一般来说,潜艇和鱼雷在外形上最大的不同,便是潜艇的中间有一个凸出来的塔状结构。这个结构我们一般称其为指挥塔围壳,美国人则写作sail(帆),欧洲则习惯性称呼为fin(鳍)。从潜艇诞生之初,这个结构就一直存在,其外形也经历了无数次的优化。不过在最近,美国海军看着这个结构越来越不顺眼,提出了一个大胆的想法,将这个结构从潜艇上取消,并用充气的折叠结构去取代他。
按照美国海军海上系统司令部发布的文件,他们设想的这款充气围壳系统被称为IDSS(Inflatable Deployable Sail Structure)。要求其展开后能为潜艇提供16英尺(4.87m)的干舷高度。同时这个充气的围壳要有一个简易的航海舰桥,舰桥前部的宽度足够两名水手肩并肩站立,后方也同样如此。还要配备有必要的电源、可以上翻的挡风玻璃、储物柜、照明和耐压壳体内部与舰桥的通信线路等。当然,最关键的是还要有一个能进出潜艇的梯子,充气围壳的舰桥与潜艇的耐压壳体连接的开口应当为30英寸(76.2cm)。这可以说美军是想在潜艇上装一个充气城堡。
美国人的这个大胆想法其实是目前潜艇领域的“无围壳”潮流的一个分支。我们先来说说为何要“无围壳”和什么是围壳。实际上指挥塔围壳这个称呼在现在并不准确,恰如老婆饼里没有老婆,指挥塔围壳里现在也没有指挥塔了。早期的潜艇由于缺乏电子设备和有效的指挥手段,或者是因为潜望镜长度有限,为了指挥鱼雷攻击不得不在主耐压艇体上设置凸出于艇体的指挥塔,和同时期的水面舰艇类似。为了安全和下潜,在指挥塔外面又加装了一个流线型的罩子,也就是围壳,因此这个结构也得名“指挥塔围壳”。
随着时代的发展,可以让舰长在潜艇内部的指挥中心指挥鱼雷攻击,也就没有必要设置独立于主耐压壳外的耐压指挥塔。美国自1956年下水Triton号核潜艇后,便再也没有使用过指挥塔设计。其他国家的发展也较为类似,基本都取消了在围壳内保留指挥塔的设计。因此,现在的潜艇围壳里面其实并没有任何耐压舱室,里面仅有在下潜时会被海水淹没的简易舰桥和各类可伸缩的桅杆探测器。围壳本身更类似于这些可伸缩设备的整流罩。
可是垂直于艇身的围壳却贡献了相当大的阻力,水流在围壳和艇身的交界处还会产生马蹄涡,带来大量的噪音,影响隐蔽性和战时生存能力。除此之外,在进行转弯时,围壳还会产生侧向升力,使得艇体侧倾摇摆;直线航行时,航速越高,围壳在中心轴线上的阻力越大,会对艇身产生一个俯仰力矩,严重影响航行安全。就有很多专家认为,既然指挥塔都已经成为了历史,那么保护指挥塔的指挥塔围壳还有什么必要存在呢?他们认为有这么多不良影响的围壳就应该取消。为此,早在上世纪60年代,苏联设计师在设计673型潜艇时,就直接取消了围壳。
尴尬的情况又摆在了各国设计师面前,没有围壳的潜艇在水下航行时是非常有优势的,可是潜艇毕竟还是要上浮的,不仅需要上浮换气让大家出来透风和补给,甚至有些情况(例如“无害通过”时)潜艇必须全程在上浮状态下航行。这种情况下,无围壳的设计有一定的海上交通安全隐患,例如在放风和补给时,稍微有风浪就会有海水拍上甲板,影响人员安全,甚至会有海水从舱门处灌入。因此出于安全起见,尽管无围壳的设计非常多,但是美国海军一直没有采用。
美国海军一方面想着没有围壳的好处,一方面又想着围壳的安全。在世间安得双全法这个世纪难题面前,美国海军想到了可以用充气结构来解决问题。在美国海军看来,充气结构的围壳在下潜时可以收起来,避免了噪音和阻力;上浮时能打开,可以充当临时航海舰桥,还可以为补给提供安全保障。更关键的是,这种充气结构还避免了苏联673艇的伸缩式结构带来的耐压壳结构强度和加工问题。毫无疑问,这种设计是潜艇发展史上的一次伟大跨越,问题就在于,这个真的做的出来吗?
美国海军的充气设想其实并非没有先例,早在上个世纪的苏联,充气结构已经被证实可以具有较大的刚性。苏联的SS-24洲际弹道导弹为了节约尺寸,使之能塞进铁路车厢,就采用了充气鼻锥。平时导弹的头部是被压扁的平头,减少了全弹尺寸,发射前压缩气体会将折叠的波纹金属展开撑起,形成一个看上去完整的整流罩,并且其结构强度足以承受飞行时的气动阻力。
除此之外,在美国海军的规划中,这个玩意其实不仅仅可以是充气的,也可以采用淡水或者海水加压的方式。至于有人担心的缺乏围壳而无法在北极地区使用的问题,规划文件中也提到了,要求充气围壳可以承受一定的包括冰重在内的垂直载荷(海水在围壳上结冰后的附加重量),还要能在被冰撞时不受损坏,并能承受一定的轻武器射击。工作温度也考虑到了极地寒冷环境,可以在-60°F 至 150°F(即-51℃~65℃) 的温度内工作。目前的文件中,并不强求充气围壳可以破冰,因此也有观点认为,潜艇破冰时并不依赖围壳,其自身的艇体也可以破冰而出,因此充气围壳的潜艇在破冰前只需要将围壳收纳好,同样可以实现在北极冰区的安全上浮。
但是别的要求就有点难度了,根据文件,美军对IDSS的最低要求有,寿命可达一万次,可以在潜望镜深度,0节航速与不超过5节的横流情况下进行收放并保证形状不变。或者在水面情况下,至少5节航速也也能安全收放,在6级海况内可以正常收放,在8级海况内保证安全,并且所有收放时间都要在1分钟内完成。此外,在完全展开后,IDSS顶部相对艇体的偏差不能超过5英寸(12.7cm)。也就是说,这个充气围壳的收放都要全部自动化,同时还要有极大的刚性,考虑到这个堪比充气城堡的尺寸,无疑对加压装置和泄压装置都有很高的要求。
此外出于安全考虑,为了保证IDSS完全展开时不会像街上的充气城堡一样软趴趴的随风飘荡,规划文件中允许使用软硬混合结构。美国海军给出这么高的设计要求也是有一定现实背景的,在NASA和某大国都开始测试充气载具再入大气层的情况下,要求你们用同样的材料研发一个不会乱晃的充气围壳怎么了?除了材料问题,IDSS的布局设计也不简单,其充放气系统需要连接潜艇的海水泵接口(SPI)和空气瓶接口(AFI),还要考虑放气后如何自动收纳到艇体的安全位置,折叠后要不要塞入耐压壳内等问题。
可能是由于美国海军的这个项目实在是有些困难,加上才刚刚发布没多久,到目前为止甚至没有厂商放出渲染图作为宣传。不过在世界各国都广泛的进行小尺寸围壳、一体化围壳设计的今天,IDSS设计无疑指出了另一条可行的道路。毫无疑问,这种试验一旦成功,将彻底改变未来的潜艇设计。只是目前美国海军似乎仅仅是希望吸引厂商预研和模拟研究,不仅没有给出经费预算,也没有给出时间表。因此美国人先提出了这个概念,但不一定是他们先做出实物。
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