国外新型核潜艇技术特征研究

陈 锋，齐国英，赖 鸣，杨清轩

(1.海军装备部991 工程办公室，北京100841;2.中国船舶重工集团公司 物资贸易有限公司，北京100861;3.中国船舶重工集团公司 第七一四研究所，北京100012)

0 引 言

近年来，美、俄、英、法等国在战略调整、技术发展推动、老旧装备服役到期等因素的推动下，逐步开始进行核潜艇的更新换代，研制和建造新型核潜艇。攻击型核潜艇方面包括美国“弗吉尼亚”级、俄罗斯“亚森”级、英国“机敏”级和法国“梭鱼”级。弹道导弹核潜艇方面包括美国的“俄亥俄”级替代艇和英国的下一代弹道导弹核潜艇。从上述潜艇目前所公布的技术特征来看，其在动力系统、武器发射系统、自动化、隐身能力等方面有着共同的技术特征，本文通过对共性技术体征的梳理，总结出未来核潜艇技术发展方向，供我国潜艇设计人员参考。

1 核反应堆与艇同寿，增加部署时间，减少维修成本

目前，美、俄、英、法等国的核潜艇反应堆堆芯寿命基本都达到了与艇同寿。美国的“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇所使用的S9G 型分散布置核反应堆装置的寿命达到了33年，实现了真正的“与艇同寿”。目前正在研发的“俄亥俄”级替代艇新型反应堆，其寿命将超过40年;英国“机敏”级攻击型核潜艇采用的PWR-2 型压水堆的堆芯工作寿命为25年，在艇的服役期内可不用更换核燃料。俄罗斯“亚森”级和“北风”级潜艇上采用的核反应堆是俄罗斯于1995年研制成功的第4 代压水反应堆，目前具体反应堆型号尚未确定，但确定其反应堆燃料更换周期为25-30年，基本实现了与艇同寿。法国“梭鱼”级潜艇均采用K15 一体化压水堆反应堆，反应堆堆芯寿命也达到了25年，基本实现全寿期不换料。

表1 国外新型核潜艇反应堆型号和使用寿命Tab.1 Foreign new generation nuclear submarine reactor models and service life

此外，新型核潜艇的反应堆单堆功率也有所提高，如美国“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇所采用的S9G 型反应堆热功率达到200 MW。“洛杉矶”级攻击型潜艇所使用的S6G 型反应堆热功率为160 MW;英国PWR-2 压水堆单堆功率比PWR-1 高40%。俄罗斯第4 代反应堆单堆功率达到190 MW，是第2 代反应堆的2 倍。

2 采用多种措施不断提高综合隐身性能

1)继承、创新艇内降噪技术，降低声信号

新型核潜艇均在研制初期采用多种手段进行减振降噪，不但吸取上一代潜艇的减振经验，还不断有所创新。以美国“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇为例，其继承了“海狼”级攻击型核潜艇的降噪技术，装备具有自然循环能力的超低声S9G 型核反应堆，主机舱采用浮阀式减振的整体模块设计，使用首创的模块化隔离甲板结构，并对动力推进设备进行优化，推进设备使用的动力电缆和阀门、断路器、泵等，其数量分别仅为“洛杉矶”级攻击型核潜艇的50%、40%和30%左右。

2)多数采用泵喷推进器，降低声信号

从目前新一代核潜艇建造、研制状态来看，除“亚森”级首艇外，其余新型核潜艇均采用泵喷推进器。未来，“亚森”级第2 艘也将采用泵喷推进器，可认为泵喷推进器取代7 叶大侧斜螺旋桨已是大势所趋。相比螺旋桨，这种推进器具有较高的推进效率和更好的声学性能以及优异的空泡特性，可增强潜艇的声隐身能力。

3)外形优化，降低声信号

一方面，新型攻击型核潜艇已全部取消围壳舵，可回收式首水平舵成为新型攻击型核潜艇的主要布置方式。另一方面，新型攻击型核潜艇的指挥台围壳向低矮化发展，并增加指挥台围壳与艇体之间的光滑过渡，减少潜艇的水动力噪声。

图1 美、俄、英、法新一代攻击型核潜艇均无围壳舵Fig.1 No sail rubber on the new generation nuclear submarine

图2 从上至下分别为“洛杉矶”级、“海狼”、“弗吉尼亚”级核潜艇Fig.2 From top to bottom，respectively LosAngeles，SeaWolf，Virginia class nuclear submarine

图3 从上至下分别为“阿库拉”级、“亚森”级核潜艇Fig.3 From top to bottom，respectively Akula，Yasen class nuclear submarine

4)进一步应用复合材料，降低磁信号

目前国外核潜艇除主承力结构仍使用高强度合金钢外，正积极研究复合材料建造潜艇大型承力构件，正在进一步在非承力构件上应用复合材料。复合材料由于具有可设计性强、耐海水腐蚀、质轻(与钢材相比，在结构上应用时能降低30% ～50%的重量)、无磁等优点，当前美、英、法等国的新型潜艇上已大量应用了复合材料，以法国“凯旋”级和美国“弗吉尼亚”级最为突出。法国潜艇中应用的复合材料主要以声学复合材料为主，“凯旋”号弹道导弹核潜艇上60%非耐压结构都采用了结构功能一体化的声学复合材料。美国海军潜艇应用复合材料更为广泛，已经实艇应用的包括声呐导流罩、透声窗、消声瓦、推进装置、泵、通风系统、非燃油管路等。

图4 “弗吉尼亚”级潜艇复合材料声呐导流罩及围壳上的高频声纳透声窗Fig.4 Composite materials sonar dome and high frequency acoustic window on Virginia class submarine

未来，复合材料在潜艇上的应用呈现出进一步扩大的趋势。如具有透声、减振、降噪等功能的复合材料在潜艇声呐导流罩、声呐透声窗、螺旋桨、消声瓦、减振基座、推进器等部件上的应用越来越广;具有一定结构强度的轻质复合材料，在舱壁、舱口、管道、通风系统、高压氧气瓶及热交换装置等小型部件上的应用也日益广泛;一些潜艇大型结构部件也正在或将采用复合材料制造，例如正在研制中的复合材料尾锥等，结构复合材料还将在潜艇操纵面、非耐压壳等上获得应用。复合材料无疑为未来潜艇技术取得重大突破，全面提升战技性能，具有革命性的意义。

2 战略艇载弹量减少，导弹质量提高

近年来，国外发展新一代弹道导弹核潜艇呈现出载弹量减少、换装新一代弹道导弹的特点。主要原因有以下2 个方面:

1)受核裁军影响，限制了每个国家所允许拥有的弹道导弹规模;

2)当前弹道导弹质量越来越高，表现在分导弹头数量增多，命中精度上升，射程越来越远，末段打击速度越来越高。在这种情况下，减少载弹量，一方面可以减少核潜艇在导弹上的负载，增加其他设备的负载能力，另一方面又不会导致核威慑或核打击能力下降。

美国在2010年4月提出的新一代SSBN(X)弹道导弹核潜艇构想中，导弹发射管的数量由“俄亥俄”级的24 个减少为16 个;俄罗斯现役“台风”级弹道导弹核潜艇装备了20 枚“鲟鱼”弹道导弹，而新一代“北风”级弹道导弹核潜艇将装备16 枚新型“布拉瓦”弹道导弹;英国现役的“前卫”级弹道导弹核潜艇有16 个导弹发射管，装备了16 枚“三叉戟”Ⅱ弹道导弹，而下一代弹道导弹核潜艇则将只装备12 个导弹发射管。法国现役的“凯旋”级弹道导弹核潜艇携带有16 枚M45 型弹道导弹，现正逐步换装为新M51 型弹道导弹。

3 电气化、自动化水平不断提高

潜艇电气化、自动化的实现能够减少空间要求、降低重量、减少人员数量、缩减成本，而且将使潜艇设计更加灵活、增加负载能力、提升作战系统的效率。此外，潜艇电气化将代替原有液压和气压子系统，使系统更加整洁和安静。

在操纵系统方面，美国“弗吉尼亚”级核潜艇的操控系统进行了大幅的革新。操控部位大面积的触摸式显示屏取代“洛杉矶”和“海狼”级上大量分散的传统显示屏;高度自动化的电传操纵系统代替了以往传统的模拟液压操纵系统。凭借快速实时显示的艇位详细数据，2 名操控人员用2 个操纵杆，利用触摸屏幕，就能够完成以往“洛杉矶”级和“海狼”级核潜艇需要3 名操纵人员完成的航行、潜浮和均衡等工作。 “弗吉尼亚”级核潜艇高度自动化的操纵系统，还可对水下深度和艇体运动加速度，做出连续计算判断，并在计算机自控下做出自动补偿，使潜艇的操纵性能获得了很大的提升。

在作战与武器系统方面，美国“弗吉尼亚”级核潜艇采用了高度集成的作战指挥系统，它采用了一种开放式、分布式和实时的网络系统，集成了声呐、雷达、作战指挥和导航等系统，实现了信息的集中显示，使得整个控制站只需3 名人员，取代了传统的5 人编制。 “弗吉尼亚”级核潜艇上安装了名为“电子海图显示与信息系统”(ECDIS)的新型数字化导航系统，该系统能够对所在海域的航线进行自动选择和监控，不仅进一步减轻了艇员的工作量并为潜艇的航行安全提供了保障，也使得值班人员从2 名减少为1 名。

在管理系统方面，法国“梭鱼”级潜艇由于采用了分布式网络的高自动化平台管理系统，使得自动化水平大幅度提高。尽管较上一代核潜艇排水量和主尺度都有所增大，但“梭鱼”级潜艇人员编制仅为60 人，其中包括12 名军官，比“红宝石”级“紫宝石”号还减少了近10 人。节省出的空间可搭乘15 名特种部队人员，完成特种部队运输的任务。核动力和推进装置设在艇尾，出于人员在海上和维护时的健康和职业安全的考虑，艇尾设计成无人值班机舱。

4 结 语

总的来说，新型核潜艇的主要技术特征包括动力、隐身性、打击能力以及自动化能力4 个方面。动力方面，美、俄、英、法新型核潜艇全部采用了“全寿期不换料”反应堆，堆芯寿命至少达到25年，且单堆堆芯功率均有所提高。目前除法国K15一体化堆外，所有新型核潜艇反应堆均依靠提高核燃料富集度来增大功率密度;隐身能力方面，新型核潜艇除在潜艇内部采用新型减振降噪技术，还从总体设计上综合考虑隐身特性，包括红外隐身、磁隐身等;打击能力方面，攻击型核潜艇垂直发射与鱼雷管发射系统平分秋色，战略艇导弹数量下降但导弹质量提高;自动化方面，新型核潜艇全部采用全新电子系统，辅以开放式体系架构，利用电子控制系统取代传统液压控制系统，利用计算机分析、集成作战信息，利用自动化平台管理艇员，其主要目的在于减少人员配置、增强操纵性能、提高作战和人员管理效率。总之，新型核潜艇电气化、自动化水平将不断提高，并且基于开放式体系架构特性，系统还将不断更新，以保持“与时俱进”。

未来潜艇的主要技术发展方向与上述技术特征紧密相连，包括动力技术，未来核反应堆将向高安全性、低富集度、高能量密度发展;综合隐身技术主要突破振动、噪声方面的控制;负载技术包括负载的种类和更好性能两方面，如未来上艇的无人潜航器、各类水声探测系统、更加先进的武器装备等;电子技术包括更好的自动化水平，更好的电子装备等，特别是作为潜艇“耳目”的设备，如共形阵声呐技术。

［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.