问题

对于潜艇,单壳体和双壳体有什么优缺点?

回答
潜艇,作为海洋深处的神秘行者,其结构设计是决定其性能的关键。在潜艇的外形与内部构造上,最引人注目的区别莫过于“单壳体”和“双壳体”这两种设计理念。这两种结构各有千秋,如同硬币的两面,在赋予潜艇不同能力的同时,也伴随着各自的挑战。

单壳体潜艇:效率与速度的追求者

单壳体潜艇顾名思义,其艇身就是一个完整的、坚固的耐压壳体,直接承受来自外部巨大水压的冲击。艇壳的形状通常设计成流线型的圆柱体,这是为了在水中以最低的阻力前进。

优点:

更佳的水动力性能: 外部只有一个光滑、连续的壳体,这意味着水流经过时受到的阻力最小。这使得单壳体潜艇在水中能够以更高的速度巡航和机动,对于需要快速反应、悄无声息地接近目标或规避威胁的现代潜艇来说,这一点至关重要。
更小的排水量: 由于省去了外壳的结构,单壳体潜艇的总排水量相对较小。这在一定程度上意味着更低的建造和维护成本,也可能使其在特定尺寸下拥有更大的内部可用空间,或者在同等内部空间下拥有更小的整体尺寸。
更少的噪音: 外部结构越简单,产生噪音的潜在源头就越少。光滑的单壳体在水中产生的紊流相对较小,有助于降低潜艇的声学特征,使其更难被敌方探测到。
更强的抗压能力(理论上): 在同等材料和厚度下,单一的、连续的耐压壳体结构在承受均匀外部压力时,应力分布更为均匀,理论上能承受更大的水压,从而拥有更深的下潜深度。

缺点:

有限的弹药和设备携带能力: 所有需要安装的武器(如鱼雷、导弹)、设备以及压载水舱等都必须集成在那个唯一的耐压壳体内。这意味着内部空间的分配非常紧凑,每一寸空间都必须精心规划。一旦艇壳内部空间被占满,其携带弹药和设备的能力就受到了限制。
浮力控制与压载系统的限制: 潜艇的下潜和上浮主要依赖于调节压载水舱中的水量。在单壳体设计中,压载水舱必须位于耐压壳体内部,或者以非承受压力的“压载油舱”等形式附着在耐压壳体外部但又在艇体之内。这限制了压载水舱的体积和设计灵活性,尤其是在需要快速改变浮力时,其响应速度可能不如双壳体。
生存能力相对较低: 如果艇身某个区域被击中,且该区域恰好是承载关键设备或弹药的地方,那么整个潜艇的作战能力甚至生存能力都可能受到严重威胁。由于没有额外的保护层,艇壳一旦受损,直接暴露了内部的脆弱性。
对建造工艺要求极高: 建造一个能够承受巨大水压的单一、完美的耐压壳体,需要极其精密的焊接技术和高强度材料,任何微小的瑕疵都可能导致灾难性的后果。

双壳体潜艇:灵活与强大的兼容者

双壳体潜艇的设计与之不同,它拥有一个坚固的内壳体(即耐压壳体),用于容纳艇员、武器和大部分设备。而在内壳体外部,还有一个强度较低的轻壳体,两者之间形成一个被称为“外壳”或“甲板”的空间。

优点:

更大的弹药和设备携带能力: 外壳空间可以用来安装大量的鱼雷发射管、导弹发射装置、声纳设备以及大型压载水舱。这使得双壳体潜艇在火力配置和电子设备集成上具有天然的优势,能够携带更多种类的武器和更先进的探测系统。
更灵活的浮力控制: 大部分的压载水舱和燃油舱被置于内壳体和外壳之间的空间,也就是所谓的“外壳空间”。这使得压载水舱可以设计得更大,分布更广,从而能够更快速、更精确地调节潜艇的浮力,进行更灵活的下潜、上浮和姿态控制。
更好的隐蔽性(某些方面): 虽然外部有轻壳体,但通过合理设计外壳与内壳体之间的空间,可以将一些产生噪音的设备(如主机)安装在外壳空间内,并进行有效的隔音减震处理,甚至利用外壳空间来吸收部分声波,从而在一定程度上降低潜艇的声学特征。
更高的生存能力: 外壳虽然不是耐压结构,但在一定程度上能够提供额外的保护。当外部受到轻微损伤时,内壳体的完整性仍然可以得到保障,为艇员争取到宝贵的反应时间和规避机会。
便于设备维护和升级: 外壳空间的存在,为潜艇的维护和设备的安装、更换提供了便利。一些非关键的设备可以安装在外壳空间,方便检修,而不必打开厚重的耐压壳体。

缺点:

水动力性能相对较差: 外壳的设计必然会增加艇体的复杂性,形成更多的阻力面。相比于流线型的单壳体,双壳体潜艇在高速航行时会产生更大的水动力阻力,其最高速度和机动性可能会受到一定影响。
排水量更大,尺寸可能更大: 为了容纳内壳体和外壳之间的空间,双壳体潜艇的整体尺寸可能会更大,排水量也相应增加。这可能意味着更高的建造和维护成本。
易受高压水雷或水下爆炸影响: 虽然外壳提供了一定的保护,但如果遭受高强度冲击,如高压水雷爆炸的冲击波,外壳可能会破裂,进而影响到内壳体的完整性。
艇体内部空间受限: 虽然外壳空间可以容纳大量设备,但真正供艇员活动和生存的耐压壳体内部空间,在相同排水量下,可能比单壳体潜艇要紧凑一些,因为一部分空间被内壳体的厚度以及外壳和内壳体之间的结构占据。

历史演变与现代趋势:

在早期潜艇设计中,双壳体结构更为普遍,因为当时的技术水平和材料限制,建造一个能够承受深海压力的单一巨大壳体难度极高,而且浮力控制技术也较为粗糙。双壳体设计允许将压载水舱置于艇体外部,极大地简化了浮力控制的实现。

然而,随着材料科学和焊接技术的飞速发展,建造高强度单壳体的可行性大大提高。尤其是在冷战时期,为了追求更高的隐蔽性、速度和下潜深度,许多国家的攻击型潜艇开始转向单壳体设计。例如,美国的“洛杉矶”级攻击型核潜艇和俄罗斯的“阿库拉”级攻击型核潜艇都采用了单壳体设计,它们以其优异的声学性能和高速机动性而闻名。

但是,双壳体设计并未因此被淘汰。对于一些特定的任务需求,例如需要携带大量导弹的导弹潜艇,或者需要在浅水区作业、对浮力控制要求极高的潜艇,双壳体设计依然具有其独特的优势。例如,俄罗斯的基洛级常规潜艇就采用了双壳体设计,虽然其高速性能不及一些单壳体潜艇,但在水下噪音控制、火力配置和可靠性方面表现出色,尤其适合在相对较浅的沿海作战环境使用。

总而言之,单壳体和双壳体潜艇的设计选择,本质上是在速度、隐蔽性、载荷能力、生存能力和成本之间进行权衡。没有绝对“更好”的设计,只有更适合特定任务需求的设计。现代潜艇的设计也在不断融合这两种设计的优点,以期在各个方面都达到最佳的性能表现。

网友意见

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要理解单双壳体的区别,其实从历史角度最好。公众号老都说什么美欧单壳体vs中俄双壳体,搞的好像是扔硬币的选择似的,这么说自然是为了描写出对抗性,有对抗性自然有话题性,有话题性就有热度。但如果从历史角度上看并没有那么简单,更没有对抗性,也能避免很多谣言。


首先要理解潜艇是怎么上浮下潜的。

物理101,密度比水高的下沉,密度比水低的上浮。密度是质量/体积,潜艇在水下改变不了自己的体积,只能改变自己的质量。怎么改变呢,让水进来不就行了。可水下怎么让水出去呢?答案是用压缩空气,空气把压载水舱内的水挤走,减轻潜艇的质量,就浮上来了。

理解了这个,双壳体“压载水舱多所以储备浮力生存性高”的说法还成立吗?水下要产生浮力需要压缩空气把水挤走,和压载水舱多少有啥关系?如果压缩空气装置损坏或泄露,提供不了浮力,再多的压载水舱也没用啊。


然后再说“壳体”。

潜艇需要承受水下的水压,而人类已知最能分散压力的形状便是圆形,所以理论上去球体最能分散压力。但显然球体构造不方便布置内部设施,所以潜艇的“壳体”几乎都是圆柱形的。这层“耐压壳”是所有潜艇构造的核心,简单理解为壳内无水,壳外有水。耐压壳自然是越少开口越好,减少材料结构弱点,因此让潜艇下沉上浮的压载水舱最好在这层耐压壳的外面。

早期的潜艇,比如二战时的潜艇,便是很简单的圆柱形耐压壳,左右各挂一个压载水舱。

因此这种耐压壳直接和外部海水接触的潜艇,便是常说的单壳体潜艇,倒不如说这个时候几乎所有的潜艇都是单壳体的。

当然是个人都能发现,这种扁平的构造水下阻力很大,不利于水下航行。不过由于二战时电池技术的限制,本身潜艇水下的续航时间也不长,与其说是“潜艇”不如说是“可下潜鱼雷艇”,只有在攻击和躲避攻击时才会短暂潜入水下,绝大多数时间依然是水面上航行的。这也是二战时期几乎所有潜艇的艇首依然和水面舰艇一样采用破浪式的原因,毕竟还是水面航行为主。


所以双壳体是怎么来的?

简而言之,德国海军。

随着盟军大西洋反潜力量的增强,尤其是大批护航航母的加入,大量的飞机让U艇哪怕巡航时在水面航行也不再安全,德国海军于是开始研发能在水下长时间巡航的U艇,避开反潜力量。结果便是XXI型U艇,三倍数量的电池和双壳体设计。XXI型虽然不是第一款采用双壳体构造的潜艇,但它绝对是带起双壳体设计风格的潜艇。

既然一左一右的压载水舱破坏水下流线型,那干脆就把压载水舱分散开来到艇首和艇尾,整个包裹住耐压壳,然后外面再套一层外壳。由于水下时外壳内外都是水,所以没有耐压的要求,造型能尽可能搞成流线型利于水下航行。

XXI型没有能挽救第三帝国的命运,但却给了冷战早期诸多潜艇设计参考,先后在苏联,美国,英国和法国海军中服役。

所以“双壳体比单壳体耐压”还成立吗?双壳体并不是真的“双壳体”,而是和单壳体一样只有一层耐压壳,而决定潜艇潜深的是这层耐压壳的能力,不管外面有没有一层包裹的外壳。双壳体的优势在于外壳没有耐压的要求,能塑造成最流线型的形状。

比如美国首艘测试“泪滴型”船身的大青花鱼号潜艇,便是采用的双壳体设计。

苏联的“人操鱼雷”阿尔法级核潜艇,同样是双壳体设计。

阿尔法级在这上面做的更绝,其外壳的光滑程度在潜艇史上绝无仅有,也正是因此能达到惊人的水下45节的航速。

美国的第一艘弹道导弹核潜艇,乔治华盛顿号也是采用双壳体的构造,整个拉长的外壳包裹住圆柱体耐压壳。

到这里便能看出,双壳体和单壳体的区别,仅仅是耐压壳有没有全部被压载水舱所覆盖,不管是单壳体还是双壳体设计,艇体前端和后端都是有压载水舱的。


那单壳体是怎么回归的?

和战机一样,随着制导武器的发展,速度不再是唯一追求的目标。潜艇对高速的追求让位给了对低可探测性,及静音的追求。不再对极致流线型的追求,意味着双壳体外壳塑型的优势不再重要。其实在华盛顿号上也能发现,随着艇身逐渐拉长,外壳已经做不到泪滴型而逐渐变成了和耐压壳一致的圆柱形,既然都这样那干嘛还要外面再套一层呢?

美国在第一型采用泪滴型船体的核潜艇鲣鱼级上便舍弃了完全覆盖艇体的双壳体,而是采用一前一后压载水舱,凭借耐压壳的建造工艺完成整个艇身的泪滴型构造。

而后潜艇逐渐拉长变粗,后部的压载水舱移到了艇尾,不需要“瘦身”的耐压壳更方便整体建造和维持结构强度,最终雪茄型的美系核潜艇诞生了。

顺带一提英系核潜艇自敏捷级开始便常被称为“鲸型”核潜艇以和雪茄型区分,严格意义上来说这的确是两种不同的设计,但核心的区别是在艇首的构造上,艇身依然沿用了船尾压载水舱的单壳体设计。

到这里可以的看到,同样的艇身直径,单壳体潜艇因耐压壳直接和外部海水接触,艇体内部空间要更大,更利于布置减少噪音的各类型设备。同样耐压壳直径,双壳体潜艇因需要额外的一层外壳,排水量会更高,惯性更大不利于水下机动。


需要注意一点的是弹道导弹潜艇,为了能放下弹道导弹一般都会在导弹发射筒上面再套一层非耐压壳保护发射筒。由于在耐压壳外这部分会和水接触,但和压载水舱不同这部分为流水,及水可以自由进出,浮上水面时水会自动流出。

比如美国的弹道导弹核潜艇横截面,耐压壳周围并没有压载水舱包围,属单壳体潜艇。

苏联的667B“德尔塔”级弹道导弹核潜艇横截面,同样有发射筒的突起,区别在于耐压壳外还有一层压载水舱包裹,属双壳体潜艇。


那为啥苏俄还保留了双壳体的构造?

大致有两个原因,第一是苏联/俄罗斯造习惯了,单壳体潜艇对耐压壳的建造工艺要求很高,外围不能有非流线型构造,结构强度需要内部维持。相反双壳体潜艇因耐压壳不与外部海水接触,可直接在耐压壳外部添加维持强度的结构。

比如基洛级潜艇的耐压壳外部有突起的金属圈,用于在外部加固耐压壳的强度。比较反常识的是虽然单壳体潜艇少了一层“壳”,但建造难度反而更大。

第二是苏联有专门的反舰导弹潜艇,带大量的巨型反舰导弹参与对北约水面舰队的饱和攻击。这些巨型导弹根本放不进鱼雷管内,只能“挂”在潜艇外携带,结果便是只有双壳体构造能够满足。

比如K-222带的10枚巨型P-70导弹,55厘米的直径让导弹发射筒只能放在艇首两侧耐压壳外,耐压壳横截面也从圆形改成了双圆形,节省两侧空间。

前段时间又双叒叕上新闻的949A“奥斯卡-II”型巡航导弹潜艇,24发花岗岩导弹在耐压壳一侧各挂了12发,造就了改型19400吨的水下排水量,甚至超过了俄亥俄级弹道导弹潜艇的水下排水量。

从库尔斯克号的残骸上能清楚的看到苏系巡航导弹潜艇耐压壳-导弹发射筒-外壳的构造


那混合壳体又是怎么回事啊?

这也是一个因为名字而搞混的概念(怎么好像涉及潜艇的都是),混合壳体指的是艇身前端为单壳构造,后端为双壳构造,耐压壳在艇身中部有一个“瘦身”。但单就这么说也不准确,因为还记得之前双壳体的定义吗?

“双壳体和单壳体的区别,仅仅是耐压壳有没有全部被压载水舱所覆盖。”

也就是只有耐压壳被压载水舱覆盖的部分,才可以说是双壳体。而“混合壳体”中只有俄罗斯的“亚森”级才是后半段艇身真的双壳体由压载水舱覆盖。

其他混合壳体的常规潜艇,比如苍龙级“瘦身”段放的其实是柴油储箱。

德国的212型“U艇”,“瘦身段”外面装的是给燃料电池供电的液氧和含氢化合物储箱。

所以严格意义上来说苍龙级和212型都是单壳体潜艇,这点在212型建造时最为直观。不仅能看到单壳体潜艇在耐压壳内部加强强度的结构,还有德国特有逼死强迫症的鱼雷管布置。

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