國外魚雷聲隱身技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

張 弛, 張志民

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國外魚雷聲隱身技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

張 弛1, 張志民2

(1. 海軍裝備部, 北京, 100073; 2. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075)

為了促進國內魚雷聲隱身技術的發(fā)展, 在介紹魚雷聲隱身意義和特點的基礎上, 歸納了國外魚雷聲隱身技術的發(fā)展現(xiàn)狀, 特別對俄羅斯和美國魚雷聲隱身技術的研究熱點進行了詳細闡述, 分析了魚雷聲隱身技術的發(fā)展趨勢: 不斷完善聲隱身技術研究體系; 更加重視聲隱身機理研究; 加大新材料和新工藝應用研究投入; 有序提升試驗技術能力。

魚雷; 聲隱身; 發(fā)展趨勢

0 引言

魚雷是由攜載作戰(zhàn)的平臺在發(fā)現(xiàn)目標后發(fā)射入水, 能夠在水下自動航行、尋的與跟蹤, 用以攻擊摧毀水面或水下目標的水中武器, 具有隱蔽性好、破壞威力大、命中概率高以及受海洋環(huán)境影響復雜等特點[1]。魚雷可以由多種平臺攜帶使用, 主要包括水面艦艇、潛艇、直升機、固定翼飛機等, 并可通過火箭助飛實施遠距離攻擊。魚雷還可由水雷、無人水下航行器等攜帶, 實施隱蔽打擊[2]。隱身性能是現(xiàn)代魚雷的重要性能之一, 也是當前魚雷發(fā)展的重要趨勢, 無論是自導魚雷還是線導魚雷, 其噪聲對魚雷的戰(zhàn)斗性能都會產生重大影響, 魚雷攻擊隱身已成為水下隱身作戰(zhàn)的重要組成部分。魚雷的隱身技術、制導技術和動力技術共同構成現(xiàn)代魚雷的標志性技術, 分別決定了魚雷武器的生存性能、精確打擊能力和打擊范圍, 成為衡量現(xiàn)代魚雷先進性的重要標志。

魚雷輻射噪聲大時, 敵方艦艇可在較遠距離報警, 并及時采取機動、干擾、誘騙和攔截等對抗措施, 大幅降低魚雷命中概率和平臺生存性, 魚雷輻射噪聲總聲級的增加, 極大增大了敵方聲吶的報警距離, 為目標機會規(guī)避增加了時間。研究認為, 魚雷輻射噪聲每增加6 dB, 對方魚雷報警距離約變?yōu)樵瓉淼?倍[3]。線導魚雷輻射噪聲增大會在一定距離上遮蓋目標噪聲, 影響本艇聲吶對目標的探測跟蹤, 降低線導魚雷的導引和攻擊效果, 甚至使導引無法進行[4], 若魚雷輻射噪聲下降5 dB, 命中概率將提高25%[5-6]。魚雷自噪聲增大還會干擾魚雷自導系統(tǒng)的尋的, 明顯降低魚雷聲自導的探測距離, 大幅降低命中概率[5]?？梢? 魚雷噪聲對發(fā)射平臺的安全性、魚雷攻擊的隱蔽性、線導導引的有效性和自導性能均具有重要影響, 發(fā)展魚雷的聲隱身技術意義重大。

1 魚雷噪聲組成及特點

魚雷作為一個水下高速運動的航行體, 其噪聲與動力推進系統(tǒng)的振動、流體在表面的摩擦和脈動等是不可分割的。魚雷的噪聲源有振動引起的殼體聲輻射噪聲、流體動力引起的流噪聲、推進器噪聲及熱動力魚雷特有的排氣噪聲, 引起魚雷殼體振動, 且輻射噪聲的主要振動噪聲源是魚雷動力系統(tǒng)的發(fā)動機或電動機, 海水泵、燃料泵、滑油泵、減速器等輔機以及傳遞途徑中的軸系和管路等。魚雷噪聲可以分為結構分量和流體動力分量, 兩者對魚雷外場輻射噪聲的貢獻大小取決于具體的魚雷類型、結構、航行方式及應用條件。

魚雷聲隱身技術難度很大, 主要體現(xiàn)在: 1)相對其他水下平臺, 魚雷質量和尺寸均受到嚴格限制, 但其內部的組部件種類多、內部空間狹小、布局密集, 很多常用的減振降噪措施都難于實施;2) 魚雷航速高, 所需的輸出比功率大, 推進器轉速高, 本質上易于形成高噪聲。相較于低速航行的水下航行器, 其降噪難度更大。隨著魚雷武器作戰(zhàn)能力的不斷提升, 伴隨魚雷航速的提高, 動力裝置的功率不斷增大, 從而導致魚雷的外部輻射噪聲不斷增大, 魚雷的降噪難度也不斷增大。

2 聲隱身技術研究現(xiàn)狀

魚雷聲隱身技術既包括理論分析、模型構建和數(shù)值計算, 也包括產品設計制造以及試驗、測試和評估, 因此, 發(fā)展魚雷的聲隱身技術是一項復雜的系統(tǒng)工程, 在技術體系、研究設施、人才隊伍建設等方面必須付出巨大努力。及時了解國外魚雷減振降噪技術的發(fā)展現(xiàn)狀, 對國內的魚雷聲隱身技術工作能起到一定的借鑒和促進作用。

2.1 俄羅斯

為拓展和深化魚雷降噪工作, 俄羅斯魚雷制造領域相關單位組織成立專門機構負責魚雷聲隱身技術工作。為了確定海軍在役和在研魚雷的實際噪聲特性, 俄羅斯開展的研究工作包括3個類型: 魚雷噪聲計算與論證、魚雷減振降噪措施研制和魚雷噪聲試驗評估技術[7]。俄羅斯十分重視試驗技術研究, 科研人員從事試驗相關的工作占據了重要比例, 包括試驗設備的研制以及試驗測試技術的研究等, 推進器噪聲和流噪聲的研究有專門試驗機構負責。

魚雷噪聲計算與論證方面開展的主要工作[7]包括: 1) 魚雷噪聲預報方法研究, 對在研魚雷輻射噪聲進行預報, 并在輻射噪聲預報過程中對魚雷的噪聲性能進行優(yōu)化, 不斷逼近魚雷的噪聲控制指標; 2) 魚雷輻射噪聲對其作戰(zhàn)攻擊效果影響的理論計算, 分析在不同作戰(zhàn)態(tài)勢下, 魚雷輻射噪聲對魚雷作戰(zhàn)效能的影響; 3) 不同類型和用途的魚雷噪聲級指標論證, 主要論證在不同武器平臺和不同作戰(zhàn)態(tài)勢下的魚雷噪聲指標。

魚雷減振降噪措施方面開展的主要工作[7]包括: 1) 設計了魚雷轉子柔性支承結構和新型人字型齒輪減速器; 2) 研制了海水潤滑的低噪聲滑動軸承, 取代了支承部件中的滾動軸承, 減振效果顯著; 3) 研制了多型發(fā)動機、電機、傳動軸支撐部位的隔振器; 4) 研制了魚雷加筋殼體用振動吸收阻尼涂層; 5) 研制了水凝滯型結構復合材料, 具有更強的緩沖隔振特性, 加工完成玻璃纖維增強塑料復合材料制成的魚雷殼體, 利用碳纖維材料制造電機部件; 6) 設計出可調螺距和自動平衡槳葉的獨特結構型式推進器; 7) 研制了泵噴射推進器等多種類型的低噪聲魚雷推進器。

在魚雷振動噪聲試驗與評估技術方面, 俄羅斯投入了大量的人力、財力, 開展了大量試驗設備和試驗方法的研究工作, 通過試驗對魚雷的噪聲特性有了深入了解, 揭示了很多內在的規(guī)律[7], 主要包括: 1) 確定了不同用途水中兵器樣機的噪聲測量評估方法, 形成了測量方法指導性文件; 2)分析了魚雷噪聲輻射特性和頻譜組成, 確定了魚雷噪聲級與結構特性(直徑、動力裝置類型、推進器類型)和運動參數(shù)(航速和航深)之間的關系; 3)設計了水下熱車試驗系統(tǒng)和魚雷獨立組部件振動特性試驗系統(tǒng), 完成了魚雷相關系統(tǒng)與組部件振動特性研究; 4) 通過無動力上浮試驗, 完成了魚雷流噪聲特性分析研究, 明確了魚雷的流噪聲特性; 5) 在克雷羅夫研究院建造的大型空泡試驗水筒完成了全尺寸螺旋槳聲學特性和類聲特性研究; 6) 對在試驗場試射的全部樣機和試驗樣機進行了實航振動和外場噪聲測量, 分析振動沿魚雷殼體分布, 確定了主要噪聲源。

俄羅斯在魚雷的減振降噪技術研究方面投入了大量的精力, 從基礎研究、型號研制到試驗條件建設均開展了全面深入的研究工作, 形成了自身的鮮明特點, 主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1) 理論研究基礎扎實。魚雷減振降噪的專業(yè)性強, 從多所高校和研究機構吸納了大量的專業(yè)技術人員, 分工細致, 研究范圍很廣, 覆蓋振動基礎、噪聲測量、新型材料、結構設計、流體力學、主動控制以及流固耦合等方面, 通過試驗研究和理論研究, 全面掌握了魚雷振動的傳遞特性、影響因素, 魚雷噪聲與直徑、動力裝置類型、推進器類型以及航速、航深的關系等規(guī)律, 為減振降噪技術工程應用奠定了堅實的基礎。

2) 重視通過試驗揭示振動噪聲規(guī)律。俄羅斯建立了較完整的魚雷噪聲測試試驗設施, 其動力裝置水下熱車試驗裝置可在陸上或水下固定吊放, 用于測試動力裝置工作時魚雷結構振動噪聲, 同時花大力氣研制了水下熱車試驗設備和實航振動噪聲測試設備, 并在型號研制中進行了大量的振動噪聲試驗測試工作。據了解, 俄羅斯每型魚雷都必須進行水下熱車試驗, 以掌握結構振動噪聲實際情況, 保證實航噪聲達到指標要求。

2.2 美國

美國從上世紀開始就把智能化和隱身性列為未來魚雷發(fā)展的2個主要方向。在大力發(fā)展隱身性能思想的指導下, 美國MK48在改進升級過程中專門研發(fā)了MK48 Mod 4M(Muffled)降噪型魚雷[8], 建立了較完整的魚雷聲學設計規(guī)程。MK48及后期的MK50在研制中全面采用低噪聲措施, 包括低噪聲發(fā)動機、殼體阻尼、排氣消聲、尾軸隔振、非金屬復合材料推進器、彈性聯(lián)軸節(jié)及動力裝置整機隔振等。本世紀以來, 美國還安排了魚雷噪聲機理及預報建模方法研究、安靜排氣系統(tǒng)設計、集成推進、殼體噪聲主動控制、主被動混合隔振等一系列的預先研究, 并進行了殼體噪聲主動控制、主被動混合隔振、隱身自導、智能表層(smart skin)、集成推進系統(tǒng)的演示驗證[9]。

美國在上世紀噪聲控制措施研究的基礎上, 本世紀將噪聲機理和建模技術、控制新技術和新方法研究放在了更加突出的地位[10]。在噪聲產生和輻射機理研究的基礎上, 重點開展魚雷噪聲激勵的確定、噪聲源與噪聲組件的建模仿真等研究工作, 開展的魚雷噪聲計算與仿真建模工作[9]主要包括: 1) 魚雷有限元數(shù)值仿真技術, 魚雷噪聲源的仿真計算; 2) 基于物理學的噪聲模型驗證與仿真設計; 3) 魚雷噪聲模型與控制概念研究; 4) 研制魚雷噪聲模型并納入武器設計工具箱; 5) 基于推進器輻射噪聲的魚雷噪聲控制模型概念研究。

美國對噪聲控制的應用更具有創(chuàng)新性, 從系統(tǒng)噪聲治理的觀點出發(fā), 依據噪聲建模和仿真輸出, 對準主要的噪聲組件并選擇合適的噪聲控制方法, 采取了完備的減振降噪措施。1999年至今美國在魚雷減振降噪措施方面開展的工作[9]主要包括: 1) 低噪聲魚雷發(fā)動機; 2) 柔性管路與整機隔振; 3) 內置式排氣消聲器; 4) 新型泵噴射推進器; 5) 安靜型齒輪系; 6) 彈性聯(lián)軸節(jié)與軸系隔振; 7) 殼體阻尼技術; 8) 縮醛樹脂隔板涂層隔振; 9) 閉式循環(huán)發(fā)動機[11]; 10) 低噪聲渦輪機與減振器。

在魚雷減振降噪試驗評估技術方面開展的工作可以概括為: 1) 優(yōu)化MK48 ADCAP魚雷安靜排氣系統(tǒng)的水洞試驗; 2) 魚雷主被動隔振機械噪聲控制技術水下試驗驗證; 3) 魚雷集成電機推進器的水下試驗[11]。

美國在魚雷的減振降噪技術研究方面投入了大量的精力, 開展的研究工作涵蓋了仿真建模分析、控制技術和試驗評估, 美國最新研究的振動噪聲控制措施源源不斷地應用于型號研制中, 技術特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1) 注重型號應用技術研究。美國的魚雷隱身技術研究從20世紀60年代初開始進入實質性的工程應用階段, MK48系列魚雷的0型和2型魚雷均因噪聲過大未裝備部隊, 在后續(xù)MK48改進型研制中都把對噪聲控制放在了首要位置, 中間專門研制了MK48 4M降噪型魚雷。經過多年多批次的噪聲治理, 最終實現(xiàn)了隱身攻擊。美國MK50高性能輕型魚雷從噪聲源和振動傳遞途徑上采取了減振降噪措施, 實現(xiàn)了魚雷的低噪聲設計目標。

2) 新技術應用層出不窮。與俄羅斯相比, 美國魚雷的減振降噪技術研究更加注重創(chuàng)新性, 先后將巨大的人力和經費投入到魚雷減振降噪的新技術研究中, 研制成功了多項重大跨越時代的減振降噪技術。先后將主動噪聲控制技術、集成電機推進、低噪聲混合推進等新技術應用于型號研制, 同時開展了智能殼體噪聲控制的演示驗證和魚雷振動能量再生概念研究等新技術的應用研究。已經應用于MK50魚雷的閉式循環(huán)發(fā)動機, 創(chuàng)造性地實現(xiàn)了動力系統(tǒng)的閉式循環(huán), 是熱動力魚雷歷史上的重大突破。

3 聲隱身技術發(fā)展趨勢

從魚雷聲隱身技術的研究現(xiàn)狀來看, 俄羅斯、美國和歐洲等各個魚雷先進國家對聲隱身技術的重視程度不斷提高, 在理論研究、型號應用和新技術探索中投入了大量的人力和物力, 取得了一系列的研究成果, 聲隱身技術也獲得了很大的發(fā)展。

3.1 技術體系不斷完善

魚雷聲隱身技術主要涉及總體聲學設計、振動噪聲控制技術、振動噪聲測試與評估等技術環(huán)節(jié), 相互間形成一個開展隱身技術工作的閉環(huán), 魚雷聲隱身技術要取得長足的進步, 必須建立完整的魚雷聲隱身技術體系。從俄羅斯和美國等國家魚雷聲隱身技術的發(fā)展來看, 聲隱身的技術體系在不斷完善。在魚雷總體聲學設計方面, 重點研究魚雷噪聲預報和魚雷噪聲指標論證及分配方法, 重點解決魚雷總體的聲學問題; 在振動噪聲控制技術方面, 重點從源頭上解決魚雷噪聲的控制問題, 為實現(xiàn)魚雷的隱身性能奠定基礎, 同時對振動噪聲傳遞途徑進行控制; 在振動噪聲測試與評估方面, 重點解決魚雷噪聲源的分析和識別問題, 為魚雷的噪聲治理提供依據, 并對單項研究成果進行集成和試驗驗證。

3.2 機理研究不斷深入

本世紀以來, 美國研究的重點之一為噪聲機理和建模技術, 在對噪聲產生和輻射機理深入理解和知識積累的基礎上, 開發(fā)噪聲源和組件的預報模型, 包括動力裝置、推進器、齒輪箱、輔機泵產生的機械噪聲和由于排氣、流動和紊流邊界層產生的流體噪聲等。振動噪聲控制方案的設計必須以機理研究為基礎, 只有噪聲控制的機理分析透徹, 設計低噪聲裝置才能有的放矢, 縮短項目的研究周期, 取得理想的振動噪聲控制效果。

3.3 新材料技術應用擴展

近些年來, 機電技術、材料技術及信號處理技術發(fā)展很快, 很多新技術在聲隱身技術領域正在進行應用研究或已獲得應用, 如復合材料振動噪聲控制技術、壓電增效聲學覆蓋層技術、振動主動控制技術等。近些年美國在魚雷振動噪聲控制領域開展了主被動混合隔振、自噪聲主動控制、智能表層、集成推進等新技術研究工作, 開展了輻射噪聲主動控制演示驗證工作, 對新方法、新工藝研究投入了大量的人力、物力和財力。新材料和新工藝在魚雷聲隱身領域的應用研究, 是魚雷聲隱身技術發(fā)展的重要途徑。意大利的A244/S魚雷、“黑鯊”魚雷和德國的“DM2A4”魚雷均采用非金屬材料來降低魚雷輻射噪聲。

3.4 試驗技術能力不斷提升

聲隱身技術研究難度很大, 理論研究存在一定程度的滯后, 而對試驗研究的依賴性強, 對試驗條件建設和試驗技術研究提出了很高的要求。各個魚雷先進國家都非常重視振動噪聲試驗條件的建設, 利用先進的試驗條件支撐魚雷的低噪聲設計和仿真計算。與通用振動噪聲試驗條件不同, 魚雷的隱身技術特點鮮明, 條件建設具有一定的特殊性, 俄羅斯和美國等國外魚雷試驗系統(tǒng)設計中, 建設了多個大型動力推進系統(tǒng)試驗設施, 具備先進的振動噪聲試驗能力。

4 結束語

聲隱身技術已經成為魚雷武器裝備發(fā)展的重大關鍵技術, 與國外魚雷武器相比, 國內魚雷的聲隱身水平存在一定的差距, 魚雷的聲隱身問題必須引起足夠的重視。通過持續(xù)不斷地、系統(tǒng)的聲隱身技術研究, 形成魚雷減振降噪技術規(guī)范, 建立魚雷減振降噪技術體系, 在振動噪聲總體聲學設計、振動噪聲源低噪聲設計、振動噪聲傳遞途徑控制、振動噪聲試驗評估等方面持續(xù)進步, 不斷提高魚雷的安靜化水平。

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(責任編輯: 陳 曦)

Current Situation and Development Trend of Torpedo Acoustic Stealth Technologies Abroad

ZHANG Chi, ZHANG Zhi-min

(1. Naval Armament Department, Beijing 100073, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

The significance and characteristics of torpedo acoustic stealth are introduced, and the current situation of torpedo acoustic stealth technologies abroad is discussed with emphasis on the research hotspots of torpedo acoustic stealth technologies in Russia and USA. Development trend of torpedo acoustic stealth technology is forecasted, including continually improving research systems, paying more attention to mechanism study, increasing investment in new materials and techniques, and promoting test technology in regular sequence.

torpedo; acoustic stealth; development trend

TJ630

A

1673-1948(2014)06-0415-05

2014-10-04;

2014-10-22.

張 弛(1976-), 男, 本科, 研究方向為魚雷總體技術.