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核动力潜艇的关键技术

已有 2680 次阅读 2019-8-29 09:00 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦|关键词:学者| 核动力潜艇, 核潜艇, 关键技术, 动力系统, 动力装置 |文章来源:转载

核动力潜艇的关键技术

伍赛特

 

0 引言

潜艇发展到今天,早已进入核潜艇时代。核潜艇是核动力潜艇的简称,其动力装置是核反应堆。目前全世界公开宣称拥有核潜艇的国家有6个,分别为美国、俄罗斯、英国、法国、中国和印度。其中,美国和俄罗斯拥有的核潜艇的数量最多。要了解美国核动力潜艇的实力,首先应该从核潜艇系统工程角度出发,了解美国核动力潜艇的关键技术的现状和今后发展趋势,才能得出正确的结论。

随着科技进步,核动力攻击型潜艇的生命力、战斗力和威胁力在不断提高。核潜艇的总体性能逐步改善、武器装备越来越强、通信手段不断更新和减震降噪效果越来越明显,真正成为“利剑”和“杀手锏”。

当然,核潜艇的发展和应用离不开科学技术进步。从核动力潜艇的关键技术人手,对美国核动力攻击型潜艇进行介绍。

 

1艇体线型如何兼顾水面航行和潜航推进问题

早期对核动力潜艇的评价,以如何有效地解决核动力潜艇在水面航行和潜航推进的问题作为主要的指标。这一工程问题可以分为相互关联的两个方面——艇体型线和推进方式,艇体型线的改善提高了推进系统的效率,反过来新型的推进方式又为艇体型线的发展创造了条件。

1945年的美国核动力潜艇,包括“巴劳”级和“丁岁鱼”级,这两个级别的核动力潜艇存在两个严重的缺点——有限的水下续航力和航速不能适应水下作战的需要。为了完全下潜,核动力潜艇不得不采用其自身携带的蓄电池/电动机组合推进的方式。在这种方式下,在其蓄电池电能耗完时,不得不再对其充电。它在短期供应大量电流的容量是有差别的,在8海里/小时时,续航力为10海里而在2海里/小时时,续航力则为50海里。充电率越低意味着该艇移动速度越慢。但是,长期这样就可能影响到核潜艇的续航力。对这类巡航续航力问题的答案是加装通气管,一根能伸出水面和向柴油机供给空气的小导入管。当潜艇下潜时,允许柴油机运转。但是,加装通气管后的潜艇,其产生的噪声远比装有同等马力的主机、在水面上航行的舰艇要高,而且安静性是潜艇水下性能指标之一,因此,必须进一步改进。

解决航速问题涉及到重新设计整个船体的外形。第一步是移去引起流体阻力,从而减少耗费能量的所有附体。这一修改使第二次世界大战海军潜艇的流体阻力几乎减少了50%,而且这是多艘第二次世界大战海军潜艇改装的主要措施之一。GUPPYGreater Underwater Propulsion Program)是改善水下推进方式的大计划,该计划通过诸如移去甲板上的枪炮,以便使其船体呈流线型,增加蓄电池的容量和加装通气管装置等项目,延长了战后柴一电常规潜艇的有效寿命。但是,对于一个给定的艇体线型,航速的增加主要取决于在水中航行时输出的总功率,并且与轴马力的变化有关,是变量的立方函数。因此为了从5海里/小时变化到10海里/小时(加倍),要求轴马力增加8倍(23)。为了使海军潜艇最大潜航速度从10海里/小时增加到预期的短期潜航速度1520海里/小时,要求轴马力从5 100轴马力增加到18 000轴马力以上。在这样的轴马力下,电动机和蓄电池的设计容量可能是极大的,而且对潜艇的要求高得太多。因此不得不采用某些方式来替代柴电组合推进的设计。进一步讲,如果采用核动力这样的新能源,则这一问题将可能得到彻底的改变。

从“舰队型”的柴-电常规潜艇变换到“快速攻击型核动力潜艇”的过程中,不仅潜艇的主尺度发生了改变,而且在它们的外形上也出现了一个根本性的变化。“刺尾鱼”级快速攻击柴一电常规动力潜艇设计不得不兼顾潜航性能好的船体线型和其需要花费大部分时间在水面航行时的耐波性两个方面。而在“鹦鹉螺”级核潜艇设计方案中,将其船体线型设计得光顺得多,以降低其阻力。在“鳐鱼”级核潜艇设计中积累了大量关于高速潜艇性能的经验,但它仍然保留小型的上层建筑,以利于水面航行,这是第一艘采用“生产设计”方式设计、建造的快速攻击型核动力潜艇。

最现代化的美国快速攻击型核潜艇通常采用这样一种船体的形状:它能在工程、适居性、武备和声呐等要求的约束范围内,提供最佳的水下性能。从图1中,我们可以看到,这3个级别的核潜艇,似乎在外形方面有稍许变化。在“洛杉矶”级核潜艇中,由于潜望镜要求直接穿过艇体通至控制舱,因此,指挥台围壳(水平舵)布置在比最佳位置进一步偏向艉部处。电子光学(optronic)型潜望镜不采用长的光学管子穿过船体,因此,可以让设计者能够把指挥台围壳布置在水动力性能最佳的位置上,而不必直接布置在控制舱的上方。“海狼”级核潜艇是大的安静型“蓝水”作战的攻击型核潜艇,当时是用于应对可预见的苏联深潜的高速潜艇的威胁。特种形状的开敞式螺旋桨为效率更高的推进器提供了一个途径。在图1的下方看到的是“弗吉尼亚”级核潜艇,其将高速安静型核潜艇的需求与当今全球军事形势揉合在一起,它能同时针对大洋和近海两种功能。

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1 美国快速攻击型核潜艇的外形

1—“洛杉矶”级核潜艇;2—“海狼”级核潜艇;3—“弗吉尼亚”级核潜艇

 

2动力系统向核动力装置转型

第二次世界大战前,美国海军潜艇的通用性面临两个突出的问题。首先是潜艇设计余量的问题。这是美国海军耗费了10多年时间探讨的问题。对全世界来说,1945年末,第二次世界大战结束,这些核潜艇设计前提条件实际上是不再存在的。普通大众已察觉,在管理方面上的许多问题在陆地上没有发现,但却在海上大量涌现。围绕这些核潜艇和它们的使命,人们已经提出除切断敌人海上补给线和通信作为其任务外,核潜艇部队还需要担负更多的新使命,以维持它们继续存在的必要性。第二个存在的问题是:当时的苏联海军至少拥有12艘德国XX1型核潜艇,并可能大量仿制或改进这种设计。这些核潜艇的存在对美国海军构成明显的威胁。对核潜艇而言,正确的操作可以使它们比发现其航迹的驱逐舰声呐快,并在汹涛中可能摆脱驱逐舰的跟踪。但是,任何与苏联快速舰艇挑战的战斗群,进入北大西洋或北太平洋是相当冒险的。为了考虑选择新型核潜艇的方案,海上航行舰队司令(OpNav)成立了舰船性能研究部(SCB)以代替舰船设计总部。舰船性能研究部对设计提出包括性能方面的给定数据的每项要求。此外,舰船性能研究部提供说明设计原则的文件。这些文件不仅作为设计指南,而且作为“舰队型”潜艇仪器性能的指南。

19451946年间舰船性能研究部意识到必须重新设计“舰队型”潜艇。新的海军核潜艇的设计方案应尽可能比XXIC型核潜艇好或相对好一些。舰船性能研究部想要改进的设计性能包括声呐、武备、安静性、蓄电池和水下航行的续航力、推进系统、水下航速和控制等。1945年秋,舰船局的上司要求潜艇的艇长们和部门领导们提出他们对新型核潜艇航速的范围、设计的下潜深度、动力装置和核潜艇上操纵的核武器以及战略等方面的要求。根据这些意见,新型核潜艇的设计潜航深度应增加到210米,但要进一步下潜到300米是有难度的。水下航速,通过卸掉所有外部的附体、光顺船体线型和整体流线型化,有可能增加得比较多。船模试验表明短的核潜艇比长的核潜艇具有较好的水下性能。初步设计的成果是1947年设计的“刺尾鱼”级(SCB2)潜艇。除该设计成果外,1946年海上航行舰队司令(OpNav)授权进行中期试验计划。该计划包括2艘核动力推进的原型艇,4个闭式循环系统(其中装载在潜艇上的燃油和氧气,允许主机或锅炉在无外界空气的情况下运转),一艘极地型潜艇和一艘小型潜艇。

该计划暂不列入“刺尾鱼”级潜艇建造周期内。但是,由于预算的约束,“刺尾鱼”级潜艇从每年6艘减少到每年2艘,其中包括原型艇的建造,因为该项设计改变得太快。接着在1950年,美国国防总预算削减,潜艇部队还是尽一切努力去争取任何新的核潜艇建造。到了1952年财政年度(Fiscal Year)预算周期已经结束。“刺尾鱼”级潜艇设计已经过6年,需要一项新设计以保持与苏联潜艇同步。

19451947年,美国海军在安纳波利斯(美国马里兰州首府,美国海军学院所在地)利用从海底下打捞上来的U-1406潜艇的主机舱和德国XXXVI7 500 HP的燃气轮机进行研究,而沃尔特闭式循环系统的设计是在曾被使用过的XXXVI型燃气轮机的基础上,采用过氧化氢(H2O2)——复合的氧化剂作为燃料,供驱动主机或锅炉之用。“刺尾鱼”级潜艇初步设计的方案之一是利用2台配置沃尔特系统的燃气轮机,但是该系统体积太大,以至于不能安装在所考虑的艇体内。同时,人们也研究过其他潜艇推进装置的替代设计方案。这些方案包括2台燃气轮机半封闭系统、一个外部燃烧的冷凝循环、自由活塞式燃气发电机或燃气轮机循环,闭式柴油机循环系统和核反应堆蒸汽推进系统。在对改进型柴一电推进替代方案试验时,要求潜艇的尺度能容纳这些系统。因此,到1952年,采用核动力作为动力系统具有如此大的吸引力,选用核动力的呼声变得越来越高。

事实上,从1939年起,美国海军就已经考虑在海军舰艇上采用核能作为推进动力的可能性,并且从1947年起已经将其列入实际的工程计划中。经过一系列研究,在19498月确定了最佳推进装置的设计方案,并明确:根据目前技术水平和条件,核动力潜艇能够建造和应该建造。核动力装置能够把新技术与旧装置结合起来。旧装置系指船用蒸汽透平推进装置。这些装置都经过试验、战斗考验和优化成有效的和轻型(系指重量/马力的比率)的艇载系统。新技术系指蒸汽发生器。核反应堆是一个利用受控的核裂变反应的装置,它能产生大量的、核潜艇中所需的、能够输送到锅炉的热能,以产生驱动透平的蒸汽。利用核反应堆作为推进和发电装置的主要能源具有很多优点,推进装置可能不必依赖外部空气进行运转,也不要求储备诸如过氧化氢一类的易挥发的氧化剂。

为了确定如何更好地使用核动力这一热源来产生功率,舰船性能研究部已经进行各种试验和工程研究。这些主要集中在两个方面:一是应选用的核裂变的类型;二是如何从反应堆的堆芯转变热能,以便提供使用。核裂变的类型包括采用同位素U235浓缩铀的热裂变和采用同位素U235浓缩铀的快速裂变,也考虑采用其他诸如钚一类的裂变材料。热能转换方法包括增压水式、增压气式和液态金属介质式。最终证明:增压水式热反应堆是最具有吸引力的。19541月,世界上第一艘核动力潜艇,美国核潜艇“鹦鹉螺”号(舷号SSN571)从水下发布无线电信号,并依靠核动力航行。

在这里,我们不得不插入一段往事。世界上许多人都知道美国海军上将海曼·里科弗(Hyman Rickover)的故事。人们公认他个人设计了核动力推进装置。他的名字已经成为美国海军核动力计划的同义词。这位海军上将曾经是一个才气横溢的工程师,但他更是一个管理有方的项目经理。他深知,为了在海军系统中建造和保持一个安全和有效的核动力推进系统,在真正的系统设计范围之外必然会出现一些问题。舰队潜艇系统要足够简单,以使其运行和维护保养能在“大家都懂”的基础上进行,并只须使用最少的技术文件。高级军士监督这种维护保养,并将他们在这方面的经验传授给他们的学生。如因某些设备运行乱套或偏离最佳运行状态而出现失误,则可能会导致严重后果。当然,核反应堆如果出现许多很不正常的状态,就表明整个新的装置出现了事故。

为了应付这种危险,海曼·里科弗海军上将制订了严格的操作和维修保养制度,在文件中规定了装置如何操作,以及如何进行维修保养,并编成技术培训课程,予以强调。核动力装置的操作者,在以机械员、电工等身份进行初步技术培训后还要在操作真实的动力装置过程中进行实习。此项培训极为严格,可能被淘汰,但大部分人都会成为合格的操作者。此外,海曼·里科弗海军上将还寻求把这种机制扩大到建造潜艇的船厂及为建造和维修潜艇供应材料的承包商和供应商。他把这些要求都写进了技术规格书和合同中。但这些仅仅是属于海军业务的技术规格书。这就意味着,零件供应商和中间任何一个环节的供应商担负全部的责任。这样,美国潜艇的核动力推进装置一直保持好的安全记录,公众将安全称为“海军上将海曼·里科弗”的传统。

 

3减振降噪

噪声传播的途径包括发生源和声呐之间的每一样东西,它包括设备的基座、任何中间结构、艇体和外部的水柱。敌方声呐接收到的噪声量值取决于噪声源发出噪声量值的大小、结构噪声传播的方向和途径和水柱的传播能力。敌方的声呐更有效(能探测并分析较低水平的噪声信号),能在更远的距离探出所发出的噪声源的量值大小。为了挫败这种探测能力,潜艇必须降低噪声源的水平和/或中断结构的传播途径。

潜艇发出的噪声大多数来自艇体内部的旋转机械——泵、电动机、风机等。要使它们安静下来是做得到的,但代价是昂贵的。设备必须进行更精细的维护保养。每一个会发出噪声的设备必须设计得尽可能得安静。每一个会发出噪声的设备必须用通常称为噪声隔堵的隔声设施与艇体隔离。不仅小的设备必须设置噪声隔堵,诸如管道中的流体噪声、变压器的嗡嗡声等噪声都必须降低,而且大型的设备,诸如主推进涡轮机和涡轮发电机也要设置噪声隔堵。噪声源和艇体之间无隔离的连接将会使整个设计失败。这种连接方式称为噪声短路。为创造一艘安静型潜艇,必须进行大量的设计工作,在建造中予以更多的关注,艇员在使用中必须更精细的维护保养并正确的操作,任何检修也要使艇保持安静。此外,这还意味着潜艇需要比无消音要求的潜艇在尺寸方面要大一些。

目前,美国核潜艇“海狼”级核潜艇上通过采用喷水推进的方式,在艇体表面敷设消声瓦,并在核潜艇各种的升降装置采用了反雷达波的迷彩涂层以及其他先进的隔振降噪措施,一方面降低了噪音水平,其推进系统和螺旋桨噪声仅为改进型“洛杉矶”级核潜艇的1/10,是第一代“洛杉矶”级核潜艇的1/70。另一方面,其隐身性能也得到很大的提升,为以后建造的“弗吉尼亚”级核潜艇减振降噪提供了很好的借鉴。

 

参考文献

[1] 梁启康,黄恒祥,黄建章. 美国核动力攻击型潜艇[M]. 上海:上海交通大学出版社, 2015.06.




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1 杨正瓴

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