《復(fù)合材料結(jié)構(gòu)》第 53期 (2001) 21-41
應(yīng)用于海軍艦艇和潛艇的先進
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)綜述
A.P. Mouritz(a), E. Gellert(b)
P. Burchill(b),K. Challis(b)
a.澳大利亞，VIC3001，墨爾本2476V#
信箱，RMIT大學(xué)，航空工程系，
Sir Lavrence Wackett 航空設(shè)計技術(shù)中心
b. 澳大利亞，VIC3001，墨爾本4331#
信箱，航空與海事研究實驗室，DSTO
摘要： 本文對近年來纖維增強聚合物基復(fù)合材料在海軍艦艇和潛艇上的應(yīng)用進行了綜述。自20世紀(jì)80年代中期以來，軍方一直致力于降低艦艇的購置和維護成本和提高其結(jié)構(gòu)和操作性能，復(fù)合材料在該領(lǐng)域的應(yīng)用日益增加。本文介紹了復(fù)合材料在海軍艦艇上的大量新型應(yīng)用，涵蓋已有的和潛在的應(yīng)用，如上部結(jié)構(gòu)、甲板、船艙壁、先進的桅桿系統(tǒng)、螺旋槳、推進軸、方向舵、管道、泵、閥等，以及其在大型軍艦如護衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦和航空母艦上的機械裝備和其它裝備應(yīng)用。本文還闡述了復(fù)合材料在潛艇上的潛在應(yīng)用，如在螺旋槳、控制面板、機械和配件上的應(yīng)用；還討論了復(fù)合材料在快速巡邏艇、獵雷艇和輕巡洋艦的整體制造上的應(yīng)用。對于每種應(yīng)用，指明了采用復(fù)合材料代替了傳統(tǒng)造船材料如鋼和鋁合金的主要優(yōu)勢；后對復(fù)合材料在海軍艦艇上應(yīng)用的主要缺點進行了概述。
1 前言
本文綜述了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在未來海軍艦艇和潛水艇中的應(yīng)用的新進展。目前，纖維增強聚合物基復(fù)合材料在海事結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用非常廣泛。這些都源于提高運行性能（如提高運行范圍、隱身性、穩(wěn)定性和有效載荷），同時降低軍艦和潛艇擁有者成本（如降低維護成本和油耗）的需要。本文考察的應(yīng)用包括大型巡邏艦、氣墊船、獵雷艇和整體采用復(fù)合材料的輕巡洋艦。復(fù)合材料的其它新型或潛在用途如大型戰(zhàn)艦（護衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦）的上部結(jié)構(gòu)、先進的天線系統(tǒng)、艦艙壁、甲板、螺旋槳、推進軸和方向舵。在將來，復(fù)合材料還會應(yīng)用于潛艇上的控制板面、螺旋槳和桅桿系統(tǒng)。海軍也正著手研究復(fù)合材料在內(nèi)部裝備和配件上應(yīng)用的可行性，如機械裝置、熱交換器、設(shè)備底座、閥、泵、以及管道系統(tǒng)。
雖然目前復(fù)合材料在海軍上的應(yīng)用多種多樣，但是多年來這些應(yīng)用僅限于一些不太重要的艦艇結(jié)構(gòu)和小型船只上。二戰(zhàn)后，復(fù)合材料次應(yīng)用在美國海軍的一些小型客運艦艇上。實際應(yīng)用時，發(fā)現(xiàn)這些艦艇剛度大、強度大、持久耐用而且易于維修。
因此，在20世紀(jì)40年代中葉到60年代，復(fù)合材料在美國海軍中的應(yīng)用迅速增加。在越南戰(zhàn)爭期間，應(yīng)用復(fù)合材料的客運艦艇、內(nèi)河巡邏艇、登陸艦和一些在役偵察艇數(shù)量達3000艘。美國海軍還將復(fù)合材料應(yīng)用在小型艦艇上的艙面船室、通訊艦艇的桅桿、驅(qū)逐艦的管道系統(tǒng)、潛艇的流線型指揮臺外殼和鑄件。表1列舉了自越南戰(zhàn)爭以來，復(fù)合材料在海軍方面的應(yīng)用。大量文獻綜述了復(fù)合材料在美國海軍艦艇上的早期應(yīng)用。
在20世紀(jì)50年代，其他海軍開始在他們的艦艇和潛艇上應(yīng)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。英國皇家海軍和法國海軍開始在潛艇聲納罩上采用復(fù)合材料代替鋼材，以獲得更高的聲波穿透率，同樣，在海面艦艇的天線罩上應(yīng)用復(fù)合材料可保護通訊和監(jiān)視天線。到20世紀(jì)70年代，英國皇家海軍、瑞典皇家海軍和挪威海軍開始采用復(fù)合材料來制造獵雷艇，荷蘭海軍也開始把復(fù)合材料應(yīng)用于領(lǐng)航艇和登陸艦上。這個時期標(biāo)志著復(fù)合材料在大型海事結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的開始。
關(guān)于復(fù)合材料在海軍艦艇上應(yīng)用的綜述很多，大部分都是八年以前的，有些甚至是30多年前的。本文旨在綜述先進復(fù)合材料海事結(jié)構(gòu)件在近年來的進展，重點闡述自80年代中期以來的進展；同時介紹了采用復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)造船材料如鋼和鋁合金的優(yōu)缺點；探討新型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在現(xiàn)階段的發(fā)展，介紹應(yīng)用這些結(jié)構(gòu)件的海軍艦艇類型。因為許多的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件還處于在研發(fā)階段，所以每僅對每種應(yīng)用進行簡短介紹。具體的信息可以參考本文的參考文獻。本文根據(jù)的是已公開發(fā)表的文獻。由于保密的原因，本文沒有對國防部列為密件的應(yīng)用進行闡述。
2 復(fù)合材料海軍艦艇的新發(fā)展
早期復(fù)合材料都是應(yīng)用在小型巡邏艇和登陸艦上。相對差的制造質(zhì)量和船體剛度限制艦艇的長度不能超過15米，排水量不超過20噸。近年來，隨著低成本復(fù)合材料的設(shè)計、制備和力學(xué)性能的提高，復(fù)合材料開始應(yīng)用在大型巡邏艇、氣墊船、獵雷艇和輕巡洋艦上。圖1是1945年到2000年間全復(fù)合材料海軍艦艇的長度調(diào)查。隨著時間的推移，艦艇的長度呈穩(wěn)定的增加趨勢，現(xiàn)在已有80到90米長的全復(fù)合材料海軍艦艇。如果依此趨勢，同時隨著技術(shù)的提高，到大約2020年，可開始采用復(fù)合材料制備中等尺寸的軍艦如120到160米長的護衛(wèi)艦完全可能，但是，這是不可能的，除非采用復(fù)合材料造船的成本能夠低于采用鋼的成本。這部分綜述了全復(fù)合材料海軍巡邏艇、反水雷艦艇和輕巡洋艦的新進展，并簡短介紹了復(fù)合材料在海軍水翼艇上的應(yīng)用。
2.1 巡邏艇
復(fù)合材料在海軍巡邏艇上的應(yīng)用已經(jīng)有近四十年的歷史。艘全玻璃纖維增強聚合物（以下簡稱GRP）的巡邏艇誕生于20世紀(jì)60年代早期，由美國海軍制造，在越南戰(zhàn)爭期間在內(nèi)河上應(yīng)用。在20世紀(jì)70年代到80年代期間，復(fù)合材料在小型巡邏艇上的應(yīng)用日漸增長，目前正在服役的已經(jīng)超過300艘。大部分GRP巡邏艇的長度都在10米以下，排水量不超過10噸，很少有超過20米長的，因為船體梁的剛度太低。大于25米的巡邏艇船體通常采用鋁合金或鋼材。因為尺寸小，復(fù)合材料巡邏艇一般在內(nèi)陸和沿海航行，不可能到遠海區(qū)。
不過，很多對制造長度小于50米、滿載排水量為300噸、在遠海區(qū)行使的全復(fù)合材料巡邏艇充滿興趣。通過對采用鋼、鋁、夾芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料制造大型巡邏艇在成本、重量和結(jié)構(gòu)性能的比較，發(fā)現(xiàn)同等尺寸的巡邏艇，采用GRP夾芯結(jié)構(gòu)的重量比鋁制的輕10%，比鋼制的輕36%。采用新的制備技術(shù)如SCRIMP或采用碳纖維作增強體可以進一步減輕船體的重量。設(shè)計者們希望減輕船體重量的同時增加軍用有效負(fù)荷，提高行使距離和/或降低油耗。
Goubalt和Mayes預(yù)測，隨著維護成本和油耗的降低，復(fù)合材料艦艇的操作成本將會低于鋼結(jié)構(gòu)。艦艇尺寸相同時，復(fù)合材料艦艇的使用周期成本略小于7%鋼艦艇的。使用復(fù)合材料制造艦艇的主要問題是船體梁的剛度太低。Makinen等估計，對于50米長、采用夾層復(fù)合材料制造的巡邏艇，其船體梁的撓度比鋼艇的要高出300%。Alm計算得到，對于50米長的海軍艦艇，用復(fù)合材料制造的船體梁的撓度比鋼制的高出240%。船體梁撓度增加會帶來很多問題，如鉸接處和連結(jié)處的疲勞裂縫，并進一步導(dǎo)致螺旋槳軸線的錯位。
大的全復(fù)合材料海軍巡邏艇由挪威皇家海軍操作的Skj?ld級艦（如圖2）。Skj?ld級有著飛機的表面效果。這個雙體船46.8米，寬13. 5米，滿載排水量是270噸。它采用噴水推進，升力風(fēng)扇把吃水深度降到2.6米，所以可以達到靜水中57節(jié)和三級海浪下44節(jié)的速度。Skj?ld級完全由夾層復(fù)合材料制造，即玻璃纖維和碳纖維薄板表面和聚氯乙烯泡沫芯層。艘巡邏艇——KNM Skj?ld 于1999年開始服役，現(xiàn)在仍在接受大海的考驗。如果成功的話，挪威皇家海軍考慮再購買六艘巡邏艇。
Skj?ld艇的制造者們采用夾層復(fù)合材料代替鋼或鋁合金來簡化船體和上部結(jié)構(gòu)，而且復(fù)合材料可以提供高的強度/重量比、好的沖擊性能和低的紅外、磁和雷達特性。如果僅僅采用GRP，則需要引入導(dǎo)電材料（如銅網(wǎng)）來提供電磁防護，從而保持艦艇上的電子設(shè)備精確運轉(zhuǎn)，當(dāng)然這會增加艦艇的制造成本。碳薄板的大量應(yīng)用保證了結(jié)構(gòu)（如梁框、桅桿和槍的支撐底座）所需的高剛度。在上部結(jié)構(gòu)中應(yīng)用碳纖維同樣可以提供電磁防護。Skj?ld級上裝備了一列光纖光柵傳感器，從而確保海上實驗時所產(chǎn)生的應(yīng)變水平下能夠?qū)崟r信息。
瑞典皇家海軍也把復(fù)合材料應(yīng)用在大型巡邏艇上。20世紀(jì)80年代末期，瑞典海軍制造了一艘30米長的地面效應(yīng)艦艇，即Symyge MPC2000，采用的是夾層復(fù)合材料，包括碳纖維、玻璃纖維和Kevlar 纖維增強乙烯基酯表層和聚氯乙烯泡沫芯層，具有輕質(zhì)、良好的抗腐蝕性、良好的抵抗水下沖擊載荷損害的能力和許多隱身的性能（包括低的熱、磁特性和良好的阻聲性能）。但是，大多數(shù)大型巡邏艇仍然采用低成本的鋼和鋁合金來制造。
2.2 反水雷艦艇
艦艇中用來定位和摧毀魚雷的是我們熟知的反水雷艦艇（MCMV）。傳統(tǒng)上，MCMV采用木材制造，這是因為木材沒有磁性，所以艦艇在水中運行時不會被磁性水雷探測到。二戰(zhàn)后，制造MCMV所需的高級木材越來越稀少，此時仍采用木材來制造MCMV就不再經(jīng)濟。此外，木材MCMV在整個使用過程中都需要維護，因此它的全程使用成本太高。為了解決這個問題，1951年美國海軍嘗試制造了一艘15.5米長的復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)掃雷艇，即XMSB-23。但是，該復(fù)合材料艇的制作質(zhì)量、力學(xué)性能和防水性能都很差。結(jié)果，海水滲入到了XMSB-23的船體，因此它也就不可能用在掃雷行動中。
20世紀(jì)60年代到70年代期間，美國和英國繼續(xù)著獵雷艇的設(shè)計和開發(fā)。成功采用復(fù)合材料制造的艘MCMV——HMS Wilton誕生于1973年。它全長46.6米，滿載排水量達450噸，是當(dāng)時大的全GRP艦艇。HMS Wilton的巨大成功帶來復(fù)合材料的應(yīng)用的迅速擴張， 20世紀(jì)80年代早期200多艘全復(fù)合材料MCMV制造成功。表2 列出了當(dāng)前不同類型的正在服役或在建的MCMV，其中大部分的長度都在50米以上，滿載排水量超過600噸。
復(fù)合材料在MCMV上的應(yīng)用，激發(fā)了艦體的設(shè)計創(chuàng)新，使得艦體能夠抵抗局部翹曲、具有大的支架剛度以及優(yōu)異的水下抗沖擊性。艦艇操作者在選擇艦體類型時，也考慮了其他標(biāo)準(zhǔn)，包括購買和維護成本、磁特性、聲音阻尼性和耐火性。常見艦體結(jié)構(gòu)是框架支撐的單殼結(jié)構(gòu)、無框單層結(jié)構(gòu)和GRP夾芯結(jié)構(gòu)。采用這些設(shè)計制造的艦的實例如圖3所示。
常見的艦體結(jié)構(gòu)類型是框架支撐的單殼結(jié)構(gòu)。英國皇家海軍的Hunt級和Sandown級MCMV采用的就是這種結(jié)構(gòu)。同樣，法國、荷蘭和比利時海軍的Tripartite級艦艇也采用了這種結(jié)構(gòu)。整個設(shè)計包括橫向的框架和縱向的復(fù)合材料梁，縱橫膠結(jié)形成GRP預(yù)成型的層壓結(jié)構(gòu)。這種框架結(jié)構(gòu)能夠提供艦體梁所需的剛度，示意圖見圖4。
單層結(jié)構(gòu)的艦體沒有框架。代之以非常厚（達到0.15-0.20米）的GRP外殼來提供艦體所需的剛度和水下抗沖擊性能。甲板和主要的艦艙壁都能為艦體提供剛度。例如意大利的Lerici和Gatea級獵雷艇。澳大利亞的Huon級和美國的Osprey級采用的也是與意大利類似的設(shè)計。通過在Landsort級和Flyvefisken級MCMV上的應(yīng)用，GRP夾芯結(jié)構(gòu)獲得了廣泛的認(rèn)同。艦體和上部結(jié)構(gòu)采用復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，即由薄GRP表皮包覆聚氯乙烯泡沫芯層。薄的表皮提供剛度和強度，而夾芯層則提供抗剪能力和低的密度。
除了上述介紹的復(fù)合材料艦體結(jié)構(gòu)外，還有一些其它結(jié)構(gòu)應(yīng)用復(fù)合材料，但目前應(yīng)用還不是很廣泛。例如，Gass等評價了一種應(yīng)用在MCMV上的波紋形復(fù)合材料艦體結(jié)構(gòu)原型。其外表面的縱向波紋用來提高梁的剛度和強度，而制備成本比傳統(tǒng)的框架單層結(jié)構(gòu)少25%。雖然如此，目前沒有一艘MCMV采用這種波紋形的艦體結(jié)構(gòu)。
20世紀(jì)80年代期間，美國海軍考察了制造具有氣墊表面效應(yīng)艦體MCMV的可行性。他們期望艦艇具有低的磁特征和聲特征、對水下沖擊較小的敏感性，這樣艦艇運行時就更加安全。可惜并沒有制造一艘艦艇，此計劃就擱淺了。但是，挪威皇家海軍目前正在使用具有氣墊表面效應(yīng)的Oks?y級和Alta級MCMV。這些艦艇都是GRP夾層復(fù)合材料的雙體船。其中的一艘Oks?y級——KNM Hinn?y作為 MCMV是獨一無二的。它是唯一安裝了光纖傳感器來監(jiān)測艦體和甲板的應(yīng)變。傳感器可以確保艦體的結(jié)構(gòu)行為與設(shè)計所預(yù)測的一致，因為它可以監(jiān)測艦體結(jié)構(gòu)，在其超載時發(fā)出報警。同時，也安裝了其它傳感器監(jiān)測引擎、噴水式螺旋槳和其它機械產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動。
2.3 輕巡洋艦
目前采用復(fù)合材料制造的大海軍艦艇是輕巡洋艦。由瑞典皇家海軍主導(dǎo)設(shè)計和制造，通過YS-2000項目制造復(fù)合材料輕巡洋艦的 。該項目的目的是制造Visby級輕巡洋艦，長72米，10.4米寬，滿載排水量是720噸，是長也幾乎是重的完全復(fù)合材料艦艇（如圖5）。Visby級具有監(jiān)督、戰(zhàn)斗、布雷、掃雷和反潛作戰(zhàn)等多種功能。為了扮演這些角色，它必須具有質(zhì)輕、強度大、耐水下沖擊載荷和低的雷達及磁特性等隱身性。瑞典皇家海軍認(rèn)為，采用復(fù)合材料來制造整艘艦艇比采用鋼、鋁合金或混合材料更容易滿足上述要求。
Visby級輕巡洋艦采用的是復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，即碳纖維和玻璃纖維混合增強聚合物薄板，包敷聚氯乙烯芯層。Visby級是艘在艦體結(jié)構(gòu)中有效利用碳纖維復(fù)合材料的海軍艦艇。碳纖維的價格至少是玻璃纖維的五倍，昂貴的價格限制了它在大型海事結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用。但是，Visby級的設(shè)計表明采用碳纖維可以把艦體重量減輕30%左右，而且制造成本不會大幅增加。重量的減輕可以轉(zhuǎn)化為艦艇性能的提高，即降低油耗來增加運行范圍和降低操作成本。
應(yīng)用碳纖維增強復(fù)合材料更大的好處是碳纖維能為Visby級的上部結(jié)構(gòu)提供足夠的電磁防護。但是，利用復(fù)合材料也存在很多問題，如耐火性差。艘Visby級輕巡洋艦在2000年6月下水投入使用，還將經(jīng)受大海兩年的考驗。瑞典皇家海軍已經(jīng)又訂購了五艘。
新加坡皇家海軍目前正與瑞士的Kockums AB共同設(shè)計新一代的采用復(fù)合材料制造的巡邏艇/輕巡洋艦，即NGPV級。計劃制造八艘，目前，工作剛剛開始。雖然沒有公布相關(guān)設(shè)計細節(jié)，但是已經(jīng)知道，艦艇采用了隱形設(shè)計，由三個船體并列而成，船體將采用復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)。有些艦體結(jié)構(gòu)采用凱芙拉纖維復(fù)合材料，能改進對小型武器火力和榴霰彈的抵抗力。艦體預(yù)計長80米，排水量達1016噸，比Visby級艦更長，也更重得多、
美國海軍也在考慮采用復(fù)合材料來制造下一代輕巡洋艦。初的設(shè)計著眼于用復(fù)合材料代替鋼來制造85米長、1200噸排水量軍艦的可行性。他們認(rèn)為，重量降低30%，排水量降低7-21%，可以節(jié)約15%的成本。降低艦體重量，就可以增加武器的載荷和艦艇的運行范圍，從而可能提高其作戰(zhàn)能力。英國的Vosper Thornycroft正在評估制造全復(fù)合材料，或艦體采用金屬、上部結(jié)構(gòu)和防水壁及天線系統(tǒng)采用復(fù)合材料的輕巡洋艦的可行性。預(yù)計瑞典海軍即將開始設(shè)計90-120米長、全部由復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)構(gòu)成的軍艦。盡管過去十年復(fù)合材料輕巡洋艦的設(shè)計和制造取得了輝煌的進展，但是可以預(yù)計，在未來十年里，大部分的輕巡洋艦仍會采用鋼材，因為其制造成本更低。
2.4 水翼艇和氣墊船
自20世紀(jì)70年代以來，復(fù)合材料應(yīng)用在少量海軍水翼艇和氣墊船上。Graner綜述了早期復(fù)合材料在艦艇非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)上、以減重為目的的應(yīng)用。目前，復(fù)合材料在氣墊船上的應(yīng)用已經(jīng)擴展到包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，如上部結(jié)構(gòu)和艦體在內(nèi)的應(yīng)用。1998年，斯里蘭卡海軍使用了一艘18.8米長的M10級氣墊船，它的上部結(jié)構(gòu)是凱芙拉纖維增強復(fù)合材料。
瑞典正在制造一艘20米長的海軍氣墊船原型，艦體采用復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，可以降低重量，提高損傷容限，同時降低維護成本，而且不含鋁合金這種傳統(tǒng)艦體材料。但是，Smith和Monks預(yù)測，采用復(fù)合材料代替鋁合金可能會使得艦體的制造成本上升15%。
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