21世紀軍艦設計的革新

機械注冊 · 發表于 2008-2-18 09:17:29

當今的海上平臺，從高速艇到護衛艦，都存在著眾多顯而易見的設計弱點。因此，20世紀的傳統海戰思想已轉向著重考慮隱身性、航速、操縱性、對反艦．巡艦導彈的防御，以及不斷增加艦載電了設備的使用。

　　目前，在投戰艦是所有敵方導彈、炮彈和魚雷的攻擊目標。它們具有大的信號特征，據報導，對護衛艦而言，雷達截面積超過300～500m2是最小的，有些護衛艦在所有頻率范圍都有超過130dB的大聲信號特片，這對于反潛戰是不能接受的。同時還普遍存在著大的紅外輻射。尾流信號特片可以在160km處容易地觀察到，或利用衛星和高空偵察平臺容易記錄到。

當今艦艇設計中的另一個普遍存在的特點是裝甲防護差。有些戰艦上的輕型裝甲也并非設計者所想象的那樣有效。艦艇哪怕是受到最小的導彈改擊，也極易損壞。用一枚小型“海麻雀”導彈擊中艦橋或作戰情報中心部位，就足以使大型戰艦癱瘓。全速時最大約為1～2’回轉率的較差操縱性,也是現行艦艇設計的特點。其結果是在應急規避情況下的戰術優勢在實際上是不可能實現的。因此，艦艇便成為敵方導彈自導頭易捕獲的目標。

艦艇的航速也是一個重要因素。戰斗艦艇的最大航速限于32～36kn的低航速。而目前的大型運輸艦也具有22～26kn航速，潛艇航速超過26～36kn，如此的航速（更適應于70年代前的海戰）絕對不足以執行為海上快速運輸進行護航的任務，也不能有效地同以40kn，甚至更高速度航行的潛艇作戰。21世紀海戰的特點要求艦艇能夠較快地在領地外展開部署。由此可見，航速極為重要。甚高航速的重要性沒有被人們充分理解，這主要是由于目前缺乏快速艦艇的設計，以及還未制訂出相關的快速海戰戰術的緣故。

機械注冊 · 發表于 2008-2-18 09:26:10

艦艇極差的耐波性能，即其在不利的逆浪海情下出現的高砰擊率也是令人們擔心的。排水量不到1000t的海上平臺不能在5級海況下高效率運行。而且，由于砰擊所事業帶來的甲板淹濕，也會給在5級海況下頂浪航行的3000t護衛艦帶來相應的問題。在這種順浪情況下保持航向，也是大多數高速巡邏艇及輕型護衛艦的一個問題。

　在不利的逆浪和斜浪上會出現很大的失速。就2400t排水量的護衛艦而言，頂浪時名義波高在0～4m之間增加的阻力超過40%；并在以等效功率傳遞給螺旋漿時，出現達5～6kn失速。這是一種燃油浪費，并造成戰術航速損失，以及續航力的大大縮短。
　　另一個問題是推進效率差。艦艇試圖用同樣的推進系統以5/10kn與25/30航行的結果，利用可調螺距螺旋槳可取得一種折衷辦法，但這并非理想的方案。“兩重“解決辦法可提供更高的推進效率，即兩套獨立的系統（一套以噴水推進為基礎；另一套以泵或螺旋漿為基礎），分別用于高/低速運行。

　　要把現代電子設備和武器系統與傳統的船型相結合也是很困難的，這主要是因為傳統設計所帶來的不良耐波性、操縱性、航速及穩性所致。有些武器軟件不能承受劇烈的平臺運動。
　　傳統的設計以及典型的圓舭船型也限制了燃油容量。一艘航速約為32kn的 3000t護衛艦被限制在約1300nmile(2410km)續航力，油耗約為0.33t/n mile。按照未來護衛艦設計概念表述，這些都是非常短的續航力的數字。
　　有限的穩性是另一個問題，這是為了獲得航速和續航力，而在圓舭形鉛設計中采用較小船寬和較小水線面積所引起的。象FPB57型之類小艇，由于它們有限的穩性特性，根本不能承受70kn以上（B海情）側向驟風。武器和電子系統的露天甲板有效載荷受到有限的穩性裕度的限制，導致上層建設的許多設計采用輕合金材料（代替鋼或裝甲），這就潛伏著災難性后果。
　　上層建設的空氣動力學設計也是極差的，這影響了直升機在不利風況下起降作業。此外，強烈的迎風（風速大約為45kn）只有在護衛船主機在15～20kn時再發生額外的2000KW功率時才能被克服。

　　有時，超過150人的艦員編制，也是目前艦艇設計的另一個問題。輕型護衛艦和抗衛艦大小的所有艦艇，其理想的艦員編制應不超過80人，甚至50人。
　　任務剖面的表達將要求十分清晰。這類要求對于每個特定的海戰領域是非常不同的。事實上，各國海軍都有不同的目標和任務剖面，應根據諸如威脅、海況、續航力、火力及費效之類因素來表達。
　　雖然，具有多任務剖面的艦艇設計是可能的，但它們也只能覆蓋某些任務組合，決不可能一次實現所有任務需求。然而，充分利用箱式可互換武器系統，可以為海上平臺提供部分多任務靈活性，對總的費效（涉及采用費用及壽命期費用）進行仔細的研究及評估。因此，在制訂未來戰艦設計中，必須考慮下述原則并將其作為指南。
　　尺寸及排水量艦艇尺寸和排水量需求的選擇及穩定，是一個重要問題。許多海軍指揮官堅信，設計的艦艇越大，其能執行的任務也就越多。
　　目前，海軍武器和電子設備的技術進步，使設計者們能夠把大量的進攻和防御系統緊湊地裝入較小容積和面積內。就體積和重量而言，目前的武器和電子設備分別不超過艦總容積的10% 及排水量的６％（這些數字代表一批３５００～４０００ t的９０年代護衛艦）。
　　設計者利用現代化小型武器系統，可以把這類系統安裝在尺寸相當小的海上平臺內。有一個可能影響尺寸的因素將是艦員編制。考慮到現代海上平臺分配給每人艦員的空間平均為４～５m2之間，那么，如果有５０個艦員至少就需要有250m2的額外空間，這對重量的影響是顯而易見的。
　　充分利用自動化及合格的專業人員，將使現代護衛艦人員編制從200人減少到 100人。而輕型護衛艦可以擁有約60人左右，高速巡邏艇不超過30人。在選擇直升機系統時，續艦力／自持力和耐波性也是影響海軍戰艦大小和排水量的因素。
　　現代小型船型不僅可提供優良的耐波性，且具有雙層底，還有較大的容積可供燃油存儲。加油及從油的新方法也可以增加續艦力和作戰作用時間。

　　至于直升機作業，使用5t或10t的直升機，可以修改為使用更輕、更靈活的飛機以及先進的無人飛行器，當然條件是能否獲得速度快、耐波性好及極為機動靈的小型海軍戰艦設計。在它們的任務剖面技術要求范圍內，較小型設計為21世紀海軍提供最佳和費效最高的解決方案。

　　失速與操縱性所有高速艇、輕型護衛艦、護衛艦的最高航速為30～35kn，有些稍高一些，可達到40kn。它們的回轉率為2°/s，這一缺點是因圓舭船型回轉時的反內轉力和外傾趨勢所致。30～40kn的航速是指靜水或2級海況下的航速。在不利海況及附加波阻下20%～30%的失速是很平常的。

　　在5級海況下，航速最高達到18～20kn，而不是30kn。對于21世紀戰艦，這些限制和條件將是不能接受的。即使如此，造船工業部門也沒有提出利用費效好的、簡單的單體排水量船型來切實有效地解決失速及較慢的回轉率問題。因此，對于未來的艦艇設計，還沒有制訂出有關的戰術，也沒有規定出較高的運行航速和回轉率。

　　

機械注冊 · 發表于 2008-2-18 09:28:43

下個世紀最大航速為60～80kn、回轉率為6～8*的海上平臺，通過利用簡易且先進的單體排水船型就能成為現實。在5級海況下，1200～1600t的輕型護衛艦或護衛艦的失速是最小的（大約7%～10%），而此時采用50～60kn或更快的巡航速度將是可行的。

　　眾所周知，波音公司海上系統部完成的研究報告闡明了，利用水翼提高航速和回轉率的戰術優越性。然而，由于采購及操作這類平臺的費用過高，限制了其推廣應用。
　　與排水型船體不同，“升力”或水翼艇和滑行式艇體對有效負載帶來的影響極為敏感，且是重量敏感型平臺，俁是，如果這種高航速解決方案能夠在簡單的排水型、先進的單位船內提出，那么21世紀對海軍戰艦所要求的航速及操縱性就能實現。
　　耐波性自1980年以來，已就艦艇的耐波性問題做了大量研究和開發。艦艇如果沒有適當的耐波性，自然就會變成了一個無作戰能力的武器系統。它擁有的電子系統也將不能有效地工作，因為預期艦艇必須在任何惡劣環境條件下隨時出航。因此，未來海戰行動也必須建立在耐波性船型基礎上。

　　艦船的主要任務是要在5級海況下作戰作用。5級海況的有效波率約為3m（最高波高4.5m），間隔時間在6～9s之間（STANAG 4194），航速超過50kn，以上情況都包括在STANAG 4154及美國海軍海上系統司令部的運動極限內（有效波高）。

　　這些運動極限如被超出，作為一個戰斗系統的海軍作戰艦艇效能就會迅速地降級。的確，有些過時的設計方案試圖通過其自身的尺度和排水量的改進來克服所存在的耐波性問題。但是，一種建造大型戰艦就能消除耐波性缺陷的觀點正在被廢棄，將來所有的水面艦艇必須具有小型耐波性船型。
　　穩性海上平臺一直遵守最嚴格的穩性規范，由Sarchin和哥德貝(goldberg) 提高的完整穩性和破艙穩性衡準，有可能仍然用于21世紀的設計之中。當遇到100kn或70kn的側向驟風時，未損平臺的傾斜不應超過15*（在受損情況下，不超過20*）。受損船體在3個艙進水，或者是15%水線部分受損情況下，應仍能漂浮。 :

　　強度與生命力標準強度計算（有裕度），包括中垂情況下的彎矩、剪應力計算，也可能應用于一有海上平臺的強度計算中。然而，結構設計概念可能因為任務剖面態勢而有很大的變化。海上平臺主要部分，還是采用高質量的民用標準薄鋼板建造。甚至大多數艦艇都有鋁合金上層建筑，以節省重量。

　　為了加強未來艦艇的強度與生命力，必須考慮下述要點：
·　　鋼質鉛體和上層建筑必須采用具有延伸性能的高強度材料建造，絕不能選用一般的鋁合金。必須記住，每噸最好的HY/AH或特殊鋼，仍然是任何戰艦材料清單中最便宜的品種。另一方面，任何鋼材都存在腐蝕問題，必須用特殊涂覆和絕緣加以解決。
·　　所有關鍵部位、導流葉片以及作戰情報中心／艦橋，都要求采用極輕型防彈裝甲。后部甲板，以及距尾板以上1.5m處可安裝厚的裝甲護板，以承受來自尾部的有限的導彈襲擊。這種護板可用反作用裝甲板加強。
·　　所有的電纜必須具有低毒Zerohal技術要求，以確保不會出現有毒煙霧及發生迷眼現象。
·　　必須備有足夠數量的專用自動抽煙器及海水泵。
·　　必須設置一個具有有限武器控制系統的備用作戰中心。

·　　應避免采用深燃油艙，并避免其設置在操舵和控制機構附近，或主甲板及作戰情報中心之上。
·　　必須細致地研究復合材料和裝甲方面最新發展，以便將它們用到船體和上層建設設計中，取代鋼基材料。

·　　必須保留某些關鍵部件（例如：發動機組和舵機），它們通過有保護裝置的二重或三重接頭裝入遙控無線應急控制器。

·　　輕型的雙層底及雙層船體結構將增強艦艇的生命力。 _

·　　利用自封式燃油艙，以及（對戰斗而言）加入某些低閃光的添加劑，如FM9，就能阻燃油起火。空油艙應充滿惰性氣體。同時，也可以開發出新的、安全的推進系統燃油。

·　　按照目前已有的設計，船體必須分成好幾個煙火區及進水區，各個區有獨立的應急煙火及進水的操作系統，區與區之間應有水密和氣密接頭。
·　　彈藥必須采用混合式進水和惰性氣體系統防護。對采用防爆技術的彈藥艙必須改裝輕型裝甲保護。

·　　設計階段必須全部或部分地采用STANGAG4142中的水面艦艇易損性(SSVU) 計算機程序。

·　　還必須考慮采用可伸縮傳感器（和桅桿）。

　　隱身隱身技術的概念并不是要求實現“不可視”，而是降低被探測系數，并盡量減少電子信號特征。船體及上層建筑的形態、結構材料、內部工程之類問題確定了隱身特性。
　　就雷達探測而言，傾斜的表面對厘米雷達波是有效的，而對其低頻及毫米雷達波就不那么有效。船體側面傾斜約9～10*，上層建筑大約為15*，可以用來減少因厘米雷達波剃齒單態特性引起的反射。解決雙基地雷達問題將是新的隱身設計要點問題。上層建筑幾何形狀可以利用如Lockheed Echo 1程序或者類似程序的改版進行最佳表述。在傾斜表面的頂面上，必須鋪設各種雷達吸波材料，以抵消低頻與毫米雷達波帶來的影響。有兩種不同的、特殊的雷達吸波材料層能夠掩蔽艦艇的信號特征，對付已經明確的雷達波(the Salisbury principles)。在新的艦艇設計中，要避免產生雷達波反射源的船體、上層建筑及舷窗的開口，應該采用經過錫氧化物處理的、無反射的玻璃材料制作艦橋窗。根據在消音室內用銅模型做的試驗，用計算機程序設計桅桿、天線、炮管、導線、支柱、排氣管及角形物，以降低反射。10～30 °“出射點”角的雷達反射面積數據，不得大于波束的60/70m2和波束頭的 10/15m2。但值得注意的是：1980～1990年期間設計的護衛艦的波束雷達反射截面積值大約為500/700m2，或者超過這個數字。

　　隱身概念中所包含的另一部分，就是抑制紅外輻射。空間或飛機平臺上的測熱系統能夠容易地探測水面艦艇，如同安裝了全適熱傳感器的潛艇及岸基站目標也很容易被發現一樣。與雷達系統所不同的是，紅外系統是無源的，艦艇指揮人員往往不知道他們的艦艇已在被監視之中。

　　為了解決紅外抑制問題，人們仍在進行著大量的努力。艦艇上的發動機、排氣裝置及其羽煙都屬發熱部分，今后必須為排氣裝置（配備擴散器／排泄器）及機艙主設計輕型冷卻系統，可以在機艙外用海水不停沖淋；用噴灑系統對排氣裝置后面噴水。有水／氣冷卻尾板的排氣裝置也是為燃氣輪機發動機實施冷卻的選擇方案。實際上，設計恰當的尾板排氣裝置將有可能替代現有的煙道。
　　要避免熱源的集中，采用輕型的熱絕緣產進行屏蔽也是重要的。當艦艇向戰區轉移期間，應停止使用廚房及生產類似熱源的部門，且在作戰期間只能使用最基本的輔助熱源，所有非必需的熱源均應切斷。
　　大量的有關抑制紅外的研究工作正在進行中。如得到應用的話，就會為包括沿船體及上層建筑熱信號特征的均勻性（即均勻傳播）在內的特征帶來好處。

　　聲信號特征問題也屬于隱身技術的范圍，借助隔聲模塊的安靜型發動機和機械系統，單雙浮筏上的減振座已用了幾十年了，而安靜型泵、空氣壓縮機和現有的類似系統都是成功的研制成果。

　　盡管側斜多葉螺旋漿的設計已獲得成功，但螺旋槳仍然是一個重要的聲信號特征源。當航速約15～20kn時，110～130dB基準是10～10000Hz頻率的聲極限。一般來講，聲信號特征較大的反潛護衛艦或輕型護衛艦是不能被接受的。然而不幸的是，有些新投入使用的護衛艦設計的聲信號特征超過了160dB,有些低頻聲信號特征高達190～200dB。相比之下，噴水推進器泵（在未來的推進系統中將要使用）據稱在較高速度時能減少20dB聲信號。

　　對于低速，裝在“分離式尾構架”吊艙上的柴電驅動的可伸縮安靜型螺旋槳或噴水推進器可以提供一種解決辦法。由于“分離式尾構架”在低速時浸入水中，而高速時（傅汝德數大于0.4）脫離水面，這種噴水推進吊艙式推進器或泵噴水推進組合裝置可以提供一種有效推進的解決辦法，條件是在船型描述中使用正確設計的“分離式尾構架”。在這種系統中使用兩種完全不同的推進手段，對選定的速度都有最佳效率。
　　船型產生了因高速湍流及不利海況下運動所引起的明顯噪聲。層流船體型線與改進的耐波船型相結合，由噴水射流式泵及吊艙式推進系統推進，將會在新型輕型護衛艦和護衛艦設計中加以認真考慮。減少尾流信號特征也是非常重要的，尾流信號特征必須加以偽裝，以防來自空中的目視探測。　　對于通常由潛艇聲吶使用的某些頻率，水下船型的目標信號特征亦必須減少。
　　V型剖面具有的對某些聲吶信號的反射特性比圓舭形低，為-10/15dB,而對于某些頻率，還進一步低到-28dB。　　磁信號特征的電磁寂靜和控制是21世紀艦艇面臨的另一個問題。使用無磁復合也許將會在100m長的艦艇的船體和上層建筑建造中占優勢。

　　重量控制工程將在新艦艇建造過程中起著重要作用。使用復合材料使重量減輕并增強了隱身性、生命力及性能，進而由于能夠增加有效負載而帶來更大的優勢。復合材料輕型裝甲也必須應用在所有關鍵性部位的設計中。

　　攻擊與自防御海軍戰斗艦艇裝備有區域防御系統，使用火炮、導彈和魚雷進行進攻作戰。箔條和電子對抗措施被認為是被動防御的一部分。隨著高航速（ 40kn以上）與高回轉率（4°/s以上），使得被動防御效果不斷增加。

　　目標照射應限制在幾秒鐘內。“發射即忘掉”型導彈必須用于反擊敵方導彈和水面或空中平臺，而監視雷達必須具備超視距能力，并研制成高頻表面波雷達（ HFSWR）系統。超音速船一艦導彈及更加先進的全自動電子對抗和通信系統將逐步引入，到2015年，水面戰艦將擁有Aster15/30,Barak 1/11先進型“海麻雀”和垂直發射的滾動彈體導彈(RAM)。2015年后，激光炮、電熱化學炮及更先進的靈巧型超音速導彈將逐漸投入使用。電子設備及武器系統的快速持續性發展需要集裝箱式裝置，每隔一段時間，當必要時就可以用現代化高技術改進型將其更換。
　　下個世紀對付來襲導彈的時間僅幾秒鐘，因此要求所有的電子對抗及作戰系統、規避動作的指令、速度和操縱性實現自動化。

　　自防御單元將包括裝有輕型傳感器的被動式導彈和電子彈報警系統，這種傳感器在伸縮桅上，可以上升到非常高的高度。這類頂警系統還可以通過不同的陸基、空基／太空基平臺，使信息源得以增加。選擇武器的電子設備和作戰情報中心系統將主要取決于任務剖面、及海戰的特殊需求。以前的趨勢是使用相同設計或相同戰艦參與不同的任務剖面，這種做法業已過時。此外，由于不可能設計一種信號特征不被看見的水面戰艦，有一種可供選擇的方案就是提供一種發射出導虛假信號特征的能力，提供的虛假回波及錯誤標志可迷惑敵方兵力。
　　打亂敵方識別程序，如能運用得當，就是最有效的隱身設計之一。能發出虛假信號特征的電子系統將是最重要的電子技術開發項目之一。另一方面，這需要開發尖端的敵我識別系統，以對抗這類電子威脅。

　　總而言之，提供優秀艦艇的唯一方案是設計一種費用少、速度快、耐波性強、操縱性佳的隱身平臺。

風追云 · 發表于 2008-2-18 17:57:54

咱是外行，只能看看熱鬧了

cyx36 · 發表于 2008-7-29 11:10:53

軍艦的防護性得好，不能一發反艦導彈一擊中就完蛋。

傲視群龍 · 發表于 2009-9-2 13:56:25

我也是湊湊熱鬧呵呵支持一下！！

流逝的冰 · 發表于 2010-10-10 10:27:29

精辟…………抗打擊性能在分析一下下更好
了就

laodongbeiren · 發表于 2010-10-13 11:23:26

這些在霉滴的瀕海戰斗艦上都有所體現了。

022符合上述中的幾項吧。

zhiweidengni · 發表于 2010-10-13 22:43:22

我也是湊湊熱鬧呵呵支持一下！！

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