依托2项领先世界的技术,我国的常规潜艇即将变成可怕的大洋幽灵

最近因为德国不愿出口MTU-V16-396型柴油机导致泰国一度不要S26T型AIP潜艇。然而,实际上对于AIP潜艇来说,安装柴油机只是无奈之举,今后的发展趋势就是把柴油机去掉。

说起潜艇,最重要的技术就是静音性能,其次才是续航里程、攻击力等指标。潜艇的噪音主要由两部分组成,即艇外噪音和艇内噪音。其中,艇内噪音主要是动力系统噪音,艇外噪音包括螺旋桨旋转产生的噪音和艇上发射装置发射舱内器材时产生的噪音。因此想要提升潜艇静音性能,那就要想方设法降低艇内噪音和艇外噪音。

039B型常规潜艇

目前艇内噪音已经有比较好的降噪方案并已实际应用,但艇内柴油机产生的噪音仍然无法完全消除。解决方法就是用其他类型的低噪热机取代柴油机。艇外噪音中的螺旋桨噪音目前也已经得到较好解决,但就是艇上发射装置产生的噪音,此前一直无法从根本上解决,如今随着新技术的诞生,这个问题也迎刃而解。

随着两项新技术的诞生,我国的常规潜艇噪音将进一步降低,静音性能提升到前所未有的高度,今后想要通过声呐探测、锁定我国的常规潜艇难度非常大。

1、高效大功率斯特林发动机降低舱内动力系统噪音。

早期的常规潜艇都是采用柴油机作为动力,但这种动力来源于柴油机活塞内燃油爆燃产生的爆炸性推力,噪音较大是免不了的。

为了降低常规潜艇的噪音水平,提升常规潜艇水下潜航时间,AIP常规潜艇开始应运而生,主要改变就是为常规潜艇增加一组斯特林机,以便提升其水下静音潜航时间,尽可能避免使用柴油机,以便降低噪音。

资料显示,与柴油机相比,斯特林发动机的运转平稳、振动小、噪音低,工作噪音比柴油机小40分贝,空气噪音降低20分贝。

欧美发达国家部分AIP潜艇的动力装置有三种,一是柴油机,用于提供水面或通气管状态的大功率的动力源,说白了用来发电的;二是电池加电动机,这是用于水下推进的;三是斯特林发动机,用于水下低速潜航。一艘AIP潜艇装3种动力,不仅增加了系统复杂度,提高了建造难度和成本,而且又占地又笨量,但是没办法,因为此前的斯特林机功率一直做不大。

如今,这个技术瓶颈已经被我国解决了。

中国船舶研制的单机功率达320千瓦的斯特林发动机样机

2021年12月24日,中国船舶集团有限公司发布了一篇名为《国内首台大缸径斯特林发动机顺利完成性能试验》的文章,报道了我国研制出国际上已知单机功率最大的斯特林发动机的新闻。这款斯特林发动机基础样机额定功率达320千瓦,热功转换效率达40%,作为一种外部供热的闭式循环动力机械,斯特林发动机可与常规能源、核能等任意热源相结合,结构形式灵活多变,在兆瓦功率等级范围内具有结构紧凑、系统简单、启动迅速、可模块化布置等显著优势。通过系列化设计,斯特林发动机可满足百千瓦至几兆瓦等级的供电需求,足以满足常规潜艇的动力需求。

有了这台基础样机,我国很快就能研制出单机功率兆瓦级的斯特林机。文中提到“基础样机的研制成功,标志着我国在大缸径斯特林发动机关键技术及制造工艺上获得了重要突破,为后续兆瓦级斯特林发动机的研制打下良好基础。

据了解,水下排水量达3300吨的日本苍龙级潜艇安装的两台柴油机总功率为7800马力(5733千瓦),同时安装了4台功率为75千瓦的斯特林机,最高航速达22节,依托斯特林机作为动力时其水下航速为4节左右。

日本苍龙级AIP常规潜艇结构示意图

单机功率320千瓦就已经达到日本苍龙级AIP常规潜艇使用的斯特林机的4倍以上,虽然仍不足以取代柴油机,但足以让常规潜艇的水下潜航速度提升到8节以上。

今后只要研制出单机功率达到兆瓦级的斯特林机,一艘AIP常规潜艇安装6台,就能完全取代柴油机,极大简化AIP常规潜艇的动力系统,降低系统运行噪音。并且,还将引发AIP常规潜艇技术革命,届时AIP常规潜艇将进化成“小核潜艇”,最高速度或将提升到30节左右,仅依靠斯特林机就足以使水下排水量达4000吨的潜艇的水下潜航速度达到20节左右。

2、水下电磁发射技术解决3大难题。

目前五大常任理事国的潜艇都已经解决潜艇航行噪音较大的问题,但却一直无法解决潜艇发射鱼雷、导弹等舱内器材时噪音巨大的难题。

据了解,潜艇上传统舱内器材发射装置通常采用发射管作为发射通道,这会带来3方面问题:一,需贯穿潜艇耐压壳体,因此发射管数量有限,限制了每波次对抗的器材发射数量;二,发射前,需要执行向发射管注水、均压,开前盖等操作,导致反应时间长,限制了对抗的快速反应能力。三,如果采用高压气体助推发射,发射瞬间还会产生巨大噪音,导致自身被敌方声呐系统远距离发现。

潜艇发射鱼雷示意图

随着技术的进步,鱼雷的探测能力和机动能力均大幅提升,对抗鱼雷需采用更多的水声对抗器材才能达到较好的对抗效果。另外,随着空投鱼雷的投入使用,要求水声对抗的反应时间控制在秒级。传统的发射装置已无法满足连续发射数量多、连续发射时间间隔短、反应时间短等迫切需求。因此,传统的发射方式越来越不能满足潜艇新的作战需求。

随着“水下电磁发射技术”的问世,这3个问题终于得到根本性解决。

今年5月27日,国家知识产权局公开了一项名为“全浸没多联装电磁发射装置”的发明专利。根据专利技术原理简介来看,这种装置本质上就是把电磁弹射器搬进潜艇。这么做的好处是,发射时几乎没有噪音,而且由于发射模块无需穿过耐压壳体,平时直接跟海水连接在一起,水压一直处于平衡状态。发射时按下发射按钮后鱼雷、导弹就立刻被这种发射装置弹射出去,毫无延迟。

“全浸没多联装电磁发射装置”发明专利示意图

好处不言而喻!

一是,应用这种技术以后发射舱段可以采用模块化设计。平时出海时,直接根据作战需求临时快速更换发射模块,潜艇总体布局设计更灵活。

二是,艇内生活区可以与发射舱段分离,生存率大大提升。战时即便发射舱段被命中受损,也可以直接启动分离装置分离。如果提前在发射舱段内置模拟潜艇航行噪音的装置,必要时可以分离发射舱段,然后立即启动这个模拟装置充当诱饵,诱骗敌方攻击,掩护自身撤退。

三是,可以快速发射舱内器材,应变能力大大提升。现代战争瞬息万变,战机转瞬即逝。如果潜艇的水下发射系统发射速度太慢,发射时噪音太大,不仅自身容易暴露,而且还很容易贻误战机。例如敌方空投智能鱼雷,为躲避攻击,我方发射诱饵弹,如果发射速度太慢,可能诱饵弹还没发射出去,敌方智能鱼雷就已经命中目标。

除了上述2项新技术之外,实际上还有无轴泵喷技术也同样能用在常规潜艇上,只可惜无轴泵喷相比常规的螺旋桨来说能耗更大,环形电机在艇外,防水密封难度很大,一旦出故障,维修很麻烦,而且其静音优势也只能在高速航行时体现出来,目前只有核潜艇有望应用。对于十分看重能效的常规潜艇来说,应用无轴泵喷技术得不偿失。

无轴泵喷结构组成示意图

结论:凭借高效大功率斯特林发动机和水下电磁发射两项领先世界的新技术,我国的AIP潜艇即将迎来质变。一旦应用,这种AIP常规潜艇不仅噪音将大大降低,而且生存能力将大大提升,航速也将大大提升,甚至可以部分取代造价高昂的核潜艇执行重要任务。

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页面更新:2024-03-16

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