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苏联曾经用钛合金造核潜艇,这件事是真的吗?
红色铁幕下的苏联,并不是只建造了一艘钛合金核潜艇,穷兵黔武的疯狂令人发指,而是一共建造了4个级别13艘钛合金核潜艇。拿钛合金当钢用的国家,军费阔到不差钱的,只有苏联一个国家了。用钛合金造核潜艇,一方面体现了苏联强大的金属提炼和加工能力,另一方面也是潜艇基础科技比不上美国,为了维持相对性能优势,只能用没办法的办法。
图一:不用说1960年代,即使现在,钛合金制品仍然成本高昂。
钛的单价并不比金子贵,但钛合金的加工和焊接非常复杂,就导致造价昂贵。纯钛的物理性能也不好,早期的钛样品摔到桌子下边都会碎成几片。成分和加工都非常复杂的钛合金就不一样了,性能卓越。潜艇专用的钛合金,比强度高,密度低,耐腐蚀,无磁性,透声。从理论上说,钛合金确实是地球上最适合造潜艇的材料。
地球上对于船用钛合金最有研究的国家有三个,就是苏俄、美国和中国。美国基础工业太强,HY系列超高强度钢,拉开其它国家好几个身位。能用钢解决的,为啥一定要上钛合金?美国也不是产钛大国,所以对于用钛合金造核潜艇的外壳并不热心。但美国的钛合金研究水平不用置疑,全球领先,该用时还是会用,但尽量少用,实际上海军舰艇用钛合金造的零件很多。
图二:麦克级潜深相当惊人,只是不知这么深有何意义。
从1963年到1988年,苏联的四级钛合金潜艇分别是神父级、阿尔法级、麦克级、塞拉级。台风级算是半钛潜艇。神父级和阿尔法级只是试验艇,吨位比较小,验证工艺而已,后续的都有实战能力。共通的特点是潜得深,速度快。有些指标是美军潜艇达不到的,比如麦克级的极限潜深甚至达到1250米,而阿尔法级的极速在40节以上。美军最出色的海狼级,也只不过是不到700米的潜深,和35节左右的极速。
从纸面上看,苏联的钛合金潜艇似乎有性能优势,其实在实战中并非如此。潜得过深没有意义,1000多米的深度没有任何值得攻击的军事目标,除非是想去炸深海鱼。潜艇的速度跟静音一定要挂钩,不谈静音光谈极速纯属耍流氓。静音性能不佳的潜艇,上了战场就是死路一条,阿尔法级潜艇是顾了头顾不了腚,速度上去了,但静音不佳。而海狼是真正的大洋猎手,静音性能极佳,一旦发现目标,就能高速占位发动攻击。
图三:塞拉级钛合金潜艇性能还可以,但是并不比用钢造的阿库拉级强多少。
即使是苏联,自己也在反思用钛合金造潜艇的必要性。塞拉级是苏联钛合金潜艇的最高杰作,是苏联典型的第三代攻击型核潜艇。但相对于同期用钢制造的阿库拉级核潜艇,没有太大的性能优势。阿库拉级性能相当不错。印度已经租借,一方面希望找出来对抗中国核潜艇的办法,另一方面学习建造自己的核潜艇。
这张表格里倒数第二个橙色箭头指的,俄罗斯生产的ΠΤ-3B钛合金牌号,就是前苏联钛合金潜艇耐压壳体所使用的钛合金材料 ,它其实不神秘,我国和美国都有相应对的钛合金牌号,里面的合金成分除了钛(TI)还有铝(AI)、钼(MO)、锆(ZR)、硅(SI) 根本不是外界想象的那样复杂,从工业角度来说,成分越复杂的合金材料在后续的加工过程中会越困难,因为大部分的合金板、管、带、丝、型材都需要热处理或者焊接,这两项热加工工艺会出现合金成分热烧损的问题,如果某一个合金成分被烧损低于成份值,那么整个材料轻则焊接位置达不到技术要求,重则整块材料报废!所以,需要大量后续加工的金属材料的合金成分都不太复杂。
沉没在北极北海海底的世界上潜深最深的苏联“共青团员号”
核潜艇,属于958型 北约代号M级(麦克)。它是1980年代世界上最大的攻击型核潜艇,水下排水量超过8000吨,潜艇的耐压壳体就是采用ΠΤ-3B钛合金制造的,最大潜深1250米,为世界之最!苏联历史上一共建造了3型 10多艘钛合金耐压壳体的核潜艇。
从材料学角度来说,钛要比钢铁或者铝更适合制造工业品(核潜艇也是工业品),因为它:任性、抗拉强度、重量轻(钢的四分之一)、耐腐蚀、超低磁型(对于潜艇来说意义非常大,可以躲过磁力探测器材的搜索)都大大超过那两种金属,并且钛资源的地质储量是非常丰富的!
既然是这样,为何我们身边很少有钛的制品?一提到钛合金就是“高大上”?这是因为钛虽然地质储量丰富但是把它冶炼出来(海绵钛)→合金化→后续的加工…是比较困难的事情,原因是钛是极易被氧化的金属,而大自然当中氧是无处不在的!这就给钛的一系列生产带来了极大的麻烦!生产环节当中稍有不慎就会形成氧化钛,成了无用的东西,还需要重新脱氧还原。
苏联第一代钛合金潜艇,著名的“阿尔法”级。是苏联建造的核潜艇当中艇员最少,自动化水平最高的核潜艇。
所以,钛虽然储量丰富但是生产它是非常费事的,从冶炼开始就需要在真空、脱氧状态下进行,直至生产出来潜艇所需要的板材和型材,到了焊接环节又出现了遇热氧化的问题(遇热后分子之间的间隙扩大,氧分子迅速侵入而形成氧化)所以需要采用“惰性气体保护焊”才行。
总之,钛理论上是比钢好出很多的材料,储量也很丰富,但矛盾的加工困难耗时费力,并且价格相对于潜艇用钢来说比较昂贵!所以,其它有制造核潜艇的国家都采用HY-80或者HY-100高性能钢制造潜艇的耐压壳体,并且钢冶炼暨后续加工要比钛合金工艺简单了很多,价格更是便宜很多。
那么,前苏联为何要独辟蹊径使用钛合金制造潜艇?这个原因就是苏联在核潜艇制造方面总体上落后美国一个等级,甚至要落后于英法!特别是机械价格方面和反应堆制造方面的不精致,造成了潜艇噪音很大!对于潜艇来说静音始终要放在首位,所发出的噪音太大也就失去了海水屏障的意义,但解决噪音大的问题不是一朝一夕…所以,苏联打算利用钛合金抗冲击性能、抗拉伸强度…都比钢好的特性让潜艇潜得更深一些!如果达到水下1000米,那么美军的反潜装备的效能会变得极低,而且反潜鱼雷也潜不到那么深,也就没法打击潜艇了。
美军MK48型反舰/反潜两用鱼雷,最初型号只能打击600米水下深度的潜艇,由于苏联钛合金潜艇可以潜深至800~1200米,这对于美国来说是一个不好的信号,如果苏联潜艇在水下1000米“摸到”美国近海,出其不意的上浮到发射导弹的深度再发射核导弹,美国是完全防御不及的,连5分钟的预警时间都没有!这种形势也迫使美军改进MK48,使其可以在水下1000米打击钛合金潜艇。
俄罗斯海军“亚森级”多用途战役核潜艇和“拉达级”常规潜艇。
冷战结束了,疯狂的军备竞赛也停止了,俄罗斯虽然受国力下滑的影响,军事力量已经大幅度的降低,但是核潜艇是国之重器,是大国的象征…俄罗斯咬牙也要坚持研制新型的核潜艇,并且随着科技的进步,俄罗斯现有的机械加工能力和反应堆制造技术也有了不小的提高…也不在需要刻意的使用钛合金强化下潜深度了,目前世界上除了俄罗斯还有几艘“塞拉Ⅱ”钛艇外,其它国家依旧是采用高性能钢来制造核潜艇的耐压壳体!
核潜艇是大型综合武器装备平台,它的建造要求各方面性能都要平衡,这样才能使核潜艇的战斗力水平提升,如果单纯的提高某一性能最终的后果就是潜艇造价非常昂贵,性能提高也不是很大,也就成了得不偿失事情。
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