揭秘 | 服役条件严苛且周期长,核潜艇外壳用钢可不简单

发布时间:2018-07-10 16:19

钢铁,作为全世界年消耗量超过25亿吨的基本材料,被称为“工业的骨骼”,研发高性能的特殊钢材对于国防和国家建设有着非比寻常的意义。今天我们就来聊聊其中的核潜艇外壳用钢问题。


(一)核潜艇外壳用钢是怎样的存在?


世界上的潜艇大致可以分为单壳体潜艇和双壳体潜艇两类。


顾名思义,单壳体的艇体直接由耐压壳体构成,在耐压壳体外没有其他包覆壳,耐压艇体直接裸露在外;而双壳体潜艇除去内部的耐压壳外,外部还包覆一层非耐压壳。所谓“好钢用在刀刃上”,通常我们所讨论的高强度潜艇耐压钢都用在耐压壳上。


那么,单壳体和双壳体结构各有什么技术特点呢?



与双壳体相比,单壳体结构因为少了一层外壳,也没有了双壳体潜艇复杂的舷侧空间结构,所以结构相对简单,在工程量上要比双壳体结构少。


就单纯的工程角度而论,采用单壳结构有利于减少建造时间,扩大建造产量,降低单艇建造成本。


除此以外,与同样条件下的双壳体潜艇相比,单壳体潜艇的体积较小,容积和湿面积也较小,单壳体的湿表面积就是潜艇表面积,因此不增加阻力。而其他的壳体结构,或多或少都会增加潜艇与水接触的表面积,而与水接触的面积越多,受到的阻力就越大。因为具备最小的湿表面积,单壳体潜艇水下快速性也在所有结构中最优秀,是其他结构所不可比拟的。


而双壳体潜艇在耐压壳外新包覆了一层轻质的外壳(通常情况下直径要增加1.5-2米),虽然具备了更多的储备浮力,但也让湿表面积大大增加,因此所增加的阻力也是所有壳体结构里最多的。


不过,由于增加了一层外壳体,整个潜艇便多了一层保护壳,在作战时,由于外壳的保护,以及两层艇体之间结构的支撑和多出的空间,鱼雷爆炸时真正威胁到耐压壳内部的损伤也要低得多。因此,双壳体潜艇的生命力在所有壳体结构中是最优秀的。


(“台风”级核潜艇是人类历史上最大的潜艇,为双壳体结构)


一般来说,耐压壳体所需要用到的钢材都极为强韧,同时也意味着很难加工。总体而言,单壳体和双壳体各有侧重,需要根据潜艇任务需求和技术水平来取舍。


双壳体潜艇的外壳不需要承担耐压任务,可以根据潜艇最佳的外形设计需要来加工,而内部的耐压艇体则可以根据施工难度最小、最经济的形状来加工,既降低了建造难度,也控制了施工风险。

对于工业能力较弱的国家来说,双壳体降低了工程建造上的门槛,而对于材料、加工能力较强的国家来说,单壳体可以同时满足耐压和良好流线型的需求,进一步提升潜艇性能。


据称中国的新一代095和096核潜艇将使用单壳体结构,这也就意味着对潜艇外壳材料的性能和可加工性提出了更高要求。


(二)最好的钢材用于制造核潜艇耐压壳


由于核潜艇常年潜入深海中巡逻,服役条件苛刻,使用周期很长,可以说是要求最苛刻的钢材了。除了需要满足潜艇本身的性能要求外,考虑到工程的性价比因素,这种钢材的加工成本和难度也不能过高。


核潜艇用钢需要在以下几个方面拥有较好的性能:


(1)高屈服强度。


为提高潜艇的各项战术性能,必须尽可能增加潜艇的下潜深度。同时,潜艇下潜深度越大,深水对潜艇耐压壳体的压力也越大。增加耐压壳体钢板的厚度,虽然可承受更大的压力,但这将导致潜艇的重量增加。所以,提高钢的屈服强度是根本的办法。


钢的屈服强度越高,耐压壳体重量就越轻,下潜的深度越深,潜艇的隐蔽性就越好,能够显著提高潜艇战术性能。


(2)高韧性。


全球海洋的海水温差极大,温度的波动为零下34到零上49摄氏度,在这个温度范围内,潜艇钢必须具有良好的韧性。


潜艇钢材的韧性要求比一般的工程结构要严格得多,特别是在潜艇表面遭受攻击并产生较大的变形时,也不允许轻易产生破损,因此还要求有良好的抗爆性能。


(3)良好的可加工性。


整个潜艇是一个大型的焊接结构,焊接是潜艇建造的主体工艺,潜艇整体表面要尽量保持相同的性能,这是一个相当严格的要求。


焊接过程是金属重新熔化、重新凝固的过程,它与一体化制造的母材是完全不同的,二者有较大差异。但是要求潜艇钢材必须具有好的焊接性能才能满足潜艇建造和使用的技术要求,否则会产生安全隐患。


(4)良好的耐海水腐蚀性。


海水是一种复杂的多种盐类的平衡溶液,在长久的使用周期中,潜艇用钢材必须在海水中均匀腐蚀小,在焊缝附近不产生局部腐蚀。


(5)抗疲劳性能。


潜艇在平时需要经常下潜或上浮,潜艇耐压壳体用钢要承受反复的压力循环,这会缩短潜艇耐压壳体用钢的使用寿命,因此,对于潜艇耐压壳来说,材料的抗疲劳性必须强。


(三)“超级钢”让中国核潜艇质量提升成为可能


去年,中国对外宣布,已成功完成了“超级钢”的研制并开始小规模工业化量产,这一最新科技成果随即登上了全球顶级学术期刊《科学》。


据悉,这种“超级钢”拥有2200兆帕的屈服强度和16%的均匀延伸率,屈服强度是其他全球同类产品的两倍。同时,“超级钢”的密度还比普通钢材低30%,意味着这款钢材的综合性能极佳,在军工产品制造上前景广阔,可能已经首先应用于中国即将开始量产的095以及096核潜艇。


我们知道,材料在硬度和延展性上属于鱼与熊掌不可兼得的关系,硬度越大的材料意味着其延展性极大受限,这给材料的再加工带来了极大的困难,比如大家熟悉的陶瓷以及钛合金。


因此研发一种即有硬度又有良好延展性的材料一直是各国武器装备特别是核潜艇建造的关键点。


而这次“超级钢”的诞生,则意味着中国在强度、韧性、可加工性、耐海水腐蚀性、耐疲劳性等方面要求最高的潜艇耐压壳体钢材上,终于拥有了达到甚至超过世界先进水平的国产钢材。


(中国“超级钢”研究取得巨大突破)


反映在直观的数据上,中国的新型潜艇在使用“超级钢”之后,潜水深度比起上一代至少可以增加50%,这意味着潜艇的下潜深度可以达到900米。艇体重量更轻,速度也会增加不少,这使得水下的作战深度、广度和空间被大大拓宽了。


在绝大多数情况下,目前在役的鱼雷根本无法做到有效攻击900米深度的目标,而深水炸弹虽然在理论上可以做到,但其下降的速度非常慢,不要说比得上攻击核潜艇,甚至连高速航行的AIP潜艇都无法追上。


水下作战的深度类似于空战中的高度,一旦中国具备“上视上射”的潜艇能够掌握深度(相当于战机“下视下射”),就可以在作战中拥有绝对的主动权,逐个猎杀敌方的海军力量。


目前,中国是世界上唯一一个可以量产“超级钢”的国家,由于项目刚起步,且需要经历一个“产能爬坡”的阶段,这些“超级钢”将优先供给国防工业制造先进的装备,它为中国下一代主战装备的钢材问题的解决提供了一种新的可能性。


不过,需要指出的是,像“超级钢”这种屈服强度下的钢材,在建造核潜艇的时候焊接会成为一个极大的难题,加之其韧性和耐腐蚀性还是一个未知数,因此,能否成功应用到核潜艇这种长期在恶劣环境中工作的领域,目前还是一个未知数。


结语


以“超级钢”为代表的一批“超材料”的诞生,使得人类的应用材料技术向前推移了一大步,通过排列组合和深层研发,一定能够以新设计、新工艺、新材料创造出更伟大的产品,走进千家万户的生活中。

来源:了不起的中国制造

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