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从“柱子”到“宝塔”:揭秘军舰桅杆的一体化发展之路

2018-10-11 10:02 来源:科普中国-军事科技前沿 

  2018年7月30日,日本海上自卫队的新型导弹驱逐舰27DDG在横滨矶子造船厂下水,作为“爱党”级导弹驱逐舰的后续型,27DDG离上一艘“爱宕”级二号舰“足柄”号的下水已经过去了12年。27DDG沿用前型的后倾式棱柱型桅杆,在各种采取“宝塔”式高度集成一体桅杆设计的新锐驱护舰不断出现的今天,这种桅杆结构已难免显得落后。我们不妨以驱逐舰发展为线索,回顾与展望军舰桅杆结构的发展。

从“柱子”到“宝塔”:揭秘军舰桅杆的一体化发展之路

日本海上自卫队的新型导弹驱逐舰27DDG

  1894-1914:一“柱”擎天

  1894年1月,第一艘现代意义上的驱逐舰“哈沃克”号服役于英国皇家海军,早期驱逐舰的基本设计目标是部署在主力舰队外围,发现、防御并使用火炮驱逐敌方鱼雷艇,并利用夜晚、烟雾等不利于观察的环境作为掩护,使用鱼类对敌方主力舰艇进行打击。

从“柱子”到“宝塔”:揭秘军舰桅杆的一体化发展之路

HMS Havock驱逐舰,满载排水量279吨,装备1门口径为76.2毫米的12磅炮和3门6磅炮,其桅杆非常简陋。

  这样的任务牵引深深影响着早期驱逐舰的舰体设计,为了在保证隐蔽性的同时满足通信的要求,早期驱逐舰仅在细长的桅杆上布置通讯天线、灯具和信号旗。

  1914-1939:登高望远

  到一战时期,战争进程和作战需求不断促进着驱逐舰设计的调整。一方面,驱逐舰朝着大型化发展,排水量从百吨级增加到千吨级,火炮的数量和口径也不断增加;另一方面,潜艇作战性能不断提高,水下威胁几乎取代了鱼雷艇的威胁。

从“柱子”到“宝塔”:揭秘军舰桅杆的一体化发展之路

  美国海军“威克斯”级驱逐舰,满载排水量1247吨,装备4门102毫米炮和1门76.2毫米炮。主桅杆增设了观察哨,在舰艉布置了后桅杆。

  一战后,西方各国分别在1922年和1930年签订了《限制海军军备条约》和《限制和削减海军军备条约》,条约限制了主力舰艇的吨位和数量,却没有限制驱逐舰的数量,这客观上促进了驱逐舰的建造。至二战前驱逐舰已经发展成多功能舰艇,舰炮口径增加,为了给火炮提供海空目标射击引导,同时搜索上浮的潜艇目标,驱逐舰桅杆的高度不断增加。这需要增强桅杆承重能力以布置更多观瞄设备,三脚桅杆开始出现。

从“柱子”到“宝塔”:揭秘军舰桅杆的一体化发展之路

德国海军Z39号驱逐舰,排水量3800吨,装备5门150毫米主炮,三脚桅杆上布置了较多观瞄设备。

  1939-1945:舰队之“伞”

  二战时期,航空兵成为水面舰艇的头号威胁,为了提供对空预警,舰载雷达首次得到运用。舰载雷达探测范围受舰体烟囱干扰和地球曲率的影响,需要安装在尽可能高的桅杆顶部。然而,单柱桅和三脚桅对上端重量非常敏感,雷达重量受桅杆结构强度的限制。

从“柱子”到“宝塔”:揭秘军舰桅杆的一体化发展之路

美国海军“基林”级驱逐舰,桅杆上安装了SC对空搜索雷达。

  1946-1990:荷载与隐身性能的权衡

  台湾海军“辽阳”舰,战后经过改造的“基林”级退役后部分出售中国台湾省,桅杆已改造为网格桅

  桅杆强度不足的问题在大战结束后得到了重视,当时各国改造驱逐舰的基本措施就是将单柱/三脚桅改造为网格桅。网格桅由若干金属桁架构成封闭框架,使整个桅杆形成一个完整的受力结构。网格桅抗弯曲能力、承重能力强,设备安装空间充足。没有封闭结构,可以让各个方向的风直接从空隙通过,从而减少航行阻力。另外,较轻的结构重量也有利于降低船体重心。

从“柱子”到“宝塔”:揭秘军舰桅杆的一体化发展之路

美国海军“斯普鲁恩斯”级驱逐舰,上层建筑上布置了两组大型网格桅,安装有全舰大部分雷达天线设备。

  冷战时期的建造的驱逐舰大都采用网格桅杆设计,缺点是网格桅的雷达反射信号特别强,尤其是桁架构成了大量类似90°角的强反射源。这对冷战中后期迅速发展的反舰导弹搜索、打击目标提供了便利,因此冷战后期建造的部分舰艇在桅杆桁架外敷设金属蒙皮形成封闭式桅杆。

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70年代末开始服役的英国海军42型驱逐舰,后桅杆已经建造成封闭式桅杆。

  1991至今:激进还是稳妥?

  90年代开始,碳和玻璃纤维复合材料广泛应用于水面舰艇。一方面,复合材料与传统钢材相比,密度低、结构强度大、耐腐蚀能力强,解决了封闭桅杆造成舰体重心高的问题;另一方面,部分先进复合材料透波性强,可以将天线内置于蒙皮内。1991年“阿利·伯克”级驱逐舰服役,开启了舰载相控阵雷达和先进整合舰艇作战系统大量应用的先河。

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  美国海军“阿利伯克”级驱逐舰,装备的SPY-1D(V)无源相控阵雷达采用多面阵设计,整合在上层建筑中,从而大幅减轻了主桅杆的荷载。采用后倾式封闭三脚桅杆。

从“柱子”到“宝塔”:揭秘军舰桅杆的一体化发展之路

  中国海军新型万吨驱逐舰除了大型S波段有源相控阵雷达,X波段火控雷达和各种雷达天线均整合在一体封闭桅杆内。

  近年来,小型化舰载相控阵雷达成熟促成了“宝塔”式桅杆的出现,将相控阵雷达和封闭桅杆结合起来,在平衡重心和隐身性能的同时尽可能扩大雷达对水平线高度目标的探测距离。

从“柱子”到“宝塔”:揭秘军舰桅杆的一体化发展之路

英国海军45型驱逐舰,“宝塔”顶部直径5米的球状天线罩内的就是“桑普森”多功能有缘相控阵雷达。

从“柱子”到“宝塔”:揭秘军舰桅杆的一体化发展之路

澳大利亚海军“猎人”级想象图,将CEA-FAR2固定阵列三波段雷达的L、S、X波段十几个阵面全部整合在一体桅杆内。

  现今最激进的桅杆结构设计莫过于美国海军的“朱姆沃尔特”级驱逐舰,已经将桅杆结构彻底整合进巨大的金字塔形上层建筑内,具备划时代的隐身性能和信息化水平。由于预算缩减,又将卫星通讯天线、数据链天线等天线安装在原本平整的舰岛外部。

从“柱子”到“宝塔”:揭秘军舰桅杆的一体化发展之路

  “朱姆沃尔特”号驱逐舰近照,上层建筑侧面突出安装的是UHF和EHF卫星通讯天线,上方蒙皮内安装有更多雷达天线。

  “朱姆沃尔特”级驱逐舰能否彻底颠覆桅杆结构设计,驱逐舰诞生百余年至今,其一直沿用的桅杆结构能否继续保留,仍有待进一步考验。(本文图片来自网络)

  出品:科普中国军事科技前沿

  作者:程笑颜工作室

  监制:光明网科普事业部

[责任编辑:赵清建]

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