鋼鐵，作為全世界年消耗量超過25億噸的基本材料，被稱為“工業(yè)的骨骼”，研發(fā)高性能的特殊鋼材對于國防和國家建設(shè)有著非比尋常的意義。今天我們就來聊聊其中的核潛艇外殼用鋼問題。

（一）核潛艇外殼用鋼是怎樣的存在？

世界上的潛艇大致可以分為單殼體潛艇和雙殼體潛艇兩類。

顧名思義，單殼體的艇體直接由耐壓殼體構(gòu)成，在耐壓殼體外沒有其他包覆殼，耐壓艇體直接裸露在外；而雙殼體潛艇除去內(nèi)部的耐壓殼外，外部還包覆一層非耐壓殼。所謂“好鋼用在刀刃上”，通常我們所討論的高強(qiáng)度潛艇耐壓鋼都用在耐壓殼上。

那么，單殼體和雙殼體結(jié)構(gòu)各有什么技術(shù)特點(diǎn)呢？
 

與雙殼體相比，單殼體結(jié)構(gòu)因?yàn)樯倭艘粚油鈿?，也沒有了雙殼體潛艇復(fù)雜的舷側(cè)空間結(jié)構(gòu)，所以結(jié)構(gòu)相對簡單，在工程量上要比雙殼體結(jié)構(gòu)少。

就單純的工程角度而論，采用單殼結(jié)構(gòu)有利于減少建造時(shí)間，擴(kuò)大建造產(chǎn)量，降低單艇建造成本。

除此以外，與同樣條件下的雙殼體潛艇相比，單殼體潛艇的體積較小，容積和濕面積也較小，單殼體的濕表面積就是潛艇表面積，因此不增加阻力。而其他的殼體結(jié)構(gòu)，或多或少都會增加潛艇與水接觸的表面積，而與水接觸的面積越多，受到的阻力就越大。因?yàn)榫邆渥钚〉臐癖砻娣e，單殼體潛艇水下快速性也在所有結(jié)構(gòu)中最優(yōu)秀，是其他結(jié)構(gòu)所不可比擬的。

而雙殼體潛艇在耐壓殼外新包覆了一層輕質(zhì)的外殼（通常情況下直徑要增加1.5-2米），雖然具備了更多的儲備浮力，但也讓濕表面積大大增加，因此所增加的阻力也是所有殼體結(jié)構(gòu)里最多的。

不過，由于增加了一層外殼體，整個潛艇便多了一層保護(hù)殼，在作戰(zhàn)時(shí)，由于外殼的保護(hù)，以及兩層艇體之間結(jié)構(gòu)的支撐和多出的空間，魚雷爆炸時(shí)真正威脅到耐壓殼內(nèi)部的損傷也要低得多。因此，雙殼體潛艇的生命力在所有殼體結(jié)構(gòu)中是最優(yōu)秀的。
 

（“臺風(fēng)”級核潛艇是人類歷史上最大的潛艇，為雙殼體結(jié)構(gòu)）

一般來說，耐壓殼體所需要用到的鋼材都極為強(qiáng)韌，同時(shí)也意味著很難加工?？傮w而言，單殼體和雙殼體各有側(cè)重，需要根據(jù)潛艇任務(wù)需求和技術(shù)水平來取舍。

雙殼體潛艇的外殼不需要承擔(dān)耐壓任務(wù)，可以根據(jù)潛艇外形設(shè)計(jì)需要來加工，而內(nèi)部的耐壓艇體則可以根據(jù)施工難度最小、最經(jīng)濟(jì)的形狀來加工，既降低了建造難度，也控制了施工風(fēng)險(xiǎn)。

對于工業(yè)能力較弱的國家來說，雙殼體降低了工程建造上的門檻，而對于材料、加工能力較強(qiáng)的國家來說，單殼體可以同時(shí)滿足耐壓和良好流線型的需求，進(jìn)一步提升潛艇性能。

據(jù)稱中國的新一代095和096核潛艇將使用單殼體結(jié)構(gòu)，這也就意味著對潛艇外殼材料的性能和可加工性提出了更高要求。

（二）最好的鋼材用于制造核潛艇耐壓殼

由于核潛艇常年潛入深海中巡邏，服役條件苛刻，使用周期很長，可以說是要求最苛刻的鋼材了。除了需要滿足潛艇本身的性能要求外，考慮到工程的性價(jià)比因素，這種鋼材的加工成本和難度也不能過高。

核潛艇用鋼需要在以下幾個方面擁有較好的性能：

(1)高屈服強(qiáng)度。

為提高潛艇的各項(xiàng)戰(zhàn)術(shù)性能，必須盡可能增加潛艇的下潛深度。同時(shí)，潛艇下潛深度越大，深水對潛艇耐壓殼體的壓力也越大。增加耐壓殼體鋼板的厚度，雖然可承受更大的壓力，但這將導(dǎo)致潛艇的重量增加。所以，提高鋼的屈服強(qiáng)度是根本的辦法。

鋼的屈服強(qiáng)度越高，耐壓殼體重量就越輕，下潛的深度越深，潛艇的隱蔽性就越好，能夠顯著提高潛艇戰(zhàn)術(shù)性能。

(2)高韌性。

全球海洋的海水溫差理想，溫度的波動為零下34到零上49攝氏度，在這個溫度范圍內(nèi)，潛艇鋼必須具有良好的韌性。

潛艇鋼材的韌性要求比一般的工程結(jié)構(gòu)要嚴(yán)格得多，特別是在潛艇表面遭受攻擊并產(chǎn)生較大的變形時(shí)，也不允許輕易產(chǎn)生破損，因此還要求有良好的抗爆性能。

(3)良好的可加工性。

整個潛艇是一個大型的焊接結(jié)構(gòu)，焊接是潛艇建造的主體工藝，潛艇整體表面要盡量保持相同的性能，這是一個相當(dāng)嚴(yán)格的要求。

焊接過程是金屬重新熔化、重新凝固的過程，它與一體化制造的母材是完全不同的，二者有較大差異。但是要求潛艇鋼材必須具有好的焊接性能才能滿足潛艇建造和使用的技術(shù)要求，否則會產(chǎn)生安全隱患。

(4)良好的耐海水腐蝕性。

海水是一種復(fù)雜的多種鹽類的平衡溶液，在長久的使用周期中，潛艇用鋼材必須在海水中均勻腐蝕小，在焊縫附近不產(chǎn)生局部腐蝕。

(5)抗疲勞性能。

潛艇在平時(shí)需要經(jīng)常下潛或上浮，潛艇耐壓殼體用鋼要承受反復(fù)的壓力循環(huán)，這會縮短潛艇耐壓殼體用鋼的使用壽命，因此，對于潛艇耐壓殼來說，材料的抗疲勞性必須強(qiáng)。

（三）“超級鋼”讓中國核潛艇質(zhì)量提升成為可能

去年，中國對外宣布，已成功完成了“超級鋼”的研制并開始小規(guī)模工業(yè)化量產(chǎn)，這一最新科技成果隨即登上了全球頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

據(jù)悉，這種“超級鋼”擁有2200兆帕的屈服強(qiáng)度和16%的均勻延伸率，屈服強(qiáng)度是其他全球同類產(chǎn)品的兩倍。同時(shí)，“超級鋼”的密度還比普通鋼材低30%，意味著這款鋼材的綜合性能極佳，在軍工產(chǎn)品制造上前景廣闊，可能已經(jīng)首先應(yīng)用于中國即將開始量產(chǎn)的095以及096核潛艇。

我們知道，材料在硬度和延展性上屬于魚與熊掌不可兼得的關(guān)系，硬度越大的材料意味著其延展性理想受限，這給材料的再加工帶來了困難，比如大家熟悉的陶瓷以及鈦合金。

因此研發(fā)一種即有硬度又有良好延展性的材料一直是各國武器裝備特別是核潛艇建造的關(guān)鍵點(diǎn)。

而這次“超級鋼”的誕生，則意味著中國在強(qiáng)度、韌性、可加工性、耐海水腐蝕性、耐疲勞性等方面要求最高的潛艇耐壓殼體鋼材上，終于擁有了達(dá)到甚至超過世界先進(jìn)水平的國產(chǎn)鋼材。
 

（中國“超級鋼”研究取得巨大突破）

反映在直觀的數(shù)據(jù)上，中國的新型潛艇在使用“超級鋼”之后，潛水深度比起上一代至少可以增加50%，這意味著潛艇的下潛深度可以達(dá)到900米。艇體重量更輕，速度也會增加不少，這使得水下的作戰(zhàn)深度、廣度和空間被大大拓寬了。

在絕大多數(shù)情況下，目前在役的魚雷根本無法做到有效攻擊900米深度的目標(biāo)，而深水炸彈雖然在理論上可以做到，但其下降的速度非常慢，不要說比得上攻擊核潛艇，甚至連高速航行的AIP潛艇都無法追上。

水下作戰(zhàn)的深度類似于空戰(zhàn)中的高度，一旦中國具備“上視上射”的潛艇能夠掌握深度（相當(dāng)于戰(zhàn)機(jī)“下視下射”），就可以在作戰(zhàn)中擁有絕對的主動權(quán)，逐個獵殺敵方的海軍力量。

目前，中國是世界上唯一一個可以量產(chǎn)“超級鋼”的國家，由于項(xiàng)目剛起步，且需要經(jīng)歷一個“產(chǎn)能爬坡”的階段，這些“超級鋼”將優(yōu)先供給國防工業(yè)制造先進(jìn)的裝備，它為中國下一代主戰(zhàn)裝備的鋼材問題的解決提供了一種新的可能性。

不過，需要指出的是，像“超級鋼”這種屈服強(qiáng)度下的鋼材，在建造核潛艇的時(shí)候焊接會成為一個難題，加之其韌性和耐腐蝕性還是一個未知數(shù)，因此，能否成功應(yīng)用到核潛艇這種長期在惡劣環(huán)境中工作的領(lǐng)域，目前還是一個未知數(shù)。

結(jié)語

以“超級鋼”為代表的一批“超材料”的誕生，使得人類的應(yīng)用材料技術(shù)向前推移了一大步，通過排列組合和深層研發(fā)，一定能夠以新設(shè)計(jì)、新工藝、新材料創(chuàng)造出更偉大的產(chǎn)品，走進(jìn)千家萬戶的生活中。


來源：了不起的中國制造