國外海軍艦船復合材料聲吶罩的應用與發展

李 楠，謝會超，王 玨，方 向，陳 練

(1. 中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100012；2. 武漢理工大學 管理學院，湖北 武漢 430070)

國外海軍艦船復合材料聲吶罩的應用與發展

李 楠1，謝會超2，王 玨1，方 向1，陳 練1

(1. 中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100012；2. 武漢理工大學 管理學院，湖北 武漢 430070)

與金屬和橡膠聲吶罩相比，復合材料聲吶罩能提供更優化的結構和聲學性能，實現減重、耐腐蝕、大幅降低制造和維護成本，在國外海軍艦船上得到了廣泛使用。本文梳理了國外海軍艦船聲吶罩的材料類型，重點研究了復合材料聲吶罩的研制歷程、應用現狀等情況，最后對復合材料聲吶罩的發展趨勢進行了分析和展望。

海軍；艦船；復合材料；聲吶罩

0 引 言

聲吶罩，全稱聲吶導流罩，位于艦船首部、龍骨或艦體，主要用于安放探測、導航和測距聲吶。水面艦或潛艇航行時，聲吶罩能夠降低船體、機械振動與聲吶的耦合，減少因腐蝕、海生物附著產生的水流噪聲，阻止水流直接沖擊聲吶傳感器，從而降低水流對聲吶性能的影響并減小艦船的流體阻力[1]。

通常，航母、巡洋艦和驅逐艦的聲吶罩較大，位于艦首，如圖 1所示；護衛艦的聲吶罩稍小，可安裝在龍骨，如圖 2所示[2]；潛艇聲吶罩位于艇首、圍殼前部、舷側等部位；軍事海運司令部（MSC）的輔助艦船，如 T-AGS 級海洋調查船，在船體可安裝多個不同類型小型聲吶的配套聲吶罩。安裝于水面艦船首部的聲吶罩可同時被設計成具備減小興波阻力的部件，因其形狀多為球狀，又被廣泛稱為球鼻首[3]。

1 聲吶罩的常用材料

常用的聲吶罩材料主要有三類，即橡膠、玻璃纖維增強復合材料（玻璃鋼），以及鋼、鈦合金等金屬[4]。以美國海軍為例，其水面艦船聲吶罩通常由柔性鋼絲線增強橡膠復合材料或玻璃鋼制成，潛艇的聲吶罩通常由鋼或覆蓋有 0.5 in橡膠保護罩內壁的玻璃鋼制成，T-AGS 級海洋調查船等輔助艦船的聲吶罩全為玻璃鋼材質[5]。

幾種典型聲吶的應用平臺及其聲吶罩所用材料如表 1 所示[6]。從圖中可以看出，美國海軍艦船聲吶罩材料多為玻璃鋼等復合材料。復合材料聲吶罩能夠提供比金屬質和橡膠聲吶罩更優異的聲學性能，實現減重、耐腐蝕、復雜結構成型，并大幅降低制造和維護成本，在國外海軍艦船上得到了廣泛使用。

表1 典型聲吶的應用平臺及其聲吶罩材料Tab.1 The platforms of sonars and materials of corresponding sonar domes

此外，聲吶罩內部材料包括犧牲陽極、涂料和內表面材料等，外部材料包括外表面材料、涂層或者涂料。特別的是，鋼質聲吶罩用于陽極保護的鋅通常固定于外部。其他常用材料如表 2 所示。

不同時期聲吶罩所用材料及其部位略有不同，以三丁基錫防海生物劑為例：1985 年前，所有的聲吶罩內外部均含有三丁基錫，其滲透分布在聲吶罩內外部約 0.25 in的表層，以防止海生物的生長。1985 年后，三丁基錫則僅用于外表面，1990 年后建造的艦船全部采用此形式，并逐步替換原有聲吶罩。潛艇聲吶罩則不含三丁基錫，僅在外部橡膠層表面噴涂銅基隱身涂料。

表2 聲吶罩內外部常用材料Tab.2 The materials of exterior and interior sonar domes

2 美國海軍艦船用復合材料聲吶罩

根據美國海軍與承包商之間的合同授予情況分析，目前其艦船用復合材料聲吶罩主要有透聲窗和聲吶罩 2 種類型。

2.1 復合材料聲吶透聲窗

美國海軍復合材料聲吶透聲窗通常與鋼質導流罩框架結合成一體，主要應用部位包括“斯普魯恩斯”級驅逐艦、“阿利?伯克”級驅逐艦和“提康德羅加”級巡洋艦艦首聲吶，“洛杉磯”級、“弗吉利亞”級等潛艇圍殼聲吶（Sail Array）[7]。

1963 年，美國海軍資助古德里奇公司（Goodrich）開始研制耐壓橡膠聲吶罩。古德里奇公司利用柔性鋼絲增強 RHO-C 橡膠復合材料作為透聲窗，嵌入到金屬聲吶罩結構中，保持聲吶罩內部壓力高于外部水壓，取得了良好的降低透聲損失的效果。1965–1966 年在 DL-4驅逐艦上 SQS-26 艦首聲吶試驗的結果表明，12 kn航速下該艦聲吶平臺自噪聲降低了 6 dB，20 kn時減低 3 dB，降噪量隨著速度的增加而緩慢下降。1968 年前后，古德里奇公司將線增強橡膠復合材料聲吶透聲窗（SDRW）安裝到“斯普魯恩斯”級驅逐艦，并隨后應用到“阿利?伯克”級等驅逐艦和巡洋艦中[8]。

由于降低聲吶透聲窗的制造、維護成本的需要，美國海軍于 1993 年開始了用三明治結構復合材料替代原有線增強橡膠復合材料制造聲吶透聲窗和聲吶罩的研究工作。1994–2000 年，古德里奇公司耗資 2 100 萬美元，與 GEO-CENTERS 公司、海軍研究實驗室、海上系統司令部和其他承包商聯合，研究開發出了采用工程高分子材料增強的 RHO-COR 復合材料系統。該材料系統能夠通過特殊的材料選擇和結構設計實現所需的聲學性能，特別適用于各種環境下的中高頻聲吶。

1997 年起，美國海軍開始在采用 RHO-COR 復合材料聲吶透聲窗替換原有的線增強橡膠復合材料透聲窗，如圖 5所示[9]。2015 年 4 月 6 日，UTC 航天航空系統公司與美國海軍水下戰斗中心簽訂了新一輪5年不定量合同，繼續為潛艇提供高頻圍殼聲吶透聲窗。2003–2015 年，該公司累計為美國海軍提供了 67 套潛艇聲吶透聲窗。目前，美國海軍驅逐艦、巡洋艦、潛艇廣泛使用古德里奇公司生產的 RHO-COR 復合材料聲吶透聲窗，用于艦首和圍殼等聲吶。

2.2 復合材料聲吶罩

復合材料聲吶罩是一個完整的罩體，與船體直接相連，提供聲吶安放空間，主要應用在中小型護衛艦龍骨聲吶和潛艇艇首聲吶，如“佩里”級護衛艦，“鱘魚”級潛艇、“洛杉磯”級等潛艇[10]。

1954 年，美國海軍實現了玻璃鋼聲吶罩的制備，并在潛艇上安裝了 54 套進行試驗。除一個聲吶罩因為結構原因失效外，其他都取得了很好的效果。隨后在“青花魚”號潛艇上安裝了更大尺寸并且無加強筋的聲吶罩，服役效果也很好。基于在“鸚鵡螺”號核動力潛艇上安裝的塑料加強筋增強復合材料聲吶罩的失敗，美國海軍開發了鋼絲增強復合材料聲吶罩，并在北極航行中試驗成功。隨后推廣應用到其他潛艇。

20世紀60年代后期，在“鱘魚”級潛艇上安裝的復合材料聲吶罩為美軍提供了比傳統聲吶罩更寬的反潛探測視野角度，很好地應對了敵方潛艇威脅。此后，美軍開展了復合材料聲吶罩結構和聲學性能優化，以滿足工程使用要求。同時，古德里奇公司將線增強橡膠復合材料聲吶罩用作“佩里”級反潛護衛艦的龍骨聲吶罩，并隨后在“洛杉磯”級等潛艇上應用，如圖 6所示。

古德里奇公司設計并制造的具有流線外形的“洛杉磯”級潛艇復合聲吶罩長約 7.5 m，重約 12 t，與艇體連接的開口處直徑約 8 m，如圖 7所示[11]。該導流罩上還粘貼了一層約 50.8 mm厚的橡膠防護罩，以增強聲吶罩的聲學特性。橡膠材料具有低的聲波吸收和反射特性，因而能有效地提高潛艇的探測性能。

1997 年，古德里奇公司開發出了 RHO-COR 復合材料系統，在“佩里”級護衛艦上逐步采用 RHO-COR復合材料聲吶罩替換原有線增強橡膠復合材料聲吶罩。同時，該公司攻克了潛艇復合材料聲吶罩的工藝設計、檢驗、加工設計和制造等難題，于 2001 年起為“弗吉尼亞”級潛艇提供 RHO-COR 復合材料聲吶罩（SCD）。

此外，由于“朱姆沃爾特”級驅逐艦的獨特船型，其聲吶罩與“阿利?伯克”級驅逐艦的聲吶透聲窗不同，采用復合材料制成完整的聲吶罩。該項目于2009 年招標，最終由英國托德宇航防務（Tods）公司獲得前 2 艘艦聲吶罩的制造合同。這也是美國海軍首次從英國公司采購復合材料聲吶罩。

3 其他國家海軍艦船用復合材料聲吶罩

除美國海軍“朱姆沃爾特”級驅逐艦艦首聲吶罩外，英國托德宇航防務（Tods）公司聲吶罩和聲吶透聲窗還在 20 多個國家海軍艦艇上得到應用，如英國45 型驅逐艦和“機敏”級潛艇、西班牙海軍 S80 潛艇和“巴贊”級護衛艦、澳大利亞海軍“霍巴特”級驅逐艦、挪威“南森”級巡防艦等[12–14]。該公司聲吶罩采用碳纖維/環氧基預浸料通過樹脂注入工藝制造，每個聲吶導流罩由三部分組裝而成，具有聲學性能可調的特點[15]。

荷蘭等其他國家海軍采用荷蘭復合材料公司（Holland Composite）生產的復合材料聲吶罩，如“科騰吶爾”級護衛艦。該公司用于反潛水面艦龍骨聲吶的聲吶罩厚度為 2～8 cm，采用 E-玻璃纖維增強乙烯基酯/環氧樹脂復合材料，如圖 9所示；用于潛艇聲吶的聲吶透聲窗采用玻璃鋼或碳纖維增強復合材料。采用該公司擁有的專利技術，能夠一次成型大尺寸和復雜結構聲吶罩，避免二次處理，具備使用時間更持久、強度更大的特點。

2016 年印度防務展上，國防部長馬諾哈爾?巴里卡展示了印度首個國產艦首復合材料聲吶罩，采用真空輔助樹脂傳遞模塑工藝制造，有望在其反潛艦上應用[16–17]。在此之前，印度海軍多艘艦艇已采用復合材料聲吶罩。

4 結 語

復合材料在海軍艦船上的應用范圍越來越廣。作為重要部件的聲吶罩或透聲窗采用復合材料制造，取得了良好的效果。國外海軍已廣泛在水面艦和潛艇中使用復合材料聲吶罩或透聲窗。

美國聯合技術公司等海洋復合材料制品公司已開發出了成熟的復合材料系統和成型工藝，產品性能優異，甚至出口國外。與國外相比，國內技術成熟度和應用范圍均存在不小差距，可在自主研發的基礎上，引進吸收國外先進技術，加強實踐應用經驗總結，從而快速實現應用和性能提升。

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[ 2 ]HMCS Algonquin[EB/OL]. http://www.hazegray.org/ features/esquimalt/, 2003.

Seminar教學模式注重培養學生的科研興趣，強調學生自主學習、獨立探索、發現問題、解決問題的能力。與此同時，學生的學習積極性和主觀能動性得到了全面調動，動手能力、溝通能力、團隊協作能力也得到了很好鍛煉，自信心、責任心等心理素質得到了有效培養。

[ 3 ]張廣思. 水面球鼻艦艇首設計中的幾個問題[J]. 艦船科學技術, 1983(12): 1–11.

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[17]Defence Research and Development Organization. Composites sonar dome[R]. 2016.

The application and development of composite sonar domes on foreign naval warships

LI Nan1, XIE Hui-chao2, WANG Jue1, FANG Xiang1, CHEN Lian1
(1. The 714 Research Institute of CSIC, Beijing 100012, China; 2. Wuhan University of Technology, School of Management, Wuhan 430070, China)

Compared to metal and rubber sonar domes, composite sonar domes have better structure and acoustic characteristics, with lighter weight, better corrosion resistance, and cheaper manufacture and maintenance cost. Thus, composite sonar domes have been widely used in foreign naval ships. In this study, the materials of sonar domes have been summarized. Meanwhile, the development and application of composite sonar domes were focused to research. Finally, some analysis and expectation are put forward.

navy；warship；composite；sonar dome

TN929.3

A

1672 – 7619(2017)06 – 0001 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.001

2017 – 03 – 15

李楠(1988 – )，男，博士，工程師，主要從事艦船情報研究。