哥德巴赫猜想——浅谈我国未来核潜艇可能的技术路线

忘情

      
这篇发表在《兵工科技》2017年11期上，无任何内幕消息，纯属脑洞大开，以下是正文：
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1 ^# Q! E* s0 Q; a. h     随着我国第一代核潜艇入驻青岛海军博物馆，人们得以近距离审视这艘当年的“争气艇”，在感慨当年各种不容易的同时，也对我国未来核潜艇的技术进步充满着期待。

3 {$ T# B2 Z* _     不过，核潜艇是当之无愧的国之重器。其拥有者无不对其真实性能严加保密。其保密程度甚至远超航母。不过，这并不妨碍军迷从局外人的视角，以各种公开资料为基础，对我国未来核潜艇的技术路线进行一番大胆的猜测。

     主要任务
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发展任何一款武器，归根到底都是要满足使用者提出的战术、技术要求，而不是与国外同类武器进行全方位攀比。适合自己的，性价比高的设计，才是最好的。与冷战时间美苏全方位对抗、争霸不同，在今后相当长一段时间里，我国仍将奉行“积极防御”战略。笔者以为，在这种战略下，我国未来攻击型核潜艇所要担负的主要作战任务，依次是：
1、为航母编队护航；
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2、保护已方战略导弹核潜艇；
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/ k' h8 X' b+ Y4 p9 d3、作为反航母作战体系的一个火力输出节点；

4、承担部分远程对陆打击任务，丰富战役打击手段选项。
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; x9 E* }& Q% l& e考虑到中国不可能像冷战时期的美苏一样，不惜血本地投入军备竞赛，况且在核潜艇领域，中国的底子很薄，技术积累有限，因此未来的战略导弹核潜艇，仍会延续092、094级的发展模式，在同期发展的攻击型核潜艇基础上，拉长艇身，嵌入导弹垂直发射舱段，再作幅度不大的适应性修改而成。也就是说，攻击型核潜艇的各项基本技术指标，决定（换句话说是“限制”）了战略导弹核潜艇的基本性能。
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最高航速

2 e; O2 m+ h0 S/ V2 j* P在航速方面，据外媒报道，“辽宁”号航母曾在2017年初的远海训练中，连续5个小时以30节的高速航行，因此作为航母编队水下“保镖”的攻击型核潜艇，也应有不低于30节的最大持续航速。否则的话，在航母编队高速机动时，攻击型核潜艇速度跟不上，就不能奢望它抢占有利的掩护阵位。而同样需要攻击型核潜艇保护的战略导弹核潜艇，在执行战备值班任务时，多以低速巡航，以保持隐蔽性。在这种情况下，攻击核潜艇的最高航速很难派上用场，而静音航速越高，对其完成任务越有利。目前国际上主流的核潜艇，其最大静音航速约为最大持续航速的60%左右。因此笔者以为，中国未来攻击型核潜艇最大持续航速超过30节，最大静音航速超过20节，是个合理要求。这样的指标既能满足我军实战需求，也符合当前我国工业水平的实际。指标再高的话，不仅研制周期将拉长，而且代价巨大。在历史上，前苏联曾不惜血本造出了水下最大持续航速高达42节的“阿尔法”级核潜艇。但由于推进功率随速度增长急剧攀升，前苏联为这单一技术指标“笑傲江湖”付出了沉重的代价，最终证明得不偿失。
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' W3 i# ]/ x' _4 V潜深需求

在潜深方面，理论上最大潜深越大，战术机动的空间就越大，同等情况下隐蔽性会更好一些。但是，第一岛链内的渤海、黄海、东海都属浅海，并不适合核潜艇活动。南海的总面积超过350万平方千米，水下主要由大陆架、大陆坡和中央海盆三个部分组成，三部分呈环状分布。中央海盆位于南海中部偏东，是大陆坡围绕的一个东北至西南走向的狭长海盆，大体呈扁的菱形，面积约40万平方千米。海盆地势东北高、西南低，其北部水深3400米，南部4200米，最深在西北部为5567米。大陆架沿大陆边缘和岛弧分别以不同的坡度倾向海盆中，其中北部和南部面积最广。在中央海盆和周围大陆架之间是陡峭的大陆坡，分为东、南、西、北四个区，南海海盆在长期的地壳变化过程中，造成深海海盆，海盆内大部分地区比较平坦，可视为一个“深海平原”。虽称之为“平原”，但它的地形很复杂，其上矗立着27座高度超过1000米的海山（其中不少高度超过3400—3900米）以及20多座400—1000米高的海丘。因此，南海是我国核潜艇较为理想的活动海域。

; U# Q- J3 Y* H& @8 P# M3 d南海水深虽深，但一般来说，温跃层仅在海面以下100至200米左右，密度跃层一般位于海面以下100至200米左右，加之南海东连太平洋，西接印度洋，是至关重要的海上交通要道。每天游弋在南海的各色商船如过江之鲫。民用船舶的高强度活动带来了嘈杂的背景噪声，给在此活动的核潜艇提供了天然掩护。从已经披露的我国在南沙群岛上各项基建的规模来看，海底地貌复杂的中央海盆成为中国战略导弹核潜艇的“堡垒海域”，是完全可以预期的。战略导弹核潜艇担负战备值班任务时，巡航深度都不会太深。执行导弹发射任务时，更是要悬停在距海面仅几十米的深度内因此笔者认为，活动于此的核潜艇最大潜深能达到400左右就足够了。这个指标如果太大的话，对艇身材料的结构强度、加工工艺要求就太高了，徒增成本却无甚收益，非常不合算。
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武器配置

; K. N6 z1 D9 t; J在武器方面，攻击型核潜艇在执行为航母编队及战略导弹核潜艇护航任务时，使用先进的鱼雷便足矣。而若要执行反航母作战及远程对陆打击任务，仅靠鱼雷显然是远远不够的。而能从鱼雷管发射的潜射导弹受限于口径和尺寸，其最大有效射程和威力也无法满足需要。因此，攻击型核潜艇在执行这两种任务时，必须在艇身部置导弹垂直发射系统，配备远程对面打击导弹。而这种配置无疑会增大潜艇的体积，增加湿表面面积，从而影响潜艇水下航速。而且这种配置对于核潜艇执行更为重要的为航母及战略导弹核潜艇任务，几乎全无用处。鉴于我国在艇用核动力装置方面的积累严重不足，为了不影响攻击型核潜艇完成主要任务，笔者以为，我国未来的攻击型核潜艇应采用模块化设计，并区分为两个亚型：一型只安装鱼雷发射管，用以完成护航任务；另一型加装导弹垂直发射系统，用于执行远程打击任务。
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水下体积

% P4 L8 F9 ]; P3 F在最大排水量方面，由于采用核动力，设备复杂，且需要额外加装屏蔽，加之要尽可能增大艇内空间，以便在长时间执行任务时更有效地保持艇员的战斗力，核潜艇的排水量很难降到常规潜艇的水平。像法国“红宝石”级核潜艇那样体型小巧的，属于在特定海域执行任务的特例，且其实际战斗力远不及同期美苏核潜艇。但是，核潜艇排水量一旦增大，相应的动力需求将急剧飙升，由此带来造价飞涨。

据外媒报导，中国第一代攻击型核潜艇091型，水下排水量约5000吨，第一代战略导弹核潜艇092型，水下排水量约8000吨。虽说随着时代的进步，电子设备的体积和能耗大减，性能却有飞跃，但考虑到鱼雷及从鱼雷管内发射的潜射导弹的体积没有缩小，追求更高航速需要核动力装置有更大的的输出功率，各种降震减噪措施也需要占用一定的空间和体积，因此我国未来攻击型核潜艇水下排水量在6000至7000吨之间，是比较适宜的。
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至于战略导弹核潜艇，鉴于未来可靠的“堡垒海域”极大可能位于南海。在这个位置上，若要对假想敌形成有效震慑，就需要潜射弹道导弹具有更大的射程，因此导弹的体积将远超已经公开展出的“巨浪-1”。比照外媒报道的091、092型的水下排水量，中国未来的战略导弹核潜艇即便仍然只配备12枚潜射弹道导弹，其水下排水量估计也将达到10000至11000吨。在这种情况上，令不少军迷痛恨的潜艇“龟背”不仅将继续存在，而且可能有“愈演愈烈”之势。
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2 v, w; z* Y" J( b; R; ?& C“龟背”的存在，客观上确实恶化了核潜艇的流体性能，对减噪不利。但这是在成本和性能间的必要妥协。在“堡垒海域”内，战略核潜艇受到来自天空、水面、水下的全方位保护，无需高速机动，因此“龟背”所带来的负面影响，是完全可以接受的。

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8 H# r8 e: N! b7 M) s5 |反应堆型

说完基本性能要求，再谈具体实现途径。
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作为核潜艇，最重要的莫过于核动力装置。核动力装置的水平，很大程度上决定了核潜艇的先进程度。虽然近年来，高温气冷堆，热离子堆在网络上炒得很热，从理论上来说，它们对于冷却回路需要承受高温水巨大的压强，管道系统异常沉重，功率密度无法大幅度提升的常规压水堆，有性能天然优势。但这仅仅是纯理论上的，在工程实现中，还需要解决一系列问题。况且核潜艇作为国之重器，入役后又反应堆又需要长时间、高强度连续运转，因此对技术成熟度和可靠性的要求，是压倒一切的。鉴于高温气冷堆和热离子堆到目前为止也只见到大学用于研究的小功率样堆，因此可以肯定的是，中国未来核潜艇的动力，仍将采用压水堆。近年来，我国在民用核电领域的进步是巨大的。这种进步无疑会助益艇用高功率密度压水堆的研发。

" }2 N5 q' k( f" l+ {说完堆型，再谈艇型。理论上，长宽比在6.5～7.5之间的纯水滴艇形流体性能最佳，同等情况下艇体湿面积和反射面更小，对潜艇降噪和提高隐蔽性均有益处。但纯水滴艇型不仅建造工艺复杂，造价高昂，且艇内空间小，不利于舱内设备部署，算起来颇有些得不偿失。而拉长水滴型与纯水滴型相比，流体性能差距不明显，同等情况下艇内空间却大得多，因此是我国未来核潜艇的理想艇型。

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3 e3 H/ }7 s  f) Z混合壳体
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! [2 {9 c* L. P; j9 t至于到底是采用我军传统的双壳体还是改弦更张，采用西方的单壳体设计，这是个令人纠结的问题。理论上，在拥有同等艇内容积的情况下，单壳体潜艇水下排水量更小，湿面积更小，达到同等航速时对输出功率的要求低，这似乎更适合我国艇用核反应堆技术积累少的现实。
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6 s5 x( F5 L3 b" w9 H: t但是，双壳体不仅储备浮力更大，能将一些设备移至耐压壳和非耐压壳之间，从而在某种程度上增大艇内可用容积。由于非耐压壳体几乎不承力，因此用材可以较薄，有利于降低加工难度。虽说采用薄壁金属非耐压壳的双壳体潜艇高速航行时，壳体激励噪声水平较单壳潜艇为高，但内部机械噪声向外辐射的水平能得到更好的控制。外壳体激励噪声的问题能够通过安装消音瓦加以缓解（消音瓦不仅吸收声能，还起到增大壳体阻尼的作用）。由于双壳体潜艇的舷侧声纳阵列无需突出于非耐压壳之外，因此潜艇的表面光顺性优于单壳体潜艇，而且更易于实现接近理想值（7-9）的长宽比。因此综合来看，二者各有利弊。

, f! P0 J, t+ n. V考虑到此前我国并无单壳体潜艇制造经验。因此网络上流传着一种说法：我国与俄罗斯签署合作研制“拉达”级常规潜艇协议，目的就是汲取单壳体潜艇设计经验。不过，俄罗斯自己在单壳体上的技术积累并不比我国多多少，因此从稳妥的角度出发，笔者倾向于我国未来核潜艇采用单双混合壳体设计。即在包括动力舱在内的中间舱段使用双壳体设计，以利于屏蔽噪声，而在潜艇艏艉两端使用单壳体结构，以尽可能减少潜艇湿面积，在反应堆输出功率一定的情况下，尽可能提高航速。
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围壳造型

以往的中国潜艇，无论是核动力还是常规动力，围壳似乎都有过高过大之嫌。过于高大的围壳不仅增加了潜艇水下航行阻力，影响潜艇最大航速，在潜艇高速回旋下，也会让潜艇产生突然的横向滚动影响潜艇的安全。而且面积过大的围壳也提高了艇体声反射强度。
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0 j, w$ L7 U, d7 [4 ]  i& X而过去苏俄攻击型核潜艇上常见的三元流线型围壳，外形固然低矮，阻力也小，但制造工艺过于复杂，结构重量居高不下，空间有效利用率低，算下来收益未必合算。西方主体的机翼剖面状围壳，对改善新型核潜艇水下机动性、快速性、降低水动噪音、削减声反射值都有很大好处。只要简单地在其前缘加一个填角，就能以小的代价获得较大的减阻降噪收益。上网络上曝光的照片可以看出，我军现役的093型攻击核潜艇围壳就采用了这种设计，预计未来新一代核潜艇仍会延续这一技术路线。
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泵喷推进
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推进器噪声，是核潜艇主要噪声源之一。虽说目前我国潜艇已经广泛采用空泡性能更好，噪音水平更低的新型7叶大侧斜螺旋桨，但泵喷推进器在大幅度降低潜艇推进器辐射噪声、提高潜艇的静音航速方面，具有天然优势。
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" H3 q( l- _# Q1 G/ P5 s潜艇泵喷推进器是由环状导管、定子和转子构成的组合式推进装置。环状导管的剖面为机翼型，罩住转子和定子，它是泵喷推进器内外流场的控制面。如采用具有吸声和减振的材料制造，则可以屏蔽转子及内流道产生的噪声。为了推迟转子叶片的空化、降低转子的噪声，通常采用能降低转子入流速度的减速型导管；定子为一组与来流成一定角度的固定叶片，使转子入流产生预旋或吸收转子尾流的旋转能量，同时用于固定导管；转子为类似于螺旋桨的旋转叶轮，通过与水流的相互作用产生推力，推动潜艇达到要求的航速。国外先进核潜艇的泵喷推进器，一般都将定子布置在转子的前面，可以使潜艇尾部流入转子的水流产生预旋，起到均匀来流的作用、改善转子的进流条件，从而提高潜艇的推进效率、降低推进装置的噪声。
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与艇体匹配良好的泵喷推进器，其推进效率可达到80%至85%。泵喷推进器的转子在导管内部，导管可起到屏蔽和吸声的作用。位于前方的定子可以使转子进流场更均匀，从而减少转子的脉动力，降低推进器的辐射噪声。此外，泵喷推进器旋转叶轮(转子)的直径一般小于螺旋桨，在相同转速下，泵喷推进器桨叶的旋转线速度较低，可以降低推进器的旋转噪声。国内外研究和应用的结果表明：低航速下，泵喷推进器的低频噪声比七叶大侧斜螺旋桨低15分贝以上，宽带谱声级总噪声下降10分贝以上。在高航速下，泵喷推进器的降噪效果更为明显。
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因此，虽然目前未见公开报道说，泵喷推进器在国产潜艇上有实际运用。但笔者以为，这是我国未来核潜艇必须突破的技术之一。
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5 A/ y9 b& r# Y  A) c5 f7 t水声设备
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水声设备，相当于潜艇的眼睛和耳朵。核潜艇要形成全方位覆盖的探测能力，性能互补的艇艏综合声呐、侧舷阵声呐，拖曳线列阵声呐，就一个也不能少。艇艏综合声呐具备主动探测和被动侦测的能力，可为艇载鱼雷、反舰导弹等提供火控制导。舷侧阵声呐充分利用艇体的长度，扩展了工作范围，具备远程警戒、目标跟踪、低频侦察及目标识别及鱼雷告警等功能。拖曳线列声呐则为潜艇提供了远程探测与目标警戒功能。
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综合各方面信息，师承苏俄的我国历代潜艇，艇艏综合声呐此前一直沿用柱面被动基阵的布阵方式。这种阵形虽说空间利用率高，但波束仰俯控制较复杂，仰俯角大时波束会被宽。相比之下，西方核潜艇惯用的球面被动基阵的布阵方式，虽说空间利用率低，但波束控制最简单，波束宽度均匀。笔者以为，从提高潜艇作战能力方面考虑，我国未来核潜艇的艇艏综合声呐，以改用球面阵为宜。改用球面阵的另一个好处，是声呐尺寸将远超目前，由此将带来性能的进一步提高。当然，如果改用球面阵，就无法布置艇艏鱼雷发射管了。发射管必须和西方主流核潜艇一样，改成艇身侧舷“外八字”布置，这可能会涉及到一些设计和使用习惯问题。不过和能得到的收益相比，付出一定代价是值得的。

8 G+ U! y8 D* d+ K9 k$ m- X至于拖曳线列阵声呐，笔者以为应该借鉴美国“海狼”级和“弗吉尼亚”级核潜艇的思路，同时配置粗线、细线两种拖曳线列阵声呐，以适应不同的战术需求。粗线的拖曳线列阵声呐收放时间短，拖曳航速更高。细线的拖曳线列阵声呐长度长，声阵孔径大，接受频率低探测范围大。二者互补，可使攻击核潜艇获得更为优秀的作战能力和更多的战术选择。
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艏艉舵形
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在舵形方面，笔者以为虽然围壳舵因力臂不够长，在由水面下潜时起不到作用等原因，效果不及艇艏舵，但它不会对声呐造成干扰，且无需设计一套复杂的收放装置、靠码头时不必担心碰撞受损的优点同样突出，因此笔者觉得应该继续沿用。

  L0 Q8 L/ c5 H2 H: Z4 B至于尾舵，虽说近年来X形尾舵被炒作得“炙手可热”，俨然成了判断潜艇先进与否的重要依据，但X形尾舵的操控极为复杂，只能通过计算机进行。一旦计算机发生问题，人工将无法干预。相比之下，虽然传统的十字形尾舵高度和宽度偏大，但却久经考验。就算计算机发生问题，还可人工操舵，这就等于多了道保险，提高了系统的可靠性。因此，在我国未来核潜艇上，还应是十字形尾舵。

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光电桅杆
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在我国未来核潜艇上，不穿透式光电桅杆，也应该成为标准配备。这种桅杆可避免在耐压艇壳上开立连续的大口径开口，对于保证艇体强度，节省艇内空间及建造成本都很有益处。因为不穿透式光电桅杆的升降系统仅布置在围壳内，指挥舱内部的操舵部位和指挥台布置更为自由，指挥舱内部的空间也更为宽裕。
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传统的光学潜望镜需要操镜人员通过口径很小的目镜进行目视观察，获得的信息数量和质量都较差。而光电桅杆搜索到的图像，通过光纤传输到显控台，可实现多人共享，便于集体决策。获取的图像也可以用计算机分析，辅助艇上人员进行目标性质判别。
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. z! J2 d# K# K静音水平
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. r2 [- ^2 o/ s# h4 I* C提高核潜艇静音水平，无论是对进攻还是防御来说，都有举足轻重的意义。诸如采用减震浮筏，艇身外敷消声瓦等技术措施，都是亡羊补牢之举。减少核潜艇自身辐射噪声水平，考验的是一国基础工业水平，这才是提高核潜艇隐蔽性的根本所在。

. ^/ u1 w2 s/ l. P- k5 ]9 X客观地说，我国在该领域欠账不少。未来应该双管齐下，采取“两条腿走路”的发展策略：既努力提高相关设备工艺水平，又着力研发新一代消声瓦和双层减震浮筏。在这个与世界先进水平差距最大的领域，努力追赶。

红茶冰

忘情 发表于 2017-8-3 16:44
泵喷推进

( k( P3 B2 C4 I推进器噪声，是核潜艇主要噪声源之一。虽说目前我国潜艇已经广泛采用空泡性能更好，噪音水平更 ...

6 Z& b$ G( r. \, @4 K电力泵推唯一的缺点就是，因为外置电机启动后磁场信号明显，易被磁力探测所侦测到。因此 外置电机如何重新导向和分散磁场是个重要课题。

狼人

科普科普，蛮好。

小米粒

忘情 发表于 2017-8-3 16:44
1 q" ~5 n9 A) @) K: C, h艏艉舵形
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在舵形方面，笔者以为虽然围壳舵因力臂不够长，在由水面下潜时起不到作用等原因，效果不及艇艏舵 ...

有可能出现木字型尾舵！

忘情

小米粒 发表于 2017-8-4 15:13
$ w: T( ~. G1 ~, R有可能出现木字型尾舵！

那不是木字型尾舵

小米粒

忘情 发表于 2017-8-4 16:27
那不是木字型尾舵

海狼与弗吉尼亚级是固定的倒V形尾翼的固定水动力安定面，说不定天朝搞出真实版呢。哈哈哈