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凌的潜艇博客

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日志

 
 

国产潜艇上的洞洞为什么那么多?  

2009-09-25 11:05:28|  分类: 潜艇基础知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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扎眼的流水孔

国产潜艇上的洞洞为什么那么多? - 小马 - LostAngel的潜艇博客

 国产常规潜艇处于水面状态时,舷侧众多的孔洞显得特别扎眼,这些学名叫“流水孔”的玩意不美观,又影响潜艇水下航行的性能。既然如此,国产潜艇上为什么还要保留那么多“流水孔”呢?

          国产潜艇上的孔洞为什么那么多,是让很多军迷困扰的问题。部分军迷将原因归咎到国内潜艇设计水平较低,建造能力落后上,这当然是比较片面的认识。真正的答案也远没有那么简单,因为潜艇艇表开口的控制涉及到采用不同壳体结构、不同的设计思想、不同的战术要求等诸多复杂的因素。所以,要搞清楚真正的原因,只有从多个方面,多个角度,进行全面深入的分析后,才能得出较为正确的结论。

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最新型的039A\B型元级AIP潜艇上的流水孔依然醒目,很多军迷难以接受也非常不理解。

  一、采用双壳体结构,是造成国产潜艇流水孔较多的主要原因。

   先来认识一下流水孔,因为国产潜艇上那一排排扎眼的开口,就属于流水孔范畴。流水孔是指开立在潜艇上层建筑等非耐压非水密结构上,用于潜艇上浮下潜时,供液体自由进出的开口。由于潜艇航行方式较为独特,其艇体结构与水面舰船相差较大,所以潜艇的上层建筑概念与水面舰船的完全不同。潜艇的上层建筑是指位于耐压艇体上方,沿艇体长度伸展的导流透水甲板结构。而潜艇上层建筑容积的大小,直接影响着流水孔开口数量的多少。文字解释比较抽象,为了直观明了用图片进行注解,请看下图。

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               双壳体艇横剖面略图                                                  前苏联633型R级常规潜艇横剖面图

   上两图中阴影部分即为双壳体潜艇的上层建筑区域,指挥室围壳也属于上层建筑范畴。潜艇的上层建筑用来容纳柴油机的进、排气管系、高压空气瓶组、可伸缩的导缆钳、带缆桩、系泊羊角、失事救生浮标、救生平台等等多种设备。它还起着连接首尾端结构,保证潜艇外部纵向连续性的作用。其构成的上甲板结构,也是人员在艇外操作时的甲板通道。上层建筑是双壳体潜艇非常重要的,不可或缺的组成部分。

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双壳体结构潜艇的上层建筑较大,左边是退役后的国产033型常规潜艇,看着拆的挺惨其实只是拆除了上层建筑和围壳部分。这艘艇也不是要报废,而是重新整修,现在该艇作为潜艇博物馆在上海东方绿洲主题公园展出。右边是在坞修的一艘033艇,也拆除了上层建筑,露出内部众多的管系和高压气瓶等装置双壳艇的上层建筑空间有多大,大家应该有点概念了吧。

   由于上层建筑属于非耐压非水密结构,潜艇在水下时这部分空间处于自由浸水状态。为了保证潜艇在上浮下潜时,水能够自由流畅的进出,上层建筑上就必须开立一定数量的流水孔。上层建筑内自由浸水面积大的潜艇,开立的流水孔数量就多,而上层建筑小的潜艇,流水孔开口数量自然就少。双壳艇因为主压载水舱布置在舷间,艇体宽度增大,为了满足潜艇水下航行性能的需要,保证潜艇线型的流畅,现代双壳体潜艇的上层建筑和外壳体往往形成光顺曲线成为一体,上层建筑的体积就较大,内部的自由浸水面积也大,为了保证潜浮时上层建筑内的剩水能够及时的流出,上层建筑上的流水孔开口数量也就较多。

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左边涂成阴影的为单壳体潜艇的上层建筑区域,与双壳艇相比上层建筑空间要小的多。而像右边这艘单壳体结构的美国弗吉尼亚级攻击核潜艇,除了一个围壳外就没有其他上层建筑部分,其流水孔就更少,只有在艇首等部位有不起眼的开口。

   单壳体艇因为主压载水舱只布置在首尾端,没有舷间结构,所以单壳艇的上层建筑外型线不需要像双壳艇那样,为了顾及水下航行需要,和艇体形成整体流线型,上层建筑空间也就比双壳艇要小的多。流水孔开口数量也就很少,个别极端的如美国人那样,只有一个围壳为上层建筑空间的潜艇,流水孔的开口数量就更稀少,只有在围壳和艇艏部有少量的难以观察到的流水孔。这让很多人觉得西方潜艇艇表开口很少,外形也显得异常光滑。实际上这是东西方两个潜艇设计流派,采用不同的壳体结构形式所造成的差异。我国潜艇的设计体系传承自前苏联,在设计思想和建造工艺上基本一脉流传,壳体结构上也和前苏联一样,选用了双壳体结构,上层建筑上的流水孔就比较多。

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 双壳体艇燃油压载水舱(可作超载燃油舱)的通气阀、通海阀示意图。下潜时位于底部的压载水舱通海阀打开,水从通海阀进入水舱内,水舱内的空气通过上部打开的通气阀进入上层建筑内,再由上层建筑上的流水孔外溢到艇体外,如果流水孔数量过少,或者开口面积不够,进入上层建筑的空气将难以及时外泄到艇体外,压载水舱会形成一定的空气垫,影响水舱进水速度,延缓潜艇下潜时间。

   对于双壳体潜艇来说,流水孔开口较多是有不得已的缘由的。如果流水孔开口面积过小,双壳艇在下潜过程中,压载水舱通过通气阀排出的空气将难以迅速的由流水孔溢出艇外,这会影响潜艇的快潜品质。早期的潜艇因为水面航行为主,为了避免航空反潜的威胁,就非常重视潜艇的快潜指标。在上层建筑上不但有众多的流水孔,甲板上也开立密密麻麻的通气孔,以加速潜艇的下潜速度。现代潜艇虽然以水下航行为主,通气孔已经大为减少,有的彻底取消,但是为了保证潜艇临战时的下潜速度,合理的流水孔开口数量是必须的。

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 039型(宋)级常规潜艇,紧急上浮时上层建筑内的水从流水孔喷涌而出的情景。

   双壳体艇的上层建筑空间大,所处位置又高于潜艇的重心和稳心,当潜艇上浮时,如果流水孔开口面积不合理,会造成严重的背水(上层建筑内的水在潜艇上浮时候没有及时流出艇体,而滞留在上层建筑内)。双壳艇的上层建筑背水容积,可以达到艇体总吨位的5%-10%左右,这对双壳艇上浮时本就脆弱的横稳性会造成巨大的影响,对潜艇上浮经过稳性瓶颈区时的安全不利。如果海面海情大,潜艇横稳出现问题,容易出现过大的横倾,甚至发生整艇倾覆,对艇内人员和潜艇都会造成严重的威胁。

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这艘F级双壳体潜艇在紧急上浮后,上层建筑内的水通过围壳与艇体上的流水孔及时外泄到艇体外,如果流水孔开口面积不合理,大量背水无法流出艇体,滞留在上层建筑内,双壳体潜艇上浮过程中脆弱的横稳将难以保持,一旦潜艇失稳造成倾覆会严重威胁潜艇的安全。

      另外还要考虑到当潜艇水下失事或出现严重故障时,潜艇会用紧急上浮法,以最快速度上浮至水面。此时潜艇的上浮速度和出水的角度都会非常大,流水孔开口面积不够就会造成更严重的背水,几百吨乃至上千吨(战略核潜艇的上层建筑容积可以占总吨位的15%,以92艇为例如果水下满排达到9000吨,上层建筑背水容积将达1350吨)的剩水将彻底破坏事故潜艇的横稳性。失事后的潜艇自救能力本就十分脆弱,一旦上浮后潜艇出现倾覆,事故潜艇残余的生存力将彻底丧失,毁艇伤人的严重事故将无法避免。

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俄罗斯和我国潜艇结构都以双壳体艇为主,VIII攻击核潜艇的流水孔在水下时有挡板可以密闭,但是处于水面状态时,其舷侧的大开口流水孔还是非常扎眼。

   所以,流水孔虽小对双壳体潜艇却是至关重要的。为了保证双壳体艇潜浮时的安全性,以及临战时必要的潜浮速度,艇表开立一定数量的流水孔也是必须的。总而言之,拥有大容积上层建筑的双壳体潜艇,流水孔开口数量较多是壳体结构特性所决定的,是原生性的问题,从根本上说它也是个无法避免的问题。

二、潜艇建造工业起步晚、自主设计能力薄弱、设计思想滞后是国产潜艇艇表开口较多的重要因素之一。

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外侧的035型艇(内侧为039首艇320号)虽然是80年代初设计完成并开始建造的,但是设计框架还是自前苏联50年代设计的033型艇上改进而来,流水孔开口形式还是采用了立式开口流水孔。

   我国是在引进前苏联613型(W级)和633型(R级)常规潜艇,并国产化后才建立起潜艇建造工业的。与发达国家造了一百多年的潜艇工业相比,起步晚主设计能力较为薄弱。60年代的国民经济困难,和长达十年的社会动乱,更打断了国内潜艇建造工业的正常发展,导致设计思想的严重滞后。以第一代自主设计的035型常规潜艇为例,虽然是80年代才设计完成的,却是自033型艇的基础上改进而来。而033型是前苏联50年代初设计的产物,体现的还是二战前后的一些设计思想,比如以水面航行为主,重视水面航行性能,重视快潜指标等。所以033艇的上层建筑和甲板上开立了众多的流水孔与通气孔。035型艇以033型为母型,自然也没能跳出033型的框架。流水孔样式虽然有所改动,通气孔数量也有一定的减少,但是开口形式还是和33艇一样,采用了舷侧与上甲板横排的众多立式开口,开口数量也依然较多,与母型33艇的区别并不是很大,旧式苏俄潜艇的烙印依然明显。

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039型常规潜艇虽然是2000年后开始批量建造的,但是其设计时间早在上世纪80年代中期就开始,首艇在94年下水后暴露的问题较多,一直到2000年前后才完成技术定型。可见国内较为薄弱的自主设计能力对国产潜艇型号发展的影响。

   这种现实差距自然也会影响到后续的039系列潜艇的设计研发,在艇表开口的细节处理上,我国与发达国家的差距就非常大。这一点对比国产的039系列常规潜艇,与德法的212A、214、铀鱼等先进型号就非常明显。美德等发达国家在降低艇表粗糙度,围壳上大开口空腔的密闭处理,艇体流水孔开口上的严格控制,乃至一些折倒式翻转机构上的盖板配置,都有着严格的要求,施工工艺也非常优秀。国内这方面尚处于初级阶段,不管是设计理念还是工艺水平,与这些国家的差距都非常显著。当然存在这种差距是正常的,我国自035型开始自主设计潜艇,到现在不过三代三型而已,而德、法、美、俄、英等发达国家建造潜艇的历史都已达百年,百年间积累起来的设计经验不是新中国短短的几十年所能赶超的。这些发达国家经过长期努力完善起来的建造体系和先进的工艺水平,也不可是我们一口气就能赶上的。可喜的是通过039与039A/B型潜艇的建造,国产常规潜艇无论是总体性能还是在艇表开口的处理,差距都在显著的缩小。相信经过一到二个五年计划的追赶,国产潜艇在艇表开口上的处理,达到国际先进水平是完全可能的。

 三、在不同的战术任务航速与建造成本要求下,国产核潜艇与常规潜艇在流水孔开口形式上的差异。

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核潜艇水下续航力长,战术航速高,快速性要求较为严厉,所以国内核潜艇自设计初就决定使用阻力系数低的纵缝流水孔。

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考虑到柴电动力潜艇水下战术航速低,续航力短对快速性要求较为宽裕,大批量建造也需降低建造成本提高经济性。039基型(宋)级常规潜艇就采用了工艺简单、建造成本低、但阻力系数较高,外观较为扎眼的带挡板纵缝流水孔。  

   039(宋、元)常规潜艇使用带挡板纵缝流水孔,而没有采用我国核潜艇上使用的阻力系数更低的纵缝流水孔,也有着具体战术任务要求与经济性层面的考虑。传统的纵缝流水孔(如我国091、093攻击核潜艇上使用的纵缝流水孔)要在艇首至艇尾的外壳体薄板上,进行连续几十米的开口,开口处的强度保障就比较麻烦。同时,大长度纵缝流水孔在核潜艇水下高速航行时,容易出现流体激励薄壳体板和空腔部位,形成低频噪音的现象,造成严重的流体噪音。为了避免出现这类情况,在纵缝流水孔内需要有众多的内挡板或者支骨加强开口处的强度,抑制薄壳体板在高速水流冲击下压力脉动导致的壳体板谐振现象。 国产潜艇上的洞洞为什么那么多? - 小马 - LostAngel的潜艇博客

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上图为091型攻击核潜艇405号,纵缝流水孔中的内挡板和支骨清晰可见,下图为403号艇。

  这就造成大长度的纵缝流水孔建造工序多,工艺要求高,建造成本高,经济性差的特点。但考虑到核动力潜艇战术任务航速高,对快速性要求较为严厉,使用阻力系数低的传统纵缝流水孔是必须的,所以国产核潜艇选择了传统纵缝流水孔。而且对于装备数量较少,作战性能要求较高的核潜艇,也不能用经济性和成本角度去考虑这类问题。

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实际上039上采用的带挡板流水孔也是纵缝流水孔的一种,只是因为纵缝中起到加强流水孔开口处薄壳体板强度作用的挡板的存在,让这类流水孔看着和035型上采用的立式开口流水孔比较相似。但带挡板纵缝流水孔的阻力系数要比老式潜艇上散乱的立式开口流水孔要好。

   常规潜艇则不同,由于柴电动力系统的限制,常规艇水下持续航行时间短航速慢,战术航速要求低,快速性要求也较为宽裕。使用工艺复杂且成本高的纵缝流水孔效费比不好。更何况使用纵缝流水孔降低的摩擦阻力,也不足以让039的航速得到显著提升。从简化工艺、降低成本的实用角度出发,039选择工艺简单的带挡板纵缝流水孔是合理的。

   039(宋)上使用的挡板纵缝流水孔,虽然有阻力系数高的问题(由于挡板的存在打断了流体的均匀性,加剧了流水孔内外流体的交换强度,增加了艇体边界层的厚度,提高了潜艇的粘压阻力,对潜艇的快速性不利。)但对于水下战术航速要求不高的常规潜艇影响并不大。而挡板流水孔通过在纵缝开口中,增加竖立挡板的方式,用简单的工艺较低的建造成本,就解决了双壳艇薄壳体板上连续开口的工艺问题,成本低经济性好,对于大量建造的常规潜艇是适用的。毕竟039型设计时期还是上世纪的80年代中期,当时国内的经济环境比较困难,国防费用相当拮据,装备研发过程中成本控制也是设计中需要兼顾的。

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039AB元级第三艘在艏艉部开始采用新型的挡板纵缝流水孔,纵缝中档板前侧角度更大档距更小,可以有效抑制流水孔内外流体的交换强度,改善挡板流水孔造成的艇体边界层加厚,粘压阻力系数增加,艇体总阻力增高的问题,对元级艇的水下快速性有利。

   039A/B型元级虽然采用了AIP动力,但是其水下最高航速的可持续性与柴电动力潜艇变化不大。AIP混合动力的水下长航时间是慢速指标,一般不会超过4-6节。元级继续采用挡板纵缝流水孔还是可以理解的。实际上元级上的流水孔与宋级相比,也有了明显的改进。在元级第三艘上,可以发现艏艉部分流水孔的挡板档距很小,挡板向前外侧的角度很大。这种新设计的挡板形式,能抑制较高航速下流水孔内外流体的交换强度,改善流水孔区域流场的均匀性,减小挡板流水孔的阻力系数,降低艇体的粘压阻力,提高元级的水下快速性。

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                                                        拖带中的039AB元级艇

  综合来看,国产常规潜艇坚持使用看着扎眼的挡板纵缝流水孔,是从经济性角度出发,在够用原则下兼顾常规潜艇水下战术航速特点而做出的决定。 

四、未来国产潜艇流水孔开口形式的改革方向。

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移出厂房的美国弗吉尼亚级攻击核潜艇艇表开口少,艇体光顺度非常优秀。对于单壳体潜艇来说,控制艇表开口有着较为明显的优势。

    随着潜艇设计水平的提高,艇体线型已日趋完善,国际上提高潜艇水下快速性和降低流体噪音的措施已从优化艇体线型,向提高艇表光顺度方向发展。最大程度的减少艇表开口,改善艇体光顺度,是目前发达国家设计现代潜艇的宗旨。在这种大趋势下,国产潜艇也必须与时俱进,对艇表开口较多,光顺度较差这一弊端进行有力的改革。

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船台上露出上层建筑的214型潜艇,可见其上层建筑空间较小。214这类小储备浮力的单壳体结构潜艇,上层建筑等自由浸水空间小,可以有效控制艇表开口。

   其中,改变壳体结构形式将是最根本、最彻底的改革措施。我国潜艇壳体结构一直遵循着前苏联流派倡导的双壳体大储备浮力设计思想,主压载水舱容积大,上层建筑内自由浸水面积也大,要在不影响潜艇潜浮性能的基础上,控制艇表开口将非常困难。只有放弃不实用的大储备浮力、双壳体结构,改而使用小储浮的单壳体结构,或者以单壳体为主的混合壳体结构,方能从根本上改变国产潜艇艇表开口较多的问题。

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2000年后随着国内关于流水孔开口形式学术研究的增加,国产潜艇上的流水孔开口形式也在进行改进,403艇就改装了栅式大开口与细小纵缝相结合的流水孔。

   当然要改变国内一直沿用了几十年的壳体结构形式,无论是从设计思想、设计标准、配套体系都需要一个过程,短时间内完成的可能性不大。国内虽然在做一些前沿性的准备工作,但是要完成这个转变尚需时日,依靠现有条件进行其他方法的改进就尤为重要。鉴于目前计算机技术的快速发展,利用现代高速大容量计算机的计算能力,就流水孔绕流形式与流场问题进行研究已经成熟。这将为将来来选择阻力更小噪音更少的优良孔型,并装艇实用提供有利的条件。国内在2000年前就流水孔开口形式的研究较少,随着2000年后这类专业学术研究增多,就有力的支持了一些新的孔型,如403、406艇上的栅式开口,元级上使用的新型挡板流水孔的装备使用。可见加大对流水孔开口形式的专题研究,是能对国产潜艇流水孔开口形式的改进做出较大的贡献的。我国应该加大这方面的科研投入,迅速提高国内相关研究机构关于流水孔孔型的研究水平,为国产潜艇流水孔开口形式的改革做好充分的支持。

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俄罗斯的核潜艇上往往采用具有密闭挡板的大开口流水孔。该图为971阿库拉级攻击核潜艇,流水孔在红色箭头处为关闭状态,蓝色箭头处为开启状态。

   鉴于俄罗斯有处理双壳体艇艇表开口的丰富经验,我国可以通过相关渠道,多借鉴和学习俄罗斯在双壳体潜艇上,处理大量流水孔开口的经验。例如,俄罗斯潜艇在60年代初就使用了阻力系数低,工艺简单的栅式大开口流水孔(栅式流水孔的阻力系数,比我国039型装备的带挡纵缝流水孔的阻力系数要低四倍)而我国近些年才开始在403艇上试装实验,可见俄罗斯在流水孔开口形式上的研究是起步较早的。前苏联在60年代就开始为核潜艇上的流水孔设置密闭盖板,以改善核潜艇水下航行时艇表开口带来的一系列问题,收到了良好的效果。这方面的经验尤其值得我国借鉴,在密闭机构传动设备的布置,密闭口盖的闭合形式上如果能从俄罗斯获得较多的技术支持,对我国潜艇流水孔开口形式的改进都会十分有利。

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俄罗斯部分877基洛级常规潜艇在首部的流水孔有密闭口盖,艇中后部则采用栅式流水孔。红色箭头处为开启的流水孔状态,蓝色为密闭口盖关闭后的流水孔状态,后部为栅式流水孔。

  一旦我国获得俄罗斯那样成熟的流水孔处理技术,我国在国产攻击核潜艇上,可以像俄罗斯那样使用具备密闭装置的大开口流水孔,在常规潜艇上则可以尝试使用栅式流水孔。或者像部分877基洛级潜艇,在艇体前部流速快的正压梯度区内,使用带开闭装置的流水孔,在艇体后部流速低的负压梯度区内,使用工艺简单造价低的栅式开口。既兼顾了潜艇的水下航行需求,又考虑了一定的建造成本保证了经济性。诸如此类措施,都将对国产潜艇艇表开口较多的弊端形成有力的改革,为国产潜艇水下快速性的提高与流体噪音的降低,作出有力的支持。

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西方潜艇优良的艇表工艺处理是我国潜艇工业将来学习与赶超的方向。

五、结语

   随着我国经济的腾飞,国防装备费用投入力度的日益加强。在潜艇流水孔的处理上,必须扭转以往够用就行,经济性为重心的设计思路,转变到性能第一,精益求精的方向上去。最大限度的利用现有条件,以自主研发为主,引进先进技术为辅,多途径多方法,来有效改善国产潜艇的光顺度,为国产潜艇作战性能的进一步提升做出有力的贡献。小小的流水孔看着简单,背后蕴藏的专业知识却非常宽泛。国产潜艇上洞洞多的原因,是多方面因素作用下的结果。新世纪来临后,国际潜艇技术发展迅速,一直苦苦追赶的国产潜艇没有任何退路,也没有任何时间可以懈怠。只有继续秉持小步快跑,多型号多改进的发展原则,继续加大装备费用的投入力度,不断的强化设计能力,提高建造水平,方能实现国产潜艇赶超国际先进水平这一伟大使命。 

 

 

参考:

1、船舶力学《带流水孔潜体流场数值模拟》中国船舶科学研究中心,张楠、沈泓萃、姚惠之、高秋新、顾民。

2、船舶工程《潜艇出水稳性研究》武汉第二船舶研究所,郑熹。

3、船舶力学《潜艇流水孔阻力数值计算与回归分析研究》中国船舶科学研究中心,张楠、沈泓萃、姚惠之。

4、《潜艇上层建筑大容积条件下的潜浮性能》,尤子平。

5、中国造船《潜艇应急上浮稳性研究》,邓志纯、陈材侃。

6、《三维孔穴流动性的数值计算研究》中国船舶科学研究中心,张楠、沈泓萃、姚惠之、高秋薪。

7、《船舶名词术语》第十二册,潜艇、核动力、舰船防化分册,国防工业出版社。

8、《潜艇基础知识》众勰,国防工业出版社。

 

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