039C的圍殼為什麼是蘑菇形的（多圖殺貓）_風聞

晨枫-军事撰稿人-古今多少事，都付笑谈中2021-11-18 23:20

2021-11-18

在網上流傳最新的039C圖片中，蘑菇形的圍殼引起人們的好奇：為什麼是這樣一個形狀？

蘑菇頭看起來更加流線一點，但索性弄成俄羅斯風格的流線型不香嗎？

這要從圍殼是幹什麼用的説起了。潛艇在風浪裏，沒有“甲板”可以作為指揮位置，必須有一個高聳的指揮台，也叫圍殼，供艇長登高指揮之用，否則低矮的“甲板”上浪嚴重，根本無法指揮航行和作戰

一戰時代的英國B級潛艇很簡陋，圍殼很小，也不夠高，索性再搭一個簡陋的指揮台，倒也管用。但圍殼的作用還不止於此

小小帆船要在大風浪裏不翻船，需要有秘密武器相助

這秘密武器就是船底探入水下的“機翼”形狀的穩定鰭

這不是穩定前進方向用的，而是在風浪中在水動力作用下使船體自然回正用的。在風浪中，船會傾斜，水下的“翼面積”產生反作用，實現自然回正。右面的船還增加了沿“翼尖”的凸台結構，“鈎住”水流，減少了水流繞“翼尖”的繞流，增加了回正作用，或者在同樣回正作用要求下，可減少“翼面積”，降低阻力

潛艇只是反過來了，把“機翼”安裝在上方，同時兼做指揮塔，這是美國“洛杉磯”級

039C圍殼的蘑菇頭可以看成穩定鰭的凸台，可降低圍殼高度和麪積。還有説法這是降低在水面狀態下雷達反射面積用的，這頂多是次要的優點，在有可能遇到敵人反潛飛機搜索的地方，潛艇根本不應該上浮，否則圍殼舵也應該隱身修形，還需要艇脊與圍殼蘑菇頭的角度對齊，等等。都沒有。看來還有其他原因

潛艇要下潛的時候，可以用壓載水艙整體下潛，但速度比較慢，動靜也比較大。用舵面控制、通過水動力“扎猛子”就要快多了。艇尾有十字舵或者X形舵，但要扎猛子的話，艇尾舵是不給力的，用力過猛索性就出水了，需要用前置舵面

前置舵面有艏舵和圍殼舵。艏舵的勁大，但離艇艏近，水動力噪聲可能影響聲納的工作。這是英國“機敏”級，採用高置艏舵，位置也稍後一點，減少對聲納的干擾

艏舵從艇體兩側伸出來，靠泊的時候只能“懸離”碼頭或者補給船，避免艏舵碰撞。必須用長跳板上下倒不是大問題，問題是風浪的時候，較難可靠繫泊，需要額外設施才能固定靠泊的潛艇。

“特拉法爾加”級也用艏舵

但位置較低，在水線以下，在水面航行時看不見，一方面能馬上發揮作用、迅速下潛，另一方面增加水面航行時的阻力。不過水麪航行阻力對常規潛艇是個問題，對核潛艇不是問題，除了進出港和特殊作業，核潛艇很少在水面航行

“機敏”級這樣艏舵高置，水面航行時阻力小，但風浪大的時候拍擊嚴重，影響縱搖穩定性，而且也對迅速下潛沒有幫助，需要在艏舵潛入水下後才能起作用

艏舵使得圍殼比較乾淨，有利於在北冰洋穿冰上浮，這是美國“海狼”級“海狼”號和“康涅狄格”號在北極點上浮，也採用艏舵

圍殼舵當然就是舵面安裝在圍殼上，與艏舵相比，作用力矩短，在同樣的舵效要求下，舵面積要加大，增加阻力。這是美國“洛杉磯”級

圍殼舵沒有水面航行時的阻力問題，而且位置高，很少受到海狼拍擊影響，但也在水面航行時不起作用，只有在已經下潛的時候才能幫助迅速深潛，

不過後28艘的“改進洛杉磯”級把圍殼舵改成艏舵了，有可能有冷戰時代對蘇冰下作戰的考慮，這大概是歷史上唯一的在同級建造中在圍殼舵和艏舵之間改來改去的

不過圍殼舵豎立起來，也是能穿冰而出的，這是美國“鱘魚”級

常規潛艇需要較多考慮水面航行，採用圍殼舵較多，這是德國212型

靠泊比較簡單，可以直接靠到碼頭上，不用擔心圍殼舵的碰撞問題

039也用圍殼舵

常規潛艇也有采用艏舵的，德國214型就是，只是艏舵位置比較靠後，降低水動力噪聲對艇艏聲納的影響，但舵效也降低了，需要增大舵面積

214型的艏舵還有端板，作用和飛機機翼的翼梢小翼相似

但圍殼設計中最主要的考慮並不是圍殼舵，而是本身的阻力和噪聲。以德國209型潛艇為例，圍殼只佔表面積的8.84%，但高速航行時阻力卻佔12.71%

對於速度更高的核潛艇來説，圍殼阻力的影響更大，這是美國“洛杉磯”級

二戰德國潛艇的圍殼大多為橢圓筒形，有點減阻和耐壓的考慮，但在水動力方面還沒有太大的講究

二戰末年的XXI是劃時代的，對潛艇的影響好比梅塞施密特Me 262對戰鬥機的影響。XXI沒有來得及在戰爭中發揮作用，二戰就結束了。但XXI在很多方面奠定了戰後潛艇技術的基礎，圍殼已經和現代潛艇很接近了，平面形狀呈前鈍後鋭的機翼形

從此，刀片一樣瘦削的翼型圍殼成為現代潛艇的典型構型，極大地減小了阻力，這是美國“特里頓”級，只有1艘

隨着潛艇速度的提高，圍殼的噪聲成了大問題。雪茄形（或者紡錘形）的艇體外形並不保證水流簡單地沿着前進方向從前向後流動，而是在不同地方有不同的尾流和渦流

圍殼本身造成尾流，圍殼側面根部的情況更加複雜，形成由下向上、向內翻卷的馬蹄渦，可能對艇殼造成有規則的敲擊聲，很容易暴露目標

再仔細點看，由於水的粘性，從艇的上表面開始，沿高度方向有一個像拋物線一樣的速度分佈，橫向的箭頭代表本地速度。艇體表面速度在理論上為零，然後迅速過渡到自由水流的速度，過渡層高度稱為邊界層。用圓柱作為圍殼的簡化的話，邊界層的存在使得面向前進方向的柱底有水力衝壓形成的月牙形空腔，流到兩側就形成馬蹄渦，向後則進一步匯合成尾流渦

這是另一個圖示，不光顯示了水平方向的流動，還顯示了垂直向下的速度分佈及對形成馬蹄渦的關係，注意：越貼近壁面，向下流動的趨向越強

圍殼前緣後掠可以降低向下流動的壓力分量，也可以看成斜前緣把水流強迫“往上抬”，減弱馬蹄渦的形成

德國214型潛艇就是這樣的，只是圍殼是圓角四面梯形，而不是簡單後掠

由於馬蹄渦是在圍殼側和頂甲板之間的夾角角落裏形成的，圍殼側直接過渡到艇側就取消了這個夾角，取消了馬蹄渦形成的條件，這是德國212型

代價是圍殼寬度較大，阻力較大。不可能在外面從前甲板走到後甲板是個問題，但這不是不可克服的。這是德國212型

圍殼較寬也是有好處的，圍殼頂的指揮台比較寬敞，這是隻有1500噸的212型

英國“機敏”級也是差不多的圍殼構型，側壁與艇側融合較好

由於噸位更大，圍殼頂的指揮台更加寬敞

相比之下，6000噸的“洛杉磯”級的圍殼頂指揮台好像比噸位只有1500噸的214型還要狹窄一點

好處是阻力小得多，相應的圍殼尾流也小得多，而這是水動力噪聲的另一個主要來源，下面要談到

美國潛艇用瘦削的翼型圍殼為多，這是“鱘魚”級，這個時代還是簡單的直角連接，前緣沒有填角處理，這使得圍殼前緣根部有明顯的海浪堆積

用圍殼前端填角把水流“剖開”，可以顯著緩解馬蹄渦問題。填角可以在圍殼底部近似為前緣後掠，這是美國“弗吉尼亞”級

但圍殼上段的垂直前緣使得結構更堅固，製造也更簡單，對於有穿冰要求的美國海軍來説很重要，這是“海狼”級，最早在美國潛艇裏採用前端填角。美國潛艇圍殼也用垂直後緣，至今無一例外

蘇聯海軍是完全不同的路子，採用低矮但較長的流線型圍殼，降低圍殼阻力，也降低圍殼尾流。蘇聯用流線型圍殼很早，這是60年代的671型，北約代號“維克多”級

971型（北約代號“阿庫拉”級）更進一步，圍殼周邊根部也充滿了填角。前填角增加後掠作用，側填角則“佔據”了圍殼與頂甲板之間夾角的低壓區，拒絕馬蹄渦的形成，與蘇-27巨大的尾錐減少寬間距雙發的後體渦流阻力有異曲同工之妙。這也不可能從前甲板走到後甲板，不過這對核潛艇來説無所謂，除了在港內和海上特殊作業，頂甲板上反正沒人走動

但低矮的圍殼需要大大加長，才能恢復足夠的橫搖穩定性，摩擦阻力增加了，流線型的減阻實際上補回來了，並沒有降低很多。天下本無免費的午餐

885級（“亞森”級）繼續蘇聯潛艇的設計傳統

繼續採用雙層殼和流線型圍殼

蘇聯潛艇採用高度流線型圍殼是因為採用雙層殼的有利條件。雙層殼體的外層與內層之間是中空的，在水下時充滿海水。由於水壓的各向均勻性，內外層之間的形狀可以不規則，但外層殼的內外側受到同樣的壓力，可用低規格鋼板製造，焊接要求也低。外層是非耐壓殼。內層殼是用高強度的潛艇鋼製造的耐壓殼，是規則的圓柱體，便於製造，便於承壓。雙層殼和單層殼的優劣是容易引起口水戰的話題。雙層殼的外層對內層有保護作用，提高抗戰損能力；外層殼便於實現複雜的流線型，降低阻力。但雙層殼增加排水量，增加阻力，提高動力要求，建造也更加複雜（是費事，但未必難度更高，實際上耐壓殼的製造難度還降低了）。另外，外層殼和內層殼之間一般間距很小，需要大量流水孔才能讓海水順暢地流入、流出，增加水動力噪聲。減少流水孔就有進排水較慢的問題，為了限制對非耐壓殼的受力，只有限制上升和下沉的速度了。這是971型在上浮後，流水孔正在排水

雙層殼體有顯著的“殼包殼”結構

內層的耐壓殼的加強肋框可安排在殼間，增加耐壓殼內的可用空間，這是“基洛”級在建造中

對於彈道導彈潛艇來説，如果大直徑艇體太困難，就只有讓導彈筒穿透耐壓殼

在外觀上，這就是“龜背”，阻力和噪聲都增加，這是蘇聯“德爾塔IV”級

雙層殼最極端的要算蘇聯的“颱風”級

主體採用兩個並排的耐壓殼體，前端和中段甚至是品字形的三耐壓殼體，結構高度複雜

內部當然是異常寬大

甚至自帶桑拿

非常符合蘇聯式的暴力美學。這裏可以看到拆掉外層殼後暴露的耐壓內殼的外加強肋框

雙層殼的另一個比較極端的例子是“庫爾斯克”級

內層的耐壓殼還是圓柱體，外層的非耐壓殼就是扁圓的，兩側鼓出來部份的內部空間用於巨大的導彈發射管

從“庫爾斯克”號打撈起來的殘骸，可以清楚地看到內部結構

單層殼和雙層殼都是在二戰末年德國首先推出的，單層殼的XXIII比雙層殼的XXI小得多，也是淺水專用，所以後者名氣大得多。XXIII也是最純粹的單層殼，壓載水艙在耐壓殼之內，佔用寶貴容積。這之後再也沒人這樣做了。壓載水艙在艇底還是受到傳統思維侷限了。那還是潛艇的水面航行是主要設計考慮，潛艇只是“可下潛的魚雷艇”，加註壓載水反而提高穩定性。XXI和XXIII是最早將水下作為主要作戰模式設計的，但有些東西還是沒有一下子全轉過彎來。現代潛艇的壓載水艙如果不是包覆式或者首尾式，一般在上部。這是對水下作戰重新認識的結果。大部分時間裏，壓載水艙是不充滿海水的，不同程度空心的頂置壓載水艙降低了重心，增加穩定性。

XXI的雙層殼和現代雙層殼也有點不一樣，外層殼有點像雞蛋形，壓載水艙也在側下，但在外層的非耐壓殼和內層的倒立葫蘆形耐壓殼之間，這樣可以用地板借一把力，提高結構剛度，把難度高的大直徑圓柱分成難度較低的兩個較小直徑的半圓柱

現代單層殼有大段耐壓殼直接暴露在水中的（上和下），這還是比較原教旨主義的單層殼；也有耐壓殼體根本不暴露在水中的（中上），或者部份暴露在水中的（中下）。都説是單層殼是因為使用單層殼的建造方法：耐壓殼的加強肋框在內側。陰影區域為壓載水艙

美式單層殼是最接近原教旨主義單層殼的，結構最緊湊，同樣有效容積下噸位最小，速度最高，動力艙最大，但材料和建造要求也最高。主體是單層殼，艇艏球和艇尾錐在耐壓殼外的，相當於雙層殼。這裏也是壓載水艙姿態調整水艙的位置，前者用於上浮和下潛，後者用於調整仰角。潛艇也可以像飛機一樣，通過不同的仰角來上浮和下潛，而不用舵面。這樣不僅降低阻力，也降低噪聲。美國核潛艇大多是這樣的佈局，這是“洛杉磯”級

也正因為這樣，“舊金山”號水下撞山的時候，艇艏撞得稀爛，但耐壓殼沒有大礙，安全返航了

中段説單層殼還就是單層殼，這是“洛杉磯”級“明尼蘇達”號，耐壓殼就是艇殼，密集的加強肋框在內側

法國的“梭魚”級也是這樣的：主體是單層殼，艇艏和艇尾錐在耐壓殼之外，壓載水艙也在這裏

彈道導彈核潛艇則和雙層殼一樣，導彈筒太大，就只有穿透耐壓殼體

美國“俄亥俄”級好像看不出龜背，實際上只是龜背很低矮而已。艇體直徑12米，導彈筒長度13米，沒有辦法。造價已經逆天了，再要增加艇體直徑就太過分了

德系（包括瑞典）潛艇説起來是單層殼，實際上是混合結構，經常是圓柱體艇體主體是單層殼，但還有高聳顯眼的艇脊，這部分相當於只覆蓋上部的雙層殼。艇脊裏像雙層殼的殼間空間，是淹沒區，常用作壓載水艙、額外設備艙（如AIP的液氧瓶）等。平整的頂甲板也便於走動。艇脊也可等效為一定的圍殼面積，降低實際圍殼的面積和高度。這是瑞典的A14級

這是澳大利亞的“柯林斯”級，基於瑞典A19型（“哥特蘭”級）的放大設計，也是單層殼加非耐壓艇脊的設計

“柯林斯”級在建造中，能看到單層殼，艇脊的非耐壓罩還沒有加上去，但能看到圍殼底部留出的安裝位置

德國212型也是圓柱艇體加艇脊

頂甲板下橙紅色就是耐壓艇殼外的“淹沒”區，可相當於雙層殼之間的區域

放大後的細節，“5”所示為淹沒區

“31”則是艇尾淹沒區裏的AIP液氧瓶

英國“機敏”級也受德系影響，具有顯眼的艇脊

包覆在頂甲板和耐壓柱體、前後半球之間的區域也是淹沒區

“12”就是主壓載水艙的進出水系統，“13”就是耐壓柱體的後半球體

前半部也有類似的半球體（“79”）和外層殼之間的淹沒區，同樣是壓載水艙的一部分

俄羅斯636型（北約代號“基洛”級）是雙層殼，但也有一條艇脊，可以等效為一點圍殼面積

也提供便於走動的頂甲板，雙層殼的流水孔清晰可見

但單層殼也是有流水孔的，壓載水艙必須要有流水孔，而且不管單層殼、雙層殼，圍殼總是在耐壓殼體之外的，艇艏罩和艇尾錐也在耐壓殼體之外，上浮的時候還是要排水。這是以色列的“海豚”級，可以看作德國212型的改進型

其實説起來，單層殼的流水孔也不少，這是韓國引進建造的214型在上浮

事實上，但從外觀來看，除了雙層殼通常有較多的流水孔，單層殼和雙層殼已經不容易看出來了。左一是單層殼帶艇脊和單側稜罩殼，左二是單層殼帶艇脊和多側稜罩殼，右一是雙層殼帶有蓋板、可升起的導彈發射管（早期巡航導彈潛艇多用），右二為雙層殼帶側稜。這裏單層殼還是雙層殼主要看加強肋框在耐壓殼內側還是外側

日本的“蒼龍”級的耐壓殼不是規則的圓柱，而是在兩頭收縮直徑

這樣的“精神單層殼”已經和雙層殼十分接近了，但在結構上還是有一點好處：加強肋框在耐壓殼內側的話，受力方式是“頂着”，抗壓能力強，但佔用一點耐壓殼內空間；加強肋框在外側的話，受力方式是“拉着”，抗壓能力要弱一點，但耐壓殼內空間完全可用。如果大直徑耐壓殼技術過關的話，還是內側加強肋框更加好，佔用一點還是有足夠的可用空間；但到了耐壓殼內部容積斤斤計較的時候，外側加強肋框就是很必要的選擇了

美式“原教旨主義單層殼”除了艇艏和艇尾，最接近簡單圓柱體，而且較為細長，高速性更好。單層殼的材料和工藝要求非常高， 11-12米直徑的艇體圓度偏差1英寸（2.53釐米）就可喪失30%的耐壓能力。艙段的精密和堅固焊接是另一個挑戰。美國潛艇的材質和工藝過硬，所以不僅單層殼直徑大，而且不怕一段一段焊接的工藝問題。同級的俄羅斯潛艇就只有用較小直徑的耐壓殼和雙層殼構造，來得到足夠的使用容積了。這是美國“弗吉尼亞”級

歐系混合式的截面就接近梨形，較為粗短，機動性更好，但艙段少，焊接要求低一點。這是英國“機敏”級

圍殼尾流會沿艇體上表面向艇尾“爬行”，如果沿着尾錐“爬”進螺旋槳，可能造成空泡噪聲，這是用計算流體力學對最簡單的直線前進狀態時尾流的形象化模擬（visualization）

較窄的圍殼減小圍殼尾流，很長的後甲板使得圍殼尾流有足夠的空間平順化，降低空泡噪聲問題，這是美國“海狼”級

後甲板較短就要對水動力外形仔細設計了，這是荷蘭“海象”級

可以看到，後體設計非常精心，很接近水滴型，不過空間利用率較差，很長的漸收段也增加了建造的困難，這還是“海象”級

澳大利亞“柯林斯”級最初不僅有嚴重的馬蹄渦噪聲問題，還有圍殼尾流造成螺旋槳空泡噪聲問題

與“海象”級相比，後體設計要簡單粗暴不少

後來用圍殼前端填角和後緣的前掠整流罩解決了問題。前端填角解決馬蹄渦的問題，後緣整流罩增加了圍殼底座的“翼型”長度，提高了接近頂甲板高度的局部流速，與上方較短的長度形成速度梯度，將水流“帶離”艇體上表面，解決螺旋槳空泡噪聲問題

注意圍殼頂後端有一塊延伸的尾板，這是抑制圍殼頂尾流用的

荷蘭“海象”級圍殼頂後端也有功能類似的裝置

本來準備替換“柯林斯”級的法國“短鰭梭魚”級也是“柯林斯”級那樣的圍殼，不過沒有那塊尾板。圖中實際上是“梭魚”級，“短鰭梭魚”級的核動力兄弟

但圍殼的渦流實際上還有偏航角的影響。直線前進時，圍殼頂形成一對對稱但旋轉方向相反的渦流，圍殼底也是一對對稱但旋轉方向相反的馬蹄渦；右轉10度時，左側艇體表面流動開始變形，上表面形成艇體渦（Fhc），下表面形成艇底渦（Fhb）。圍殼頂發生橫跨的流動，與原來的圍殼頂的左渦流匯合成尾流渦的上半支，同時圍殼下半部發生向上的流動形成另一支尾流渦，兩股匯合，互相加強，形成強大的圍殼頂的尾流渦（Fft）；右轉角度進一步增加到18度時，圍殼側的尾流渦分成上下兩支，上支繼續與圍殼頂的尾流渦互相加強，形成圍殼頂的尾流渦（Fft），下支則與左側馬蹄渦匯合並互相加強，形成更加強大的左馬蹄渦（Ffp）。在所有情況下，圍殼前底角都形成圍殼前角點渦（Fj）

這就是“蘑菇頭”的作用了：在直線航行時，削弱圍殼頂尾流的形成，否則前緣後掠的圍殼產生上升流動，會加強圍殼頂渦流的；在轉彎時，將圍殼側上升渦流與圍殼頂渦流“隔離”開來，削弱尾流渦，降低噪聲。額外的空間也改善圍殼頂指揮台的空間條件。蘑菇頭後方的列孔是圍殼的流水孔

從側面，可以對“蘑菇頭”增加一點認識。這裏還能看到，艇脊加高、加寬了。可能用於增加AIP燃料（包括液氧）的攜帶量，並擴大在艇脊集中的壓載水艙，降低從雙層殼裏流入流出的需要，改善上浮和下潛性能

039可以説是第一代真正中國設計的潛艇，前面的033是從蘇聯設計的633型（北約代號“羅密歐”級）改進過來的，035則是033的改進型

039深受“基洛”的影響，除了採用圍殼舵，基本設計很相像，也是雙層殼，也有顯著的艇脊和流水孔。在某種程度上，流水孔的多少反映了技術水平。外層殼強度高到接近耐壓殼的話，只要很少的流水孔就夠用了，當然材料、重量和建造難度都增加了。外層是“軟殼”的話，就需要很多流水孔降低蒙皮受力。039見證了中國潛艇技術的發展其型號沿革就是中國潛艇技術的發展史