声波隐身技术:让潜艇成为隐秘杀手

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所属分类:声学基础
摘要

声波是在海洋中唯一能够远距离传播的能量辐射形式。在当前以及可预见的未来,对潜艇的探测仍将依靠探测声场的变化。因此,降低潜艇噪声,就是潜艇的主要隐身措施。

声波是在海洋中唯一能够远距离传播的能量辐射形式。在当前以及可预见的未来,对潜艇的探测仍将依靠探测声场的变化。因此,降低潜艇噪声,就是潜艇的主要隐身措施。

声波隐身技术:让潜艇成为隐秘杀手

声隐身技术的目标

当潜艇在水下航行时,由于螺旋桨击水、各种机电设备的运转、艇体前进时与水流的摩擦、撞击,发出一定量级的噪声,导致航行海区声场强度的明显增大,成为敌方水声探测设备的捕捉目标,所以潜艇的噪声大小是关系到它在作战中生死存亡、作战成败的关键因素。潜艇噪声大,不仅暴露自己,破坏了隐蔽性,而且严重干扰本艇水声设备的工作,使本艇耳目失灵,完全处于被动挨打的地位。

在相同条件下,如果辐射噪声级下降10分贝,对方被动声呐作用距离下降为原来的30%~50%;如果目标强度下降10分贝,对方主动声呐的作用距离下降为原来的60%~70%,鱼雷自导作用距离下降为原来的80%左右。降低潜艇的自噪声水平,还可以提高本艇声呐设备的作用距离,改善声通信工作条件,提高本艇在编队作战中的协同作战能力。在相同条件下,若自噪声级下降10分贝,探测距离将增加到原来的2~3倍。

各国潜艇声隐身现状

最近几十年的时间里,美国、俄罗斯、英国、法国的核潜艇都经历了从高噪声潜艇到安静型潜艇的发展阶段。在常规潜艇领域,随着冷战的结束,作战环境越来越向近海方向转移,常规潜艇越来越受到世界各国的青睐,这也促进了常规潜艇声隐身技术的发展,德国、日本、俄罗斯、法国等国常规潜艇的噪声水平,一直居于世界的领先地位。

如美国从1959年开始研制S5G自然循环压水堆,1965年研制成功,在此基础上又研制了S6G、S8G和S9G型自然循环反应堆,通过不断的技术研究,不但提高了反应堆的功率,而且大幅度降低了反应堆的噪声。

此外,在进行自主技术研究的同时,美国还吸收借鉴其他国家的技术成果。如美国借鉴英国海军的经验,于1961年在“长尾鲨”级潜艇上首次采用了浮筏减振机座,在此基础上,对其不断地进行研究改进,在“海狼”级潜艇上采用了整体浮筏技术,在“弗吉尼亚”级潜艇上则首次采用浮筏的整体模块设计,大幅度降低了潜艇的机械噪声。

为了进一步提高潜艇的声隐身能力,美国正对无轴推进技术、艇外武器存储与发射技术、简化HM&E基础结构等技术开展研究,在未来的攻击型核潜艇上取消现在的核动力-齿轮传动方式,采用核动力-电力推进方式,取消了减速齿轮装置和推进轴系,以及有效减少艇体尺寸,进一步提高潜艇的声隐身能力。

俄罗斯也提高了核反应堆的自然循环能力,并采用机械设备减振器、减振浮筏、敷设消声瓦等技术,此外,还制定了潜艇设备振动和噪声检查方法,在不同的历史时期制定了不同的振动声学特性标准。例如,BAX-68、BAX-74、BAX-80(80代表80年代)等。目前,俄罗斯潜艇的声隐身水平得到了大幅度的提高,“北风之神”级弹道导弹核潜艇和“亚森”级攻击型核潜艇的声隐身水平已经接近美国的核潜艇水平,常规潜艇的声隐身能力据称具有世界领先地位。

英国海军一向重视核潜艇的降噪工作,于20世纪60年代末期在维克斯造船公司成立了降噪和振动工程部,专门进行降噪试验研究工作,取得了独特的成就。英国于80年代后期,就开始在“快速”级攻击型核潜艇进行大修和改装时装备消声瓦,后来,英国在“特拉法尔加”级攻击型核潜艇上改进了缠绕方法装设消声瓦,以增强消声瓦的牢固,最新的“机敏”级攻击型核潜艇装备了最新研制的消声瓦。在推进器方面,英国在1985年10月服役的“特拉法尔加”级第3艘“不懈”号攻击型核潜艇上率先采用了泵喷射推进器,取得了很好的降噪效果。此后,美国、法国、俄罗斯等国也都借鉴了英国的经验,在潜艇上装备减振浮筏和泵喷射推进器。

在潜艇声隐身技术研究和应用方面,法国以独立研究为主,不断地提高潜艇的声隐身能力。法国海军从20世纪70年代开始研究一体化自然循环压水堆装置,经过20多年独立自主的发展,在“红宝石”级攻击型核潜艇首次装备了CAS48型一体化自然循环压水堆装置,该一体化反应堆的自然循环能力强,在中、低功率工况时,可以不开动一回路系统主循环泵,减少机械噪声。法国还在“红宝石”级潜艇上首次采用了综合电力系统,大幅度降低了潜艇噪声。此外,法国还借鉴其他国家的经验,在潜艇上安装减振浮筏,艇体表面敷设消声瓦,对艇体外形进行光顺,并在“胜利”级弹道导弹核潜艇上采用了泵喷射推进器,提高了潜艇的声隐身能力。

德国对潜艇的机械设备进行了严格的减振降噪设计,采用了国际上已经普遍得到应用的减振浮筏,并对其进行了改进设计。同时,德国也开展了消声瓦的技术研究工作,大幅度降低了潜艇的机械噪声;在艇体外形方面,德国也开展了多项研究,降低潜艇的水动力噪声。德国的新型潜艇采用了7叶大侧斜低噪声螺旋桨,降低了潜艇的推进器噪声。此外,德国还研制出了燃料电池AIP系统,该系统除了能够延长潜艇的潜航时间之外,还能够降低潜艇的噪声,提高潜艇的声隐身能力。

声隐身技术的发展趋势

高性能新型核反应堆

反应堆噪声已经成为潜艇机械噪声中的重要影响因素,是制约核潜艇声隐身的关键因素,核潜艇的压水反应堆技术已经达到成熟期,为了从源头上进一步降低核动力装置产生的机械噪声,同时从根本上解决核潜艇日益庞大的排水量和主尺度给潜艇带来的声隐身不利因素,提高潜艇的隐蔽性和战术机动性,开发更为安静、体积和重量更小、效率更高、自然循换能力强的核反应堆已经成为21世纪核潜艇声隐身技术发展的主要趋势。

全电力推进集成技术

全电力推进不仅去除主汽轮机组和齿轮箱以及相关辅助机械,降低了潜艇的噪声,同时,还节约潜艇空间,减小潜艇的排水量,便于提高潜艇的综合声隐身能力,法国已经在“红宝石”级核潜艇上采用了全电力推进,并取得了明显的降噪效果。随着高强度、轻质量复合材料在推进电机上的应用,大功率、小尺寸、轻质量推进电机技术的不断突破发展,全电力推进技术必将在未来的核潜艇上广泛应用。

泵喷推进器

为了降低推进器噪声,英国核潜艇率先采用了泵喷射推进装置,与传统的螺旋桨推进器相比,泵喷射推进装置能够明显地降低推进器的噪声,提高潜艇的声隐身能力,美、英、法、俄四国最新服役或正在建造的核潜艇上都装备或计划装备泵喷射推进器。目前,泵喷射推进装置还存在一些不足之处,如结构设计复杂、水面机动差、低航速效率低等,但是,随着理论的成熟,新技术、新材料的应用,潜艇泵喷射推进器的性能将会不断地得到提高,将会得到更加广泛的应用。

消声瓦

目前,消声瓦已经普遍应用在潜艇上。为了进一步提高潜艇的声隐身性能,消声瓦将会在结构形式、材料与使用方面继续进行研究。消声瓦的使用日趋专用化,适于特定艇体区域或特定频段的专用型消声瓦将逐渐得到广泛应用。此外,在消声瓦的研究过程中,将会加强与减振降噪技术、水动力噪声治理技术、艇体防污技术等领域联系,以取得更好的声隐身效果。

主动隔振/隔声技术

这是一种广泛应用的声隐身技术,目前,隔振/隔声技术可以分为两种,分别是被动隔振/隔声和主动隔振/隔声,与被动隔振/隔声相比,主动隔振/隔声的控制效果更好,适应性更强。近十几年来,随着相关技术的不断进步,振动噪声主动控制技术已经从理论研究、实验室验证走向了工程实用,在潜艇上得到了应用。随着隔振/隔声技术的不断成熟,以及对潜艇声隐身要求的不断提高,主动隔振/隔声技术逐渐引起人们的重视,将会在潜艇上得到广泛的应用。

文章来源:科普中国-军事科技前沿

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