國外潛艇聲隱身技術現狀與發展綜述

孟曉宇,肖國林,陳 虹

(武漢第二船舶設計研究所,湖北 武漢 430064)

國外潛艇聲隱身技術現狀與發展綜述

孟曉宇,肖國林,陳 虹

(武漢第二船舶設計研究所,湖北 武漢 430064)

分析了國外先進的潛艇聲隱身單項技術,介紹了國外潛艇聲隱身技術的發展現狀和特點,發現其主要體現在降低輻射噪聲和目標強度等方面。通過對各項技術的深入分析,得出了美俄先進核潛艇聲隱身技術重點發展的5個方面。最后對潛艇聲隱身技術的未來發展進行了展望。

潛艇;聲隱身技術;聲輻射;目標強度

0 引 言

潛艇由于具有隱蔽性與突發攻擊能力的特點而成為現代海軍的主戰力量。降低潛艇水下輻射噪聲和聲目標強度,既可以減小敵艇發現我艇的距離,提高我艇的隱蔽性,還可增大我艇發現敵艇的距離,增強我艇對敵艇實施先敵攻擊的能力;同時增加我艇發現敵方來襲魚雷的距離,縮短敵方魚雷聲自導作用距離,提高我艇的生存能力[1]。因此,潛艇的聲隱身性能,對于提高潛艇的綜合作戰能力具有事半功倍的效果。

美國海軍在《2000-2035年海軍技術—潛艇平臺技術》報告中提出21世紀潛艇必須重點發展的六大關鍵技術中,隱身技術被列為重點發展的關鍵技術之首。

英國最強大的攻擊型核潛艇——英國皇家海軍“機敏”號已于2010年8月27日加入海軍服役。“機敏”號核潛艇采用了整艙浮筏技術、新型消聲瓦技術和模塊化的精細建造技術,比它之前所有的潛艇更為安靜,這意味著它能隱蔽地執行任務,盡管它比目前英國海軍艦隊中的其他攻擊型潛艇排水量大50%,但是幾乎在任何環境中均能保持不被探測到。

法國“凱旋”級潛艇采用了先進的一體化壓水堆裝置,具有較好的自然循環能力。整艙浮筏和桁架浮筏減振技術,極大地隔離了機械設備的振動噪聲。同時,采用了全電力推進,取消了齒輪箱,尾部采用泵噴推進,減少了尾部的噪聲源。

1 國外潛艇聲隱身技術的發展現狀及特點

1.1 潛艇輻射噪聲控制技術

近年來,隨著聲吶技術不斷向低頻端擴展,主動聲吶低頻端已達1 300～2 000 Hz,被動聲吶探測的頻率下限已達10 Hz,這就迫使潛艇輻射噪聲控制能力盡量向低頻域發展。為控制潛艇低頻段輻射噪聲,世界先進海軍國家陸續開展了以主動控制技術為主導的新一代潛艇減振降噪技術,主要包括機械設備主被動合置的廣譜隔振技術、桁架結構艙筏、主動約束阻尼、聲學智能結構、自適應可調諧動力吸振器及優化布置、復合結構基座。這些技術將進一步提升潛艇的聲隱身性能[2-3]。

1)機械設備主動隔振。針對被動隔振低頻“失效”的現象,在被動隔振器上以并聯或串聯方式添加1個主動激勵器,抵消設備的振動或作用力,實施主動隔振,增加低頻隔振效果。目前,主動激勵器有電磁激勵器、壓電式激勵器、氣動激勵器和液壓激勵器。據文獻報道,美國開發了主動噪聲和振動控制系統(ANVC),并采用船用高速網絡技術,對全艇設備低頻振動實施主動隔振。德國船用機械設備的主動隔振系統在400 Hz以下頻段隔振效果大于10 dB[4-5]。

2)桁架結構艙筏。為了克服浮筏隔振裝置筏體的彈性效應影響隔振性能,國外研究了1種桁架結構艙筏形式。筏架由許多桿接件和連接點組成,結構噪聲在多通道的桁架結構中經傳播、反射和散射,傳播距離加長,顯著增加傳播損失和結構阻尼,從而提高隔振效果。連接點中還可以配置主動控制單元。

3)主動約束阻尼。為了提高結構敷設阻尼的效果,國外提出了主動約束阻尼的概念。這種阻尼結構由普通粘彈性材料和二層壓電約束層組成,當結構振動時,內壓電層相當于傳感器,外壓電約束層類似于激勵器,使粘彈性層產生附加剪切應變,增加振動能量損耗。主動約束阻尼可以制成矩形單元,布置在大型結構上,進一步優化阻尼布置位置[6]。

4)聲學智能結構。智能結構集感知結構和響應或驅動結構為一體。采用聲學智能材料設計艇體結構,可以實現潛艇結構動力特性的智能控制,使水下聲輻射降低到最低水平。據文獻報道,聲學智能結構已有采用壓電材料激勵器與PVDF傳感器的復合材料和采用形狀記憶合金纖維的復合材料。美國海軍裝備技術發展戰略研究咨詢報告《2000-2035年美國海軍技術》透露,美將聲學智能結構研究列為艦艇有獨創性的聲隱身重點發展的戰略技術領域[7]。

5)自適應可調諧動力吸振器及優化布置。為了克服傳統動力吸振器頻率選擇性強的缺陷,提高動力吸振器的應用效果,國外設計了多種形式的能根據頻率波動自動調節剛度的動力吸振器。國外還以主振設備或結構振動響應為目標函數,采用神經網絡技術或遺傳算法,對多動力吸振器的組合布置和設計進行優化,改善動力吸振器的頻率選擇性,抑制非調諧狀態下單個動力吸振器的性能退化現象[8]。

6)柔性隔聲緩釋層。國外針對主機艙等主要噪聲源區域的輻射噪聲控制,在殼體外表面敷設具有隔聲和緩沖振動作用的阻尼柔性層,通過增加殼體阻尼、阻隔殼體輻射噪聲、減小輻射面振動等三重作用,降低艇體結構聲輻射。目前主要的柔性隔聲緩釋層有泡沫材料和發泡充填橡膠材料為芯材的3層或者多層夾芯結構,聚胺脂聚合物和空氣泡充填橡膠層復合板,內置柔性管的粘彈性層等形式[9]。

7)復合材料基座。利用復合材料的高阻尼性能、復合材料與鋼材的高阻抗失配性以及復合材料易于加工成多層約束復合阻尼結構的特性,國外研制了復合結構基座,增大基座安裝面板輸入阻抗,減小基座安裝面板到殼體的傳遞阻抗,避免設備激勵與基座發生共振,從而降低艇體結構振動和聲輻射。國外還開始將智能復合材料結構用于基座設計,提高基座的低頻隔振性能[7]。

8)邊界層控制。在第1層面的水動力線型優化設計的基礎上,國外針對邊界層控制開展第2層面的潛艇水動力噪聲控制技術研究,主要技術有噴注高分子溶液、發射微氣泡、柔性表皮、密紋表面、隨行波表面等。美國先進研究項目機構采用電磁擾動控制技術控制艦艇表面邊界層[9-10]。

1.2 以降低主動聲吶探測的目標強度為目的的回波聲隱身技術

隨著潛艇輻射噪聲的逐步下降,目標反射特征的要求逐步向低頻端擴展,國外采用的主要技術有:

1)智能多功能瓦技術。增加低頻吸聲和隔聲性能是消聲瓦的發展方向。主動消聲瓦是提高消聲瓦低頻性能的重要技術途徑。國外從20世紀90年代初開始研究主動消聲瓦,并建立了“智能瓦”概念。近年來進一步發展兼有主動吸聲、主動隔聲和主動聲輻射控制的多功能主動消聲瓦[11]。

2)回波隱身外形技術。

3)潛艇消聲瓦優化布設技術及目標強度預報技術。

綜上所述,從國外潛艇的聲隱身的發展現狀分析可以看出有如下特點:

①全方位控制。國外在潛艇的三大噪聲源(機械噪聲、推進器噪聲、水動力噪聲)的降噪技術方面均有相當程度的發展。

②低頻控制技術。由于傳統機械隔振技術對機械設備的低頻隔振效果較差,而聲吶的探測范圍卻往低頻擴展,對機械設備低頻控制的需求愈加強烈。國外的多項技術也體現了在這方面技術的發展趨勢[12]。

③新型材料的應用。國外研制了多種具有優良聲學性能的聲學材料,并已經開始在實艇上應用。

2 國外聲隱身技術的發展重點

2.1 研究新型大功率低噪聲的核潛艇反應堆,繼續減小反應堆體積和重量,減小艇的排水量和主尺度

目前全世界的核潛艇主要使用的是壓水反應堆,美國和俄羅斯的核潛艇壓水反應堆技術已經達到成熟期,基本上達到了發展極限。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降噪帶來的不利因素,提高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。核潛艇液態金屬反應堆、氣冷反應堆、熱離子反應堆等更為高效的反應堆將是美俄研究的重點[13]。

2.2 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,降低了潛艇的輻射噪聲,還可以節約空間,減小艇的重量。美國“海狼”級核潛艇和法國“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。隨著高強度輕質復合材料在推進電機上的應用,大功率、小尺寸、輕質量主推進電機技術的不斷突破發展,全電力推進已在“凱旋”級核潛艇上得到應用,相信必將在未來的核潛艇上廣泛應用[14]。

2.3 開發新型高強度復合艇體材料,繼續增大下潛深度

隨著潛艇偵測技術的發展,增大下潛深度已經成為潛艇增強聲隱身性能的重要手段。美國“海狼”級核潛艇的下潛深度約為600 m,俄羅斯核潛艇最大潛深已達1 000 m左右。開發高強度且便于焊接的復合艇體材料是增大潛艇下潛深度的關鍵技術,目前美俄在這方面取得了很好的進展,預計在不久的將來這項技術將得到突破[15]。

2.4 研究應用新型推進方式

美國現代核潛艇采用的是泵噴推進裝置,俄羅斯采用的是七葉大側斜螺旋槳,二者都取得了良好的降噪效果。核潛艇泵噴推進和螺旋槳推進技術已經發展了幾十年,已進入技術成熟期,且均取得了較好的降噪效果。

磁流體推進是1種全新的推進方式,噪聲更低。美國在1966年提出了磁流體推進潛艇的概念,并試制了世界上第1艘磁流體推進船模;日本1991年試驗成功了第1艘磁流體推進試驗船“大和一號”;俄羅斯已經研制成功了1 200 kW的超導磁流體推進系統,其效率為日本試驗船的8倍。雖然目前磁流體推進技術距離核潛艇工程實際應用還有較大的距離,但已經成為核潛艇新型低噪聲推進的發展方向[16]。

2.5 主動隔振隔聲技術

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從理論研究、實驗室驗證走向工程實用,并在潛艇上得到應用。美國“海狼”級核潛艇將振動噪聲主動控制系統與全船噪聲監測系統配合使用,取得良好效果;澳大利亞海軍對“柯林斯”級潛艇的動力裝置也采取了主動隔振技術;美國“洛杉磯”級核潛艇上采取了有源消聲技術來控制艙室空氣噪聲。美國海軍在《2000-2035年海軍技術:成為21世紀的軍隊》報告中提出了潛艇將來需要重點攻關的5項主要聲隱身技術,其中與振動噪聲主動控制有關的就有2項,分別為主動基座技術和自適應消聲瓦技術(另3項為隔離結構技術、雙殼建造技術及武器發射瞬態噪聲控制技術)。由此可見,振動主動控制技術在潛艇上的廣泛應用已為時不遠[17]。

3 潛艇聲隱身技術的未來發展

潛艇聲隱身技術未來的發展體現在聲隱身與作戰功能的結合,以及聲隱身與海洋環境的融合,從而使潛艇具備良好的在全海域多作業功能的隱身性能。同時,較為全面地解決潛艇電磁特征、溫差與尾跡特征的形成機理和控制技術問題也是提高潛艇隱身水平的關鍵。

3.1 流場控制技術

該技術為艇體表面流場的減阻降噪的主動控制技術。通過研究控制流態分離的艇體表面智能材料與智能結構技術,研究改變艇表壓力場的自適應控制技術,用于控制潛艇周圍流場,以降低阻力與水動力噪聲,提高推進效率和機動性[18]。

3.2 潛艇非穩態航行狀態下的噪聲特性、控制與測量技術

迄今為止,潛艇噪聲控制技術的研究與應用均以直線航行為考核工況。為實現聲隱身與作戰功能的結合,必須研究變速、變向操縱運動過程中的聲輻射特性,并突破下述技術:

1)潛艇加減速運動機械與水動力噪聲特性及低噪聲運動控制規律;

2)潛艇空間回轉運動水動力噪聲特性及測量技術;

3)潛艇操舵過程水動力與機械噪聲機理及低噪聲操控技術。

3.3 武器低噪聲發射技術

武器發射的瞬時噪聲是潛艇戰時暴露自身位置的致命因素。降低魚雷與導彈等武器發射離艇時的瞬時噪聲悠關重要。為實現聲隱身與作戰功能的結合,須研究并突破的技術包括[19]:發射裝置消聲器技術、自航發射技術、發射噪聲的主動聲源抵消技術及外拋式延時發射技術等。

3.4 不同水深海域中不同潛深潛艇的空間聲學特性

為實現聲隱身與海洋環境的融合,需研究并掌握下述規律[19]:

1)不同水深海域中潛艇輻射噪聲的變化規律與空間特性;

2)不同潛深潛艇輻射噪聲的變化規律;

3)密度分層海域中潛艇輻射噪聲方向特性及傳播規律;

4)淺海與深海域中潛艇輻射噪聲低頻線譜的傳播與衰減規律。

3.5 潛艇尾跡特征形成機理和探測技術

潛艇尾流場在海洋波面上留下具有特殊微特征的長距離痕跡,成為被空、天探測的目標。掌握潛艇尾跡特征規律及其探測技術將隨著聲隱身水平的提高而日顯重要。需要突破的技術包括潛艇尾跡特征形成機理研究、潛艇尾跡特征實用探測技術和潛艇尾跡特征控制技術等。

3.6 潛艇溫差特征規律和控制技術

由于微弱溫差感知技術的發展,潛艇引起的流場溫度特征將其成為未來探測發現潛艇的1種有效信息。需要突破的技術包括潛艇溫差特征規律與預報方法、潛艇溫差特征規律探測與識別技術和潛艇溫差特征控制技術等。

3.7 仿生推進技術

為了尋求效率高、激勵力小、噪聲低以及空化性能好等綜合性集一體的新型艦艇推進裝置,國外模仿鯨魚和海豚推進方式以及模仿翼振動,開展仿生推進研究,已經顯示出很大的潛力,鯨尾推進效率可比常規槳提高10%。

4 結 語

通過分析國外潛艇聲隱身技術發展現狀、特點、重點以及趨勢,可以看出;

1)聲隱身技術的發展體現了“高度重視,蓬勃發展,競爭激烈”的特點;

2)國外先進的聲隱身技術很多,但大都體現在降低輻射噪聲和目標強度2個方面。在降低輻射噪聲方面,對振動噪聲源頭的降低非常重視,而且取得了很好的效果。另外,與我國目前重點控制機械噪聲不同,國外在水動力噪聲控制方面也做了大量工作。

3)國外潛艇聲隱身技術的發展重點體現在研發新型大功率反應堆、電力推進和新型推進技術、主動隔振技術和加大下潛深度方面。

4)潛艇聲隱身技術未來的發展體現在聲隱身與作戰功能的結合,以及聲隱身與海洋環境的融合,從而使潛艇具備良好的在全海域多作業功能的隱身性能。

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Review of the present situation and development of acoustic stealth technology for submarines abroad

MENG Xiao-yu,XIAO Guo-lin,CHEN Hong
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Wuhan 430064,China)

In this article,the information of submarine acoustic stealth technology is analyzed,and introduces the present situation and characteristics of submarines abroad.The submarine acoustic stealth technology has two aspects:suppression of sound radiation and target strength.The five aspects of American and Russian advanced nuclear submarine's acoustic stealth technology are gained by in-depth study.Finally,the future developments and prospects of submarine acoustic stealth technology are presented.

submarine;acoustic stealth technology;sound radiation;target strength

U674.761

A

1672-7649(2011)11-0135-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2011.11.032

2011-03-07;

2011-05-06

孟曉宇(1981-),女,工程師,從事潛艇技術情報分析研究工作。