潛艇隱身技術分析

閆大海，張 晗，苗金林，楊曉剛

(中國艦船研究院，北京 100101)

0 引 言

潛艇的優勢在于隱蔽性。潛艇隱身技術主要研究如何降低潛艇產生的聲、熱、磁、尾跡等目標特征，運用各種技術手段，降低被敵方發現和識別的概率，減少以特征信號為引信的制導武器的命中概率，提高潛艇的生命力和作戰效能。潛艇隱身技術涵蓋設計、建造、測試、使用全過程，涉及潛艇總體、系統、設備，結構、材料、工藝，以及力學、聲學、電磁學等諸多領域。

1 探測潛艇的主要手段

目前探測潛艇的主要手段是聲波，其他手段包括雷達、紅外、電磁場、尾跡等。探測方式包括主動探測和被動探測，探測載體包括衛星、飛機、艦艇等。對潛攻擊武器主要包括魚雷、水雷和深彈等，反潛武器制導手段主要是慣導、聲、紅外、磁、尾流等。

1.1 聲 波

電磁波等信號在水下衰減很快，傳遞距離很短。聲波可以在水中傳播數十至上千海里，是水下探測中應用最多、技術最為成熟的手段。水聲探測和攻擊手段主要包括網絡化水聲探測、各種聲吶、聲制導和聲引信魚雷、水雷、深水炸彈等。

1.1.1 網絡化水聲探測

一般使用低頻大功率大尺寸基陣進行網絡化水聲探測，可大范圍布放，探測監視距離遠，隱蔽性好，局部損壞不會中斷整個系統工作。美國從20 世紀50 年代就開始建設水聲監視系統SOSUS，到了20 世紀80 年代后期，已幾乎可以監控整個大西洋和太平洋。隨后，美國又開發了固定式分布系統（FDS）、先進可布放系統（ADS）、自主式分布傳感器系統（DADS）和拖曳陣傳感器監視系統/低頻主動式拖曳陣列傳感器監視系統（SURTASS/LFA）等。

1.1.2 聲吶

聲吶是利用聲波對水下目標進行探測、定位和通信的電子設備，其工作頻率逐步向低頻、寬帶和大功率方向發展，定位精度、探測距離、智能化識別功能不斷提高[1]。

聲吶主要包括首陣、舷側陣、拖曳陣、吊放聲吶及浮標等。各型聲吶主要技術特征見表1。

表1 各型聲吶主要技術特征Tab.1 Main technical features of various types of sonar

首陣一般是安裝在潛艇首部或水面艦艇球鼻首部的聲吶陣列，按陣形一般分為球陣、圓柱陣和共形陣。采用主被動工作方式，工作頻段覆蓋高中低頻，具有視野開闊、受主機和螺旋槳影響小的特點。潛艇首陣聲吶具有警戒、定位、識別、跟蹤、主動測距、通信等功能，是潛艇聲吶系統中功能最完整，最重要的聲吶設備[2]。

舷側陣布放于艦艇兩舷側，充分利用艇體長度，可在低頻段（1000 Hz 以下）工作，采用主被動工作方式，一般探測距離從十幾千米到幾十千米。

拖曳陣一般裝備于艦艇、反潛直升機和監視船上，一般長1～2 km，斜向下深入水中，一般采用被動工作方式，主要工作在低頻和甚低頻，作用距離最遠可達200 km 左右。圖1 為美“弗吉尼亞”核潛艇TB-29A 細線拖曳陣聲吶工作示意圖。

圖1 “弗吉尼亞”核潛艇的TB-29A 細線拖曳陣聲吶Fig.1 Virginia nuclear submarine TB-29A thinline towed array sonar

吊放聲吶主要裝備于反潛直升機和某些水面艦船，用吊放電纜將探頭或聲吶換能器垂入水中進行主動探測或被動監聽。聲吶浮標主要用于飛機空投，采用主被動工作方式，具有搜索面積大、價格低、使用方便等優點。

目前聲吶技術不斷向低頻段擴展，主動聲吶低頻端達1300～2000 Hz，被動聲吶已達10 Hz，迫使潛艇不斷提高低頻域輻射噪聲控制能力[3]。

1.1.3 聲制導魚雷

聲自導普遍應用于各國魚雷，是最為成熟的魚雷制導系統，包括主被動2 種方式。主動自導系統抗干擾性能好，可攻擊安靜目標，制導精確，但隱蔽性較差，系統復雜。被動自導系統作用距離遠，隱蔽性好，系統簡單，但不能攻擊安靜目標，抗干擾性能較差。目前大多數魚雷均使用主/被動聯合聲自導系統。

1.1.4 聲引信

聲引信屬于非觸發引信，采用主動或被動工作方式。魚雷、水雷、深彈等戰斗部均可采用聲引信。主動聲引信抗干擾能力強，可靠性高；被動聲引信隱蔽性好、體積小、能耗低。

1.2 電磁波

包括雷達、電子偵察、光電偵察等。

1.2.1 雷達

雷達波在水中的傳播距離較短，主要用于探測潛望航態以及水面航渡狀態的潛艇，或是利用雷達探測因潛艇運動形成的水動力學尾跡、熱尾跡、氣泡尾跡和電磁擾動等[4]。對海搜索雷達是反潛警戒的重要力量。

1.2.2 電子偵察

電子偵察主要是截獲潛艇在通信或導航定位過程中產生的電磁輻射。電子偵察裝備包括電子偵察衛星、電子偵察飛機、地面電子偵察站、電子偵察船，以及包括潛艇在內的水下電子偵察裝備等。

1.2.3 光電偵察

包括可見光偵察、紅外偵察、激光偵察等。

1）紅外

常規潛艇在通氣管狀態利用柴油機發電時，排放的高溫廢氣和排氣管道金屬壁面會形成明顯的紅外輻射信號，可以被紅外探測設備發現。潛艇在水下航行時，不管是核動力潛艇還是AIP 潛艇，都會通過冷卻水向艇外排放廢熱，在潛艇尾部形成溫度較高的熱尾流，紅外探測器能夠捕獲到熱尾流在海面形成的溫度異常[5]。圖2 為水下航行體熱尾流紅外輻射示意圖。

圖2 熱尾流紅外輻射示意圖Fig.2 Thermal wake infrared radioction

2）可見光

澄清海域，可見光可穿透大約100 m 水深[6]。利用可見光探測潛艇，其探測深度與海水的光學性質、海面粗糙度、觀測者角度、太陽天頂角、目標的反射率等環境條件密切相關[7]。

3）激光

近年來，一些國家開展了激光雷達（LIDAR）探潛研究。激光雷達具有較好的探測精度。藍綠激光（450～550 nm）在海水中穿透率高，有效探測深度大。美國開發的探潛藍綠激光系統（工作波長510 nm），最大有效探測深度可達200 m[6]。

1.3 尾 跡

潛艇尾跡主要包括水動力尾跡、生物光尾跡和熱尾流尾跡等。

1）水動力尾跡

潛艇潛航時會在水面留下水動力尾跡，其強度取決于潛艇的航速、潛深和外形尺寸等。水動力尾跡又可以分為伯努利水丘、開爾文尾跡、旋渦尾跡、內波尾跡等。一般認為，內波尾跡由航行體對海水密度、溫度、鹽度分層的擾動形成。潛艇在水下航行時，有可能產生長達數千米的線狀內波尾跡。據稱美國利用內波曾探測到在300 m 水下航行的前蘇聯潛艇[8]。

2）生物光尾跡

海洋中充滿發光生物。潛艇航行時引起周圍海域電磁場的變化，導致發光生物發光強度的變化，同時潛艇航行形成的渦流會刺激發光生物發光，形成可被觀察到的生物光尾跡。該尾跡信號弱，易受干擾[9]。

3）熱尾流尾跡

潛艇產生熱尾流的原因主要有兩點：一是由于潛艇排放的冷卻水產生熱尾流信號；二是潛艇航行時將海中的冷水帶到海面形成的“冷尾流”信號。通常這兩類信號都被稱為熱尾流[10]。美國第3 代“白云”號海洋軍事監測偵察衛星搭載無源紅外傳感器，通過探測熱尾流，可實現對水下45 m 目標的偵察和定位[11]。

1.4 其他物理特性

包括電磁場、壓力場等。

1）磁場

潛艇艇體和裝艇設備大量采用鐵磁材料，在地磁作用下形成艇體磁場，包括固定磁場和感應磁場。通過地磁異常信號檢測，可以發現水下航行狀態的潛艇。據稱俄羅斯研發的搭載于K-27PL 直升機上的磁傳感器可探測400 m 水深的潛艇[12]。

2）電場

潛艇周圍海水中存在電場，按形成原因可分為靜電場、軸頻電場、感應電場和諧波電場等。軸頻電場和靜電場信號頻率低，傳播距離較遠[13]，利用電場信號可以探測跟蹤潛艇。美國、俄羅斯等國裝備有電場引信水雷[14]。

3）壓力場

潛艇航行時產生的水底壓力場難以被消除和模擬，是識別潛艇的重要物理場之一[15]。

2 潛艇主要隱身技術

日益先進的探測制導手段，使得潛艇在海戰中被發現、攻擊和消滅的概率大大提高，如何有效提高潛艇的隱蔽性成為各軍事強國的研究重點。

2.1 聲隱身

利用聲波探測潛艇，一是依靠被動聲吶接收潛艇的輻射噪聲，二是依靠主動聲吶接收潛艇的回波信號。所以潛艇聲隱身主要包括2 個技術方向：一是降低潛艇輻射噪聲，減少被動聲吶發現距離；二是降低潛艇的聲目標特征，降低主動聲吶的發現概率。潛艇聲隱身主要技術途徑見表2。

表2 潛艇聲隱身主要技術途徑Tab.2 Main technical approaches of submarine acoustic stealth

2.1.1 降低輻射噪聲

潛艇聲隱身性能與潛艇的輻射噪聲密切相關，甚至是決定性因素。振動不一定產生噪聲，但噪聲都是由振動產生的。潛艇主要輻射噪聲源包括3 類：機械噪聲、螺旋漿噪聲和水動力噪聲。降低輻射噪聲主要有2 個技術途徑：降低噪聲源的噪聲強度；控制噪聲的傳遞過程。

1）降低噪聲源的噪聲強度

機械噪聲是機械系統激勵艇體振動產生的噪聲。動力裝置、輔助設備和系統是船舶主要機械噪聲源。降低機械噪聲源強度的主要技術手段包括：采用自然循環壓水堆，采用燃料電池等AIP 動力系統，采用電力推進，采用永磁推進電動機或高溫超導電機，采用自航發射等低噪聲發射技術等等。

螺旋槳噪聲是槳葉旋轉直接輻射的噪聲，及其誘導脈動壓力通過軸系激勵艇體振動產生的噪聲。降低螺旋漿噪聲的主要技術手段包括：采用7 葉大側斜螺旋槳或泵噴推進，探索磁流體推進等新型推進方式。

水動力噪聲是由艇體表面繞流形成的湍流脈動壓力激勵艇體產生的噪聲，與潛艇的線型、殼體附體的數量和布置、開孔的數量和形狀等因素有關。控制水動力噪聲的途徑主要包括優化艇體外形，合理選擇附體的數量、形狀和位置，盡可能減少艇體表面開孔面積，采用合理的流水孔及其布置方式等，減少流體阻力和產生湍流，同時優化推進組合體，降低螺旋槳轉動時產生的紊流噪聲。

2）控制噪聲傳遞過程

主要采用消聲技術和減振技術。消聲技術主要是對艇內設備加裝隔聲罩，艇體敷設去耦瓦、阻尼瓦等消聲材料來降低輻射噪聲，采用有源消聲技術來減少艇內聲源等。減振技術按控制方式分隔振、吸振、消振和阻振等，主要是在激勵源和傳遞途徑之間添加阻尼系統來消耗振動能量，減少振動的傳遞。隔振裝置經歷了單層隔振系統、雙層隔振系統、浮筏隔振系統等階段[16]。

2.1.2 降低聲目標特征

潛艇的聲目標強度與潛艇體積、外形及方位關系密切。在潛艇外殼表面敷設消聲瓦，吸收損耗主動聲吶探測波，可顯著降低潛艇的聲目標強度。隨著潛艇輻射噪聲逐步降低，主動聲吶逐步向低頻端擴展，國外近年發展了兼有主動吸聲、主動隔聲和主動聲輻射控制的多功能主動消聲瓦、回波隱身外形等降低潛艇聲目標特征的技術。

2.2 電磁波隱身

主要包括雷達波隱身、電磁輻射隱身、光電隱身等。

2.2.1 雷達波隱身

雷達隱身主要針對的是潛艇露出水面的部分，主要技術手段包括：對升降裝置進行小型化設計和隱身設計，加裝導流罩或屏蔽罩。在潛艇圍殼表面和水線以上部位涂覆吸涂材料或采用透波材料等[17]。

2.2.2 電磁輻射隱身

探索隱蔽通信方法，減少潛艇因通信或導航定位產生的電磁輻射。

2.2.3 光電隱身

紅外隱身。在潛艇的圍殼和升降裝置等表面涂敷紅外隱身材料，采用空氣冷卻、噴淋冷卻等技術對排氣系統管壁及廢氣進行冷卻，提高動力系統熱量利用效率，對潛艇產生的熱量進行短時存儲，優化熱排水系統設計，采用泵噴推進等技術措施，以及根據環境條件來進行工況調整、增大下潛深度等戰術使用措施來降低潛艇的紅外輻射特征[18]。

可見光隱身。以色列“海豚”級潛艇采用與周邊海域水色接近的綠色涂料，提高其光學隱身性能。美國“海狼”級潛艇在其潛望鏡和通信天線升降裝置上采用了迷彩涂料[19]。

激光隱身。采用在潛艇表面涂敷吸收材料，減小激光散射截面等方法。

2.3 尾跡隱身

潛艇尾跡主要由潛艇航行時對海水的擾動，以及潛艇排放廢熱形成的擾動形成。尾跡隱身主要就是要抑制這些擾動。通過對潛艇外形及附體進行水動力學優化設計，采用泵噴推進改善尾部流場等措施可以降低水動力擾動。抑制潛艇內波尾跡很困難，目前的研究基本處于探索階段。通過分級排放潛艇冷卻水，降低排放水與環境海水的溫差，可以減少熱尾跡。潛艇尾跡特征與其潛深、航速及所處海洋的水文條件關系密切。根據水文條件合理改變潛艇潛深、航速，可有效降低潛艇尾跡特征被探測到的概率[20]。

2.4 其他物理場隱身

磁場隱身。采用無磁或低磁材料建造潛艇，利用消磁站或消磁船對潛艇消磁，采用艇載主動消磁系統等技術手段。

電場隱身。可通過合理設計防腐系統降低潛艇電場，研制電場防護系統消除已形成的潛艇電場[21]。

水壓場隱身。采用在船底加裝附體等手段，可以改變船舶水壓場，是防御水壓水雷的途徑之一[22]。

3 潛艇隱身技術發展趨勢分析

探測技術和隱身技術是對立統一體，相互促進，相互追趕。技術領先和創新將在未來戰爭中起到關鍵作用。

3.1 探測制導技術發展趨勢

主要包括提高現有探測制導技術水平、對各種探測制導技術手段進行綜合集成，探索新型探測制導技術等。

3.1.1 提高現有探測制導技術水平

目前聲吶技術不斷向大功率、大基陣、低頻方向發展，聲吶模塊化、標準化、可靠性、維修性、自適應能力和智能化水平顯著提高，壓電聚合物和光纖等新型水聽器材料得到應用，不同聲吶間的信息融合能力不斷增強[23]。

3.1.2 對各種探測制導技術手段綜合集成

隨著潛艇聲隱身性能的提升，各海軍強國均投入力量開展非聲探潛方法研究，如尾跡探測、激光探測、磁探測、電場探測、合成孔徑雷達探測等。深入發展非聲探測技術，實現聲探測與非聲探測等各種探測手段的綜合集成，是探潛技術的發展方向。

3.1.3 探索新型探測制導技術

核輻射探潛、重力梯度探測、生物探潛等新型探潛技術不斷涌現，無人裝備探潛技術發展迅速。

3.2 潛艇隱身技術發展趨勢

加強隱身頂層和總體設計，提高潛艇隱身性能評估技術水平，不斷發展隱身材料，深入開展隱身技術集成，探索隱身新機理，成為潛艇隱身技術的發展方向。

3.2.1 設計先行

在潛艇總體設計中，應不斷強化以隱身性設計引領總體設計的理念，并將這種理念貫穿于潛艇研制的每個環節。深入開展隱身設計技術、評估測試技術、建造工藝技術等研究，實現潛艇的隱身集成定量優化設計和隱身成果的綜合集成應用[24]。

提高潛艇的下潛深度和水下連續潛航能力是提高潛艇隱身性能的有效途徑，需要突破大潛深材料技術、大潛深結構技術和大潛深系統相關技術；需要提高核動力系統、AIP 動力系統和蓄電池性能；需要提高潛艇水下導航精度和校準精度，延長慣導重調周期；需要潛艇具備深水隱蔽通信和武器深水隱蔽發射能力，是一項涉及多領域、多學科的系統工程。

3.2.2 評估準確

為有效控制潛艇特征信號，必須對其進行準確計算評估，提高特征信號測量精度。目前對潛艇特征信號進行評估的手段包括理論計算、經驗推導、數值仿真、試驗測試等。通過深入研究潛艇目標特征機理，深入開展技術攻關和條件建設，提高潛艇目標特征試驗和測試精度，建立和發展潛艇目標特性試驗與測試技術體系，可為有效控制艦船目標特征提供堅實基礎。

隱身測試技術是隱身技術的重要組成部分，需要不斷發展提高綜合性多物理場測試技術水平，測試頻段不斷向低端和高端擴展，形成規范化、標準化、系列化的測試方法，不斷滿足潛艇隱身綜合測試的需求[25]。

3.2.3 發展新型隱身材料

目前的隱身材料適用范圍不夠廣泛，需要研制既具備聲波隱身功能，也具備電磁隱身功能等全能型隱身材料。新型隱身材料包括新型復合阻尼材料、新型磁致伸縮材料、負泊松比材料、功能梯度材料、仿生材料等。

3.2.4 探索新機理

各海軍強國都在探索潛艇新型隱身機理，深入研究新概念潛艇、新型安靜型動力、動態隱身、主動與半主動控制、聲學智能結構和新材料等技術。無人潛航器和無人潛艇的發展將對潛艇隱身技術帶來重要影響。

4 結 語

潛艇隱身是一項系統工程，需要系統建立隱身定量設計方法、準則、規范，建立配套的隱身評估測試技術、評估測試標準1和相關數據庫，需要潛艇設計、建造、試驗、使用等階段緊密結合，需要考慮技術可行性與經濟承受能力，在眾多紛繁的使用需求中尋求兼容與平衡。