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美國海軍潛艇發展思路分析

美國海軍潛艇發展思路分析

美國是最早開展潛艇研製的國家,自1898年建成「霍蘭」級常規潛艇組建世界第一支潛艇部隊,美國海軍潛艇力量一直快速發展並迅速壯大。1954年美國海軍建成世界上第一艘核動力潛艇——「鸚鵡螺」號,自此開啟了美國海軍潛艇發展重點由常規動力向核動力的轉變。2006年後美國海軍潛艇正式進入全核化時代。縱觀美國海軍潛艇發展,無論是由常轉核,還是核動力潛艇的不斷迭代更新,均是受到美國海軍戰略轉型、作戰環境、軍事競爭、技術發展等內外因素推動影響。

目前美國海軍攻擊型核潛艇部隊規模為3級52艘,包括36艘洛杉磯級攻擊型核潛艇、3艘「海狼」級攻擊型核潛艇、13艘「弗吉尼亞」級攻擊型核潛艇。美國潛艇部隊以數量多、更新快、性能強、技術先進、全核化穩居世界海軍水下戰能力首位。

洛杉磯級攻擊型核潛艇「拉霍亞」號(SSN-701)在珍珠港駐泊

核潛艇獨具的高效費比優勢

自「霍蘭」級 常規潛艇開始,美國海軍不斷發展各型常規潛艇,二戰爆發時,美國已經擁有112艘潛艇,二戰結束后美國海軍潛艇規模達到250餘艘,常規潛艇在二戰中幫助美軍擊沉了千餘艘敵方艦艇,為美國獲得有利戰局發揮了重要作用,也為戰後美國海軍繼續下大力發展潛艇提供了決策支持。戰後美國已經擁有非常強大的海上力量,沒有任何對手可以對美國近海構成實質性威脅,美國保衛領海壓力減小,但要確立海上霸主地位,必須建立一支極具進攻能力的海軍力量,能夠深入大洋深處與前蘇聯形成海上對抗態勢,而常規動力潛艇由於性能的局限性,不具備對抗前蘇聯潛艇的能力。因此二戰後,美國海軍沒有大批量建造常規潛艇,而是將關注力集中在研發第一代核潛艇和小批量建造常規潛艇並探索研究提高水下反潛作戰能力。保留常規潛艇的小批量建造的目的也是為發展核潛艇提供技術儲備。

戰後,美國海軍常規潛艇研發重點為提高潛艇的水下航速,增加續航力,具備遠海作戰能力。在經過幾型試驗型常規潛艇之後,1956年~1960年美國海軍建造了3艘「長頜須魚」級常規潛艇,水下排水量2894噸,採用3台1500馬力柴油機作為動力,最大續航力達到14000海里/10節(水面),水下航速21節,水下續航時間58小時,相比較二戰時期的常規潛艇性能有了較大飛躍。但是隨著同時期攻擊型核潛艇的建成,常規潛艇與核動力潛艇的差距逐漸顯露出來:在建造費用上,3艘「長頜須魚」級常規潛艇的造價與當時1艘核潛艇大體相當,但從運行維護費用、續航能力等方面看,核潛艇表現更優,「長頜須魚」級常規潛艇與當時的「鰹魚」級攻擊型核潛艇相比,兩級艇排水量和尺寸相差不大,但「鰹魚」級攻擊型核潛艇水下續航時間能達到2500小時,水下最大航速達到30節。兩者在效費比上的巨大差距,讓美國海軍果斷作出了終止發展常規動力潛艇,未來由核動力潛艇承擔全部水下作戰任務的決定,這一決定沿用至今。

洛杉磯級潛艇「托萊多」號(SSN-769)聲納室

用試驗型核潛艇探索潛艇核動力技術與艇型布局

美國海軍核潛艇起源於嘗試性建造多艘試驗型核潛艇,為後續多級核潛艇奠定了堅實的基礎。二戰期間,美國在原子能技術基礎上開始著手研製基於可控鏈式反應的潛艇核動力裝置,1946年展開核潛艇的設計與研製工作。海軍第一艘攻擊型核潛艇「鸚鵡螺」號的建成主要是為了掌握核動力在潛艇上的應用情況,該艇核動力裝置採用一座S2W型壓水堆,滿載排水量4000噸以上,潛深200米,水下航速達到20節。在外形上艇艏部為圓形,上甲板無舷弧。1957年,美國建成第二艘試驗型核潛艇——「海狼」號,該艇在「鸚鵡螺」號核動力技術上加以改進,採用以液態鈉為冷卻劑的S2G型快中子反應堆,滿載排水量4280噸,但是在使用中出現可靠性差的缺陷,於是1959年將S2G型反應堆更換為S2W型壓水堆,從此奠定了美國海軍核潛艇無一例外採用壓水堆核動力裝置的思路。

美國海軍通過建造「鸚鵡螺」號和「海狼」號試驗艇對潛艇核動力裝置進行探索,在後續的「鰩魚」級和「鰹魚」級攻擊型核潛艇上則重點對潛艇艇型、布局、性能等進行了嘗試性研究。「鰩魚」級攻擊型核潛艇是美國海軍初次批量生產的攻擊型核潛艇,共建造4艘。首艇1955年開始建造,1959年服役使用。該級艇1958年完成了世界潛艇史上的第一次水下橫渡大西洋航行,創造了水下持續航行31天的記錄,並首次在北極破冰上浮。該級艇的技術特點是:核動力裝置採用蒸汽透平減速齒輪推進方式,減小了雜訊;魚雷管數量較多,共裝備8具魚雷發射管,並採用「前六后二」的布局方式;水下航速較低,與「鸚鵡螺」號核潛艇相比,沒有太大改進。在繼續建造「鰩魚」級潛艇的同時,美國海軍開始研製航速更快的核動力潛艇——「鰹魚」級,首艇1958年5月下水,1959年4月服役,共建造6艘。「鰹魚」級艇建成后,是當時世界上航速最高的潛艇,航速可達到水下30節。該級艇的主要技術特點有:艇型上實現了突破性改進,採用水滴形高速線型,艇體為單、雙層殼體混合式結構,減小了潛艇總尺度,增大艇內容積;在螺旋槳設計方面拋棄了以往的雙軸雙螺旋槳設計,首次採用5葉單螺旋槳,有效降低潛艇雜訊;動力性能增強,採用了當時美國最新研製的S5W反應堆,該反應堆是20世紀70年代美國各型核潛艇的標準反應堆。主要推進裝置均採用備份設計,提高了動力系統的可靠性;武器系統單一,艇艏設置有6座魚雷發射管,未裝備先進綜合聲納,不能發射導彈系統,僅裝備魚雷武器,初步具備反艦作戰能力。

海軍第一艘攻擊型核潛艇「鸚鵡螺」號的動力裝置採用一座S2W型壓水堆,滿載排水量4000噸以上,潛深200米,水下航速達到20節

核軍備競賽催生美國攻擊型核潛艇迭代更新

冷戰時期,美國陷入與前蘇聯之間漸趨白熱化的核軍備競賽,美國海軍陸續建造了「長尾鯊」級(14艘)、「白魚」級(1艘,試驗艇)、「鱘魚」級(37艘)、「一角鯨」級(1艘)、「格·利普斯科姆」級(1艘)、「洛杉磯」級(62艘)、「本傑明·富蘭克林」級(2艘,由彈道導彈核潛艇改裝而來)、「喬治·華盛頓」級(5艘,由彈道導彈核潛艇改裝而來)、「伊桑·艾倫」級(5艘,由彈道導彈核潛艇改裝而來)、「海狼」級(3艘)等多達131艘攻擊型核潛艇,組建了數量龐大的核潛艇部隊,實現了核潛艇向多功能化、實戰化的發展,該時期建造的「洛杉磯」級和「海狼」級攻擊型核潛艇目前仍然是美國海軍核潛艇力量中堅。

「長尾鯊」級攻擊型核潛艇

隨著美蘇進入冷戰時期,20世紀50年代中期前蘇聯研製成功N級(November,十一月)核動力潛艇。美國海軍開始重點提升核潛艇反潛性能,尤其是在隱身性、反潛攻擊和反潛探測性能融合了當時最為先進的技術。1958年開始建造「長尾鯊」級攻擊型核潛艇,首艇「長尾鯊」號於1958年開始建造,1961年服役。

「長尾鯊」級核動力潛艇艇體首次採用HY-80高強度低合金鋼,潛艇下潛深度增加到300米以上,實現大潛深,從而使得潛艇水下機動空間增大;首次採用主、輔和應急三套推進裝置,主動推進系統為蒸汽輪機推進,輔助推進裝置為輔助推進電動機,應急推進電動機由蓄電池組及應急柴油發電機供電,推進系統技術先進;首次安裝最新設計的BQQ-3先進綜合聲納系統,以及新研製成功的「薩布洛克」反潛導彈,提高了水下攻擊能力。4座魚雷發射管由艇艏部移至艇舯部,使艇艏可以裝設大型球形基陣聲納,聲納基陣直徑達到6米,大幅度提高潛艇水下探測能力。在外形設計上,採用了單軸設計,使用十字尾舵,流線、流體動力學效應更佳,輪機裝置置於減震浮筏上,大幅降低傳至艇殼外部的噪音與震動。通過「長尾鯊」級攻擊型核潛艇,美國核動力潛艇在建造工藝、靜音效果和聲納偵測方面已經遙遙領先其他國家。

美國海軍曾計劃大批量建造「長尾鯊」級攻擊型核潛艇,但是1963年4月10日,新服役的「長尾鯊」級進行大潛深試驗,由於主機艙內海水系統強度不夠,耐壓殼遭到破壞,該艇發生沉沒事故,暴露出潛艇大潛深航行的弱點,因此美國海軍推遲了該級艇建造進度。最終共建造了14艘。

「鱘魚」級攻擊型核潛艇

「長尾鯊」級艇發生沉沒事故后,為與前蘇聯爭奪北冰洋的競爭中保持優勢,以及替代「長尾鯊」級潛艇並為「小鷹」號航母護航,美國海軍決定針對該級艇所暴露的弱點問題進行改進,於1963年開始建造「鱘魚」級攻擊型核潛艇,主要使命任務是反潛,同時也可執行反艦、對陸攻擊任務。美國海軍設計該級艇服役使用年限為30年。該級艇的主要技術特點是:艇體比前三代的攻擊型核潛艇都要大,排水量4960噸,指揮台圍殼增高加大,裡面增加了聲納系統。圍殼結構增強,適應北冰洋破冰需求;首次在核動力潛艇上安裝了「戰斧」巡航導彈,具備對陸攻擊作戰能力。再加上「魚叉」反艦導彈和MK-48魚雷,該級艇武器配置豐富,擁有反艦、反潛和對陸攻擊能力。

在建造「鱘魚」級潛艇的同時,美國海軍為評價安靜型潛艇的作用,為下一代攻擊型核潛艇奠定基礎,又建造了採用自然循環反應堆的「一角鯨」級攻擊型核潛艇和採用電力推進的「格·利普斯科姆」級攻擊型核潛艇。

該兩級潛艇由於費用問題,均未批量生產。「一角鯨」級潛艇於1966年1月開工建造,1969年7月12日在大西洋艦隊服役,滿載排水量5830噸,航速25節,配備8枚「戰斧」巡航導彈、4枚「魚叉」反艦導彈和4具魚雷發射管,於1999年退役。「格·利普斯科姆」級潛艇於1971年6月開工建造,1974年12月服役,是一型安靜型試驗艇,滿載排水量6480噸,航速25節,武器僅配備4枚「魚叉」反艦導彈和4具魚雷發射管,於1989年退役。

美國海軍前部長參觀弗吉尼亞級核潛艇「新墨西哥州」號(SSN-779)控制室

「洛杉磯」級攻擊型核潛艇

進入20世紀60年代中期,蘇聯核潛艇開始迅猛發展,在核潛艇規模上開始超越美國,特別是裝備SS-N-21型巡航導彈的蘇聯V(Victor)級核潛艇對美國航母作戰編隊構成了威脅。美國海軍認為對付這種威脅的最有效方法是將攻擊型核潛艇部署在作戰編隊前面,探測伺機發動攻擊的敵潛艇。為配合航母作戰編隊提供近程支援,美國海軍開始研製「洛杉磯」級攻擊型核潛艇,設計新一代潛艇具備較好的攻擊和規避效果,可以與航母作戰編隊協同作戰。首艇於1972年開工建造,1976年建成服役。一共建造了62艘,目前,已經退役26艘,現役36艘。「洛杉磯」級攻擊型核潛艇在航速、靜音和潛深方面都有了較大改進。而且噸位明顯增加,水下排水量為7124噸,外形尺寸明顯增大,標誌著美國海軍攻擊型核潛艇開始向大型化方向發展。該艇採用了美國當時最新型長壽命自然循環壓水反應堆S6G型,輸出功率是以往攻擊型核潛艇的2倍,支持潛艇航速達到33節,適應了大型攻擊型核潛艇的高航速要求。該級艇單艇載彈量達到26枚,與以往相比有所增加。而且從第32艘艇后的31艘潛艇裝備有垂直發射系統,在艇艏部球形陣列聲納后的艇殼外部安裝有12個垂直發射單元,可發射「戰斧」巡航導彈,使潛艇武器最大載荷達到了38枚。「戰斧」巡航導彈射程達到1600千米,攻擊威力大,是當時也是目前美海軍攻擊型核潛艇主要武器系統。

「海狼」級攻擊型核潛艇

20世紀70年代,美國與前蘇聯達到了核軍備競賽的高潮階段。前蘇聯海軍核潛艇在數量上已經趕超美國,潛艇技術也有所突破與創新。尤其是當時前蘇聯的A級核潛艇航速接近40節,潛深達700米。而且前蘇聯核潛艇雜訊不斷降低,在北極冰層下活動具有很強的生存力。美國海軍認為「洛杉磯」級核潛艇的垂直發射系統和拖曳陣聲納佔用了較多壓載水艙容積,降低了生命力,魚雷管數量少,反潛能力弱。因此為能夠在深海及大洋中以較強的優勢對抗前蘇聯潛艇,並保持核潛艇技術世界領先地位,適應新世紀反潛戰需求,美國於上世紀70年代末決定發展海狼級攻擊型核潛艇,稱之為21世紀的核潛艇,使命任務是:攻擊敵艦隊;將敵潛艇兵力圍困在其本土水域;攻擊敵岸基目標;為航母編隊護航;隱蔽布雷以及隱蔽輸送特種部隊等。

由於美國海軍要求「海狼」級潛艇「大跨步改進」,在隱身性能、潛水操作性能、下潛深度、武器配備等方面要不惜代價,達到世界最先進水平,因此該級艇實行高性能、高費用的設計方案。「海狼」級攻擊型核潛艇的設計工作始於1982年原計劃建造30艘,首艇造價16億美元,後續艇預算每艇11億~12億美元,總耗資360億美元。首艇於1989年10月開工建造,不久蘇聯解體,冷戰結束,美蘇結束爭霸局面,美國海軍作戰目標改變,同時也由於首艇造價猛漲,美國國防預算緊縮,「海狼」級潛艇建造計劃從30艘改為10艘,后又改為3艘。首艘艇「海狼」號1997年7月服役,第二艘「康涅狄格」號1998年12月服役,第三艘「吉米·卡特」號2005年2月服役,目前3艘艇全部在役。

該級艇的主要技術特點是:

魚雷發射管數量增多至8具,可攜帶50枚武器系統,是「洛杉磯」級潛艇載彈量的2倍,配備武器數量增多,反潛作戰能力明顯提升,水下攻擊能力更加強大。

與「洛杉磯」級核潛艇相比,「海狼」級潛艇艇型短而粗,長寬比縮小,約為8.5,打破了美國海軍長寬比不斷增大的趨勢。這樣的艇型可減少艇體表面積,降低艇表面發射聲納信號的能力。減小潛艇迴轉半徑,機動性、操縱性增強。有利於減小阻力,提高航速,達到39節,是美國海軍航速最高的潛艇。

艇體採用單殼體結構,選用HY-100高強度鋼,下潛深度明顯增加,達到近600米,是目前美國海軍下潛深度最大的潛艇。

艇艏的聲納罩改為鋼製,防止聲納受冰層破壞,提高了潛艇冰下航行與破冰能力。

配備MK 2火控系統、BSY-2綜合聲納系統及UYK 43/44先進計算機,對多個系統的信息實行統一處理,高度自動化,作戰反應迅速,可同時對付多個目標,提高了艇的綜合探測和攻擊作戰能力。

操艇、下潛和深度控制系統也實現了全自動化操作方式,自動控制能力增強。

「弗吉尼亞」級多用途攻擊型核潛艇

冷戰結束后,美國海軍戰略重點由遠洋作戰向近海作戰轉移,賦予攻擊型核潛艇的使命任務是應對局部衝突;利用潛射導彈對陸目標實施攻擊;沿海反潛作戰;支持特種作戰部隊以及為航母編隊護航等。原有的「洛杉磯」級、「海狼」級攻擊型核潛艇均為冷戰思維的產物,追求水下高速、大潛深以及安靜性,適合深海作戰,明顯不適應新的作戰環境要求。因此美國海軍1991年決定發展新一代攻擊型核潛艇,要求建造一型比「海狼」級潛艇排水量小,既能實施傳統遠洋反潛反艦作戰又能用於淺水環境多種作戰行動的多用途攻擊型核潛艇,並逐步替代「洛杉磯」級攻擊型核潛艇,作為未來美國海軍攻擊型核潛艇部隊的主力裝備。因此冷戰結束后,美國海軍攻擊型核潛艇的設計思想是以多用途、多功能為主,注重對瀕海作戰和淺海多任務作戰能力的需求。

1991年開始了「弗吉尼亞」級攻擊型核潛艇的論證與設計工作。計劃共建造48艘,分7個批次逐步建造完畢,1996年美國海軍簽訂首批4艘新一代攻擊型核潛艇的建造合同,首艇「弗吉尼亞」號(SSN-774)於1997年8月下水,2004年10月服役。目前該級艇已經服役13艘。

該級艇的主要技術特點是:艇體模塊化設計,突出多用途性。由於弗吉尼亞級核潛艇的設計需求是執行多種作戰任務,因此其艙室設計需要滿足多任務要求,而可重構魚雷艙很好地滿足了這一要求。該艙室空間巨大,可以根據作戰任務要求,在短時間內進行重新布置。4具533毫米魚雷發射管既可以發射MK48 ADCAP重型魚雷,也可以發射MK 67先進移動水雷、導彈、無人潛航器等,共可攜帶武器38件。在執行特種作戰任務時,該魚雷艙還可以作為備用艙室部署41名特種作戰隊員。由於該艙具有巨大的空間,在已服役的「弗吉尼亞」級核潛艇實際部署時,該艙曾作為134名艇員集合的場所。而且,該級艇還首次部署了內置式「海豹」特種部隊轉移艙,能容納9人的「海豹」特種部隊小隊,小隊全體人員在該艙注水或排水時可同時出入潛艇,而此前美國海軍潛艇上的轉移艙每次只能供2名特種作戰隊員同時進出。「弗吉尼亞」級採用的S9G核反應堆推進功率29.84兆瓦,而「海狼」級的S6W與「洛杉磯」級的S6G核反應堆推進功率分別為33.57兆瓦與26兆瓦。以往核潛艇為更換反應堆堆芯,需要割開耐壓殼體,費用昂貴。「弗吉尼亞」級採用的S9G型高功率長壽命反應堆,在30年服役期內無需更換堆芯,使其全壽期費用大大降低。該反應堆具有自然循環能力高、安全可靠性好、雜訊低等優點。「弗吉尼亞」級裝備10部聲納,包括艇艏主/被動聲納陣列、舷側基於光纖的BQG-5A輕型寬孔徑被動陣列(LWWAA)、指揮台聲納、前下方聲納以及艇艉的高頻主動拖曳聲納等。聲納處理系統為AN/BQQ-10(V) 4,適於在聲傳播複雜的淺海區作戰使用。該級艇首次在艇艏下方布置聲納基陣,通過艇下基陣與指揮台聲納基陣相結合,可以準確地繪製海底海圖與水雷場。此外,艇的每一側有三個舷側基陣,與拖曳基陣相結合,可以快速地定位目標數據。「弗吉尼亞」級攻擊型核潛艇為支持近海聯合作戰任務,具有C4ISR能力,可將非本艇感測器信息與本艇數據融合,產生複雜準確的戰場態勢圖,通過形成共同的戰術行動圖,在美軍和盟軍間共享信息。

「弗吉尼亞」級核潛艇是一級邊建造邊改進的裝備,每批次的性能、配置均有所差異,美國海軍考慮為2019年以後建造的「弗吉尼亞」級潛艇上安裝「弗吉尼亞有效載荷模塊」,提供額外的4個大直徑有效載荷發射管,每個發射管可攜載7枚「戰斧」導彈,從而使在原基礎上增加28枚「戰斧」巡航導彈,提高了攜帶巡航導彈的能力,彌補21世紀20年代中期,由於4艘俄亥俄級巡航導彈核潛艇退役可能出現的潛艇攻擊能力缺口,滿足美國海軍對「戰斧」巡航導彈的需求。

美國海狼級攻擊型核潛艇「吉米·卡特」號(SSN-23)

創新思維發展下一代攻擊型核潛艇

美國海軍認為先進潛艇技術正在世界範圍內快速擴散,高性能常規潛艇正在不斷湧現,而未來美國海軍要在水下戰場佔據和保持絕對優勢,就必須以一種創新的方式來發展潛艇,並且以快速應用先進潛艇技術來迅速擊敗潛在對手。按照計劃進度,最後一艘「弗吉尼亞」級攻擊型核潛艇將於2034年交付,之後美國海軍將開始建造新一代攻擊型核潛艇,計劃2034年採購下一代攻擊型核潛艇。

根據美國海軍公開的下一代攻擊型核潛艇設計方案,未來潛艇將更加註重提高隱身性和機動性。針對目前核反應堆帶動汽輪機發電和推進,而未來安靜型先進聲納系統要求核潛艇進一步降低雜訊,為消除齒輪傳動系統的雜訊影響,下一代攻擊型核潛艇放棄現在的核動力-齒輪傳動方式,採用核動力-電力推進,不僅可以降低雜訊,還可以節省空間,減小艇體尺寸,使最高航速超過「弗吉尼亞」級核潛艇。並繼續提升自動化指控能力,大幅度縮減操控人員。此外,下一代攻擊型核潛艇還能夠部署多艘無人潛航器,強化潛艇進攻能力。目前美國海軍已有能力利用潛艇的魚雷發射管、對抗誘餌發射管、垃圾處理單元等設備發射UUV,但每次僅能發射一艘,美國海軍未來將突破這種限制,下一代攻擊型核潛艇將把UUV作為一項擴展活動範圍的重要手段。未來美國海軍將在多UUV聯合指控系統方面開展進一步的工作,提高通信、數據傳輸和充電速率,利用潛艇或海底充電樁實現UUV的快速充電。未來將在「弗吉尼亞」級核潛艇上試驗上述技術,使「弗吉尼亞」Block VI、VII型核潛艇成為多UUV部署的試驗平台。

編輯:謝宏偉

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