复材应用|复合材料在船舶上的应用(第四部分)

  (接第三部分)

  2.5 潜艇和深海潜水器

  2.5.1 潜艇

  早在20世纪50年代,一些海军国家就用复合材料制作潜艇声呐导流罩。随后美、英、法等国用复合材料建造耐压壳,指挥台围壳、稳定翼、非耐压壳等,使复合材料在潜艇上的应用得到了较大发展。

  1)复合材料耐压壳与操纵舵

  Alfers于1966年就报告了关于采用长纤维缠绕复合材料建造潜艇耐压壳的可行性。多项新研究认为,在耐压壳中采用复合材料比采用钢材优点多,诸如:减轻重量,增强耐腐蚀性,降低电磁信号,改善水动力强度等,提高下潜深度(复合材料建造潜艇耐压壳可比钢壳下潜深度提高3~4倍)等。美国防护评估研究所(Defence Evaluation and Research Agency)曾论证了在钢耐压壳侧壁敷设夹芯复合材料的可能性,目的是为了提高结构的总体屈曲强度,使疲劳应变、腐蚀、噪声、磁信号和电信号降低。目前,美国海军正在秘密地建造一种长20m,宽约2.5m的复合材料新潜艇。潜艇的钢耐压壳结构被由复合材料制成的外部结构所包围,包括首部流线型结构和尾部结构。

  复合材料还可用在稳定翼和舵上。Koudela等采用碳纤维和玻璃钢增强纤维材料混合制作了一个小稳定翼,该稳定翼与同尺度铝合金稳定翼相比,不仅具有优良的水动力性能,且重量轻50%,成本降低23%。美国防护评估研究所正在制造的潜艇舰桥导流罩和舵,采用的是FRP/无回声橡胶夹芯复合材料,使其具有优良的声学隐蔽性和良好的抗冲击性能。

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  图23 国产092、094核潜艇部分壳体件采用复合材料

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  图24 潜艇舵的水平稳定翼

  2)升降装置

  复合材料制作的升降装置与钢质的相比,重量轻,无腐蚀,复合材料可以模拟复杂的形状,且不需机加工,在整个升降装置中可掺入雷达波吸收材料。英国海军已在“支持者”级潜艇上安装了复合材料制作的通信升降装置;澳大利亚的“科林斯”级潜艇和部分209型潜艇也将安装类似的复合材料升降装置。

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  图25 英国“支持者”级潜艇(图片来自互联网)

  3)内部结构、设备和装置

  潜艇能否像水面舰艇一样在舱壁、甲板、舱口、主推进器、压载水舱、备用舱、机器的基座、泵、阀、管路和导管等部位及设备上广泛应用复合材料的问题仍在探讨之中。如果现代核潜艇在这些方面使用复合材料,预计可减少重量达400t。

  美国海军可能正在研究和开发用复合材料制造潜艇主推进器轴、各种机座和空气瓶,并将安装在“洛彬矶”级攻击型核潜艇的“孟菲斯”号上。首先在这些方面应用,是因为危险性小和减轻重量效果显著。

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  图26 潜艇用电池槽

  2.5.2 深海潜水器

  目前,世界上几个主要海洋大国都已具有6000m级的深海载人潜水器。深海载人潜水器可采用复合材料轻外壳来保持潜水器的线型,提高潜水器潜水动力性能,减少运动阻力;保护内部设备(具有一定的抗冲击力)。复合材料制作轻外壳的优点是比强度、比刚度高,可设计性强,抗疲劳和耐腐蚀能力好。

  Ocean Gate公司、华盛顿大学应用物理实验室(APL-UW)和波音公司一道进行了最大下潜深度为3000米的新一代载人潜水器Cyclops的研制工作,并于2013年8月21日宣布完成了初始的碳纤维船体设计和可行性研究,在2016年正式投入市场。

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  图27 新一代载人潜水器Cyclops

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  图28 新一代载人潜水器Cyclops

  (未完待续)