0 引　言

提升声隐身性能、实现结构减重是潜艇隐身设计将新材料技术应用于其结构设计的最主要目的，同时还要兼顾防腐、防污等需求^[1-8]。机械噪声、水动力噪声、螺旋桨是潜艇三大噪声源^[9-10]。其中，低航速下机械噪声影响为主，中高航速下水动力及螺旋桨噪声影响为主^[11]。其中，机械噪声主要通过新型高效隔振装置及新型减振元件技术控制^[12-13]，并取得较好效果^[14-15]，而当前中高航速下水动力噪声控制措施较少，得益于近年来新材料在船舶行业的飞速发展，其对潜艇中高航速下流激噪声控制需求也显得尤为迫切^[16-17]。

目前，复合材料等新材料在潜艇非耐压结构中大量应用，主要包括非耐压船体水密结构和非水密结构，如围壳、上建、首尾端结构等。潜艇结构设计要求具备足够的强度和刚度，尽量重量轻、结构尺寸小，并满足流体力学性能等^[7]。自1897年现代潜艇史上著名的“霍兰”号潜艇建造成功以来，金属材料一直占据结构材料主导地位，目前大多采用高强度钢，俄罗斯“阿尔法”级潜艇则采用了钛合金，并具备1000 m下潜深度的能力。近年来，随着复合材料等新材料技术的飞速发展，潜艇结构新材料应用呈现出不断扩大趋势，应用对象基本针对非耐压结构^[18]。

美国国防部在2025年国防材料发展预测中指出，只有复合材料能够将强度、模量和耐高温的材料性能指标在现有基础上同时提高25%以上^[19]。英国劳氏船级社在其出版的“Global Marine Technology Trends 2030”（全球船舶科技发展趋势2030年）中关于海军舰船技术发展趋势部分明确指出，“先进材料”等8个技术方向是未来发展趋势，并提出先进材料通过提供更轻、更高刚度、更高强度、隐身性能更好的结构，具备改变其它舰船技术领域的潜力^[20]。根据以上分析，新材料将会成为潜艇结构材料技术未来发展方向。

已有大量文献对复合材料等新材料相关的材料配方^[21-23]、结构设计、成型工艺等进行了研究^[21,23-37]。但是，从潜艇隐身性能提升需求出发，全面分析新材料在潜艇结构方面的应用及发展趋势的文献j较少。本文首先分析了潜艇结构新材料应用需求，然后梳理了国外舰艇应用及发展趋势、国内潜艇研究及应用情况，最后展望了国内潜艇结构新材料发展趋势。

1 新材料在潜艇隐身设计中的应用需求

1）降低中高航速流激噪声的迫切需要

以流激噪声最为突出的围壳部位为例，水下航行时围壳承受的流激载荷分布特征如图1所示。

尤其在围壳与主艇体的接合部位，由于形状的突变，会产生马蹄涡结构，形成湍流脉动压力，是诱发围壳水动力噪声的主要因素^[38]。由于围壳整体刚度较大，而局部壳板刚度相对较小，因此，局部壳板振动更易被激起而引起水动力噪声。可见，要有效降低围壳等部位的流激噪声，应当大幅增强围壳等重点流激噪声部位的结构刚度，特别是壳板刚度，同时应提高结构阻尼，降低中高频段流激噪声^[8,27,39]。

对现有金属材料围壳进行结构加强提高结构刚度，总体代价非常大。尤其对于改装而言，重量储备通常较小，还要综合应用多项减振降噪措施，重量空间已经是“捉襟见肘”，因此，在总体重量、潜艇稳性等约束下，该类技术措施的应用可行性非常小。

复合材料相对金属材料具有很好的比强度性能优势，且密度仅为后者的约20%，成为解决这一问题的有效途径。应用复合材料围壳，可提高该类部位的结构刚度，不产生结构增重而影响潜艇稳性，并可发挥复合材料阻尼性能好的优势（阻尼因子较钢高1～2个数量级），可抑制围壳及上建振动并降低其流激噪声^[40]。

2）创造“重量空间”确保多种减振降噪措施实艇应用的迫切需要

进行潜艇隐身设计需要应用大型浮筏隔振装置等多种减振降噪措施^[7,36,41-43]，安装重量空间需求迫切。例如，降噪改进过程中，如果应用整舱浮筏等减振降噪措施将引起增重数百吨，只有通过结构减重等措施创造足够的“重量空间”^[39,43]，才能确保各项减振降噪措施应用，实现预期的隐身性能指标。特别是降低围壳及上层建筑等潜艇重心以上部位的重量，将更有利于提高潜艇稳性。

复合材料相对金属材料具有高比强度、高比模量、低密度等优势，使得满足同样结构强度及刚度条件下，能实现结构减重，特别是水下减重效果预计可达30%以上。因此，潜艇结构应用新材料技术，可以满足创造“重量空间”的迫切需要。

3）实现“结构功能一体化设计思想”的需要

“结构功能一体化设计思想”是指潜艇结构设计在满足强度、刚度等基本要求的同时，还应尽可能多的融入隐身功能设计。相比金属材料，复合材料可以通过模具一次成型大尺寸、线形复杂的结构，且成型后光顺效果好^[21]，可减小流阻及结构不对称等原因导致的流体激励，从而降低流激噪声。此外，复合材料可以设计为夹芯结构，通过设计具有透声、吸声、阻尼等功能的芯材，使得复合材料结构在实现结构刚度提升、减重的同时，具备良好的抑振、降低声目标强度等功能。此外，还可以在复合材料表面喷涂具有吸波、减阻防护等功能的涂层，使得结构具备低RCS特征、低红外特征、低流阻等性能^[2,44]。因此，潜艇结构应用复合材料等新材料技术，可以相比传统金属材料具备更多新的隐身性能，这些是金属材料所不能匹敌的技术优势。

4）确保结构防腐防污性能的需要

潜艇结构防腐防污性能对于降低维护成本及艇员维护负担至关重要。以上层建筑内部舷侧上部纵桁处为例，由于舷外的固体废物和垃圾易将肋骨上的开孔堵塞，导致上部纵桁处积水不能及时排出。上层建筑与舷侧之间的裙边结构，由于间隙较小，常规防腐措施难以施工，容易导致结构腐蚀。围壳与上建艇体壳板相交部位、稳定翼与艇体相接处的壳板腐蚀情况通常比较严重^[24]。复合材料具有良好的防腐性能，应用复合材料结构、复合材料浮力填充材料，将能够较好实现结构防腐及部分狭小空间的防污。

2 国外舰艇结构新材料应用启示 2.1 德国212和214A潜艇复合材料应用情况

德国的212和214A型潜艇在非耐压结构中大量应用复合材料，在首部上层建筑分段中使用了实心层压板，其他部位使用了玻璃纤维夹芯复合材料，夹芯层为高强度聚乙烯共聚物泡沫。另外，214A潜艇声呐导流罩、桅杆使用了碳纤复合材料^[45-51]。

德国潜艇隐身设计中，在围壳、上层建筑等部位大量应用复合材料，有利于降低流激噪声，减轻围壳、上建等的结构重量；214A复合材料围壳分块明显减少，光顺效果优于212潜艇，并且大大减少了连接件数量，因此，复合材料围壳设计应当尽量减少壳板分块数目，保持结构整体性。

2.2 美国“弗吉尼亚”级核潜艇复合材料应用情况

针对首部声呐导流罩、尾部结构、指挥室围壳填角、泵喷推进器导管等非耐压壳体部位大量应用了复合材料，在降低流激噪声、减轻结构重量、实现结构防腐等方面发挥了重要作用^[52]，如图2所示。

此外，美国海军海上系统司令部开展了“073R复合材料先进结构”研究计划，借鉴苏联/俄罗斯三元体围壳结构类型^[53-55]。俄罗斯“阿库拉”级三元体围壳结构具有流阻小、流激噪声小等优点。可以看出：美国核潜艇比较重视复合材料应用，将复合材料围壳研制与低矮流线型围壳结构设计一并研究，这将成为复合材料围壳技术未来发展方向。

2.3 英国“机敏”级核潜艇复合材料应用情况

英国“机敏”级核潜艇应用了美国AMERON公司研制的玻璃纤维增强环氧树脂管道。

复合材料管路具有重量轻、耐腐蚀性好等优点，可以做到艇全寿期内不需要更换^[5-6,56-57]。同时由于刚度大、阻尼性能好，也有利于降低管路振动。此外，该潜艇的泵喷推进器导管等部位也应用了复合材料^[58]。其泵喷导管的内外蒙板为复合材料，可避免泵喷导管的腐蚀、减轻其水下重量^[4]。

2.4 俄罗斯舰艇复合材料应用情况

俄罗斯目前已经建立了复合材料舰艇使用的国家规范和相关标准，复合材料在其舰艇上取得了较好的应用。10750锚地扫雷艇、12701基地扫雷舰均采用了全玻璃钢复合材料船体^[59]。复合材料舰艇具有低磁性、重量轻、全寿期经济性好等诸多优点。

此外，复合材料高压气瓶等技术也已在俄舰艇上得以应用。“基洛”级潜艇舵采取了金属+阻尼吸声层+复合材料约束层的吸声、阻尼处理方式。

2.5 国外其他舰艇应用情况

法国海军“凯旋”级和瑞典海军“哥特兰”级潜艇非耐压壳体也使用了复合材料。其中，法国“凯旋”60%的非耐压壳体采用了复合材料^{[1,5-7,18,60]}。

“短剑”高速快艇（试验艇）是美国使用碳纤维复合材料一次成型制造的最大船体^[61]，艇长24.4 m，宽12.2 m，排水量67 t。在整体制造成形过程中不用焊接，船体外表十分光滑。采用复合材料艇体不但使其获得了高速，也使其行驶过程中的稳定性提高^[62]。由于航行阻力的降低也使得“短剑”比普通快艇更加节省燃料。

瑞典皇家海军“维斯比”级轻型护卫舰采用隐身设计技术，舰体、甲板、上层建筑基本都由碳纤维复合材料夹芯板制成。与传统金属材料相比，采用碳纤维材料后艇体强度可与钢铁相当，而且无磁性，有利于降低舰艇产生的磁场。此外，碳纤维复合材料夹层板光滑平糙，有助于取得良好的隐身效果^[63]。另外，这种复合材料比重轻，可减轻舰体重量，且抗腐蚀性能好，从而减少了全寿命费用。

3 新材料在潜艇结构应用中的发展趋势

1）“结构功能一体化设计思想”将贯穿始终

相比金属材料，复合材料等新材料除了具有高比强度、高比模量、低密度等优点外，还可以在结构设计中融入低流阻等复杂线形设计，并采用具有透声、吸声、隔声、阻尼等功能的芯材，也可以在结构表面喷涂具有低RCS特征、低红外特征、低流阻的涂层，使得潜艇结构具备良好的隐身性能^[2]。因此，“结构功能一体化设计思想”将贯穿潜艇结构新材料应用始终。通过这种设计思想，可以最大程度地挖掘潜艇结构新材料的技术潜能，使得潜艇结构在具备优良力学性能、环境适应性的同时，具备良好的隐身性能。

2）传统“金属骨架+蒙皮”结构逐步向一体化整体结构转变

目前，潜艇部分结构中采用的“金属骨架+蒙皮”形式，其与现有金属材料结构有一定延续性，技术难度相对较小。但是存在以下不足：蒙皮与金属骨架连接使结构的刚度不能充分保证，局部结构可能因刚度不足而导致在流体激励下产生较大的结构振动，引起突出的流激噪声。此外，由于使用传统的手糊成型工艺需要多次成型，且连接件数目较多、重量较大，削弱了复合材料结构减重效果，施工工艺复杂。近年来，随着真空辅助成型、树脂传递模塑等复合材料成型工艺技术的发展，不仅可保证复合材料制品孔隙率率，工艺质量均匀，也使得大尺度、复杂线型复合材料结构整体成型成为可能。采用整体结构设计将能够最大限度地发挥复合材料高比模量、比强度优势，在减重的同时获得非常好的结构刚度，更加有利于降低流激噪声^[39]。

3）碳纤维将成为结构复合材料增强纤维主要方向

与玻璃纤维及金属材料相比，碳纤维具有非常好的比强度、比刚度性能优势，如图3所示。早期，由于玻璃纤维技术起步早、技术相对成熟，且相对碳纤维等高强度纤维具有绝对的成本优势，因此，潜艇复合材料结构大多选用玻璃纤维作为增强纤维。近年来，随着碳纤维制造工艺的发展、产能规模的不断扩大，其成本劣势正在不断减小，且增强纤维等原材料成本仅占复合材料结构成本的约15%，并不占结构成本的主导。由于碳纤维具有良好的力学性能，结合国外新型舰艇复合材料增强纤维应用发展趋势，可以看出碳纤维有望成为潜艇结构复合材料增强纤维下一步应用发展方向。

4）智能材料、超材料有望成为结构新材料未来发展方向

将仿生功能引入材料设计，研究出智能材料潜艇结构，将使其能适时地感知与响应外界环境的变化，具有自检测、自诊断、自适应、自修复等功能。智能材料技术是材料技术与现代信息处理技术、传感技术、计算机技术及控制技术的有机融合。例如，在飞机机翼中应用智能材料，可使得机翼能响应空气压力和飞行速度变化而自动改变其形状，从而改变升力及阻力，提高飞机（特别是战斗机）的安全性和存活率；在潜艇舷外结构采用智能蒙皮材料，可降低高速航行时的流激噪声，防止发生紊流。

超材料是一种逆向材料设计技术，利用自然界中已存在的原材料设计、制作亚波长尺度的人工微结构，并按照预定的方式进行周期或非周期的排布，形成具有特定功能的新型材料。通过对材料关键物理尺度上的结构进行有序设计，超材料可对电磁波、声波、机械波、热等进行赋形、透射、吸收、绕射等多种操控，且根据需求，其响应特性可设计为各项异性和非均匀分布。例如，超材料隐身材料、超材料隐身雷达罩/天线罩等技术，相比现有金属及复合材料技术，可大幅提升潜艇通气管、桅杆等部位的RCS隐身性能^[2]。

智能材料、超材料的设计理念、设计方法相对传统材料有很大区别，部分设计理论甚至是颠覆性的。通过开展智能材料、超材料等新概念材料研究，可以赋予潜艇结构很多应用现有材料体系所不能具备的性能，有望成为未来技术发展方向。

4 结　语

本文分析新材料技术在潜艇结构设计应用中的迫切需求，梳理国外舰艇特别是潜艇在结构新材料应用方面的先进经验，对国内研究及应用情况进行了总结。根据国内外技术发展情况，对国内潜艇结构新材料发展趋势进行了展望，对于推进新材料技术在我国潜艇隐身设计中的应用具有借鉴意义，具体如下：

1）加强复合材料结构在潜艇该换装设计中的应用，如复合材料围壳及上建，复合材料基座、导流罩、推进器等应用，在减振吸声的基础上，为更多减振降噪措施提供重量空间，服务于潜艇隐身设计；

2）碳纤维较玻璃纤维在比强度、比模量等方面拥有巨大优势，结合潜艇隐身设计特点，应加强碳纤在复合围壳及上建等结构中的应用；

3）针对潜艇非声隐身设计，加强复合材料涂层应用及新型超材料研究，降低潜艇目标强度，提升非声隐身性能。

4）受制于当前加工成型能力，应加强复合材料一体化整体成型工艺及设计研究，提升复合材料成型工艺质量，最大限度的发挥复合材料高比模量、比强度优势，并降低生产成本；

5）复合材料结构的设计复杂度要远高于金属材料，且目前尚未大面积普及应用，后续应加强可靠性评价技术和指标体系研究，为潜艇隐身设计应用夯实基础。