從銀鋅電池到鉛酸妥協(xié)：651型潛艇的設(shè)計與服役回顧

我們繼續(xù)回顧蘇聯(lián)潛艇的一些類型及其設(shè)計、建造與服役情況。這一次輪到的是651型柴油—電力潛艇。

此前在介紹蘇聯(lián)675型核動力潛艇時，我們曾提到：蘇聯(lián)海軍中還存在著用途相近的柴油—電力潛艇（ДЭПЛ），同樣裝備巡航導(dǎo)彈。這一點并不令人意外——在20世紀60年代，蘇聯(lián)海軍正處于加強水下力量的階段，其核心任務(wù)之一就是打擊敵方水面艦艇（以及沿岸目標）。

當時普遍認為，這一任務(wù)應(yīng)主要由裝備巡航導(dǎo)彈的潛艇來承擔(dān)。

因此，在研制和建造675型核潛艇的同時，蘇聯(lián)也同步推進了651型柴油—電力潛艇的建造工作，作為同一作戰(zhàn)理念下的另一種技術(shù)實現(xiàn)路徑。

兩種導(dǎo)彈潛艇項目的對比

651 型大型柴油潛艇（裝備導(dǎo)彈武器，并采用銀鋅蓄電池——這一點非常重要！）的初步設(shè)計方案，是根據(jù)蘇聯(lián)部長會議于1956 年 8 月 17 日和 25 日的決議制定的。

該型潛艇設(shè)計用途為：使用P-6 自導(dǎo)巡航導(dǎo)彈打擊敵方水面艦艇和運輸船只；使用P-5 巡航導(dǎo)彈攻擊敵方海軍基地、港口以及位于沿海和縱深地區(qū)的工業(yè)與行政中心；主要用于遠洋與海上交通線作戰(zhàn)。

1958 年 5 月，該初步設(shè)計方案獲得批準，并在此基礎(chǔ)上展開技術(shù)設(shè)計；技術(shù)設(shè)計于1959 年 1 月正式通過。

651 型潛艇的主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能（TTX）

在技術(shù)設(shè)計完成后，651 型潛艇的主要參數(shù)如下：

• 水面 / 水下排水量：3200 噸 / 4307 噸（部分資料中將正常排水量標注為 3174 立方米）
• 全長：85.9 米
• 最大寬度：9.7 米
• 平均吃水：6.92 米
• 浮力儲備：占正常排水量的 31.6%

主要性能指標（供參考）

• 最大潛深：300 米
• 工作潛深：240 米
• 自持力：90 天
• 燃油儲備：標準：282 噸、增強型：670 噸
• 乘員數(shù)量：78 人
• 最大水面航速：16 節(jié)
• 最大水下航速：18.13 節(jié)
• 經(jīng)濟水下航速：2.74 節(jié)
• 使用通氣管（RDP）航速：7 節(jié)

項目首艇——K-156

該艇為雙殼體結(jié)構(gòu)，擁有發(fā)達的耐壓指揮塔圍殼和上層建筑。耐壓艇體由直徑6900 毫米的圓柱體以及前后兩個截錐體組成。艇體內(nèi)部由橫向平面水密隔艙分為8 個艙段。所有隔艙均按10 kgf/cm2的雙向試驗壓力標準設(shè)計。

肋骨（框架）設(shè)置在耐壓艇體的內(nèi)外兩側(cè)，外部肋骨還加裝了加強肘板。為便于主機設(shè)備的安裝與更換，設(shè)計上允許切除部分耐壓艇體蒙皮和骨架，隨后再進行對接焊接復(fù)原。

耐壓指揮塔呈橢圓形，其頂部為圓柱形曲面，母線與艦艇縱向軸線平行。

651 型柴電潛艇縱剖面結(jié)構(gòu)

主壓載系統(tǒng)由14 個壓載艙組成，其中：

• 第 4 號和第 11 號艙為應(yīng)急壓載艙，用于在某一對導(dǎo)彈發(fā)射筒發(fā)生失密時恢復(fù)浮力；
• 第 2、3、5、7、12、13 號艙為燃油-壓載兩用艙；
• 這些艙室均為耐壓結(jié)構(gòu)，并配備進水閥（海底閥）；
• 其余主壓載艙（除位于艇首、帶有進水閥的 1 號艙外）通過排水孔進水；
• 所有艙間通風(fēng)系統(tǒng)相互獨立；
• 進水閥與通風(fēng)閥采用液壓遠程控制

導(dǎo)彈發(fā)射后的配重系統(tǒng)

在導(dǎo)彈發(fā)射后，為補償重量變化，通過向位于第二艙以及尾部導(dǎo)彈容器區(qū)域的耐壓艙和外殼空間注水來實現(xiàn)重量平衡。

燃料配置

• 標準燃油儲量：282 噸
• 燃油分布于：
• 5 個位于耐壓艇體內(nèi)的燃油艙
• 6 個位于艇外的燃油艙： 其中 2 個位于艇艏與艇艉（第 6、11 號）、其余位于艇體下部的雙殼間空間

耐壓艇體與外殼結(jié)構(gòu)均按照抗核爆沖擊要求進行設(shè)計。

設(shè)計難點（引自“紅寶石”中央設(shè)計局）

“最大的技術(shù)難題出現(xiàn)在尾部動力系統(tǒng)的研制上，該系統(tǒng)既要保證潛艇具備較高航速，又必須盡可能降低水下噪聲水平。”

651 型潛艇（可能為 B-67）在巴拉克拉瓦（另有資料稱在塞瓦斯托波爾）裝卸巡航導(dǎo)彈的照片

這些技術(shù)難題還因另一個因素而進一步加劇——該艇配備了功率極大的推進電機（2×6000 馬力）。如此高功率要求螺旋槳具有較大的直徑，而在既定的艇體主尺度條件下，螺旋槳難以布置；若增大艇體尺度，又會導(dǎo)致航速下降。此外，大功率推進電機本身也難以布置在耐壓艇體直徑范圍內(nèi)，并限制了推進軸線的展開角度。

經(jīng)過多輪方案論證后，最終采用了帶導(dǎo)流罩的螺旋槳設(shè)計方案，同時對艇艉外形進行了重新設(shè)計，使其在不增加艇體長度的情況下滿足布置需求。螺旋槳被設(shè)計為低噪聲型。

這一推進系統(tǒng)的選型使螺旋槳直徑得以縮小到可接受范圍，同時還提高了潛艇的臨界航速。

說明：所謂“臨界航速”，是指螺旋槳噪聲開始急劇上升的航速。

船體材料與結(jié)構(gòu)

所有保證潛艇達到最大下潛深度的結(jié)構(gòu)件，以及耐壓艇體的平面橫向隔艙，均采用AK-25 型鋼制造，其屈服強度為60 kgf/mm2。

部分結(jié)構(gòu)則采用AK-27 型鋼，其屈服強度為52 kgf/mm2。

首艇建造情況

項目首艇（廠號552）由波羅的海造船廠建造，后被命名為K-156。這是該廠首次使用AK-25 型鋼，在實際建造過程中遇到了不少困難。

在耐壓艇體制造過程中發(fā)現(xiàn)了大量焊接裂紋，主要集中在：

• 框架與耐壓艇體外殼的焊縫處（半自動焊接）
• 耐壓艇體錐形段的對接縫和角焊縫（手工焊接）

造船廠最初將問題歸因于焊接工藝不當。最終，所有存在缺陷的焊縫均被切除，并改用奧氏體焊條重新焊接，取代此前使用的低合金焊條。

同樣的焊接工藝隨后也被推薦用于第二艘同型艇（廠號553，后命名為K-85）。

鑒于耐壓艇體焊縫存在隱患，首艇在進行水壓試驗時提高了測試標準——試驗壓力被提升至 35 kgf/cm2。

651 型柴油—電力潛艇外形示意圖

在最初建造的五艘潛艇（K-156、K-85、K-70、K-24、K-77）上，外殼、耐壓外置艙、穩(wěn)定翼以及耐壓指揮塔圍殼均采用了45Г17Ю3 型低磁鋼制造，其屈服強度為40 kgf/mm2。

而在其余建造的艇只上，這些結(jié)構(gòu)則改用СХЛ 型鋼。不過，這種鋼材同樣帶來了一系列問題。

正如中央設(shè)計局“紅寶石”（ЦКБМТ ?Рубин?）的資料中所指出的：

“在掌握 45Г17Ю3 低磁鋼的制造工藝過程中，造船廠在鋼材矯正和切割方面遇到了極大的技術(shù)困難。這是因為該低磁鋼具有較大的翹曲傾向，其原因在于材料本身的物理特性——較高的線性熱膨脹系數(shù)和較低的導(dǎo)熱性。此外，該鋼材的摩擦性能較差，容易產(chǎn)生粘附和拉傷，因此在機械加工過程中極為困難。所有這些因素導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)在校正和裝配時工作量大幅增加，同時也使結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力顯著增大。”

運行中暴露的問題

采用低磁鋼外殼的潛艇自1962 年起陸續(xù)下水，并在1963 年 12 月至 1965 年 10 月期間服役。然而，到了1966 年 9 月，其中一艘潛艇在檢查中發(fā)現(xiàn)：

• 外殼蒙皮出現(xiàn)大量腐蝕損傷
• 在主壓載水艙區(qū)域出現(xiàn)貫穿裂紋與非貫穿裂紋
• 裂紋長度不一，數(shù)量較多

后續(xù)檢查結(jié)果表明：所有使用 45Г17Ю3 低磁鋼制造、且長期與海水接觸的輕型外殼結(jié)構(gòu)，在服役 4～5 年后，都會出現(xiàn)貫穿或非貫穿裂紋。

這一問題最終被認定為該鋼材在海洋環(huán)境中長期服役適應(yīng)性不足所致，也成為后來蘇聯(lián)潛艇設(shè)計中放棄大規(guī)模使用該型低磁鋼的重要原因之一。

651 型潛艇（北方艦隊）

在潛艇服役過程中，船體出現(xiàn)裂紋的主要原因，是45Г17Ю3 型低磁鋼本身存在的應(yīng)力腐蝕開裂傾向，以及其較低的耐腐蝕疲勞強度。這一問題又因防腐涂層維護不及時而進一步加劇。

鑒于這一情況，蘇聯(lián)造船工業(yè)部（МСП）與海軍共同采取了一系列措施。針對不同型號潛艇，制定并實施了成套的設(shè)計—工藝改進方案和防護措施，以提高由 45Г17Ю3 鋼制造的輕型船體及外部耐壓艙的耐腐蝕與抗疲勞性能。同時，還制定了多項指導(dǎo)性文件和技術(shù)規(guī)范，用于缺陷修復(fù)工作。這類修復(fù)通常與潛艇的定期維修和現(xiàn)代化改裝同步進行。

值得注意的是：在對缺陷部位進行修復(fù)后，潛艇磁場強度往往無法繼續(xù)滿足最初建造規(guī)范中的要求。也就是說，修復(fù)工作在一定程度上破壞了原本對磁特性的控制。

聲吶隱身涂層問題

651 型潛艇的外殼原本應(yīng)覆蓋一種非共振型消聲涂層，帶有喇叭狀通道結(jié)構(gòu)，型號為НППРК-4Д，用于降低敵方聲吶探測概率。

但有一個重要細節(jié)：

• 前六艘 651 型潛艇并未安裝該消聲涂層
• 原因是當時該涂層工藝尚未完全成熟
• 在后來加裝該涂層后，潛艇排水量有所增加
• 從設(shè)計值3174 噸上升至約3300 噸

651 型柴油-電力潛艇外形示意圖

在研究該型潛艇時，特別需要關(guān)注其動力裝置，該裝置由若干關(guān)鍵部分組成：

1. 柴油機系統(tǒng)

潛艇配備：

• 兩臺 1Д43 型主柴油機（科洛姆納工廠制造）
• 四沖程
• 十二缸
• 帶燃氣渦輪增壓
• 內(nèi)置減速器
• 不可逆轉(zhuǎn)
• 功率：每臺 4000 馬力（440 轉(zhuǎn)/分）
• 一臺 1ДЛ42 型柴油機（同樣由科洛姆納工廠制造）
• 四沖程
• 六缸
• 帶燃氣渦輪增壓
• 功率：1720 馬力（700 轉(zhuǎn)/分）
• 與 **PG-142 直流發(fā)電機（1000 kW）**聯(lián)接

651 型潛艇（德國博物館中的博物館艦）

潛艇配備了遠程自動化控制系統(tǒng)（ДАУ），該系統(tǒng)用于：

• 控制柴油機
• 控制軸系氣動離合器
• 控制排氣閥與進氣裝置
• 顯示柴油機運行參數(shù)
• 顯示氣動離合器的工作狀態(tài)

該系統(tǒng)還能控制：

• RDP（潛航通氣管）系統(tǒng)的閥門
• 在使用 RDP 模式時對主推進電機進行聯(lián)鎖
• 對柴油機實施多參數(shù)安全保護

除了遠程控制臺外，柴油機也可在其前端的本地控制站進行操控。

遠程自動化裝置“ДАУ”系統(tǒng)的引入大幅簡化了柴油機的操作維護工作，使得一名操作人員即可在不進入柴油艙的情況下完成控制。

柴油裝置的一項顯著特點是：其排氣管道采用鈦合金制造。

航程參數(shù)（供參考）

• 最大水下航速（18.14 節(jié)）航程：27.8 海里
• 經(jīng)濟水下航速（2.74 節(jié)）航程：810 海里
• 使用 RDP、航速 7 節(jié)、加大燃料儲備時航程：18,000 海里

2. 電推進系統(tǒng)

• 兩臺主推進電動機 PG-141
• 功率：每臺 6000 馬力
• 轉(zhuǎn)速：500 轉(zhuǎn)/分
• 兩臺經(jīng)濟航行電機 PG-140
• 功率：每臺 200 馬力
• 轉(zhuǎn)速：155 轉(zhuǎn)/分

3. 蓄電池系統(tǒng)（銀鋅電池）

采用30/3 型銀鋅蓄電池組，由以下部分組成：

• 4 組電池
• 每組152 節(jié)電池

性能參數(shù)：

• 最大放電電流：14,000 A（持續(xù) 1.5 小時）
• 長時間放電容量：30,000 Ah（放電電流 250 A）
• 使用壽命：35–40 個標準循環(huán)12–18 個月

為保證高功率放電，電池采用閉式蒸餾水冷卻系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)鉛酸電池相比，銀鋅電池具有以下優(yōu)點：

• 容量顯著更大
• 允許中斷充電
• 允許不完全充電
• 在保修期內(nèi)通常不需要補液

同時，該電池組配備遠程監(jiān)控系統(tǒng)，大幅簡化了維護工作。

651 型潛艇——博物館艦

1961 年，由于國內(nèi)銀資源不足，決定將銀鋅蓄電池的使用限制在 651 型潛艇約一半的系列中，隨后實際裝備銀鋅電池的潛艇數(shù)量減少到三艘。

備注：潛艇的最大水下航速、最大航程以及經(jīng)濟水下航速航程數(shù)據(jù)，都是針對配備銀鋅電池的潛艇而言的。對于使用鉛酸電池的潛艇，這些數(shù)值要低得多：

• 最大水下航速：約14.5 節(jié)
• 最大航程：約14.5 海里
• 主推進電機最大功率：約5500 馬力
• 經(jīng)濟水下航速（2.8 節(jié)）航程：約350 海里

其余潛艇則裝備60 СМ-П 型鉛酸蓄電池（產(chǎn)品 422），共448 節(jié)（4 組，每組 112 節(jié)）。

• 最大放電電流：9000 安培（1 小時）
• 長時間放電容量：15,000 安培小時（放電電流 250 安培）

補充說明：即便是最初的三艘配備銀鋅電池的柴油-電力潛艇，在電池壽命耗盡后，也都更換為鉛酸電池。

651 型潛艇在海上——插圖說明

推進電機的操作通過控制盤完成，這些控制盤配有水冷系統(tǒng)，可以實現(xiàn)電機的啟動、倒轉(zhuǎn)以及所有規(guī)定的電機和發(fā)電機工作模式。

為了保持冷卻用的蒸餾水的清潔（水質(zhì)直接影響推進電機控制盤及蓄電池的絕緣電阻），水冷系統(tǒng)中安裝了離子交換過濾器。

銀鋅蓄電池與推進電機控制盤的水冷系統(tǒng)，在國產(chǎn)潛艇上是首次應(yīng)用的技術(shù)，但遺憾的是，這一做法并未得到廣泛推廣。原因很簡單——銀是一種稀缺資源，無法滿足全部潛艇的需求。

（感謝收看本頻道編譯的內(nèi)容）