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“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇的研制始于20世纪90年代初，是“洛杉矶”级核潜艇和“海狼”级核潜艇的后续艇。“弗吉尼亚”级潜艇开始研制时，“洛杉矶”级潜艇处于全速生产阶段而“海狼”级刚开始建造。 图 1 组装车间中的“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇 随着冷战的结束，美国海军认识到设计和建造低成本潜艇的必要性，因此“弗吉尼亚”级在设计和建造上更加注重成本控制。在项目组织上，“弗吉尼亚”级采用了“俄亥俄”级与“海狼”级的经验，如单一的设计/建造组织；建造开始前完成了适度程度的设计；获得国防部和国会的支持等。在技术选择上，为便于更好的控制成本，“弗吉尼亚”级潜艇更多地采用了现有成熟技术，减少新技术开发带来的风险问题。“弗吉尼亚”级潜艇的模块化设计建造达到了更高的层次，可以实现在全寿期内通过模块更换，达到了技术更新和功能重组的目标。 一、设计程序的改进 为了有利于降低潜艇成本并提高效率，电船公司在“弗吉尼亚”级的设计上采用了“集成化产品与过程开发”（IPPD）程序。 IPPD程序与以前的潜艇设计程序截然不同。传统的潜艇设计由一系列的固定设计阶段组成——概念设计、初步设计、合同设计和详图设计，每一步都比上一步详细一些，每一步都以潜艇建造的一系列图纸结束（图 2）。潜艇有时在详图设计阶段便开始建造。而且，每个阶段之间会有一段时间用来讨论下一个阶段的工作。这些阶段之间的时间间隔不仅推迟了工作进程，还常常导致设计需求或执行方法的变化。 图 2 传统潜艇的设计步骤 与传统设计的线性进程不同，IPPD是一种并行进行的、无缝连接的进程。IPPD包含传统设计阶段的所有任务，但它们是以并行的方式进行。在IPPD程序中，设计阶段被六个创作区段所替代，这六个创作区段对应不同的满足设计成熟度的设计产品（见图 3）。创作区段可以被认为是设计阶段；但由于创作区段间是相互交叠的，工作衔接的更有效率。创作区段如下： 需求创作段（PA-0）。确立未来平台的特性，如抗冲击性能和生存性能的需求。 配置创作段（PA-I）。在需求确定后，将技术说明转换为二维或三维图纸。在舰船结构中建立潜艇系统和子系统模型来评估配置。开始工程分析，组织设计/建造团队相互交流以消除设计上的冲突。 实物大模型创作段（PA-II）。在确定了配置而且海军同意设计方法后，为潜艇特定的区域建立实物大模型图样。 智能模型创作段（PA-III）。检查系统集成，执行交互工程分析并审定智能模型，促使最后的结构设计获得批准。这些任务通过定义材料、零件等将“智能”加在模型上。 分类图纸创作段（PA-IV）。在实物模型和产品定义获得批准后，制作分类图纸并为建造活动提供支撑数据。 数字化控制/制造数据支持创作段（PA-V）。开发工作包设计数据。 联络及首制船厂服务创作段（PA-VI）。为实施建造确定工作包并发布图纸。 图 3 “弗吉尼亚”级的“集成化产品与过程开发”程序 在“弗吉尼亚”级之前，潜艇的设计是某船厂的设计部门根据海军合同进行，设计得到政府批准后再下发给各造船厂。政府对建造工序并没有统一规定。船厂为保护竞争优势，拒绝向竞争对手的设计团体透露建造工序方面的信息。结果在实际建造过程中，海军军方面临来自建造方（程序需要）和军方（需求改变）的设计变化，从而导致建造成本增加。 为打破设计壁垒，“弗吉尼亚”级的IPPD程序则将设计过程向所有合作伙伴公开，合作者参与潜艇初始操作需求的产生、设计和建造方案的定型、直到潜艇的交付的整个过程。根据以往的经验，设计过程进行的越是深入，打断设计过程（例如，改变潜艇的内部机械布置）所造成的损失就越大。因此，电船公司强调设计的初期才是解决许多主要成本问题的最佳时期。 图4 新设计流程使“弗吉尼亚”级潜艇设计变化显著减少 二、舱室接口的管理 潜艇是一个系统密集型的复杂系统。每艘潜艇有数个舱段，舱段内部及舱段之间遍布着数以百计的电子、机械和电气系统。“弗吉尼亚”级之前的潜艇建造时，海军在系统和舱室（模块）的接口上都遇到一些困难。出现困难往往意味着舱段要重新设计或重新返工。为减少相应的风险，“弗吉尼亚”级潜艇采取分区建造的方法，潜艇被分为如图5所示的几个主要区域，由不同的建造团队承包。其中，潜艇艏部、艉部、指挥台围壳、居住舱、武器舱等模块由纽波特纽斯船厂建造；指挥舱、主机舱等模块由电船公司建造，反应堆舱模块则分别由两家公司建造。 图 5 “弗吉尼亚”级潜艇主要建造区域 为协调“弗吉尼亚”级的建造，项目组设置了两种类型的团队。一种是区域团队（MAT），另一种是系统集成团队（SIT）。每个区域团队负责一个主要区域，任务是确保区域综合设计、和其他区域的接口、建造程序的优化及成本控制等。团队由“核心”设计人员、工程师、设备供应商、环境和后勤专家和布置装置（管道系统、结构、电子和机械设备）的CAD操作人员组成。由于人力限制，单独的区域团队不可能全部配备全职专家来从事某项工作，有些专家往往被派到多个团队，这在一定才程度上促进了团队间交流。 系统集成团队主要负责设计与建造的结合，以及特殊系统的专门技术或适用于全艇的技术方法（如用于全艇的水力学、调平及泄水，电力分配或通风系统）。系统集成团队还负责区域团队之间的交流，避免在建造时出现舱壁和边界冲突问题。 三、模块化建造 “弗吉尼亚”的模块化建造水平有了很大提高。如在船厂开始封闭耐压壳体时，“洛杉矶”级的完成度仅为33%，“海狼”级完成度为57%，而“弗吉尼亚”级的完成度达到81%。“弗吉尼亚”的许多关键组件在装艇之前就开始建造和测试。比如“弗吉尼亚”级的指挥和控制系统模块是在陆上实验基地建造、测试和装定的。模块和模块间的接口通过精确控制计划确保准确度，并使用了摄影制图和激光跟踪来确定接点。 图 6 在Groton船厂卸载中的“弗吉尼亚”级潜艇模块 为确保模块化建造顺利进行，“弗吉尼亚”级潜艇的设计和建造中使用了综合图表（IMS）。综合图表能够决定零件的布置和施工时间，可以让管理人员更直观地管理零件和系统的开发进度。举个简单的例子，在“弗吉尼亚”级的施工安排中有个辅机室，需要在铺设管道之前布设油箱，因此在设计安排上油箱要早于管道。管理者也能使用综合图表程序强行“锁住”承包商提供装备和政府提供装备的交付日期。如果是采用试验性技术的零件或系统，由于它们遇到技术风险而拖延的几率很高，因此在计划中还为新技术安排了“备选”计划。 四、“弗吉尼亚”级潜艇设计建造经验 作为一级以经济可承受性为重点考量标准的核潜艇，“弗吉尼亚”级有独到的设计建造经验： 潜艇设计阶段的决定是降低项目成本的关键。对于“弗吉尼亚”级潜艇，海军在设计和建造阶段就将其定位于高性价比的核潜艇。这就能尽早地开展零件的标准化和通用化、简化设计、成本控制等管理。另外，由于降低成本的目的很明确，成本一开始便成为所有项目决策的基础，促进了潜艇成本的降低。 必须建立合作的和交互式的缔约环境。美国海军通过建立有助于协作的缔约和采购环境，促进海军和建造者之间的合作关系，这在以前是没有的海军和建造者之间的关系从对抗转向合作，纽波特纽斯船厂和电船船厂从之前的竞争关系转为有效的协同关系。 了解不同设计过程的优势和不足。为确保“弗吉尼亚”项目的成功，电船公司不仅改造船厂的规模和结构，还采用新的设计原理。通过在IPPD环境中的并行设计方法替代了原先的陈旧的线性设计流程。设计小组不仅包括绘图员和工程师，还包括建造领域的资深人士，确保潜艇达到建造阶段后无需多少改动。海军频繁的设计审查也有助于掌握项目的情况，并确保所有的参与者互相理解及取得共识。 海军和工业界都需要有强力和有经验的领导层。“弗吉尼亚”项目成功的原因之一是海军和工业界有强力的领导层和管理手段。（蓝海星：朱鹏飞） 想了解更多国外国防战略、科技、工业、装备技术相关研究，请关注蓝海星智库微信公众号：SICC_LHX |
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