美俄潜艇声纳装备的发展*

刘洪生 姜朝宇

(海军驻431厂军代表室 葫芦岛 125004)



美俄潜艇声纳装备的发展*

刘洪生 姜朝宇

(海军驻431厂军代表室 葫芦岛 125004)

声纳设备出现以来,随着微电子技术、信号处理技术的发展以及人们对声传播规律的认识,声呐技术有了长足的进步,出现了多种低频、大功率,大尺寸基阵声呐和新体制声呐。论文分析了美、俄潜艇声纳装备的发展趋势,以及现役声纳装备的配置、主要性能、声基阵布置等。分析总结了世界主要综合声纳系统的三个技术发展方向,可供潜艇声纳装备的研制及艇总体设计提供参考。

声纳装备; 发展趋势; 低频; 综合声纳系统

Class Number TN929.3

1 引言

潜艇以其隐蔽性、灵活性、突击性等无可替代的优势,成为各国海军优先发展的重点,在海军装备中占有十分重要的地位。

在茫茫大海中,声波是唯一可在海水介质中有效远距离传递信息的载体,迄今为止利用声波探测潜艇仍然是最有效的远程探测方法[1]。因此,世界先进国家的海军和科研机构不遗余力地推进声纳装备现代化和潜艇安静化进程,并均取得很大进展。美国和俄罗斯无论在海洋水声物理领域,还是在潜艇声纳装备研制上都位于世界前列,下面主要介绍其潜艇声纳装备的发展,以及对我国潜艇声纳装备发展的启示。

2 美国潜艇声纳的现状与发展

美国潜艇从20世纪70年代后一直是以核潜艇为主,声纳装备的主要型号有AN/BQQ-1、AN/BQQ-2、AN/BQQ-5、AN/BQQ-6、AN/BQQ-10等声纳系统[1],每个型号又有多种改进型。

最早的AN/BQQ-1声纳系统出现在20世纪50年代,但可靠性非常低。1957年,美国海军水声研究所在AN/BQQ-1声纳系统的基础上研究设计了AN/BQQ-2声纳系统。1962年定型后开始大规模装备“鲟鱼”级、“长尾鲨”级等攻击型核潜艇,1972年,AN/BQQ-2声纳系统停止生产,但其艏端的BQS-6主被动声纳逐步被BQS-13DNA声纳代替。

1969年1月,美国海军提出了AN/BQQ-5声纳系统的概念,并于1972年定型生产,1974年装备在“洛杉矶”级核潜艇的首艇上。AN/BQQ-5声纳系统主要包括BQS-13DNA主被动声纳、BQR-20噪声测向声纳、TB-16拖曳线列阵、BQG-4被动测距声纳、目标识别声纳、BQS-15探雷与避碰声纳、WLR-9A侦察声纳、WQC-2通信声纳和BQN-17回声测深声纳等。20世纪70年代后期,美国对AN/BQQ-5进行了一系列改进,引入了TB-29细线拖曳线列阵声纳被动测距(TARP)技术[2]。

1973年,在AN/BQQ-5声纳系统的基础上进行改进,研制了AN/BQQ-6声纳系统,其设备大约有73%与AN/BQQ-5声纳系统相同,主要用于装备“俄亥俄”级弹道导弹核潜艇。

为了将美国已有的AN/BQQ-5、AN/BQQ-6声纳系统升级为一种更为灵活的具有开放式系统结构(OSA)的通用声纳系统,美国海军分四个阶段实施了“声学快速商用部件插入计划”(ARCI),升级后的系统称为AN/BQQ-10(V)声纳系统。AN/BQQ-10(V)声纳系统最初用于“洛杉矶”级改进型潜艇,使用原有传感器,利用COTS的商用计算机技术代替原有的中央处理系统,将软件安装于开放的结构系统中。该计划最后扩展成为对所有的约60艘攻击核潜艇和弹道导弹核潜艇提供改进和升级。AN/BQQ-10(V)声纳系统主要包括艇艏阵声纳、BQG-5宽孔径舷侧阵声纳、TB-16粗线拖曳阵、TB-29A细线拖曳阵等。

下面分别介绍美国几型现役主要声纳装备:

1) BQS-13DNA主被动声纳。

BQS-13DNA声纳是美国潜艇声纳设计史上的里程碑,也是各国海军潜艇声纳设计的样板,其许多先进的设计思想已成为今天各种声纳装备的规范和标准。在后期的AN/BQQ-5、AN/BQQ-510声纳系统中,BQS-13DNA的型号已不再出现,而是和其它声基阵一起,仅作为声纳系统中的一个接收基阵。BQS-13DNA的基阵直径4.6m,主动工作频率3.5kHz,被动工作频率1kHz～3kHz,连续发射电功率大于75kW[1,3]。主要功能为主动定位,测定目标运动数据,被动跟踪测向和来袭鱼雷报警等,据报道主动作用距离利用深海声道时可达35海里。从第二批次的“弗吉尼亚”级核潜艇开始,艇艏声纳开始使用最新的宽孔径声纳(LAB)取代艇艏球形声纳,不但提高了被动探测能力,还降低了生产成本。

2) TB-16、TB-34粗线拖曳阵。

TB-16系列粗线拖曳阵是AN/BQQ-5、AN/BQQ-6、AN/BQQ-10声纳系统的重要组成部分,由洛克希德·马丁公司在1973年开始研制。1982年生产的TB-16A减小了流噪声,能以更高的航速拖曳。1987年生产的TB-16B进一步减小了流噪声,TB-16D提高了基阵的数字化程度。目前美国海军使用的TB-16E、TB-16G是TB-16D的改进型号。TB-16系列粗线拖曳阵的收放绞车安装在艏部主压载水舱内,拖曳阵存放在沿艇体纵向方向的艇壳体导管中。TB-34拖曳阵是用于取代TB-16系列拖曳阵的美国新一代拖曳阵,能够提高潜艇在复杂浅海环境下的反潜战能力。TB-16的声基阵直径82.5mm,阵长75m;拖缆直径9.5mm,拖缆长800m[4]。

图1 上层建筑内清晰可见的TB-16粗线阵导管

3) TB-23、TB-29、TB-33细线拖曳阵。

与粗线阵流噪声小、适用于高航速下使用不同,细线阵适用于低航速下使用,主要用于远程警戒。TB-23拖曳阵由联合信号海洋系统公司研制,目前已被洛克希德·马丁公司研制的TB-29、TB-29A取代。TB-29较TB-23增加了长度,TB-29A是TB-29的一种成熟商用产品,用于“洛杉矶”级和“弗吉尼亚”级核潜艇。TB-33是美国海军的下一代光纤细线拖曳阵,由切萨皮克科学公司研制,其在保持TB-29拖曳阵性能的同时,显著提高了可靠性。TB-29的阵长为634m,声基元数416个,拖缆长580m。TB-29A的阵长为823m,阵直径38mm,声基元数416个,拖缆长365m[4～5,7]。该声纳被动工作频段为10Hz～3000Hz,利用低频线谱检测目标信息,据报道作用距离可达50～100海里,主要功能为水下超远程警戒。

4) BQG-5宽孔径舷侧阵声纳

该声纳由洛克希德·马丁公司研制生产,为潜艇提供远程目标精确定位。BQG-5声纳在潜艇两舷各有三个大型子阵,每个子阵的尺寸约3m×3m,每个子阵有404个基元。在“弗吉尼亚”级核潜艇上,舷侧阵采用了轻型宽孔径阵(LWAA),该阵也包括六个子阵,每个子阵包括八个声学模块,每个声学模块有56个基元。由于采用了光纤水听器,轻型宽孔径阵的重量大大降低。BQG-5的工作频率为200Hz～8kHz,可在艇两舷45°～135°舷角内对噪声目标进行测距,方位精度为0.2°,测距为10海里。

表1 美国在役核潜艇主要声纳装备配置表

3 俄罗斯潜艇声纳的现状与发展

俄罗斯(苏联)第一部潜艇声纳系统(MGK-300)的远距离警戒性能,在实际条件下要优于美国的相似系统AN/BQQ-2。

在20世纪70年代,声纳的基本任务是检测低噪声潜艇。特别提出的是在这一时期开发的MGK-400声纳。基于以前声纳特点,MGK-400声纳设计具有较小的硬件规模,较低的功耗及较高的性能[6]。它已经在俄罗斯众多型号的核潜艇(如“十一月”、“Echo Ⅱ”、“Delta Ⅲ”、“Charlie”级)和常规潜艇(如“基洛”级)上大量装备。

之后的20年里,前苏联已开发出新一代的具有数字信号处理能力的潜艇声纳系统,如MGK-500(鳐-KC)、MGK-520、MGK-540(鳐-3),并服务于所有现代化俄罗斯潜艇。这些系统吸收了国内声纳设计的所有优点,采用传统方法实现了美国在80年代中期才达到的声学性能。这样的方法需要比美国AN/BQQ-5、AN/BQQ-56声纳系统更大的声基阵尺寸。同时,由于前苏联国内电子工业在器件集成能力和小型化能力方面均落后于美国,使得声纳硬件规模和功耗均明显增加。

MGK-400声纳艇艏阵,呈倒截锥阵,直径为3.5m～4m,高度2.3m,在垂直向布置了七组水听器。之后在MGK-400EM声纳中对水听器进行了重新设计,在垂直方向的水听器数变为了14组。

MGK-540声纳系统装备在俄罗斯海军现役的所有主战潜艇上,其中包括“阿库拉”Ⅰ、Ⅱ型,“塞拉”Ⅰ、Ⅱ型核潜艇等。该系统主要用于连续监视潜艇所在水域的水面和水下状况,以被动监听方式对目标进行探测、定向和跟踪,其监听方式分为宽带和窄带,工作频率为声频、低声频和次声频。

MGK-540综合声纳系统主要由艇壳基阵声纳、低/中频、主/被动搜索跟踪声纳和被动拖曳阵变深声纳(声纳基阵长估计为80m,有50个水听器;拖缆长750m;工作频率为20Hz～200Hz)组成。其中低频艇壳声纳以被动方式进行搜索警戒,换能器基阵装贴于艇艏壳体上,基阵布置在艏部鱼雷管下方,对水面舰艇被动作用距离为60km,对潜艇作用距离为20km;拖曳阵声纳用于远程被动警戒,作用距离大于90km[6]。

俄罗斯“亚森”级(885型)攻击核潜艇将配置最新的“阿亚克斯”声纳系统(Ajax/Irytysh),其艇艏球形阵的直径达到6m。其有效探测距离为100km,能适应各种复杂的水声条件,从而搜索能力大大提高。而为安装该球形阵,俄罗斯改变了传统的艇艏总体设计,将鱼雷发射管从艇艏移到了舷侧。

“基洛”级常规潜艇艏声纳基阵是一个倒截锥的圆柱体,没有舷侧阵。最新的“拉达”级、“阿穆尔”级(供出口)常规潜艇艏声纳基阵是一个共形阵且向艇艉延伸形成舷侧阵,舷侧阵部分的垂直高度要大于艇艏共形阵高度。通过这样的设计,既增加了艇艏接收面积,又扩大了观察范围。艇艏共形阵部分在垂直向分成24层,高度估计为2.5m～3m,水平半圆弧段划分为72列,估计有水听器1728个水听器。舷侧共形阵是一个近似平板阵,垂直水听器数为29个,长度估计为10m。整个艇艏阵采用密集布阵方式,因此整个基阵水听器数估计达到8000个,其声纳基阵的阵元覆盖面积的堪称世界之最。

表2 俄罗斯在役核潜艇声纳系统配置表

4 结语

综上所述,美俄现役核潜艇主要声纳装备的性能均有本质的提高。其特点为: 1) 通过增大声纳基阵孔径来提高作用距离。如两国核潜艇艇艏端均采用大型球形基阵,直径甚至达到6m以上;艇舷侧部位均采用了大面积共形声基阵[8]。 2) 各种声纳基阵配置齐全,功能各异,共同构成了性能先进的一体化声纳系统。如两国核潜艇均配置了艏端阵、舷侧阵、拖曳线列阵、高频探雷避碰阵、侦察阵、通信阵以及其它辅助声基阵,特别是美国核潜艇为兼顾高低航速声纳性能,还配备了粗细两条拖曳线列阵,这种绝无仅有的配置方式显示美国核潜艇声呐系统设计水平与战术思想的先进性。 3) 声纳无论被动工作方式,还是主动工作方式,均向低频方向发展,声纳被动工作方式的频率下限已由1kHz左右向下扩展到了100Hz以下[1,9～10]。

为保证打赢未来高技术条件下的现代化海战,我国应高度重视潜艇声纳装备和潜艇隐身的发展。美俄两国核潜艇声纳的发展历程对我国的声纳设计制造有很大的参考意义,有利于我国加强声纳系统技术储备,提升声纳设备性能,降低设备成本,紧跟世界先进水平。

[1] 王鲁军,凌青,等.美国声纳装备及技术[M].北京:国防工业出版社,2011.

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Sonar Equipment Development of USA and Russia Submarine

LIU Hongsheng JIANG Zhaoyu

(Navy Representative Office of 431 Shipyard, Huludao 125004)

This paper analyzed the sonar equipment development direction of Russia and USA submarines, and the configuration, performance, lay of array of sonar equipment in service. This paper also analyzed the relationship between the sonar equipment development and the acoustic stealth of submarine, which received the conclusion that the development direction of both are low frequency. This paper provided some reference for the development of submarine sonar equipment, overall design of submarine and acoustic stealth.

sonar equipment, development direction, low frequency, integrated sonar system

2014年11月8日,

2014年12月29日

刘洪生,男,工程师,研究方向:水声工程、电子工程。姜朝宇,男,工程师,研究方向:舰船电子工程、电磁兼容。

TN929.3

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.003