發展沿革
研製背景
美國海軍雖然率先研發了世界上第一艘
鸚鵡螺號核潛艇,但到20世紀50年代中期,
蘇聯也開始奮起直追,研製建造了其第一代
627型攻擊核潛艇(北約稱November class,即十一月級,簡稱N級)。而當時美國海軍的主力鰹魚級攻擊核潛艇雖然航速快,性能優異,但在設計上仍然延續著二戰時期潛艇以攻擊水面艦艇為首要任務的傳統,在靜音性能方面並未有所發展,水聲偵測設備也不符合攻擊敵方潛艇的需求。因此美國海軍開始加緊研發全新的攻擊型核潛艇,用來“獵殺”蘇聯的戰略核潛艇,並能夠在其發射彈道飛彈之前就將其搜獲並擊沉。
新型核潛艇計畫在1956年被美國海軍上將阿利·艾伯特·伯克提出,稱為“諾布斯卡計畫”(Project Nobska),旨在發展出優秀的潛艇靜音、潛深以及偵測裝備等技術,使用於新一代的美國核潛艇上。依據此計畫,新的攻擊型核潛艇以反潛為第一要務,而不是如同以往的對付水面艦艇。
建造沿革
設計論證
美國第一代核潛艇成功驗證了核動力裝置長期運行的穩定性、可靠性和安全性,第二代核潛艇則是圍繞著如何提高水下航速、操縱能力、航行降噪等重大技術問題而發展的。作為第三代或者說是第二代攻擊核潛艇的典型代表,長尾鯊級的初始論證工作開始於1956年10月。當時,美國海軍第二代核潛艇鰹魚級已經開工建造,其設計重點是水滴線型艇體及水下高速航行時的操縱性。而長尾鯊級的設計則重點強調綜合聲吶探測、低噪音、水下高速及深潛等水下綜合性能。
1957年5月,長尾鯊級的下潛深度指標被確定,反應堆也採用了與鰹魚級相同的S5W型壓水堆。然而如何在裝備相同反應堆的條件下,使長尾鯊級擁有更大的排水量和主尺度,而且比鰹魚級水下航速要更高成了最大的設計難題。
設計歷程
長尾鯊級攻擊核潛艇相比之前美國海軍建造的核潛艇,在艇體外型和動力推進效率方面已經基本沒有多少提升的空間,因此設計人員選擇從減少水下航行阻力入手。潛艇表面的各種附體結構會增加水下航行的阻力,從廣義來說指揮台圍殼也屬於附體結構,為了大幅度降阻,長尾鯊級的指揮台圍殼被減小到美國其他型號核潛艇的1/4。同時,指揮台圍殼桅桿數量也銳減,只剩下潛望鏡、無線電桅桿、VLF通信天線、通氣管和ESM組合桅桿及雷達桅桿各一根。由於圍殼尺寸減小,為避免排氣管的管路設計過長以保證排氣通暢,應急柴油機-發電機組只好從機艙移到指揮台圍殼正下方,以使應急柴油機的排氣管能夠直接向上通到圍殼內。
20世紀50年代末,美國最新的AN/BQQ-2型綜合聲吶和“沙布洛克”遠程反潛火箭研製成功。為了給這種新型球形聲吶留出更多的空間,從長尾鯊級開始美國核潛艇把艇艏的魚雷發射管全都後移至潛艇的舯部,正式將潛艇的艏端空間全部讓給聲吶。但由於甲板間高度的限制,後移的魚雷發射管只能分兩排布置,且每排只能布置2具,這樣長尾鯊級只有4具魚雷發射管,但其攜帶的備用魚雷數量與此前其他型號的核潛艇是相同的,在後期設計中還增設了魚雷快速裝填設備,這在一定程度上彌補了魚雷發射管數量不足的缺陷。此外長尾鯊級艇身前部的錨穴位置也向後移動,以減少其產生的流體噪聲對艏部聲吶的影響。為了有效的對新型“沙布洛克”遠程反潛火箭進行發射和控制,長尾鯊級安裝了最新的帶有部分數位化的MK113型水下射擊指揮系統。
開工建造
1957年10月,長尾鯊級攻擊核潛艇的初始設計指標基本明確,艇長83.2米,艇寬9.6米,排水量3451噸(水上)/4081噸(水下)。但到了1958年3月,初始設計基本完成時,其排水量已增加到3612噸/4182噸。1958年7月,艇長增至84.84米,排水量增至3788噸/4311噸,預計水下最高航速將比鰹魚級低0.4節。
長尾鯊級攻擊核潛艇的最終主尺度為84.9米×9.6米×7.9米,水面輕載排水量為3526噸,水面排水量3750噸,水下排水量4310噸。長尾鯊級首艇“長尾鯊”號於1958年5月28日在朴次茅斯海軍造船廠開工建造,1960年7月9日下水。
服役歷程
1961年8月3日,長尾鯊”號服役,美國海軍艦船局給予“長尾鯊”號的編號是SCB188,艇號是SSN593。從1958年至1968年期間美國陸續建造並服役了14艘該級核潛艇。
1963年4月10日,長尾鯊級首艇“長尾鯊”號失事沉沒,因此2號艇“大鰺魚”號成為該級第一艘潛艇。按照美國海軍以首制艇的艇名作為一種型號的冠名傳統,長尾鯊級又被稱為大鰺魚級或長尾鯊/大鰺魚級攻擊核潛艇。“長尾鯊”號沉沒後,美國海軍對在役的該級各艇都進行了局部改造,其中長尾鯊級最後建造的3艘SSN613-615艇由於改動較大,美國海軍為保證其穩定性而引起了潛艇長度和排水量的變化,這3艘核潛艇的長度增加到89米,排水量變為3600噸/4650噸。長尾鯊級的各艇從20世紀80年代開始陸續退役,除部分封存外,其餘全部拆除。
技術特點
艇型結構
艇型
長尾鯊級攻擊核潛艇採用了水滴型艇體,與鰹魚級攻擊核潛艇相同,但兩者的水滴型艇體有明顯差異。鰹魚級艇身平行中體的範圍是從艏魚雷艙的後隔壁至反應堆艙的後隔壁之間,共有25個肋距,長約20.3米,相當於該級艇長度的26.4%;而長尾鯊級上的平行中體長度為36.9米,相當於該級艇長的43.5%。另外長尾鯊級的艇體外形比較豐滿,艇艏為球形,其長寬比為8.8,相比長寬比為7.87的鰹魚級顯得更為苗條。
長尾鯊級的指揮台圍殼縱向剖面的面積僅為鰹魚級面積的1/3,位置更加靠近艇艏並設有圍殼舵,由於指揮台圍殼相對低矮,因此可以在更小的深度航行。鰹魚級在水面航行時,其指揮台上部可容納三名人員,但長尾鯊級的指揮台部位只能容納一名艇員,必要時,其他人員必須站在圍殼舵上執行任務。從長尾鯊級艇身平行中體到艉端是一段十分光順的艉段艇體,艉部裝有十字形垂直舵和水平舵,末端裝有一具直徑為3.35米的單軸7葉螺旋槳,槳葉呈大彎刀形狀,葉片較薄。
結構
長尾鯊級艇體為單雙殼體混合結構,指揮控制艙至反應堆艙、輔機艙這一段採用的是雙殼體結構。長尾鯊級在耐壓艇體上開有4個艙口,其中位於艏部和艉部的兩個是逃生艙口,另外一個艙口用來連線指揮台圍殼與指揮艙,最後一個是位於指揮台圍殼後面的“沙布洛克”裝填口。長尾鯊級首次採用了HY-80型高強度鋼,使該級艇的極限下潛深度可達396米,而在此以前的常規潛艇和核潛艇的下潛深度都是200米左右。潛艇增大下潛深度能最大限度地利用所謂天然裝甲的不可透視的海水深度,減少了被水面反潛艦艇和反潛飛機搜尋發現的可能性,從而增強了潛艇的生存能力,並在實施反潛戰時易處於有利戰位。
艙室
長尾鯊級的耐壓艇體內分為5個艙室,從艏至艉的順序是艏居住艙、指揮控制及魚雷艙、反應堆艙、輔機艙和主機艙。首居住艙位於耐壓艇體內最前部,分兩層,上層為艇員居住區,下層為水聲電子設備室。二艙指揮控制及居住艙被三層水平甲板分為4層,最上層布置的是作戰指揮控制室、總指揮室、通信室、艇長室以及通風機室等。作為一艘軍用潛艇,長尾鯊級罕見的只裝備了一根鏡筒直徑很大的Mk-XI型導航潛望鏡,其升降筒內裝有六分儀和測距雷達,為了保證潛望鏡筒不露出水面,潛望鏡觀察檯布置在艇內更低的位置。
指揮控制及居住艙的第二層布置的是聲吶室、軍官會議室、軍官寢室、士兵居住艙、廚房、餐室以及食品倉庫等。第三層被寬大後移的魚雷艙所占據,指揮控制及居住艙的最下層是專用壓載水艙、各種液艙、蓄電池室及倉庫等。指揮控制艙的後面是反應堆艙,艙內布置有一座壓水反應堆以及一迴路系統。反應堆艙後方是輔機艙,內有輔助推進裝置,長尾鯊級是美國海軍首次採用輔助推進裝置的核潛艇。主機艙是耐壓艇體內的最後一個艙室,該艙的容積和甲板面積都很大。
動力系統
長尾鯊級攻擊核潛艇裝備了1座威斯汀豪斯公司製造的S5W壓水堆,採用了獨具特色的三種推進裝置,分別為主推進裝置,輔助推進裝置和應急推進裝置。主推進裝置為美國通用動力公司製造的二級齒輪減速汽輪機,最大功率1.5-2萬軸馬力,主機帶動螺旋槳可以使潛艇達到水下31節的最高航速,由於採用二級齒輪減速,轉速被大幅度降低,從而可以降低螺旋槳的空泡噪聲。輔助推進裝置是輔助推進電機,位於輔機艙內,採用一種收放式結構。平時不使用時,收在主壓載水艙內。使用時,把推進軸和螺旋槳向下放出,使其吊在核潛艇底部,即可在水下旋轉360度,使潛艇在不使用主推進裝置時可低速航行。此外,當垂直舵發生故障或在進出港離靠碼頭需要仔細操艇時,可把輔助推進裝置作為側推裝置使用。由於長尾鯊級可能到北極海域活動,只裝備一個螺旋槳在被冰塊碰撞受損後,用輔助推進裝置獲得4節左右航速,可使潛艇慢慢駛離。應急推進裝置主要為應急推進電機,它利用傳動裝置與主推進軸連線完成對潛艇的推進,所用電源為蓄電池和為蓄電池充電的2台300千瓦的發電機,在反應堆發生故障、主機發生故障或因主機發生故障進行通氣管航行及利用艇上聲吶在搜尋敵人的目標時使用。美國從此以後所有的核潛艇都裝有這三種動力裝置,因而降低了機艙噪音。
長尾鯊級中的SSN605“小梭魚”號採用的是雙反轉螺旋槳推進器,主推進裝置與該級其他艇不同,由兩個套在一起的內軸和外軸組成。其中內軸驅動後面的螺旋槳,外軸驅動前面的螺旋槳。雙反轉螺旋槳的直徑較小,並改為5葉槳,後面的螺旋槳直徑比前面的還要小,其內軸和外軸各自與一台汽輪機連線,這樣不需要減速齒輪裝置,艇上的噪聲便得到了有效控制,“小梭魚”號因此被美國海軍譽為“非常安靜的核潛艇”。由於裝備了2台汽輪機,主機艙的長度增加了3.48米,該艇的總廠也增加到了90米,水下排水量增加到4550噸。雖然降低了噪聲,動力裝置的效率也提高了10%,但是該艇的水下航速卻基本沒有得到提高,可能是由於裝備的5葉螺旋槳設計不當造成的。由此美國海軍認為“小梭魚”號的設計並不十分成功,此後也沒有在別的核潛艇上採用雙反轉螺旋槳的推進形式。
武器系統
長尾鯊級攻擊核潛艇裝備了4具MK63型533毫米魚雷管,每舷2具,各自向兩舷外偏10度角,在艏居住艙與指揮控制艙之間的耐壓錐形連線殼體處穿透艇體伸出艇外。可裝載核深水炸彈、MK46或MK44自導魚雷、水雷等,包括管內4枚在內可裝載魚雷或飛彈22枚。
長尾鯊級裝備武器的特色之一是首次採用了“沙布洛克”遠程反潛火箭,能早期搜尋遠距離潛艇並對其進行精確打擊。“沙布洛克”是一種採用水下-空中-水下飛行方式的固體燃料火箭助飛魚雷,或者也可以說是一種潛射反潛飛彈,其長6.4米,彈徑533毫米,重1853千克,彈頭可以裝載核深水炸彈、MK46或MK44自導魚雷,可裝在標準的533毫米魚雷發射內利用液壓發射。“沙布洛克”發射後,先在水中向前漂移,逐漸呈仰角狀態後助推火箭發動機點火,迅速上浮並以30-40度的仰角出水,在空中以超音速飛向目標,在空中達到預定飛行速度後,助飛火箭與彈頭脫離,彈頭利用慣性繼續飛行,到達預定地點上空時再次入水,最後在設定深度爆炸。
水聲系統
長尾鯊級攻擊核潛艇為保證“沙布洛克”的精確遠程打擊能力,艇上安裝了由AN/BQR-7型被動聲吶和AN/BQR-6型主/被動聲吶組成的AN/BQQ-2型綜合聲吶,以及先進的MK113型水下射擊指揮系統。AN/BQR-7型被動聲吶由美國埃多公司研製,由排成3列的156個水聽器基元組成,在艇艏排成半圓形,並向兩舷延伸15.24米,水下最大噪聲探測距離100海里,但對目標定位精度不高,且沒有配備測定目標深度的裝置,因此只適用於警戒和搜尋。AN/BQR-6型主/被動聲吶是一部以主動回音定位為主、以噪聲定向為輔的主/被動雙功能聲吶,由美國雷聲公司研製。在艇體艏部由1245個鈦酸鋇元件構成一個重76噸,直徑3.81米的球形基陣;雖然安裝在艏部不會受到艇體外殼渦流、主機和螺旋槳產生的噪聲影響,但其在艇艉方向沒有探測能力。
艇電系統
長尾鯊級攻擊核潛艇裝有1部AN/BPS-14平面搜尋雷達,1部測距雷達,2部MK-2型誘餌發射器,Mk-XI型導航潛望鏡和六分儀。MK113型水下射擊指揮系統可根據潛望鏡、雷達、聲吶等感測器提供的數據,結合潛艇自身的縱傾、橫傾、航向、航速以及下潛深度等參數,經過運算後得出射擊數據。
攻擊模式
長尾鯊級的攻擊模式為,早期利用AN/BQR-7型被動聲吶進行警戒,當搜尋到敵對目標時,先利用AN/BQR-6型主/被動聲吶對目標發射一個探測信號,對其進行定位,然後在一定距離再利用AN/BQQ-3型識別聲吶識別目標,隨後即可使用MK113型水下射擊指揮系統提供的數據對其發起攻擊,由於這套系統的存在,確保了“沙布洛克”飛彈充分發揮威力。
隱身技術
長尾鯊級攻擊核潛艇為了降低主機系統,特別是齒輪傳動噪聲,曾想裝備汽輪發電機-電機推進系統,這樣可以不經過齒輪減速而直接驅動螺旋槳軸,但需要高速航行的長尾鯊級的推進系統功率必須達到1.5萬馬力,而相應的裝備低速轉動、功率為1.5萬馬力的推進電機的尺寸將十分巨大,根本無法安裝在潛艇上。另外美國還使用了當時英國的一種新的降噪途徑,即把潛艇的主機安裝在一種浮筏減振基座上,雖然沒有徹底消除艇上的噪聲源,但能夠非常有效地減振降噪,只是設計和建造時必須十分謹慎,以防因其失效而導致設備噪聲直接傳遞到艇體上。由於長尾鯊級採用了減振浮筏措施,其輔機艙和反應堆艙的容積增大了大約30%,主機艙的容積增加了60%。
在鰹魚級攻擊核潛艇實際運行中,發現另外一個重要噪聲源來自螺旋槳的槳葉轉動。此前為了防止螺旋槳產生的空泡噪聲,都採用大直徑低轉速螺旋槳。然而當螺旋槳的直徑加大到足夠大時,槳葉與潛艇附體產生的尾流相遇,會使槳葉發出振動噪聲。採用泵噴推進是消除這種噪聲的辦法之一,但在當時這種推進方式的技術還不成熟,美國直到30年後才在
海狼級攻擊核潛艇上實際套用了該技術。另一種方法是像長尾鯊SSN605“小梭魚”號那樣採用雙反轉螺旋槳,然而綜合考慮全艇性能,這種推進方式並不成功。經過反覆試驗和計算,潛艇如果採用槳葉酷似大彎刀形狀的螺旋槳,即經常提到的大側斜螺旋槳,則可基本解決螺旋槳的槳葉振動噪聲問題。這主要是因為這種獨特形狀的螺旋槳槳葉與潛艇附體後面形成的尾流在相遇和發生擾動時是逐漸且緩慢的,避免了強烈振動噪聲的產生。降低槳葉噪聲之所以非常重要,主要是因為槳葉噪聲的頻率較低,可以在海水中傳播很遠的距離,因此長尾鯊級上採用了這種7葉大側斜螺旋槳。
性能數據
艇體參數 |
---|
艇長 | |
---|
艇寬 | |
---|
吃水 | |
---|
水上排水量 | |
---|
水下排水量 | |
---|
水上航速 | |
---|
水下航速 | |
---|
潛深 | |
---|
艇員編制 | |
---|
傳動 | |
---|
動力系統 | 1座S5W型壓水堆,三種推進裝置 主推進裝置為二級齒輪減速汽輪機,最大功率1.5-2萬軸馬力 輔助推進裝置為收放式推進電機,可360度旋轉,可作為側推裝置 應急推進裝置為應急推進電機,電源為蓄電池及2台300千瓦的發電機 |
---|
服役動態
潛艇沉沒
1963年4月10日,長尾鯊級攻擊核潛艇首艇“長尾鯊”號在波士頓以東220海里處開始進行大深度潛航試驗,當該艇下潛到130米處時進行了壓載艙的注水試驗。從水下200米開始,它越往下潛,水面上收到它發來的電話聲音就越模糊。不久,潛艇從水下報告:“出現故障,艇首上翹,正向壓載艙充……”話音顯得十分驚慌,還沒講完便突然中斷了,幾分鐘後,水下傳來一聲艇體破裂的聲音,接著便鴉雀無聲了。之後美國海軍急於尋找並打撈“長尾鯊”號以便調查,甚至將汽車放入海中模擬下沉路徑,經過六個月,終於找到了“長尾鯊”號,但是已經變成一堆碎片,艇上129人無一生還。
20世紀80年代,海洋學者巴勒德宣稱以小型潛艇探測“泰坦尼克”號,但實際上是受了美國海軍資助,去詳細拍攝長尾鯊號的“陳屍地點”狀況。拍攝時發現“長尾鯊”號的殘骸分成六大塊,各種碎片散布在400平方碼的範圍。後來調查結論稱,可能是“長尾鯊”號的一根海水管道破裂,導致海水大量湧入艙內,一些電線被海水浸泡和沖刷後又影響了電氣系統,從而使潛艇喪失動力,坐沉海底。由於主機艙內海水系統強度不夠,造成耐壓殼破壞,導致該艇橫臥海底,艇員隨艇同沉,這是世界海軍史上第一次核潛艇沉沒事故。
事故調查
關於“長尾鯊”號失事的詳細調查顯示,其根源可能是當時瘋狂的美蘇軍備競賽,建造潛艇時採用了較快速便捷的方式,犧牲了質量管理,最終造成了悲劇性的後果。美國核潛艇的安全標準向來極端嚴格,但是“長尾鯊”號的艇內管路設施並未以超高安全標準加以建造,艇內直徑四英寸以上的水管路採用焊接來接合,但是四英寸以下的次級管路則採用溶銀銜接,也就是將銀環放在管路接口加熱,使其以毛細原理滲入管路接合處細縫;雖然溶銀銜接較焊接方便省時,但是管路沒有確實接牢的機率較高。同時由於“長尾鯊”號的建造時程緊湊,導致這些管路的質量檢測工作沒有確實執行,工作人員僅僅檢驗了容易接近的接點,而被對象擋住的接點就不予檢查。當時“長尾鯊”號有145個壓載水艙管路接受檢查,其中20個通過了簡易的淨力檢查,但未通過昂貴耗時的超音波檢查,其它還有幾百處管路根本未進行超音波檢查。
“長尾鯊”號的沉沒使美國海軍推遲了長尾鯊同級艇的研製進度,美國海軍重新檢查其它該級潛艇後,發現許多採用溶銀銜接的管路沒有確實接牢。在深海中,這些壓載水艙管路內流動著高壓海水,一旦有了裂縫,海水就會迅猛地灌入艇體。此外,負責將海水引入反應器冷卻系統的海水閥也可能是罪魁禍首,因為這個閥門在電力中斷時無法關閉,萬一遇到這種情況也會造成大量進水。此外,“長尾鯊”號雖然能潛至以往潛艇無法到達的深度,但其壓載水艙仍採用舊式設計,灌氣速率太慢使得出水速率不足,無法配合“長尾鯊”號能夠抵達的深度;如果“長尾鯊”號在以往美國潛艇抵達不了的深度遭遇大量進水,就算壓載水艙全力排水以進行緊急上浮,其出水速率也抵不過船身在該深度的進水速率,使得潛艇無可避免地沉往海底。“長尾鯊”號的壓載水艙灌氣筏上有過濾器以防外物損壞,但灌氣時會在過濾器上聚集大量水氣,快速降壓時水氣就有可能結冰,造成阻塞進氣,使其無法有效地灌氣排水。
改進措施
根據“長尾鯊”號事故詳細調查的結果,美國海軍對長尾鯊級後續艇的設計都做了若干修正與強化,同時開始徹底檢討潛艇的建造流程、安全措施以及後勤保養,並做出了許多改進。這包括潛艇的管路建造工程全面採用焊接,徹底放棄溶銀銜接。壓載水艙的緊急灌氣管路的口徑加大,灌氣速率較以往增加七倍左右,可以使潛艇在較大的深度時也能快速上浮。反應器冷卻系統海水筏增加了液壓輔助機械,在失去電力時能從控制中心直接關閉。壓載水艙緊急灌氣時的空氣要儘量保持乾燥,以免水氣結冰。在指揮控制室安裝用於緊急上浮的備用機械控制裝置,並清楚標示在明顯的位置上。
鑒於蘇聯核潛艇力量的不斷增強,美國海軍為了保證核潛艇的優勢,針對“長尾鯊”號沉沒所暴露出來的問題,建造了第四代
鱘魚級攻擊核潛艇。之後美國海軍又推出了一系列加強潛艇安全的措施,但是當時仍處於與蘇聯瘋狂軍事競爭的狀態,不惜犧牲船隻的狀況與安全性,也要讓核潛艇出航,因此工作並不細緻,許多安全考慮還是被忽略。除了其他若干安全強化措施外,美國海軍還修正了當時為了增加潛艇出勤而忽略安全維修的態度,為救援可能遇難的潛艇還專門發展了深海救援載具DSRV。此外從1960至1980年的數次海底採樣顯示,沉沒的“長尾鯊”號並沒有造成輻射污染。
該級各艇
總體評價
從長尾鯊級攻擊核潛艇開始,美國核潛艇在整體工藝科技、靜音能力、聲吶偵測等方面便遙遙領先世界其他國家,與美國先前建造的核潛艇甚至全世界各國的潛艇相比,長尾鯊級無論是在外型還是內部設計上都有極大提升。長尾鯊級攻擊核潛艇有許多創新,這包括潛艇線型上的縮小的指揮台圍殼、圍殼舵、十字舵、單軸單槳,減振浮筏靜音技術,艇艏球型聲吶,計算機控制武器系統,遠程反潛武器,以及首次採用的高強度鋼板,這些技術很多都被美國核潛艇沿用。
長尾鯊級攻擊核潛艇是美國第一批高性能核潛艇,也是一級真正的多用途攻擊型核潛艇,是美國所有現代核潛艇的先驅,該級潛艇的出現標誌著美國海軍攻擊型核潛艇的一次新的飛躍,堪稱是美國海軍核潛艇發展的里程碑。雖然“長尾鯊”號是美國海軍史上第一艘意外失事沉沒的核潛艇,但由於它的革命性新設計是往後所有美國潛艇的原型,因此其地位不容抹殺。