橘生淮北——浅析“柯林斯”级潜艇缘何“百病缠身”

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本文发表在《兵工科技》2017年第11期上，以下是正文：
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2016年，法国出人意料地击败日本，赢得了澳大利亚价值500亿澳元（约合385亿美元）的潜艇建造合同，成为当年国际军火交易中的重磅新闻。对此，人们普遍关注日本“苍龙”级潜艇有何不足，以及法国尚在绘图板上的潜艇为何能成为“黑马”，鲜有人注意到，即将被新型潜艇所取代的澳大利亚海军“柯林斯”级潜艇，的最后一艘于2001年入役，迄今不过15年光景，可谓正值“盛年”。

. u; `7 B2 M8 c. D/ m冷战结束后，西方各国都放缓了军备更新的步伐。在这种情况下，澳大利亚为何要斥巨资更新正值“盛年”的潜艇呢？要知道，从九十年代中期一直到新世纪日本“苍龙”级潜艇问世之前，“柯林斯”级潜艇一直都号称是世界上排水量最大、技术最先进的常规潜艇。其采用的X 形尾舵、3 单元侧舷共形声纳、细线型低频拖曳基阵声纳，在当时属先进技术，放到当今也不算落后。

9 L6 v/ `4 f. R! o, t% k答案很简单，纸面上的先进技术指标并不能真实而全面地反映武器的实际性能。貌似先进的“柯林斯”级潜艇，从诞生的第一天起，就一直“百病缠身”，难堪大用。艇设计之诸多“病根”在设计之初便已经埋下。这种先天不足，后天再怎么“进补”，也难以根治。

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从这个角度看，“柯林斯”级潜艇水面航行颇为壮观

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简单思维
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( [# t4 P5 j/ h* b" e0 n地广人稀的澳大利亚位于南太平洋上，被广袤的太平洋和印度洋所环绕，面临的实际安全威胁很小。但该国与美国在二战中结成的同盟关系却一直延续至今。在这个同盟中，澳大利亚被赋予了远超其自身安全需要的分工——协助美国防御第二岛链南翼、保护美-澳及印度洋海上航线的安全。因此澳大利亚人均国防费用支出长年维持在全世界第4的位置上，仅次于沙特阿拉伯、以色列和美国。
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上世纪80年代初，随着“墨尔本”号航母的退役，潜艇成了澳大利亚海军实施“区域防御”战略的中坚力量。鉴于当时该国海军装备的“奥白龙”级潜艇即便进行现代化改进，也无法达到海军需求，因此澳大利亚政府筹措了40亿澳元的巨款，用于新一代潜艇的采购。

澳大利亚并无独立设计建造先进潜艇的技术能力，而美国早就停止了常规潜艇发展，当时的日本又受政治限制而无法对外输出潜艇技术，因此澳大利亚向欧洲各大潜艇制造商发出了招标书。招标书的要求可谓相当苛刻：既要求新潜艇可以担负在澳大利亚海域之外的远洋巡逻使命能完成搜集情报，特别是电子情报的任务；又要求新潜艇编制人员要尽可能少，自动化水平尽可能高，并技术转移至澳大利亚本土生产。

* [% n7 d: D  ]当时共有瑞典、英国、德国、荷兰、法国和意大利6个国家的7个潜艇设计与制造公司参加了投标。澳大利亚进行了三轮评估筛选，最终于选择了瑞典考库姆公司的471型方案，并选择了2家作战系统供应商。1985年，澳大利亚与考库姆公司签订了设计方案合同，由瑞典考库姆公司与澳大利亚3个公司组成的澳大利亚潜艇公司作为主承包商。1987年6月3日，该公司与澳大利亚海军在堪培拉议会大厦签订了建造6艘“柯林斯”(Collins)级潜艇的合同，由该公司位于澳大利亚南部的阿德莱德造船厂承担建造任务。

$ R5 `, _( }) v6 E8 y! e; M471型方案是以瑞典考库姆公司于70年代末设计，于1987年至1990年相继进入瑞典海军服役的“西约特兰“级潜艇为母型的。“西约特兰”级是80年代性能颇为出色的常规潜艇之一。由于瑞典海军的主要任务区域是半封闭的波罗的海，因此“西约特兰”级潜艇是一款主尺寸为48.5米×6.1米×5.6米，水面排水量为1070吨，水下排水量为1143吨的近海潜艇。而根据澳大利亚海军的要求，新潜艇必须有能到达南中国海水域执行长时间待机任务的能力，以协同美国海军封堵第一岛屿南翼，将驻金兰湾的苏联太平洋舰队分舰队封锁在港内。根据计算，拥有1000吨水面排水量的现代潜艇可以达到约1500海里的活动半径，达到2250吨水面排水量的现代潜艇活动半径大致为2500海里。而要达到3500海里的活动半径，则潜艇的水面排水量应达到3000吨以上。吨位较小而活动半径较大的型号须付出艇壳重量系数较低（损失下潜深度）和艇员数量较少（影响持续作战能力）的代价。远洋型潜艇执勤时间较长，为分散工作负荷，保证艇员作业效率而采用三班制，在艇内系统不变的前提下乘员数量即较采用两班制的近海型潜艇增加50%，故而需要更大的生活空间和物资储备。
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为了达到了澳大利亚方面提出的自持力70天，水面10节航速时，续航力超过10000海里的要求，471方案基本上是将“西约特兰”级潜艇设计图纸放大了近3倍，主尺寸为77.5米×7.8米×7米，水面排水量达到了3051吨，水下排水量为3353吨。
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8 s) M$ f' T, j处于水面航行状态的“柯林斯”级潜艇
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无论是考库姆公司，还是澳大利亚海军都认为，一款优秀的近海潜艇经过简单的放大和扩充后，也必然成为一款优秀的远洋潜艇。事实上，参与竞标的其他5个国家的6个设计方案，也都是这种简单思维的产物。因为得益于对苏联的地理优势，西欧国家的常规潜艇并不需要长续航能力，故而艇型都偏小。当拿到澳大利亚海军的潜艇招标书时，各国均无现成的货架产品能满足要求。因此各国的竞标方案，都是在既有潜艇的基础上加以放大和扩充而来。

1993年8月28日，471方案从图纸变成了实物——“柯林斯”级潜艇的首艇“柯林斯”号(S73)下水，并于1996年7月27日服役。此后，2号艇“法恩科姆”号(S74)于1998年服役，3号艇“沃勒”号(S75)、4号艇“德查纽克斯”号(S76)于1999年分别入役，5号艇“希恩”号(S77)于2000年8月服役，6号艇“兰金”号于2001年服役。
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: A4 O7 X0 v3 n- N0 E% I8 _表面看来，澳大利亚海军如期拿到了世界上最大、最先进的常规潜艇。不过，“柯林斯”级潜艇从服役至今，各种毛病、麻烦就一直不断。原计划40亿澳元就可完成的潜艇更新计划，被迫一次次追加预算，不断在原有基础上“缝缝补补”。纸面性能颇为先进的“柯林斯”潜艇虽说没机会在实战中一展身手，但这头“吞金巨兽”却“消灭”了不少澳大利亚国防预算，“战斗力”着实不容小觑。
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细细梳理“柯林斯”级潜艇历年所曝出的问题，便不难发现主要问题基本都集中在动力、噪音、火控和密封这四个方面。
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! O6 }  K, l  C7 I跛足巨人

3 s! H- E* a. x# v0 ?, M9 x先说动力系统。“柯林斯”级潜艇采用柴——电推进系统驱动单轴7叶大倾斜螺旋桨。动力推进系统由3台V-18B∕14海特莫特柴油发电机组、4组瓦尔塔铅酸电池以及1台热蒙施奈德3MW双电枢主推进电机组成。燃油舱仍沿用了“西约特兰”级潜艇的海水补偿方式。

所谓海水补偿方式，是指被消耗掉的燃油所占据的燃油舱空间，由外部海水予以补充。如此一来，燃油舱中的液体实际分为两层。上层是燃油，下层是随时补充到燃油舱中的海水。

! v: v% C8 {& ~0 ?  T“西约特兰”级潜艇所活动的波罗的海相对来说风浪并不算大，其战术使命主要是保护瑞典漫长的海岸线和沿海数百个岛屿。该型潜艇驶出基地后，无需进行长时间水面航行，就能潜至任务海域执勤，因此海水补偿方式并没带来什么麻烦。
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不过，橘生淮北而为枳。在“西约特兰”级上用得好好的海水补偿方式，照搬到“柯林斯”级上却惹出了大麻烦。澳大利亚沿海均为浅海水域，潜艇在进入深海水域之前，要在水面航行相当长时间。受水面波涛的影响，艇身起伏、颠簸和摇摆得比较厉害，因此造成燃油舱中的燃油与补重海水混合，致使海水随着燃油一起进入艇上的柴油机中。若问题仅限于此倒也罢了。祸不单行的是，由于“柯林斯”级潜艇几乎是“西约特兰”级潜艇的3倍大，瑞典并无现成的大功率艇用柴油机可用。因此“柯林斯”级潜艇上安装的3台V188∕14SUB型柴油机，实际上是以钻井平台装备的柴油机为基础，经过放大而成。这个办法虽说设计周期短，但显然并未考虑到艇用柴油机和民用柴油机工作环境的巨大差异，以及军品与民品对可靠性的不同要求。


参加多国联合军演的两艘“柯林斯”级潜艇

; D% a5 I; c. u" b) y# @两个因素一迭加，结果就悲剧了：进入柴油机内的海水不仅影响燃油的燃烧效率，而且加重了喷油嘴、燃油泵的腐蚀，使得活塞在气缸内的运动受到严重阻滞，降低了主机输出功率，致使航速、续航力不达标。加之V188∕14SUB型柴油机本就是民品的底子，根本就“不耐操”，结果导致了柴油机故障频发。据统计，从1996年7月“柯林斯”号潜艇服役至1998年10月“法恩科姆”号潜艇服役的这两年时间里，这两艘潜艇在试航过程中，柴油机发生过750余次故障。故障包括主机活塞破裂、齿轮传动装置破损、燃油喷嘴堵塞、燃油泵卡死、摇臂杆和联轴节断裂、典轴操作等。新造潜艇有如此之高的动力系统故障率，世所罕见。
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$ D5 D) T6 n/ s此外，澳大利亚海军在使用中还发现，柴油机在制造和组装过程中质量控制低劣，导致燃油消耗量过大，直接影响了航程。鉴于承包商的技术支持不理想，澳大利亚海军干脆委托相关企业研制了一个电分解器，并在燃油中加入化学杀菌剂，总算是解决了燃油纯度的问题。可即便如此，却依旧无法根治动力系统的先天不足。2012年5月，“柯林斯”级的4号艇“德查纽克斯”号(S76) 由于动力系统发生故障，未能参加5月举行的“联合盾牌”军事演习。同年7月，2号艇“法恩科姆”号(S74)又因动力系统故障而中途退出2012年度“环太平洋”军事演习。要知道，能被选中派去参加联合军演的，一定是技术状态比较好，处于战备值班状态的艇。这样的艇都能出现如此“意外”，“柯林斯”级动力系统的不可靠可见一斑。

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+ y; Y& Q; a" z8 O  s- x) z2 C( C超标噪声
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说完动力，再谈噪声。 “柯林斯”级首艇在测试时，澳大利亚海军就吃惊的发现，该型潜艇的噪声水平远比预期要高很多。经过各方“会诊”，噪声居高不下的原因包括以下几方面：
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1、        包括主机柴油机在内的许多机械在运行过程中噪声过大。

2、        艇体不合理的外形，导致了潜艇在高速状态下流体噪声严重超标的声问题。指挥台围壳后部的上层建筑，在靠近艉部的位置与耐压艇体的衔接时形成一个十分陡峭的斜坡。这种几乎没有任何圆滑过渡方式的连接形式以及该级潜艇不合理的指挥台围壳形状，使其在水下航行时，后半部艇体产生显著的系列流体涡流，而且形成的系列流体涡流直接进入艉部的螺旋桨工作区，当桨叶与涡流相遇时，引起桨叶振动和噪声。

- g6 x. I  K3 i6 O. n( [3、        该级艇采用了X型尾舵。结构复杂的尾操作面不但使流体噪声加大，而且使伴流场变得不均匀，影响螺旋桨的工作环境，使其无空泡转速大大降低。

4、        螺旋桨自身的空泡噪声超标。

5、“科林斯”级的潜望镜, 电子设备桅杆等未进行适当的流线型处理。若在潜望镜深度上以中等速度航行时，潜望镜产生的阻力和湍流使整条艇产生振动。艇内亦难得到清晰的观察图像。攻击潜望镜和搜索潜望镜在改变倍率时，其聚焦亦存在问题。
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3 y( q! h! ^/ H服役后，”柯林斯“级潜艇艇身加装了消声瓦
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柴油机噪声的主要是由于柴油机在运行时的共振引起的。共振则是由于活塞上下运动时曲轴的扭曲造成的。造成这种情况的根本原因是，在设计方案中增加了一些附加气缸，使柴油机的共振频率与运行频率产生了耦合。澳大利亚海军只得把柴油机运行速度比原先设计值调低了50转∕分钟，并对柴油机基座进行加固处理，使柴油机的固有频率避开其运行频率。
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水流噪声问题，解决方案是大幅度修改原始设计：在指挥台围壳的前缘根部增设一个楔形结构，使指挥台围壳前缘与上层建筑圆滑过渡，另对指挥台围壳的后缘进行局部整形设计，使其倾斜角度明显加大。尾部上层建筑淘汰了容易引起旋涡的半圆形收尾，改成了渐变收尾。新设计的螺旋桨由特殊的刚性材料制成，不仅在经受水流不规则冲击时振动大为减轻，而且不易产生空泡。此外，从2号艇“法恩科姆”号(S74)开始，艇身开始覆设消声瓦，并更换了转舵时会产生液压噪声的的X型控制舵。

, {# ?1 X6 o0 l& T" q至于潜望镜和电子设备桅杆的问题，究其根源，是由于澳大利亚海军坚持要将光学镜头安置于红外传感器上方的缘故。而通常情况下，红外传感器是位于光学镜头之上的，这样做便于安排光学路径。考库姆公司应澳大利亚要求更改设计后，未经充分试验便勿勿投入运用。发现问题后，设计方对各桅杆外形重新进行了修形，并对光学路径进行了重新设计，才算亡羊补牢。
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以上改进于1998年至2001年间完成。期间，各承包方不断就合同条款互相扯皮，导致澳大利亚不得不额外支出了一大笔费用。
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" l  w$ w' m3 E3 ?  j迟钝“大脑”
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“柯林斯”级潜艇初始装备的作战指挥系统，是由波音∕洛克维尔公司研制的。系统拥有多个MC68040微处理机，每个微处理机在相当于Windowa模式下运行，在分散的数据和主程序间需要有相当多的Ada辅助软件予以支持。

: j* K# ?3 T. o$ Z, N澳大利亚海军在训练中发现，这些辅助软件明显降低了系统运行速度，并使整个作战指挥系统显得十分庞杂，实际使用中被证明处理能力不足。主要表现在处理声呐数据时产生一定程度的延迟。虽然显示器可迅速显示数据，但却要经过相当长的时间才能把原始数据转化为战术态势图，这在现代海战中是不可接受的。因为潜艇的战术决策是以经过处理的战术态势图为依据的。在瞬息万变的海战中，交战双方的战术态势可能在短时间内发生巨大变化。对潜艇而言，是采取快速发射鱼雷的进攻手段，还是采取规避的防守手段，不同的决策可能会海战结果产生重大影响。而这两种截然不同的决策，往往是在短短的几秒钟时间里做出的。该潜艇作战指挥系统的另一大缺陷是：系统既不能显示或处理雷达或电子支援措施数据，又不能适应未来安装光电桅杆的需求。
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: t% _3 v0 B6 n; M0 d( y90年代末期，澳大利亚海军争取到2.66亿澳元预算，在第4、5、6艘艇的作战指挥系统中增设了一个快速跟踪分系统，一个新的电子支援措施分系统以及独立的雷达显示控制台。这是个治标不治本的办法。到2005年，忍无可忍的澳大利亚海军又从国会申请4亿美元追加预算，将全部6艘“柯林斯”级潜艇更换美国雷声公司研发的AN/BYG-1型作战指挥系统，由美国通用动力公司的的电船分公司对潜艇改造升级提供技术支持。AN/BYG-1是由CCS MK2型系统衍生而来。后者广泛装备于美制洛杉叽级、弗吉尼亚级核潜艇上。不过，等作战指挥系统更新完毕，时间已经到了2014年。

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三艘“柯林斯”级潜艇在海上排成一路纵队

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跑冒滴漏

按设计指标，“柯林斯”级潜艇的推进轴每小时漏水量应在10升左右。而实际上，由于
; S" U7 U2 ^+ N/ `6 Z* b螺旋桨艉艉轴部位的密封性能不好，实际漏水量经常达到每小时数百升之多。首艇还曾创造了深潜状态时每分钟进水一吨的骇人记录！由于漏水严重超标，导致首艇在服役之初既不敢高速行驶，又不敢潜深，在入役3年仍未形成战斗力。

   海水漏泄超标的问题相对倒是好解决。1997年，相关公司重新设计了艉轴密封圈。经过装艇试验，效果不错，算是解决了这个危及潜艇自身安全的心腹大患。
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+ u! y) L- K. i" L缓缓驶入悉尼港的”柯林斯“级潜艇，远处是著名的悉尼歌剧院

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   钓鱼扯皮

“柯林斯”潜艇的设计和建造合同采用的是固定价格。在长达10余年的建造交付期内，美元持续贬值。1987年签订合同时的1美元，到首艘“柯林斯”级潜艇交付时的1996年，实际购买力缩水了28%；到最后一艘艘交付的2001年，缩水幅度达36%。在这种情况下，承包商为获得利润，必然会在产品质量上打主意。有时候，承包商明知某些设计或是澳大利亚海军的某些要求不尽合理，但却熟视无睹，用户发现问题后又以符合合同要求为由推卸责任，并要求追加费用以解决问题。而澳大利亚方面之前对风险评估不足，在总计40亿澳元的合同金额中，仅留了2.3%的金额作为解决意外问题的费用。其结果必然是不断扯皮，不断被钓鱼。
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! F$ S& a& W/ G到2014年为止，澳大利亚政府在“柯林斯”级潜艇上投入的建造、采购、改进、改装费用，已经超过了60亿澳元（约合46.2亿美元），平均每艘艇约合7.7亿美元，可谓天价。“柯林斯”级潜艇在项目研发和管理上的教训，发人深省。
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! h4 a& C' I, `! j拖船帮助“柯林斯”级潜艇进港靠泊

cyclx

活该白澳脑残被骗，他附近都是小国，最大的贸易航线是到中国，美军是亲密盟友，他买潜艇打谁？战时封锁中澳航线？
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& c/ V1 ]& H, H/ l想想这剧情就搞笑：中美大战，澳海军潜艇从伯斯海军基地出动，防止伯斯挖出来的铁矿石通过中资控制的达尔文港运往中国。
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cyclx 发表于 2017-8-13 03:26
活该白澳脑残被骗，他附近都是小国，最大的贸易航线是到中国，美军是亲密盟友，他买潜艇打谁？战时封锁中澳 ...

我在第二楼里解释过：

但该国与美国在二战中结成的同盟关系却一直延续至今。在这个同盟中，澳大利亚被赋予了远超其自身安全需要的分工——协助美国防御第二岛链南翼、保护美-澳及印度洋海上航线的安全。

而根据澳大利亚海军的要求，新潜艇必须有能到达南中国海水域执行长时间待机任务的能力，以协同美国海军封堵第一岛屿南翼，将驻金兰湾的苏联太平洋舰队分舰队封锁在港内。

cyclx

忘情 发表于 2017-8-13 13:10
2 {# w: j% t2 c! b* ]5 R* z+ A我在第二楼里解释过：

但该国与美国在二战中结成的同盟关系却一直延续至今。在这个同盟中，澳大利亚被赋 ...

谢谢忘情兄的解释。我只是感慨澳洲被美国渗透的太厉害了。中国已是澳最大的贸易伙伴，而且在可预见的将来贸易额会变的更大，中澳经济互补极强，而且中国不可替代，但澳洲不是中国的唯一。就这样，2016还要花500亿，这不是有病么。

nettman

cyclx 发表于 2017-8-13 15:19
/ U; W- I* U/ [谢谢忘情兄的解释。我只是感慨澳洲被美国渗透的太厉害了。中国已是澳最大的贸易伙伴，而且在可预见的将来 ...

/ k, p. @' M0 E& S  j: W. M花钱有回扣的

忘情

cyclx 发表于 2017-8-13 15:19
( B. s7 [/ m( k& F谢谢忘情兄的解释。我只是感慨澳洲被美国渗透的太厉害了。中国已是澳最大的贸易伙伴，而且在可预见的将来 ...

要知道，澳，新，加三国，可是美国核心盟友，比日落牛还要更贴心，更亲近呢。人家和美国的利益，才是核心利益。

njyd

壮观说明阻力大。