單殼體潛艇

單殼體潛艇

單殼體潛艇是一種只採用一層耐壓殼結構的潛艇。這種潛艇的耐壓殼體直接裸露沒有包覆物,艇體結構也較為簡單。外表光潔、漂亮,製造工藝要求較低。

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定義

單殼體潛艇的艇體由耐壓殼體組成,在耐壓殼體外沒有包覆物,耐壓艇體直接裸露在外,艇體結構也較為簡單。雙殼體潛艇的耐壓艇體全部被耐壓和非耐壓的外殼體所包覆,這層外殼除了在舯部有一段是耐壓的(耐壓液艙),其餘都是非耐壓的輕外殼。

單雙殼區別

單殼體潛艇與雙殼體潛艇的區別
雙殼艇的結構雙殼艇的結構
雙殼艇的耐壓殼體外還有一層輕外殼包覆,兩層殼體之間形成了一個舷側空間。雙殼體艇的主壓載水艙、燃油艙、燃油壓載水艙、浮力調整艙等都布置在這裡。由於雙殼體潛艇比單殼體潛艇多一層殼體,多一個舷側空間結構,所以雙殼體潛艇的結構要比單殼體艇複雜一些。
雙殼體和單殼體是潛艇艇體結構的兩種基本形式.潛艇為了能承受極限下潛深度處的水壓,必須要有耐壓艇體結構,這就是由一些圓柱殼,圓錐殼和首尾的端部艙壁(球面的或平面的)組成的耐壓艇體.但是僅有耐壓艇體是不夠的,還必須要將耐壓艇體用非耐壓艇體結構象加導流罩一樣罩起來,使潛艇具有流線型的外型,以減小水下阻力."罩"的方式有兩種基本的形式.一種是只"罩"潛艇的首尾端,讓中部的耐壓艇體露出來."導流罩"罩住了艇首和艇尾,潛艇也就光順了.另一種是不僅"罩"首尾端,還把整個耐壓艇體首到尾部都"罩"在非耐壓艇體結構中.前者叫單殼體結構形式,後者叫雙殼體結構形式,雙殼體潛艇的耐壓艇體和非耐壓艇體間有個空間,叫舷間空間。
雙殼體和單殼體的結構形式各有其優缺點,所以就並存了下來,在潛艇設計中都有採用.無論採用那種結構形式,都是發揮其優點同時採用其他措施來彌補其缺點.
大體上來說,單殼體潛艇的儲備浮力小,因此水下排水量小,有利於提高水下航速。而雙殼體的優點則是儲備浮力大,提高了水上不沉性。又因為雙殼體潛艇都是採用小分艙形式,也有利於提高水下不沉性。雙殼體又有利於抗爆,因為舷間空間的液艙能吸收一部分爆炸衝擊能量。而縣城雙殼體還有利於潛艇設備、系統和舷間液艙的布置。這些優點是單殼體不具備的。雙殼體的最大缺點是潛艇水下排 水量大,艇體的水下濕表面積也大,除不利於提高水下航速外,也增大了艇的反射面積,不利於艇的隱蔽性(但對降低潛艇速時的輻射噪聲有好處)。而雙殼體的這些缺點正是單殼體的優點。
建造中的單殼潛水艇建造中的單殼潛水艇
蘇聯/俄羅斯海軍多採用雙殼體結構形式,而西歐和美國則偏愛單殼體。
這兩幅圖為單、雙殼體結構潛艇的縱剖面圖。圖1里是單殼體結構的凱旋級潛艇,現代單殼體潛艇的主壓載水艙一般都像凱旋級這樣布置在艏艉部分。主要是利用艏艉段耐壓錐殼直徑較小的特點,在耐壓錐殼外包覆一層輕外殼較為容易,兩層殼體間的空間就可以便利的布置為主壓載水艙(艏艉淺綠
色部分即為凱旋級的主壓載水艙)。凱旋還有一段較小的非耐壓、非水密的上層建築,用來容納飛彈發射筒超出耐壓殼的部分。除此之外,艇體的絕大部分都和其他的單殼體潛艇一樣,耐壓艇體是直接暴露在外的。
雙殼體的VIII型攻擊核潛艇的縱剖面圖雙殼體的VIII型攻擊核潛艇的縱剖面圖
單殼體的凱旋級戰略核潛艇的縱剖面圖單殼體的凱旋級戰略核潛艇的縱剖面圖
另一幅圖示一艘俄羅斯的671RTM型VIII級攻擊核潛艇,為典型的雙殼體結構,耐壓艇體外從首至尾都有輕外殼包覆。像VIII這樣的雙殼艇,不僅有艏艉組主壓載水艙,舷側空間內還有數量不等的中組壓載水艙。而一些耐壓液艙如調整水艙、快潛水艙等,雙殼體艇也布置到舷間,單殼體艇則要布置到耐壓殼內,會占據寶貴的耐壓艙室容積。

優缺點

優點

(1)結構簡單
與雙殼體艇相比,單殼體艇因為少了一層外殼體,也沒有了雙殼體艇複雜的舷側空間結構,所以結構相對簡單。在工程施工量上要比雙殼體艇少。就單純的工程角度而論,單殼艇的建造公時、占用人工和建造材料都會比雙殼體艇少。假設兩艘單、雙殼體艇性能相近的前提下,採用單殼結構有利於減少建造時間,擴大建造產量,降低單艇建造成本。
(2)水下快速性好
與雙殼體和個半殼體以及混合殼體結構相比,在耐壓艙室容積相同的前提下,單殼體艇的濕表面積最少。因為單殼體艇的耐壓艇體外沒有包覆物,耐壓艇體直接裸露,濕表面積就是耐壓艇體的浸濕面積。而其他的殼體結構,在耐壓艇體外或多或少都包覆有比耐壓艇體直徑更大的輕外殼,大大增加了艇體的浸濕表面。其中雙殼體艇的濕表面積最大,因為雙殼體潛艇從艏至艉都完整的包覆有輕外殼,舷側空間也最為寬裕,外殼體直逕往往比耐壓艇體要增加1.6-2米之多,所以其浸濕表面積要比耐壓艇體裸露的單殼體艇大的多。濕表面積越大潛艇在水下與水接觸的面積越多,摩擦阻力也就越高。潛艇的總阻力值中摩擦阻力占比84%左右,濕表面積大的潛艇阻力大,水下快速性差。單殼體艇因為最小的浸濕表面積,水下快速性也最佳。
單殼體艇主壓載水艙只有艏艉段有,儲備浮力低一般只有13%左右,低的甚至不到7%。儲備浮力低當然有其弊端(後面詳細展開),但是也有其優勢。與雙殼體艇30%左右的大儲備浮力相比,單殼體艇在水下的滿排噸位就要小的多。打個比方,兩艘水上正常排水量同為6000噸的單雙殼體艇,到了水下單殼艇的滿排最多增加13%的儲備浮容積和4%左右的其他非耐壓非水密結構容積,此時單殼艇水下滿排不過7020噸。雙殼體因為高達30%的儲備浮容積和10%以上的非耐壓非水密容積(雙殼體艇上層建築較大),水下滿排將達到8400噸之巨。換句話說兩艘水上排水量相同的單、雙殼體艇,到了水下雙殼的要比單殼的多帶1380噸的水。在同等推進功率下,水下噸位少的潛艇自然跑的更快,因此單殼艇的水下快速性遠比雙殼艇要優秀的多。
對於潛艇來說,水下最高航速指標有重要意義,關係著潛艇能否及時到達指定地點,去完成指揮部下達的重要任務。在潛艇占位攻擊和逃避敵反潛力量追剿過程中,較快的航速指標也能提高潛艇的攻擊成功率和規避成功率。所以,讓潛艇擁有良好的水下快速性幾乎是每個國家海軍的基本要求。在這點上,單殼體結構潛艇具備原生性的無以復加的優點,是其他殼體結構潛艇不能比擬的。
(3)下潛速度快、艇表開口少艇體光順度好、聲反射面積小隱蔽性好
單殼艇的主壓載水艙容積小,只有艏艉端有兩組主壓載水艙,儲備浮容積不過13%左右。相比雙殼體艇的十幾個主壓載水艙,單殼體艇從水面狀態轉入水下狀態的時間少下潛速度快。現代潛艇逐漸以水下航行為主,但是非核動力潛艇水面航行時間還是較長的,為了避免敵航空反潛力量攻擊,提高潛艇生存力,一定的下潛速度還是較為重要的,在這點上單殼體艇因為主壓載水艙容積小,儲浮少下潛時間快,有一定的優勢。
單殼體艇的壓載水艙少,上層建築等非耐壓非水密部位的容積也小(詳細見《國產潛艇的洞洞為什麼那么多》此處不再贅述),這些部位的艇表開口數量也就比雙殼體艇要少的多,艇表開口較為容易控制,在改善艇表光順度上比較有利。這對於提高潛艇的水下快速性,降低高航速下的流體噪音,提高本艇聲納有效工作距離有利。
在相同耐壓艙室容積下,單殼體艇的濕表面積最小,這在上面已經有論述就不再贅述了。浸濕表面積少,就意味著聲反射面積小,敵主動聲納入射強度就低,敵對我潛艇的搜尋距離和跟蹤距離就小。便於規避敵反潛兵力的搜尋和魚雷末主動導引頭的搜尋跟蹤,對於提高潛艇隱蔽性,規避敵方反潛武器攻擊都較為有利,能提高戰時潛艇的生存力。

缺點

(1)儲備浮力小、不沉性差、生命力低。
單殼體艇的耐壓艇體直接暴露在外,耐壓艇體沒有任何保護。在發生撞擊事故和遭受反潛武器打擊下,耐壓艇體容易破損並導致艙室內進水。單殼體艇的主壓載水艙又小,儲備浮力只有13%左右。西方國家的單殼艇又採用大分艙結構,一旦耐壓艇體破損進水,失事艙室的進水量,往往比該艇的儲備浮力大的多。潛艇要依靠自身排除壓載水艙所獲得的浮力重新上浮到水面很難,失事潛艇容易喪失自救能力后座沉海底,給潛艇和艇內官兵的安全帶來較大的威脅。
單殼體艇的主壓載水艙少而且過於集中,艏艉段兩組壓載水艙如同時遭到損失,潛艇將立刻失去所有儲備浮力,潛艇的不沉性將徹底喪失。如果艏艉組壓載水艙中的一組失去水密性,則容易使潛艇失去縱傾平衡。比如艉組壓載水艙失事,就會導致潛艇大角度尾傾,嚴重影響潛艇潛航時的安全。一旦是首組壓載水艙失事,則會出現大角度首傾,在這種情況下,潛艇要以正常姿態回到水面幾乎不是可能的。如果潛艇失事時航速較高,事故潛艇的首傾角度往往難以挽回,潛艇容易撞擊海底或者突破極限深度,造成嚴重的毀艇事故。
在建中的德國214型單殼體潛艇分段在建中的德國214型單殼體潛艇分段
所以單殼體艇與其他殼體結構特別是雙殼體艇相比,生命力要差的多,這同樣也是其殼體結構特性所決定的。
(2)均衡難度大、操作要求高、肋骨內置、對線形適應能力差。
單殼艇主壓載水艙少,又分布在艏艉端,潛艇進行均衡的難度較大,在上浮下潛或者潛航過程中,艇體均衡的操縱能力較差,對操作要求較高。這就對潛艇的自動化操縱性能有了較高的要求,對舵信人員和指揮部門長也有較高的業務要求。
單殼艇耐壓艇體上的環形抗壓肋骨是內置的,當潛艇進行內裝時,大量的電纜、管路要進行穿肋作業,增加了工藝複雜性,提高了工程難度。突出的環形抗壓肋骨又占據了寶貴的耐壓艙室容積,也會影響艙室內一些設備的布置。
單殼艇對線型的適應能力差,要把又厚又硬的耐壓殼體板,加工成帶複雜曲率的線型(比如純水滴型)在施工工藝和施工難度上要求都很高。採用純水滴線型的單殼艇耐壓艙室長度短,帶曲率的耐壓艙室形狀也較為複雜,給艙室的功能性安排和艙室內的設備布置都帶來了很多困難。這對於提高潛艇作戰性能,改善艇員生活環境,控制建造成本,降低建造難度都非常不利。所以美國的大青花魚、長頜須魚和日本的渦、夕、春等採用純水滴線型的潛艇,就都用了雙殼體結構。而美國也在鰹魚級後就放棄了在單殼體潛艇上採用純水滴線型的做法,用建造簡單的拉長水滴線型代替了最初的純水滴線型。

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