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潜艇的“脸”:漫谈潜艇指挥台围壳

 李灏 2015-10-01

潜艇的“脸”

漫谈潜艇指挥台围壳

百人百态,千人千面。

水下杀手潜艇的“脸”其实长在背上,就是那个象“驼峰”一样的玩意儿,“驼峰”的大名叫潜艇指挥台围壳,英文名是“SAIL”或“FIN”,台湾地区管它叫帆罩,我们通常简称围壳。


除了方便出入,围壳里有雷达、潜望镜、通信天线,以前还有大炮

作为是潜艇上最大的水下附体,围壳不是水密的,责潜艇的通信、指挥、通风等等功能,围壳远离潜艇的平衡中心,对潜艇水下运动的影响很大,以德制209型潜艇为例,围壳只占湿表面积的8.84%,高速航行却产生12.71%的总阻力。按理说,现代潜艇的水下性能越来越好,围壳似乎应该取消了,可实际上,世界上目前还没那条潜艇取消围壳,而且,随着潜艇技术的发展,特别每一次跨越式的发展,都得在围壳上做文章。

早期的潜艇围壳

早期的潜艇很不完善,形状上就和农民企业家们发明的一样五花八门,无论多奇葩,设计师们都忘不了在最高处设一个人员出入并通风换气地方,毕竟“人往高处走,水往低处流”“站得高看得远”等基本常识是不好反着来的。早期的潜艇并不完善,一直到一个病歪歪爱尔兰人出现,这个爱尔兰人与英国人不共戴天,他想发明一种水下船来消灭英国皇家海军,很多波折,很多困难之后,1900年,这个爱尔兰人设计的潜艇最于被美国海军采用,并且首批建了6条,这个爱尔兰人名叫霍兰,被公认为现代潜艇之父,他造潜艇的地方现在是通用动力公司的电船分厂。

霍兰潜艇已经具备个现代潜艇的模样
潜艇之父 霍兰先生

那个与“愤怒的小鸟”很象的玩意儿就是最早的围壳。那位戴礼帽的先生就是现代潜艇之父霍兰先生。霍兰潜艇已经具备了柴电潜艇的雏形,水面上由内燃机驱动并为蓄电池充电,水下用蓄电池驱动螺旋桨航行。那时候还没有声呐之类的水下探测设备,潜艇必需得不时上来看看,霍兰他设计潜艇的上面,设置了人员出入并进入观察的出入口,已经有现代潜艇指挥台围壳的影子,围壳前方是一个流线型的鸟嘴一样的东西,大约是考虑到降低阻力和上浪吧,这装置应当算最早的指挥台围壳填角吧。

潜艇出现后,世界各海军强国都很重视,掀起了一波造潜艇的热潮,有些潜艇基本上是就是山寨霍兰的潜艇,1904年,沙俄海军命令海军上尉布勃诺夫,建造了俄国第一条潜艇海豚号,基本上也是这个样子。早期的潜艇都很小,大约只有不到20米长,围壳也很低矮,非常不利于观察水面的情况,所以在水面航行时很吃力,有时甚至要搭一个临时建筑。

早期潜艇围壳低矮,视线不佳,还常造成全灭的惨剧

1912年的美国潜艇F-1号

视线不好,不利观察其实还不是最大的问题,要命的是早期潜艇的围壳低矮,常常被海浪和其它船掀起的大浪打进围壳造成沉船事故,这种事,美国、俄国、日本的早期潜艇都发生过,由于出口狭小,人员多数都逃不出来,毕竟海水从天而降,迎着海水逃命是没出路的,1920年前后,一艘美国潜艇也被行船掀起的涌浪打进围壳,大量进水,全艇履灭之际,艇长还算聪明,与直觉相反的是,他果断的封死了舱口盖,并指挥机电长打开舱底泵排水,才救了全艇十几号人的生命。但这样的例子并不多。

为了提高舱口的防浪性能,为指挥员提供更好的视野,随着潜艇排水量的加大,设计师们采取的措施很简单却有效,那就是提高围壳的高度,后来,潜艇的功能不断加大,在围壳里安装了潜望镜之类的东西,以便于鱼雷攻击和隐蔽,这时的围壳发展趋势总体上是越造越大,越造越高,为了防空的需要,围壳上还要架设高射炮之类的东西,甚至能塞飞机进去,二战时期的日本人就这么干过,当时的潜艇水下速度还不快,也就10节左右的样子,围壳对潜艇机动性的影响还不算突出,大点就大点吧,二战末期,荷兰人发明了潜艇通气管,为了给通气管提供空间,围壳更大了。


帝国海军的大神器,二战日本海军伊-400潜艇能装三架飞机,是当时世界上潜艇中的NO.1

走向核时代

二战之后,人人都期望和平,但和平并未自动降临。上世纪50年代,潜艇技术迎来了两个技术上的飞跃,核动力和水滴型外形。我们先说说水滴型潜艇,潜艇要什么形状才能取得最高的水下航速,二战时期的德国人凭着仿生学的直觉,认为潜艇应当象鱼一样,美国人却不这么看,美国海军水下战研究中心的科学家们,在风洞(我没写错)里和大卫泰勒航模试验水池进行了大量了的试验,最终认定,滴落的水滴的形状才是水下航速最快的形状,从量化的指标来看,潜艇外形光顺,圆头加上一个尖尾,长宽比约7比1是最理想的,他们建造了一艘外形和水滴着不多的潜艇来验证他们的理论,这就是著名的大青花鱼级潜艇,大青花鱼是一条试验潜艇,进行了多次的修改,靠从美国国库里“借”来的20吨白银,安装了能量比极高的银锌电池,史无前例的把潜艇的水下航速提高到了33节,速度上来,新的问题也来啦。美国人发现,水下高速航行的潜艇,在转弯的打舵的时候,会产生严重的横倾,如果打舵不合适的话,甚至产生很大的摇摆仍至翻滚,这可是要命的大问题,潜艇大下其实在一条很窄有通道里航行,如果超过最大深度,压破了耐压壳和管路,有可能造成艇毁人亡的结局。原理这里就不细说了,问题根源还是在围壳上,美国人在大青花鱼的围壳后加了一段很少见的围壳垂直舵,试图解决这个问题,但效果不显著,后来只好在使用条令提出限制,所以美国潜艇水下横向机动性一直不容乐观。

大青花鱼级潜艇围壳上加了方向舵

大青花鱼号是世界上第一条水滴型的潜艇,这是其围壳后面加装的围壳垂直舵,用来解决高速转向时有可能的大幅横倾。

潜艇技术的另一个突破是核动力,核动力潜艇水下航速高,机动性好,最重要的是不需要上浮水面为蓄电池充电,美国人曾经试图取消潜艇的围壳,后来发现利远小于敝,于是便在减小围壳上下功夫,后来沉没的长尾鲨级是其实是一型非常经典的潜艇,后来几十年的美国攻击核潜艇基本上都是按着长尾鲨级的路子来。

海狼级潜艇

上世纪70年代初,美国人开始搞洛杉矶级潜艇,在核海军之父里科弗上将的坚持下,洛杉矶级将是一型高速潜艇,核反应堆的功率有限,想提高航速,只能在降低阻力上下功夫,美国人先是想到压缩人员的生活空间,所以洛杉矶级的居住条件出名的差,每个人一张床铺都保证不了,三个人要睡二张床,所以有了“热铺”的说法。有研究人员一拍脑袋,围壳那么大,又碍事,又影响平衡,取消了行不?经过周密的计算,没有围壳,至少能提高航速1.5节,这可是了不起的进步,水下对抗,航速非常重要,这就如同警察追小偷,百米快0.1秒就是胜利。方案都提了出来,为洛杉矶级装一个可折倒的桅杆一样的玩意儿,上面装天线、雷达、潜望镜,方案很精彩,结果很悲剧,胡扯,玩没玩过潜艇?结果洛杉矶级围壳还是保留了下来,只是尽最大可能又小又窄。

毛熊的创意

前苏联发展潜艇与美国人路子截然不同,美国人的潜艇其实是军方组织人员搞出来的方案来,各个船厂只是实施,因此花样并不多。苏联人有强大的潜艇设计局,军方只提大致的要求,各设计局搞方案来竞标,竞争相当激烈,有的时候互相间并不通气,甚至相互封锁。苏联潜艇特别是核动力潜艇的围壳大体上分为两派,一派是以孔雀石设计局为代表攻击核潜艇,由于追求水下机动性和高航速,多数采用流线型指挥台围壳;另一派是以红宝石设计局和天青石设计局为代表的,主攻战略导弹核潜艇和巡航导弹核潜艇及常规动力潜艇,这一派潜艇的围壳对高速航行考虑较少,更注重围壳的坚固,基本是坚固直筒型,没什么太大的新意。

阿库拉级潜艇的指挥台围壳

我们先说说流线型的围壳,孔雀石设计局(Malachite)设计是苏联第一型核潜艇627型攻击核潜艇,在围壳设计方面一直很敢于创新,第一次设计出流线型的指挥台围壳,并在后续的维克多级(671型)、A级(705型)、阿库拉级上延用了下来,流线型的围壳使流经艇体的水流光顺好得多,避免了高速水下转弯出现横摇,但也加大艇体的湿表面积,不利于提高水下航速。苏联攻击核潜艇围壳相对美国人大的多,除了围壳里面的潜望镜、雷达、通信天线、侦察天线等由于电子技术落后,要比美国的体积大之外,还有一个重要原因,就苏联第三代核潜艇多数安装的漂浮救生舱。

上图,苏联潜艇的漂浮救生舱示意图,把这玩意儿塞到围壳里,围壳能小吗?

阿库拉级(971型)多用途核潜艇“萨马拉号”的流线型围壳相当庞大,足有二十多米长,里面还藏着能救30-40人的漂浮救生舱,注意围壳前上方伸出的几个棍子,里面藏着非声学跟踪设备,据称能象猎犬一样,探测到经过几十个小时的潜艇留下的踪迹。

阿库拉级转壳前部安装的非声学跟踪装置的细节,这些传感器主要探测海水的温度、盐度、汽泡的变化,至于具体性能,苏联人高度保密,俄罗斯人也从未公开,不过后期的核罗斯潜艇也没再装这种装置。

与孔雀石设计局激进优美的流线型围壳相比,红宝石设计局要保守得多,很少在围壳方面的什么创新,俄罗斯最新的“北风之神级”战略导弹核潜艇,围壳前部居然是前倾,笔者认为,这种设计也许是是为了让该潜艇进入水下40-50米的发射阵位时,平缓后方的水面,不会对出筒的布拉瓦级战略核导弹造成干扰,毕竟,战略导弹核潜艇不是冲锋陷阵的,整个潜艇的设计其实是围绕着如保证导弹保证的可靠进行的。

上图,北风之神级战略导弹核潜艇向前倾,有利于平滑后方的水流,有利于导弹发射的稳定。

苏联人的流线型围壳其实美国人也很羡慕,不过由于艇体结构的巨大差异,美国人并没有采用苏联人的设计方案,只是在翼型的围壳的前方,增加了鼻子形的填角,填角并不能完全解决横向机动性差的毛病,但对于降低流体噪声有着重要的作用。高速航行时的海水流经围壳,在围壳的前下方产生驻点,向两侧流动的过程中,高低压转换过程中,会产生不稳定的湍流,也叫“马蹄涡”,这种湍流有规律的“敲击”薄弱的围壳两侧,会激发出特定频率的水下辐射噪声,对潜艇的声隐射不利。美国的海狼级攻击核潜艇,在围壳的前方增加了填角,用来解决这个问题,后来的弗吉尼亚级,也保持了这种围壳的方案。再后来,西方国家的潜艇觉得这种方案还不赖,日本、澳大利亚等国家的常规潜艇,也纷纷给指挥台围壳加上了填角。

上图,围壳前部与艇体交汇的地方会产生马蹄涡,引发流激噪声。

上图,澳大利亚海军的科林斯级潜艇,该潜艇的原始设计方案是瑞典人搞的,没有围壳的填角,水下噪声严重超标,这个填角是根据美国专家的降噪改进意见加上去的。

未来的样子

冷战结束后,潜艇的技术的发展没有了冷战时期那种激情岁月,新的潜艇方案被纷纷砍掉,潜艇技术发展不大,围壳的花样也少了许多。美国人正在利用本尼奥瑞尔湖试验场,进行新型核动力潜艇围壳改进方案的验证,据说在后续的弗吉尼亚级核潜艇上会采用。

常规动力潜艇方案,笔者非常看好瑞典人提出方案,北欧小国瑞典是个只有800万左右人口小国,却是一个传统的军工强国,常常能结合本国国情,提出新颖的武器设计方案,瑞典的“鹰狮|战斗机、“维斯比级”护卫舰、FB77榴弹炮等等都是相当经典的装备,其发展动向往往受到全世界的军工强国所关注。2012年,瑞典老牌军工企业考库姆公司提出了A26型常规潜艇的设计方案,目前正积极向泰国海军推销,A26的围壳设计方案标新立异,有点象蒙着头巾的大侠,这种看上怪怪的围壳,其实是计算机流体力学反复验算的结果,国外近年来,计算机辅助设计特别是流体动力验算软件发展迅速,

从流体动力学上来讲,这种型状的围壳既解决了马蹄涡产生流激噪声问题,也兼顾常规动力潜艇接近水面航行的要求,应当是常规动力的潜艇最佳方案。

上图,瑞典正发展中的A26型常规动力潜艇的围壳。

无论潜艇怎么进步,围壳是很难取消的,毕竟潜艇要浮上观察,最起码也要透气,也许会有更多的千姿百态的脸让军迷们欣赏了。







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