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图说海军|尖端技术助推德国海军转型全身都是黑科技的212A潜艇

* 来源 :http://historyday.cn * 作者 : * 发表时间 : 2020-02-05 12:05

  原标题:图说海军|尖端技术助推德国海军转型,全身都是黑科技的212A潜艇

  过去十年,德国海军的平稳转型是欧洲海军发展的一个主旋律。冷战时期,其重点活动地区为波罗的海和北海地区,如今已发展成为更适于在全球部署的力量。德国海军水面舰艇部队的发展尤其能够体现这一趋势。上一代的快速攻击艇被吨位大出许多的新型K-130型“不伦瑞克”级护卫舰取代,而且这一升级换代即将全部完成 。新型的F-125型“巴登-符腾堡”级级护卫舰是专门为国际维和任务而研制的。不过,如果说有什么不同的话,“水下”的变化甚至更大。在此方面,交付的新一代212A型常规潜艇“U-36”号于2014年完成预定的验收海试,该艇是六艘同型潜艇中的最后一艘。

  ▲ 图为2010年4月,德国海军212A型潜艇“U-32”号在水面上航行时的画面。212A型潜艇由蒂森克虏伯船舶系统公司下属的霍瓦兹造船厂分两批建造,性能有所不同,分别于2005年至2014年完成交付。该型艇装备了基于燃料电池技术的AIP系统,使其能够在水下长时间航行。

  ▲ 212A型潜艇项目最早于1994年获批。然而,由于意大利随后加入德国的这一潜艇项目,为满足意大利海军的需求,212型潜艇的基本设计被更改,使该项目的开工日期被推迟。图为在美国海域活动的意大利首艘212A型潜艇“萨尔瓦托·托达罗”号,摄于2008年8月1日。已有两艘212A型潜艇交付意大利海军,另有两艘有望于2015至2016年加入意大利海军服役。

  与被其取代的206A型潜艇相比,虽然212A型潜艇的排水量约为其三倍,但水下排水量也仅为1800多吨,全长约56米,因而,与当代的其他潜艇相比,212A型潜艇仍然相对较小。这主要是由于最初的设计要求将重点放在了用于满足在水深较浅而又封闭的波罗的海进行活动的需要。因而,并不令人感到奇怪的是,在此方面该型潜艇与邻国瑞典的A-19型“哥特兰”级潜艇非常相像。

  此外,212A型潜艇的艇体非常的短且宽,其甲板构造采用单、双层相结合的布局。耐压壳前部较为宽大,在其主甲板(上层甲板)一层设有人员住舱和作战中心,而下层甲板则主要为武器存储与操作室。围壳后方的耐压壳变窄,为单层甲板结构,其内部安装有柴油发电机组和电动机。这一布局实际上将指挥中心放在了上层甲板的尽头,避免了“过境人流”可能会对其造成的干扰,而这一问题在单层甲板构造的潜艇中非常普遍。艇长的住舱位于作战室的近旁,一旦有需要,艇长就能立即进入作战室。

  潜艇的建造大量使用了无磁钢。另外,部分结构还采用了用轻质玻璃纤维加固的塑胶,包括外部壳体的部分覆盖物和大部分围壳。用于为AIP系统提供燃料的液氧储存罐和氢气储存槽均位于耐压壳的外面,这反映出其严格的安全要求。由于“出口型”的214型潜艇将液氧储存罐放置在了耐压壳内,212A型潜艇液氧储存罐的布局方式似乎太过谨慎。

  212A型潜艇最令人瞩目的特点或许在于其混合动力系统的设计。它融合了传统的柴-电动力系统和AIP辅助动力系统,前者使其能够在低威胁地区进行高速航行和活动,后者使其能够在高威胁地区进行长时间的水下低速活动。该系统融合了成熟技术与新兴技术,其主要构成包括:

  212A型潜艇的电能主要来源于一套吸气式柴油发电机组。这一紧凑型的柴油发电机组以16V型MTU 396系列柴油机为核心组成。该型柴油机在陆上和海上被广泛使用,20世纪80年代初经改进后首次在潜艇上使用。至今,8缸、12缸和16缸的396系列潜艇用柴油机共生产了约250台,累计使用时间已超过31万小时。该型柴油机与一台皮勒电力系统公司生产的交流电发电机相连,该发电机将电能直接供给潜艇上的电动机或将电能储存在蓄电池中供以后水下航行时使用。霍瓦兹造船厂声称已对柴油发电机组进行了优化,缩短了通气管状态下的航行周期,尽可能减少了潜艇靠近水面航行时的时间,从而可对燃料电池动力系统形成有效补充。这一柴油发电机组的设计可承受气压的骤变,以及潜艇纵摇和侧倾时产生的巨大晃动,而潜艇在水下活动时,发生纵摇和侧倾非常普遍。

  212A型潜艇使用的蓄电池是艾诺斯·霍克公司生产的“瓦尔塔”常规铅酸蓄电池,安装在武器储存室下方的一个隔舱内,位于耐压壳的前部。它既可以通过柴油发电机组进行充电,(在特殊情况下)也可通过AIP系统提供的电能进行充电。普通的可充电蓄电池仍然存在功率密度较小的问题,因而为了增强未来潜艇的水下性能,正在寻找其替代品。例如,霍瓦兹造船厂正积极研制供潜艇使用的锂电池。在210型改进型概念潜艇和216型概念潜艇中就采用了锂电池的设计,因而可以想见,现役的潜艇也可能会换装锂电池。众所周知,波音787客机由于采用锂电池技术而发生了一些问题,此时,尚不能确定这是否会影响到其在潜艇上的应用。

  在不能浮出水面获得空气,柴油发电机组主动力系统不能运转时,212A型潜艇基于燃料电池的AIP动力系统将作为备用手段提供电能。基本工作原理是通过反应物(燃料和氧化剂)将化学能转变为电能。具体到霍瓦兹造船厂和西门子公司共同研制的AIP动力系统,其所使用的反应物为氢气和液氧。液氧储存在两个带有蒸发器的特制的隔热、抗震储存罐内,利用燃料电池发生化学反应时产生的废热使液氧汽化。它还用于为艇员提供呼吸用的氧气。相对危险的氢气则被储存在由霍瓦兹造船厂特别设计的金属氢化物储存槽内。氢原子被吸附在储氢金属的晶格结构中,经过加热后可释放产生氢气。氧气和氢气分别通过一根双壁管送至AIP系统的燃料电池模块中。

  ▲ 图为“U-33”号艇正在维修的详细画面。从图中可见其中一个抗震液氧储存罐,两个液氧储存罐位于围壳后方,并排放置在耐压壳的外面。氢气储存在经特殊设计的金属氢化物储存槽内,位于耐压壳的下面。在脚手架的后面可以看到部分金属氢化物储存槽。

  212A型潜艇AIP系统的核心为西门子公司研制的BZM34 PEM燃料电池模块 。每个模块的重量仅为650千克,由72块燃料电池组成,输出功率可达34千瓦。燃料电池模块为抗压设计,密封在一个用氮气填充的容器内,有助于及早发现和预防化学品泄漏等安全隐患。每艘潜艇有九个燃料电池模块(其中一个为备用,一旦发生故障将自动启用),与潜艇的主配电板相连。燃料电池模块位于下层甲板,刚好在内装柴油发电机组的消声舱的前方。蒸馏水是燃料电池化学反应的唯一副产品,被储存在一个水箱内,用于平衡反应物消耗之后损失的重量。

  ▲ 2011年3月,“U-34”号艇正在穿越基尔运河。212A型潜艇成功运用了基于PEM燃料电池的AIP系统,巩固了霍瓦兹造船厂在潜艇制造业中的市场地位。吨位相对较大的出口型214型潜艇的销量足以证明这一点。

  通常情况下,在AIP系统工作时,AIP系统的燃料电池和普通蓄电池均一直与动力系统相连,两种电池配合使用。实际上,燃料电池系统为潜艇在低速状态下航行提供电能。如果动力系统对电能的需求超过了燃料电池的电能输出能力,拥有足够剩余电量的蓄电池将补足其不足。单独使用AIP系统的燃料电池为潜艇提供电能也是可行的,但这只有在蓄电池设备发生故障时才可单独使用。单独使用燃料电池时,需要借助独立的辅助电源启动燃料电池系统。

  在实际使用中,PEM燃料电池AIP系统取得了巨大成功,为潜艇在高威胁地区进行隐蔽行动提供了多方面的优势。燃料电池本身不会产生任何噪音;无需排放任何废物,降低了被发现的几率,也不会对下潜深度造成影响,同时,工作温度相对较低(约80℃),最大程度地减少了红外特征。与其他AIP技术相比,基于燃料电池的AIP系统更加高效(霍瓦兹造船厂声称至少为其两倍),在携带相同量氧气的情况下,水下续航能力更强。212A型潜艇可在水下长时间航行,虽然需维持低速状态,但水下续航时间可超过两周。

  212A型潜艇装备的西门子永磁同步电动机在20世纪80年代初就已开始研制。总体目标是研制一种既高效、可靠,又噪音低、散热少、磁特征小的潜用驱动系统。最终的设计利用永磁体产生交流电,与同等的传统直流电动机相比,结构更加紧凑,效率更加高效。主控和冷却装置也集成在电动机内,进一步节省了空间。212A型潜艇装备的电动机重量约为28吨,最大功率约为2兆瓦,由无磁钢制成。尤为值得注意的一个设计特点是,与此前的电动机相比,该型电动机能够在相对较低的转速下达到同样的扭矩,使潜艇能够使用低转速的螺旋桨,从而降低水声特征。

  ▲ 西门子永磁同步电动机。从图中可明显看出,其结构尽可能地利用了潜艇狭窄的空间。针对212A型和214型潜艇研制了不同大小的电动机。据报道,212A型潜艇采用的电动机能够提供最大20节的水下航速。

  212A型潜艇的永磁同步电动机直接与七叶歪斜螺旋桨相连。螺旋桨的这一设计旨在减少空泡现象(从而减少噪音的产生),同时又能保持其高效运转。桨叶沿纵轴线向后倾斜,桨叶叶尖的朝向与螺旋桨旋转方向相反。据公开信息显示,该型潜艇的最大水下航速可达20节,最大水面航速则减至12节。霍瓦兹造船厂正在研制一种新型的碳纤维螺旋桨,可进一步增强动力性能,可能会装备在第二批212A型潜艇上。根据公开资料,这一碳纤维螺旋桨将会采用六叶桨片的形式。然而,螺旋桨的设计参数仍然是最高机密。因而,在此方面,公开资料和实际情况可能会有很大的差异。

  由于最初将重点放在了用于满足在波罗的海活动的需要,因而在浅水海域具备良好的机动能力成为该型潜艇主要的设计依据。从其选择X型尾舵设计就可见一斑。潜艇尾舵的各个舵面在功能上并无区别,在潜艇航行或下潜时所有的四个舵面均发挥作用。除利于在浅水海域活动外,据称这一设计还可降低水的总体阻力。围壳上的前水平舵用于降低噪音对声呐作业的影响。德国正在对第二批212A型潜艇的尾舵舵面进行进一步的改进,改善水流对其造成的影响。目的旨在将潜艇的水下航速和续航力提高约5%。

  ▲ 图为2011年9月,德国海军212A型潜艇“U-33”号正从扫雷艇“哈梅恩”(Hameln)号旁驶过。从图中可看出212A型潜艇娇小的艇体,这是由于最初的设计要求将重点放在了用于满足在水深较浅而又封闭的波罗的海进行活动的需要。这一活动需要从其选定的X型尾舵的设计中也可见一斑,X型设计使其利于在浅水海域活动。

  为了尽量减少艇员的数量,动力系统和其他电力系统均由一个综合平台管理系统控制。根据霍瓦兹造船厂的文件显示,该系统名为机械监控系统。机械监控系统能够对动力和操舵系统进行集中控制,同时还可对许多其他设备进行控制和监视。该系统使用一个双层数据网络,通过两个独立的单人控制台进行操控,其中一个用于控制潜艇的航行,另一个用于机械控制。

  从工业的角度而言,212A型潜艇成功运用了基于PEM燃料电池的AIP系统,巩固了霍瓦兹造船厂在潜艇制造业中的市场地位,尤其是在欧洲军工造船业面临生存困境的时刻,出口合同变得日益重要。更确切地说,212A型潜艇本质上是为德国量身定制的,包括其有限的吨位,使用了价格高昂的无磁钢,这就使直接对外销售受到了限制。但在214型及其他型号的潜艇中采用了212A型潜艇的大量技术,极大地弥补了在此方面的不足,这些潜艇也赢得了全球市场的高度认可。这一成功进而又促进了在潜艇研发上的投资。这包括设计了210型改进型概念潜艇和216型概念潜艇,旨在满足挪威和澳大利亚未来潜艇的需求;制造了一种可在潜艇上制氧的验证机,通过甲醇重组器制造氧气,从而延长AIP潜艇的续航能力;研究了新型吸音涂料和替代性的建造材料。总而言之,212A型潜艇对尖端技术的成功运用带来了潜艇领域的变革,使德国在潜艇设计领域继续保持世界领先的传统地位。

  ▲ 时过境迁,意大利海军两艘212A型潜艇渡过大西洋与美国海军进行了联合演习,这是自第二次世界大战结束以来在美国海域首次见到意大利潜艇。

  从希腊三列桨战舰、罗马战船、维京长船到中世纪的十字军的柯克船、盖伦船和战舰,再到现代的潜艇、航空母舰、巡洋舰、驱逐舰和护卫舰——人类从萌芽时代造出的舢板一直到纵横四海的艨艟,历史中所出现的舰艇和船只们都吸引着历史研究者和爱好者们的眼球。本书用1200副精美的全彩插图,生动地描绘自远古时期至今,在不同时期叱咤海上的重要及著名船只,并通过对舰船数据和航行生涯的全面剖析,全方位地展示了众多著名船只的全貌。此外还对所涉及舰船的详细尺寸、吨位、性能参数、开工及下水时间、武备(限军用船只)进行了详尽描述,并对船只的服役生平和最终命运给予了简单介绍。返回搜狐,查看更多