國外潛艇拖線陣聲吶的發(fā)展特點及趨勢

張國棟馬敬廣

（1.第七一五研究所，杭州，310012；2.海軍駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州，310012）

國外潛艇拖線陣聲吶的發(fā)展特點及趨勢

張國棟1馬敬廣2

（1.第七一五研究所，杭州，310012；2.海軍駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州，310012）

根據(jù)現(xiàn)有的公開技術(shù)資料，對主要西方國家的潛艇拖線陣聲吶的發(fā)展概況、技術(shù)特點進行了介紹和分析，并粗略預測了其發(fā)展趨勢。

潛艇；拖線陣；聲吶；綜述

1 潛艇拖線陣聲吶的發(fā)展概況

由于拖線陣聲吶的兩個內(nèi)在特點（基陣孔徑不受平臺空間尺度限制，適合低頻工作；可選擇有利工作深度，背景干擾?。沟迷撔吐晠扰c其他常規(guī)聲吶相比，探測能力大為提高；再加上艦（艇）降噪技術(shù)對1000 Hz以上輻射噪聲的大幅抑制，更凸顯了拖線陣聲吶在低頻段的性能優(yōu)勢。因此，拖線陣聲吶雖起步較晚，但已迅速成為水面艦艇、潛艇的主要聲吶裝備之一。西方主要發(fā)達國家的潛艇拖線陣聲吶經(jīng)過五十多年的發(fā)展，都有各自的系列型譜。美國的型譜最多，具體情況參見圖1[1]。國外主要的拖線陣型號及裝備情況參見表1[2]。

圖1 美國潛用拖線陣聲吶年譜

表1 各國潛艇拖線陣聲吶裝備概況

備注：（1）部分被TB-29A替代，部分對濕端基陣改造升級； （2）Seawolf級保留TB-29，其它裝備TB-29A；（3）用于替代TB-16，2009年啟動生產(chǎn)； （4）泰利斯水下系統(tǒng)有限公司的前身是湯姆遜馬可尼聲吶有限公司；（5）還將替換Trafalgar級的Sonar 2046；（6）濕端纜陣只能采用掛帶式（clip-on），已停產(chǎn)。

2 潛艇拖線陣聲吶的技術(shù)特點

潛艇拖線陣聲吶研制初期，只是將水面型拖線陣簡單照搬/安裝到潛艇上。在前蘇聯(lián)與美國對抗時期，沒有暴露太多問題，但隨著前蘇聯(lián)的解體，大洋深處的核潛艇激烈對抗不復存在。海狼級潛艇建造計劃被多功能、多用途的弗吉尼亞級潛艇代替。瀕海作戰(zhàn)成為新的作戰(zhàn)需求，潛在戰(zhàn)場前推至除美國外的各國周邊。作戰(zhàn)需求和模式的變化，導致原有潛艇拖線陣聲吶的問題開始凸顯：（1）聲吶參數(shù)設計不夠優(yōu)化，導致使命、任務的遂行海區(qū)嚴重受限；美國TB-16專門就此開展了多輪改進工作，并將進一步由TB-34來取代。（2）聲吶的可使用性被嚴重忽略，任務可靠性低，使用安全性差，甚至出現(xiàn)設備完全失效。以德國TAS-83和DSUV-62C的掛帶式配置最為明顯，而英國廣泛裝備Vanguard、Trafalgar、Swiftsure級潛艇的2046和加拿大的SUBTASS，也因纜陣收放分系統(tǒng)的缺陷而倍受質(zhì)疑。（3）柔性基陣（尤其是轉(zhuǎn)向過程）的探測精度，及與殼體基陣的聯(lián)合、相干處理問題。下面將針對潛艇拖線陣聲吶的體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點進行分析。

2.1 濕端纜陣

拖線陣聲吶的濕端纜陣，由于使用時遠離平臺，并能利用纜長/航速關系調(diào)整工作深度，易于獲得較低噪聲背景和良好信道條件。當然，這些優(yōu)越性的獲取條件是必須在拖線陣的有限體積空間內(nèi)完成全部的換能器/傳感器陣列、電源網(wǎng)絡、信號調(diào)理和遠程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的實現(xiàn)，技術(shù)復雜。

隨著艦（艇）降噪技術(shù)的快速發(fā)展，為保證在一定警戒范圍內(nèi)對低噪聲/安靜型目標的有效探測，進一步的頻率下移和孔徑增加成為必然，并直接催生了細長線陣（TLTA）。國外主要拖線陣聲吶的濕端纜陣聲學參數(shù)詳見表2。目前單一潛艇平臺的拖線陣配置正在發(fā)生改變，大型潛艇逐漸將兩套拖線陣作為標配。因此，現(xiàn)有潛艇的拖線陣配置模式有兩種：（1）單條拖線陣，包括英國的Walrus、Vanguard、Trafalgar、Swiftsure級潛艇，法國的Rubis、Agosta 90B（為巴海軍建造），德國的209、212A、214，以及加拿大、澳大利亞、西班牙、日本等國家的潛艇都是如此。（2）兩條拖線陣，例如美國全部現(xiàn)役的Los Angeles、Ohio、Seawolf、Virginia級潛艇都配置有TB-16粗線陣和TB-23或TB-29（A）細線陣，且一粗一細的配置可能一直要延續(xù)下去。英國的Astute級潛艇，從文獻介紹和資料圖片看，也是兩條拖線陣的配置，但具體方案不詳。其前期論證時，曾仔細考察了美國海軍的TB-29A，并將其與由2076一體化聲吶系統(tǒng)發(fā)展而來的粗線陣聲吶方案一起作為機敏級潛艇的拖線陣聲吶備選方案。

表2 多型拖線陣聲吶的濕端纜陣聲學參數(shù)

基于潛艇隱蔽性的考慮，各國現(xiàn)役拖線陣聲吶均為被動型，其線狀纜陣（拖線陣通常采用與海水等比重設計，而拖纜比重與海水相當或略大）也都采用臨界角拖曳方式，因此拖線陣的實際工作深度取決于兩個因素：（1）潛艇潛航深度；（2）潛艇航速與放纜長度的對應關系。因此，濕端纜陣的該項參數(shù)設計對聲吶的任務遂行能力和可執(zhí)行任務的海區(qū)限定至關重要。從表2備注（1）可以看出，TB-16的拖纜比重較大，這與大致同期的DSUV-62C及后續(xù)的各型設備都采用輕質(zhì)或中性浮力拖纜有明顯不同。曾有多篇報道稱該聲吶在低航速下由于拖線陣和母艇間存在明顯的深度差，嚴重限制了該聲吶在淺水區(qū)域的作業(yè)能力，針對該問題，美國海軍組織進行了大量的改進工作。

需要贅述的是，雖然拖線陣聲吶相對于殼體聲吶而言，其孔徑可提高數(shù)倍甚至達數(shù)量級，但終歸要受到平臺安裝存儲空間的限制，而且這一限制是對纜陣的總體積而言的，即拖纜長度×截面積（直徑）與拖線陣長度（孔徑）×截面積（直徑）的總和。對拖線陣孔徑最大化的追求一直是持續(xù)的（除非是受到水聲信號相關性的制約），因此，必須考慮降低拖纜長度、直徑和拖線陣直徑（當然，減小直徑更為有效）。

（1）拖纜。其直徑主要取決于銅截面（傳輸功率），即受到拖線陣規(guī)模、陣內(nèi)電子器件電源種類/功率和數(shù)據(jù)傳輸方式等的限制。拖纜長度則主要取決于平臺噪聲水平和拖線陣對平臺噪聲的抑制水平。從TB-23的915 m纜長到TB-29的580 m再到TB-29A的365 m，可以看出，其平臺噪聲水平是不斷降低的，TAS-90的拖纜僅250 m說明了德國212A、214常規(guī)動力潛艇的低噪聲水平。

（2）拖線陣直徑。拖線陣的拖曳流噪聲隨速度提高增長快速并將嚴重影響探測性能，其直徑選取不能一概而論，需綜合考慮使用航速要求、平臺噪聲變化情況、拖線陣噪聲抑制水平等諸多因素。因此，各國的拖線陣直徑選取各有特點：美國是粗細兼?zhèn)洌═B-16為82.5 mm，TB-23、TB-29（A）是38 mm）；其它國家則是基于上述多種因素的綜合折中，其直徑一般在50～80 mm之間。

由于濕端纜陣采用可收放式是不變的趨勢，因此濕端纜陣設計的另一關注重點就是與纜陣收放系統(tǒng)的適配問題。這關系到設備可靠性、任務成功率甚至安全性，尤其是拖線陣的強度結(jié)構(gòu)設計和專用的尾部結(jié)構(gòu)設計等。圖2、圖3是英國、德國的拖線陣的典型外部強度設計形式。

圖2 英國拖線陣段的外部強度設計形式

圖3 TAS-90的絞車和拖線陣

2.2 纜陣收放分系統(tǒng)（TAHS）

拖線陣聲吶的最初性能驗證是在掛帶條件下完成的，因此一段時期內(nèi)掛帶式（clip-on）廣泛存在，如德國207/209潛艇的TAS-83，法國出口巴基斯坦的Agosta 90B配備的lamproie（DSUV-62C的商用名）。隨著拖線陣使用頻率的提高，該方式的問題凸顯-使用及維護均耗資巨大。相比之下，配備了纜陣收放分系統(tǒng)的拖線陣聲吶，不僅避免了每次掛帶、拖曳纜陣的人力物力和操作風險，而且可以根據(jù)任務海域的特點及水文條件調(diào)整到最佳探測狀態(tài)，便于設備作戰(zhàn)使用效能的發(fā)揮。

美國現(xiàn)役的Los Angeles、Seawolf、Virginia級潛艇的水下排水量在7000～9000 t左右，Ohio級潛艇18000 t，因此從首套TB-16至今，均含有纜陣收放分系統(tǒng)。雖然美國有多型拖線陣聲吶，但其纜陣收放分系統(tǒng)只有兩型：（1）OK-276拖線陣收放分系統(tǒng)，適配TB-16、TB-34等粗線陣；（2）OA-9070[3]拖線陣收放分系統(tǒng)，適配TB-23、TB-29（A）等細線陣。但早期的OK-276安裝在艇背的中部以前，而OA-9070安裝布置在潛艇尾部主壓載水艙；并且，從文獻資料看，Los Angeles上是液壓驅(qū)動的OA-9070A，而Virginia上使用了全電驅(qū)動的OA-9070E（見圖4，這是全電力艦船發(fā)展的必然結(jié)果）。

圖4 美國Virginia級潛艇的OA-9070E

英國Walrus級潛艇的2026采用掛帶式，Vanguard、Trafalgar、Swiftsure級潛艇的2046拖線陣聲吶已設計專用收放分系統(tǒng)，而最新的Astute級潛艇[4]，從其資料圖片看，兩條拖線陣中，一條為可收放式，另一條可能是掛帶式。其收放分系統(tǒng)的安裝布置與美國潛艇類似（圖5）。

圖5 英國Astute級潛艇的拖線陣聲吶纜陣收放分系統(tǒng)

圖7 加拿大Oberon級潛艇的拖線陣聲吶纜陣收放分系統(tǒng)

德國的212A、214潛艇，雖然從動力、噸位看，與美、英兩國的平臺條件差距甚遠，但從其尾部安裝布置的TAS-90拖線陣聲吶收放分系統(tǒng)可知該聲吶的重要性（圖6）。由于該型潛艇廣泛出口，其技術(shù)參數(shù)公開程度較高：相對于排水量1700 t左右的局促艇體空間，在尾部雙層殼體之間安裝了占空2.1 m×2.4 m×1.15 m、重量大于3 t的絞車及全套機構(gòu)。與此形成對比的是俄羅斯Akula、Victor Ⅲ等潛艇，其尾部專為拖線陣聲吶收放系統(tǒng)設計了導流罩[5]，這固然凸顯了該設備的重要性，但卻對總體性能（如航速、噪聲等）帶來諸多不利影響，最終該設計不得不取消。

圖6 德國212A、214潛艇的TAS-90

除上述類型，配備纜陣收放分系統(tǒng)的還有加拿大Oberon級潛艇的SUBTASS（圖7）和澳大利亞Collins級潛艇[6]的TB-23F（圖8）。該兩套收放分系統(tǒng)的特點是：纜陣絞車均安裝在潛艇背部指揮臺圍殼后的雙層殼體之間，通過橫跨至潛艇尾部的輸送機械和導管將纜陣釋放或回收。

圖8 澳大利亞Collins級潛艇的拖線陣聲吶纜陣收放分系統(tǒng)

文獻[4]對潛用TAHS作了深入的分析和探討，認為TAHS的最終目標是在提供最大容纜量的同時必須能可靠、無損地收放纜陣。因此，以下兩點在設計時需重點關注：（1）如Oberon級潛艇TAHS的遠距離、分散布局不可取，這樣設計的系統(tǒng)，其內(nèi)部的摩擦和阻尼必然增加系統(tǒng)復雜度，大張力、夾持式的牽引裝置（traction devices）將不可避免地對纜陣造成（磨損、皺褶等）損傷。（2）尾部集中式布置為低阻尼初始釋放提供了可能。注水（flushing）推出技術(shù)（TAS90同樣使用）、低張力牽引技術(shù)得以應用，并與專門設計的拖線陣尾部結(jié)構(gòu)適配，并稱可延長拖線陣的使用壽命7~14年。但是，尾部集中式布置的收放系統(tǒng)必然對潛艇的結(jié)構(gòu)設計帶來更大影響，甚至需要將拖線陣收放系統(tǒng)的設計方案與潛艇艇體的設計一體、同步進行。

2.3 聲吶的體系結(jié)構(gòu)及功能定位

濕端纜陣和收放分系統(tǒng)都是必不可少且地位獨立的；而干端設備，尤其是信號處理和顯示控制，隨著體系開放度和綜合處理要求的不同，表現(xiàn)得各有差異。但大致變化趨勢明顯，即原先獨立完整、單部聲吶獨享的模式被打破，共享、動態(tài)重構(gòu)的全艇綜合（聲吶或作戰(zhàn)）處理系統(tǒng)正在形成（如美國的AN/BQQ-10聲吶系統(tǒng)），各部聲吶的聲基陣、處理功能正逐步趨于組件化。與聲吶體系結(jié)構(gòu)同時變化的，就是其功能定位，在傳統(tǒng)的遠程警戒功能基礎上，提出了更多的功能、性能要求。

美國即將替代TB-16的TB-34，將采用與本艇殼體聲吶頻帶疊加的陣內(nèi)相干處理技術(shù)以大幅提高探測目標的方位精度；要求聲吶必須具有分辨水下或水面目標的能力，目標深度精度在±15 m內(nèi)；同時還要求僅通過一次拖曳，就能確定接觸目標的聲線到達角，并提供方位與距離（精度20%以內(nèi)）信息，以及解決轉(zhuǎn)向過程中的目標跟蹤問題等。

3 潛艇拖線陣聲吶發(fā)展趨勢預測

設備的發(fā)展終歸由戰(zhàn)術(shù)需求來引領，對于核動力和常規(guī)動力的不同等級平臺，其需求可能截然不同甚至相反：對于相對低速、低噪聲且空間嚴重受限的常規(guī)動力平臺，主要考慮航速范圍內(nèi)單條拖線陣孔徑的最大；而核動力平臺，可能在現(xiàn)有一粗一細（很可能是分時使用）配置的基礎上，真正實現(xiàn)雙線陣甚至體積陣配置，在遠程探測基礎上大幅提高目標識別/定位能力和精度，實現(xiàn)從警戒到戰(zhàn)術(shù)引導的跨越。

還有兩點潛在趨勢值得一提：（1）纜陣的拖曳模式?，F(xiàn)有系統(tǒng)固然都是采用臨界角拖曳，但是，對于隱蔽航行在水下一定深度的潛艇，此種拖曳方式無法利用其潛深至水面這一段的水文傳播條件（如表面聲道），因此主動控制的變深拖曳方式才能最大限度發(fā)揮潛用拖線陣的使用效能。（2）潛用主被動拖線陣。線狀的主動發(fā)射陣本身有研制基礎，但只有在平臺使用觀念發(fā)生巨大變革時才可能變?yōu)楝F(xiàn)實。德國已走在前面。

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[5] 王新森. 點評美俄諸國潛艇拖線陣[J]. 艦船知識,2010(8):63-69.

[6] PASALIC NEDIM. Towed-array handling system on collins-class submarines[J]. Sea technology, 2001, 42(11).