0 引　言

模块化建造技术在美国核潜艇发展过程发挥着重要作用，在“洛杉矶”级潜艇之前，美国核潜艇采用先形成耐压壳体、再经由艇体开孔进行设备安装等舾装工作的传统建造模式，须在耐压艇体受限空间内开展大量建造工作，存在建造耗时长、施工危险等问题。从“俄亥俄”级潜艇开始，美国逐步在核潜艇建造过程中应用将艇分为相对独立的模块开展并行建造工作、再合拢为整体的模块化建造方式，以解决传统建造模式中存在的问题，提升建造效率。此外，应用模块化技术，美国在潜艇上更换或嵌入功能性舱段、装备最新的功能模块，扩展潜艇用途、更新技术性能。本文对美国核潜艇模块化建造技术的发展进行研究。

1 美国潜艇模块化建造技术情况

在20世纪70年代之前，美国“洛杉矶”等潜核潜艇采用传统建造模式，先形成耐压壳体、再经由艇体开孔进行设备安装等舾装工作，在“洛杉矶”级潜艇的最后几艘艇建造过程中，部分系统和设备在舱外开展组装，通过耐压艇体上的开口吊装入艇，但大部分舾装工作仍需在耐压艇体内完成。从20世纪70年代中期后，“俄亥俄”级等核潜艇逐步应用了模块化建造技术，内部系统和设备可在艇外开展装配、组装、测试工作，随后整体进入艇内安装，如图1所示。采用模块化建造技术之后，更多的系统和组件建造、测试工作可以在车间内完成，而不是在密闭的艇体中进行。模块化建造技术不仅显著改善了施工环境，还可以实现并行建造，减少了各建造工序间的相互干扰。

1）“俄亥俄”级潜艇

“俄亥俄”是美国首次应用模块化技术建造的核潜艇，“俄亥俄”级潜艇的大直径耐压体和大开口设计使得其更容易装备大型模块，在该级初期的几艘艇中模块化技术应用程度比较有限，但随着造船厂设施完善后能处理更大的模块和更重的艇体分段，后期的几艘艇艇体分段舾装程度更高。

美国在“俄亥俄”级战略导弹核潜艇改装为巡航导弹核潜艇的过程中充分应用了模块化的设计理念。为满足美俄1993年第二次战略武器限制条约的规定，美国决定将18艘“俄亥俄”级战略导弹核潜艇削减为14艘。被削减的4艘“俄亥俄”级战略导弹核潜艇被改装为巡航导弹核潜艇，每艘艇上的24个战略导弹发射筒之中的22个改装为“多弹密集发射筒”，剩余的2个战略导弹发射筒改装为特种部队输送筒，作为美海军“海豹”突击队队员进出核潜艇的设闸室。“多弹密集发射筒”和特种部队输送筒均采用模块化设计技术，当“俄亥俄”级巡航导弹核潜艇需要运送额外的“海豹”突击队员或其他特种部队及其装备，可将“多弹密集发射筒”从巡航导弹核潜艇中取出，迅速换装特种部队输送筒，届时只需更换各自的基座。

2）“海狼”级潜艇

美国“海狼”级核潜艇的模块化技术在”俄亥俄”级战略导弹核潜艇的基础得到了进一步的发展，“海狼”级核潜艇根据可生产性制定了模块化建造设计准则，整艘潜艇划分8个主船体分段和1个指挥室围壳分段，每个分段由模块、次模块、组件、部件与零件构成，可在分段内完成90%左右的壳舾涂工作。

美国海军为继续保持在核潜艇技术方面的领先优势，选择正在建造过程中的“海狼”级核潜艇“吉米·卡特”号，应用模块化技术在指挥舱围壳后部嵌入一个长约30 m、形似沙漏的“多任务平台”独立舱段^[1]，作为21世纪潜艇任务革命的研究平台。该舱段既可容纳“海豹”突击队员的指挥和控制设施，又可容纳许多不同种类的新型试验装置，以“支持秘密研究、研制、试验以及对海上特种作战任务、水下战术侦察及对水下战概念进行评估”。此外，“多任务平台”独立舱段的设备配置采用了模块化的开放式结构，可根据需要实施简单易行的换代和升级。

3）“弗吉尼亚”级潜艇

在“弗吉尼亚”级潜艇设计和建造过程中模块化技术得到了广泛且深入的应用，在后续艇上也持续利用模块化技术，迅速、便捷更换或嵌入功能性舱段，根据技术发展装设最新的功能模块，使得“弗吉尼亚”级攻击核潜艇在标准型的基础上不断衍生，成为在多种专项用途方面具有很大潜力的水下作战平台。

设计上，“弗吉尼亚”级潜艇采用了计算机技术支持的模块化设计，根据模块化设计需求设置了区域团队（MAT）和系统集成团队（SIT）。区域团队负责一个主要区域，任务是确保区域综合设计、区域接口、建造程序优化及成本控制等，由“核心”设计人员、工程师、设备供应商、环境和后勤专家和布置装置（管道系统、结构、电子和机械设备）的CAD操作人员组成。系统整合团队为贯穿潜艇的特定系统或技术学科基础（如贯穿潜艇的液压、纵倾、排水、电气或通风）提供设计与建造结合，及专业知识，由特定系统或技术学科技术人员组成，此外还负责区域团队之间的交流，避免在各区域建造时出现接口冲突问题。

建造上，按照区域或功能划分的舱段和模块可独立建造、由多厂协同开展，“弗吉尼亚”首批艇分为10个模块，由通用电船和纽波特纽斯联合建造。许多部件在安装到艇体之前就可以开展测试，例如，在建造过程早期，“弗吉尼亚”的指挥与控制系统模块在装入艇体之前就已经在陆地测试场地进行了建造、测试和评估，模块化。

“弗吉尼亚”级的模块化设计和建造技术，可在后续批次中迅速、便捷的更换或嵌入功能性舱段，声呐系统、指挥舱的作战指挥系统以及武器系统等艇上的重要系统和设备的模块化设计理念、开放式结构设计，可实现艇上各种设备的即插即用，可以保证在潜艇服役期间利用改装模块的方式及时地装设最新的功能模块。使得“弗吉尼亚”级攻击核潜艇在标准型的基础上不断衍生，扩展用途使命、更新技术性能。

“弗吉尼亚”级潜艇分为5个批次（Block Ⅰ至BlockⅤ型），Block Ⅰ型和Block Ⅱ型配备了BQQ-10大型球状艇首声呐和12管巡航导弹垂直发射系统；Block Ⅲ型用马蹄形的大孔径适形阵列声呐（LAB）替换潜艇前端传统的BQQ-10球形声呐，增强了首部声呐的探测性能，移除了艇首12个独立的MK45型潜用垂直发射装置，取而代之的是2个新型的MAC六联装圆柱式垂直发射装置，扩充了发射装置的通用性，可以兼顾搭载无人作战系统；Block Ⅴ从第2艘开始艇长将增加25.5 m，排水量增加约2000 t，配装“弗吉尼亚”负载模块，该模块加装于艇体中部，由4具大直径垂直发射筒组成，每具可装载7枚“战斧”巡航导弹，使单艇载弹量从12枚增至40枚^[2]，大幅提升打击能力，也可搭载大型无人潜航器、新型特种部队载具等，扩展负载携带类型，借助负载优势，提高潜艇多用途、多任务性，增强综合作战能力。

4）“哥伦比亚”级潜艇

2012年9月，美国海军明确其下一代战略核潜艇采用集成了4具导弹发射筒和附属系统的通用导弹舱（CMC），充分体现了模块化的发展理念。

在“俄亥俄”级核潜艇设计和建造时，战略导弹舱的建造过程为：空心的导弹发射管只是被焊接到船体，然后通过各种舱口和其他开口，开展电子元件、硬件安装等舾装工作。通用导弹舱的建造创新了一种集成发射筒和艇壳预装技术（ITH），实现了战略导弹舱的模块化建造和中间产品连续生产。

通用导弹舱的设计和建造是“哥伦比亚”核潜艇上的几大关键技术之一，实现了战略导弹核潜艇导弹舱的模块化建造，可以实现导弹数量的灵活配置，降低与新型导弹舱相关的风险^[3]，减少了制造成本，并实现核潜艇多用途使命任务。美英联合进行了通用导弹舱（CMC）的研制，发射装置的直径较现役艇大，提供了足够的设计冗余，能够兼容装载后续可能的新型战略核导弹。同时，其不仅可用于发射弹道导弹，还可搭载多种负载，如巡航导弹、特种分队及其装备、战斗蛙人运载工具、无人作战系统等，可使其在整个服役期内，对各种导弹和有效负载提供足够的适应性。

2 潜艇模块化建造技术分析

美国核潜艇通过应用模块化建造技术，提升了潜艇的建造效率，缩短了建造周期，并应用技术更新，提升潜艇作战使用性能，扩展任务使命。

1）提升建造效率，缩短建造周期

模块化技术使得更多的建造工作可在车间等建造早期阶段完成，提升建造效率。在“俄亥俄”潜艇的建造过程中，针对模块化技术的应用总结出“1∶3∶8规则”^[4]，用以比较同一项工作在不同建造阶段完成所需的时间。早期阶段建造工作在车间内开展，因为施工空间充裕、施工工具便利可达、制造缺陷易于修正、施工环境可控，建造效率最高。建造中期建造工作在舾装设施内开展，此时，因为相邻系统和已安装设备带来的空间限制，建造效率有所降低，在车间中耗时1小时的工作在舾装设施内需要3小时。建造后期，耐压艇体已合拢成型，由于施工空间受限、通道局促、工具使用不便利，建造效率最低，在舾装设施内耗时3小时的工作在艇体内需要8小时。模块化技术使得更多的建造工作可以在车间中完成，即预舾装率更高，从而有效减少了艇体组装后的工作时间，提升建造效率，缩短建造时间。随着模块化技术的深入应用，预舾装率不断提升，建造周期也显著缩短。在耐压壳体闭合时，“洛杉矶”舾装率完成了33%，“海狼”级完成了57%^[5]，而“弗吉尼亚”级潜艇已经完成了81%，首艇建造周期缩短到84个月，从Block II开始，艇的总建造周期稳定在68个月左右。

2）利用模块化技术，增强现有平台的可拓展性

应用模块化建造技术，可以在充分利用现有平台的基础上，通过增加功能模块，来实现新型号的研制和建造，缩短新型号的研制周期和成本。

美国海军曾经打算在21世纪“俄亥俄”级弹道导弹核潜艇逐渐退役的时候，利用模块化技术，以标准型的“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇为基础，将其改换成弹道导弹核潜艇，以便对美国海军弹道导弹核潜艇的数量加以补充。与重新设计和建造新型的弹道导弹核潜艇相比，采用增加功能舱段模块使“弗吉尼亚”级核潜艇成为弹道导弹核潜艇的方法，不仅可以大量节约研制费用，而且还可缩短新型弹道导弹核潜艇的建造周期。

通用导弹舱这一模块化技术的应用可以使得“哥伦比亚”作为武器负载搭载和换装的统一通用化平台，降低研发、建造、维修和使用费用，而且更容易实现作战能力的多元化，适应美国海军未来多样化的作战需求。例如，随着“哥伦比亚”的研制和建造，美国海军正考虑在“哥伦比亚”级潜艇的中部区域配备运载器或者其他负载，作为一款新的“大容量负载平台”，尺寸和“哥伦比亚”级相当，但能容纳比“弗吉尼亚”级多的有效负载^[6]。

3）发展趋势

从美国“俄亥俄”级、“弗吉尼亚”级等核潜艇模块化建造技术的发展可以看出，潜艇模块化建造技术应用范围不断扩大，从局部性的功能模块逐步扩展分布于核潜艇各处的区域模块，集成程度也逐步加深，在其下一代“哥伦比亚”级核潜艇上实现了壳涂装一体化的通用导弹舱模块，通过规范化的接口与艇体其他部分相连可实现弹舱功能。预计在不久的将来，核潜艇将实现的标准接口模块化设计与建造，实现基于模块化的快速设计、建造及总体重构。

3 结　语

潜艇设计建造模式的先进性是潜艇装备技术进步的重要表征，美国在“俄亥俄“级核潜艇的建造过程中引进模块化建造技术，在“海狼”级项目中使用，并在“弗吉尼亚”建造过程中得到了广泛且深入的应用。通过模块化建造技术的应用，提高了设计、建造质量，缩短研制周期和建造成本，不仅可以较为方便实现技术更新，也可以在改换装过程中扩展任务使命。