[海军舰艇]将“四化”进行到底

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  超音速远程反舰导弹、庞大复杂的雷达天线……一切为了终极战力而不计代价的做法把20世纪七八十年代的造舰狂潮推向顶峰。不过,冷战结束让这些疯狂的“舰造师”有了潜心思考的机会,21世纪的舰艇应该是什么样?我们不难从世界海军近十年服役的舰艇中找到部分答案。这些个个身价堪比车界“奔驰”的先进舰艇有个显著特点——它们不再张扬着象征海上强权的巨大导弹发射筒,隐身化、模块化、自动化和信息化成为竞相追逐的新目标。
  
  捕风捉影时代来临
  
  2009年4月青岛多国海军活动上,一艘来自新加坡的导弹护卫舰引起了众多媒体的关注,钻石般光滑的外表下隐隐透露出让人敬畏杀气,这就是“可畏”号,当今世界上隐身设计最佳的战舰之一。
  事实上,舰艇隐身设计已不是新鲜事物。早在冷战后期,垂直发射系统的诞生和相控阵雷达的出现,就已经让苏美舰艇抢夺了隐身时代的先机。1980年,“基洛夫”号核动力巡洋舰出现在波罗的海时,就让西方军事家大吃一惊。三年以后,美国第一艘装备相控阵雷达的战舰“提康德罗加”号面世,光滑的平板雷达天线代替了外表突兀的机扫式雷达。由于舰体设计原因。这些举措并没有给它们带来预想的隐身效果,但是却在军舰隐身方面开创了先河。
  随着电子、计算机、传感器与通信技术的迅猛发展,对舰探测、跟踪和武器制导技术取得长足进步,水面舰艇面临的风险越来越大。隐身由此也成为一个突出问题。现代科技对舰艇的探测主要是采用雷达、声呐、红外和电磁等传感器来发现和定位目标,因此,舰艇隐身就必须采取相应的措施来降低这四方面的可探测信息特征。
  雷达探测是远程探测和制导反舰武器最常用的手段。对水面舰艇的威胁也最大。因此,雷达隐身技术是水面舰艇隐身技术的重点。
  在外形隐身设计方面,瑞典“维斯比”级、英国45型、法国“地平线”级和新加坡“可畏”级都堪称雷达隐身的典范,它们采用的隐身措施主要是改进舰体及上层建筑的外观。这些水面舰艇近乎清一色地采用外倾式干舷和内倾式上层建筑侧面。以将雷达波反射到空中或水中。在不影响舰艇其它战术性能的条件下,尽可能减小舰艇水线以上部分的几何尺寸,减少甲板舾装、武备等设备数量,减少散射源。同时对甲板外露设备或武器设备进行优化外形设计,在若干集中布置小型设备的区域外,加上防护板之类的整体结构。这些舰艇外观非常整洁,只有经过隐身设计的舰炮暴露在甲板上,反舰导弹发射装置隐匿在舰体中部。并使舱口盖与甲板平齐等。这样,舰艇在有效减小舰艇散射截面积的同时,又使甲板面布置整洁流畅,收到一箭双雕之功效。它们还尽可能减少舰艇船体及上层建筑外壁上的开口,以避免产生雷达波的“腔体”反射。对一些必不可少的开口(如空调进、排气口,主机的吸、排气口,舰桥的窗口甚至是侧锚口等)均采取相应的隐身措施。不仅仅是舰体,主要电子设备也加入“隐身”范畴,例如“可畏”级的“仙武座”多功能雷达纳入金字塔型雷达罩内,类似的还有45型驱逐舰上配备的“桑普森”相控阵雷达。电子设备集中的桅杆也设计成隐身性能较好的封闭式“筒形桅”,外壳采用具有频率选择性能的多层复合材料制成。它允许本舰探测设备的电磁波穿越,但能阻隔和反射其它频率的电磁波,大幅度降低了因桅上杂散结构产生的雷达截面积。
  
  在隐身材料的应用方面。由于成本和维护原因未得到广泛使用,但作为外形隐身的补充手段,其局部应用效果仍然十分明显。隐身材料分为吸波涂料和吸波结构材料两类。吸波涂料主要是涂覆于舰艇或设备外表。如瑞典海军在“维斯比”级的上层建筑就采用一种“克夫拉”玻璃钢复合板的吸波结构材料增强隐身效果。
  保持不被探测是潜艇作战成功的关键。针对主、被动声呐的特点,现代潜艇大多采用吸收回波和主动降噪两种方式实现声学隐身。潜艇的动力系统是噪声的主要来源,浮阀减振技术的应用和对设备进行隔音屏蔽,在很大程度上抑制了内部噪音。对于外部主动噪声的控制,泵喷推进器方式起到了革命性的作用,欧美国家新近建造的核动力潜艇均采用这种推进方式。被动降噪方面,俄罗斯一直处于领先地位。由于采用了消声瓦,90年代中后期服役的“阿库拉”级攻击核潜艇噪声水平已降至115—120分贝。最新的“北风之神”级,艇体表面敷设了150毫米的第二代消声瓦,并采用了高阻尼材料、气幕降噪以及加装反音响声源系统等独特技术,隐身能力更为强悍,据称噪声水平可以达到100分贝以下。西方国家也不落后,除了部分采用消声瓦,在壳体表面涂敷上一层吸收对方主动声呐声波的涂层,也能减弱消除反射声波。美国海军最新一级的“弗吉尼亚”级艇体表面覆以双层吸音涂层——内层用以减少艇内噪声辐射,外层用以吸收敌方声呐信号。试验表明,吸音涂层可使对方主动声呐的反射声降低90%,探测距离缩短68%。声学隐身并非潜艇的专利,出于反潜与反水雷、反鱼雷的需要,近年来发达国家海军在水面舰艇尤其是反潜型舰艇上,在研制装备探测距离更远的声呐的同时,大力降低其水下辐射噪声,提高其水下隐蔽性和减少对其声呐的干扰。其常用降噪手段除与潜艇类似外,还有一种被称为MASK的系统,通过在水下注气形成一道“气幕”来阻挡声波的传输,是国外水面舰艇普遍应用的手段。现役的具有优秀水声隐身性的舰艇与以前建造的同类舰艇比,水下辐射噪声降低了几个数量级。
  红外探测器的被动特性和成像能力,使其具有良好的抗侦察和抗干扰特性,因此红外制导武器逐渐增多,使各国对舰艇红外隐身技术也越来越重视。舰艇的红外辐射源主要是烟窗、主机舱及其排出的废气和热水、灯光、舰体表面的热辐射等。新型水面舰艇都在红外特征最强的烟囱排气口安装了空气冷却和海水降温装置。日本的“爱宕”级驱逐舰还通过在烟囱、暖通、动力舱等发热部位覆盖屏蔽和绝缘材料来减少热辐射。“可畏”级对柴油机排放的高温废气采用烟道冷却装置,南非“勇猛”级和瑞典“维斯比”级护卫舰则选择将废气处理后直接排入海水冷却。英法最新型驱逐舰在舰体表面涂敷绝热层,减弱对太阳能的吸收和辐射。俄罗斯、印度、加拿大等国家还开发和装备了专用红外隐身全舰水幕系统。这些措施都有助于将红外特征降到最低程度。
  尽量减少舰艇上电子设备的电磁辐射、减少电磁信号被截获的机会。是现代舰艇电磁隐身的重点。它们通过减少无线电设备、改进电子设备、减少电缆的电磁辐射、屏蔽电子设备以及将自己的信号和信号源特征尽可能地隐蔽在自然场中,达到隐身目的。同样。抑制舰体电磁特性也是一个重要的方面。例如“可畏”级就采用了大量非磁性或低磁性材料建造舰艇设备。德国212A潜艇的艇体材料采用低磁钢,还装设了高性能消磁系统, 可以随时监测本艇的磁场强度和发现磁异常情况,及时为本艇做消磁处理。
  纵观先进海军国家20世纪90年代以来推出的种种隐身方案,从航空母舰、驱护舰到潜艇。都不再满足采取局部措施,有限地降低雷达反射信号、红外信号、声信号和磁信号,而是转向全面大幅度降低水上、水下各种信号特征。将隐身进行到底。全稳身已经成为未来舰艇的发展趋势。“捕风捉影”的海上角逐时代不再遥远。
  
  “模块化”从分段建造谈起
  
  在朴次茅斯建造船艏,在巴罗因弗内斯建造舯段和尾部分段,最后运至格拉斯哥总装。这就是英国海军“勇敢”号导弹驱逐舰不简单的建造历程。虽然过程看似复杂,但以45型、“梅科”系列和LCS-1为代表的新生代战舰却是“模块化”技术的最大受益者。
  “模块化”技术是指为开发具有多种功能的不同系统,不必对每种系统施以单独设计,而是精心设计出多种通用或标准模块,对其进行不同方式的组合来构成不同的系统,以解决系统的种类、规格、设计制造周期以及成本之间的矛盾。舰船模块化技术包括两方面:一是对舰船或系统的分解,即对某一类装备或设施按照标准化、可预制性和可组装性的原则进行分析、分解,形成系列的通用模块或标准模块;二是对系列通用模块或标准模块的选取和重新组合,以期能得到满足特定功能或需求的系统或舰船。
  根据设计原理,现代舰船模块化包含三层含义:建造模块化,意味着可把舰艇设计成若干个独立子系统,在结构集成前先行组装和测试,减少制造时间和费用:技术模块化,意味着可把舰艇子系统配置在可修改、开放结构部件中,便于舰艇在整个服役期的维护和增加新技术部件:任务模块化,意味着在基本设计中舰艇可根据不同任务进行配置,方法是建造不同模块或对后期模块进行改进。
  在舰艇建造上,“模块化”技术的优势是显而易见的。以“分段建造”技术为例,整个周期仅为传统周期的一半。从设计角度比较,它也简化了舰艇设计。美国“弗吉尼亚”级核潜艇的发电设备比“洛杉矶”级减少了50%的阀门、电缆和30%的电泵。仪表也少得多。在降低寿命期维护运行费用方面,模块化建造技术也明显改变了舰艇在全寿命周期中各部分的比例。例如,美国海军“海狼”级潜艇的建造中由于采用了模块化建造技术,其研究、设计、建造费用占全寿期费用的40%,维修操纵和支持费用为60%。“洛杉矶”级潜艇订购费占25%,而服役期费用占75%。
  在技术模块化方面,美国海军提倡的开放式体系架构成为该领域的领跑者。开放式体系架构不仅拥有很好的兼容性,还可以方便地安装、更换商用产品。“弗吉尼亚”级核潜艇就采用该体系,使其拥有很强的扩展性。它能够根据未来作战需要,以较低成本并在短时间内通过更换模块组件的方式完成升级和配置变更,最大限度地发挥潜艇的作战效能,同时大大减少潜艇设计和建造期内的风险。
  任务系统模块化最成熟的应用还是在德国生产的“梅科”系列舰艇上。“梅科”的任务模块化技术是将舰体本身视为一个标准化平台,将舰载武器电子设备区分为若干系统,把拥有同一功能、与系统有关的部件做成个标准化功能模块,规格大致是4.7米×4.0米×2.76米。目前,除了“标准”和“海标枪”这两种远程舰对空导弹外,西方大部分舰载武器,包括火炮、防空导弹系统、反舰导弹系统和反潜系统等均可装在标准模块上部,模块内部则安装武器控制系统、备用弹舱、出入口、通风装置等设备。它们自身都有数字式标准接口,通过计算机可将各种功能模块联接到数字式数据信息链网络中。“梅科”的任务模块化技术较好地解决了武器设备与平台使用周期不一致的难题,大大提高了系统适应性。
  美国海军在自身SEMOD模块化技术基础上,提出了更为先进的技术模块化形式——可重新组合的开放式结构。目前,LCS首舰应用该技术,在作战系统中采用“可配置任务模块”。它可根据任务需要灵活组装、搭配不同的武器模块。完成反潜、水雷战和反舰任务。这些模块具有高度自动化,可实现“即插即用”,可在数小时之内完成改装。该项技术可认为是模块化技术的进一步升华,也可称为满足灵活性要求的模块化,意图是让合适的专家同时参加舰上相应的模块工作,通过实行舰员集体轮换,使其更好地发挥人才优势。
  舰船模块化技术在过去十年广泛的应用,改变了传统的舰艇建造程序,使得舰体与作战系统能够并行建造,大大缩短建造周期,降低建造和日常维修费用,同时也可以在舰船全寿命周期内随时改装,更新电子武器装备,解决舰船平台寿命与电子武器更新期之间的矛盾,使舰艇始终保持最佳性能。通过模块重构实现舰船功能转换,完成不问任务,实现“一个平台、多种负载”,促进海军兵力结构优化,提高效费比。
  
  “智能”操控不是梦
  
  近年来,西方先进海军国家近乎都面临一个共同的困惑——舰员和预算的不足,在这种情况下又如何使舰艇更好地执行军事使命呢?一些先进舰艇的服役给了我们启示。
  一般而言,舰艇应用成本的60%来自用于舰员、基地支援人员、各部队和教育训练等方面的开销,因此只有减少人员才会使寿命周期的成本降低。德国212A级潜艇上安装有新型潜艇集中操纵控制系统。它由计算机、总线、传感器、指令装置、显控台和控制板组成,将船、机、舵的操纵控制综合为一体,由一人在中央控制台上操纵,即时完成对艇的深度、航向、航速和纵倾、补重等控制。在巡航和下潜情况下,只需3名监控人员,就能对潜艇进行各项技术操作。集控系统实现了操纵控制的全部自动化,减轻了艇员的劳动强度,节约了人力(配备舰员27人,仅为“基洛”级的一半)。
  实现自动化的直接目的是减少平台控制对人力的需要,提高运行监测、控制和系统反应质量。为此,西方国家采取了一系列技术措施来提高自动化水平和工作效率。光纤局域网、综合化舰桥系统、综合化状况评估系统、损管控制系统、船机控制系统、燃料控制系统、舰内无线通信系统等先进技术的大量应用,也让水面舰艇尝到甜头。英法两国的45型和“地平线”级驱逐舰在排水量增加、作战系统更加复杂的情况下,舰员较其前代分别减少了100人和98人。
  自动化程度提高带来的不仅仅是弥补人员的短缺和成本控制,还可减少食品、淡水等保障物质的装载量。增加功能空间,安全性和可靠性也得到相应的提高。美国海军“俄克拉何马城”号(SSN-723)是世界上第一艘全数字潜艇,由现役潜艇的改造而来,安装有新型航海管理系统(VMS)。该系统能够整合艇上各类最先进的传感器信息,存储和显示数字海图,辅助决策,制订航路规划,还可以持续跟踪系统监测当前位置信息,并根据计划航线计算出正确的速度与航 向,然后将数据传递给设备自动化管理系统控制潜艇的动力与操纵装置,进而实现航速和航向的适时调整,实现“智能”潜航。该系统有效地保障了水下航行的安全性。彻底消除使用纸制海图所带来的人为误差,避免诸如“旧金山”号撞山事故的发生。
  在舰艇自动化的革命当中,当前的目标仍然是获得舰上所有必须控制的各级各点的信息。并对其实施控制,机械系统控制和损管控制是自动化的重点,信息管理和控制还采用集中的方式。真正意义上的自动化是彻底实现“智能”管控,分布式自动监测、判断、反应将是下一步发展的目标。
  
  “信息化”让作战更高效
  
  在信息化战争中,“发现”就意味着“摧毁”,所以尽早发现目标、实时传输和共享作战信息是21世纪海军舰艇信息化建设的首要目标。为了夺取“信息优势”,一些国家海军在信息感知能力、传输能力和处理能力方面已有了长足的进步。
  1983正式列装的“宙斯盾”系统是一套集目标探测、指控于一体的水面舰艇作战系统,最初是为了对抗反舰导弹饱和攻击和海上对空防御而设计。由于其出色的防空和反导能力,已赢得日、韩、西、挪、澳等国海军的青睐。该系统能够把全舰的对空、对海和反潜作战在探测、跟踪、指挥和火控功能上进行有机综合。目前“宙斯盾”已发展到基线7.1版本(日本“爱宕”级、韩国KDX-3级和美国“阿利·伯克”ⅡA均装备该版本)。与以前相比,最新版有了很大改进,包括一系列使用开放式结构的新一代智能操控台和运算处理单元,重要组成部分为新型辅助感测器、全战区弹道导弹防御系统、先进的电脑处理系统。采用分布式的体系结构。在部分系统出现故障情况下仍可保持整个系统的运转。
  “宙斯盾”系统也是美国海军从“平台中心战”向“网络中心战”转型的重要节点装备之一。从基线6版本开始,“宙斯盾”系统就增加了“协同作战能力”(CEC)。CEC用于水面舰艇编队防空反导作战。它通过在舰艇和预警机上加装的CEC数据处理和传输装置,将各个平台上传感器数据实时分配给所有平台,并在各个水面平台和空中预警机上融合成为一个综合态势图,这样就能将编队中不同平台各自的防空武器系统组合为一个有机的整体,有效利用防空资源,协同完成防空反导任务。这将是未来水面舰艇编队信息化作战的基本模式。
  在逐鹿信息化的道路上,传统的欧洲强国没有跟风日韩,而是独立门派。著名的作战系统有英国的CMS-1系统和“桑普森”雷达组合(45型驱逐舰),德国和荷兰的FuWES系统和APAR雷达组合(F-124级护卫舰),法意的Senit 8系统和EMPAR雷达组合(“地平线”级驱逐舰)。这些作战系统综合能力虽不如“宙斯盾”,但在防空作战方面还是可圈可点。英国45型驱逐舰装备的“桑普森”雷达最大探测距离400千米。可同时探测500-1000个目标。同时跟踪其中168个,并可同时发射32枚导弹对16批最具威胁的目标进行拦截。该雷达负责中制导(上行指夸)和末段照射两方面的工作,采取断续连续波照射(ICWI),通过时分实现同时对付多个目标的目的。舰载战斗管理系统(CMS-1)能进行战术图像编辑、威胁评估、武器分配并对其它战斗系统设备进行控制,包括PAAMS系统。数据传输系统使用高速以太网数据网络,将战斗系统的各个单元相连,包括武器和传感器,使其成为一个整体,实现信息数据交换。该系统还预留了协同作战能力。
  从平台中心到网络中心。海上强国苦心经营的信息化终于初见成效,作战舰艇上的综合信息作战系统将使指挥官获得精确掌握战场态势综合信息的感知能力,迅速了解与战场相关的实时情报,还有助于提高海军的协同作战能力(CEC),使海上战斗群结合成一个有机的攻防整体。大大地拓展了防御空间和打击范围。
  
  结束语
  
  从大炮巨舰到如今的“四化”舰艇,每跨出一步都是思想变革和技术革新的缩影。下一个十年的舰艇会是什么样?我们依稀可以从“朱姆沃尔特”级驱逐舰(DDG-1000)的构想图中看到影子——“四化”建设仍在继续,无人化时代悄然来临。
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