美俄小型核潜艇的发展与展望

汪鸿武，沙彬彬，郭燕舞，李 想，胡大炜

(1. 海军装备部重大专项装备项目管理中心，北京 100071；2. 武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 引 言

深海空间广阔、战略纵深大，是各海洋大国加强军事控制和强化军事存在的战略制高点。因此在深海作战理念的导向下，深海技术的研发正在经历跨越式发展，各类深海技术和武备呈稳步增长的趋势。随着人类对海洋领域的探索逐步加强，其中海底矿产与油气资源、深海生物资源和深海水资源领域已被确认具有开发价值或潜力。特别是深海环境中的生物及微生物，它们独特的生理结构、代谢机制和活性物质在生命健康科学中有着广泛的应用前景。而在军事领域中，由于深海具有通透性差、压力变化大、水温特性复杂等特点使得整体空间难以被探查，可以实现隐蔽行动和突袭进攻。根据我国周边复杂的地缘政治环境与大国军事博弈所带来的军事威慑来考虑，深海领域的作战与防御的战略制定和技术发展必须提上日程。

出于深海环境作战的需要，小型核潜艇应运而生，它可以承担侦察、攻击、深海工程、援潜救援、海洋科研等多种任务。相比于其他水下装备，其在续航时间、潜深、机动性和隐身性等方面有突出优势。美·俄早在20世纪60年代开始就对深海领域进行战略规划和武备试验，研制出各型小型核潜艇，如美国的NR-1，俄罗斯的1851型、1910型和10831型等。对中国而言，在奉行防御型战略下，无论从开发深海经济，还是从增强我国深海战略防御角度考虑，设计并发展小型核潜艇都存在迫切的需求。

本文基于美国和俄罗斯的小型核潜艇发展历史状况，分析总结目前设计制造中存在的主要技术制约因素，讨论其在未来深海战争领域的必要性，并预测未来的发展趋势与方向。

1 美俄小型核潜艇发展现状

自美·苏冷战开始，双方就开始对水下和海底作战装备进行了研究和规划。美国通过部署大量海底军事设施来赢得优势，而苏联则是将核潜艇的潜深做到了极致。随着水下对抗战略的发展和需求，小型核潜艇的概念被提出，美俄两国都对该类核潜艇投入了巨大的人力财力，研究其在深海作战的可能性。

1.1 美国

深海领域的紧张对抗局势坚定了美国海军对小型核潜艇的需求。大潜深的深海潜艇不仅可以为潜艇深海作战提供所需的水文环境和相关数据，还可以使用深度潜艇进行演习，积累深海反潜经验，NR-1号核动力潜艇由此被提了出来。

1.1.1 NR-1

1）基本情况

NR-1号由通用动力电船分部于1967年6月开工建造，1969年完工并服役。在结构方面，艇体中央为耐压壳体，由高强度钢制成，前后则为非耐压壳体。驾驶室、观察区和居住区占据了潜艇前部约1/3部分，后2/3由反应堆等动力系统占据。由于艇体空间小，所以没有厨房和洗浴设施，不仅居住舒适度差，还导致补给量存在上限，限制了续航力。该艇规格参数参见表1。

NR-1与普通潜艇存在区别，装备了一些新型装备，以更加方便开展深海研究[1]。

收缩式车轮：NR-1在其前后龙骨附近安装了2个可伸缩的橡胶车轮，用以保障潜艇在海底停留或移动，提高对任务的完成精准度。

推进器：NR-1除了主推进螺旋桨外，还拥有2对推进器，分别位于艇首和艇尾。2对推进器确保了其在水中高度精准的机动能力，能轻易实现悬停和转向。

表 1 美国NR-1小型核潜艇规格Tab. 1 Main technical indicators of NR-1 midget nuclear submarine

机械臂：机械臂的存在帮助NR-1快速进行海底作业，主要在海底取样、设备部署和武备碎片回收中使用。

水下照明与观察系统：NR-1有3个视窗口，位于艇腹部，方便操作员观察艇艏前方和艇腹下方。艇壳外侧还安装了25个外部照明灯，低照度相机，变焦相机，彩色摄像机，电子静态相机和各种传感器，帮助操作员观察和作业。

导航声呐系统：在水面航行时使用全球定位系统及惯性导航进行定位。在水下潜航时使用航位推算方法对位置进行大致定位。靠近海底航行时，则利用多普勒声呐、避碰声呐和侧扫声呐进行精确导航。

图 1 NR-1结构图Fig. 1 Structure of NR-1

2）主要任务

NR-1号能执行多种不同类型的任务，按任务属性区分为两类：军事任务和非军事任务[2]。军事任务涵盖了海底地形图绘制、失事军机、舰艇和装备的打捞与回收、深海潜艇救援、海底电缆和光缆的维护或间谍行为、海底军事设备的安置和维护、深海反潜演习训练、新型武备的测试等。而非军事任务以科研任务为主，主要是海底科研探索任务、失事客机残骸的搜索、海底矿产资源取样调查、海底管路维护等。

NR-1上没有任何武器装备，不具备作战能力。但其作为一艘专门执行特殊任务的海洋研究潜艇，为海底对抗争取到了巨大的优势。

图 2 NR-1潜艇水下作业设想图Fig. 2 Imagine plan of underwater operation of NR-1 midget nuclear submarine

1.1.2 NR-2

美国于1990年开始研究NR-1的后续艇计划——NR-2号潜艇。在之后的10年间进行了大量的预研和论证，提出3种设计方案，但也止步于设计方案。2003年美国海军重启对NR-2潜艇的先期研究，对其提出了性能指标：优异的机动性、充足的负载、最大潜深1 000 m、具备多功能的海底作业能力、可携带无人设备、最大航速达到15～20 kn[3]。

图 3 NR-2概念设计图Fig. 3 Concept drawing of 3 designs of NR-2

虽然这些NR-2潜艇的设计仍停留在概念上，但也从侧面反映出美海军对小型核潜艇的重视，对未来的美国深海潜艇留下了参考价值。

1.2 苏/俄

俄罗斯于1976年成立了深海研究总局（GUGI），工作领域涵盖海洋调查、深海军事装备的架设和维护（其中包括潜艇探测系统），打捞试验和事故后遗留海底的武器残骸，以及海底通信电缆的识别、敷设和破坏。

据外界估计，深海总局拥有8艘甚至更多的特种用途核潜艇，它们主要分为小型深海核潜艇及其水下搭载母艇。

1.2.1 小型深海核潜艇

该型潜艇在官方报告中也称为核动力深水站（AGS），目前已知有3型小型核潜艇曾经或正在服役。

1）1851型“帕尔图斯”级

该型艇计划建造3艘，实际建成2艘，舷号为AS-35和AS-21，分别于1991年4月和1994年9月下水。1851型艇壳体为钛合金，可下潜至1 000 m。艇艏下部布置了一处观察窗和机械手臂，整体配置与美国NR-1相似[4]。一些来源将678型“X射线”级认为是单独的一级艇，但更权威的来源将“X射线”级认为是1851型中的1艘。

2）1910型“抹香鲸”级

该型艇计划建造3艘，实际建成2艘。第1艘艇AS-13于1977年下水，1986年交付海军。第2艘艇AS-15于1983年下水，1991年交付海军[5]。该型艇与1851型相比有了大量的改进：整体上扩大了艇体，使用了单壳体钛合金结构；在艇两侧的加装了侧推进器，“轮拱”型的位置被设计用来容纳侧推进器；该艇在艇下部安装了支架，用以支撑在海床上，辅助精细任务的操作。

3）10831型

该型艇于1978年完成设计图，计划建造3艘。1991年该型潜艇的首艇AS-12下水。第2艘艇AS-35于1994年下水。而第3艘艇AS-31于1988年因资金问题暂停建造，之后于2000年重启建造，舷号AS-31保持不变，2003年下水[6]，由于2019年发生火灾事故，被媒体称为“洛沙里克”号。该级艇装备钛合金壳体，内部构造由几个连接起来的球体模块组成，以提升下潜性能，其下潜深度为1 000 m。最大下潜深度未知，但2012年北极航行期间，曾下潜至2 000 m深处。

表 2 俄罗斯小型深海核潜艇的参数Tab. 2 Main technical indicators of Russian each class midget nuclear submarine

图 4 俄罗斯小型核潜艇对比图Fig. 4 Comparison diagram of Russian midget nuclear submarine

1.2.2 小型核潜艇水下搭载母艇

针对护士生的护理教学方法，应积极探索，以传统教学法为基础，积极采用案例教学和情景模拟法，案例教学可以使护士生融入到教学的情境之中，积极参与理论的研究和问题的探讨，有助于提高其相关专业知识水平和技术的提升，而情境教学法则可有效的将护士生带入到临床实际环境之中。综上，在传统护理教学的基础上采用案例教学与情景模拟法，可有效提高护士生的理论水平、实践操作及沟通能力，值得推广。

小型核潜艇水下搭载母艇，也被称为“宿主潜艇”[7]，设计用于运输和补给小型核潜艇，以延长它们的任务周期。由于小型核潜艇在负载和空间方面存在限制，无法自带补给执行长达数月的战斗部署，故需搭载母艇将它们安全运至任务海域附近，在水中分离释放后，小型核潜艇独自驶入任务区域进行作业。

图 5 俄罗斯GUGI所属核潜艇体型对照图Fig. 5 Comparison diagram of the nuclear submarine belonging to GUGI. (Since there is no official data,the data in the figure is for reference only)

目前，俄罗斯拥有3艘小型核潜艇水下搭载母艇，分别是Delta-III STRETCH型（09786型）“奥伦堡”号、Delta-IV STRETCH型（09787型）“莫斯科郊外”号和Oscar-II型（09852型）“别尔哥罗德”号核潜艇[8]。主要技术指标详见表3。

母艇的存在提升小型核潜艇在执行任务过程中的安全性和作业效率，并对小型核潜艇的长期运作提供了后勤保障。

2 小型核潜艇技术特征

由于小型核潜艇需要在深海区域进行军事活动，其设计、能力和战技术指标严苛，主要可以分为5个特征点。

表 3 水下搭载母艇的主要技术指标Tab. 3 Main technical indicators of the host submarine

2.1 高强度耐压壳

小型核潜艇的耐压壳是决定下潜深度的重要部件，而决定耐压壳的性能，主要有2个因素：第1是耐压壳的结构。到目前为止，耐压壳的常规形状主要是球壳和圆柱壳。从强度角度来看，球壳结构最为有利，其在均匀压力下大部分区域的中面应力相等，且为相同直径的圆柱壳的一半[9]。而环肋圆柱壳的结构，因其舱室空间利用率高，有利于总体布置，而在大多数潜艇中得到应用。第2是耐压壳的材料。深海潜器的壳体材料在强度、韧性、塑性、耐疲劳性、耐海水腐蚀性、可焊性、工艺性等方面有较高的指标。钛合金这种金属材料是最适合打造1 000 m以上大潜深潜艇的耐压壳，以致苏联海军对其青睐有加，并建成多艘大潜深核潜艇。但其复杂的工艺和高昂的价格让美军望而却步，转而去研发高强度钢材，并成功开发出HY80，HY100和HY130特种钢材。

2.2 小型反应堆

核反应堆的小型化是实现核潜艇小型化的另一关键。目前主要存在压水反应堆、液态金属反应堆和热离子反应堆3种技术。这其中压水反应堆由于最早发展，其技术最为成熟，但小型化难度高。而液态金属冷却快堆则在安全性上需要进一步提高[12]。目前各国核潜艇的压水堆是由反应堆、一回路、二回路、电力系统、应急电力系统和轴系所组成，所进行的小型化工程主要是对二回路和轴系系统进行优化。近年来由于核潜艇的全电气化理念被提出，热离子反应堆重新回到了候选名单中。

2.3 对母艇的通信能力

目前深海领域的通信主要以声呐通信、水声通信和蓝绿激光通信为主。其中水声通信较为成熟，声道窗口处于600～2 000 m的深度，与目前潜器的常用深度重合，具有较高的发展前景。小型核潜艇与母艇间的通信能力可以确保小艇对自身的定位，并及时将有效信息传输给母艇，提高信息的处理效率。

2.4 深海作业能力

小型核潜艇的任务涵盖了深海打捞、援潜救生以及军事任务，所以其在深海作业能力主要是由续航力、移动灵活性和携带设备这3个方面所决定的。核动力技术基本解决了深海作业时的续航力问题。美俄通过给艇体加装多台外部推进器来确保在海底作业时潜艇能悬停在水中完成相关作业，并且还在艇首下方安装了六自由度的机械手臂，用来完成深海作业中的精细工作。

3 美俄小型核潜艇对比

3.1 战略定位

早期，美俄都通过小型核潜艇来开展对深海领域的探索及作业。随着技术的变革和时代的变迁，两国在该领域的认知发生了改变，选择了不同的发展道路，因此小型核潜艇的发展与应用也进入多功能化的时代。

美国将小型核潜艇定位为特殊的试验型核潜艇，其主要任务是以科研任务为主。究其根本是因为美国作为超级大国其目前的军事实力与技术（包括储备技术）已经满足当时国际局势的需求，额外的军费开支对国家财政来说是负担。同时深海领域作战存在很大的局限性。由于声呐探测技术与导航技术能力不足，无法进行深海的准确探测、识别、跟踪与导航，使得整体作战节奏极为缓慢。这些问题导致深海战需要投入数量巨大的辅助设备与高额的资金预算。

苏联海军对小型核潜艇的定位为具有军事用途的间谍核潜艇，其主要是以军事任务为主。在军事对抗中，北约在挪威和阿拉斯加地区面向俄罗斯方向的海域，部署了声呐监听系统（SOSUS），对俄罗斯的海洋行动进行监听和限制。小型核潜艇通过其优异的隐身性能可以对这类设备进行破坏、移动和电子攻击，以保证己方的军事任务得以展开。另一方面目前没有已知的有效武器可以对处于1 500 m以下水深的小型核潜艇进行打击，而小型核潜艇可以携带外置的战略核武器对敌方港口进行战略打击。这种应用方式对苏联/俄罗斯来说都是一种提高战略威慑能力维护自身的有效途径。

3.2 耐压壳体

单一的球形耐压壳结构虽然让材料得到充分的利用，但也存在不利于加工和舱室空间利用率低的特点。俄罗斯海军为了克服这一问题，通过将多个球壳连接在一起形成藕节型，以在满足强度的同时获取足够的舱室空间。10831型小型核潜艇就是藕节型的典型代表，据俄罗斯船舶制造网报道，该结构可以承受6 000 m水深的压力。而美国NR-1使用的是环肋圆柱壳的结构，其舱室空间利用率高，有利于总体布置[10]。该结构主要依靠壳板来承受各项应力，然后通过加肋骨的方式提高壳体的稳定性，抵抗形变。但增加的肋骨，虽然提升了壳体的安全稳定性同时也带来了额外的重量。小型核潜艇还需要实现轻量化以减小体积并满足其运行的快速性。

在使用材料上，美国的NR-1使用的是HY-80高强度合金钢材，屈服强度达到56～66.5 kg·N/cm2，可承受 700 m深的水压。为了赶超苏联，随后更是开发出HY-100和HY-130高强度合金钢材。而苏联在当时的背景下追求潜艇的大潜深和高机动性，开启了钛合金潜艇的时代。事实证明钛合金的比强度（强度与重量比）在金属结构材料中突出，它的强度与钢材相当，但其重量仅为低碳钢的 57% 左右，适合作为1 000 m以上大潜深核潜艇的耐压壳材料。但其制作工艺复杂并且价格昂贵，限制了钛合金核潜艇的数量。近年来，随着新型复合型材料的发展，美军研发出了氧化铝陶瓷材料。以其制作的小型深潜器耐压壳足以承受6 000 m深的水压，其重量与排水量的比值为0.6，而同样设计深度的钛合金耐压壳则为0.85[11]。

3.3 小型核反应堆

美俄小型核潜艇都是使用的压水堆作为推进能源装置。美国的NR-1使用的是1座由诺尔斯核动力研究所研制的输出热功率为95.6 kW的小型压水堆、1台汽轮发电机、2台推进电动机（总输出轴功率60马力）。俄罗斯的小型核潜艇使用的是1座压水堆（1910型1.5 MW，10831型5 MW，1851型不详）、1台汽轮发电机等。在反应堆的选择和布置上都十分相似，都是以确保安全第一。但关键的一点，就是各艇的输出热功率不同，呈逐步上升的趋势。而且俄罗斯的小型核潜艇出于战略定位不同，其功率远超美国的NR-1。

目前，随着世界核潜艇全电气化的趋势，热离子反应堆被提出成为核潜艇动力源的可能性。热离子反应堆是将核热能在反应堆内直接转换为电能，然后可直接输出作为动力。美国研制成功的由SP-100型空间反应堆组成的核热离子反应堆动力装置由反应堆、功率转换组件、废热移去系统等组成，直接实现热电转换。省去压水堆一、二回路的许多设备，如蒸汽发生器、主蒸汽系统、主冷凝器、汽轮发电机组等，有效使核动力装置的重量和体积大幅缩减，并且热离子堆动力装置在艇上布置非常灵活和方便，有望使装置更能耐冲击，也可避免高温、高压的环境，使得对装置的材料苛求程度降低。此外，会提高可靠性和自动化水平，大大减少操纵和维护人员。

在功率方面，用压水堆和SP-100型热离子堆进行对比时，假设装备这2种反应堆的潜艇具有相同能力时，压水堆的热功率为66 MW，而热离子堆的热功率为176 MW，这表明SP-100型热离子堆的效率仅为6%～7%，而压水堆则在16%左右（指最后推进功率与堆功率之比）[13]。可见热离子堆用于核潜艇，其效率相对较低。但从另一方面看，由于热离子堆所占体积、重量小，可减小艇的排水量，提高航速。所以，压水堆受体积、重量限制，其实现热效率再提高的潜力不大。而热离子堆虽然目前在热电转换效率低，但却存在提升空间，受设备体积、重量的限制小。

4 经验总结以及对我国的启示

世界各国对海洋越来越重视，谋划对海洋的开发以加强对海洋的利用和控制，而小型核潜艇在此趋势下开始在一些领域发挥自己独特的作用。

通过研究美俄小型核潜艇的发展过程，可以得到如下启示：

1）深海小型核潜艇所承担任务范围，可以覆盖深海区域的大部分科研及军事需求。尽快开展相关的研究有助于未来我国维护自身的海洋权益，提升我国的深海开发战略的进程，并在深海领域的战略防御上发挥反潜对抗的作用。

2）深海小型核潜艇中涉及到多项关键技术，包括可承受大潜深水压的潜艇结构设计、耐压壳的材料研发与应用、小型核反应堆技术、深海作业能力以及生命环境保障能力等。这些关键技术的研发对海洋领域的发展具有推动作用。同时小型核潜艇本身就是很好的试验平台，可以承担型号、新材料、新结构和新武备的试验任务。

3）目前核潜艇整体的发展趋势倾向于载人潜器作战平台化。而与无人智能化作战体系的结合，加强了小型核潜艇在深海区域的作业能力和活动范围，实现了大广度和大纵深的覆盖，具有极高的战略意义和价值。

4）小型核潜艇总体设计的科学合理性。小型核潜艇的总体优化设计是一个多目标的妥协折衷优化问题，需要明确主要性能，以系统工程方法进行研制，将复杂总体优化平衡过程变成程序化、规范化的操作[14]。

5 结 语

现代深海领域的竞争正在逐渐升温，深海对抗的手段正迅速发展与变革。小型核动力潜艇将成为深海领域对抗的一股不可忽视的力量，其可以强化在深海领域的优势，特别是对于潜艇救援、深海信息战、深海战略对抗和海洋科研等方面具有重大意义。通过研发小型核潜艇，可以推动深海领域技术的发展，有利于提高我国对于深海区域的防御以及维护自身的海洋权益。