水下航行体多折角声散射空间调控技术研究

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随着当前水声对抗技术的迅猛发展,安静型水下航行体的出现缩短了被动声呐的作用距离,而主动声呐利用双基地和多基地等工作模式,拥有机动灵活、作用距离远以及定位精度高等优点,是未来对付安静型水下航行体的有效手段之一。但考虑到水下航行体结构的复杂性,针对主动声呐,对水下目标进行整体的回声隐身设计,尚处于起始阶段。常用的方法有敷设声学覆盖层和采用吸声复合材料等。但这往往难以满足水下航行体全频段、多方位的声隐身需求。所以在总体性能确定、总体布置满足要求的基础上,通过改变已有结构线型以降低水下航行体的声目标强度,调控其声散射空间特性是亟待解决的问题。针对水下航行体回波贡献较大的子结构,本课题利用多层弹性介质理论、Kirchhoff近似原理以及频域间接法等仿真计算方法,通过研究不同外形设计对指挥室围壳和耐压壳声目标强度的调控规律,尝试提出一种新型多折角水下航行体外形设计,从而达到降低其目标强度和调控其散射声场空间特性的目的。为了准确探究外形设计对指挥室围壳散射声场的影响规律,本课题通过改变指挥室围壳折角个数,折角角度等方法设计了单折角、三折角、侧面四折角、侧面八折角等6类(一类5种,共30种)指挥室围壳外形。通过比较各种围壳正横附近收发合置、分置目标强度大小和对散射声场指向性调控的能力,确定了一类声隐身效果最优的围壳外形。沿用指挥室围壳设计思路,通过改变不同的线形曲线函数周期,设计了2类,共5种耐压壳外形,用同样的比较方法确定了一种隐身效果最优的耐压壳外形,并将该设计方法等比例应用到内壳围井上。基于普通标准外形水下航行体轻外壳主艇体几何模型,结合外形设计后的围壳、耐压壳和围井,提出了一类声隐身效果最优的多折角外形双壳水下航行体几何模型。利用基于板块元法的双壳体声目标强度计算方法,考虑外壳透射作用,将内外壳体贡献采用非相干叠加方法相加,研究了隐身设计前后双壳水下航行体声目标强度空间指向性特征。研究发现,外形多折角隐身设计对双壳水下航行体散射声场空间特性起到了调控作用,对某些特定空间角度下的收发合置目标强度有降低效果。利用基于线性传递网络模型和板块元法的水下航行体时域回波频域间接计算方法,分别研究隐身设计前后,单壳水下航行体时域回波展宽特性以及板块元“亮点”分布特性的变化规律,并提出一种水下航行体以不同路径航行时的散射声场特性计算方法。研究发现,多折角设计有效的降低了指挥室围壳目标强度,将水下航行体回波较集中的部分调控到了声呐不易探测的位置,削弱了水下航行体时域回波信号幅值,提高了水下航行体声隐身性能。最后,本课题开展了Benchmark潜艇缩比模型的收发合置、分置目标强度验证试验以及声散射时域回波特性试验,通过将试验结果与仿真计算结果对比发现,仿真方法计算结果与试验结果基本吻合,不论是趋势还是数值上基本相近,证明了本文中利用基于Kirchhoff近似理论的板块元方法求解的水下目标散射声场结果是准确的。本课题中所取得的研究成果对水下航行体的隐身外形设计和隐蔽路径规划具有一定的指导意义和参考价值。
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