇［5］等，其总体参数和排水量分别如表1和图1所示。

表1 几型常规潜艇总体参数比较Tab.1 Dimensions comparison among some typical conventional submarines abroad

图1 几型常规潜艇排水量对比图Fig.1 Displacement comparison among some typical advanced conventional submarines abroad

由表可以看出，现代世界先进常规潜艇的正常排水量约为1500～1700 t，水下排水量约为1600～2000 t，水下最大速度约为20 kn。

1.2 国外潜艇排水量控制技术的现状

1）美国潜艇的“减肥瘦身”计划。

以美国为代表，其最新的“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇首航还不到一年，就又开始了一项新的名为“Tango-Bravo”的攻击型核潜艇研究计划，该计划致力于研究一种排水量更小、设备小型化程度高、信息处理能力强、自动化水平先进的新型攻击型核潜艇。

从“海狼”级到“弗吉尼亚”级，再到“Tango-Bravo”计划，美军潜艇越来越趋向于小型化设计。“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇就是在原“海狼”级的基础上强调“廉价、多能”，并通过设备、系统的模块化与小型化设计，减小体积和造价来研发建造，但新一代的核潜艇将更加“迷你”。

美国的“Tango-Bravo”计划由美海军和国防预先研究计划局共同发起，预计为期4年，共耗资9700万美元，将致力于5大关键的潜艇技术领域研究：

（1）无轴推进技术；

（2）潜艇压力壳外储存和发射武器技术；

（3）艇体共形技术；

（4）简化潜艇外壳、机械和动力系统的基础结构；

（5）自动化指挥控制中心。

据称，如果这些先进技术都被攻克，美军将迎来新一代的攻击型核潜艇，与建造中的“弗吉尼亚”级相比，新潜艇的尺寸和费用均将减小一半左右，但作战能力却不相上下。

2）俄罗斯潜艇改变传统设计观念，减小排水量。

俄罗斯非核动力潜艇的发展走过了一条漫长的道路，在俄海军和潜艇发展中发挥了重要作用。共发展了4代常规潜艇，第1代是W级和Z级，第2代是R级和F级，第3代为T级和K级，第4代是“拉达”级。

从表2可以看出，俄罗斯常规潜艇从第1代W级（排水量1050 t）到第3代636型（排水量2350 t），其间还有2，3代之间的过渡型T级潜艇（排水量达2750 t）（图2），每型潜艇排水量的增加都是为了其使命任务或新技术的应用而增加，如Z，F，T级潜艇都是远洋作战大型鱼雷攻击型潜艇，有的续航力达到了30000 n mile，自持力90天，在当时是具有战略威慑力的潜艇。随着主要对抗国家核潜艇的出现，以及反潜技术的发展，于上世纪70年代，俄罗斯的柴电潜艇便不再承担战略任务，不再将它看作是大洋交通线上的斗争工具，其主要任务是海军基地的防潜和在己方舰队主要力量展开区域里进行巡逻。因此，又研制了具有海洋“黑洞”之称的第3代常规K级潜艇。在K级潜艇上，注重了减振降噪技术的应用，同时还将自持力降为了45昼夜，并采用了先进的艇型来提高水下航速，其排水量达2300 t。至20世纪90年代，第4代常规潜艇的排水量控制问题仍是困扰俄罗斯潜艇设计的问题。从“拉达”潜艇的参数来看，俄罗斯改变了其传统的潜艇设计理念，首次采用了西方国家海军一直采用的单壳体结构形式，下潜深度减小到了250 m，并贯彻了设备小型化、模块化和集成化等设计思想，排水量减少了近600 t，控制至1765 t。

表2 俄罗斯几代潜艇性能对比Tab.2 The performance comparison among different types of Russian conventional submarines

图2 俄几代潜艇排水量对比图Fig.2 Displacement comparison among different types of Russian submarines

因此，可以看出，常规潜艇发展到一定的阶段后，排水量的继续增大将制约其综合作战能力的提高，必须加以控制。

2 潜艇载荷组成及分析

常规潜艇的正常载荷组成部分一般分为9组：第1组，船体；第2组，船舶装置；第3组，舱室和甲板设备；第4组，动力机械和管路；第5组，船舶系统；第6组，电气和观察通信设备；第7组，武器装备和防护装置；第8组，备品及供应品；第9组，储备品和舰员。每组载荷与正常排水量之间的比称之为载荷系数，据《潜艇设计》［6］中对核/常规潜艇的载荷组成分析，各组载荷系数如表3所示。

表3 潜艇的载荷组成Tab.3 The components of submarine loads

由表3可以看出，占常规潜艇正常排水量的主要部分为结构和动力装置的重量，结构重量约占40%；动力装置，如第4组和第6组载荷之和（柴电＋推进）约占正常排水量的20%～30%，并且其布置约占全艇50%的舱室容积；船舶装置和系统的重量约占全艇的10%，但其布置约占20%的舱容；电子武备的重量虽占全艇的比例较小，但其布置约占20%的舱容。

因此，“减肥”最有效的途径就是从结构和动力装置着手，提高功率密度，优化艇体结构；“瘦身”则从船舶系统和电子武备着手，提高系统集成度，整合功能和资源，优化配置和使用流程，提高可靠性，减少设备和人员。

3 影响潜艇排水量的主要因素分析

3.1 动力装置

动力装置的先进性可用功率密度来反映。从潜艇布置来看，动力装置约占全艇50%的舱室容积，载荷约占30%。因此，动力装置的小型化是实现潜艇小型化的前提。

1）AIP系统

212A潜艇是具有代表性的德国新型常规潜艇，其AIP系统装备由9块燃料电池［7］组成（每块功率34 kW），总功率306 kW，电池能量转换效率62%。该燃料电池模块尺寸小、重量轻、功率密度高，液氧携带量为15 t，金属氢化物储氢1.8 t，能保证潜艇在水下以3 kn的速度航行20昼夜，或者在4～5 kn的航速下续航力为1250 n mile。

瑞典斯特林热气机发电机组的单机功率为65 kW，热气机能量转换效率仅30%（为燃料电池效率的一半）。整套系统需装备液氧罐（液氧携带量取决于AIP的续航力），使用专用燃油。

斯特林热气机、发电机组与燃料电池相比，同样的能量产出，燃料电池系统功率密度是热气机的1.53倍，系统功率与其所占潜艇的布置容积比是热气机的3.72倍，如表4所示。因此可以看出，斯特林热气机系统重量大，其装置及设备布置所需的容积也大，而热气机功率则约为燃料电池的1/2。从功率密度的角度考虑，差距更大。图3所示为212A潜艇燃料电池系统布置图。其燃料电池系统重量轻，占用容积空间较小，且该艇为单、双混合壳体结构，液氧罐和储氢罐布置在舷外，充分利用了舷外空间。

2）柴油发电机组及推进电机

德国212A潜艇装备有2台MTU16V396柴油发电机组，永磁电机额定功率2850 kW，额定转速150 r/min。该电机不仅重量轻、体积小，还大大降低了高速工况下的噪声（图4）。据此推算，功率密度为91.94 kW/t。

表4 AIP系统对比表Tab.4 The comparison of AIP systems

图3 德国212A潜艇布置图Fig.3 The layout plan of Germany 212A submarine

图4 212A潜艇永磁电机布置图Fig.4 The layout of permanent magnetic propulsion motor in 212A submarine

“拉达”级潜艇装备有2台2000 kW的柴油发电机组和1台额定功率为4100 kW的永磁推进电机，该电机尺寸约为3100 mm×3000 mm×4000 mm，体积约为37.2 m3，重量49 t（该尺寸重量均含控制部分），功率密度83.67 kW/t。

二者的对比如表5所示。

表5 永磁电机对比Tab.5 The comparisons of two permanent magnetic propulsion motors

自二战到现代，柴电潜艇共经历了60多年的发展，按照动力形式及技术发展，常规潜艇共发展了4代。从俄罗斯第4代潜艇的动力装置来看，柴油机由3台向2台转变，单机功率的提高，说明常规潜艇的设计理念由以水面航行为主转为以水下航行为主；螺旋桨由多桨变为单桨，蓄电池由4组变为2组，水下蓄电池续航力的提高，说明蓄电池技术发展了，蓄电池容量提高了。俄罗斯4代常规潜艇动力装置的主要性能如表6所示。俄罗斯海军不同代柴电潜艇柴油机与推进电机功率之比的变化如图5所示。

表6 俄罗斯柴电潜艇动力装置主要性能Tab.6 The main performance of Russian conventional submarine power

图5 俄罗斯不同代柴电潜艇的柴油发电机与推进电机功率之比的变化趋势Fig.5 The ratios of generator power to propulsion power of different Russian conventional submarines

由图5可以看出，随着潜艇技术的发展，不同时期柴电潜艇的柴油发电机组与推进电机的功率之比呈减小的趋势。其中877ЭКМ型潜艇的柴油发电功率不足，造成蓄电池充电时间增加及充电时航速受限，这是由于当时缺少所需的柴油发电机，而在636型潜艇上则安装了功率较大的柴油发电机。

由表7可以看出，当代世界先进的常规柴电潜艇的柴油发电机与推进电机功率之比一般在0.7左右，由于动力装置对排水量的影响较大，因此，合理地配置动力系统，提高单机功率密度对控制排水量具有积极的意义。

表7 世界具有典型意义的常规潜艇动力配置表Tab.7 The typical conventional submarine power scheme

3.2 船体结构

由表3可知船体结构重量约占潜艇正常排水量的37%～38%，是潜艇载荷的重要组成部分。因此，控制船体结构重量增长是控制排水量并保持常规潜艇优势的重要举措之一。

船体结构载荷由耐压船体结构、轻壳体结构、舱室间隔壁、内部船体结构、耐压液舱、基座和加强等组成，船体的载荷占潜艇排水量的比例如表8所示。

表8 船体结构组成占潜艇排水量的比例Tab.8 The components of hull construction and their ratio in total displacement

其中，耐压船体结构约占船体结构的50%，约占潜艇正常排水量的20%，为潜艇排水量的主要组成部分。耐压船体结构的重量与潜艇的潜深、耐压船体的直径和材料有关（图6、图7）。在潜深和材料相同的情况下，单位容积耐压船体的重量随耐压船体直径增大而减小，同时，耐压船体的重量与舱室长度也密切相关，舱室长度越长，由于加强的原因，耐压船体的重量会随之增加，可表达为：

式中，W表示耐压船体重量，t；V表示耐压船体容积，m3；R表示耐压船体直径，m；l为舱室长度，m。

图6 不同舱室长度下单位容积的耐压船体重量（容重比）与舱室直径的关系Fig.6 The law between pressure hull weight and diameter in unit volume for different cabin length

图7 不同材料单位容积的耐压船体重量（容重比）与潜深的关系Fig.7 The law between pressure hull weight and dive depth in unit volume for different material

因此，根据常规潜艇的作战海区及其使命任务，合理选取潜艇的极限下潜深度，综合权衡潜艇的综合性能，减小耐压船体直径，是潜艇小型化的重要途径。

3.3 潜艇观察通信设备和武器控制设备

潜艇的第6组载荷除去推进电机、蓄电池等电气设备的载荷之后，观察通信设备约占潜艇正常排水量的2.5%～3%，武器控制设备及防护装置的重量约占潜艇正常排水量2.5%～3%（其中鱼雷发射管为1.8%）。虽然这部分设备均由电子设备组成，其载荷占潜艇正常排水量的比例并不大，但由于这些电子设备的数量较多，在布置上约占潜艇30%的铺板布置面积。同时，由于大部分设备都需要人员操控，而艇员的数量与潜艇的台位有着直接联系，艇员越多，台位便越多，潜艇的床铺和生活设施相应地也会增加，从而增加潜艇排水量［8］。

随着潜艇自动化技术，特别是信息化技术的发展，利用网络技术将相关系统集成，将部分功能软件化，减少功能重叠，减少设备和台位，以全船信息共享、资源统筹、功能整合的集成优化设计为设计手段也是常规潜艇“瘦身”的主要技术途径之一。

德国212A潜艇的自动操纵系统使得潜艇与武器系统和平台系统的联合操控成为可能。在中心操纵台上，可实现集中操纵控制，在日常工作中，潜艇操纵仅需3人操作，人员编制仅需27人，潜艇正常排水量1450 t。“拉达”潜艇较636型潜艇有较大提高，中央战位操纵台可对艇的设备和武器系统实施集中、统一的自动化控制，人员编制35人，潜艇正常排水量1765 t。

3.4 辅机设备

船舶系统是潜艇的保障，其设备品种和数量繁多，布置贯穿全艇，也是构成潜艇载荷的主要组成部分。辅机设备的大小与潜艇的布置密切相关。同时，辅机设备与潜艇的噪声及潜艇的潜深有着直接联系，不同使命任务的潜艇需要选择不同的辅机设备。因此，功能不同、大小不同的各种辅机设备的配套是潜艇设计的基础，潜艇低噪声、大深度、小型化、多功能的设备配套体系的建立对潜艇的设计具有重要意义。

目前，现代船舶技术迅速发展，民用技术在许多领域已有创新和广泛的应用。建立一种转化机制，将其他行业的先进技术和设备进行适应性试验和转化，是实现潜艇技术快速提高的重要途径之一。

3.5 新技术的应用

目前，世界潜艇先进技术不断发展，无轴推进技术由于减少了轴系和推进电机等设备，不仅可以降低潜艇噪声，还可大幅减少潜艇重量，潜艇的尺度也相应缩短。潜艇共型技术是使潜艇的声呐和装置等与潜艇的外形共型，这可减少设备所占用的潜艇容积空间，减小潜艇容积。复合材料、高强度材料等的应用可有效减小潜艇结构和装置的重量，可实现潜艇高性能、低重量的目标。武器外置发射技术可减少武器舱室存放空间，减小潜艇的重量和容积［9-10］。

因此，潜艇新技术的应用是减小潜艇排水量的突破口，也是实现潜艇性能快速提升的重要途径之一。

4 结 语

通过上述对比分析认为，为了提高潜艇总体性能，常规潜艇排水量的控制应以提高动力装置的功率密度和优化潜艇结构为重点，以小型的低噪声、多功能配套设备为基础，以信息集成、资源统筹、功能整合的集成优化设计为手段，以新技术应用为突破口，以有效控制常规潜艇的排水量或实现潜艇小型化。

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