國外水下無人移動裝備綜合隱身技術研究

宋 超，劉瑞杰，鄭偉偉，劉 洋

(1. 海軍裝備部裝備項目管理中心，北京 100071；2. 中國人民解放軍92578部隊，北京 100161；3. 中國船舶集團有限公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

水下無人移動裝備涉及范圍廣，從廣義上來看，水下無人移動裝備主要包括各種在水下可以移動（運動）的無人航行體，如無人潛航器（UUV）、魚雷、水雷、浮標等。隱身性能是體現水下無人移動裝備作戰能力的關鍵指標，美國在《2000-2035年海軍技術-無人水下移動裝備平臺規劃》及《2013-2038無人系統綜合發展路線圖規劃》中均將隱身技術列為重點發展的6項關鍵技術之一。魚雷需要提升隱身性增加打擊的突然性，水雷需要提升隱身性規避敵方反水雷裝備，浮標需要提升隱身性以在敵對海區隱蔽探測、搜集海洋數據，而UUV隨著向大型化、多功能、長航時方向發展，增加了物理場信號特征，更是需要采取隱身措施提升生存能力。由于水下無人移動裝備的隱身技術與潛艇具有一定的通用性，因此在介紹隱身技術時將結合潛艇相關隱身技術發展現狀作為參考，對當前水下無人移動裝備隱身技術進行研究。

水下裝備所采取的隱身技術包括聲隱身技術和非聲隱身技術。其中，聲隱身主要包括3個技術方向：低目標強度控制、噪聲強度控制以及噪聲傳播途徑控制。其中，低目標強度控制主要有隱身涂層技術和殼體優化技術；噪聲強度控制主要采用低噪聲設備，如采用低噪聲螺旋槳、泵噴推進器、無軸推進裝置、全電力推進系統措施等；噪聲傳播途徑控制主要措施有隔振技術，即將機械設備安裝于隔振系統。

1 聲隱身技術

1.1 隱身涂層技術

水下裝備隱身涂層技術包括2種：一是針對聲探測以橡膠為媒介的聲學覆蓋層（消聲瓦）技術，二是涂層技術，包括多種功能、疏水、反可見光、迷彩等。其中高性能的聲學覆蓋層不僅能吸收敵方主動聲吶的探測波，還能隔離本艇自噪聲輻射，是唯一能同時抑制艇體回波和振聲響應的關鍵技術。

作為控制水下目標強度的主要技術裝備，聲學覆蓋層已歷經數代發展，但基本按照2種思路發展：一種是材料改進和聲學結構相結合，即在改進材料的同時改進其聲學結構，使聲波更易進入吸聲層并使聲波在結構中發生波形轉換、散射和反射達到聲波能量耗散的目的；另一種是僅改進材料或采用復合材料來實現聲波能量耗散，例如目前國內外正在研究的聲學超材料和超疏水材料。聲學超材料具備天然材料不具備的低頻帶隙特性和超常物理特性。可以實現超強的低目標強度控制。目前國內外基于聲學超材料的特性正在探索其在水下聲隱身領域的應用，如近年來“隱身斗篷”已由最初設計的規則球狀，發展到任意形狀，由二維拓展到三維，并且不但能隱身，而且還可以與外界實現信息交流。此外美國還研制了水動力超常材料，以降低潛艇水動力噪聲。

超疏水材料方面，1997年，德國波恩大學提出“荷葉效應（lotus effect）”，此后人們對超疏水表面（通常將接觸角大于150°的表面定義為超疏水表面）的研究取得了突出的進展。利用超疏水材料制成的涂層可使潛器外表面具有超疏水性，阻礙水滴的浸潤，改變潛器與水的接觸狀態，防止潛器外表面被水浸濕，進而減少其在水中運行的阻力與摩擦，起到減少潛器水動力噪聲及提高水下航速的作用。

1.2 殼體優化技術

水下裝備的外形結構及其附體決定了其水動力性能，殼體優化可降低水流流經水下裝備濕表面產生的噪聲，以及冷卻水管中流體脈動向水中輻射的噪聲，是控制水動力噪聲的主要手段。為獲得良好的水動力學性能，各國對水下裝備外形結構不斷進行優化。如傳統的魚雷外形大多是圓柱形，但就水聲發射能力來說，圓柱是一種很不利的外形，為了增加隱身性能，增大獵雷聲吶的識別難度，國外開始對水雷外形進行優化，不采用傳統的圓柱形或圓形，其代表有外形呈扁棱狀的瑞典“羅肯”水雷，外形呈圓錐形的意大利“曼塔”水雷等。

圖1 瑞典“羅肯”水雷Fig. 1 Sweden GMI100 mine

1.3 低噪聲設備技術

發動機和推進器是水下裝備主要的噪聲設備，相比熱動力設備，電動力設備不存在齒輪傳動等噪聲源，具有較突出的低噪聲優勢。其中電動力魚雷一般比熱動力魚雷具有更好的隱蔽性，無人潛航器也多采用電動力設備。此外，推進器也是水下裝備主要噪聲源之一，為減少噪聲，水下裝備已由最初采用普通螺旋槳逐步發展到采用泵噴推進器，并且開始向無軸泵噴，甚至磁流體推進發展。泵噴推進器使用圓筒將螺旋槳罩住，不易形成渦流和空泡現象，在同等推力下，低頻噪聲平均要比七葉大側斜螺旋槳低15 dB以上。因此，美、英、法、俄等國海軍新服役的核潛艇大都采用泵噴推進器。將來，無軸泵噴實用化后，將直接去掉推進軸，屆時將由發電機發電直接驅動無軸泵噴推進器內部的電動機旋轉，由于消除了推進軸系的噪聲，將有效降低艇上機械噪聲。如“哥倫比亞”級戰略核潛艇在靜音方面做了很大改進，其中一個革命性設計就是引入了渦輪綜合電力推進系統，利用渦輪發電機將機械能轉換為電能驅動潛艇的螺旋槳，省去了齒輪箱、推進軸等部件，減少了潛艇的一大噪聲源。

圖2 從七葉大側螺旋螺槳到有軸噴到無軸泵噴潛艇推進裝置Fig. 2 Seven-bladed propeller, shaft pump-jet and non-shaft pimp jet

美國在20世紀70年代研制成功了MK48魚雷，對推進器進行了突破性的改進設計，其中MK48-3以及MK-48-ADCA采用了泵噴推進器，降低了魚雷噪聲、增強了魚雷隱身性，并且使MK48魚雷在高速時自導作用距離達2 km以上。

圖3 MK 48魚雷的泵噴推進器Fig. 3 MK 48 torpedo pump jet

1.4 隔振技術

隔振是水下裝備減振降噪普遍采用的方法，其基本原理是通過在振源和受控對象之間設置隔振器來減少受控對象對振源激勵的響應。按照控制系統有無外部能源輸入，水下裝備隔振技術可分為被動隔振、主動隔振和半主動隔振三類。被動隔振無外部能源輸入，只在振源與受控對象之間放置彈性裝置來減少振動，結構簡單、易于實現、可靠性高且經濟性好，到目前已經形成了單層隔振、雙層隔振和浮筏隔振3個技術方向。

圖4 單層隔振裝置與雙層隔振裝置Fig. 4 Single-layer vibration isolating device and double-layer vibration isolating device

圖5 浮筏隔振裝置Fig. 5 Floating raft vibration isolating device

目前，被動隔振技術的研究主要集中在浮筏隔振技術、阻尼技術和隔振器設計與應用上。美國現役的MK48在MK46魚雷的基礎上采用了一系列的隔振降噪措施，其中之一就是將其主動力裝置安裝于減振基座上，減小主動力裝置振動向殼體的傳遞。被動隔振技術取得了成功的應用，但其低頻隔振能力差，限制其進一步發展。

主動隔振又稱為有源控制，是在被動隔振的基礎上，在被控制系統中引入次級振源，通過一定的控制方式控制次級振源的輸出，使其產生的振動與主振源的振動相抵消，從而達到減振的目的。如美國海軍“海狼”級核潛艇裝備主動控制系統后，取得了良好的隱身效果，其裝備的浮筏電磁式主動控制系統能有效提高低頻隔振性能。但主動隔振系統結構復雜，耗能大，應用范圍受到限制。

半主動隔振技術即主/被動混合技術，是20世紀80年代發展起來的新技術。該技術使用控制器控制隔振系統內部參數使隔振系統以被動形式工作，其性能接近主動隔振技術，并且也吸收了被動隔振效果好的優點，且與主動隔振相比需要的外部能量輸入少，成本低。目前，半主動隔振技術應用處于研究階段。

圖6 MK48魚雷隔振降噪措施Fig. 6 MK 48 torpedo vibration isolating and noise suppression technology

2 非聲隱身技術

2015年1月22日，美國戰略與預算評估中心（CSBA）發布《水下戰新紀元》報告，報告認為非聲探測技術的出現和擴散使未來水下作戰環境更為復雜，給美國水下裝備安全帶來巨大威脅。為繼續保持水下優勢，美國不但需要發展水下裝備體系，而且水下裝備也需要提高包括非聲隱身性能在內的各種能力[20]。

2.1 磁隱身

水下裝備外殼磁場占總磁場比例較高，如潛艇艇體磁場大約占潛艇總磁場的80%左右。因此采用非磁性、低磁且滿足性能要求的材料建造水下裝備，可以大幅度降低磁場特征。目前，國外已經使用的UUV多采用非磁性和低磁性材料設計，其外層殼體材料主要采用鈦合金、鋁合金、碳纖維和玻璃鋼等非金屬材料。不過由于鈦合金成本高、加工難度大，滿足大潛深深潛要求的低磁鋼材料研制技術難度大，因此采用復合材料降低磁信號特征已成為國外海軍水下移動裝備主要磁隱身技術措施之一。

2.2 紅外隱身技術

水下裝備在航行時產生的尾流顯露的是一種低溫紅外特征，其中，魚雷和UUV動力推進系統產生的尾流，浮標電子設備工作生成的熱量都會逐漸擴散到海水的表面，導致海水的表層溫度比表層下或周邊海水的水溫高，因此降低目標的紅外輻射強度，即降低目標的溫度，成為實施水下裝備紅外隱身的途徑之一。此外，還可以采用紅外隱身材料來抑制水下裝備的紅外特征。當前研究較多且應用于軍事領域的紅外隱身材料主要由具備吸收性能的吸收劑和幫助涂覆在目標上的粘結劑組成，涂覆紅外隱身材料的水下裝備可以透過探測設備的部分電磁波，使探測設備收到的反射波減少，起到一定的隱身作用。目前的紅外隱身材料存在的一個主要問題就是適用范圍不夠廣泛，很難適應未來戰場的需要。為此，世界各軍事強國紛紛研究覆蓋可見光、紅外、厘米波和毫米波等波段隱身的納米復合材料。

2.3 雷達隱身技術

水下裝備雷達隱身技術主要針對的是裝備露出水面的部分，特別是處于水面航行狀態UUV和浮標，它們處于水面以上的物理尺寸雖然較小，但其雷達反射截面卻遠大于其物理尺度，需要采取雷達隱身措施，縮減被敵方雷達探測的距離。目前，水下移動裝備雷達隱身技術較為成熟，主要包括雷達隱身外形優化技術和涂敷雷達吸波材料技術。其中，雷達吸波材料（RAM）是能夠吸收和衰減由空間入射的電磁波能量，使之減小或消除的一種復合材料。目前國外水下裝備的指揮臺圍殼、潛望鏡和通氣管等部位都涂敷雷達吸波材料，大幅度減小了雷達探測距離。例如美海軍“鱘魚”級攻擊型核潛艇“黃貂魚”號，在涂敷了反雷達涂層之后，減少了雷達反射15～20 dB。

3 結 語

當前，世界范圍內聲探測、非聲探測技術迅速發展，水下移動裝備的隱蔽性正在面臨嚴峻挑戰。隨著潛艇進入安靜型或準安靜型階段，中大型水下無人航行器在此基礎上發展同樣屬于高安靜型裝備，而小型無人航行器具備自身特征信號優勢，水下裝備聲隱身技術已臻成熟，未來非聲隱身能力將逐步成為水下移動裝備保證高隱蔽性的關鍵。

總體來看，國外水下移動裝備綜合隱身性能以聲、磁信號控制為發展重點，同時注重雷達、紅外信號處理目前，在聲吶、磁探測器、雷達、紅外探測儀等眾多針對水下目標探測手段中，以聲探測設備聲吶發展的最為成熟，磁探測設備發展次之，雷達、紅外探測設備發展稍遜。無人潛航器體積小、輻射噪聲低，聲隱身上主要考慮對中高頻主動聲納的隱身能力，非聲隱身技術是水下無人系統隱身技術主要發展方向，其中磁隱身技術是其發展重點，降低或消除自身的磁信號特征，使其不被探測設備發現，或縮短被發現的距離，從而提高生存概率。同時，隨著磁隱身技術逐漸發展成熟以及雷達、紅外探測設備的不斷發展進步，目前，很多國家在磁隱身的基礎上，開始重視發展雷達、紅外隱身技術，希望能夠通過降低雷達、紅外信號特征，繼續提高無人潛航器隱身性。