6 海軍艦艇的復(fù)合材料二級結(jié)構(gòu)、機(jī)械和裝置
6.1 背景
復(fù)合材料在海軍艦艇的二級結(jié)構(gòu)、裝置和設(shè)備上的使用與日俱增。具體來說包括煙囪、艦艙壁、甲板、方向舵、艙門、引擎底座、管道和通風(fēng)系統(tǒng)。也包括柴油機(jī)的機(jī)械部件、泵和熱交換器。下面將一一介紹。
6.2 煙囪
增加復(fù)合材料在大型軍艦排氣煙囪上的應(yīng)用，可以降低水上重量，也可能降低成本。復(fù)合材料已在MCMV的煙囪上成功應(yīng)用多年。近年來，Visby級輕巡洋艦和La Fayette級護(hù)衛(wèi)艦的煙囪采用的都是夾層復(fù)合材料。目前的工作目標(biāo)是在大型軍艦上使用夾層復(fù)合材料，美國海軍正考慮在Arleigh Burke（DDG51）級驅(qū)逐艦上安裝復(fù)合材料煙囪。與鋼煙囪相比，復(fù)合材料煙囪能夠削弱雷達(dá)信號從而改進(jìn)艦船的隱身性，同時，由于其具有優(yōu)良的熱絕緣性能，也能夠削弱紅外（熱）信號。 采用復(fù)合材料軍制造軍艦煙囪可減輕的重量和節(jié)約的成本比例，目前還未有公開信息。據(jù)Horsman報道，在兩艘意大利巡洋客輪上安裝復(fù)合材料煙囪，代替鋁和不銹鋼煙囪，可以減輕50%的重量，并節(jié)約20%的成本。
6.3 艦艙壁、甲板、門、艙門
正在研究在海軍鋼艦艇上安裝復(fù)合材料的艦艙壁、甲板、水密門和艙門的可能性。圖8展示的是Vosper Thornycroft（英國）采用SCRIMP制造的一個復(fù)合材料艦艙壁。與鋼艙壁相比，它的重量輕20-40%，具有更低的磁特性，發(fā)生火災(zāi)時對臨近隔間的熱傳導(dǎo)低，并且具有更好的阻聲性能。缺點(diǎn)是制造和安裝的成本比鋼艙壁的高20-90%。據(jù)預(yù)測，復(fù)合材料甲板也要比鋼甲板貴30-45%。增加的成本主要是用于復(fù)合材料艙壁和周圍鋼結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)，以提供足夠的抗力抵抗內(nèi)部沖擊損壞。除非這些費(fèi)用能夠降低，否則復(fù)合材料的艙壁和甲板很難在大型海軍艦艇上廣泛采用。
6.4 附件和遮護(hù)板
許多海軍正考慮將復(fù)合材料應(yīng)用在武器外罩和干燥甲板掩體，以及導(dǎo)彈沖擊防護(hù)，以免受高速射彈和榴散彈的沖擊。美國海軍已經(jīng)在其Kidd級導(dǎo)彈驅(qū)逐艦上使用凱芙拉復(fù)合材料盔甲，以保護(hù)船員免受小型武器炮火的襲擊。
6.5 方向舵
復(fù)合材料艦艇用方向舵正處于研發(fā)之中，預(yù)計其比現(xiàn)有的金屬舵輕50%，便宜20%。美國海軍的Avenger級反水雷艦艇上正在使用復(fù)合材料方向舵。
6.6 機(jī)械裝置和引擎部件
美國海軍次考察了復(fù)合材料在艦艇引擎中的 應(yīng)用，即評估GRP的齒輪罩外殼。與傳統(tǒng)的鋼外罩相比，復(fù)合材料外罩更耐腐蝕，而且輕90%，但是由于其噪音輻射更高，復(fù)合材料外罩再未使用。目前，美國海軍正在評價輪機(jī)艙的機(jī)械部件上使用復(fù)合材料的可能性，如圖9所示。玻璃纖維增強(qiáng)酚醛復(fù)合材料已經(jīng)應(yīng)用在柴油機(jī)的滑輪組、油盤、凸輪罩、水泵、油泵、滑輪、惰輪和調(diào)速鏈輪齒中。因此，重量可以減輕40-70%，引擎的購置成本可節(jié)省10-40%。另據(jù)預(yù)測，還可以降低結(jié)構(gòu)和空氣噪聲5-20dB，降低電磁特性，提高耐腐蝕/侵蝕、耐磨和耐疲勞性能。雖然有這些優(yōu)越性能，但目前復(fù)合材料引擎部件還未投入實(shí)際應(yīng)用，在可以預(yù)見的將來這一情形仍將持續(xù)下去。
20世紀(jì)80年代，美國海軍在兩棲貨輪USS Charleston上安裝了100個復(fù)合材料球閥。這些閥性能很好，事實(shí)上近10年都無需維修，而這已是USS Charleston的退役年限了。然而，1991到1996年間，美國海軍花了約1億6千3百萬美元用于艦上的銅閥維護(hù)和修理。商用的復(fù)合材料閥不能同時滿足軍艦用閥的抗震、抗彎和耐火性能。美國海軍正在設(shè)計滿足嚴(yán)格的海事性能要求的復(fù)合材料球閥。與銅球閥相比，復(fù)合材料球閥更耐腐蝕、更容易維護(hù)、質(zhì)量比銅閥輕70-80%，而且制造成本低50-75%。他們的球閥樣件有許多復(fù)合材料部件，如閥套、球、球座和柄軸密封圈（如圖10）。類似的球閥將應(yīng)用于San Antonio級兩棲船塢運(yùn)輸艦（LPD-17）上。
美國海軍正在研究開發(fā)復(fù)合材料泵體和葉輪。幾年前，他們的艦艇上有130,000多個泵。泵送海水和鹽水的離心泵經(jīng)常因?yàn)楦g和侵蝕而損壞。正在開發(fā)的復(fù)合材料離心泵比同樣的金屬泵輕、更耐腐蝕、磁特性更低、無火花、更安靜、而且成本至少便宜30%。此外，測試表明，復(fù)合材料泵的水力性能高于，或者說至少等于同樣尺寸和容量的銅泵。可以采用復(fù)合材料的泵部件包括：外殼、后板、葉輪、軸套、耐磨環(huán)和節(jié)流閥套管。復(fù)合材料泵已經(jīng)在三艘Spruance級（DD-963）驅(qū)逐艦上測試成功，美國海軍正考慮將其用在阿利?伯克（Arleigh Burke）級（DDG-51）驅(qū)逐艦和一艘Nimitz級航空母艦（CVN-76）上。
6.7 引擎和設(shè)備底座
一艘大型海軍艦艇共需要1500多個、總重為700-800噸的鋼底座來支撐機(jī)械和設(shè)備。一些機(jī)構(gòu)研究了采用復(fù)合材料底座來減重的可能性。據(jù)Kelly和Rockwell報道，一個玻璃纖維增強(qiáng)聚酯復(fù)合材料底座（1.2mx0.97m）就比同尺寸的鋼底座輕58%。另據(jù)報道，1/2比例的復(fù)合材料淡水泵底座模型比同樣尺寸的鋼模輕40%、安裝成本低50%。雖然質(zhì)量輕，但是復(fù)合材料底座可以提供足夠的保護(hù)，使機(jī)械和設(shè)備免受水下沖擊載荷，抵抗沖擊損壞。而且由于它的阻尼性和無磁性，復(fù)合材料底座能夠降低艦艇的聲音和磁特性。
6.8 熱交換器
海軍艦艇上的熱交換器要經(jīng)受嚴(yán)酷的海水腐蝕/侵蝕，因此維護(hù)費(fèi)用高，而且降低了艦艇的使用壽命。美國海軍正在評估碳纖維復(fù)合材料的熱交換器。
6.9 管道系統(tǒng)
復(fù)合材料在海軍艦艇上的早應(yīng)用就是管道。1951年，美國海軍在一艘護(hù)航驅(qū)逐艦上安裝了復(fù)合材料管道，期望比傳統(tǒng)的黃銅管道便宜、質(zhì)輕和更耐腐蝕。但是，這些復(fù)合材料管道在運(yùn)輸熱水時迅速降解并開始滲漏，導(dǎo)致失敗。20世紀(jì)60年代，在改進(jìn)了復(fù)合材料管道的質(zhì)量和耐久性后，皇家海軍將其安裝在突擊艇的壓艙系統(tǒng)中。70年代早期，美國海軍在其巡邏護(hù)衛(wèi)艦上也安裝了復(fù)合材料管道。據(jù)估計，復(fù)合材料管道的生產(chǎn)和安裝成本將比黃銅或不銹鋼管低15-50%。但是現(xiàn)代軍艦上幾乎不用復(fù)合材料管道。美國和英國皇家海軍還在繼續(xù)挖掘復(fù)合材料管道的潛在應(yīng)用價值。
6.10 通風(fēng)管
美國海軍正考慮在大型軍艦上使用復(fù)合材料通風(fēng)管，以抵抗腐蝕、降低重量、提高絕熱性能、降低噪聲和使用壽命成本。可以將復(fù)合材料管道改進(jìn)后安裝在Oliver Hazard Perry級（FFG-7）護(hù)衛(wèi)艦、Arleigh Burke級（DDG-51）驅(qū)逐艦、Ticonderoga級（CG-47）巡洋艦、Enterprise級（CVN65）航空母艦和其它艦艇上。而且，美國海軍打算對Nimitz級（CV）航空母艦上的復(fù)合材料氣孔爐蓖進(jìn)行測試。
6.11 甲板格柵
美國海軍正在評估復(fù)合材料的甲板格柵。參與評估的是包括USS Nimitz和USS Carl Vinson在內(nèi)的四艘航空母艦。評估的目的是為了確定：與傳統(tǒng)的鋼格柵相比，復(fù)合材料甲板格柵在軍艦的整個使用壽命中都能不受腐蝕而大幅節(jié)省成本。
7 復(fù)合材料潛艇結(jié)構(gòu)
7.1 背景
近50年來，多國海軍在大量潛艇結(jié)構(gòu)上應(yīng)用復(fù)合材料取得了巨大成功。早的應(yīng)用就是潛艇的流線裝置，即一些流線型結(jié)構(gòu)，用來覆蓋主體鋼耐壓殼體的孔洞或覆蓋突出的物體以利于水力流動。1953年，美國海軍先給Guppy級潛艇的指揮塔安裝了一個全玻璃鋼流線裝置，以確定其性能是否優(yōu)于傳統(tǒng)的鋁合金流線裝置。鋁流線裝置在使用中會遭受嚴(yán)重腐蝕、需要經(jīng)常維護(hù)和維修。復(fù)合材料流線裝置則更持久耐用，而且?guī)缀醪恍枰S護(hù)。因此，在20世紀(jì)50年代到60年代早期，至少有25艘Guppy級潛艇安裝了復(fù)合材料流線裝置。
與此同時，英國和法國海軍則在潛艇耐壓殼體外安裝了很多復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。包括上部結(jié)構(gòu)、鰭、桅桿套耐壓殼體上部的外罩和弓形聲納罩。此外，60年代期間他們評估了潛艇的方向舵和桅桿采用復(fù)合材料的可能性。
7.2 復(fù)合材料耐壓殼體和控制板面
1966年，Alfers報道了采用纖維纏繞復(fù)合材料制造潛艇耐壓殼體的可行性。雖然制造全復(fù)合材料潛艇殼體的進(jìn)展緩慢，但是，已經(jīng)出現(xiàn)了大量的小型全復(fù)合材料潛艇和遙控型水下船只。近的研究表明，復(fù)合材料耐壓殼體比鋼殼體具有更多的優(yōu)點(diǎn)，如重量更輕、耐腐蝕性更好、靜水強(qiáng)度更高、電和磁特性更弱。此外，對比例為1/22的復(fù)合材料耐壓殼體進(jìn)行測試，結(jié)果表明其運(yùn)行水深是鋼殼體的3-4倍。但是，復(fù)合材料耐壓殼體也存在很多問題，如制造成本極高、層間剪切強(qiáng)度低、容易產(chǎn)生壓縮疲勞失效、耐火性差等。因此，復(fù)合材料很難應(yīng)用在大型潛艇殼體上。
英國國防評估和研究部考察了在鋼殼體外圍安裝一種夾層復(fù)合材料的可能性。以期這樣做可以增加殼體的總體屈曲強(qiáng)度、降低疲勞應(yīng)變、降低腐蝕、減弱聲、磁和電特性。另外，還可將一些有效載荷項(xiàng)和傳感器埋設(shè)于復(fù)合材料中。Smith等人對這種設(shè)計理念的可行性作了初步研究。在將這項(xiàng)技術(shù)在潛艇上進(jìn)行測試以前，還需要做大量的研究工作。復(fù)合材料同時也可以應(yīng)用在小型潛艇的內(nèi)部殼體結(jié)構(gòu)中。例如，美國海軍制造了一種長20米，寬2.5米的新型隱身潛艇，潛艇的耐壓殼體采用鋼制造，但是采用了一個外部結(jié)構(gòu)來封裝，其中頭部整流罩和尾翼等由復(fù)合材料制成。
某些公司正在考察復(fù)合材料在潛艇控制板面上的應(yīng)用，比如弧面、鰭和方向舵。預(yù)計采用復(fù)合材料的大優(yōu)點(diǎn)是可以減輕重量、降低制造成本和腐蝕。因?yàn)榭刂瓢迕嬖诔尚蜁r，可以按照所需的水力形狀模塑而不需要再加工，所以可以降低成本。Koudela等人用混合的碳纖維和玻璃纖維制作了一個復(fù)合材料的小鰭，比同等尺寸的鋁鰭輕50%、便宜23%，而水力和聲學(xué)性能不低于鋁鰭。但是，復(fù)合材料控制很少應(yīng)用于大型潛艇的控制板面上。幾年前，核潛艇上安裝過石墨-環(huán)氧俯沖面，但是幾乎沒有公開的相關(guān)性能的信息。國防評估和研究處正考慮制造玻璃鋼/消聲橡膠夾層復(fù)合材料引鰭和方向舵，以獲得更高的消聲性能和抗沖擊性能。
7.3 桅桿
近年來復(fù)合材料逐漸應(yīng)用在潛艇的通訊桅桿、光電監(jiān)視桅桿和非殼體穿透桅桿中。相對于鋼桅桿來說，復(fù)合材料桅桿具有很多優(yōu)點(diǎn)，如輕質(zhì)、無腐蝕，允許制造復(fù)雜形狀的產(chǎn)品卻無須再加工，而且能在整個桅桿上涂敷雷達(dá)吸波材料。英國皇家海軍在Upholder級潛艇上安裝了復(fù)合材料通訊桅桿。澳大利亞皇家海軍也在其Collins級潛艇上安裝了類似桅桿。Tpye209型潛艇可以安裝這樣的桅桿。
7.4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)、裝備和配件
復(fù)合材料在潛艇耐壓殼內(nèi)部的廣泛應(yīng)用正處于研究中。與水面艦艇類似，這些應(yīng)用包括艙壁、甲板、艙門、主推進(jìn)軸、沉浮箱、儲油罐、機(jī)械、泵、閥和管道系統(tǒng)。對于一艘現(xiàn)代化的核潛艇來說，在這些部件上采用復(fù)合材料，可減輕的總重大約為400噸。 這些應(yīng)用的看法和測試工作幾乎未見報道。普遍認(rèn)為，美國海軍在其研究和開發(fā)潛艇，USS Memphsis 上對復(fù)合材料主推進(jìn)軸、各種機(jī)械底座和一些氣瓶進(jìn)行了評價。先對這些部件進(jìn)行測試，因?yàn)槠滹L(fēng)險相對較低，一旦可行可以大幅減重。Evans等人提出，一旦對復(fù)合材料的接受和信心達(dá)到令人滿意的水平，就要對其它風(fēng)險高一些和減重更多的部件進(jìn)行測試，如艙壁、泵和閥。除非復(fù)合材料在海軍艦艇上的應(yīng)用獲得充分的認(rèn)可，否則其在潛艇上的廣泛應(yīng)用將遙遙無期。
8 結(jié)論
復(fù)合材料在軍艦和潛艇上的各種新應(yīng)用見圖11。從圖中可以看到，現(xiàn)階段復(fù)合材料的應(yīng)用分為下面幾類：概念期 （C）、技術(shù)論證期（TD）或技術(shù)成熟期（D）。大部分的應(yīng)用都處于技術(shù)論證階段，尤其是潛艇上的應(yīng)用。大部分技術(shù)已經(jīng)成熟的應(yīng)用僅限于相對較小的海軍艦艇（巡邏艇，MCMV、輕巡洋艦），或大型艦艇和潛艇上的非結(jié)構(gòu)性、非關(guān)鍵部件。
在絕大多數(shù)情況下，在海事結(jié)構(gòu)、部件和裝置上，采用復(fù)合材料來代替鋼、鋁合金或銅都經(jīng)歷了一個艱難而緩慢的過程。金屬制品的性能非常好。海軍艦艇的設(shè)計師、制造師和操作師們對金屬充滿了信心。只有當(dāng)復(fù)合材料在降低艦艇的購買成本和使用壽命內(nèi)的維護(hù)成本、提高穩(wěn)定性和性能方面具有強(qiáng)大潛力時，才可能考慮用其來替換金屬。
阻礙復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的其它因素很復(fù)雜。重要的一點(diǎn)就是在優(yōu)化設(shè)計大型的復(fù)雜承重海事結(jié)構(gòu)時，缺乏設(shè)計規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和能夠直接使用的、可對大型的受載復(fù)雜的海事結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的簡單模型。雖然復(fù)合材料在海軍艦艇上已經(jīng)應(yīng)用了50年，設(shè)計者們所需要的信息和工具還不是很全面。例如，當(dāng)復(fù)雜海事結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊、震動、碰撞和火災(zāi)時，目前還沒有能夠確定其是否失效的分析工具。此外，由于復(fù)合材料的各向異性，其縮放規(guī)則特別復(fù)雜，因此，在設(shè)計承重結(jié)構(gòu)時就比金屬的復(fù)雜得多。為了克服這些困難，普遍的做法就是在進(jìn)行復(fù)合材料艦艇結(jié)構(gòu)設(shè)計時，采用比鋼材設(shè)計高得多的安全系數(shù)。大部分復(fù)合材料結(jié)構(gòu)采用的安全系數(shù)是4-6，當(dāng)結(jié)構(gòu)承受沖擊載荷時安全系數(shù)達(dá)到10。安全系數(shù)高導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重，體積龐大，這樣就嚴(yán)重抵消了復(fù)合材料比強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。
另一個重要問題就是在設(shè)計復(fù)合材料結(jié)構(gòu)時，如何利用已有的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)。一些海軍設(shè)計者們把金屬和復(fù)合材料同等對待。結(jié)果設(shè)計的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能很差。例如，雖然復(fù)合材料聯(lián)接更為困難，但復(fù)合材料艦艇的聯(lián)接幾乎與焊接鋼的聯(lián)接類似，結(jié)果所得玻璃鋼聯(lián)接的強(qiáng)度和耐疲勞性能較低。
缺乏高性能、低成本的生產(chǎn)方法也是制約復(fù)合材料在大型海軍艦艇上應(yīng)用的另一個因素。制造成本是考慮任何船舶設(shè)計的基本因素，多年以來，在大部分造船應(yīng)用中，復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料（除了木材外）相比，在成本上都不具備競爭力。迄今為止，大部分復(fù)合材料海事結(jié)構(gòu)都采用樹脂浸漬增強(qiáng)材料制造而成，此工藝周期長、勞動密集、費(fèi)用昂貴、且難以控制產(chǎn)品質(zhì)量。在進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計時，為考慮制造缺陷而引入的部分安全系數(shù)是2，而在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由于整個制造過程可以受到很好的控制，采用的安全系數(shù)是1.5。采用低成本制造工藝，如SCRIMP和RTM可以解決控制問題，生產(chǎn)高質(zhì)量的復(fù)合材料。但是，這些工藝需要艦船制造商們引進(jìn)新的制造方法，而這項(xiàng)費(fèi)用幾可讓人望而卻步。
艦船制造商們?nèi)狈δＰ秃痛笮偷姆€(wěn)定的信息數(shù)據(jù)庫來預(yù)測復(fù)合材料海事結(jié)構(gòu)的制造成本。本文列舉了很多應(yīng)用復(fù)合材料的例子，但是其制造成本很難預(yù)測。成本取決于一系列因素，如復(fù)合材料的類型、制造工藝、電磁防護(hù)和雷達(dá)吸波材料。例如，一個復(fù)合材料的護(hù)衛(wèi)艦上部結(jié)構(gòu)的制造成本比鋼可能高出10-240%。直到近來，艦船設(shè)計者和操作者們才意識到使用復(fù)合材料可以降低維護(hù)和油耗。工作壽命內(nèi)節(jié)約的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過購買成本上升的幅度。
嚴(yán)格的性能要求阻礙了復(fù)合材料在海軍艦艇上的應(yīng)用。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)需要通過一系列嚴(yán)格的規(guī)則，內(nèi)容涉及抗氣流沖擊、抗水下振動損壞、和防火性能（可燃性、明火、煙塵、毒性、結(jié)構(gòu)整體性）、碎片/彈道保護(hù)，以及雷達(dá)/聲納性能。評價復(fù)合材料結(jié)構(gòu)能否成功所需要的數(shù)據(jù)極其有限，而測試確定復(fù)合材料在沖擊、振動、彈道和明火條件下的性能，是一項(xiàng)曠日持久而且費(fèi)用按昂貴的的工作。 滿足設(shè)計要求是水上結(jié)構(gòu)面臨的一個主要問題，因?yàn)樵O(shè)計能夠承受氣流沖擊載荷的聯(lián)接花費(fèi)了大量的精力。
致謝
本文作者感謝J. Ritter博士, S. Cannon博士和C.Gardiner博士的建設(shè)性的意見。感謝Janes信息集團(tuán)友好地允許發(fā)表圖6和圖7的照片。
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