概述

元级常规潜艇是中国自主研制的第三代常规动力潜艇,集成了较多新技术并装配了AIP混合动力系统,使中国潜艇第一次达到了世界最新常规潜艇水平。而元级潜艇的批量生产也表明中国潜艇工业已开始成熟,这也将使未来中国潜艇在静音性方面会得到更快的弥补。


研制背景


中国目前的常规潜艇主力为039型艇,其设计时间始于上世纪80年代中期,设计要求也体现了上世纪80年代中后期的技术特点。比如在动力形式上依然使用了柴油机、蓄电池、推进电机组成的常规动力形式,在线型上也采用了上世纪7、80年代流行的过渡型艇型。但随着时间的推移,国际新一代常规潜艇在动力形式上开始向AIP混合动力方向发展,在线型与总体布局上也开始撇弃水下航行性能一般的过渡型艇型,而纷纷采用水滴型、雪茄型等水下航行性能好的先进线型。与此相比,039型常规潜艇就有了较明显的差距。

为了扭转这种局面,并让中国潜艇赶超世界先进水平。海军秉持小步快跑,多型号少数量的发展原则,在批量生产039型常规潜艇以满足海军装备需要的同时,研发部门也开始了第三代元级新型潜艇的研究工作。由于有了第二代039型常规潜艇的研发经验,加上自90年代后,中国国防费用投入增大,国内各科研院所经费充足,研发能力提高,元级新型艇的研发过程显得非常顺利。其研发时间之短、设计要求之高、使用的新技术之多,都远远超过了第二代039型艇。这让元级潜艇自设计之初,就已经站到了世界先进常规潜艇的水平线上,也宣告中国自此拥有了设计制造世界先进水平常规潜艇的能力。


总体结构

线性特点与艇外布局


元级新艇放弃了第二代常规潜艇039上使用的过渡型艇型,采用目前国际先进常规潜艇所普遍使用的水滴线型。元级艇艏部圆钝,舯部为轴对称的圆柱体,尾部为回转体锥尾,并采用了单轴单桨推进形式和十字型尾操作面结构。相对于039型艇的过渡线型,元级艇的水下航行阻力更小,快速性更好。其圆钝状的首部不仅降低了新型艇水下航行时的型状阻力,改善了潜艇的快速性。较大的艏部空间,也为布置大体积的声呐探测基阵,提供了良好的条件。

艇舯部呈轴对称的圆柱状结构很好的保证了线型的光顺度,其艇表突出物很少,水下航行摩擦阻力小,快速性好。


在尾部布局上,元级依然采用了成熟的回转体锥尾和十字舵布局,并结合单轴单桨推进形式,保证了元级艇良好的推进效率,为螺旋桨提供了均匀的伴流场,解决了以往老式潜艇采用的多轴多桨水面线型尾,带来的斜流与不均匀流场导致的螺旋桨振动过大,螺旋桨噪音较高的问题。

元级围壳正面投影为梯形,与日本的亲、苍龙、英国的凯旋等新型艇围壳造型相似。其高度与039型艇围壳相比较低矮,正横面积不大较为瘦窄。围壳的位置也更接近艇艏部,这些设计形式都与目前世界先进潜艇围壳设计形式的潮流较为符合。元级低矮的围壳高度和较小的正横面积有效减小了围壳体积,对于潜艇来说附体阻力占据总艇体阻力的15%,为主要阻力成分。而围壳是艇体上最大的附体结构,较小的围壳体积能够降低其附体阻力值与摩擦阻力值,这对改善元级艇的水下快速性意义重大。同时围壳也是潜艇上声反射强度最高区域,减小了围壳的湿表面积,也相当程度的改善了整艇的声隐蔽性。


元级艇的围壳位置更靠近艇艏部,这让围壳舵的舵效更高,垂直面机动能力更好。根据美国的研究,围壳位置接近艏部对于改善潜艇水下回转性能有利,所以美国攻击核潜艇自688洛杉矶级开始,围壳位置越来越向艏部靠近,元级艇也紧跟这一世界潮流,显示了中国在潜艇线型研究方面,紧跟世界先进设计步伐的决心与能力。039的围壳因为其设计成熟度差,后期虽然经过批次改进有所改善,但也造成了围壳面积过大等一系列问题。元级新型围壳的出现,彻底扭转了中国在常规潜艇围壳线型设计上的滞后局面,也说明中国在潜艇总体线型设计上已经趋于成熟。

总的来说,元级由于在线型设计上的较大突破,使其在水下快速性、机动性、声隐蔽性都得到很大程度的提高。其线形性能已经与世界先进常规潜艇的线型处于同一水平线上,这是中国潜艇设计人员通过多年努力获得的成果,意义重大。


消声瓦的固定工艺

中国在039型常规潜艇上,史无前例得使用了整艇敷设消声瓦的措施,大大改善了039型艇的静音水平。不过039型艇以固定螺栓作为紧固消声瓦的工装物,而固定螺栓一般以金属材料为主,其尾部又通常以焊接形式硬性与潜艇壳体连接,所以固定螺栓也成了消声瓦上的声泄露通道。039型艇的固定螺栓较大,其表面虽然用特殊涂料加以填充,但是由固定螺栓导致的噪声外泄还是难以避免。相比较元级艇采用的固定螺栓就非常小,不仔细观察甚至难以发现有工装物的存在,如此细小的固定螺栓对于降低工装物声泄露的问题有非常大的帮助,而整艇工装物声泄露值的降低,对于元级艇的静音性能的提高也会有很好的帮助

在消声瓦粘合工艺上,元级艇的粘合工艺也大大改进,与039型艇上消声瓦间较大的粘合缝隙相比,元级艇的消声瓦敷设工艺非常好,瓦与瓦之间的结合度紧密,粘结缝隙非常细小,整个敷设消声瓦的艇表,光洁度很高。跟日本的亲、苍龙级潜艇相比,元级艇的消声瓦敷设工艺更出色,光顺性也更好。这对元级潜艇来说,不仅能更好的提高消声瓦的工作性能,也会改善艇表面的光顺度,降低艇表粗糙度附加值,进一步降低整艇的摩擦阻力,提高潜艇的水下快速性。


声纳系统


039型艇因为采用过渡型艇型,其首部为直立艏柱的过渡型艏,艏部在安排了六具鱼雷发射管后,上下用于安置声呐基阵的空间已不大。元级艇的水滴线型艏部圆钝,艏部空间充裕,艇艏上部用于布置六具鱼雷发射管后,艇艏下部还有较大空间安置声呐基阵。因此元级艇在艏部可以布置体积大、发射功率高、空间增益好、工作频率低、探测距离更远的新型综合声呐,大大提高了元级艇的搜索与跟踪距离。

元级艇在舷侧还布置了新型舷侧测距声呐,通过布置在两舷平行于艏尾线上的各三组换能器阵,利用噪声信号到达各换能器组的相位差,元级即可快速计算出目标的距离信息。这避免了以前中国没有装备舷侧测距声呐的老式潜艇,通过整艇机动数个阵位才能计算目标距离的情况。减少了中国潜艇攻击目标时用于探测、计算目标方位的时间,有效提高了中国常规潜艇的快速反应、快速打击能力。


AIP混合动力系统

中船711所通过努力已经实现了斯特林热气机的国产化,根据最近几年公开的信息表明,该所研制的国产化斯特林热气机已经装艇实用,并于2003年左右进行了相关实艇实装测试工作。而从各科研院所与官方透露的信息来看,元级艇已经装备了711所生产的国产型斯特林热气机,其性能应该与瑞典哥特兰级装备的V4-275R系列热气机相接近

瑞典生产的单台V4-275R热气机的持续功率为65千瓦,最高输出功率达到75千瓦。哥特兰级在装备了两台热气机后,除了能保证该艇水下航行时照明、艇上电子设备等75到85千瓦耗电之需,剩余功率还能使该艇以4-6节的经济航速在水下连续航行2周。元级艇吨位较哥特兰级更大,其相对充裕的空间也具备了布置更多台热气机的能力,相应的扩充液氧储存装置的容量后,即可获得比哥特兰级更优秀的水下续航力,这对元级艇来说,意义是非凡的。


以往中国常规潜艇如035艇,在水下航行依靠蓄电池供电。即使以4节左右的经济航速航行,其水下最大续航力也只能达到300海里左右。一旦蓄电池电量告罄,必须升起通气管进行长时间的充电。当通气管升出水面后潜艇爆露率就急剧增高,美日装备的P3C反潜巡逻机使用的水面搜索雷达,能在50公里外就探测到常规潜艇的通气管。不仅如此,柴油发电机工作时通过通气管辐射的噪声,以及通气管尾迹流在海面造成的红外、磁场、温度异变等,都很容易被现代发达的反潜探测技术侦察到。因此,面对东北亚地区美国与日本强大的反潜体系,中国常规潜艇的生存力与持续作战能力并不容乐观。元级艇在装备了热气机AIP动力后,限制中国常规潜艇水下连续作战的瓶颈被打破。潜在对手国家其通过设置300-600海里的连续巡逻反潜线和探测通气管暴露特征来发现中国常规潜艇的战术彻底失效。元级艇通过水下2周左右的连续静音巡航,突破潜在敌对国家反潜封锁线的成功率也大大提升,其作战水域、攻击区域都有成倍的增长。这让中国常规潜艇部队的作战效能出现质的飞跃,并显著提高中国潜艇部队在战时,对潜在敌对国家进行破交、侦察、布雷等作战行动的有效性。美国花费每年2500余万美元租用哥特兰号进行反潜训练的动作,其直接证明了中国装备AIP潜艇后对其造成的巨大压力。这对和平时期加强中国海军潜艇部队的威慑力,遏制潜在敌对国家蛮狠干涉我台海地区事务,提高中国国防安全都有积极意义。


评价

元级新型潜艇自2005年首次露面至今,已陆续有一批潜艇开始服役。其短暂的研发时间,较快的批量装备速度,都表明中国潜艇研发能力已经趋于成熟,配套制造体系也已完备。元级潜艇使用的水滴线型、先进的国产化AIP系统,让中国常规潜艇的性能,第一次达到了世界最新常规潜艇水平。通过对元级潜艇的研发,也培了养一批年轻的设计人才,丰富了潜艇设计单位的研发经验,为其研制作战力更强、水下续航力更久、综合性能更先进的新一代常规潜艇打下了良好的基础,同时加速的发展的中国潜艇工业也能更快地弥补中国与世界最新潜艇科技的差距。