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国外水下无人移动装备综合隐身技术研究

原标题:国外水下无人移动装备综合隐身技术研究

转自: 溪流之海洋人生 作者:宋超 刘瑞杰 郑伟伟 刘洋

水下无人移动装备涉及范围广,从广义上来看,水下无人移动装备主要包括各种在水下可以移动(运动)的无人航行体,如无人潜航器(UUV)、鱼雷、水雷、浮标等。隐身性能是体现水下无人移动装备作战能力的关键指标,美国在《2000-2035年海军技术-无人水下移动装备平台规划》及《2013-2038无人系统综合发展路线图规划》中均将隐身技术列为重点发展的6项关键技术之一。鱼雷需要提升隐身性增加打击的突然性,水雷需要提升隐身性规避敌方反水雷装备,浮标需要提升隐身性以在敌对海区隐蔽探测、搜集海洋数据,而UUV随着向大型化、多功能、长航时方向发展,增加了物理场信号特征,更是需要采取隐身措施提升生存能力。由于水下无人移动装备的隐身技术与潜艇具有一定的通用性,因此在介绍隐身技术时将结合潜艇相关隐身技术发展现状作为参考,对当前水下无人移动装备隐身技术进行研究。

水下装备所采取的隐身技术包括声隐身技术和非声隐身技术。其中,声隐身主要包括3个技术方向:低目标强度控制、噪声强度控制以及噪声传播途径控制。其中,低目标强度控制主要有隐身涂层技术和壳体优化技术;噪声强度控制主要采用低噪声设备,如采用低噪声螺旋桨、泵喷推进器、无轴推进装置、全电力推进系统措施等;噪声传播途径控制主要措施有隔振技术,即将机械设备安装于隔振系统。

一、声隐身技术

⒈隐身涂层技术

水下装备隐身涂层技术包括2种:一是针对声探测以橡胶为媒介的声学覆盖层(消声瓦)技术,二是涂层技术,包括多种功能、疏水、反可见光、迷彩等。其中高性能的声学覆盖层不仅能吸收敌方主动声呐的探测波,还能隔离本艇自噪声辐射,是唯一能同时抑制艇体回波和振声响应的关键技术。

作为控制水下目标强度的主要技术装备,声学覆盖层已历经数代发展,但基本按照2种思路发展:一种是材料改进和声学结构相结合,即在改进材料的同时改进其声学结构,使声波更易进入吸声层并使声波在结构中发生波形转换、散射和反射达到声波能量耗散的目的;另一种是仅改进材料或采用复合材料来实现声波能量耗散,例如目前国内外正在研究的声学超材料和超疏水材料。声学超材料具备天然材料不具备的低频带隙特性和超常物理特性。可以实现超强的低目标强度控制。目前国内外基于声学超材料的特性正在探索其在水下声隐身领域的应用,如近年来“隐身斗篷”已由最初设计的规则球状,发展到任意形状,由二维拓展到三维,并且不但能隐身,而且还可以与外界实现信息交流。此外美国还研制了水动力超常材料,以降低潜艇水动力噪声。

超疏水材料方面,1997年,德国波恩大学提出“荷叶效应(lotuseffect)”,此后人们对超疏水表面(通常将接触角大于150°的表面定义为超疏水表面)的研究取得了突出的进展。利用超疏水材料制成的涂层可使潜器外表面具有超疏水性,阻碍水滴的浸润,改变潜器与水的接触状态,防止潜器外表面被水浸湿,进而减少其在水中运行的阻力与摩擦,起到减少潜器水动力噪声及提高水下航速的作用。

⒉壳体优化技术

水下装备的外形结构及其附体决定了其水动力性能,壳体优化可降低水流流经水下装备湿表面产生的噪声,以及冷却水管中流体脉动向水中辐射的噪声,是控制水动力噪声的主要手段。为获得良好的水动力学性能,各国对水下装备外形结构不断进行优化。如传统的鱼雷外形大多是圆柱形,但就水声发射能力来说,圆柱是一种很不利的外形,为了增加隐身性能,增大猎雷声呐的识别难度,国外开始对水雷外形进行优化,不采用传统的圆柱形或圆形,其代表有外形呈扁棱状的瑞典“罗肯”水雷,外形呈圆锥形的意大利“曼塔”水雷等。

图1 瑞典“罗肯”水雷

⒊低噪声设备技术

发动机和推进器是水下装备主要的噪声设备,相比热动力设备,电动力设备不存在齿轮传动等噪声源,具有较突出的低噪声优势。其中电动力鱼雷一般比热动力鱼雷具有更好的隐蔽性,无人潜航器也多采用电动力设备。此外,推进器也是水下装备主要噪声源之一,为减少噪声,水下装备已由最初采用普通螺旋桨逐步发展到采用泵喷推进器,并且开始向无轴泵喷,甚至磁流体推进发展。泵喷推进器使用圆筒将螺旋桨罩住,不易形成涡流和空泡现象,在同等推力下,低频噪声平均要比七叶大侧斜螺旋桨低15dB以上。因此,美、英、法、俄等国海军新服役的核潜艇大都采用泵喷推进器。将来,无轴泵喷实用化后,将直接去掉推进轴,届时将由发电机发电直接驱动无轴泵喷推进器内部的电动机旋转,由于消除了推进轴系的噪声,将有效降低艇上机械噪声。如“哥伦比亚”级战略核潜艇在静音方面做了很大改进,其中一个革命性设计就是引入了涡轮综合电力推进系统,利用涡轮发电机将机械能转换为电能驱动潜艇的螺旋桨,省去了齿轮箱、推进轴等部件,减少了潜艇的一大噪声源。

图2 从七叶大侧螺旋螺桨到有轴喷到无轴泵喷潜艇推进装置

美国在20世纪70年代研制成功了MK48鱼雷,对推进器进行了突破性的改进设计,其中MK48-3以及MK-48-ADCA采用了泵喷推进器,降低了鱼雷噪声、增强了鱼雷隐身性,并且使MK48鱼雷在高速时自导作用距离达2km以上。

图3 MK48鱼雷的泵喷推进器

⒋隔振技术

隔振是水下装备减振降噪普遍采用的方法,其基本原理是通过在振源和受控对象之间设置隔振器来减少受控对象对振源激励的响应。按照控制系统有无外部能源输入,水下装备隔振技术可分为被动隔振、主动隔振和半主动隔振三类。被动隔振无外部能源输入,只在振源与受控对象之间放置弹性装置来减少振动,结构简单、易于实现、可靠性高且经济性好,到目前已经形成了单层隔振、双层隔振和浮筏隔振3个技术方向。

图4 单层隔振装置与双层隔振装置

目前,被动隔振技术的研究主要集中在浮筏隔振技术、阻尼技术和隔振器设计与应用上。美国现役的MK48在MK46鱼雷的基础上采用了一系列的隔振降噪措施,其中之一就是将其主动力装置安装于减振基座上,减小主动力装置振动向壳体的传递。被动隔振技术取得了成功的应用,但其低频隔振能力差,限制其进一步发展。

图5 浮筏隔振装置

主动隔振又称为有源控制,是在被动隔振的基础上,在被控制系统中引入次级振源,通过一定的控制方式控制次级振源的输出,使其产生的振动与主振源的振动相抵消,从而达到减振的目的。如美国海军“海狼”级核潜艇装备主动控制系统后,取得了良好的隐身效果,其装备的浮筏电磁式主动控制系统能有效提高低频隔振性能。但主动隔振系统结构复杂,耗能大,应用范围受到限制。

半主动隔振技术即主/被动混合技术,是20世纪80年代发展起来的新技术。该技术使用控制器控制隔振系统内部参数使隔振系统以被动形式工作,其性能接近主动隔振技术,并且也吸收了被动隔振效果好的优点,且与主动隔振相比需要的外部能量输入少,成本低。目前,半主动隔振技术应用处于研究阶段。

图6 MK48鱼雷隔振降噪措施

二、非声隐身技术

2015年1月22日,美国战略与预算评估中心(CSBA)发布《水下战新纪元》报告,报告认为非声探测技术的出现和扩散使未来水下作战环境更为复杂,给美国水下装备安全带来巨大威胁。为继续保持水下优势,美国不但需要发展水下装备体系,而且水下装备也需要提高包括非声隐身性能在内的各种能力。

⒈磁隐身

水下装备外壳磁场占总磁场比例较高,如潜艇艇体磁场大约占潜艇总磁场的80%左右。因此采用非磁性、低磁且满足性能要求的材料建造水下装备,可以大幅度降低磁场特征。目前,国外已经使用的UUV多采用非磁性和低磁性材料设计,其外层壳体材料主要采用钛合金、铝合金、碳纤维和玻璃钢等非金属材料。不过由于钛合金成本高、加工难度大,满足大潜深深潜要求的低磁钢材料研制技术难度大,因此采用复合材料降低磁信号特征已成为国外海军水下移动装备主要磁隐身技术措施之一。

⒉红外隐身技术

水下装备在航行时产生的尾流显露的是一种低温红外特征,其中,鱼雷和UUV动力推进系统产生的尾流,浮标电子设备工作生成的热量都会逐渐扩散到海水的表面,导致海水的表层温度比表层下或周边海水的水温高,因此降低目标的红外辐射强度,即降低目标的温度,成为实施水下装备红外隐身的途径之一。

此外,还可以采用红外隐身材料来抑制水下装备的红外特征。当前研究较多且应用于军事领域的红外隐身材料主要由具备吸收性能的吸收剂和帮助涂覆在目标上的粘结剂组成,涂覆红外隐身材料的水下装备可以透过探测设备的部分电磁波,使探测设备收到的反射波减少,起到一定的隐身作用。目前的红外隐身材料存在的一个主要问题就是适用范围不够广泛,很难适应未来战场的需要。为此,世界各军事强国纷纷研究覆盖可见光、红外、厘米波和毫米波等波段隐身的纳米复合材料。

⒊雷达隐身技术

水下装备雷达隐身技术主要针对的是装备露出水面的部分,特别是处于水面航行状态UUV和浮标,它们处于水面以上的物理尺寸虽然较小,但其雷达反射截面却远大于其物理尺度,需要采取雷达隐身措施,缩减被敌方雷达探测的距离。目前,水下移动装备雷达隐身技术较为成熟,主要包括雷达隐身外形优化技术和涂敷雷达吸波材料技术。其中,雷达吸波材料(RAM)是能够吸收和衰减由空间入射的电磁波能量,使之减小或消除的一种复合材料。目前国外水下装备的指挥台围壳、潜望镜和通气管等部位都涂敷雷达吸波材料,大幅度减小了雷达探测距离。例如美海军“鲟鱼”级攻击型核潜艇“黄貂鱼”号,在涂敷了反雷达涂层之后,减少了雷达反射15~20dB。

三、结语

当前,世界范围内声探测、非声探测技术迅速发展,水下移动装备的隐蔽性正在面临严峻挑战。随着潜艇进入安静型或准安静型阶段,中大型水下无人航行器在此基础上发展同样属于高安静型装备,而小型无人航行器具备自身特征信号优势,水下装备声隐身技术已臻成熟,未来非声隐身能力将逐步成为水下移动装备保证高隐蔽性的关键。

总体来看,国外水下移动装备综合隐身性能以声、磁信号控制为发展重点,同时注重雷达、红外信号处理目前,在声呐、磁探测器、雷达、红外探测仪等众多针对水下目标探测手段中,以声探测设备声呐发展的最为成熟,磁探测设备发展次之,雷达、红外探测设备发展稍逊。无人潜航器体积小、辐射噪声低,声隐身上主要考虑对中高频主动声纳的隐身能力,非声隐身技术是水下无人系统隐身技术主要发展方向,其中磁隐身技术是其发展重点,降低或消除自身的磁信号特征,使其不被探测设备发现,或缩短被发现的距离,从而提高生存概率。同时,随着磁隐身技术逐渐发展成熟以及雷达、红外探测设备的不断发展进步,目前,很多国家在磁隐身的基础上,开始重视发展雷达、红外隐身技术,希望能够通过降低雷达、红外信号特征,继续提高无人潜航器隐身性。

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