国外潜艇声隐身技术现状与发展综述

孟晓宇,肖国林,陈 虹

(武汉第二船舶设计研究所,湖北 武汉 430064)

国外潜艇声隐身技术现状与发展综述

孟晓宇,肖国林,陈 虹

(武汉第二船舶设计研究所,湖北 武汉 430064)

分析了国外先进的潜艇声隐身单项技术,介绍了国外潜艇声隐身技术的发展现状和特点,发现其主要体现在降低辐射噪声和目标强度等方面。通过对各项技术的深入分析,得出了美俄先进核潜艇声隐身技术重点发展的5个方面。最后对潜艇声隐身技术的未来发展进行了展望。

潜艇;声隐身技术;声辐射;目标强度

0 引 言

潜艇由于具有隐蔽性与突发攻击能力的特点而成为现代海军的主战力量。降低潜艇水下辐射噪声和声目标强度,既可以减小敌艇发现我艇的距离,提高我艇的隐蔽性,还可增大我艇发现敌艇的距离,增强我艇对敌艇实施先敌攻击的能力;同时增加我艇发现敌方来袭鱼雷的距离,缩短敌方鱼雷声自导作用距离,提高我艇的生存能力[1]。因此,潜艇的声隐身性能,对于提高潜艇的综合作战能力具有事半功倍的效果。

美国海军在《2000-2035年海军技术—潜艇平台技术》报告中提出21世纪潜艇必须重点发展的六大关键技术中,隐身技术被列为重点发展的关键技术之首。

英国最强大的攻击型核潜艇——英国皇家海军“机敏”号已于2010年8月27日加入海军服役。“机敏”号核潜艇采用了整舱浮筏技术、新型消声瓦技术和模块化的精细建造技术,比它之前所有的潜艇更为安静,这意味着它能隐蔽地执行任务,尽管它比目前英国海军舰队中的其他攻击型潜艇排水量大50%,但是几乎在任何环境中均能保持不被探测到。

法国“凯旋”级潜艇采用了先进的一体化压水堆装置,具有较好的自然循环能力。整舱浮筏和桁架浮筏减振技术,极大地隔离了机械设备的振动噪声。同时,采用了全电力推进,取消了齿轮箱,尾部采用泵喷推进,减少了尾部的噪声源。

1 国外潜艇声隐身技术的发展现状及特点

1.1 潜艇辐射噪声控制技术

近年来,随着声呐技术不断向低频端扩展,主动声呐低频端已达1 300～2 000 Hz,被动声呐探测的频率下限已达10 Hz,这就迫使潜艇辐射噪声控制能力尽量向低频域发展。为控制潜艇低频段辐射噪声,世界先进海军国家陆续开展了以主动控制技术为主导的新一代潜艇减振降噪技术,主要包括机械设备主被动合置的广谱隔振技术、桁架结构舱筏、主动约束阻尼、声学智能结构、自适应可调谐动力吸振器及优化布置、复合结构基座。这些技术将进一步提升潜艇的声隐身性能[2-3]。

1)机械设备主动隔振。针对被动隔振低频“失效”的现象,在被动隔振器上以并联或串联方式添加1个主动激励器,抵消设备的振动或作用力,实施主动隔振,增加低频隔振效果。目前,主动激励器有电磁激励器、压电式激励器、气动激励器和液压激励器。据文献报道,美国开发了主动噪声和振动控制系统(ANVC),并采用船用高速网络技术,对全艇设备低频振动实施主动隔振。德国船用机械设备的主动隔振系统在400 Hz以下频段隔振效果大于10 dB[4-5]。

2)桁架结构舱筏。为了克服浮筏隔振装置筏体的弹性效应影响隔振性能,国外研究了1种桁架结构舱筏形式。筏架由许多杆接件和连接点组成,结构噪声在多通道的桁架结构中经传播、反射和散射,传播距离加长,显著增加传播损失和结构阻尼,从而提高隔振效果。连接点中还可以配置主动控制单元。

3)主动约束阻尼。为了提高结构敷设阻尼的效果,国外提出了主动约束阻尼的概念。这种阻尼结构由普通粘弹性材料和二层压电约束层组成,当结构振动时,内压电层相当于传感器,外压电约束层类似于激励器,使粘弹性层产生附加剪切应变,增加振动能量损耗。主动约束阻尼可以制成矩形单元,布置在大型结构上,进一步优化阻尼布置位置[6]。

4)声学智能结构。智能结构集感知结构和响应或驱动结构为一体。采用声学智能材料设计艇体结构,可以实现潜艇结构动力特性的智能控制,使水下声辐射降低到最低水平。据文献报道,声学智能结构已有采用压电材料激励器与PVDF传感器的复合材料和采用形状记忆合金纤维的复合材料。美国海军装备技术发展战略研究咨询报告《2000-2035年美国海军技术》透露,美将声学智能结构研究列为舰艇有独创性的声隐身重点发展的战略技术领域[7]。

5)自适应可调谐动力吸振器及优化布置。为了克服传统动力吸振器频率选择性强的缺陷,提高动力吸振器的应用效果,国外设计了多种形式的能根据频率波动自动调节刚度的动力吸振器。国外还以主振设备或结构振动响应为目标函数,采用神经网络技术或遗传算法,对多动力吸振器的组合布置和设计进行优化,改善动力吸振器的频率选择性,抑制非调谐状态下单个动力吸振器的性能退化现象[8]。

6)柔性隔声缓释层。国外针对主机舱等主要噪声源区域的辐射噪声控制,在壳体外表面敷设具有隔声和缓冲振动作用的阻尼柔性层,通过增加壳体阻尼、阻隔壳体辐射噪声、减小辐射面振动等三重作用,降低艇体结构声辐射。目前主要的柔性隔声缓释层有泡沫材料和发泡充填橡胶材料为芯材的3层或者多层夹芯结构,聚胺脂聚合物和空气泡充填橡胶层复合板,内置柔性管的粘弹性层等形式[9]。

7)复合材料基座。利用复合材料的高阻尼性能、复合材料与钢材的高阻抗失配性以及复合材料易于加工成多层约束复合阻尼结构的特性,国外研制了复合结构基座,增大基座安装面板输入阻抗,减小基座安装面板到壳体的传递阻抗,避免设备激励与基座发生共振,从而降低艇体结构振动和声辐射。国外还开始将智能复合材料结构用于基座设计,提高基座的低频隔振性能[7]。

8)边界层控制。在第1层面的水动力线型优化设计的基础上,国外针对边界层控制开展第2层面的潜艇水动力噪声控制技术研究,主要技术有喷注高分子溶液、发射微气泡、柔性表皮、密纹表面、随行波表面等。美国先进研究项目机构采用电磁扰动控制技术控制舰艇表面边界层[9-10]。

1.2 以降低主动声呐探测的目标强度为目的的回波声隐身技术

随着潜艇辐射噪声的逐步下降,目标反射特征的要求逐步向低频端扩展,国外采用的主要技术有:

1)智能多功能瓦技术。增加低频吸声和隔声性能是消声瓦的发展方向。主动消声瓦是提高消声瓦低频性能的重要技术途径。国外从20世纪90年代初开始研究主动消声瓦,并建立了“智能瓦”概念。近年来进一步发展兼有主动吸声、主动隔声和主动声辐射控制的多功能主动消声瓦[11]。

2)回波隐身外形技术。

3)潜艇消声瓦优化布设技术及目标强度预报技术。

综上所述,从国外潜艇的声隐身的发展现状分析可以看出有如下特点:

①全方位控制。国外在潜艇的三大噪声源(机械噪声、推进器噪声、水动力噪声)的降噪技术方面均有相当程度的发展。

②低频控制技术。由于传统机械隔振技术对机械设备的低频隔振效果较差,而声呐的探测范围却往低频扩展,对机械设备低频控制的需求愈加强烈。国外的多项技术也体现了在这方面技术的发展趋势[12]。

③新型材料的应用。国外研制了多种具有优良声学性能的声学材料,并已经开始在实艇上应用。

2 国外声隐身技术的发展重点

2.1 研究新型大功率低噪声的核潜艇反应堆,继续减小反应堆体积和重量,减小艇的排水量和主尺度

目前全世界的核潜艇主要使用的是压水反应堆,美国和俄罗斯的核潜艇压水反应堆技术已经达到成熟期,基本上达到了发展极限。为了从源头上进一步降低核动力装置产生的机械噪声,同时从根本上解决核潜艇日益庞大的排水量和主尺度给潜艇降噪带来的不利因素,提高艇的隐蔽性和战术机动性,开发更为安静、体积和重量更小、效率更高的核反应堆已经成为21世纪核潜艇声隐身技术发展的主要趋势。核潜艇液态金属反应堆、气冷反应堆、热离子反应堆等更为高效的反应堆将是美俄研究的重点[13]。

2.2 全电力推进集成技术

全电力推进不仅去除主汽轮机组和齿轮箱以及相关辅助机械,降低了潜艇的辐射噪声,还可以节约空间,减小艇的重量。美国“海狼”级核潜艇和法国“红宝石”级核潜艇上采用了全电力推进,并取得了明显的降噪效果。随着高强度轻质复合材料在推进电机上的应用,大功率、小尺寸、轻质量主推进电机技术的不断突破发展,全电力推进已在“凯旋”级核潜艇上得到应用,相信必将在未来的核潜艇上广泛应用[14]。

2.3 开发新型高强度复合艇体材料,继续增大下潜深度

随着潜艇侦测技术的发展,增大下潜深度已经成为潜艇增强声隐身性能的重要手段。美国“海狼”级核潜艇的下潜深度约为600 m,俄罗斯核潜艇最大潜深已达1 000 m左右。开发高强度且便于焊接的复合艇体材料是增大潜艇下潜深度的关键技术,目前美俄在这方面取得了很好的进展,预计在不久的将来这项技术将得到突破[15]。

2.4 研究应用新型推进方式

美国现代核潜艇采用的是泵喷推进装置,俄罗斯采用的是七叶大侧斜螺旋桨,二者都取得了良好的降噪效果。核潜艇泵喷推进和螺旋桨推进技术已经发展了几十年,已进入技术成熟期,且均取得了较好的降噪效果。

磁流体推进是1种全新的推进方式,噪声更低。美国在1966年提出了磁流体推进潜艇的概念,并试制了世界上第1艘磁流体推进船模;日本1991年试验成功了第1艘磁流体推进试验船“大和一号”;俄罗斯已经研制成功了1 200 kW的超导磁流体推进系统,其效率为日本试验船的8倍。虽然目前磁流体推进技术距离核潜艇工程实际应用还有较大的距离,但已经成为核潜艇新型低噪声推进的发展方向[16]。

2.5 主动隔振隔声技术

近十几年来,随着相关技术的不断进步,振动噪声主动控制技术已从理论研究、实验室验证走向工程实用,并在潜艇上得到应用。美国“海狼”级核潜艇将振动噪声主动控制系统与全船噪声监测系统配合使用,取得良好效果;澳大利亚海军对“柯林斯”级潜艇的动力装置也采取了主动隔振技术;美国“洛杉矶”级核潜艇上采取了有源消声技术来控制舱室空气噪声。美国海军在《2000-2035年海军技术:成为21世纪的军队》报告中提出了潜艇将来需要重点攻关的5项主要声隐身技术,其中与振动噪声主动控制有关的就有2项,分别为主动基座技术和自适应消声瓦技术(另3项为隔离结构技术、双壳建造技术及武器发射瞬态噪声控制技术)。由此可见,振动主动控制技术在潜艇上的广泛应用已为时不远[17]。

3 潜艇声隐身技术的未来发展

潜艇声隐身技术未来的发展体现在声隐身与作战功能的结合,以及声隐身与海洋环境的融合,从而使潜艇具备良好的在全海域多作业功能的隐身性能。同时,较为全面地解决潜艇电磁特征、温差与尾迹特征的形成机理和控制技术问题也是提高潜艇隐身水平的关键。

3.1 流场控制技术

该技术为艇体表面流场的减阻降噪的主动控制技术。通过研究控制流态分离的艇体表面智能材料与智能结构技术,研究改变艇表压力场的自适应控制技术,用于控制潜艇周围流场,以降低阻力与水动力噪声,提高推进效率和机动性[18]。

3.2 潜艇非稳态航行状态下的噪声特性、控制与测量技术

迄今为止,潜艇噪声控制技术的研究与应用均以直线航行为考核工况。为实现声隐身与作战功能的结合,必须研究变速、变向操纵运动过程中的声辐射特性,并突破下述技术:

1)潜艇加减速运动机械与水动力噪声特性及低噪声运动控制规律;

2)潜艇空间回转运动水动力噪声特性及测量技术;

3)潜艇操舵过程水动力与机械噪声机理及低噪声操控技术。

3.3 武器低噪声发射技术

武器发射的瞬时噪声是潜艇战时暴露自身位置的致命因素。降低鱼雷与导弹等武器发射离艇时的瞬时噪声悠关重要。为实现声隐身与作战功能的结合,须研究并突破的技术包括[19]:发射装置消声器技术、自航发射技术、发射噪声的主动声源抵消技术及外抛式延时发射技术等。

3.4 不同水深海域中不同潜深潜艇的空间声学特性

为实现声隐身与海洋环境的融合,需研究并掌握下述规律[19]:

1)不同水深海域中潜艇辐射噪声的变化规律与空间特性;

2)不同潜深潜艇辐射噪声的变化规律;

3)密度分层海域中潜艇辐射噪声方向特性及传播规律;

4)浅海与深海域中潜艇辐射噪声低频线谱的传播与衰减规律。

3.5 潜艇尾迹特征形成机理和探测技术

潜艇尾流场在海洋波面上留下具有特殊微特征的长距离痕迹,成为被空、天探测的目标。掌握潜艇尾迹特征规律及其探测技术将随着声隐身水平的提高而日显重要。需要突破的技术包括潜艇尾迹特征形成机理研究、潜艇尾迹特征实用探测技术和潜艇尾迹特征控制技术等。

3.6 潜艇温差特征规律和控制技术

由于微弱温差感知技术的发展,潜艇引起的流场温度特征将其成为未来探测发现潜艇的1种有效信息。需要突破的技术包括潜艇温差特征规律与预报方法、潜艇温差特征规律探测与识别技术和潜艇温差特征控制技术等。

3.7 仿生推进技术

为了寻求效率高、激励力小、噪声低以及空化性能好等综合性集一体的新型舰艇推进装置,国外模仿鲸鱼和海豚推进方式以及模仿翼振动,开展仿生推进研究,已经显示出很大的潜力,鲸尾推进效率可比常规桨提高10%。

4 结 语

通过分析国外潜艇声隐身技术发展现状、特点、重点以及趋势,可以看出;

1)声隐身技术的发展体现了“高度重视,蓬勃发展,竞争激烈”的特点;

2)国外先进的声隐身技术很多,但大都体现在降低辐射噪声和目标强度2个方面。在降低辐射噪声方面,对振动噪声源头的降低非常重视,而且取得了很好的效果。另外,与我国目前重点控制机械噪声不同,国外在水动力噪声控制方面也做了大量工作。

3)国外潜艇声隐身技术的发展重点体现在研发新型大功率反应堆、电力推进和新型推进技术、主动隔振技术和加大下潜深度方面。

4)潜艇声隐身技术未来的发展体现在声隐身与作战功能的结合,以及声隐身与海洋环境的融合,从而使潜艇具备良好的在全海域多作业功能的隐身性能。

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Review of the present situation and development of acoustic stealth technology for submarines abroad

MENG Xiao-yu,XIAO Guo-lin,CHEN Hong
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Wuhan 430064,China)

In this article,the information of submarine acoustic stealth technology is analyzed,and introduces the present situation and characteristics of submarines abroad.The submarine acoustic stealth technology has two aspects:suppression of sound radiation and target strength.The five aspects of American and Russian advanced nuclear submarine's acoustic stealth technology are gained by in-depth study.Finally,the future developments and prospects of submarine acoustic stealth technology are presented.

submarine;acoustic stealth technology;sound radiation;target strength

U674.761

A

1672-7649(2011)11-0135-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2011.11.032

2011-03-07;

2011-05-06

孟晓宇(1981-),女,工程师,从事潜艇技术情报分析研究工作。