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張錦嵐:國外海基戰略核力量發展現狀及趨勢

原標題:張錦嵐:國外海基戰略核力量發展現狀及趨勢



國外海基戰略核力量發展現狀及趨勢


張錦嵐研究員、集團技術首席專家


中國船舶重工集團公司第七一九研究所

摘要


戰略核力量是大國保持有效的核威懾能力,維持其國際地位,防止核訛詐和核威脅的利器。近年來美、俄、英、法等國都在持續推進本國戰略核力量的發展,其中海基戰略核力量以其隱蔽、靈活、機動且具備二次核打擊能力等特點,一直以來備受關注,尤其是美、俄兩個核大國一直把海基戰略核力量作為其「三位一體」核力量中最重要的環節。本文針對國外現役以及下一代戰略導彈核潛艇的發展情況進行研究,提煉其主要技術特徵,分析其主要發展趨勢,為我國未來戰略導彈核潛艇裝備技術的發展提供借鑒。


關鍵詞:戰略核力量、海基戰略核力量、戰略核潛艇、發展趨勢


1美國海基戰略核力量


1.1美國國家核戰略


美國是現在全球唯一的超級大國,核力量是美國國家安全基石,是其維持超級大國地位的戰略支撐。本世紀以來,美國持續推進核力量全面現代化,升級改進現有裝備,研製新裝備。過去幾年核彈頭研製取得實質性進展,新一代戰略核潛艇和新型戰略轟炸機研製穩步推進,20167月又提出新一代洲際彈道導彈和核巡航導彈的研製計劃。美國「三位一體」核力量正進入全面現代化階段,預計2030年前後,新型核武器裝備陸續投入使用,核威懾的安全可信水平將大幅提高。


美國一貫秉承核遏制與延伸威懾核戰略,長期保持陸海空「三位一體」核力量結構。目前約有6780枚核彈頭,其中部署約1740枚,未部署約2740枚,退役但可重新服役約2300枚。部署的核運載工具包括:陸基「民兵」–Ⅲ洲際彈道導彈(400枚核彈頭),海基「俄亥俄」級戰略核潛艇和「三叉戟」–Ⅱ潛射彈道導彈(960枚核彈頭),空基B52HB2A戰略轟炸機和空射巡航導彈(300枚核彈頭)。海基戰略核力量仍是美國核戰略的重中之重[1]


1.2美國現役戰略核潛艇


美國海軍極為重視戰略導彈核潛艇的發展,自195912月第一代「華盛頓」級彈道導彈核潛艇首艇服役起,迄今共發展了四代,共建造了59艘。目前,「俄亥俄」級是美國海軍唯一在役的戰略導彈核潛艇(配置24具彈道導彈發射裝置),共14艘,共裝備230枚「三叉戟」–Ⅱ潛射彈道導彈。潛艇水下排水量18750噸,首艘1984年服役,計劃2027年退役。「三叉戟」–Ⅱ導彈採用三級固體推進,射程超過7400千米,1990年列裝,經過多年持續改進,生存能力和快速精確打擊能力得以提高,有望服役到2042年。如1所示。


▲圖1美國海軍「俄亥俄」級戰略導彈核潛艇


「俄亥俄」級戰略型核潛艇的水面排水量為16764t,水下排水量為18750t,主尺度為170.7×12.8×11.1m,下潛深度為300m。該級核潛艇上裝備一座通用電氣公司製造的S8G自然循環壓水堆,反應堆活性區的壽期是9年。汽輪機2台,輸出軸功率為60000馬力,單軸單螺旋槳推進,水下最高航速為20kn以上。艇員人數編製為155人,其中軍官15名,艇員士兵為140名。


1.3美國下一代戰略核潛艇


2011年,美國海軍完成下一代戰略核潛艇的論證,2015年完成初步設計,20167月命名為「哥倫比亞」級,如2所示。其水下排水量20800噸,裝備16枚彈道導彈,壽期42年。哥倫比亞級核潛艇計劃建造12艘,首艇2021年開始採購,2030年服役。



2原「俄亥俄」級替代艇整體設想


1)項目概況


美國下一代彈道導彈核潛艇「哥倫比亞」級最早賦予代號SSBNX),在美國海軍術語中SSBN是彈道導彈核潛艇的縮寫,「X」意味著目前該艇的技術方案和狀態尚不確定,SSBNX)定位為「俄亥俄」級的替代艇計劃(Ohio-Class Submarine Replacement Program),用於接替將於2027年前後退役的「俄亥俄」級彈道導彈核潛艇。


該計劃最早可追溯至200612月,時任美英兩國領導人的小布希和布萊爾就三叉戟ⅡD5型潛射彈道導彈壽期及裝備問題展開了磋商,之後美國海軍成立了SSBNX)計劃辦公室。2008年夏秋,美國開始著手編製可行性分析報告,並於2009520日完成基礎分析工作,最終在同年9月定稿。20103月前海軍一直在審核這份可行性分析報告。直到20104月,《核態勢評估報告》才通過了對國家海基戰略威懾的撥款請求。2011110日,美國海軍官方網站報道了「俄亥俄」SSBNX)計划進入了技術開發階段,並簽署了「里程碑A」採購決策備忘錄。2012831日,美國海軍批准了SSBNX)的關鍵技術和戰術要求,這標誌著美國海軍新一代彈道導彈核潛艇項目的正式啟動。20161214日,美國海軍部長Ray Mabus正式將新型彈道導彈核潛艇命名為「哥倫比亞」級,並表示「哥倫比亞」級核潛艇將採用最新技術,是國家「三位一體」戰略中的最強支柱201714日,美國海軍學院新聞網報道,「哥倫比亞」級核潛艇項目通過了「里程碑B」,被美國國防部指定為重大國防採購項目,正式進入詳細設計階段,如3所示。2017921日,美國海軍與通用船電公司簽訂「哥倫比亞」級潛艇的訂貨合同,合同總額為51億美元。[2~5]


圖3 「俄亥俄」級核潛艇接替計劃表2


2011年,美國新河社區學院的Jeff Levy教授與相關研究機構和前潛艇官員合作,帶領學生開展了「弗吉尼亞」級核潛艇的逆向工程設計。在此基礎上,他們通過研究「俄亥俄」級核潛艇和其它類似彈道導彈核潛艇,於2013年完成了SSBNX)概念設計,如45所示。



圖4美國SSBN(X)概念圖像1



圖5美國SSBN(X)概念圖像2


2)主要技術特點


通過搜集整理美國國會研究報告、OHIO Replacement Program計劃項目、相關雜誌及網站、展會等公開渠道中關於「哥倫比亞」級核潛艇的資料,可以推測出美國「哥倫比亞」級彈道導彈核潛艇的主要情況有(6):

  • 裝備數量12艘,艇壽命周期為40年左右,艇員155人,預計於2030年前後服役
  • 裝備16具導彈發射筒,尺寸與「俄亥俄」級相同(直徑87英寸≈2.21米;長度適配D5導彈),並搭載16枚三叉戟II D5LE型導彈;裝備魚雷武器系統,僅用於最低防衛用
  • 水下全排水量20815噸,比「俄亥俄」級(18750噸)大;船寬43英尺≈13.1米,船長560英尺≈170.7米
  • 潛深>800英尺≈244米;航速>20節
  • 採用了S1B型核反應堆、全電力推進,實現全壽期無須更換核燃料,並縮短中修期準備時間從4年降到2年
  • 電子、網路系統等具有良好的通用性和可升級性,一方面降低成本,一方面便於後期升級
  • 採用X型艉翼、圍殼舵
  • 採用共用導彈艙(CMC),研究集成發射筒和艇殼建造(ITH)技術,降低建造成本
  • 大量沿用「弗吉尼亞」級的一些成熟技術,比如:放大的艏部球形聲納陣、潛艇聯合戰術系統等
  • 取消了「弗吉尼亞」級顎部聲納(chin array)


圖6「哥倫比亞」級的主要設計特點


7共用導彈艙圖片


3)技術特點分析


a)模塊化


採用ITH技術,美、英聯合研製共用導彈艙(CMC)(7),美國「哥倫比亞」級將搭載16具導彈筒,而英國下一代「無畏」級(原SSBNR))將搭載12具導彈筒,可實現模塊化設計和建造,降低全系統研發、建造、維修和使用費用,並更容易實現作戰能力的多元化,滿足未來海軍多樣化的作戰需求。


b)全壽期反應堆


首次提出反應堆與艇同壽,在核潛艇中修期無須更換核燃料,避免損傷艇體,因此,可大幅縮短中修準備時間,減少全壽期維修費用,並有利於保證艇的在航率,保障了彈道導彈核潛艇的戰備值班,滿足美國安全需求,促使美海軍可實現用12艘「哥倫比亞」級核潛艇替換現役的14艘「俄亥俄」級核潛艇。


c)全電力推進


為了實現進一步降噪,「哥倫比亞」級核潛艇將採用全電力推進,其核潛艇全電力推進技術應存在較好的技術積累和重大技術突破,比如:推進電機尺寸、重量、推進功率以及系統的可靠性等方面。全電力推進技術的採用,將有利於減振降噪和潛艇總體布置,實現更高的推進效率,甚至可以想像未來高能武器的上艇應用也是不無可能。


d)綜合隱身

「哥倫比亞」級核潛艇強調安靜性,預計將繼承發展「弗吉尼亞」級核潛艇上採取的成熟隱身技術。艇體外表面敷設消聲瓦,艇上裝備泵噴推進器,艇內採用浮筏式減振的整體模塊設計,有效減少艇上雜訊。「哥倫比亞」級採取全電力推進省去了減速齒輪箱等機械設備雜訊源,降低艇體機械雜訊。其裝備美國最新研製的S1B型核反應堆[9],該反應堆在S9G反應堆基礎上提升了功率密度,也極大可能繼承S9G反應堆的自然循環能力,使「哥倫比亞」級核潛艇在中低速航行時不使用主循環水泵,降低機械雜訊。


e)遠程核打擊能力


「哥倫比亞」級核潛艇每艘裝載16枚三叉戟II D5LE型彈道導彈。該型彈道導彈射程達到1100012000千米,使巡航的「哥倫比亞」級核潛艇可實現覆蓋打擊全球大部分區域。三叉戟II D5LE型彈道導彈採用多彈頭分導,增加子彈頭數量,可提高突防能力,加大核彈頭當量。該彈道導彈命中精度進一步提高,圓概率誤差為90120米,並具有打擊硬目標的能力。


fX型艉翼


「哥倫比亞」級核潛艇採用X型艉翼,相較於傳統的十字形艉翼其舵葉面積可以做的更大,在保證產生操縱力的前提下盡量不超寬,通過對四個舵葉的聯合控制,使得每個舵葉受力更均勻,機動性更強;X型艉翼的每個獨立舵葉均具有垂直和水平操縱能力,在卡舵等情況下的安全冗餘度更高;X型艉翼的應用也表明美國核潛艇的操縱自動化控制技術方面已經相當成熟。[6~8]


4)管理特點


a)需求牽引、科學規劃。在國防經費限制的大背景下,經論證提出的「哥倫比亞」級核潛艇建造數量及戰略導彈搭載量均比現役「俄亥俄」級均有所減少,但通過採用全壽期反應堆等一批新技術,能夠保證海上戰略值班時間,滿足美戰略核威懾需求;此外,通過合理規劃,「哥倫比亞」級核潛艇首艇和二號艇開工建造保持了3年的時間間隔,為首艇技術進行試驗驗證預留充足的時間,為避免同類問題低水平重複以及總結經驗教訓提供了窗口期,可有效避免後續艇「帶病上馬」,待打好基礎後逐步開展批量建造。


b)注重規律、超前布局。從「哥倫比亞」級核潛艇首艇研製時間歷程圖可以看出,從2011年進入技術開發階段到2031年前後服役,研製周期長達20年,其中設計階段10年、建造階段7年、試驗階段3年,核潛艇研製是一項複雜的系統工程,如何綜合權衡進度和成效需要科學考量,保證合理的研究設計和建造試驗時間;此外,共用導彈艙等新技術單列計劃並提前投入經費先行開展攻關研究,使新技術、新設備能及時上艇應用並匹配工程研製進度。因此,超前布局並進行長期穩定的投入是極其必要的,有效避免關鍵瓶頸技術對潛艇建造進度的制約,對限制裝備發展的重大關鍵技術實現先行立項開展研究是值得借鑒的。


2俄羅斯海基戰略核力量


2.1俄羅斯國家核戰略

俄羅斯一方面在核力量發展上保持與美國低水平的核均勢,作為維護國家利益、維持大國地位的重要的籌碼。另一方面,隨著內、外安全環境和自身核力量的變化,俄羅斯在核戰略調整上,進一步增強核威懾能力,防止核大戰和大規模常規戰爭的爆發,實現以核遏核、以核遏常的雙遏制效果,是美國攫取戰略優勢道路上的重要障礙。


2.2俄羅斯現役戰略核潛艇


相比與美、英正在籌划下一代新型戰略導彈核潛艇的設計和研製,俄羅斯已經著手部署新一代的「北風之神」級戰略導彈核潛艇(8)來逐步替換即將全部退役的「颱風」級戰略導彈核潛艇,預計2020年前部署8艘「北風之神」級戰略導彈核潛艇。



8俄羅斯「北風之神」級戰略導彈核潛艇


「北風之神」級戰略導彈核潛艇首艇「尤里?多爾戈魯基」號於199611月舉行了開工儀式,2003年底才完成艇體建造。該艇於20093月開始系泊試驗。2010119日,該艇通過了針對新設備和新系統的所有海試。2012614日,該艇在白海成功完成航行試驗。該艇於20121230日正式服役。在北方機械製造廠還有3艘該級核潛艇,即「亞力山大?涅夫斯基」號、「弗拉基米爾?莫諾馬赫」號和「聖?尼古拉」號。俄計劃在2020年前建造8艘該型核潛艇,其改進型為995A型核潛艇。


「北風之神」級戰略導彈核潛艇儘管比「颱風」級小許多,但總體性能卻毫不遜色。該級艇的前三艘955型擁有彈道導彈發射筒數量為16個,但由於布拉瓦導彈的重量問題目前僅搭載了12枚,後續通過對導彈進行減重設計,可以最多搭載16枚,略小於「颱風」級的20個,其改進的955A型可能從16具發射筒升級到20具,配合新型的布拉瓦彈道導彈,最多可搭載10個分導核彈頭,其核威懾能力巨大。此外,「北風之神」還具有良好的隱身性能,在降噪技術及工藝等某些方面,「北風之神」級可能要超過美國的「俄亥俄」級。例如俄在潛艇艇體表面貼敷了厚度達150mm以上的消聲瓦,並在消除紅外特徵、磁性特徵、尾流特徵等多方面都採取了一些獨到的隱身措施。其次,它的艇體尺度和排水量小於「俄亥俄」級,且具有更大的下潛深度,其隱蔽生存能力更是要強於美國「俄亥俄」級潛艇。


「北風之神」級戰略導彈核潛艇的另一大標誌性特點是裝備了俄羅斯最新型的海基潛射戰略彈道導彈——「布拉瓦」潛射彈道導彈。但也正是由於「布拉瓦」彈道導彈在試射過程中所表現的可靠性等問題,使得「北風之神」級戰略導彈核潛艇裝備的服役時間有所推遲,圖9為俄羅斯海軍正在試射的「布拉瓦」潛射彈道導彈。[9~14]



9正在試射的「布拉瓦」潛射彈道導彈


截至2011年底,布拉瓦潛射彈道導彈進行了1次陸基試射,19次海基試射,其中20111223日為兩枚齊射。


俄羅斯海軍要求其導彈必須具有極高的可靠性,隨著「布拉瓦」導彈最近六次的成功試射,這種俄最新型戰略導彈的國家試驗計劃宣告圓滿完成,也為「北風之神」級戰略核潛艇的入役奠定了基礎。[15]


3.英國海基戰略核力量


3.1英國現役戰略核潛艇


英國現有的海基核威懾力量為4艘「前衛」級戰略導彈核潛艇(10),可搭載16枚三叉戟ⅡD5潛射戰略彈道導彈(11)。首制艇「前衛」號於1993年服役,最後一艘「復仇」號也於1999年入役。按照英國海軍實行的最低核威懾戰略,基本維持並擁有4艘彈道導彈核潛艇組成的一支小型戰略核潛艇兵力規模,保證有一艘一直是處於海上的作戰巡邏狀態,一旦英國遭到敵人的核打擊時,便利用在海上從事作戰巡邏的彈道導彈核潛艇進行報復還擊。英國的戰略核導彈核潛艇一直是按照「最低限度核威懾力量」這一思路在發展的。




10英國皇家海軍「前衛」級戰略導彈核潛艇



11「前衛」級200510月試射三叉戟ⅡD5導彈圖


3.2英國下一戰略代核潛艇


隨著「前衛」級戰略導彈核潛艇將在2024年左右陸續退役,英國未來戰略導彈核潛艇的發展計劃逐漸提上議事日程。SSBN(R)是替代「前衛」級的新一代彈道導彈核潛艇(12),已經被正式命名為「無畏」級,該型戰略核潛艇將被設計用於為英國提供持續海上核威懾。




12英國下一代戰略核潛艇概念圖


英國於2006年決定維持其以彈道導彈核潛艇為基礎的核威懾力量。20083月,由國防部、BAE系統公司、巴布考克海事公司和羅爾斯?羅伊斯公司的代表組成了未來潛艇綜合項目組。該項目組承擔了一個兩年概念發展計劃,評估主要系統的性能,包括推進系統,作戰系統和戰略武器系統。之後是第二個兩年計劃,將開發一種連貫的潛艇設計以滿足所有的需求,以及每艘潛艇的生產成本和全壽期成本標準。在這個階段之後,將做出其他主要系統的決定,這意味著將於2012年批准主要原則。根據設想,在2024年第一艘潛艇服役之前,該計劃包含一個七年的設計階段,一個七年的建造階段和一個海試階段。


在英國軍費被大幅削減的背景下,「無畏」級計劃仍被保留下來,雖然略有延期。根據修訂後的時間表,「無畏」級潛艇將於2027年服役,使得該計劃的時間表接近美國海軍」哥倫比亞」級計劃的首艇2028年交付的進度。據估計,該級潛艇成本將被控制在2006白皮書中宣布的110億~140億英鎊之內。


綜合相關報道素材,英國下一代戰略核潛艇的主要特點為:

1)多用途打擊能力。英、美在通用導彈艙技術上分擔成本,共享技術,且美國為英國提供先進的三叉戟Ⅱ(D5LE)戰略彈道導彈,因此英國在「無畏」級上能夠滿足其「最低限度核威懾力量」的核威懾能力。同時,基於通用導彈艙,英國未來很可能開發相應的多元化有效負載,借鑒其在「機敏」級核潛艇上的成功經驗,實現多用途。


2)新型的核反應堆PWR3。隨著未來新型戰略導彈核潛艇項目的提出,其新型核反應堆PWR3的研製也進入了議事日程,20115月,英國國防部宣布在PWR3的研製中將採用美國提供的設計方案,其造價預計為30億英鎊。


4法國海基戰略核力量


法國已經完成了戰略導彈核潛艇「凱旋」級(13)的研製工作,目前建造了4艘,尚無未來戰略導彈核潛艇的研製計劃,但隨著相關技術的更新升級,比如M51戰略彈道導彈,會在「凱旋」級核潛艇上加以應用。



13「凱旋」級戰略導彈核潛艇


法國一向把優先發展獨立的核威懾力量作為國防建設的基本方針,也是唯一的先發展戰略導彈核潛艇後發展攻擊型核潛艇的國家。至1985 年,共建造了6 艘彈道導彈核潛艇。由於它們的服役期很長,所以從1991 12 月開始退役。為代替老舊的彈道導彈核潛艇,法國於1981 7 月開始發展第三代「凱旋」(Le Triomphant)級彈道導彈核潛艇。作為法國最先進的新型戰略導彈核潛艇,它採用的某些技術不同於美國和英國,處於世界領先地位。


「凱旋」級彈道導彈核潛艇是法國海軍第三代彈道導彈核潛艇。隨著冷戰格局不復存在,法國對原定建造的6艘「凱旋」級建造計劃削減至4艘,1981年法國政府宣布發展新一代彈道導彈核潛艇計劃,1986年開始訂購「凱旋」級核潛艇首艇「凱旋」號,至今4艘「凱旋」級核潛艇已經完成併入役。「凱旋」級戰略導彈核潛艇總計劃投資為798億法郎,單艇造價約為13.39億美元,該級艇由法國海軍艦艇製造局(DCNthe French Navy』s Directorate des Construction Navales)負責研製,瑟堡海軍造船廠建造。


5下一代戰略核潛艇技術發展趨勢分析


在現有的世界政治格局下,優先發展海基核威懾力量,不斷推動戰略導彈核潛艇的升級和更新換代,不斷凝聚和應用先進的裝備技術,提升未來戰略導彈核潛艇裝備性能及作戰效能,是各國的廣泛共識。下一代戰略核潛艇將在作戰能力、隱身性能、作戰範圍、任務種類、自動化水平、智能化水平等方面取得進一步突破,主要體現在以下幾方面:


1)強大的核威懾能力。在各國軍費均大幅削減的情況下,大國都保留了本國海基戰略核力量的發展計劃,並不斷優化和提升裝備性能,保持強大的威懾力和戰鬥力。美國的「哥倫比亞」級戰略核潛艇可攜帶16枚洛克希德公司「三叉戟」-Ⅱ型潛射彈道導彈,射程12000km,每枚導彈可攜帶最多12個分導式W7610萬噸級的熱核彈頭或W8830-47.5萬噸級熱核彈頭。俄羅斯的「北風之神」級戰略核潛艇可攜帶16R-30 (SS-NX-30)「布拉瓦」型彈道導彈,射程8000km16000km,每枚導彈可攜帶最多10個分導式10萬噸級的熱核彈頭。


2)豐富的有效負載搭載功能。通過更換不同功能的負載模塊實現潛艇使命任務的拓展,提高潛艇靈活作戰能力,將成為未來潛艇裝備的主要發展思想。由美英共同研製的通用導彈艙(CMC)將在兩國下一代彈道導彈核潛艇上應用。CMC最大特點是強調靈活通用,除可以發射「三叉戟」-II D5導彈或新一代潛射彈道導彈之外,還可以發射多種有效負載,其中包括潛射常規中程彈道導彈(SLIRBM)、KEI反導攔截彈、巡航導彈、無人潛航器、無人機等。此外,通用導彈艙也可用於「弗吉尼亞」級的後續艇及其替代艇,或直接將部分「哥倫比亞」級潛艇在需要時改裝成SSGN/SSBN多用途艇,既可執行戰略巡航任務,也可執行常規快速全球打擊任務,還可執行反導、偵察等多重任務,實現戰略與戰術平台一體化,進一步推動潛艇向多功能化方向發展。


3)「全壽期不換料」反應堆。核潛艇在服役過程中無須更換核燃料,可大幅縮短維修時間,減少全壽期維修費用,提升在航率,保證戰備值班需求。「哥倫比亞」級彈道導彈核潛艇上將採用新型S1B反應堆,該反應堆壽命將超過40年,可使「哥倫比亞」級潛艇全壽期不換料。俄羅斯「北風之神」級核潛艇的OK650B型反應堆的核燃料更換周期為2530年,基本實現了與艇同壽;英國「前衛」級彈道導彈核潛艇採用的PWR-2型壓水堆的堆芯工作壽命為25年,也基本實現了與艇同壽。


4)全電力推進系統。隨著全電力系統的不斷發展,泵噴推進將向無軸化發展,驅動泵噴推進器的電機、推進槳葉、環形導管將被集成為一體,將大幅降低齒輪傳動雜訊。此外,電磁發射技術也將上艇,進一步增強潛艇隱身能力。2016年,美海軍提出安靜型推進系統項目,正式計劃在「哥倫比亞」級潛艇及最新批次的攻擊型核潛艇上採用全電力推進系統,測試工作將在第5批以後的「弗吉尼亞」級潛艇上進行。此外,英國也將在新一代「無畏」級彈道導彈核潛艇上安裝全電力推進系統。


5)優良的綜合隱身性能。不斷降低潛艇被探測的可能性,提升潛艇的綜合隱身性能,是各國潛艇的重要發展方向。未來各國核潛艇將積極採用自然循環壓水堆、電力推進、浮筏減振、敷設消聲瓦、泵噴推進等技術,既提高潛艇的機動性能,也進一步降低水下輻射雜訊,增強潛艇的水下隱蔽性,使核潛艇接近海洋背景雜訊。此外,還將採用在線消磁、尾跡控制等技術,以提高潛艇的綜合隱身性能。


參考文獻


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[11] www.NR.EDU.


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[13] Warships Forecast,2012(August),1-6.


[14] Jane』s Fighting ships 2009-2010


[15] 王明東,王 毅.俄羅斯現行核戰略及其發展趨勢[J].裝備學院學報,2014.3




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