复合材料在国外海军舰船上层建筑上的应用与发展

钱　江，李　楠，史文强

(1.海军装备部，北京 100071； 2.中国船舶重工集团公司 第七一四研究所，北京 100012)

复合材料在国外海军舰船上层建筑上的应用与发展

钱江1，李楠2，史文强2

(1.海军装备部，北京 100071； 2.中国船舶重工集团公司 第七一四研究所，北京 100012)

摘要：近年来，复合材料在海军舰船上层建筑上的应用引发了各国的关注和激烈的竞争。本文对复合材料在各国海军舰船上层建筑上的应用、发展和特点进行深入研究总结，并以美国DDG 1000驱逐舰为例，详细介绍舰船上层建筑中复合材料的应用情况，最后对舰船上层建筑用复合材料的发展进行展望。

关键词：海军；舰船；上层建筑；复合材料

0引言

复合材料是由2种或者2种以上不同材料组成的新材料。由于材料之间的协同效应，克服了单一材料的缺点，具有轻质量、高可设计性、耐腐蚀等优点，是未来追求更大有效负载、更强综合隐身能力、更低全寿期费用舰船装备的最佳材料选择之一。

复合材料在海军舰船上层建筑中的应用始于20世纪60年代中期，最初用于制造巡逻炮艇上的炮艇甲板室。70年代后，猎雷艇的上层建筑也开始采用复合材料，如芬兰皇家海军的快速巡逻艇“劳马”号[1]。90年代后，复合材料开始应用于舰船的全封闭式桅杆/传感器系统(AEM/S)[2]。到目前为止，复合材料在舰船上层建筑中的应用涉及低可探测性烟囱、综合桅杆到整个集成上层建筑，实现了减重、雷达红外隐身等功能，如表1所示[3]。

美国、英国、瑞典、法国、俄罗斯和意大利等海军科技发达国家对复合材料在舰船的应用十分重视，都制定了相应的复合材料先进技术开发计划，并在舰船上层建筑中推广使用复合材料。本文对复合材料在各国海军舰船上层建筑上的应用、发展和特点进行了深入的研究总结，并以美国DDG 1000驱逐舰为例，详细介绍了舰船上层建筑中复合材料的使用情况，最后对舰船上层建筑用复合材料的发展进行展望，对我国发展舰船上层建筑用复合材料提出了建议。

表1　各国海军舰船上层建筑中复合材料的应用典型

1国外海军舰船上层建筑中复合材料的应用与发展

1.1　美国

美国海军在舰船上层建筑上使用复合材料的起步时间很早，发展持续，具有相对较好工业基础，同时通过引进意大利等国舰船用先进复合材料设计使用经验和不断的技术创新，使美国在复合材料船舰方面处于国际领先的地位，装备复合材料上层建筑的舰船数量也最多。

美国海军舰船复合材料上层建筑最初用于“鹗”级扫雷艇。该艇全长57.2 m，排水量近900 t，为全玻璃钢结构，是世界上最大的全玻璃钢加强型复合材料扫雷艇。其上层建筑是由一种叫“Rovimat”的复合材料制造，该材料采用机织粗纱布、高等级增韧间苯二甲酸船用聚酯树脂制成，具有高韧性，无脆性断裂特性，在承受水下爆炸冲击时具有优秀的性能[4]。

随后，复合材料在美国舰船上层建筑的应用推广到驱逐舰等大型舰船桅杆。美国首先在通信船、“怀特”航母(CVL49)和“塞班”号航母(CVL48)上改装使用了高达10~25 m的玻璃纤维复合材料桅杆。1995年，美国开始开发先进封闭桅杆/传感器系统(AEM/S)，并于1997年率先在“亚瑟雷德福”号导弹驱逐舰中使用，不仅保护了天线和其他敏感元件，使其性能得到改善；而且还降低了桅杆雷达反射截面(RCS)。随后AEM/S安装/改装应用于 “圣·安东尼奥”两栖船坞运输舰(LPD17)、“阿利·伯克”驱逐舰及其他部分现役舰船。此外，2006年，复合材料桅杆还成功安装在CVN77“布什”号航母上。

21世纪以来，美国海军提出DD(x)项目，计划制造DDG 1000级驱逐舰，整个上层建筑全部为复合材料制成，是美国未来海军的主力战舰。首舰DDG 1000船面舱室采用“集成上层建筑和孔径”(IHDA)结构，即将雷达天线、通信天线等多个天线集成在由复合材料和复合结构构成的一体化上层建筑中，复合材料为夹芯结构的碳纤维/乙烯基酯/巴尔萨芯，具有质量轻、雷达隐身性好、电磁兼容性好、耐腐蚀等优点[5]。复合材料集成上层建筑极大提高了舰船的隐身能力，良好的复合材料也保证了该舰具有较高的航速。

2007年后，由美国海军投资，雷声公司牵头，Atlantic海洋装备公司等多家单位参与开始设计下一代近海岸巡逻舰(LCS)。为达到隐身性能，整舰全部采用轻质、高强的高性能纤维复合材料，实现最大航速50 kn以上，具有反潜、反水雷战能力，被称之为“海上战斗机”。

1.2　英国

英国是最早使用玻璃纤维增强材料用于海军舰船的国家之一。20世纪60年代中期，英国先后建成450吨级和625吨级的大型玻璃钢扫雷艇和猎雷艇，在欧洲掀起了用玻璃钢制造猎扫雷艇的热潮。此后，英国在复合材料高速艇、巡逻艇等方面的发展也令世界瞩目。但英国海军在舰船上层建筑中使用复合材料的发展速度较慢，加之近年来经费限制，其使用复合材料上层建筑的舰船数量很少。

英国海军和Vosper Thorneycroft公司于1996年提出设计一种使用复合材料建造的集成技术桅杆(Integrated Technology Mast，ITM)，该项目与美国AEM/S项目类似。ITM的复合材料是一种三明治结构，内含雷达吸波材料。同时通信、监控天线和探测器也嵌入到ITM中。复合材料桅杆提高了隐身性，具有更好的环境耐蚀性，并减少了传感器的电子干扰。该桅杆将首先安装在Vosper Thorneycroft公司为英国海军建造的隐身护卫舰“Sea Wraith”上。该舰还具有非对称塔台，可移动桅杆等先进隐身技术特性，号称下一代隐身舰船，但目前还没有相关建造试验的报道[6]。

英国海军2009年服役的45型驱逐舰上安装了综合桅杆，采用夹芯结构复合材料建造，表面涂有雷达吸波材料、外壳内部则集成了滤波材料，具有提高隐身性能、增强探测效果、减少天线维护工作量等优点。

1.3　瑞典

瑞典在舰船用复合材料应用方面起步较早，其复合材料设计制造技术全球领先，工业基础也很好，近年来其复合材料上层建筑的研发与制造发展快速，以出口为导向，其上层建筑设计及产品更是出口多个国家，如印度。其发展方向主要是小吨位的近海作战舰船、中小护卫舰为主，追求全舰整体使用，增强舰船隐身能力，以“维斯比”级轻护卫舰为典型。

21世纪已装备瑞典海军的“维斯比”级轻护卫舰全舰采用复合材料，实现了高度的隐身性能，同时保证了一定的攻击性能。此型舰长72 m，排水量620 t，最大速度可达35 kn，整舰采用碳纤维复合材料建造，整体重量减轻了30%，这种复合材料用碳纤维增强塑料夹层板制成，内层是聚乙烯(PVC)材料，外层是碳纤维和乙烯基物质，覆盖在PVC上。每块平板达到60 m2，使用Kockums真空辅助三明治注入(KVASI)系统[7]。这种材料的应用使得整个“维斯比”舰的磁场特征极低，基本上能够躲避所有雷达或其他先进声呐(包括红外成像系统)的探测，达到了极好的隐身效果，有效降低被对方雷达及水雷武器发现的概率[8]。

该舰制造商为Kockums AB，由瑞典2个大型造船集团Kockums和Karlskronavarvet合并而成，是ThyssenKrupp Marine System的一部分，处于水下和舰船技术的前沿。该公司为澳大利亚、印度、德国等国家海军的舰船制造复合材料上层建筑。2013年起，该公司将为新加坡海军8艘近海作战舰船提供复合材料上层建筑。

1.4　法国

法国在舰船上层建筑中使用复合材料的时间不长，使用复合材料上层建筑的舰船类型不多，但基于其先进的复合材料技术和萨科齐总统等的大力支持下，以整舰装备出口为导向，法国舰船上层建筑用复合材料发展快速。

法国海军的“拉斐特”级护卫舰设计独特，其烟囱不采用易于产生红外辐射的金属材料制造，而采用玻璃钢制造，再涂以一种低辐射的特殊涂料，进一步加强了隔热和绝缘效果，抑制红外辐射，大大提高了舰船的红外隐身性能。“拉斐特”在舱面船室和甲板结构采用涤纶合成树脂制作的玻璃纤维/轻木夹层板，提供相对铝更轻的质量和更好的耐火性能。此外，该舰机库也使用了玻璃纤维增强(聚酯树脂)/巴尔萨芯材复合材料。

最新的法国近海作战舰“追风”级淘汰了“拉斐特”级前后桅杆的传统设计，代之以一个先进的综合封闭式桅杆，复合材料也在部分上层建筑中使用，如圆锥形雷达罩使用了一种新型复合材料，具有足够的强度和厚度，还可确保雷达波透过雷达罩后不发生衰减。

1.5　俄罗斯

苏联在舰船上使用复合材料历史很长，与美国竞争激烈。苏联从20世纪50 年代起开始批量生产各类复合材料舰船等，如1959 年建成了长32.5 m的玻璃钢内河油轮，1970 年建成24. 6 m长的小型玻璃钢反水雷艇“Yevgenya”号，1989年起批量建造“Lida”级玻璃钢沿海猎雷艇等。俄罗斯将复合材料应用在舰船上层建筑的历史相对较短，技术相对落后，但对新技术开发应用十分重视，发展很快，大有后来居上的趋势，其发展的焦点集中在大型舰船应用大尺寸复合材料。

自2001年起在圣彼得堡的Severnaya Verf船厂建造的4艘20380型护卫舰，开启了俄罗斯冷战后建造护卫舰的序幕。2007年首舰开始服役，该舰舰长104.5 m，航速26 kn，设计使用钢铁船体和复合材料上层建筑，其复合材料使用了3层纤维增强复合材料，其中2层表面玻璃纤维和中间层碳纤维，实现了雷达波隐身的功能[9]。

俄罗斯海军22350级护卫舰首舰“戈尔什科夫上将”号由俄罗斯圣彼得堡的北方设计研发局设计，以服役于印度的“塔尔瓦尔”级护卫舰隐身技术为基础，于2006年2月开始建造，2010年10月29日下水，2012年11月在巴伦支海进行了海试。该舰长135 m，宽16 m，航速30 kn。其上层建筑采用的复合材料为碳纤维/聚氯乙烯树脂，能够有效地减少雷达波反射[10]。

最近，俄罗斯圣彼得堡涅夫斯基造船厂首次浇铸了世界上最大的复合材料舰船。这艘为俄罗斯海军建造的、船体完全采用碳塑材料制成的鱼雷舰，高度8 m，排水量2 000 t，其制造完全采用新材料、新工艺和新技术，如玻璃布、碳布等先进材料，非接触真空浇铸工艺。该舰具有不生锈、重量轻、节约燃料、隐身性高等优点，强度与钢铁制造的舰船相当[11]。

除此之外，俄罗斯还设计建造了当今最大的复合材料扫雷艇。12700计划首舰“Alexander”号由中央海上CB Diamond设计，该艇长50~52 m，宽10~10.5 m，排水量600~800 t，航速15 kn，于2011年9月开始建造，2012年下水。该扫雷艇上层建筑为世界上最大，由一块真空注入成型工艺加工而成的玻璃纤维复合材料制成。同时，俄罗斯于2011年后开始使用大型复合材料船体制造1000 t的扫雷艇[12]。

1.6　意大利

意大利的复合材料在舰船的应用不仅发展较早，而且技术非常先进。1976年就开始研究新颖的复合材料硬壳式猎雷舰，20世纪80年代中期建成“Lerici”Ⅰ型硬壳式猎雷艇后，相继又开发了“Lerici”Ⅱ型和“Lerici Mk”Ⅱ型猎雷艇。1998年后又开始开发“SuperLerici”型远洋猎雷舰。意大利在舰船上层建筑上使用复合材料的技术研发和应用发展快速，技术先进，并以技术出口为导向，吸引了诸多国家前往订购其产品或引进其先进技术，甚至美国的多种复合材料舰船均借鉴意大利的设计技术。

意大利海军近年来建造了4艘“克曼德安迪”级轻型护卫舰，自2002年开始服役，生产商为芬坎蒂尼造船公司里瓦·特里戈索造船厂(RivaTrigoso)，第4艘舰“福斯卡里” (P493)2004年下水，该舰长88.4 m，满载排水量1 520 t，最大航速25 kn以上，采用了更多的现今世界最先进的复合材料，上层建筑采用玻璃纤维增强塑料，包括大部分桅杆和直升飞机库，实现了减重、耐蚀、低雷达和红外信号的作用。

意大利海军舰队规模小，但舰种齐全、综合作战能力强。意大利海军使用复合材料的历史很长，其舰船发展不断追求新技术，技术更新快。复合材料的使用也必定会越来越多，技术越来越先进。

2DDG 1000上层建筑复合材料使用情况

美国新一代驱逐舰首舰DDG 1000，排水量约14 000 t，航速约30 kn，是美国未来海军的主力战舰，集成上层建筑是其最大亮点之一，尺寸约为60.35 m×21.12 m×18.1 m，具有隐身性强、电磁兼容性好等优势。DDG 1000驱逐舰集成上层建筑应用复合材料的部件包括上层甲板室、机库、雷达天线罩等。

2.1　上层建筑甲板室

DDG 1000驱逐舰的上层建筑甲板室，采用T700碳纤维/乙烯基酯(溴化树脂)表面和巴尔萨芯材的夹心结构，具有质量轻、雷达隐身性好、光顺性好、耐腐蚀等优点[13]。

T700碳纤维是由日本东丽(Toray)的美国公司提供，相比其他碳纤维材料，T700能够提供其他纤维不能提供的所需刚度、强度质量比，成型的复合材料平板具有很好的表面平整度。溴化乙烯基酯具有粘度小、浸润性好，能够在VARTM工艺中很好地成型,实现纤维与内芯的连接。其力学性能也同样优异，能达到和一般钢铁材料同等的强度，但质量更轻。巴尔萨木芯相比泡沫芯，燃烧缓慢，能够更有效地阻止热的传送，同时能提高强度。每块复合材料平板由20~30个分层组成。

2.2　机库

DDG 1000机库采用2个部分组装，下半部分与下部金属船体及外部甲板为整体，上半部分为复合材料，其结构为碳纤维/乙烯基脂表面及巴尔萨木芯夹心结构。与上层建筑甲板室复合材料相同，其应用目的也是减轻重量，同时较少雷达波反射截面。

2.3　雷达天线罩

DDG 1000驱逐舰集成上层建筑的大型隐身雷达天线罩，外层采用高强度的纤维增强层压结构材料，中部填充分层泡沫夹芯材料(蜂窝或者泡沫结构)，层间覆盖频率选择材料层，具有良好的滤波特性[14]。

3结语

复合材料虽然因为其较高的成本，在各国海军舰船中的应用没有传统钢铁材料广泛，但潜在的众多优越性能和较低的全寿命期维护成本使其得到了越来越多的应用和不断的研究创新。各国也在加强相关的科研和生产技术开发，争取在成本控制、隐身性能和更大负载能力方面实现突破。

对于应用于舰船上层建筑上的复合材料，未来各国研究的重点可能集中于2个方面：一是大尺寸，开发大尺寸复合材料平板、大跨度复合材料横梁等产品及其成型加工工艺，以满足集成上层建筑的需求；二是特殊性能，开发满足不同环境需要的复合材料，如隐身所需的频选复合材料、防火所需的耐高温复合材料、防爆防冲击所需的高韧性复合材料等，以满足不同部位对材料的需求。

我国舰船用复合材料发展较晚，在舰船上层建筑中应用复合材料较少。大力发展舰船用复合材料，特别是舰船上层建筑用复合材料，具有现实的紧迫性和重要意义。

参考文献：

[1]唐红艳,王继辉,徐鹏遥.复合材料在海军舰艇上的国内外应用现状及进展[J].船舶, 2006(2):6-11.

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[14]PATRIK P.Surface ships put composites to work[J].AMPTIAC,2003,7:37-40.

The application and development of composites for foreign naval warships′ superstructure

QIAN Jiang1，LI Nan2，SHI Wen-qiang2

(1.Naval Armament Department PLAN, Beijing 100071,China;

2.The 714 Research Institute of CSIC，Beijing 100012,China)

Abstract：Recently, the application of composites to naval warships′ superstructure has attracted extensive attention and drastic competition. In the article, the application, development and characteristics of composites to naval warships′ superstructure in several countries have been comprehensively researched and systematically described. Meanwhile, the application of composites to DDG 1000 destroyer′ superstructure has been presented in detail as an example. Finally, the future development of composites used in naval warships′ superstructure is discussed and some advices are put forward.

Key words：navy; warship; superstructure; composites

作者简介：钱江(1975-)，男，工程师，研究方向为舰船装备管理。

收稿日期：2014-12-12

文章编号：1672-7649(2015)01-0233-05

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.01.051

中图分类号：TP393

文献标识码：A