國外水聲對抗器材發展現狀與啟示——潛用器材

唐 波, 孟 荻, 范文濤

國外水聲對抗器材發展現狀與啟示——潛用器材

唐 波, 孟 荻, 范文濤

(中國人民解放軍92578部隊, 北京, 100161)

文章介紹了國外潛用水聲對抗器材的發展現狀, 研究了其尺寸、質量、機動速度、工作深度以及聲學性能等主要性能指標的發展脈絡, 提出了國外潛用水聲器材對我國同類裝備的啟示: 1) 小型化趨勢, 逐步縮小水聲對抗器材尺寸, 減輕質量; 2) 持續提高機動能力、擴展新型功能; 3) 盡快適應舷外快速發射的使用方式; 4) 及時調整更大深度、更長時間工作的發展重點。相關研究成果值得我國潛用水聲對抗器材發展借鑒。

水聲對抗器材; 潛艇; 小型化; 機動速度; 舷外發射

0 引言

潛艇水聲對抗系統主要由威脅目標報警、對抗決策、發射控制以及水聲對抗器材4類裝備組成[1-2], 是潛艇水下自防御能力形成的核心關鍵。其中, 水聲對抗器材作為對抗實施的主體, 面對先進魚雷及探測聲吶的智能化水平和綜合性能的不斷提升, 其對抗效能不斷被削弱[3-7]。因此, 世界各國海軍長期致力于提升水聲對抗器材的性能, 在提高指標的同時持續豐富其功能, 以提升潛艇水下生存能力。經過多年系列化、體系化的發展, 水聲對抗器材的功能定位從最初的平臺自防御器材已發展為魚雷對抗、聲吶對抗以及戰役支援對抗裝備。

為滿足反魚雷、反探測等多種水下防御作戰任務需求, 世界各國均在按照符合自身裝備特點的路線持續發展潛用水聲對抗器材。文章通過分析國外潛用水聲對抗器材的發展現狀, 研究其尺寸、質量、機動速度、工作深度、聲學性能等主要性能的發展脈絡, 取長補短, 為我國潛用水聲對抗器材的發展提供參考。

1 國外潛用水聲對抗器材現狀

水聲對抗器材作為防御性裝備, 涉密層級高, 受各國嚴密控制, 信息報道相對簡單, 以下從有限的公開資料中進行分析。

潛用水聲對抗器材主要分為噪聲干擾器和聲誘餌2類, 噪聲干擾器發射全頻帶強噪聲以掩蓋潛艇輻射噪聲和回波信號, 第一時間切斷敵方與本艇的聲學接觸, 以懸浮式為主; 聲誘餌發射模擬輻射噪聲的同時應答主動脈沖信號, 制造虛假目標, 誘騙敵方偏離本艇機動方向, 由懸浮式逐步向自航式發展, 2類器材組合運用, 可有效掩護本艇規避[8-9]。水聲對抗器材一般由潛艇水聲對抗專用發射裝置發射, 有舷外、舷內通用的, 如美國ADC MK5聲誘餌、以色列Subscut聲誘餌, 也有舷內專用的ADC MK2聲誘餌, 以及舷外專用的ADC MK3、ADC MK4聲誘餌。

國外潛用水聲對抗器材主要型號及指標如表1所示。

表1 國外潛用水聲對抗器材主要型號及指標

美國裝備的潛用水聲對抗器材主要有ADC MK2系列、MK3系列和MK4系列聲誘餌。其中, ADC MK2為懸浮式聲誘餌, 其口徑為76.2 mm, 長度為1003.3 mm, 通過舷內裝置發射。由于配裝平臺不同, 該型號又分為多種系列, 使聲誘餌的適裝性有了一定的改進, 如ADC MK2 mod0/1配置“俄亥俄”級戰略導彈核潛艇, ADC MK2 mod2配置“弗吉尼亞”級攻擊核潛艇, ADC MK2 mod4配置“洛杉磯”級攻擊核潛艇。ADC MK3、MK4同樣為懸浮式聲誘餌, 口徑均為158.75 mm, 長度分別為2692.4 mm和2743 mm, 可通過CSA MK2舷外發射裝置快速發射出管到達預設深度懸浮, 發射模擬輻射噪聲并應答主動脈沖信號, 分別對魚雷聲自導和平臺聲吶進行誘騙。美國海軍海上司令部于2000年發布了ADC MK5聲誘餌(見圖1)的競爭性招標書, 正式啟動下一代水聲對抗器材的研制工作, 據稱其口徑為76.2 mm、長度為1003.3 mm, 可實現8 kn以上的高速水平機動, 在舷內單管單枚發射使用以替代ADC MK2聲誘餌, 在舷外單管多枚成組發射使用以替代ADC MK3和MK4聲誘餌(聲源級相當), 既可懸浮作為干擾器發射強噪聲實施壓制, 又可機動作為聲誘餌模擬潛艇聲學和運動特征實施誘騙, 憑借全雙工水聲通信技術多枚組網, 對于來襲目標實施協同對抗, 可提升潛艇水下防御能力, 同時, 美軍正在將CSA MK2舷外發射裝置發射升級為CSA MK3發射裝置, 以促進ADC MK5聲誘餌的上艇應用[10-12]。

圖1 ADC MK5聲誘餌示意圖

以色列裝備的潛用水聲對抗器材主要包括Scutter、Subscut和Torbuster懸浮式聲誘餌[13-14]。其中, Scutter聲誘餌的口徑為101 mm, 長度為 1020 mm, 工作頻段為17～85 kHz, 聲源級超過180 dB, 最大工作深度300 m, 工作時間10 min, 潛艇一次需使用5枚聲誘餌來誘騙魚雷才可實現有效防御。Subscut聲誘餌(見圖2)是在保留Scutter聲誘餌所有性能的前提下, 將口徑縮小至75 mm, 適裝性更強, 在相同空間尺寸下可裝載更多數量的聲誘餌, 以提升多批次對抗能力。但面對新一代具備反對抗能力的智能魚雷, 若單純使用軟對抗手段, 會使潛艇仍存在被魚雷二次攻擊的威脅, 因此, 以色列海軍于2007年與拉斐爾公司簽訂合同開始全面發展具有“硬殺傷”功能的第4代水聲對抗器材Torbuster聲誘餌(見圖3), 其口徑為203 mm, 長度為1000 mm, 戰斗部質量50 kg, 最大工作深度370 m, 在近距離條件下可通過引爆自身戰斗部產生的沖擊壓使魚雷聲自導發生混亂或損壞, 以徹底消除魚雷威脅, 目前該型聲誘餌已裝備以色列的“海豚”級常規潛艇, 通過氣動式舷外發射裝置發射, 單艇配置數量達到10枚。

圖2 Subscut聲誘餌實物圖

圖3 Torbuster聲誘餌實物圖

意大利裝備的潛用水聲對抗器材主要有C303和C303/S系列[15-16]。其中, C303系列包括懸浮式噪聲干擾器和聲誘餌(見圖4), 尺寸均為口徑76.2 mm, 長度為1125 mm, 前者發射魚雷聲自導全頻帶強噪聲, 掩蓋潛艇輻射噪聲和回波信號, 后者實時應答魚雷尋的信號, 并在回波中應用了多普勒頻移和與之相符的距離變化率信息, 以模擬運動目標, 通過安裝在潛艇耐壓殼體之外的氣動式舷外發射裝置發射, 每舷均配置一定數量的發射管模塊, 總共可防御6批次魚雷攻擊。C303/S系列 (見圖5)主要是對C303聲誘餌進行了改進優化, 口徑由76.2 mm擴大至125 mm, 長度為1 250 mm, 由懸浮式聲誘餌升級為自航式, 更為逼真地模擬目標運動特征, 通過多枚誘餌在空間上的分散接力誘騙來襲魚雷跟蹤和識別, 消耗魚雷航程, 目前該器材已裝備德國U209、U212和U214潛艇。

圖4 C303懸浮式聲誘餌實物圖

圖5 C303/S自航式聲誘餌實物圖

法國裝備的潛用水聲對抗器材主要為CANTO- S聲誘餌(見圖6)[17], 其口徑為150 mm, 長度為600 mm, 工作時間10 min, 反應時間小于5 s。與常規聲誘餌的誘騙思路不同(見圖7), 該型聲誘餌發射出管后懸浮定深, 通過在360°區域范圍內持續更新虛假回波, 制造上百個短暫目標, 且每個回波的持續時間足以可靠地讓魚雷認為是潛在目標, 使得魚雷聲自導的信號處理飽和, 在上百個虛假回波中逐一抵近確認而最終耗盡航程, 因此, 每次對抗需齊射使用的對抗器材數量少, 發射系統相對緊湊, 可輕松配置于潛艇。CANTO-S聲誘餌目前已裝備法國“紅寶石”、“紫水晶”級攻擊核潛艇以及德國出口希臘的214型潛艇。

圖6 CANTO-S聲誘餌實物圖

圖7 CANTO-S聲誘餌誘騙思路

另外, 超級電子海洋系統公司于2017年在國際市場公開了Defend懸浮式聲誘餌和Deceptor自航式聲誘餌(見圖8)[18-19], 其口徑均為100 mm, 長度均為1000 mm, 工作時間10 min, 遠超過大部分輕型反潛魚雷工作時間, 可在魚雷反復攻擊的任意期間提供掩護。其中, Defend聲誘餌質量為7.3 kg, 垂直機動速度超過1 m/s, 出管后在預定深度懸浮, 誘騙魚雷變深跟蹤, 使魚雷從預期目標的上方或下方通過; Deceptor聲誘餌質量為60 kg, 航速為6～8 kn, 可誘騙魚雷遠離本艇, 由于在淺海環境下潛艇不具備在深度上實施誘騙的條件, 該型誘餌的地位極為重要。雖然上述2型誘餌的訂購方并未公開, 但其400 m的最大發射深度和25 kn的最大適應發射艇速, 表現出其極強的平臺適應性。

圖8 Defend和Deceptor聲誘餌實物圖

由表1可知, 國外潛用水聲對抗器材既有懸浮式又有自航式, 但逐步向懸浮式聲干擾器和自航式聲誘餌2個方向發展, 在保證對抗性能的前提下, 口徑縮小至76.2～125 mm, 工作頻段可覆蓋魚雷聲自導頻段, 最高航速超過8 kn, 工作時間10 min, 最大工作深度400 m, 與大部分裝配平臺的工作深度相匹配, 并逐步擴展硬毀傷、水聲通信和態勢感知等新功能, 全方位、多角度提升水聲對抗器材綜合性能。

2 國外潛用水聲對抗器材主要性能分析

潛用水聲對抗器材的主要作戰對象是反潛魚雷及平臺聲吶, 需滿足現在及未來防御作戰的需求。隨著技術的進步, 國外先進魚雷廣泛應用減振降噪技術并從使用角度控制整個作戰環節的噪聲, 進一步降低潛艇對其發現距離; 隨著“人在回路”的線導導引、寬帶聲自導、多目標處理以及目標尺度識別等技術的應用, 魚雷的反對抗能力顯著提升; 在此基礎上, 魚雷航程也在不斷提高, 支撐魚雷突破軟對抗手段后, 可實施二次攻擊; 同時, 平臺聲吶也逐漸向低頻、大功率發射方向發展, 實現對潛艇的遠距離探測[20-24]。因此, 水聲對抗器材必須提升自身綜合性能, 以適應作戰對象的快速發展。

由于水聲對抗器材公開發布的信息極為有限, 很難全面獲取準確的性能參數, 因此, 主要從尺寸、質量、機動速度、工作深度和聲學性能等四項參數較為齊全的指標進行分析, 研究國外潛用水聲對抗器材的發展脈絡。

2.1 尺寸和質量

水聲對抗器材的聲學和機動等性能指標的實現都需要一定的尺寸與質量資源支撐, 合理布置換能器、電池組、推進電機和螺旋槳等核心器件,器材的指標越高、功能越復雜, 占用的空間也就越大。然而, 潛艇的空間通常極其有限, 在保證水聲對抗器材對抗性能不降低的前提下, 尺寸和質量越小, 上艇的代價就越小, 可裝載的數量才能越多。例如, ADC MK5聲誘餌應用單晶換能器技術, 相比壓電陶瓷換能器的轉換效率和諧振頻率更高, 可在更小尺寸、質量和供能的條件下實現ADC MK3/4聲誘餌的功能, 并支撐高速機動、水聲通信以及硬殺傷等新功能的應用, 因口徑由158.75 mm縮小至76.2 mm, 長度由2 743 mm縮短至1 003.3 mm, 質量由60 kg減輕至5.5 kg, 使得舷外發射裝置可從單管裝載1枚ADC MK3/4聲誘餌增加至6枚ADC MK5聲誘餌, 無論是單器材性能還是對抗批次數量都得到顯著提升。因此, 縮小尺寸、減輕質量將是水聲對抗器材長期的努力方向。

2.2 機動速度

潛用水聲對抗器材的機動能力主要體現在垂直和水平2個方向, 是聲誘餌實施誘騙的核心指標之一, 分別由懸浮式和自航式2類聲誘餌來實現。通常情況下, 機動速度越高, 對目標的牽制時間就越長, 對電池組和推進電機的輸出功率要求也會相應提高。對于懸浮式聲誘餌, 機動能力主要表現在垂直機動速度的變化, 垂直機動速度越高, 在相同的時間內與本艇拉開的深度差就越大, 如Defend聲誘餌的垂直機動速度超過1 m/s, 可誘騙魚雷變深跟蹤, 延遲魚雷到達本艇所處深度的時間, 在潛艇可進行大深度規避的深海條件下使用較為有效, 可使魚雷從預期目標的上方或下方通過; 對于自航式聲誘餌, 機動能力主要體現在水平機動速度的變化, 水平機動速度越高, 魚雷追擊聲誘餌消耗的時間就越長, 如Deceptor聲誘餌的水平機動速度超過8 kn, 在潛艇只能處于當前深度附近規避的淺海條件下使用尤為有效, 可誘騙魚雷偏離本艇規避方向, 使得本艇走出魚雷自導作用距離。因此, 提高水聲對抗器材機動速度是提升誘騙效能的有效手段。

2.3 工作深度

水聲對抗器材的最大工作深度通常應與對抗對象的最大作戰深度相匹配。由于聲吶對目標的定深能力較弱, 特別是在遠距離探測的情況下, 所以主要從對抗魚雷的角度進行分析。縱觀國外魚雷, 目前作戰深度最大的是歐洲的MU90魚雷和美國的MK48 mod7魚雷(最大作戰深度分別為1000 m和914 m), 新型重型魚雷和輕型魚雷的最大潛深均不超過600 m, 如意大利“黑鯊”重型魚雷最大作戰深度為600 m、德國DM2A4重型魚雷最大作戰深度為400 m、俄羅斯MTT輕型魚雷最大作戰深度為600 m、美國MK54輕型魚雷最大作戰深度為450 m, 然而, 水聲對抗器材的最大工作深度卻都在400 m以淺, 主要原因在于當魚雷發現并跟蹤目標潛艇時, 均會調整航深至目標所處深度, 水聲對抗器材通常在當前發射深度或更淺深度下實施對抗, 其最大工作深度與裝備平臺最大潛射匹配即可滿足使用需求, 因此, 國外均未將提高新型水聲對抗器材的最大工作深度作為發展重點。

2.4 聲學性能

聲學性能是水聲對抗器材發揮作用的基礎, 也是各國嚴密控制的重要參數, 主要包括工作頻段、聲源級以及聲學工作方式等, 具體掌握的量值較為有限。聲干擾器以懸浮式為主要形態, 如C303聲干擾器, 其工作頻段覆蓋魚雷聲自導, 以發射寬頻帶強噪聲為主要工作方式, 以掩蓋潛艇輻射噪聲和回波信號, 然而隨著魚雷減振降噪技術的發展與應用, 魚雷的航行噪聲不斷降低, 將大幅壓縮潛艇的魚雷報警距離, 雷目距離越近, 魚雷接收到的潛艇回波信號就越強, 導致在近距離條件下聲干擾器對潛艇回波的掩蓋效果下降明顯, 但鮮有新增其他工作方式來應對此現狀的相關報道; 聲誘餌起初以懸浮式為主要形態, 與聲干擾器一體化設計, 工作頻段覆蓋魚雷聲自導, 在模擬潛艇輻射噪聲的同時進行回波應答, 并通過多普勒頻移以及與之相符的距離變化率信息來模擬潛艇運動特征, 隨著魚雷反對抗能力的增強, 該工作方式在遠距離條件下被識別的概率增大, 大幅縮短了對來襲魚雷的牽制時間, 因而逐步向自航式形態發展, 如C303/S聲誘餌, 通過聲誘餌自身實際航行來模擬潛艇運動特征, 且通過尾部拖帶一定長度的線纜獲取更大的收發隔離度, 實現實收實發, 以應對魚雷欺騙脈沖和雙雷攻擊等對聲誘餌回波延時能力要求較高的聲學對抗場景。因此, 持續提升聲學性能是水聲對抗器材發展不變的主題。

3 國外潛用水聲對抗器材發展的啟示

當前乃至未來水下攻防作戰中, 水聲對抗器材都將是潛艇水下自防御的核心裝備, 通過分析國外潛用水聲對抗器材, 獲得如下啟示。

3.1 逐步縮小水聲對抗器材尺寸、減輕質量

以美國潛用水聲對抗器材的發展之路作為典型示例。美國“弗吉尼亞”級核潛艇目前主要通過2管可再裝填的舷內發射裝置發射76.2 mm口徑的ADC MK2聲誘餌, 14管不可再裝填的舷外發射裝置發射158.75 mm的ADC MK3和MK4聲誘餌, 因器材裝載量少, 對抗批次數量有限。但美國在近十多年來, 始終在推動小型大功率發射換能器、高能密度電池組以及小型高速航行器的發展, 實現了將水聲對抗器材的口徑統一縮小至76 mm, 即下一代水聲對抗器材ADC MK5。據稱, 美軍近期正在將CSA MK2發射裝置全面升級為CSA MK3,以推廣ADC MK5上艇使用, 那么在相同的發射管口徑條件下, CSA MK3發射裝置單管最多可裝載6枚ADC MK5, 即美潛艇舷外器材裝載總數可達到84～96枚, 從而大幅提升了多批次對抗能力。

3.2 持續提高機動能力、擴展新型功能

水聲對抗器材實施對抗的基本原理是在切斷魚雷與本艇聲學接觸的前提下, 誘騙魚雷偏離本艇規避方向, 使得潛艇走出魚雷的自導作用距離。本艇與魚雷最終拉開的距離取決于潛艇和對抗器材兩者機動距離的共同貢獻, 因此, 在不斷提升潛艇平臺航速的同時, 提高水聲對抗器材的機動速度可有效延長對魚雷的牽制時間, 以最大限度拉開魚雷與本艇間距, 降低潛艇被再次捕獲的概率。如C303系列聲誘餌的口徑由C303的76.2 mm擴大至C303/S的125 mm, 支撐懸浮式升級為自航式, 以進一步拉開魚雷與本艇的間距, 消耗魚雷更多航程。

同時, 國外水聲對抗器材也在不斷擴展除聲學對抗以外的其他性能, 以進一步提升整體對抗效能。如ADC MK5聲誘餌增加了全雙工水聲通信功能, 在強干擾背景條件下實現器材之間的信息連通, 以支撐多枚器材的協同運用, 既可多枚組合為模擬目標尺度, 也可根據當前態勢實時改變對抗策略, 大幅提升對抗器材使用的靈活性。另外, Torbuster聲誘餌在聲學誘騙的基礎上增加戰斗部以擴展硬殺傷功能, 50 kg的戰斗部已達到輕型魚雷的裝藥量, 主要通過爆炸產生的沖擊波損壞魚雷聲自導以達到毀傷目的, 該毀傷作用半徑通常在10 m左右量級, 但作為懸浮式、點源誘騙聲誘餌, 如何實現將魚雷誘騙至近距離條件下的研究缺乏詳細報道, 這是毀傷達成的前提, 目前只有以色列公開報道裝備了軟硬結合的潛用水聲對抗器材, 可利用單枚器材解決魚雷二次攻擊問題。

3.3 盡快適應舷外快速發射的使用方式

隨著魚雷減振降噪技術的不斷提升, 潛艇對魚雷的發現距離被壓縮, 留給水聲對抗系統的時間進一步縮短, 特別是對抗近距離入水的空投魚雷, 因此, 國外潛艇均在發展可舷外快速發射使用的水聲對抗器材, 確保在第一時間切斷魚雷與本艇的聲學接觸, 更早地為潛艇機動規避提供掩護扇面, 并最大限度誘騙魚雷遠離本艇。如美國ADC MK2由舷內專用發展為舷內、舷外通用的ADC MK5, 法國CANTO-S聲誘餌通過舷外發射使用, 反應時間可快至5 s, 使對抗實施的時間起點大幅提前, 這是在平臺魚雷報警距離有限的條件下, 進一步提升對抗效能的有效方向。

3.4 及時調整更大深度、更長時間工作的發展重點

為保證在各型潛艇平臺甚至水面艦艇上的適裝性, 世界各國都在水聲對抗發射裝置嚴格的空間尺寸約束下開展水聲對抗器材設計工作, 使得1型潛艇平臺可裝載多種類型、相同口徑的對抗器材。國外大部分水聲對抗器材的最大工作深度都在400 m以淺, 與裝備平臺最大潛深匹配, 最長工作時間都在10 min左右, 超過大部分反潛武器的工作時間。因此, 在總體性能滿足作戰需求的前提下, 各國均將水聲對抗器材有限的空間、質量資源用于實現更優的聲學性能、更快的機動速度以及更豐富的新型對抗功能。

4 結束語

在當前乃至未來很長一段時間里, 水面艦艇、潛艇以及航空反潛平臺發射的魚雷都將是潛艇面臨的主要攻擊威脅。水聲對抗器材是潛艇實施魚雷防御的主體, 其性能優劣對潛艇的水下安全至關重要。文中全面梳理了國外潛用水聲對抗器材的發展現狀, 重點分析了尺寸、質量、機動速度、工作深度和聲學性能等主要性能指標的發展脈絡, 給出了對我國潛用水聲對抗器材在尺寸和質量、功能擴展、作戰使用方式以及發展方向調整等方面的啟示, 相關研究成果可對我國相關領域裝備與技術發展提供借鑒。

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Current Situation and Enlightenment of Foreign Underwater Acoustic Countermeasure Equipment for Submarine

TANG Bo, MENG Di, FAN Wen-tao

(92578thUnit, The Chinese People’s Liberation Army, Beijing 100161, China)

In this paper, the current situation of foreign underwater acoustic countermeasure equipment for submarine was presented, and the development context of main public performance indexes, namely size, mass, maneuvering speed, operational depth of countermeasures, and acoustic performance, were studied.The enlightenment of foreign underwater acoustic countermeasure equipment for submarine to similar equipment development in China was presented, which includes 1) gradually reducing the size and weight of underwater acoustic countermeasure equipment; 2) continuously improving mobility and expanding new functions; 3) adapting to the use of outboard rapid launch quickly; and 4) timely adjusting the development focus of a greater depth and longer work.The relevant research can provide reference for the development of underwater acoustic countermeasure equipment for submarines in China.

underwater acoustic countermeasure equipment; submarine; miniaturization; maneuvering speed; outboard launch

唐波, 孟荻, 范文濤.國外水聲對抗器材發展現狀與啟示——潛用器材[J].水下無人系統學報, 2022, 30(1): 15-22.

TJ67; TB565

R

2096-3920(2022)01-0015-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.002

2021-09-06;

2021-10-31.

唐 波(1991-), 男, 博士, 工程師, 主要研究方向為水聲對抗.

(責任編輯: 陳 曦)