聲波隱身技術:讓潛艇成為隱秘殺手

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所屬分類:聲學基礎
摘要

聲波是在海洋中唯一能夠遠距離傳播的能量輻射形式。在當前以及可預見的未來,對潛艇的探測仍將依靠探測聲場的變化。因此,降低潛艇噪聲,就是潛艇的主要隱身措施。

聲波是在海洋中唯一能夠遠距離傳播的能量輻射形式。在當前以及可預見的未來,對潛艇的探測仍將依靠探測聲場的變化。因此,降低潛艇噪聲,就是潛艇的主要隱身措施。

聲波隱身技術:讓潛艇成為隱秘殺手

聲隱身技術的目標

當潛艇在水下航行時,由于螺旋槳擊水、各種機電設備的運轉、艇體前進時與水流的摩擦、撞擊,發出一定量級的噪聲,導致航行海區聲場強度的明顯增大,成為敵方水聲探測設備的捕捉目標,所以潛艇的噪聲大小是關系到它在作戰中生死存亡、作戰成敗的關鍵因素。潛艇噪聲大,不僅暴露自己,破壞了隱蔽性,而且嚴重干擾本艇水聲設備的工作,使本艇耳目失靈,完全處于被動挨打的地位。

在相同條件下,如果輻射噪聲級下降10分貝,對方被動聲吶作用距離下降為原來的30%~50%;如果目標強度下降10分貝,對方主動聲吶的作用距離下降為原來的60%~70%,魚雷自導作用距離下降為原來的80%左右。降低潛艇的自噪聲水平,還可以提高本艇聲吶設備的作用距離,改善聲通信工作條件,提高本艇在編隊作戰中的協同作戰能力。在相同條件下,若自噪聲級下降10分貝,探測距離將增加到原來的2~3倍。

各國潛艇聲隱身現狀

最近幾十年的時間里,美國、俄羅斯、英國、法國的核潛艇都經歷了從高噪聲潛艇到安靜型潛艇的發展階段。在常規潛艇領域,隨著冷戰的結束,作戰環境越來越向近海方向轉移,常規潛艇越來越受到世界各國的青睞,這也促進了常規潛艇聲隱身技術的發展,德國、日本、俄羅斯、法國等國常規潛艇的噪聲水平,一直居于世界的領先地位。

如美國從1959年開始研制S5G自然循環壓水堆,1965年研制成功,在此基礎上又研制了S6G、S8G和S9G型自然循環反應堆,通過不斷的技術研究,不但提高了反應堆的功率,而且大幅度降低了反應堆的噪聲。

此外,在進行自主技術研究的同時,美國還吸收借鑒其他國家的技術成果。如美國借鑒英國海軍的經驗,于1961年在“長尾鯊”級潛艇上首次采用了浮筏減振機座,在此基礎上,對其不斷地進行研究改進,在“海狼”級潛艇上采用了整體浮筏技術,在“弗吉尼亞”級潛艇上則首次采用浮筏的整體模塊設計,大幅度降低了潛艇的機械噪聲。

為了進一步提高潛艇的聲隱身能力,美國正對無軸推進技術、艇外武器存儲與發射技術、簡化HM&E基礎結構等技術開展研究,在未來的攻擊型核潛艇上取消現在的核動力-齒輪傳動方式,采用核動力-電力推進方式,取消了減速齒輪裝置和推進軸系,以及有效減少艇體尺寸,進一步提高潛艇的聲隱身能力。

俄羅斯也提高了核反應堆的自然循環能力,并采用機械設備減振器、減振浮筏、敷設消聲瓦等技術,此外,還制定了潛艇設備振動和噪聲檢查方法,在不同的歷史時期制定了不同的振動聲學特性標準。例如,BAX-68、BAX-74、BAX-80(80代表80年代)等。目前,俄羅斯潛艇的聲隱身水平得到了大幅度的提高,“北風之神”級彈道導彈核潛艇和“亞森”級攻擊型核潛艇的聲隱身水平已經接近美國的核潛艇水平,常規潛艇的聲隱身能力據稱具有世界領先地位。

英國海軍一向重視核潛艇的降噪工作,于20世紀60年代末期在維克斯造船公司成立了降噪和振動工程部,專門進行降噪試驗研究工作,取得了獨特的成就。英國于80年代后期,就開始在“快速”級攻擊型核潛艇進行大修和改裝時裝備消聲瓦,后來,英國在“特拉法爾加”級攻擊型核潛艇上改進了纏繞方法裝設消聲瓦,以增強消聲瓦的牢固,最新的“機敏”級攻擊型核潛艇裝備了最新研制的消聲瓦。在推進器方面,英國在1985年10月服役的“特拉法爾加”級第3艘“不懈”號攻擊型核潛艇上率先采用了泵噴射推進器,取得了很好的降噪效果。此后,美國、法國、俄羅斯等國也都借鑒了英國的經驗,在潛艇上裝備減振浮筏和泵噴射推進器。

在潛艇聲隱身技術研究和應用方面,法國以獨立研究為主,不斷地提高潛艇的聲隱身能力。法國海軍從20世紀70年代開始研究一體化自然循環壓水堆裝置,經過20多年獨立自主的發展,在“紅寶石”級攻擊型核潛艇首次裝備了CAS48型一體化自然循環壓水堆裝置,該一體化反應堆的自然循環能力強,在中、低功率工況時,可以不開動一回路系統主循環泵,減少機械噪聲。法國還在“紅寶石”級潛艇上首次采用了綜合電力系統,大幅度降低了潛艇噪聲。此外,法國還借鑒其他國家的經驗,在潛艇上安裝減振浮筏,艇體表面敷設消聲瓦,對艇體外形進行光順,并在“勝利”級彈道導彈核潛艇上采用了泵噴射推進器,提高了潛艇的聲隱身能力。

德國對潛艇的機械設備進行了嚴格的減振降噪設計,采用了國際上已經普遍得到應用的減振浮筏,并對其進行了改進設計。同時,德國也開展了消聲瓦的技術研究工作,大幅度降低了潛艇的機械噪聲;在艇體外形方面,德國也開展了多項研究,降低潛艇的水動力噪聲。德國的新型潛艇采用了7葉大側斜低噪聲螺旋槳,降低了潛艇的推進器噪聲。此外,德國還研制出了燃料電池AIP系統,該系統除了能夠延長潛艇的潛航時間之外,還能夠降低潛艇的噪聲,提高潛艇的聲隱身能力。

聲隱身技術的發展趨勢

高性能新型核反應堆

反應堆噪聲已經成為潛艇機械噪聲中的重要影響因素,是制約核潛艇聲隱身的關鍵因素,核潛艇的壓水反應堆技術已經達到成熟期,為了從源頭上進一步降低核動力裝置產生的機械噪聲,同時從根本上解決核潛艇日益龐大的排水量和主尺度給潛艇帶來的聲隱身不利因素,提高潛艇的隱蔽性和戰術機動性,開發更為安靜、體積和重量更小、效率更高、自然循換能力強的核反應堆已經成為21世紀核潛艇聲隱身技術發展的主要趨勢。

全電力推進集成技術

全電力推進不僅去除主汽輪機組和齒輪箱以及相關輔助機械,降低了潛艇的噪聲,同時,還節約潛艇空間,減小潛艇的排水量,便于提高潛艇的綜合聲隱身能力,法國已經在“紅寶石”級核潛艇上采用了全電力推進,并取得了明顯的降噪效果。隨著高強度、輕質量復合材料在推進電機上的應用,大功率、小尺寸、輕質量推進電機技術的不斷突破發展,全電力推進技術必將在未來的核潛艇上廣泛應用。

泵噴推進器

為了降低推進器噪聲,英國核潛艇率先采用了泵噴射推進裝置,與傳統的螺旋槳推進器相比,泵噴射推進裝置能夠明顯地降低推進器的噪聲,提高潛艇的聲隱身能力,美、英、法、俄四國最新服役或正在建造的核潛艇上都裝備或計劃裝備泵噴射推進器。目前,泵噴射推進裝置還存在一些不足之處,如結構設計復雜、水面機動差、低航速效率低等,但是,隨著理論的成熟,新技術、新材料的應用,潛艇泵噴射推進器的性能將會不斷地得到提高,將會得到更加廣泛的應用。

消聲瓦

目前,消聲瓦已經普遍應用在潛艇上。為了進一步提高潛艇的聲隱身性能,消聲瓦將會在結構形式、材料與使用方面繼續進行研究。消聲瓦的使用日趨專用化,適于特定艇體區域或特定頻段的專用型消聲瓦將逐漸得到廣泛應用。此外,在消聲瓦的研究過程中,將會加強與減振降噪技術、水動力噪聲治理技術、艇體防污技術等領域聯系,以取得更好的聲隱身效果。

主動隔振/隔聲技術

這是一種廣泛應用的聲隱身技術,目前,隔振/隔聲技術可以分為兩種,分別是被動隔振/隔聲和主動隔振/隔聲,與被動隔振/隔聲相比,主動隔振/隔聲的控制效果更好,適應性更強。近十幾年來,隨著相關技術的不斷進步,振動噪聲主動控制技術已經從理論研究、實驗室驗證走向了工程實用,在潛艇上得到了應用。隨著隔振/隔聲技術的不斷成熟,以及對潛艇聲隱身要求的不斷提高,主動隔振/隔聲技術逐漸引起人們的重視,將會在潛艇上得到廣泛的應用。

文章來源:科普中國-軍事科技前沿

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