歐洲某型艦殼聲納水管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

宋靠華，浦紅燕，羅雯軍

（701研究所上海分部，上海 201108）

0 概 述

水面艦艇反潛系統(tǒng)的聲納配置側(cè)重于被動式拖曳線列陣聲納和主動式球鼻艏艦殼聲納，這種方式可以保證主動和被動方式互相補充，相得益彰。例如美國海軍的 AN/SQR-19戰(zhàn)術(shù)拖曳線列陣聲納和AN/SQS-53線列聲納（A、B和C型）；英國海軍的2031型拖曳線列陣聲納和2050型（或2016型）艦殼聲納。

艦殼聲納是將換能器基陣固定安裝在艦底的球鼻艏導(dǎo)流罩內(nèi)，聲納換能器是大多數(shù)水面艦艇的主要水下目標(biāo)探測工具?；谂灇ぢ暭{換能器正常工作時周圍的流體介質(zhì)是水，因此球鼻艏導(dǎo)流罩內(nèi)的水環(huán)境[1]（包括液位高低、壓力高低、水流噪聲及是否有氣泡等）將直接影響聲納能否正常工作、性能發(fā)揮的好壞和作用距離的遠近，對此歐洲某型艦殼聲納生產(chǎn)廠商對該型艦殼聲納水工作環(huán)境提出了自己的要求和設(shè)計理念，并且把為滿足和優(yōu)化該型艦殼聲納水工作環(huán)境條件而設(shè)計的系統(tǒng)稱為“聲納水管理系統(tǒng)”。

1 歐洲某型艦殼聲納水管理系統(tǒng)的設(shè)計方案

艦殼聲納水管理系統(tǒng)主要包括：注水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、氣泡排出系統(tǒng)、水位報警系統(tǒng)及穩(wěn)壓系統(tǒng)等。

根據(jù)廠商的要求及建議，結(jié)合以往對艦殼聲納水管理系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，該型艦殼聲納水管理系統(tǒng)的設(shè)計方案見圖1。

1.1 注水系統(tǒng)

艦殼聲納換能器運行的前提是要求聲納換能器艙內(nèi)注滿水，為了更好地發(fā)揮聲納性能，廠商要求艙內(nèi)所注水的性質(zhì)與艙外相同，即艙外是淡水則艙內(nèi)也應(yīng)注淡水，艙外是海水則艙內(nèi)也應(yīng)注海水，為了滿足這一要求，注水系統(tǒng)設(shè)有淡水和海水注入2套管系方案：

1)淡水海水均可直接來源于艦外，因為聲納換能器艙在水線以下；

2)淡水也可來源于艦內(nèi)洗滌水系統(tǒng)，海水也可來自艦內(nèi)日用海水系統(tǒng)。

1.2 排水系統(tǒng)

艦殼聲納換能器在檢修時必須將艙內(nèi)注水排出舷外，為此，排出途徑有2種選擇：

1)設(shè)置一臺具有一定自吸高度的獨立排水泵將換能器艙內(nèi)的水排至舷外；

2)結(jié)合艦疏排水系統(tǒng)，通過聲納換能器艙所在艙段排水泵（一般為移動式潛水電泵）將艙內(nèi)水排至舷外；或在聲納換能器艙內(nèi)低位處設(shè)一艙底水吸入口，通過聲納換能器艙所在艙段疏水泵（一般為 噴射泵）將艙內(nèi)少量積水排至舷外。

圖1 聲納水管理系統(tǒng)

1.3 氣泡排出系統(tǒng)

常規(guī)注水過程不可避免夾帶氣泡，而氣泡也不可能在完成注水的同時立刻浮游到聲納平臺并通過透氣管排至艙外[2]。氣泡的存在無疑是有害的，主要有2個方面：

1)球鼻艏內(nèi)有氣泡，當(dāng)聲功率發(fā)射時，氣泡易造成二次反射，使球鼻艏內(nèi)產(chǎn)生混響，從而對聲納探測目標(biāo)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾；

2)當(dāng)氣泡位于聲納換能器基陣表面時，會導(dǎo)致聲功率發(fā)射不出去，將基陣本身燒壞。

為了消除氣泡對聲納換能器的影響，讓氣泡徹底排出換能器艙，可采用以下2種方法：

1)當(dāng)艦船接收出航任務(wù)較早時，聲納換能器艙可以提前幾天注滿水，氣泡在靜置幾天的過程中通過透氣管排出換能器艙；

2)沿著聲納平臺及聲納換能器基座內(nèi)表面及基座內(nèi)表面最高點盡量均勻地多設(shè)幾路聲納換能器艙透氣支管，確保氣泡在注水及航行過程中以最快速度排出換能器艙。

1.4 水位報警系統(tǒng)

為了保證聲納換能器艙在聲納工作時始終灌滿水并能隨時監(jiān)測艙內(nèi)水位，需設(shè)置水位報警指示系統(tǒng)。方案有2種：

1)水位報警系統(tǒng)可設(shè)置在聲納控制室，當(dāng)水位低于高位時，應(yīng)有聲或光報警（報警按鈕兼具復(fù)位功能），因為當(dāng)艙內(nèi)沒有注滿水時會直接損害聲納換能器，而艙內(nèi)沒水時將危害整個聲納系統(tǒng)。判斷水是否注滿可通過安裝在氣泡排出管路上的液位觀察鏡直接觀察。

2)可在主甲板下的氣泡排出管路上設(shè)置一個容積不小于聲納換能器艙容積百分之一的液位顯示器，當(dāng)液位處于低位時，開始注水，當(dāng)液位處于高位時，停止注水。

1.5 穩(wěn)壓系統(tǒng)

艦殼聲納水管理系統(tǒng)還包括一個穩(wěn)壓系統(tǒng)，每型艦殼聲納都有工作壓力要求，該型艦殼聲納要求艙內(nèi)壓力約為1個大氣壓。要實現(xiàn)艙內(nèi)穩(wěn)壓，注水水源壓頭必須高于聲納換能器艙內(nèi)要求的壓力值，根據(jù)這一要求選擇注水水源，無論注水水源來自舷外，還是艦內(nèi)，穩(wěn)壓系統(tǒng)設(shè)計有以下2種：

1)基于注水端壓力不可控，選擇在溢流端控制壓力，在氣泡排出總管上設(shè)一溢流支管，溢流支管上設(shè)置穩(wěn)壓應(yīng)急排出閥，該閥的穩(wěn)壓值為艙室要求壓力值。

2)選擇注水端控制壓力，由穩(wěn)壓裝置代替注水閥，取消溢流用應(yīng)急排出管系及相應(yīng)閥件，見圖 2。自動平衡式調(diào)壓閥的閥后壓力為艙室要求壓力值。

圖2 穩(wěn)壓裝置

2 聲納水管理系統(tǒng)設(shè)計比較

2.1 注水系統(tǒng)

如注水水源直接來自舷外，則系統(tǒng)管路較短，淡水海水可以共用一套管系，在減重上有優(yōu)勢，且水的流量比較穩(wěn)定。但是系統(tǒng)相關(guān)閥門要安裝在水線以下不易到達的部位，并且還要增設(shè)舷側(cè)進口壓縮空氣吹除系統(tǒng)。

如淡水水源來自艦洗滌水系統(tǒng)，海水水源來自艦日用海水系統(tǒng)，則系統(tǒng)管路較長，且艦內(nèi)系統(tǒng)用戶端很多，因此水流不是很穩(wěn)定?；谶@兩路水源均有一定壓力，注水閥可設(shè)置在艦員易達的部位，無需設(shè)置壓縮空氣吹除系統(tǒng)。

2.2 排水系統(tǒng)

如采用獨立排水泵排水，還要設(shè)置一套固定管系，這樣還需考慮設(shè)備的安裝布置，顯然這對總布置是不利的。

如利用疏排水系統(tǒng)對聲納換能器艙進行疏排水，則無需增設(shè)任何設(shè)備及管系即可實現(xiàn)排水，這對總布置是有利的，而對操作者而言，只需在啟動排水系統(tǒng)前先將移動式潛水電泵搬運至相應(yīng)位置。

2.3 氣泡排出系統(tǒng)

根據(jù)規(guī)范要求：凡裝有注入、抽吸、浸水或泄水設(shè)施的所有艙室和艙柜，均應(yīng)設(shè)置通氣設(shè)施，因此聲納換能器艙原本就設(shè)有一根透氣管，而該透氣管可兼作氣泡排出管路及溢流管路，這樣氣泡排出系統(tǒng)就較為簡單；但實際上氣泡是分散貼附在聲納換能器艙的頂部，見圖 3。如要氣泡積聚到唯一一根透氣管處，將氣泡徹底排出艙內(nèi)，無疑時間會很長，且氣泡排出效果較差，如遇任務(wù)緊急，這種設(shè)計是不能滿足要求的。

圖3 氣泡在聲納換能器艙內(nèi)積聚

如按圖1所示，在聲納平臺表面及聲納換能器基座內(nèi)表面均勻地多設(shè)幾路透氣支管，其中必須有一路在整個球鼻艏平臺最高處，在換能器前后及基座上方至少各設(shè)一路透氣支管，即3路支管才可保證空氣從各個氣管中快速排出，保證最高平面也能灌滿水。

2.4 水位報警系統(tǒng)

按第1種方案實施，無疑集成度提高，可控度加大，聲納系統(tǒng)正常工作得到保障，但為此多了一套相應(yīng)的電氣報警系統(tǒng)。

按第2種方案實施，將意味著當(dāng)聲納換能器運行時，隨時都要有艦員到指定地點監(jiān)測液位并操作，相當(dāng)于多一個戰(zhàn)位。

2.5 穩(wěn)壓系統(tǒng)

方案1，系統(tǒng)較為簡單，操作也很方便。

方案2，系統(tǒng)較為復(fù)雜，操作也較為復(fù)雜，但此方案對穩(wěn)定艙內(nèi)壓力設(shè)有雙保險：即當(dāng)自動平衡式調(diào)壓閥出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)仍可通過對旁通閥、安全閥及泄放閥的操作使艙內(nèi)壓力達到預(yù)期要求。

3 結(jié) 語

通過以上對該型艦殼聲納水管理系統(tǒng)設(shè)計方案的分析及比較，形成如下結(jié)論：

1)根據(jù)操作簡單、人員易達原則，注水系統(tǒng)按方案2進行設(shè)計較為可行；

2)針對艦艇艙容緊張的現(xiàn)狀，加上排水系統(tǒng)基本是在執(zhí)行任務(wù)結(jié)束后運行，因此排水系統(tǒng)按方案2進行設(shè)計較為理想；

3)基于氣泡的存在對聲納換能器不利，因此氣泡排出系統(tǒng)按方案2設(shè)計，可在最大程度上減少氣泡對聲納換能器性能正常發(fā)揮的影響；

4)基于水位是否達標(biāo)直接影響聲納換能器及聲納系統(tǒng)，因此對聲納換能器艙的水位監(jiān)測和控制是相當(dāng)重要的，雖然方案2沒有電氣部分，但在艏部這么惡劣的環(huán)境條件下設(shè)置一個戰(zhàn)位有悖人性化設(shè)計的原則，而且聲納操作人員因?qū)λ粓缶欠竦玫浇獬裏o法作出及時判斷而影響正確操作，因此方案1是可行的；

5)穩(wěn)壓系統(tǒng)設(shè)計中，方案1比方案2少一道穩(wěn)壓保險，即如果穩(wěn)壓應(yīng)急排出閥出現(xiàn)故障，則艙內(nèi)壓力不可控?；谠撔团灇ぢ暭{要求艙內(nèi)壓力為 1個大氣壓，因此按方案1設(shè)計系統(tǒng)操作和布置都較為簡單。但其它型號的聲納要求艙內(nèi)壓力高于1個大氣壓，則方案2更為保險。

總之，艦殼聲納水管理系統(tǒng)是一個綜合性系統(tǒng)，其設(shè)計的好壞直接影響聲納換能器性能的正常發(fā)揮及整個聲納系統(tǒng)的正常運行。

艦殼聲納除了受球鼻艏內(nèi)部工作環(huán)境的影響[3]，還受本艦自噪聲、混響、空化噪聲、湍流噪聲和惡劣海況的影響；其探測效能受表面水層溫度變化的影響，以及尺寸受到護衛(wèi)艦球鼻艏尺寸的限制等等，都很難探測到溫躍層以下的潛艇。由此可見，要想艦殼聲納功能得到正常發(fā)揮，改善艦殼聲納本身的裝艦環(huán)境和工作環(huán)境都顯得尤為重要。

[1] 田 坦，劉國枝，孫大軍.聲納技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2000.

[2] 惠俊英，生雪莉.水下聲信道（第2版）[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[3] Waite, A.D.實用聲納工程（第三版）[M].王德石，等.北京：電子工業(yè)出版社，2004.