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国外潜艇用声呐发展综述

  来源:溪流之海洋人生 | 发布时间:2019-01-21

  北斗智库环保管家网讯:潜艇是重要的水下作战平台,在各国海军中扮演着极其重要的角色,其功能包括侦察水下目标、攻击敌方军舰、沿海反潜作战、协同对陆作战等。潜艇声呐系统包括艇艏多功能综合声呐、舷侧阵声呐、拖曳线列阵声呐以及通信声呐,可实现对水面舰艇、潜艇和其它水下目标的探测、识别、跟踪,还可用于水下通信和导航,协同配合水面舰艇及反潜飞机作战。
 
  近年来,随着隐身降噪技术、水声对抗技术的应用,潜艇的隐蔽性和机动性得到了大幅度的提升,安静型潜艇辐射噪声(1KHz处)谱级已经同零级海况的环境噪声相当,甚至低于环境噪声,给水下探潜带来了难度。各国努力提高探潜能力,建设反潜体系,在积极发展反潜兵力的同时,更加着重发展以声呐为主的反潜装备。本文根据潜艇声呐的发展历程,对潜艇声呐工作原理、系统组成以及国外潜艇声呐发展情况作简略介绍。
 
 
 
  一、潜艇声呐工作原理
 
  声呐是利用声波对水下目标进行探测、识别、定位以及通信的设备,通常由换能器基阵、电子机柜和辅助设备构成。换能器是实现电能和声能之间转换的装置,可将声波所携带的声信息转换为电信息,根据功能一般可分为发射换能器、接收换能器和收发合置换能器。电子机柜通常由发射模块、接收模块和显控模块组成。辅助设备包括电源、电缆以及声呐的回收、投放装置等。
 
  声呐按其工作方式可分为主动声呐和被动声呐两种。主动声呐发射声波,然后根据回波探测水下目标(如冰山、水雷、鱼雷、舰船和潜艇等)。主动声呐根据发射信号与回波信号之间的时延差估计目标距离;根据回波波前法线估计目标方向;根据回波的相位、幅度变化规律估计目标外形特征、运动状态。被动声呐接收舰船、潜艇等水下目标发出的声信号,探测到目标的位置等信息,同时又不暴露自身目标。美国潜艇声呐根据任务功能分为3类,包括主动搜索声呐、被动攻击声呐和被动警戒声呐。近年来,由于不想暴露潜艇自身目标,美国海军逐渐弱化了对主动搜索声呐的需求,转而重点研究被动攻击声呐和被动警戒声呐。
 
  二、潜艇声呐系统组成
 
  目前,一艘成熟的核潜艇一般装备多型不同功能的声呐设备,以美国“弗吉尼亚级”潜艇为例,配备有艇艏阵声呐、舷侧阵声呐、拖线阵声呐以及通信声呐基阵等,实现主动搜索、被动攻击、被动警戒等功能。
 
  ⒈ 艇艏阵声呐
 
  潜艇艏部是安装声呐基阵的最佳位置,相对潜艇其它位置,艇艏空间大、噪声低、视野开阔,因此艇艏阵声呐又被称为“主战声呐”,是潜艇声呐系统中最重要的设备之一。艇艏阵声呐通常兼具发射和接收两种功能,用于主动搜索、被动警戒以及引导武器攻击,可实现目标定位、识别、追踪以及通信等功能,其性能好坏直接影响整个声呐系统。艇艏阵声呐声学孔径大,可覆盖低频、中频、高频甚至是超高频,其垂直和水平方向两维的大孔径大幅度提升了声呐性能,尤其是通过垂直孔径的提高,有效提高了声呐的作用距离和垂直分辨率。
 
  艇艏阵声呐一般分为圆柱阵声呐、球阵声呐和共形阵声呐。由于艇艏空间较为宽裕,一般布置体积较大的圆柱形或球形声呐基阵,因声呐体积大、声学孔径大、工作频段低、发射功率高,因此探测能力强,空间监测范围广。球阵声呐可以实现垂直方向的均匀波束旋转,而圆柱阵声呐在垂直方向进行波束旋转时,波束宽度会随仰角改变。共形阵声呐较圆柱阵声呐、球阵声呐的工程实现简单、观察范围大、声学孔径大。
 
  ⒉ 舷侧阵声呐
 
  舷侧阵声呐基阵通常沿艇体纵向排列,工作频率低、空间增益大,探测角度大于120°,有较大的工作范围。现代潜艇装备的舷侧阵声呐主要有两种类型:一种是呈条带形,位于艇左右两侧;一种是三元式平面基阵,位于艇左右两侧。由于舷侧阵声呐位于艇体两侧,相对于艇艏阵声呐,其探测距离更远,监测范围更大,可用于探雷、规避以及高、低速航行远程警戒。
 
 
  美国“弗吉尼亚级”核潜艇
 
  ⒊ 拖线阵声呐
 
  拖线阵声呐位于潜艇尾部,可消除潜艇尾部探测、识别的盲区,配合艇艏阵声呐、舷侧阵声呐进行全方位探测。为了消除单线阵的左右舷探测、识别模糊问题,利于低频远距离探测,实现远程警戒并为反潜远程导弹提供目标指示,通常潜艇采用两条拖线阵声呐。相比其它声呐,拖线阵声呐可摆脱艇体对阵列尺寸的限制,声学孔径大,有着较远的探测距离和较高的精度,成为各国海军竞相研究的对象。
 
  ⒋ 通信声呐基阵
 
  通信声呐基阵由几个定向换能器基阵组成,利用发射换能器发射调制信号,经接收换能器基阵处理后获得信号准确信息,一般用于潜艇与潜艇或者与水面舰船之间的通信联络。
 
  三、国外潜艇声呐发展情况
 
  从20世纪20年代至今,美国发展声呐装备已有近100年的历史。美国非常重视声呐装备的发展,投入了大量人力、物力,将各种新技术、其它科学领域的最新研究成果投入到声呐装备的研制过程中。目前,美国海军的声呐装备代表了世界最先进水平,其谱系最广、规模最大、技术最先进,而其他国家海军的声呐装备发展相对缓慢、规模较小。认真了解国外声呐装备的发展历程,吸取经验教训,扬长避短,对我国海军声呐装备的发展有重要意义。
 
  ⒈ 美国潜艇声呐发展情况
 
  二战期间,美国潜艇的主要任务就是攻击日本的军舰及其过往的运输船只,此外还执行布雷、侦察及运输部队等任务。当时美国海军重点研究的是潜艇的下潜深度和续航能力,为追踪目标,潜艇主要配备WCA系列声呐。WCA-2声呐由3个分系统组成:
 
  第1个分系统是JK/QC接收机,JK酒石酸钾晶体水听器仅用于听测,QC磁致伸缩换能器用于回声测距,两者不能同时工作;

       第2个分系统利用QB酒石酸钾晶体换能器实现测距功能,QB换能器比QC换能器的工作频带范围宽;

       第3个分系统仅包含NM磁致伸缩换能器,用于测深。
 
  20世纪50年代,美国潜艇普遍配备WFA或BQS-3(WFA改进型)主动声呐,以应对水下潜艇的作战需求。WFA属于探照声呐,可实现水声测距、水下通信以及探测鱼雷等功能。WFA搜索效率低,为提高搜索效率,美国海军研制出QHB声呐用于装备在“鹦鹉螺号”核潜艇上。“鹦鹉螺号”核潜艇是供美国海军使用的第一艘核动力潜艇,也是世界上第一艘核潜艇,于1954年下水,该潜艇配备2台QHB-1声呐,分别装于甲板上和艇底部。二次大战末期,美国把战时德国最先进的U-XXⅠ型潜艇及大量相关资料带回国内进行深入分析研究,并以该艇上配备的GHG基阵为原型设计改良了被动声呐,研制出了20世纪50年代装备性能最好的AN/BQR-2声呐。BQR声呐基阵采用半径为1.22m、高约为1m的圆柱形布阵方式,其包括48个垂直阵元,可实现定向扫描以及360°全方向扫描,工作频带为150Hz~15KHz。
 
  本艇在等温层低速航行条件下,对高速舰艇最大探测距离约为27km。1955年美国海军首次批量生产了4艘第一代攻击型核潜艇——“鳐鱼级”攻击核潜艇。“鳐鱼级”攻击核潜艇于1959年服役,相对“鹦鹉螺号”核潜艇,噪声较小,配备了BQR-2被动声呐和BQS-4主动声呐系统。BQS-4圆柱形声呐基阵位于艇艏部,共480阵元,直径约为1m,工作频率为30KHz。本艇在等温层低速航行条件下,对高航速舰艇的探测距离不小于18.5km。“鲣鱼级”二代攻击核潜艇于1961年开始服役,也采用BQS-4主动声呐和BQR-2被动声呐系统。20世纪50年代末美国雷声公司开始研制球体声呐,以便减小自噪声、探测低频信号。美军分别在“长尾鲨级”三代、“鲟鱼级”四代攻击核潜艇安装了BQS-6的球形声呐基阵,基阵由压电陶瓷材料制成,直径约3.6m,共1245阵元,这是1台模拟波束形成器,后续产品更迭为数字式计算机。
 
  二战后很长一段时间,美国潜艇都处于领先地位。从20世纪70年代起,进入冷战时期的苏联,潜心研究潜艇技术,历经10年左右,在潜艇隐身降噪方面取得了突破性进展,大大缩短了与美军的距离,美国感到了前所未有的挑战。冷战时期美国攻击型核潜艇的主要任务是在水下与苏联安静型潜艇对抗,长期对其进行跟踪与监视,获取制海权。“洛杉矶级”潜艇是美国海军历史上技术最为成功的一级核潜艇,至今都有在服役。该艇在外形设计和机械设备上都采取降噪措施,提升了隐身降噪能力,还配备了高性能的BQQ-5综合声呐系统,系统包含AN/BQS-13DNA艇艏球形声呐,BQG5D宽孔径舷侧阵声呐、TB-16和TB-23拖曳声呐、BQS-15主动高频声呐、MIDAS水下探雷和探冰声呐。本艇可主被动协同工作,采用数字式多波束扫描技术,可同时追踪多个目标。
 
  “海狼级”潜艇堪称为21世纪攻击核潜艇,能长时间在大西洋靠近苏联海域反潜巡逻,有绝佳的声呐探测能力。“海狼级”潜艇艇艏部配备了球形声呐基阵,由上、下2个球体组成,上球体为被动接收阵,下球体为主动发射阵,约有2870个阵元。被动接收阵附近布放了3层共形阵,阵元间距约为0.75m,共96阵元。此外,为了提高阵增益,“海狼级”潜艇在艇体左侧压力壳内安装TB-29细线拖线声呐基阵,右侧则延续“洛杉矶级”潜艇在艇体导管中安装了TB-16粗线拖线声呐基阵,两阵都是经由导管释放出去。TB-23细线拖线阵声呐声学孔径长度是TB-16的4倍,但流噪声相对较高。
 
  随着苏联解体,冷战结束,美军潜艇在大洋深处取得了绝对的制海权,美军潜艇的使命也变为处理地域性战争、在沿海反潜作战、协同对陆作战等。因此,美国海军放弃了“海狼级”潜艇,改为研制排水量小、用途广泛、可用于近海海域作战的攻击型核潜艇,第七代攻击级核潜艇“弗吉尼亚级”核潜艇应运而生。“弗吉尼亚级”核潜艇成本低、性能高,既能远洋反潜又能近海作战,因而被批量生产服役于美国海军至今。“弗吉尼亚级”核潜艇于2004年正式服役,截至2018年已有16艘下水,其配有AN/BQQ-10(V)4声呐系统,系统包括BQQ-10艇艏阵声呐、轻型宽孔径舷侧阵 (LWWAA) 声呐、TB-16粗线拖线阵声呐、TB-29A细线拖线阵声呐、BQS-2导航测冰声呐等。BQQ-10声呐可以主动方式对水下目标定位,经计算机将目标定位信息连续地传送给火控系统,便于对目标实施精准打击。此外,它还可用作被动声呐实现目标的探测、追踪及水下通信等。“弗吉尼亚级”核潜艇从第二批次起改用了宽孔径声呐 (LAB) 替代原BQQ-10球形艇艏阵声呐,大大提高了被动探测能力和系统可靠性。LWWAA 声呐由6个基阵组成,每个基阵含448个阵元,共2688个阵元。LWWAA声呐采用光纤水听器制成,与BQG-5相比,极大地减轻了基阵重量,且灵敏度高了一个数量级。相比于“海狼级”潜艇装备的TB-29细线拖线阵声呐,TB-29A细线拖线阵声呐增加了声学孔径,提高了阵增益。近年来,随着光纤水听器技术的发展,光纤水听器尺寸进一步减小,在水下工作时稳定性、可靠性进一步提高,美国海军越来越重视光纤水听器的应用,定量生产的TB-33超细型光纤拖曳线列阵声呐和全光轻型宽孔径阵列声呐,已部分装备在“弗吉尼亚级”核潜艇上。
 
 
  俄罗斯“基洛级”潜艇
 
  ⒉ 其他国家潜艇声呐的发展情况
 
  (1) 艇艏阵声呐发展情况
 
  前苏联的潜艇以装备艇艏圆柱阵声呐为主,如装备于“V级”核潜艇的MTK300红宝石、“S级”和“AK级”核潜艇的MTK540“鳐-3”、877型“基洛级”潜艇的MTK400系列,这些声呐体积大、声学孔径大、工作频段低、发射功率高,可实现远距离目标探测。其中,MTK540“鳐-3”圆柱阵声呐被动工况下探测距离可达60~80km,主动工况下可对35km范围内的目标精准定位,综合性能较好。法国TSM-2233声呐综合系统和德国2144型潜艇装备的声呐系统中艇艏声呐基阵也都是圆柱形。
 
  前苏联解体后俄罗斯改用艇艏球阵声呐,如885型“雅森级”核潜艇上装备的阿雅克斯巨型球阵声呐,其直径也达到了6m。由于球阵声呐的一些弊端,比如造价昂贵、加工工艺要求高,以及硕大的体积占据了艇艏的全部空间,导致鱼雷发射管需后移,给整个艇体系统布置带来不少困难,而共形阵声呐的工程实现简单、观察范围大、声学孔径大,因此俄罗斯在“拉达级”核潜艇艇艏采用了大型共形阵声呐来代替原来的球阵声呐。
 
  (2) 舷侧阵声呐发展情况
 
  目前,各国海军潜艇根据不同的作战需要装备了不同型号、不同性能的舷侧阵声呐。法国DUUX-5型声呐采用三元式布阵方式(艇左右两侧分布被动三元式平面基阵)。法国泰利斯公司开发出TSM-2233声呐综合系统,采用模块化结构,将舷侧阵的适配性提高,可满足各种需求。TSM-2233声呐系统可对窄带、宽带信号以及瞬时噪声进行被动自适应信号处理,抗干扰能力强。该声呐系统的舷侧阵装备在法国“不屈级”、“凯旋级”、“红宝石级”攻击型核潜艇上,以及阿根廷的“圣克鲁斯级”潜艇、印度的“希沙玛级”潜艇、巴基斯坦的“阿戈斯塔90B级”潜艇上。另外该公司还研制了TSM-2233舷侧阵声呐,两条平面阵分布于潜艇两侧,可实现低频被动声呐,目前装配在挪威的“乌拉级”潜艇、澳大利亚的“科林斯级”潜艇以及智利的“天蝎座级”潜艇上。类似地,德国阿特拉斯公司的FAS-3两条舷侧阵声呐装备在德国和意大利的212A型潜艇、韩国的214型潜艇以及20多个国家购置的209型潜艇上,工作频带为10Hz~2.5Hz,可实现对水下目标的远程被动探测能力。但俄罗斯潜艇的舷侧阵声呐较为独特,一般以大型共形阵为主,971型“阿库拉级”核潜艇装备了鲨鱼腮共形阵声呐。
 
  (3) 拖线阵声呐发展情况
 
  1977年,英国开始研制2026型拖曳声呐,该声呐拖缆长1500m、声阵段长100m、工作频带为10~100Hz,装备于4艘皇家海军“海象级”潜艇上。英国最新的“机敏级”潜艇很可能参考美国的TB-29A拖线阵声呐,采用了两条拖线阵声呐。1991年德国和荷兰联合研究了低频主动拖曳线列阵声呐,于1994~1997年间多次进行海上试验。法国自主研发DSUV-61、DSUV-62潜艇用拖曳声呐,声呐拖缆长约400m、声阵段长约100m、直径约50~80mm,装备在“宝石级”潜艇上。澳大利亚海军“科林斯级”潜艇上装备的是TB-23细线拖线阵声呐。加拿大SUBTASS拖线阵声呐直径为60.3m、长266m、工作频带为5~3200Hz,装备在“奥伯龙级”和“维多利亚级”潜艇上。俄罗斯971型“阿库拉级”核潜艇装备了MTK540“鳐-3”低频拖曳线列阵声呐。
 
 
 
  四、结束语
 
  反潜一直是海军作战的重点,到目前为止,声呐仍是实现水下远程探测的唯一有效手段,是各国海军掌握水下监视和控制的首要手段。近年来随着隐身降噪技术、水声对抗技术的提升,传统声呐已经不能满足探潜需要,提高声呐性能、扩大阵列规模、发展新型水听器成为各国海军当务之急。本文介绍了潜艇声呐工作原理、系统组成、美国及其他国家潜艇声呐装备的发展历程和应用情况,对掌握反潜技术具有一定的参考价值。
 
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关键词: 降噪技术   环保技术   环保管家  

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