探潛技術發(fā)展新方向的研究

王堂屹

（海軍大連艦艇學院，遼寧大連 116001）

0.引言

由于水下環(huán)境的復雜性，對潛作戰(zhàn)長久以來都是世界上各個國家的難題。自第一次世界大戰(zhàn)以來聲納被用于聽測潛艇，探潛、搜潛、反潛裝備與潛艇降噪靜音技術在對抗中迅速發(fā)展。目前美國核潛艇（如“弗吉尼亞”級、“哥倫比亞”級）的自噪聲甚至能做到僅有幾十分貝，這個強度的自噪聲僅僅略高于環(huán)境噪聲，甚至有可能低于環(huán)境噪聲。而過去的探潛方法主要是聲學探測，在以后人類活動會使海洋環(huán)境噪聲不斷增大、潛艇聲隱身技術越來越成熟的趨勢下，潛艇變得越來越難以探測。所以為了提高對潛作戰(zhàn)實力，發(fā)展新型探潛手段十分重要，甚至能顛覆當前水下作戰(zhàn)體系。近年來，美國、俄羅斯等軍事強國正在加速發(fā)展新型探潛裝備，在某些方向已經(jīng)取得了突破性進展。我國對潛相關技術起步較晚，力量不足，面對長達18000m的海岸線，時刻存在著來自水下的威脅，目前探潛技術雖然已經(jīng)處于一個高速發(fā)展的時期，但是我國水下國門大開的現(xiàn)狀還是存在的，如果我國能夠率先在探潛領域取得突破性的進展，我海軍的反潛作戰(zhàn)水平將大幅提升。

1.新型對潛技術發(fā)展

1.1 聲學探測－－雙/多基地聲納

雙/多基地聲納不采用傳統(tǒng)聲納的收發(fā)合置結構，而是選擇收發(fā)分置結構，這樣可以以艦殼聲納、拖曳線列陣聲納、岸基聲納、直升機吊放聲納、聲納浮標等多種聲納為載體。雙/多基地聲納不會暴露平臺位置，靈活性好、隱蔽性高并具有足夠的探測距離。美國國防高級研究計劃局2016年發(fā)布了“舷外移動指控”項目公告，計劃投入1200萬美元研發(fā)雙基地聲納，該項目將無人潛航器作為聲納發(fā)射端，潛艇作為接收端，在打通數(shù)據(jù)鏈后可實現(xiàn)遠距離的無人潛航器-潛艇聯(lián)合探測。2020年，DARPA簽署合同，計劃在投入數(shù)千個聲納浮標作為基地節(jié)點，形成一個龐大的海洋監(jiān)聽系統(tǒng)。

1.2 非聲探測

1.2.1 磁探測

潛艇是一種結構復雜的、由強磁性材料建造而成的水下艦艇，并且隨著武器的不斷發(fā)展，裝備在潛艇上的強磁性武器越來越多。而地球?qū)嶋H上是一個磁場，能夠磁化其上的所有物體。潛艇在地球的磁場中運動，受到地球磁化的影響，周圍產(chǎn)生了一定強度的艦艇磁場。艦艇磁場和地球磁場在空間中共存，潛艇在運動時，周圍空間的磁場發(fā)生變化，產(chǎn)生磁異現(xiàn)象，強磁性武器越多，艦艇磁場強度就越強，就越可以通過磁測量傳感器探測磁場中的磁異現(xiàn)象搜索潛艇。

其中在反潛中主要使用的磁傳感器是低強度磁場傳感器，由這種傳感器英、美等強國設計裝備了磁探儀系統(tǒng)用于反潛作戰(zhàn)。航空磁探儀（MAD）是目前主要的非聲探測設備，目前美國研發(fā)的 AN/ASQ 系列磁探儀（如AN/ASQ-81、AN/ASQ-208先進數(shù)字化磁探儀、AN/ASQ-508先進磁探儀等）裝備廣泛應用于英、日、印、等多個國家的反潛機。目前，美國正研究將德拜效應用于新型磁探儀進行反潛作戰(zhàn)，這將使目前各個國家潛艇普遍采取的低磁材料、臨時線圈等方法失去用武之地。以后還可能運用超導領域以及量子領域的科技，實現(xiàn)對低強度磁信號的探測。這種新型技術一但實現(xiàn)，當前探潛技術產(chǎn)生重大突破。

1.2.2 生物探測

海洋中存在一種分布極廣并且在正常生理條件下能發(fā)射450nm～490nm波長（近紫外波段）可見光的發(fā)光細菌。一方面，發(fā)光細菌發(fā)光強度受到潛艇在水下航行會引起周圍空間電磁場的變化影響，能夠產(chǎn)生一條明顯的熒光路線。另一方面，潛艇航行中螺旋槳的轉(zhuǎn)動在艇后產(chǎn)生空化等現(xiàn)象，也會使發(fā)光細菌產(chǎn)生一條可被探測到的熒光尾流，而且這種熒光尾流可以持續(xù)15min左右才會衰減消失。生物探測就是利用光學設備探測這種熒光尾流從而完成探潛任務。反潛機利用紫外線光束照射海水，海水中發(fā)光細菌發(fā)散的可見光被接收器接收，就可以探測到潛艇的位置或航線。

1.2.3 激光探測

激光探測已在獵掃雷等領域表現(xiàn)優(yōu)異。光在海水中衰減很大，但其實光受到海水溫度和密度的影響很小，且處于0.47μm～0.58μm波段內(nèi)的藍綠光在海水中的衰減遠小于其他波段。所以反潛機通過攜帶藍綠激光發(fā)射器和接收器，發(fā)射功率大、脈沖窄的藍綠激光就可以實現(xiàn)對潛探測。其工作原理就是裝在反潛機上的激光發(fā)射器向海面發(fā)射激光，一部分激光被反射，接收機先接收到由海面反射回來的激光，再接收到海底或水下物體反射回來的激光，通過技術處理就可以得到水深或水下物體的深度。如果此時潛艇在水下航行潛艇，反潛機就可以發(fā)現(xiàn)潛艇并獲得潛艇的潛深。較早將激光探測技術應用到實際中的是美國的“魔燈”和俄羅斯的“紫水晶”系統(tǒng)。

此外，激光雷達探潛技術也是目前各國炙手可熱的研究熱點。激光雷達采用和傳統(tǒng)雷達工作原理相似，它能夠分離海面反射雜波對水下物體反射回波的干擾，探測精度很高。瑞典已經(jīng)成功實現(xiàn)了利用空中平臺進行了激光雷達探潛；美國國防部下屬的“先進防御研究項目機構”曾開發(fā)并測試了用于水下探測的激光雷達系統(tǒng)，結果這種系統(tǒng)最大探測深度能達到200m；澳大利亞也啟動了關于激光雷達探潛的項目，使用波長為532nm的藍綠激光進行水下目標探測。

1.2.4 尾流探測

潛艇尾流分為氣泡尾流、水動力尾流和熱尾流。

（1）氣泡尾流。傳統(tǒng)潛艇在水下航行依靠螺旋槳推進時，螺旋槳轉(zhuǎn)動對海水的攪拌致使?jié)撏膊慨a(chǎn)生許多氣泡，出現(xiàn)空化現(xiàn)象，這就是氣泡尾流。聲探測手段可以進行氣泡尾流的探測。尤其是潛深較淺的潛艇高速運動時可供探測利用的氣泡尾流尺度很大，有利于探測。

（2）水動力尾流。水動力尾流主要包括伯努利“水丘”（由潛艇水下運動產(chǎn)生的近場表面波產(chǎn)生的潛艇上方水面的突起）、開爾文尾流（由潛艇水下運動對遠場水面產(chǎn)生的影響產(chǎn)生的潛艇航行方向的后方呈現(xiàn)V字形尾流，由橫波和散波組成）、湍流尾流、內(nèi)波尾流等。水動力尾流可通過反潛機雷達、衛(wèi)星雷達等手段探測。但伯努利“水丘”和開爾文尾流隨著潛艇深度的增加和航速的減小而迅速減小，所以并不適合作為探測的對象。而潛艇在水中的尾流和運動產(chǎn)生的擾動對海洋的原有分層結構影響產(chǎn)生的內(nèi)波尾流是一種良好的探測對象。內(nèi)波是能夠使海水呈周期性振蕩的運動，使能量以波的形式向深層傳播，能夠調(diào)制水中波的圖像，并使聲速發(fā)生變化、影響海面入射波的性質(zhì)。當使用合成孔徑雷達探測時，得出的圖像產(chǎn)生顯著變化。當潛艇經(jīng)過密躍層內(nèi)某點時，在幾十分鐘的時間內(nèi)，依舊存在潛艇運動所引起的內(nèi)波，水面上的內(nèi)波尾流可達幾公里。所以，反潛機可以運用合成孔徑雷達對海面進行掃描，如果圖像出現(xiàn)顯著變化，初步判斷發(fā)現(xiàn)了內(nèi)波尾流，在確認后即可實時監(jiān)測潛艇的運動態(tài)勢。目前，美國、俄羅斯等國家已具備此能力。

（3）熱尾流。熱尾流是指處于水下航行狀態(tài)的潛艇在上浮過程中擴散到海水中的帶有很大熱量的排水所形成的尾流，這種熱尾流自然消散需要很長時間，當潛艇深度較淺或處于水面時，熱尾流會迅速擴散至水面并形成長達幾百米的“熱水帶”，反潛機攜帶紅外探測設備或藍綠激光雷達即可對熱尾流進行探測，從而達到探潛的目的。

1.2.5 電場探測潛艇和潛艇上的裝備由不同種類的金屬材料制成，而不同種類的金屬因其金屬元素的活潑程度不同，浸泡海水中產(chǎn)生了不同的電極電位，形成了原電池，這會對潛艇產(chǎn)生強烈的腐蝕。目前絕大多數(shù)潛艇都采用了陰極保護法避免腐蝕，無法避免的形成艦艇電場，包括穩(wěn)恒電場、軸頻電場等。電場探測就是利用航行中潛艇的軸頻電場無法避免特性和傳播距離遠特性實現(xiàn)的。

2.對潛裝備技術新方向

2.1 輻射探測

核潛艇在航行時，依靠核潛艇反應堆工作產(chǎn)生動力，在其周圍會產(chǎn)生一定強度的核輻射和放射性物質(zhì)，這些產(chǎn)物與海水中各種元素反應。相互作用產(chǎn)生的高速帶電粒子的傳播速度大于光在水中傳播的速度時，產(chǎn)生可見藍色光，而且還會使海水發(fā)生活化反應，產(chǎn)生感生放射性物質(zhì)。輻射探測就是利用光學探測設備來探測這種可見藍色光或利用核輻射探測設備來探測海水中核輻射和放射性產(chǎn)物的輻射強度探測核潛艇。

2.2 紅外探測

常規(guī)動力潛艇大多采用柴油發(fā)電機發(fā)電，而在水下航行時需要蓄電池提供動力驅(qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)動。當蓄電池電量低于一定值后，潛艇需要上浮進行充電。充電時發(fā)電機會排放高溫廢氣和加熱的金屬管道表面，形成明顯的的紅外信號。反潛機紅外吊艙上的探測設備可以探測到處于通氣管狀態(tài)或水面狀態(tài)的常規(guī)潛艇暴露的紅外信號實現(xiàn)探潛。

2.3 無人機探測

無人技術是當前的熱門技術，無人機的快速發(fā)展也帶動了相關探潛裝備的發(fā)展。無人機探測將傳統(tǒng)航空搜潛的裝備與無人機裝備技術相結合，利用無人機攜帶適配戰(zhàn)斗載荷進行探測。新型的反潛無人機主要分為單旋翼無人機、多旋翼無人機和固定翼無人機。與有人空中反潛平臺不同的是，無人機憑借其造價較低、操作簡便、體積較小但平臺攜帶載荷能力不足、續(xù)航能力差的特點形成了無人機集群作戰(zhàn)的作戰(zhàn)樣式。無人機集群探潛主要分為異構無人機集群探潛和“有人-無人”系統(tǒng)合同探潛兩個研究方向。異構無人機集群探潛是將不同結構、搭載不同任務載荷的無人機組成任務編隊執(zhí)行任務，“有人-無人”系統(tǒng)合同探潛是借由無人機集群進行探測，載人航空器進行信息匯總后執(zhí)行進攻。

美國早在2000年就開始相關研究，包括“小精靈”“山鶉”低成本無人機蜂群作戰(zhàn)、進攻性蜂群使能戰(zhàn)術、拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)等項目，其中拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)（CODE）項目已經(jīng)于2019年試驗完畢，成功完成；“小精靈”項目在2020年10月28日的飛行測試中，成功驗證了無人機編隊的飛行位置與安全特性，但9次對接回收系統(tǒng)均以失敗告終。我國的無人機集群相關研究起步較國外相比相差不遠，目前許多大專院校和科研院所都參與其中，出現(xiàn)了一些優(yōu)秀的研究成果。

2.4 航空重力梯度探測

重力梯度屬于重力場的重要特征，其反映了重力的變化程度。重力梯度具有很高的分辨率，并且處于同一空間的目標具有多個方向的重力梯度分量可以進行分析利用。航空重力梯度測量屬于被動探測，除了具有很強的隱蔽性和抗干擾能力之外，還具有靈活性好、精度高、效率高、可以和磁探測等手段聯(lián)合使用以提高發(fā)現(xiàn)目標的概率的特點。美國憑借其擁有的高精度重力梯度儀已經(jīng)開始了相關研究，但成果并不顯著，而國內(nèi)航空重力梯度探測困于儀器，目前還停留在理論階段。

3.結語

除了本文介紹的一些探潛技術，還有許多探潛技術也在發(fā)展中，例如廢氣探測技術等，這些技術也值得我們?nèi)ヌ剿鳌２⑶覍⒅T多探潛技術、攻潛手段進行協(xié)作運用、數(shù)據(jù)融合以提高對潛作戰(zhàn)效率、打通作戰(zhàn)信息鏈也是相關領域的重中之重。反潛作戰(zhàn)被稱作海戰(zhàn)三大難題之一，反潛問題也一直是世界上各個國家力求突破的難題，如今潛艇降噪技術不斷發(fā)展，探潛新技術上的突破可能引起革命性的變化。