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美軍為何要在潛艇上建造“充氣城堡”
送交者: 三把刀 2021年07月22日17:19:38 於 [軍事天地] 發送悄悄話

  一般來說,潛艇和魚雷在外形上最大的不同,便是潛艇的中間有一個凸出來的塔狀結構。這個結構我們一般稱其為指揮塔圍殼,美國人則寫作sail(帆),歐洲則習慣性稱呼為fin(鰭)。從潛艇誕生之初,這個結構就一直存在,其外形也經歷了無數次的優化。不過在最近,美國海軍看着這個結構越來越不順眼,提出了一個大膽的想法,將這個結構從潛艇上取消,並用充氣的摺疊結構去取代他。

  按照美國海軍海上系統司令部發布的文件,他們設想的這款充氣圍殼系統被稱為IDSS(Inflatable Deployable Sail Structure)。要求其展開後能為潛艇提供16英尺(4.87m)的干舷高度。同時這個充氣的圍殼要有一個簡易的航海艦橋,艦橋前部的寬度足夠兩名水手肩並肩站立,後方也同樣如此。還要配備有必要的電源、可以上翻的擋風玻璃、儲物櫃、照明和耐壓殼體內部與艦橋的通信線路等。當然,最關鍵的是還要有一個能進出潛艇的梯子,充氣圍殼的艦橋與潛艇的耐壓殼體連接的開口應當為30英寸(76.2cm)。這可以說美軍是想在潛艇上裝一個充氣城堡。

  美國人的這個大膽想法其實是目前潛艇領域的“無圍殼”潮流的一個分支。我們先來說說為何要“無圍殼”和什麼是圍殼。實際上指揮塔圍殼這個稱呼在現在並不準確,恰如老婆餅里沒有老婆,指揮塔圍殼裡現在也沒有指揮塔了。早期的潛艇由於缺乏電子設備和有效的指揮手段,或者是因為潛望鏡長度有限,為了指揮魚雷攻擊不得不在主耐壓艇體上設置凸出於艇體的指揮塔,和同時期的水面艦艇類似。為了安全和下潛,在指揮塔外面又加裝了一個流線型的罩子,也就是圍殼,因此這個結構也得名“指揮塔圍殼”。

  隨着時代的發展,可以讓艦長在潛艇內部的指揮中心指揮魚雷攻擊,也就沒有必要設置獨立於主耐壓殼外的耐壓指揮塔。美國自1956年下水Triton號核潛艇後,便再也沒有使用過指揮塔設計。其他國家的發展也較為類似,基本都取消了在圍殼內保留指揮塔的設計。因此,現在的潛艇圍殼裡面其實並沒有任何耐壓艙室,裡面僅有在下潛時會被海水淹沒的簡易艦橋和各類可伸縮的桅杆探測器。圍殼本身更類似於這些可伸縮設備的整流罩。

  可是垂直於艇身的圍殼卻貢獻了相當大的阻力,水流在圍殼和艇身的交界處還會產生馬蹄渦,帶來大量的噪音,影響隱蔽性和戰時生存能力。除此之外,在進行轉彎時,圍殼還會產生側向升力,使得艇體側傾搖擺;直線航行時,航速越高,圍殼在中心軸線上的阻力越大,會對艇身產生一個俯仰力矩,嚴重影響航行安全。就有很多專家認為,既然指揮塔都已經成為了歷史,那麼保護指揮塔的指揮塔圍殼還有什麼必要存在呢?他們認為有這麼多不良影響的圍殼就應該取消。為此,早在上世紀60年代,蘇聯設計師在設計673型潛艇時,就直接取消了圍殼。

  尷尬的情況又擺在了各國設計師面前,沒有圍殼的潛艇在水下航行時是非常有優勢的,可是潛艇畢竟還是要上浮的,不僅需要上浮換氣讓大家出來透風和補給,甚至有些情況(例如“無害通過”時)潛艇必須全程在上浮狀態下航行。這種情況下,無圍殼的設計有一定的海上交通安全隱患,例如在放風和補給時,稍微有風浪就會有海水拍上甲板,影響人員安全,甚至會有海水從艙門處灌入。因此出於安全起見,儘管無圍殼的設計非常多,但是美國海軍一直沒有採用。

  美國海軍一方面想着沒有圍殼的好處,一方面又想着圍殼的安全。在世間安得雙全法這個世紀難題面前,美國海軍想到了可以用充氣結構來解決問題。在美國海軍看來,充氣結構的圍殼在下潛時可以收起來,避免了噪音和阻力;上浮時能打開,可以充當臨時航海艦橋,還可以為補給提供安全保障。更關鍵的是,這種充氣結構還避免了蘇聯673艇的伸縮式結構帶來的耐壓殼結構強度和加工問題。毫無疑問,這種設計是潛艇發展史上的一次偉大跨越,問題就在於,這個真的做的出來嗎?

  美國海軍的充氣設想其實並非沒有先例,早在上個世紀的蘇聯,充氣結構已經被證實可以具有較大的剛性。蘇聯的SS-24洲際彈道導彈為了節約尺寸,使之能塞進鐵路車廂,就採用了充氣鼻錐。平時導彈的頭部是被壓扁的平頭,減少了全彈尺寸,發射前壓縮氣體會將摺疊的波紋金屬展開撐起,形成一個看上去完整的整流罩,並且其結構強度足以承受飛行時的氣動阻力。

  除此之外,在美國海軍的規劃中,這個玩意其實不僅僅可以是充氣的,也可以採用淡水或者海水加壓的方式。至於有人擔心的缺乏圍殼而無法在北極地區使用的問題,規劃文件中也提到了,要求充氣圍殼可以承受一定的包括冰重在內的垂直載荷(海水在圍殼上結冰後的附加重量),還要能在被冰撞時不受損壞,並能承受一定的輕武器射擊。工作溫度也考慮到了極地寒冷環境,可以在-60° 150°F(即-51~65℃) 的溫度內工作。目前的文件中,並不強求充氣圍殼可以破冰,因此也有觀點認為,潛艇破冰時並不依賴圍殼,其自身的艇體也可以破冰而出,因此充氣圍殼的潛艇在破冰前只需要將圍殼收納好,同樣可以實現在北極冰區的安全上浮。

  但是別的要求就有點難度了,根據文件,美軍對IDSS的最低要求有,壽命可達一萬次,可以在潛望鏡深度,0節航速與不超過5節的橫流情況下進行收放並保證形狀不變。或者在水面情況下,至少5節航速也也能安全收放,在6級海況內可以正常收放,在8級海況內保證安全,並且所有收放時間都要在1分鐘內完成。此外,在完全展開後,IDSS頂部相對艇體的偏差不能超過5英寸(12.7cm)。也就是說,這個充氣圍殼的收放都要全部自動化,同時還要有極大的剛性,考慮到這個堪比充氣城堡的尺寸,無疑對加壓裝置和泄壓裝置都有很高的要求。

  此外出於安全考慮,為了保證IDSS完全展開時不會像街上的充氣城堡一樣軟趴趴的隨風飄蕩,規劃文件中允許使用軟硬混合結構。美國海軍給出這麼高的設計要求也是有一定現實背景的,在NASA和某大國都開始測試充氣載具再入大氣層的情況下,要求你們用同樣的材料研發一個不會亂晃的充氣圍殼怎麼了?除了材料問題,IDSS的布局設計也不簡單,其充放氣系統需要連接潛艇的海水泵接口(SPI)和空氣瓶接口(AFI),還要考慮放氣後如何自動收納到艇體的安全位置,摺疊後要不要塞入耐壓殼內等問題。

  可能是由於美國海軍的這個項目實在是有些困難,加上才剛剛發布沒多久,到目前為止甚至沒有廠商放出渲染圖作為宣傳。不過在世界各國都廣泛的進行小尺寸圍殼、一體化圍殼設計的今天,IDSS設計無疑指出了另一條可行的道路。毫無疑問,這種試驗一旦成功,將徹底改變未來的潛艇設計。只是目前美國海軍似乎僅僅是希望吸引廠商預研和模擬研究,不僅沒有給出經費預算,也沒有給出時間表。因此美國人先提出了這個概念,但不一定是他們先做出實物。


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