欧洲某型舰壳声纳水管理系统的优化设计

宋靠华，浦红燕，罗雯军

（701研究所上海分部，上海 201108）

0 概 述

水面舰艇反潜系统的声纳配置侧重于被动式拖曳线列阵声纳和主动式球鼻艏舰壳声纳，这种方式可以保证主动和被动方式互相补充，相得益彰。例如美国海军的 AN/SQR-19战术拖曳线列阵声纳和AN/SQS-53线列声纳（A、B和C型）；英国海军的2031型拖曳线列阵声纳和2050型（或2016型）舰壳声纳。

舰壳声纳是将换能器基阵固定安装在舰底的球鼻艏导流罩内，声纳换能器是大多数水面舰艇的主要水下目标探测工具。基于舰壳声纳换能器正常工作时周围的流体介质是水，因此球鼻艏导流罩内的水环境[1]（包括液位高低、压力高低、水流噪声及是否有气泡等）将直接影响声纳能否正常工作、性能发挥的好坏和作用距离的远近，对此欧洲某型舰壳声纳生产厂商对该型舰壳声纳水工作环境提出了自己的要求和设计理念，并且把为满足和优化该型舰壳声纳水工作环境条件而设计的系统称为“声纳水管理系统”。

1 欧洲某型舰壳声纳水管理系统的设计方案

舰壳声纳水管理系统主要包括：注水系统、排水系统、气泡排出系统、水位报警系统及稳压系统等。

根据厂商的要求及建议，结合以往对舰壳声纳水管理系统的设计经验，该型舰壳声纳水管理系统的设计方案见图1。

1.1 注水系统

舰壳声纳换能器运行的前提是要求声纳换能器舱内注满水，为了更好地发挥声纳性能，厂商要求舱内所注水的性质与舱外相同，即舱外是淡水则舱内也应注淡水，舱外是海水则舱内也应注海水，为了满足这一要求，注水系统设有淡水和海水注入2套管系方案：

1)淡水海水均可直接来源于舰外，因为声纳换能器舱在水线以下；

2)淡水也可来源于舰内洗涤水系统，海水也可来自舰内日用海水系统。

1.2 排水系统

舰壳声纳换能器在检修时必须将舱内注水排出舷外，为此，排出途径有2种选择：

1)设置一台具有一定自吸高度的独立排水泵将换能器舱内的水排至舷外；

2)结合舰疏排水系统，通过声纳换能器舱所在舱段排水泵（一般为移动式潜水电泵）将舱内水排至舷外；或在声纳换能器舱内低位处设一舱底水吸入口，通过声纳换能器舱所在舱段疏水泵（一般为 喷射泵）将舱内少量积水排至舷外。

图1 声纳水管理系统

1.3 气泡排出系统

常规注水过程不可避免夹带气泡，而气泡也不可能在完成注水的同时立刻浮游到声纳平台并通过透气管排至舱外[2]。气泡的存在无疑是有害的，主要有2个方面：

1)球鼻艏内有气泡，当声功率发射时，气泡易造成二次反射，使球鼻艏内产生混响，从而对声纳探测目标产生严重干扰；

2)当气泡位于声纳换能器基阵表面时，会导致声功率发射不出去，将基阵本身烧坏。

为了消除气泡对声纳换能器的影响，让气泡彻底排出换能器舱，可采用以下2种方法：

1)当舰船接收出航任务较早时，声纳换能器舱可以提前几天注满水，气泡在静置几天的过程中通过透气管排出换能器舱；

2)沿着声纳平台及声纳换能器基座内表面及基座内表面最高点尽量均匀地多设几路声纳换能器舱透气支管，确保气泡在注水及航行过程中以最快速度排出换能器舱。

1.4 水位报警系统

为了保证声纳换能器舱在声纳工作时始终灌满水并能随时监测舱内水位，需设置水位报警指示系统。方案有2种：

1)水位报警系统可设置在声纳控制室，当水位低于高位时，应有声或光报警（报警按钮兼具复位功能），因为当舱内没有注满水时会直接损害声纳换能器，而舱内没水时将危害整个声纳系统。判断水是否注满可通过安装在气泡排出管路上的液位观察镜直接观察。

2)可在主甲板下的气泡排出管路上设置一个容积不小于声纳换能器舱容积百分之一的液位显示器，当液位处于低位时，开始注水，当液位处于高位时，停止注水。

1.5 稳压系统

舰壳声纳水管理系统还包括一个稳压系统，每型舰壳声纳都有工作压力要求，该型舰壳声纳要求舱内压力约为1个大气压。要实现舱内稳压，注水水源压头必须高于声纳换能器舱内要求的压力值，根据这一要求选择注水水源，无论注水水源来自舷外，还是舰内，稳压系统设计有以下2种：

1)基于注水端压力不可控，选择在溢流端控制压力，在气泡排出总管上设一溢流支管，溢流支管上设置稳压应急排出阀，该阀的稳压值为舱室要求压力值。

2)选择注水端控制压力，由稳压装置代替注水阀，取消溢流用应急排出管系及相应阀件，见图 2。自动平衡式调压阀的阀后压力为舱室要求压力值。

图2 稳压装置

2 声纳水管理系统设计比较

2.1 注水系统

如注水水源直接来自舷外，则系统管路较短，淡水海水可以共用一套管系，在减重上有优势，且水的流量比较稳定。但是系统相关阀门要安装在水线以下不易到达的部位，并且还要增设舷侧进口压缩空气吹除系统。

如淡水水源来自舰洗涤水系统，海水水源来自舰日用海水系统，则系统管路较长，且舰内系统用户端很多，因此水流不是很稳定。基于这两路水源均有一定压力，注水阀可设置在舰员易达的部位，无需设置压缩空气吹除系统。

2.2 排水系统

如采用独立排水泵排水，还要设置一套固定管系，这样还需考虑设备的安装布置，显然这对总布置是不利的。

如利用疏排水系统对声纳换能器舱进行疏排水，则无需增设任何设备及管系即可实现排水，这对总布置是有利的，而对操作者而言，只需在启动排水系统前先将移动式潜水电泵搬运至相应位置。

2.3 气泡排出系统

根据规范要求：凡装有注入、抽吸、浸水或泄水设施的所有舱室和舱柜，均应设置通气设施，因此声纳换能器舱原本就设有一根透气管，而该透气管可兼作气泡排出管路及溢流管路，这样气泡排出系统就较为简单；但实际上气泡是分散贴附在声纳换能器舱的顶部，见图 3。如要气泡积聚到唯一一根透气管处，将气泡彻底排出舱内，无疑时间会很长，且气泡排出效果较差，如遇任务紧急，这种设计是不能满足要求的。

图3 气泡在声纳换能器舱内积聚

如按图1所示，在声纳平台表面及声纳换能器基座内表面均匀地多设几路透气支管，其中必须有一路在整个球鼻艏平台最高处，在换能器前后及基座上方至少各设一路透气支管，即3路支管才可保证空气从各个气管中快速排出，保证最高平面也能灌满水。

2.4 水位报警系统

按第1种方案实施，无疑集成度提高，可控度加大，声纳系统正常工作得到保障，但为此多了一套相应的电气报警系统。

按第2种方案实施，将意味着当声纳换能器运行时，随时都要有舰员到指定地点监测液位并操作，相当于多一个战位。

2.5 稳压系统

方案1，系统较为简单，操作也很方便。

方案2，系统较为复杂，操作也较为复杂，但此方案对稳定舱内压力设有双保险：即当自动平衡式调压阀出现故障时，系统仍可通过对旁通阀、安全阀及泄放阀的操作使舱内压力达到预期要求。

3 结 语

通过以上对该型舰壳声纳水管理系统设计方案的分析及比较，形成如下结论：

1)根据操作简单、人员易达原则，注水系统按方案2进行设计较为可行；

2)针对舰艇舱容紧张的现状，加上排水系统基本是在执行任务结束后运行，因此排水系统按方案2进行设计较为理想；

3)基于气泡的存在对声纳换能器不利，因此气泡排出系统按方案2设计，可在最大程度上减少气泡对声纳换能器性能正常发挥的影响；

4)基于水位是否达标直接影响声纳换能器及声纳系统，因此对声纳换能器舱的水位监测和控制是相当重要的，虽然方案2没有电气部分，但在艏部这么恶劣的环境条件下设置一个战位有悖人性化设计的原则，而且声纳操作人员因对水位报警是否得到解除无法作出及时判断而影响正确操作，因此方案1是可行的；

5)稳压系统设计中，方案1比方案2少一道稳压保险，即如果稳压应急排出阀出现故障，则舱内压力不可控。基于该型舰壳声纳要求舱内压力为 1个大气压，因此按方案1设计系统操作和布置都较为简单。但其它型号的声纳要求舱内压力高于1个大气压，则方案2更为保险。

总之，舰壳声纳水管理系统是一个综合性系统，其设计的好坏直接影响声纳换能器性能的正常发挥及整个声纳系统的正常运行。

舰壳声纳除了受球鼻艏内部工作环境的影响[3]，还受本舰自噪声、混响、空化噪声、湍流噪声和恶劣海况的影响；其探测效能受表面水层温度变化的影响，以及尺寸受到护卫舰球鼻艏尺寸的限制等等，都很难探测到温跃层以下的潜艇。由此可见，要想舰壳声纳功能得到正常发挥，改善舰壳声纳本身的装舰环境和工作环境都显得尤为重要。

[1] 田 坦，刘国枝，孙大军.声纳技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2000.

[2] 惠俊英，生雪莉.水下声信道（第2版）[M].北京：国防工业出版社，2007.

[3] Waite, A.D.实用声纳工程（第三版）[M].王德石，等.北京：电子工业出版社，2004.