北极航行对潜艇航行性能影响研究∗

2020-10-30

舰船电子工程 2020年9期

（海装驻武汉地区某军事代表室武汉 430205）

1 引言

北极地区是一个被陆地环绕的海洋，即北冰洋，尽管北冰洋是世界上最小、最浅和最冷的大洋，但拥有极为丰富的自然资源，北冰洋还是亚、欧、北美三大洲的顶点，有联系三大洲的最短大弧航线，具有极其重要的战略意义，堪称“全球地中海”[1]。北极地区存在着巨大的冰盖、冰岛、冰山和浮冰等，虽不利于水面舰船的航行，但对潜艇的活动却十分有利，美、英、苏（俄）等国核潜艇已多次出入北冰洋，执行监听、侦察、巡航、演习以及训练等任务。随着技术进步和全球气候变暖等因素影响，北极呈现出更多更重要的现实和潜在的政治、经济及军事战略价值，将深刻影响全球经济和地缘政治格局。

但是，北极环境条件十分恶劣，北极地区为高寒、高纬度地区，常年气温在-8℃～-53℃，海水密度大，并伴有冰层，这些对潜艇航行性能产生重大影响。本文通过北极环境对比分析，研究了北极环境对潜艇航行性能的影响，并给出改善潜艇航行性能建议。

2 北极环境条件分析

从地理学角度北极是指北纬66°34′（北极圈）以北的广大区域，也叫做北极地区[2]。北极地区包括北冰洋、边缘陆地海岸带及岛屿、北极苔原和最外侧的泰加林带。北冰洋是一片浩瀚的冰封海洋，周围是众多的岛屿以及北美洲和亚洲北部的沿海地区，周围由大陆环绕、近于封闭的海洋[3～4]，如图1所示。

2.1 大气温度

北冰洋处于高纬区，年平均日照量小，加上夏季冰雪融化消耗大量热量，所以气温比地球上其他区域低。通过观测表明，近30年来，北极地区增暖速度很快，温度升高幅度大于全球平均。北极永久冰层、冻土以及海冰都在加速融化。北极地区的气候以持续低温、气温变化幅度较小为特征。北冰洋的冬季从11月起直到次年4月，长达6个月，而7、8两个月为夏季，5、6月为春季，9、10月为秋季[5]。冬季以持续的黑夜、气候寒冷和稳定、天气晴朗为特征，极夜期长179天，在最冷月份月平均气温约为-20℃～-40℃，2月份最低气温可达-53℃。而夏季则出现持续的白昼、潮湿和多雾，弱暴风天气，伴有降雨和降雪。夏季最暖的8月的平均气温也只达到-8℃，沿岸地区都在10℃以下。

图1 北极地区地理位置

2.2 风速

北极地区平均风速较低，即使在冬季，北冰洋沿岸的平均风速仅为10m/s[6]，疾风很少，罕有超过25m/s的。强风一般出现在巴芬湾、白令海和楚科奇海等台风活动频繁的区域，风速可达7m/s～12m/s，远较太平洋地区风速严酷值54m/s低。

2.3 海水温度

由于四周环绕着欧亚美洲大陆，因此北冰洋的海洋水体变得较为温和。北极海区，从水面到水深100m～225m的水温约为-1℃～-1.7℃，在滨海地带水温全年变动很大，从-1.5℃～8℃；而北欧海区，水面温度全年在2℃～12℃之间。此外，在北冰洋水深100m～250m到600m～900m处，有来自北大西洋暖流的中间温水层，水温为0～1℃[7]。

2.4 海冰

北冰洋较明显的特征是其表面覆盖着海冰，如图2所示，它的面积夏季末（9月）最小，冬季末（3月）最大。北冰洋海冰分布主要有三种形式。第一种是北冰洋中部水深超过600m区域，主要为半永久多年冰。这个区域的地形为主海盆和孤立的浅滩。结冻和融化交替出现，加上形成冰脊、破裂、风和流引起的漂流等因素共同作用，导致与离岸冰边界形成大的变形，变形程度从边缘向中心减小。第二种是水深25m～600m的地区，主要为一年冰，冰厚大约为2m或薄一些。由于海冰的破裂和形成冰脊，造成相当大的变形。海冰多数为夏季融化，但是一些保留至第二年冬季，并最终与北冰洋中部的多年冰结合在一起。第三种为海岸和水深25m之间的区域，在一年的不同时间，海冰形成为岸冰，潮汐有时使海冰出现破裂，海岸充满流冰，但在相对平静和低温的天气下，会重新结冰。平均厚度在2m，但在一些地区由于海冰的破裂和形成冰脊，可能出现2倍或3倍厚的冰。

海冰是由海水在低温环境下冻结而成，同时，海冰不同于淡水冰，海冰是固体冰晶、盐泡和少量气泡的混合物。其形态按发展阶段分为以下6类：初生冰是最初形成的海冰，都是针状或薄片状的细小冰晶；尼罗冰由初生冰继续增长冻结而成，通常为10cm厚度左右；饼冰是由破碎的薄冰片在外力作用下互相碰撞、挤压、边缘上升而形成，直径为30cm～3m，厚度10cm左右的圆形；初期冰是由尼罗冰或饼冰直接冻结一起而形成的冰层，厚度约10cm～30cm；当年冰由初期冰发展而成的厚冰，厚度为30cm～3m，时间不超过一个冬季；陈年冰是至少经过一个夏季而未融化的冰，厚度大多是在0～4m 之间[8～9]。

由于各自海域环境的不同，在形成过程中可能受到很多因素的影响，导致海冰拥有许多不同的晶体结构，从而影响其物理特性。例如，新形成的海冰密度大致为900kg/m3，其会随盐度增加和空气含量的减少而加大，随着冰龄的增加，冰中盐分渗出，一般夏末时海冰密度可降至860kg/m3。

图2 北极冰层变化图

2.5 盐度

我国海域近岸地区，尤其河口附近，盐度变化剧烈，水平梯度大，在垂直方向上产生很强的盐跃层。外海的盐度变化缓慢，水平梯度小，盐跃层弱。盐度垂直分布总趋势为表面盐度低，下层盐度高，我国近海大陆架区盐跃层的形成、发展及消失过程与温跃层相同，但其强度一般不如温跃层大，盐度范围一般为3.5%～3.65%。北冰洋由于地处高纬度，太阳辐射少，气温低，蒸发弱，且周围大陆有大量河水注入，淡水对海水稀释作用明显，故海水盐度较低，平均盐度为3.0%～3.2%。

2.6 能见度

在北极地区，影响能见度的最主要因素是海雾和吹雪。在北极温暖的季节，随着海冰的融化，开阔水域、冰间水道和融池不断增加，水汽交换就会形成平流雾[10]。在寒冷的季节，冷空气经过开放区域时会使洋面较暖的水汽凝结形成蒸汽雾。当温度低于-30℃时，还会产生由悬浮颗粒所形成的冰雾。北极地区年平均降雪量为38cm～229cm，积雪松散且呈颗粒片状，易于被风吹起而形成吹雪。

3 北极环境条件对潜艇航行性能的影响分析

从北极环境条件分析中可以看出，北极大气温度、海水温度、海面冰况等与我国近海和太平洋地区有很大不同，必然对潜艇航行性能带来重大的影响。

3.1 北极破冰及碎冰区航行对潜艇稳性影响分析

潜艇在极地碎冰区水面航行时，主要遭受的风险是可能会遇到的多种形式冰的影响，既有雨、雪和水气凝结形成的冰附着在艇体上带来的影响，也有海面上结冰带来的影响。航线的危险区主要是冰山和冰脊，冰山在水面下的体积约是水面上的6倍，而冰原的移动形成了冰沟和冰脊，这些起伏使潜艇存在航行风险。

当潜艇长时间在北极低温区域航行时，潜艇上层建筑、围壳和桅杆等部位都会出现结冰现象，结冰会导致潜艇附加重量增加，减少剩余浮力与干舷，还会抬高潜艇重心，导致初稳性高降低，使横摇力矩加大从而导致潜艇产生过度横摇，并使潜艇遭遇到非对称冰载，引起潜艇横倾增加[11]。冰沿艇长和艇宽方向的不均匀分布还会使潜艇纵倾和横倾发生变化，使得潜艇稳性降低。在北极强对流天气下，潜艇瞬时工况更加恶劣，潜艇若在横风和尾斜浪中航行，可能会发生危险的横倾现象。

3.2 北极破冰及碎冰区航行对潜艇快速性、操纵性、适航性等影响分析

北极海面上存在的大量海冰会导致潜艇在水面航行时阻力增加，水面快速性降低。潜艇破冰过程产生碎冰不规则运动，会对推进器产生不利影响，一方面推进器前方的冰会扰乱推进器前方水的流动从而影响推进器产生的推力，所需的推进功率也会剧烈变化，对推进系统的性能产生较大的影响，另一方面碎冰可能与推进器发生刮碰，对推进器各部分结构强度产生影响。

北极多雾，能见度较低，航道曲折蜿蜒，且随海冰运动变化，潜艇在北极水面航行时，需要经常改变航行以利用冰间水道和薄冰区。冰区航行时潜艇速度较低，舵效降低，潜艇转向变得迟钝。破冰过程中，潜艇与海冰的相互作用对潜艇的运动状态产生影响，潜艇不断变化的运动状态会导致与之发生作用的海冰破坏进程处于不断的变化中，从而使得潜艇操纵性远远复杂于与传统海域潜艇[12]。

虽然北极地区风浪相对较小，但是潜艇在前往极地及返航过程中需要经过海域较多、环境恶劣，在北极水面航行时，水面存在碎冰，这些均对潜艇适航性提出了更高的要求。

3.3 潜艇操纵控制性能影响分析

北极海域狭航道、浮冰、气温、能见度和风等气象环境，均对潜艇航行操纵控制带来重大影响。由于北极海域存在大面积的浮冰，潜艇机动空间被挤压缩减，经常被迫改变航向，对潜艇操纵控制提出了更高的要求。

在复杂的冰区环境，潜艇可能存在水面低速航行工况，应在操纵性设计中予以考虑。

由于北冰洋海水密度差和海水不同深度不同温差，对潜艇浮力调整精度有更高要求。

潜艇破冰上浮对潜艇姿态控制精度要求更高，破冰上浮往往是一个平稳缓慢的过程，需要进一步提高系统的控制精度，包括如何联合使用吹除、浮力均衡、纵倾平衡、操舵等措施。

当潜艇在水面航行时，低温环境会造成艇体表面局部结冰，从而影响操舵等机动操作。

碎冰区航行时，为避免碰撞冰山和冰脊的风险，潜艇可能做频繁且剧烈的机动，对航向控制精度提出更高要求。

3.4 潜艇材料和结构性能影响分析

北极航行过程中，潜艇各部分结构材料主要面对低温考验。低温条件下，潜艇结构钢材和焊接接头韧性降低，结构变脆，导致抗裂性能下降，即使存在很小的缺陷，例如焊接缺陷，也会在小载荷作用下增加结构折断的危险，其发生疲劳破坏的可能性和危害性增大。

潜艇在极地冰区航行或冰下航行时，有可能会遇到与水下冰山或水面海冰发生碰撞的小概率事件，冰层中破冰上浮时，浮冰更会与潜艇发生碰撞，导致潜艇上层建筑、围壳、稳定翼等艇体结构局部载荷增大，使得相应部位艇体结构和设备发生损坏，因此必须对这些部位的结构进行加强。

3.5 潜艇通信导航性能影响分析

潜艇一般通信设备不能覆盖北极地区，并且北极地区低温环境还会对潜艇通信设备的存储和使用带来较大影响。值得注意的是，由于北冰洋独特的声学效应，甚低频和超低频波远程传播特性明显，在潜艇北极航行中可能发挥重要作用，但由于声场受冰层影响很大，北极复杂背景噪声环境给通信信号处理带来很大困难。

由于极地区域存在大面积的浮冰，且重力场、磁场等与其他区域均有差异，磁罗经、雷达等导航设备的使用有着很大的限制。潜艇惯性导航系统一般采用指北式，其方位陀螺指令角速度中包含当地纬度的正切量，随着纬度的增大，方位陀螺的施矩电流会急剧上升，导致施矩电机无法正常工作；惯导设备航向精度与纬度的正割函数成正比，即纬度越高，航向误差越大，在北极高纬度地区，航向误差就更大[13]。电罗经由于陀螺指向力矩随着纬度的增大而减小，在北极地区电罗经误差急剧增大，电罗经启动找北时间大幅加长，导致装备在高纬度地区无法正常工作。磁罗经由于北极地区地磁力水平分量较小，并且地理北极和磁北极不在同一点，其指向能力也将大为减弱，指北误差也较大。

北极水声环境也有重大变化。一是在北极冰盖影响下，水下声场显现强混响效应，会影响主动声纳对微弱目标回波的检测，且低频混响影响范围很广，会使主动式声纳一直工作在混响背景下，增加了虚警概率。二是北极海域信道具有频率选择性，某段频率信号传播损失远大于其它海域，限制了部分声纳设备正常使用。三是冰层下水声背景受冰况和水面海况影响后线谱和特性变化很大，给声纳系统信号处理带来很大困难。

3.6 潜艇航行安全可靠性影响分析

潜艇系统设备在北极地区运行环境恶劣，负载时间长，特别是舷外、舷间系统设备直接面临低温、冷热交替、冰块碰撞的环境，对其运行安全可靠性提出了更高的要求。

首先是航行安全性，潜艇在北极地区冰层中破冰上浮时，浮冰将会与潜艇发生碰撞，在冰区航行或冰下航行时，有可能会与水下冰山或水面海冰发生碰撞的小概率事件。这两种情况下，导致潜艇局部载荷增大，对上层建筑、围壳、稳定翼、舵、推进器等关键部位等艇体结构的破冰安全性产生较大的影响，无论是破冰上浮还是冰区航行，艇体局部存在与冰块碰撞的风险，设计时需加强结构安全性。

其次是设备的安全性，例如潜艇在极地水下航行过程中，通海排氢和二氧化碳排出口将可能出现冻结堵塞，导致空气再生系统工作失效，直接影响潜艇水下安全性。

此外还应保证艇员的安全性，艇体表面在低温下容易结冰，应进行防滑防摔设计。