應用于海軍艦艇和潛艇的先進復合材料結構綜述（上）
《復合材料結構》第 53期 (2001) 21-41
應用于海軍艦艇和潛艇的先進
復合材料結構綜述
A.P. Mouritz(a), E. Gellert(b)
P. Burchill(b),K. Challis(b)
a.澳大利亞，VIC3001，墨爾本2476V#
信箱，RMIT大學，航空工程系，
Sir Lavrence Wackett 航空設計技術中心
b. 澳大利亞，VIC3001，墨爾本4331#
信箱，航空與海事研究實驗室，DSTO
摘要： 本文對近年來纖維增強聚合物基復合材料在海軍艦艇和潛艇上的應用進行了綜述。自20世紀80年代中期以來，軍方一直致力于降低艦艇的購置和維護成本和提高其結構和操作性能，復合材料在該領域的應用日益增加。本文介紹了復合材料在海軍艦艇上的大量新型應用，涵蓋已有的和潛在的應用，如上部結構、甲板、船艙壁、先進的桅桿系統、螺旋槳、推進軸、方向舵、管道、泵、閥等，以及其在大型軍艦如護衛艦、驅逐艦和航空母艦上的機械裝備和其它裝備應用。本文還闡述了復合材料在潛艇上的潛在應用，如在螺旋槳、控制面板、機械和配件上的應用；還討論了復合材料在快速巡邏艇、獵雷艇和輕巡洋艦的整體制造上的應用。對于每種應用，指明了采用復合材料代替了傳統造船材料如鋼和鋁合金的主要優勢；后對復合材料在海軍艦艇上應用的主要缺點進行了概述。
1 前言
本文綜述了復合材料結構在未來海軍艦艇和潛水艇中的應用的新進展。目前，纖維增強聚合物基復合材料在海事結構件上的應用非常廣泛。這些都源于提高運行性能（如提高運行范圍、隱身性、穩定性和有效載荷），同時降低軍艦和潛艇擁有者成本（如降低維護成本和油耗）的需要。本文考察的應用包括大型巡邏艦、氣墊船、獵雷艇和整體采用復合材料的輕巡洋艦。復合材料的其它新型或潛在用途如大型戰艦（護衛艦、驅逐艦）的上部結構、先進的天線系統、艦艙壁、甲板、螺旋槳、推進軸和方向舵。在將來，復合材料還會應用于潛艇上的控制板面、螺旋槳和桅桿系統。海軍也正著手研究復合材料在內部裝備和配件上應用的可行性，如機械裝置、熱交換器、設備底座、閥、泵、以及管道系統。
雖然目前復合材料在海軍上的應用多種多樣，但是多年來這些應用僅限于一些不太重要的艦艇結構和小型船只上。二戰后，復合材料次應用在美國海軍的一些小型客運艦艇上。實際應用時，發現這些艦艇剛度大、強度大、持久耐用而且易于維修。
因此，在20世紀40年代中葉到60年代，復合材料在美國海軍中的應用迅速增加。在越南戰爭期間，應用復合材料的客運艦艇、內河巡邏艇、登陸艦和一些在役偵察艇數量達3000艘。美國海軍還將復合材料應用在小型艦艇上的艙面船室、通訊艦艇的桅桿、驅逐艦的管道系統、潛艇的流線型指揮臺外殼和鑄件。表1列舉了自越南戰爭以來，復合材料在海軍方面的應用。大量文獻綜述了復合材料在美國海軍艦艇上的早期應用。
在20世紀50年代，其他海軍開始在他們的艦艇和潛艇上應用復合材料結構。英國皇家海軍和法國海軍開始在潛艇聲納罩上采用復合材料代替鋼材，以獲得更高的聲波穿透率，同樣，在海面艦艇的天線罩上應用復合材料可保護通訊和監視天線。到20世紀70年代，英國皇家海軍、瑞典皇家海軍和挪威海軍開始采用復合材料來制造獵雷艇，荷蘭海軍也開始把復合材料應用于領航艇和登陸艦上。這個時期標志著復合材料在大型海事結構上應用的開始。
關于復合材料在海軍艦艇上應用的綜述很多，大部分都是八年以前的，有些甚至是30多年前的。本文旨在綜述先進復合材料海事結構件在近年來的進展，重點闡述自80年代中期以來的進展；同時介紹了采用復合材料代替傳統造船材料如鋼和鋁合金的優缺點；探討新型復合材料結構件在現階段的發展，介紹應用這些結構件的海軍艦艇類型。因為許多的復合材料結構件還處于在研發階段，所以每僅對每種應用進行簡短介紹。具體的信息可以參考本文的參考文獻。本文根據的是已公開發表的文獻。由于保密的原因，本文沒有對國防部列為密件的應用進行闡述。
2 復合材料海軍艦艇的新發展
早期復合材料都是應用在小型巡邏艇和登陸艦上。相對差的制造質量和船體剛度限制艦艇的長度不能超過15米，排水量不超過20噸。近年來，隨著低成本復合材料的設計、制備和力學性能的提高，復合材料開始應用在大型巡邏艇、氣墊船、獵雷艇和輕巡洋艦上。圖1是1945年到2000年間全復合材料海軍艦艇的長度調查。隨著時間的推移，艦艇的長度呈穩定的增加趨勢，現在已有80到90米長的全復合材料海軍艦艇。如果依此趨勢，同時隨著技術的提高，到大約2020年，可開始采用復合材料制備中等尺寸的軍艦如120到160米長的護衛艦完全可能，但是，這是不可能的，除非采用復合材料造船的成本能夠低于采用鋼的成本。這部分綜述了全復合材料海軍巡邏艇、反水雷艦艇和輕巡洋艦的新進展，并簡短介紹了復合材料在海軍水翼艇上的應用。
2.1 巡邏艇
復合材料在海軍巡邏艇上的應用已經有近四十年的歷史。艘全玻璃纖維增強聚合物（以下簡稱GRP）的巡邏艇誕生于20世紀60年代早期，由美國海軍制造，在越南戰爭期間在內河上應用。在20世紀70年代到80年代期間，復合材料在小型巡邏艇上的應用日漸增長，目前正在服役的已經超過300艘。大部分GRP巡邏艇的長度都在10米以下，排水量不超過10噸，很少有超過20米長的，因為船體梁的剛度太低。大于25米的巡邏艇船體通常采用鋁合金或鋼材。因為尺寸小，復合材料巡邏艇一般在內陸和沿海航行，不可能到遠海區。
不過，很多對制造長度小于50米、滿載排水量為300噸、在遠海區行使的全復合材料巡邏艇充滿興趣。通過對采用鋼、鋁、夾芯結構的復合材料制造大型巡邏艇在成本、重量和結構性能的比較，發現同等尺寸的巡邏艇，采用GRP夾芯結構的重量比鋁制的輕10%，比鋼制的輕36%。采用新的制備技術如SCRIMP或采用碳纖維作增強體可以進一步減輕船體的重量。設計者們希望減輕船體重量的同時增加軍用有效負荷，提高行使距離和/或降低油耗。
Goubalt和Mayes預測，隨著維護成本和油耗的降低，復合材料艦艇的操作成本將會低于鋼結構。艦艇尺寸相同時，復合材料艦艇的使用周期成本略小于7%鋼艦艇的。使用復合材料制造艦艇的主要問題是船體梁的剛度太低。Makinen等估計，對于50米長、采用夾層復合材料制造的巡邏艇，其船體梁的撓度比鋼艇的要高出300%。Alm計算得到，對于50米長的海軍艦艇，用復合材料制造的船體梁的撓度比鋼制的高出240%。船體梁撓度增加會帶來很多問題，如鉸接處和連結處的疲勞裂縫，并進一步導致螺旋槳軸線的錯位。
大的全復合材料海軍巡邏艇由挪威皇家海軍操作的Skj?ld級艦（如圖2）。Skj?ld級有著飛機的表面效果。這個雙體船46.8米，寬13. 5米，滿載排水量是270噸。它采用噴水推進，升力風扇把吃水深度降到2.6米，所以可以達到靜水中57節和三級海浪下44節的速度。Skj?ld級完全由夾層復合材料制造，即玻璃纖維和碳纖維薄板表面和聚氯乙烯泡沫芯層。艘巡邏艇——KNM Skj?ld 于1999年開始服役，現在仍在接受大海的考驗。如果成功的話，挪威皇家海軍考慮再購買六艘巡邏艇。
Skj?ld艇的制造者們采用夾層復合材料代替鋼或鋁合金來簡化船體和上部結構，而且復合材料可以提供高的強度/重量比、好的沖擊性能和低的紅外、磁和雷達特性。如果僅僅采用GRP，則需要引入導電材料（如銅網）來提供電磁防護，從而保持艦艇上的電子設備精確運轉，當然這會增加艦艇的制造成本。碳薄板的大量應用保證了結構（如梁框、桅桿和槍的支撐底座）所需的高剛度。在上部結構中應用碳纖維同樣可以提供電磁防護。Skj?ld級上裝備了一列光纖光柵傳感器，從而確保海上實驗時所產生的應變水平下能夠實時信息。
瑞典皇家海軍也把復合材料應用在大型巡邏艇上。20世紀80年代末期，瑞典海軍制造了一艘30米長的地面效應艦艇，即Symyge MPC2000，采用的是夾層復合材料，包括碳纖維、玻璃纖維和Kevlar 纖維增強乙烯基酯表層和聚氯乙烯泡沫芯層，具有輕質、良好的抗腐蝕性、良好的抵抗水下沖擊載荷損害的能力和許多隱身的性能（包括低的熱、磁特性和良好的阻聲性能）。但是，大多數大型巡邏艇仍然采用低成本的鋼和鋁合金來制造。
2.2 反水雷艦艇
艦艇中用來定位和摧毀魚雷的是我們熟知的反水雷艦艇（MCMV）。傳統上，MCMV采用木材制造，這是因為木材沒有磁性，所以艦艇在水中運行時不會被磁性水雷探測到。二戰后，制造MCMV所需的高級木材越來越稀少，此時仍采用木材來制造MCMV就不再經濟。此外，木材MCMV在整個使用過程中都需要維護，因此它的全程使用成本太高。為了解決這個問題，1951年美國海軍嘗試制造了一艘15.5米長的復合材料蜂窩夾芯結構掃雷艇，即XMSB-23。但是，該復合材料艇的制作質量、力學性能和防水性能都很差。結果，海水滲入到了XMSB-23的船體，因此它也就不可能用在掃雷行動中。
20世紀60年代到70年代期間，美國和英國繼續著獵雷艇的設計和開發。成功采用復合材料制造的艘MCMV——HMS Wilton誕生于1973年。它全長46.6米，滿載排水量達450噸，是當時大的全GRP艦艇。HMS Wilton的巨大成功帶來復合材料的應用的迅速擴張， 20世紀80年代早期200多艘全復合材料MCMV制造成功。表2 列出了當前不同類型的正在服役或在建的MCMV，其中大部分的長度都在50米以上，滿載排水量超過600噸。
復合材料在MCMV上的應用，激發了艦體的設計創新，使得艦體能夠抵抗局部翹曲、具有大的支架剛度以及優異的水下抗沖擊性。艦艇操作者在選擇艦體類型時，也考慮了其他標準，包括購買和維護成本、磁特性、聲音阻尼性和耐火性。常見艦體結構是框架支撐的單殼結構、無框單層結構和GRP夾芯結構。采用這些設計制造的艦的實例如圖3所示。
常見的艦體結構類型是框架支撐的單殼結構。英國皇家海軍的Hunt級和Sandown級MCMV采用的就是這種結構。同樣，法國、荷蘭和比利時海軍的Tripartite級艦艇也采用了這種結構。整個設計包括橫向的框架和縱向的復合材料梁，縱橫膠結形成GRP預成型的層壓結構。這種框架結構能夠提供艦體梁所需的剛度，示意圖見圖4。
單層結構的艦體沒有框架。代之以非常厚（達到0.15-0.20米）的GRP外殼來提供艦體所需的剛度和水下抗沖擊性能。甲板和主要的艦艙壁都能為艦體提供剛度。例如意大利的Lerici和Gatea級獵雷艇。澳大利亞的Huon級和美國的Osprey級采用的也是與意大利類似的設計。通過在Landsort級和Flyvefisken級MCMV上的應用，GRP夾芯結構獲得了廣泛的認同。艦體和上部結構采用復合材料夾芯結構，即由薄GRP表皮包覆聚氯乙烯泡沫芯層。薄的表皮提供剛度和強度，而夾芯層則提供抗剪能力和低的密度。
除了上述介紹的復合材料艦體結構外，還有一些其它結構應用復合材料，但目前應用還不是很廣泛。例如，Gass等評價了一種應用在MCMV上的波紋形復合材料艦體結構原型。其外表面的縱向波紋用來提高梁的剛度和強度，而制備成本比傳統的框架單層結構少25%。雖然如此，目前沒有一艘MCMV采用這種波紋形的艦體結構。
20世紀80年代期間，美國海軍考察了制造具有氣墊表面效應艦體MCMV的可行性。他們期望艦艇具有低的磁特征和聲特征、對水下沖擊較小的敏感性，這樣艦艇運行時就更加安全?？上Р]有制造一艘艦艇，此計劃就擱淺了。但是，挪威皇家海軍目前正在使用具有氣墊表面效應的Oks?y級和Alta級MCMV。這些艦艇都是GRP夾層復合材料的雙體船。其中的一艘Oks?y級——KNM Hinn?y作為 MCMV是獨一無二的。它是唯一安裝了光纖傳感器來監測艦體和甲板的應變。傳感器可以確保艦體的結構行為與設計所預測的一致，因為它可以監測艦體結構，在其超載時發出報警。同時，也安裝了其它傳感器監測引擎、噴水式螺旋槳和其它機械產生的結構振動。
2.3 輕巡洋艦
目前采用復合材料制造的大海軍艦艇是輕巡洋艦。由瑞典皇家海軍主導設計和制造，通過YS-2000項目制造復合材料輕巡洋艦的 。該項目的目的是制造Visby級輕巡洋艦，長72米，10.4米寬，滿載排水量是720噸，是長也幾乎是重的完全復合材料艦艇（如圖5）。Visby級具有監督、戰斗、布雷、掃雷和反潛作戰等多種功能。為了扮演這些角色，它必須具有質輕、強度大、耐水下沖擊載荷和低的雷達及磁特性等隱身性。瑞典皇家海軍認為，采用復合材料來制造整艘艦艇比采用鋼、鋁合金或混合材料更容易滿足上述要求。
Visby級輕巡洋艦采用的是復合材料夾芯結構，即碳纖維和玻璃纖維混合增強聚合物薄板，包敷聚氯乙烯芯層。Visby級是艘在艦體結構中有效利用碳纖維復合材料的海軍艦艇。碳纖維的價格至少是玻璃纖維的五倍，昂貴的價格限制了它在大型海事結構件上的應用。但是，Visby級的設計表明采用碳纖維可以把艦體重量減輕30%左右，而且制造成本不會大幅增加。重量的減輕可以轉化為艦艇性能的提高，即降低油耗來增加運行范圍和降低操作成本。
應用碳纖維增強復合材料更大的好處是碳纖維能為Visby級的上部結構提供足夠的電磁防護。但是，利用復合材料也存在很多問題，如耐火性差。艘Visby級輕巡洋艦在2000年6月下水投入使用，還將經受大海兩年的考驗。瑞典皇家海軍已經又訂購了五艘。
新加坡皇家海軍目前正與瑞士的Kockums AB共同設計新一代的采用復合材料制造的巡邏艇/輕巡洋艦，即NGPV級。計劃制造八艘，目前，工作剛剛開始。雖然沒有公布相關設計細節，但是已經知道，艦艇采用了隱形設計，由三個船體并列而成，船體將采用復合材料夾芯結構。有些艦體結構采用凱芙拉纖維復合材料，能改進對小型武器火力和榴霰彈的抵抗力。艦體預計長80米，排水量達1016噸，比Visby級艦更長，也更重得多、
美國海軍也在考慮采用復合材料來制造下一代輕巡洋艦。初的設計著眼于用復合材料代替鋼來制造85米長、1200噸排水量軍艦的可行性。他們認為，重量降低30%，排水量降低7-21%，可以節約15%的成本。降低艦體重量，就可以增加武器的載荷和艦艇的運行范圍，從而可能提高其作戰能力。英國的Vosper Thornycroft正在評估制造全復合材料，或艦體采用金屬、上部結構和防水壁及天線系統采用復合材料的輕巡洋艦的可行性。預計瑞典海軍即將開始設計90-120米長、全部由復合材料夾芯結構構成的軍艦。盡管過去十年復合材料輕巡洋艦的設計和制造取得了輝煌的進展，但是可以預計，在未來十年里，大部分的輕巡洋艦仍會采用鋼材，因為其制造成本更低。
2.4 水翼艇和氣墊船
自20世紀70年代以來，復合材料應用在少量海軍水翼艇和氣墊船上。Graner綜述了早期復合材料在艦艇非關鍵結構上、以減重為目的的應用。目前，復合材料在氣墊船上的應用已經擴展到包括基礎結構，如上部結構和艦體在內的應用。1998年，斯里蘭卡海軍使用了一艘18.8米長的M10級氣墊船，它的上部結構是凱芙拉纖維增強復合材料。
瑞典正在制造一艘20米長的海軍氣墊船原型，艦體采用復合材料夾芯結構，可以降低重量，提高損傷容限，同時降低維護成本，而且不含鋁合金這種傳統艦體材料。但是，Smith和Monks預測，采用復合材料代替鋁合金可能會使得艦體的制造成本上升15%。
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