潜艇声呐设计

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  潜艇主要的作战声呐有三大部分:艏部、拖曳线列阵、舷侧阵,这种布局是如何形成的?
  艏部声呐是中高频:舷侧阵是中频或偏低一些,探测距离一般在十几到几十千米;拖曳阵是低频和甚低频,探测距离一般在一二百千米。只有艏部声呐是主被动工作方式,另两种目前都是被动方式。潜艇上这三部分主要声呐的布局形成有一个过程。潜艇早期只有艏部声呐,但随着双方潜艇的探测手段及航速、鱼雷射程及威力、水声对抗技术的提高,己方声呐用主动工作方式的危险性大大增加,不到万不得已不能用。客观环境迫使被动声呐使用率猛增,这就发展出了另两部分声呐。这三部分声呐的换能器大体相同。由于主动方式极其危险,只有在锁定对方潜艇的瞬间开一下迅速测距定位,利用率很低,所以只在艇艏装主动声呐就够了。
  上甲板的测冰声呐也是主动的,是否也存在暴露风险?
  测冰声呐的频率很高,而且功率很低,探测距离也就是一二百米,因此暴露风险不大。
  早期的被动声呐只能测向,不能测距,而目标的连续运动分析也达不到精度,在这段时期潜艇如何攻击目标?
  只能在鱼雷上想办法。潜艇对目标大致测个方向,先把鱼雷发射出去,到达预定海区后鱼雷采用双平面自动搜索,在一个深度探测不到,再换另一个深度探测。实际上双平面不止两个深度平面,鱼雷会预设多个深度档位。
  舷侧阵声呐目前多为每舷侧三块阵,这是否为最优方案?
  像“机敏”级看上去是两块阵,但前面大的一块里面是两块,所以还是每侧三块阵。关于多少块最好,理论上,同样的潜艇舷侧长度,同样的换能器数量,分成越多小块探测精度越好,但这带来两大问题。一是声呐接收窗口的尺寸是按无线电的半波理论设计的,声呐窗口越大越能接收更低频的声信号,探测距离就越远。舷侧阵声呐如果分成4块、5块、6块,窗口越来越小,探测距离就减小了。二是舷侧阵块数越多,艇上计算机的负荷就越重。所有舰船上的声呐计算机,最复杂的就是潜艇的。要是能把“天河一号”超级计算机搬到潜艇上,那声呐的设计探测精度能达到很高。所以综合性价比来看,三块阵是比较合理的。现在各国在研的共形声呐和艇体外表面形状一样,实际上就是把舷侧阵声呐分成众多的小阵,探测精度达到最大化,但它又是整体一块,相当于一个大声呐窗口,因此又能接收频率很低的声信号,效果很理想,但对计算机要求很高。美国这方面已有进展。
  早期的舷侧条带阵实际上就是共形阵。
  舷侧条带阵之所以是线列阵而没有扩大高度成为真正的共形阵,是因为那时候计算机不行。以当时的技术,符合大面积舷侧阵解算性能的计算机其体积可能比潜艇还大。
  舷侧阵声呐每侧的三块阵是否应等距?
  三块阵最好在平行舯体上,也就是说在一个平面上。等距最好,这样三角测算换算方便些。不等距也不是不可以,但对于单壳体潜艇来讲,艇体外表面没有什么设备影响舷侧阵安装,完全有条件找到尽量等距的三个位置,这样三块阵的探测数据取平均值会比用差异较大的三个探测数据取平均值更准确。
  三块阵的水听器数量是否相同?
  相同。这与上面是一个道理,对于军事装备来讲,能标准化尽量标准化。
  “机敏”级的前两块阵距离远小于与后一块的距离,它是如何考虑的?
  “机敏”级的耐压艇体比“洛杉矶”级短,因此前两块阵缩短了距离。这样探测精度要稍低。
  很多装舷侧阵的单壳体潜艇看上去艇体表面前部仍有空间,那么舷侧阵能否再往前蔓延,在潜艇艏艉非耐压壳位置也贴满,以使舷侧阵达到最大间距?
  耐压艇体和非耐压艇体的材料厚度不一样,振动频率也不同。如果在两种艇体材料上都布设舷侧阵,计算机在去耦处理时要增加很多负担。所以能让计算机的解算简化还是要尽量简化。
  舷侧阵声呐如果个别水听器单元受损是否影响探测效果?
  这就像几百根光纤探头组成的探测器,一个探头坏了,图像上会有个小黑点,水听器基阵也是同一道理。
  国外拖曳线列阵声呐有加装主动发射单元的设想,是基于什么考虑?
  拖曳线列阵声呐的总长度在三四百米到七八百米,其中从收放口算起的一二百米是线缆,线缆之后开始设置水听器。因此主动式的拖曳阵声呐,暴露位置离艇体至少一二百米,还不算太危险。但是主动式拖曳阵声呐存在技术瓶颈,例如电能问题。主动声呐的耗电是被动声呐的几百倍,目前拖曳线缆里面的细电缆无法传输。如果像野外高压线那样传输,需要一个巨大的变压器跟在后面,这是不可能的。将金属电缆加粗也能提高输电量,但拖缆必然很重,就无法做到零浮力。潜艇的整条拖曳阵应该保持在一个深度平面上,但实际上拖缆中部很长一段都是轻度下垂的,另外海流冲击会使拖缆在左右向上也不是直线,这些拖缆畸变会造成其上每个水听器探测到的声信号都有区别。因此艇上计算机首先要对拖缆在水中的变形情况进行测定,然后在计算目标方位距离时消除这种误差。
  拖曳阵如果因为输电线缆加粗而导致重量很大,下垂程度会更大,对潜艇的航行就很不利,特别是对机动急转弯影响严重。海底情况复杂,在大陆架海区,七八百米长的拖曳阵如果下垂,完全可能触底,海底岩石等就可能损坏基阵。如果线缆过重而又要保持零浮力,线缆外层就要加浮力材料,线缆就会粗得无法在艇上装下。目前普遍采用的被动式拖曳阵,所需电量很小,电缆可以很细,信号又可用很细的光纤传递,因此拖缆直径很小,还比较便于收放。
  国外还在进行多线拖曳阵的研制,目的是什么?
  多线拖曳阵是指潜艇在艉部同时放出2~4根拖曳阵,它们处于同一竖直面内,分别有不同的下垂度,拖缆越往后高度差越大。这种技术是为解决单条拖曳阵对目标探测的左右舷模糊问题。比如潜艇右侧有一个目标,它的声响从右边传来被拖曳阵探测到了,但同时这个声波也会绕过拖曳阵线缆,从线缆左侧又被拖曳阵探测到,这就造成拖曳阵难以判断声信号的方向。虽然左右来的信号会有微弱的延迟,但一根拖曳阵无法识别出来。解决办法是潜艇拖着拖曳阵转圈,如果声信号不变,就说明当初判定的方向是对的,如果变化了,就说明当初判定的方向是错的。但是潜艇带缆转圈很费劲,对航速有限制,航速过快会使拖缆表面形成漩涡,影响拖曳阵工作。一般带缆航行的速度也就在10节出头。
  多线拖曳阵就是用于解决目前这种不方便的状况。尾部拖带三四根拖缆,上下分开,同时对比探测到的声信号,就不存在左右舷模糊问题。但它的问题也显而易见:目前收放一根拖缆还很费劲, 多根拖缆在潜艇上如何收放?
  下面谈谈这三大部分声呐在潜艇上的适装性问题。
  拖曳阵的安装方式,主要有三种做法。第一种是俄罗斯方式。其实俄艇采用双壳体,两层壳体之间完全可用来收容拖曳阵,但俄潜艇没这么设计,而是在尾垂直舵上方设置一个大纺锤体,里面放绞盘。ⅤⅢ级核潜艇的这个纺锤长6米,直径3米左右。之所以如此大就是因为线缆粗。到了“阿库拉”Ⅱ时,纺锤明显变小了,说明俄罗斯的拖曳阵技术提高了。第二种是美国核潜艇的,一般有一粗一细两条拖曳阵,其中粗缆收在艇背右舷的一条棱线突起内,其收放绞车设置在艏压载水舱里。细缆及其收放绞车设置在艉压载水舱里。第三种方式是澳大利亚“科林斯”级潜艇,它的拖曳阵绞车设在指挥台围壳后的上层建筑内,线缆通到艇艉一根管上。它的绞车是美国造的。拖曳阵自动排缆机构的技术要求很高,收回时不能打卷,放缆时要顺利放出。排缆机构所处的空间里都是水,若出问题艇员无法进去帮忙,因此自动排缆机构的可靠性要求非常高。
  这三种方式不好评价优劣。美国的核潜艇是单壳体,它的压载水舱在一头一尾,因此绞车也只能装在一头一尾。
  舷侧阵的适装性问题也很麻烦。对于单壳体潜艇,只能装在外表面。单壳体本来很光顺,但加装舷侧阵后,艇体表面突起十几厘米,而且突起面积很大,就会造成阻力和噪声增加,不但破坏隐身,还影响舷侧阵自身的工作。舷侧阵设在艇体外部,容易与海中物体碰撞受伤,也容易附着海洋生物。对于双壳体潜艇,舷侧阵可以放在内外壳之间,上述问题就都不存在了,但它又带来新的问题。因为舷问的宽度很大,最突出的如“台风”级,每侧的舷间宽度为3.6米,一般的双壳体核潜艇舷间也有1米多宽,而舷侧阵声呐(含内去耦层、水听器和外去耦层)没那么厚,因此安装时要么贴在耐压壳外侧,要么贴在非耐压壳内侧。如果贴在非耐压壳内侧,由于非耐压壳的厚度较小,碰撞时易变形,海洋动物如鲸甚至海豹等撞非耐压壳一下都可能让它变形,这就可能连带着使舷侧阵受损。如果舷侧阵贴在耐压壳外侧,就与非耐压壳之间隔着水层,信号解算难度就会增加,也影响声呐的性能。
  单壳体潜艇舷侧阵的外面不能再装消声瓦,否则声信号就不能通过。单壳体潜艇外部舷侧阵的厚度要比艇体表面贴消声瓦的部分更厚,因为消声瓦也就三四厘米厚。更薄的是消声涂层,有点像马路上新涂的斑马线的厚度。所以单壳体潜艇舷侧阵仍会突出于艇体表面,阻力和噪声仍是问题。对双壳体潜艇来讲,对应舷侧阵的非耐压壳外侧也不能贴消声瓦或消声涂层,因此像俄DⅢ战略核潜艇舷侧阵位置的非耐压壳外侧装了树脂透声层,能弥补外部消声瓦或消声涂层的高度差。树脂透声层比玻璃钢好,可加工得更均匀。
  再谈谈艏部声呐的适装性。艏部声呐有两种,柱状和球状的。柱状比球状的好处是不影响艏部鱼雷管布置。柱状声呐阵一般是扁圆柱状,鱼雷管可以伸到其上方或下方布置,而球阵自身高度要大干柱阵,因此鱼雷管无法在其上下方布置,只能后撤,这带来很大问题。比如,艇艏鱼雷管如果对着正前方,发射时鱼雷可以直接奔目标而去,而后移的鱼雷管必然有外斜角,在10。左右,发射出去后,鱼雷要修正方向,这给导向目标增加了困难。再如,艏部鱼雷管装填比较简单,有的从外部管口直接送进去就行,从上甲板的人员出入舱口装填也不太费事。而鱼雷管后移后,从上甲板出入舱口装填时,鱼雷要在艇内走之字形倒两道弯才能就位,增加了磕碰危险。有些型号的鱼雷其燃料为液体的,即便是固体燃料,在艇内周转磕碰时也很危险。这是球状声呐导致的缺点。球状声呐的优点是能解决柱状声呐的上下探测盲区问题。柱状声呐的上下表面如果布设水听器,由于它不是球面水听器那样连续过渡,解算起来会很麻烦,计算量太大。所以柱状声呐只有圆柱面布设水听器,探测精度不如球状声呐。
  总体看,潜艇三部分声呐中,舷侧阵的工作环境最恶劣,尤其是每舷侧后部那块阵,因为靠近机舱所以环境噪声很大。环境第二恶劣的是拖曳阵。螺旋桨尾流的冲击使拖缆不断振动,螺旋桨噪声也会影Ⅱ向它的性能。艏部声呐的环境最安静。不过三种声呐有共同的环境问题,近海海域住往是航道、渔业和水产养殖业最发达地区,海水中的海带或箱养鱼等会不断发出超声波,对潜艇声呐有影响。另外,在北极海区,浮冰容易使艏部和舷侧阵声呐受损。
  设计时未考虑装舷侧阵的潜艇在后期加装是否容易?
  舷侧阵是90年代以后的事,像“台风”级的最后一艘在80年代就造好了。而且“台风”级是在北极冰下活动,受本国保护严密,没有舷侧阵也不是太危险。而攻击型核潜艇要深入敌方控制海区作战,因此需要更好的探测能力。用蜜蜂家族来比喻,战略核潜艇像养尊处优的蜂王,攻击型核潜艇像辛苦劳作的工蜂,从这点讲攻击型核潜艇应该比战略核潜艇更优先装舷侧阵。
  但是,设计时未考虑安装舷侧阵的潜艇再想加装困难很大。比如,要考虑安装位置,阵面要远离主机舱。像各种工作辅机,如压气机、空调装置、造水机、通风装置、泵、阀门、液压驱动机构等,都是会产生振动的地方,舷侧阵要远离它们,但如果潜艇在初始设计时未考虑,改装时就不太可能找到合适位置。再如,舷侧阵解算计算机的相应设备,如数据传输线、电源线等在艇上布线是个难题,可能要经过很多舱室。一般人可能认为找个通道布线还不容易?实际上潜艇里找到一块空地都非常困难。布线还要避开一些机械的振动和电磁干扰。还如,加装舷侧阵后,指控中心至少要增加几台显控设备,但这些地方想加张桌子都难。潜艇在应急处置时,要拉警报,艇员迅速跑向战位,因此通路必须畅通无阻,增加显控设备会有影响。此外,加装舷侧阵后,计算机软件都得重新汇总综合,重新做决策指令,会带来方方面面的影响。这些弊端是否会抵消加装舷侧阵带来的好处都是问题。但尽管如此,有些国家还在改装。美国一些潜艇专家认为,21世纪头10年,常规潜艇必须有AIP、舷侧阵、拖曳阵这三大要素。当今国际常规潜艇市场上,这三要素不全的潜艇没人要。
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