漫谈潜艇的指挥塔|围壳|指挥塔|核潜艇|耐压壳|艇体

最近在航展没空写文，发久文

039C的围壳为什么是蘑菇形的

在网上流传最新的039C图片中，蘑菇形的围壳引起人们的好奇：为什么是这样一个形状？

蘑菇头看起来更加流线一点，但索性弄成俄罗斯风格的流线型不香吗？

这要从围壳是干什么用的说起了。潜艇在风浪里，没有“甲板”可以作为指挥位置，必须有一个高耸的指挥台，也叫围壳，供艇长登高指挥之用，否则低矮的“甲板”上浪严重，根本无法指挥航行和作战

一战时代的英国B级潜艇很简陋，围壳很小，也不够高，索性再搭一个简陋的指挥台，倒也管用。但围壳的作用还不止于此

小小帆船要在大风浪里不翻船，需要有秘密武器相助

这秘密武器就是船底探入水下的“机翼”形状的稳定鳍

这不是稳定前进方向用的，而是在风浪中在水动力作用下使船体自然回正用的。在风浪中，船会倾斜，水下的“翼面积”产生反作用，实现自然回正。右面的船还增加了沿“翼尖”的凸台结构，“钩住”水流，减少了水流绕“翼尖”的绕流，增加了回正作用，或者在同样回正作用要求下，可减少“翼面积”，降低阻力

潜艇只是反过来了，把“机翼”安装在上方，同时兼做指挥塔，这是美国“洛杉矶”级

039C围壳的蘑菇头可以看成稳定鳍的凸台，可降低围壳高度和面积。还有说法这是降低在水面状态下雷达反射面积用的，这顶多是次要的优点，在有可能遇到敌人反潜飞机搜索的地方，潜艇根本不应该上浮，否则围壳舵也应该隐身修形，还需要艇脊与围壳蘑菇头的角度对齐，等等。都没有。看来还有其他原因

潜艇要下潜的时候，可以用压载水舱整体下潜，但速度比较慢，动静也比较大。用舵面控制、通过水动力“扎猛子”就要快多了。艇尾有十字舵或者X形舵，但要扎猛子的话，艇尾舵是不给力的，用力过猛索性就出水了，需要用前置舵面

前置舵面有艏舵和围壳舵。艏舵的劲大，但离艇艏近，水动力噪声可能影响声纳的工作。这是英国“机敏”级，采用高置艏舵，位置也稍后一点，减少对声纳的干扰

艏舵从艇体两侧伸出来，靠泊的时候只能“悬离”码头或者补给船，避免艏舵碰撞。必须用长跳板上下倒不是大问题，问题是风浪的时候，较难可靠系泊，需要额外设施才能固定靠泊的潜艇。

“特拉法尔加”级也用艏舵

但位置较低，在水线以下，在水面航行时看不见，一方面能马上发挥作用、迅速下潜，另一方面增加水面航行时的阻力。不过水面航行阻力对常规潜艇是个问题，对核潜艇不是问题，除了进出港和特殊作业，核潜艇很少在水面航行

“机敏”级这样艏舵高置，水面航行时阻力小，但风浪大的时候拍击严重，影响纵摇稳定性，而且也对迅速下潜没有帮助，需要在艏舵潜入水下后才能起作用

艏舵使得围壳比较干净，有利于在北冰洋穿冰上浮，这是美国“海狼”级“海狼”号和“康涅狄格”号在北极点上浮，也采用艏舵

围壳舵当然就是舵面安装在围壳上，与艏舵相比，作用力矩短，在同样的舵效要求下，舵面积要加大，增加阻力。这是美国“洛杉矶”级

围壳舵没有水面航行时的阻力问题，而且位置高，很少受到海狼拍击影响，但也在水面航行时不起作用，只有在已经下潜的时候才能帮助迅速深潜，

不过后28艘的“改进洛杉矶”级把围壳舵改成艏舵了，有可能有冷战时代对苏冰下作战的考虑，这大概是历史上唯一的在同级建造中在围壳舵和艏舵之间改来改去的

不过围壳舵竖立起来，也是能穿冰而出的，这是美国“鲟鱼”级

常规潜艇需要较多考虑水面航行，采用围壳舵较多，这是德国212型

靠泊比较简单，可以直接靠到码头上，不用担心围壳舵的碰撞问题

039也用围壳舵

常规潜艇也有采用艏舵的，德国214型就是，只是艏舵位置比较靠后，降低水动力噪声对艇艏声纳的影响，但舵效也降低了，需要增大舵面积

214型的艏舵还有端板，作用和飞机机翼的翼梢小翼相似

但围壳设计中最主要的考虑并不是围壳舵，而是本身的阻力和噪声。以德国209型潜艇为例，围壳只占表面积的8.84%，但高速航行时阻力却占12.71%

对于速度更高的核潜艇来说，围壳阻力的影响更大，这是美国“洛杉矶”级

二战德国潜艇的围壳大多为椭圆筒形，有点减阻和耐压的考虑，但在水动力方面还没有太大的讲究

二战末年的XXI是划时代的，对潜艇的影响好比梅塞施密特Me 262对战斗机的影响。XXI没有来得及在战争中发挥作用，二战就结束了。但XXI在很多方面奠定了战后潜艇技术的基础，围壳已经和现代潜艇很接近了，平面形状呈前钝后锐的机翼形

从此，刀片一样瘦削的翼型围壳成为现代潜艇的典型构型，极大地减小了阻力，这是美国“特里顿”级，只有1艘

随着潜艇速度的提高，围壳的噪声成了大问题。雪茄形（或者纺锤形）的艇体外形并不保证水流简单地沿着前进方向从前向后流动，而是在不同地方有不同的尾流和涡流

围壳本身造成尾流，围壳侧面根部的情况更加复杂，形成由下向上、向内翻卷的马蹄涡，可能对艇壳造成有规则的敲击声，很容易暴露目标

再仔细点看，由于水的粘性，从艇的上表面开始，沿高度方向有一个像抛物线一样的速度分布，横向的箭头代表本地速度。艇体表面速度在理论上为零，然后迅速过渡到自由水流的速度，过渡层高度称为边界层。用圆柱作为围壳的简化的话，边界层的存在使得面向前进方向的柱底有水力冲压形成的月牙形空腔，流到两侧就形成马蹄涡，向后则进一步汇合成尾流涡

这是另一个图示，不光显示了水平方向的流动，还显示了垂直向下的速度分布及对形成马蹄涡的关系，注意：越贴近壁面，向下流动的趋向越强

围壳前缘后掠可以降低向下流动的压力分量，也可以看成斜前缘把水流强迫“往上抬”，减弱马蹄涡的形成

德国214型潜艇就是这样的，只是围壳是圆角四面梯形，而不是简单后掠

由于马蹄涡是在围壳侧和顶甲板之间的夹角角落里形成的，围壳侧直接过渡到艇侧就取消了这个夹角，取消了马蹄涡形成的条件，这是德国212型

代价是围壳宽度较大，阻力较大。不可能在外面从前甲板走到后甲板是个问题，但这不是不可克服的。这是德国212型

围壳较宽也是有好处的，围壳顶的指挥台比较宽敞，这是只有1500吨的212型

英国“机敏”级也是差不多的围壳构型，侧壁与艇侧融合较好

由于吨位更大，围壳顶的指挥台更加宽敞

相比之下，6000吨的“洛杉矶”级的围壳顶指挥台好像比吨位只有1500吨的214型还要狭窄一点

好处是阻力小得多，相应的围壳尾流也小得多，而这是水动力噪声的另一个主要来源，下面要谈到

美国潜艇用瘦削的翼型围壳为多，这是“鲟鱼”级，这个时代还是简单的直角连接，前缘没有填角处理，这使得围壳前缘根部有明显的海浪堆积

用围壳前端填角把水流“剖开”，可以显著缓解马蹄涡问题。填角可以在围壳底部近似为前缘后掠，这是美国“弗吉尼亚”级

但围壳上段的垂直前缘使得结构更坚固，制造也更简单，对于有穿冰要求的美国海军来说很重要，这是“海狼”级，最早在美国潜艇里采用前端填角。美国潜艇围壳也用垂直后缘，至今无一例外

苏联海军是完全不同的路子，采用低矮但较长的流线型围壳，降低围壳阻力，也降低围壳尾流。苏联用流线型围壳很早，这是60年代的671型，北约代号“维克多”级

971型（北约代号“阿库拉”级）更进一步，围壳周边根部也充满了填角。前填角增加后掠作用，侧填角则“占据”了围壳与顶甲板之间夹角的低压区，拒绝马蹄涡的形成，与苏-27巨大的尾锥减少宽间距双发的后体涡流阻力有异曲同工之妙。这也不可能从前甲板走到后甲板，不过这对核潜艇来说无所谓，除了在港内和海上特殊作业，顶甲板上反正没人走动

但低矮的围壳需要大大加长，才能恢复足够的横摇稳定性，摩擦阻力增加了，流线型的减阻实际上补回来了，并没有降低很多。天下本无免费的午餐

885级（“亚森”级）继续苏联潜艇的设计传统

继续采用双层壳和流线型围壳

苏联潜艇采用高度流线型围壳是因为采用双层壳的有利条件。双层壳体的外层与内层之间是中空的，在水下时充满海水。由于水压的各向均匀性，内外层之间的形状可以不规则，但外层壳的内外侧受到同样的压力，可用低规格钢板制造，焊接要求也低。外层是非耐压壳。内层壳是用高强度的潜艇钢制造的耐压壳，是规则的圆柱体，便于制造，便于承压。双层壳和单层壳的优劣是容易引起口水战的话题。双层壳的外层对内层有保护作用，提高抗战损能力；外层壳便于实现复杂的流线型，降低阻力。但双层壳增加排水量，增加阻力，提高动力要求，建造也更加复杂（是费事，但未必难度更高，实际上耐压壳的制造难度还降低了）。另外，外层壳和内层壳之间一般间距很小，需要大量流水孔才能让海水顺畅地流入、流出，增加水动力噪声。减少流水孔就有进排水较慢的问题，为了限制对非耐压壳的受力，只有限制上升和下沉的速度了。这是971型在上浮后，流水孔正在排水

双层壳体有显著的“壳包壳”结构

内层的耐压壳的加强肋框可安排在壳间，增加耐压壳内的可用空间，这是“基洛”级在建造中

对于弹道导弹潜艇来说，如果大直径艇体太困难，就只有让导弹筒穿透耐压壳

在外观上，这就是“龟背”，阻力和噪声都增加，这是苏联“德尔塔IV”级

双层壳最极端的要算苏联的“台风”级

主体采用两个并排的耐压壳体，前端和中段甚至是品字形的三耐压壳体，结构高度复杂

内部当然是异常宽大

甚至自带桑拿

非常符合苏联式的暴力美学。这里可以看到拆掉外层壳后暴露的耐压内壳的外加强肋框

双层壳的另一个比较极端的例子是“库尔斯克”级

内层的耐压壳还是圆柱体，外层的非耐压壳就是扁圆的，两侧鼓出来部份的内部空间用于巨大的导弹发射管

从“库尔斯克”号打捞起来的残骸，可以清楚地看到内部结构

单层壳和双层壳都是在二战末年德国首先推出的，单层壳的XXIII比双层壳的XXI小得多，也是浅水专用，所以后者名气大得多。XXIII也是最纯粹的单层壳，压载水舱在耐压壳之内，占用宝贵容积。这之后再也没人这样做了。压载水舱在艇底还是受到传统思维局限了。那还是潜艇的水面航行是主要设计考虑，潜艇只是“可下潜的鱼雷艇”，加注压载水反而提高稳定性。XXI和XXIII是最早将水下作为主要作战模式设计的，但有些东西还是没有一下子全转过弯来。现代潜艇的压载水舱如果不是包覆式或者首尾式，一般在上部。这是对水下作战重新认识的结果。大部分时间里，压载水舱是不充满海水的，不同程度空心的顶置压载水舱降低了重心，增加稳定性。

XXI的双层壳和现代双层壳也有点不一样，外层壳有点像鸡蛋形，压载水舱也在侧下，但在外层的非耐压壳和内层的倒立葫芦形耐压壳之间，这样可以用地板借一把力，提高结构刚度，把难度高的大直径圆柱分成难度较低的两个较小直径的半圆柱

现代单层壳有大段耐压壳直接暴露在水中的（上和下），这还是比较原教旨主义的单层壳；也有耐压壳体根本不暴露在水中的（中上），或者部份暴露在水中的（中下）。都说是单层壳是因为使用单层壳的建造方法：耐压壳的加强肋框在内侧。阴影区域为压载水舱

美式单层壳是最接近原教旨主义单层壳的，结构最紧凑，同样有效容积下吨位最小，速度最高，动力舱最大，但材料和建造要求也最高。主体是单层壳，艇艏球和艇尾锥在耐压壳外的，相当于双层壳。这里也是压载水舱姿态调整水舱的位置，前者用于上浮和下潜，后者用于调整仰角。潜艇也可以像飞机一样，通过不同的仰角来上浮和下潜，而不用舵面。这样不仅降低阻力，也降低噪声。美国核潜艇大多是这样的布局，这是“洛杉矶”级

也正因为这样，“旧金山”号水下撞山的时候，艇艏撞得稀烂，但耐压壳没有大碍，安全返航了

中段说单层壳还就是单层壳，这是“洛杉矶”级“明尼苏达”号，耐压壳就是艇壳，密集的加强肋框在内侧

法国的“梭鱼”级也是这样的：主体是单层壳，艇艏和艇尾锥在耐压壳之外，压载水舱也在这里

弹道导弹核潜艇则和双层壳一样，导弹筒太大，就只有穿透耐压壳体

美国“俄亥俄”级好像看不出龟背，实际上只是龟背很低矮而已。艇体直径12米，导弹筒长度13米，没有办法。造价已经逆天了，再要增加艇体直径就太过分了

德系（包括瑞典）潜艇说起来是单层壳，实际上是混合结构，经常是圆柱体艇体主体是单层壳，但还有高耸显眼的艇脊，这部分相当于只覆盖上部的双层壳。艇脊里像双层壳的壳间空间，是淹没区，常用作压载水舱、额外设备舱（如AIP的液氧瓶）等。平整的顶甲板也便于走动。艇脊也可等效为一定的围壳面积，降低实际围壳的面积和高度。这是瑞典的A14级

这是澳大利亚的“柯林斯”级，基于瑞典A19型（“哥特兰”级）的放大设计，也是单层壳加非耐压艇脊的设计

“柯林斯”级在建造中，能看到单层壳，艇脊的非耐压罩还没有加上去，但能看到围壳底部留出的安装位置

德国212型也是圆柱艇体加艇脊

顶甲板下橙红色就是耐压艇壳外的“淹没”区，可相当于双层壳之间的区域

放大后的细节，“5”所示为淹没区

“31”则是艇尾淹没区里的AIP液氧瓶

英国“机敏”级也受德系影响，具有显眼的艇脊

包覆在顶甲板和耐压柱体、前后半球之间的区域也是淹没区

“12”就是主压载水舱的进出水系统，“13”就是耐压柱体的后半球体

前半部也有类似的半球体（“79”）和外层壳之间的淹没区，同样是压载水舱的一部分

俄罗斯636型（北约代号“基洛”级）是双层壳，但也有一条艇脊，可以等效为一点围壳面积

也提供便于走动的顶甲板，双层壳的流水孔清晰可见

但单层壳也是有流水孔的，压载水舱必须要有流水孔，而且不管单层壳、双层壳，围壳总是在耐压壳体之外的，艇艏罩和艇尾锥也在耐压壳体之外，上浮的时候还是要排水。这是以色列的“海豚”级，可以看作德国212型的改进型

其实说起来，单层壳的流水孔也不少，这是韩国引进建造的214型在上浮

事实上，但从外观来看，除了双层壳通常有较多的流水孔，单层壳和双层壳已经不容易看出来了。左一是单层壳带艇脊和单侧棱罩壳，左二是单层壳带艇脊和多侧棱罩壳，右一是双层壳带有盖板、可升起的导弹发射管（早期巡航导弹潜艇多用），右二为双层壳带侧棱。这里单层壳还是双层壳主要看加强肋框在耐压壳内侧还是外侧

日本的“苍龙”级的耐压壳不是规则的圆柱，而是在两头收缩直径

这样的“精神单层壳”已经和双层壳十分接近了，但在结构上还是有一点好处：加强肋框在耐压壳内侧的话，受力方式是“顶着”，抗压能力强，但占用一点耐压壳内空间；加强肋框在外侧的话，受力方式是“拉着”，抗压能力要弱一点，但耐压壳内空间完全可用。如果大直径耐压壳技术过关的话，还是内侧加强肋框更加好，占用一点还是有足够的可用空间；但到了耐压壳内部容积斤斤计较的时候，外侧加强肋框就是很必要的选择了

美式“原教旨主义单层壳”除了艇艏和艇尾，最接近简单圆柱体，而且较为细长，高速性更好。单层壳的材料和工艺要求非常高， 11-12米直径的艇体圆度偏差1英寸（2.53厘米）就可丧失30%的耐压能力。舱段的精密和坚固焊接是另一个挑战。美国潜艇的材质和工艺过硬，所以不仅单层壳直径大，而且不怕一段一段焊接的工艺问题。同级的俄罗斯潜艇就只有用较小直径的耐压壳和双层壳构造，来得到足够的使用容积了。这是美国“弗吉尼亚”级

欧系混合式的截面就接近梨形，较为粗短，机动性更好，但舱段少，焊接要求低一点。这是英国“机敏”级

围壳尾流会沿艇体上表面向艇尾“爬行”，如果沿着尾锥“爬”进螺旋桨，可能造成空泡噪声，这是用计算流体力学对最简单的直线前进状态时尾流的形象化模拟（visualization）

较窄的围壳减小围壳尾流，很长的后甲板使得围壳尾流有足够的空间平顺化，降低空泡噪声问题，这是美国“海狼”级

后甲板较短就要对水动力外形仔细设计了，这是荷兰“海象”级

可以看到，后体设计非常精心，很接近水滴型，不过空间利用率较差，很长的渐收段也增加了建造的困难，这还是“海象”级

澳大利亚“柯林斯”级最初不仅有严重的马蹄涡噪声问题，还有围壳尾流造成螺旋桨空泡噪声问题

与“海象”级相比，后体设计要简单粗暴不少

后来用围壳前端填角和后缘的前掠整流罩解决了问题。前端填角解决马蹄涡的问题，后缘整流罩增加了围壳底座的“翼型”长度，提高了接近顶甲板高度的局部流速，与上方较短的长度形成速度梯度，将水流“带离”艇体上表面，解决螺旋桨空泡噪声问题

注意围壳顶后端有一块延伸的尾板，这是抑制围壳顶尾流用的

荷兰“海象”级围壳顶后端也有功能类似的装置

本来准备替换“柯林斯”级的法国“短鳍梭鱼”级也是“柯林斯”级那样的围壳，不过没有那块尾板。图中实际上是“梭鱼”级，“短鳍梭鱼”级的核动力兄弟

但围壳的涡流实际上还有偏航角的影响。直线前进时，围壳顶形成一对对称但旋转方向相反的涡流，围壳底也是一对对称但旋转方向相反的马蹄涡；右转10度时，左侧艇体表面流动开始变形，上表面形成艇体涡（Fhc），下表面形成艇底涡（Fhb）。围壳顶发生横跨的流动，与原来的围壳顶的左涡流汇合成尾流涡的上半支，同时围壳下半部发生向上的流动形成另一支尾流涡，两股汇合，互相加强，形成强大的围壳顶的尾流涡（Fft）；右转角度进一步增加到18度时，围壳侧的尾流涡分成上下两支，上支继续与围壳顶的尾流涡互相加强，形成围壳顶的尾流涡（Fft），下支则与左侧马蹄涡汇合并互相加强，形成更加强大的左马蹄涡（Ffp）。在所有情况下，围壳前底角都形成围壳前角点涡（Fj）

这就是“蘑菇头”的作用了：在直线航行时，削弱围壳顶尾流的形成，否则前缘后掠的围壳产生上升流动，会加强围壳顶涡流的；在转弯时，将围壳侧上升涡流与围壳顶涡流“隔离”开来，削弱尾流涡，降低噪声。额外的空间也改善围壳顶指挥台的空间条件。蘑菇头后方的列孔是围壳的流水孔

从侧面，可以对“蘑菇头”增加一点认识。这里还能看到，艇脊加高、加宽了。可能用于增加AIP燃料（包括液氧）的携带量，并扩大在艇脊集中的压载水舱，降低从双层壳里流入流出的需要，改善上浮和下潜性能

039可以说是第一代真正中国设计的潜艇，前面的033是从苏联设计的633型（北约代号“罗密欧”级）改进过来的，035则是033的改进型

039深受“基洛”的影响，除了采用围壳舵，基本设计很相像，也是双层壳，也有显著的艇脊和流水孔。在某种程度上，流水孔的多少反映了技术水平。外层壳强度高到接近耐压壳的话，只要很少的流水孔就够用了，当然材料、重量和建造难度都增加了。外层是“软壳”的话，就需要很多流水孔降低蒙皮受力。039见证了中国潜艇技术的发展其型号沿革就是中国潜艇技术的发展史