潛艇艇艏陣聲吶發(fā)展趨勢分析

陳卓陳伏虎

(1.海軍駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州，310023; 2.第七一五研究所，杭州，310023)

潛艇艇艏陣聲吶發(fā)展趨勢分析

陳卓1陳伏虎2

(1.海軍駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州，310023; 2.第七一五研究所，杭州，310023)

介紹艇艏陣聲吶的特點(diǎn)，通過對當(dāng)前各國潛艇聲吶裝備的介紹，分析艇艏陣的種類、多樣性以及這種多樣性產(chǎn)生的內(nèi)在因素。最后，提出潛艇艇艏陣未來在技術(shù)和裝備發(fā)展上的趨勢。

艇艏陣；聲吶；發(fā)展綜述

潛艇艏部是安裝聲吶基陣的最佳部位，因?yàn)橄鄬撏渌课?，艏端環(huán)境最安靜且具視野最開闊的空間。潛艇艇艏陣聲吶是潛艇聲吶系統(tǒng)中最重要的聲吶設(shè)備之一，被稱為“主戰(zhàn)”聲吶。艇艏陣聲吶的功能最完整，不僅能警戒、定位、識別、跟蹤等，而且還具備主動測距、通信等功能。因此可以說，其性能好壞影響到整個聲吶系統(tǒng)。艇艏陣是潛艇頻帶最寬的聲基陣，覆蓋中頻和低頻；如果將艇艏部所有聲基陣看作一個系統(tǒng)，還覆蓋甚低頻、高頻和超高頻。艇艏陣能有效地利用垂直孔徑來提高作用距離和垂直分辨率；垂直方向上的信息獲取在未來聲吶技術(shù)中將起著更為重要的作用。因此，各國的潛艇均特別重視艇艏陣聲吶的設(shè)計，其發(fā)展很大程度反映著潛艇聲吶系統(tǒng)的發(fā)展水平。

1 潛艇艇艏陣分類和應(yīng)用

1.1 艇艏陣陣型及其特點(diǎn)

潛艇艇艏陣按陣形來分，主要有三種陣形：圓柱陣、球陣和共形陣。

（1）圓柱陣指全部或部分具有圓柱形特征的聲基陣。從這個定義可知，圓柱陣除包括典型的圓柱陣外，還包括倒錐體陣、U形柱陣。圓柱陣主要用于常規(guī)潛艇和早期的核潛艇。如法國TSM2233聲吶系統(tǒng)艇艏陣[1]（圖1）、德國214型潛艇裝備的艇艏陣[1]（圖2）、俄羅斯基洛級400聲吶艇艏陣[1-3]（圖3）和早期攻擊核潛艇艇艏陣[1,3]（圖4）。

圖1 法國TSM2233聲吶系統(tǒng)艇艏陣

圖2 德國214型艇DBQS-40型綜合聲吶的艇艏圓柱陣

圖3 俄羅斯MGK-400聲吶的艇艏陣

圖4 俄羅斯MGK-540聲吶的艇艏陣

（2）球陣指全部或部分具有球形特征的聲基陣。因此，這里除典型的球陣外，還包括U形球陣、碗形陣。典型的球陣為美國洛杉磯級、海狼級所采用的球陣，以及弗吉尼亞級核潛艇采用的U形球陣（圖5)[1-2]。

圖5 美國核潛艇球陣和U形球陣

（3）共形陣[4]是指其表面外形完全與載體外殼形狀共形的聲基陣，也泛指完全或者部分復(fù)制艦艇邊框形狀的基陣（圖6~圖8）。它包括稀疏共形陣和密排共形陣兩種。潛艇艇艏陣按功能分，還可分為主動陣、被動陣、主被動陣。如果與陣形結(jié)合，可以展開成更多的類型：主動圓柱陣、被動圓柱陣、主被動圓柱陣、主動球陣、被動球陣、主被動球陣、被動共形陣和主被動共形陣。這種多樣性是艇艏陣的一個重要特色。

圖6 俄羅斯阿穆爾級潛艇艇艏共形陣

圖7 英國機(jī)敏級核潛艇艇艏共形陣

圖8 美國海狼級核潛艇艇艏共形陣

1.2 艇艏陣多樣性體現(xiàn)

艇艏陣陣形的多樣性已在實(shí)際的潛艇聲吶[1-3]中出現(xiàn)。圖9為美國潛艇艇艏陣發(fā)展圖。從圖中可以看到，美國四代核潛艇艇艏陣類型幾乎覆蓋了所有艇艏陣陣形，而且每型會根據(jù)尺寸、安裝位置或干端實(shí)現(xiàn)不同，呈現(xiàn)更多型號。在上世紀(jì)六十年代，不到十年的時間里就提出和研制出一種新的陣型。

同樣，俄羅斯的基洛級、阿穆爾級、臺風(fēng)級、雅森級潛艇的艇艏陣也都是不一樣的。同屬基洛級的877艇和636艇，雖然其聲基陣架相同，但布陣方式和采用的陣元是不相同的。由此可見，相比于拖曳線列陣、舷側(cè)陣，艇艏陣發(fā)展的一個重要特點(diǎn)是陣型類型的多樣性，基本上一艇一型，甚至一艇多型。

2 決定艇艏陣陣型的主要因素

2.1 艇艏各種陣形特點(diǎn)

圓柱陣、球陣、共形陣各有特點(diǎn)。圓柱陣結(jié)構(gòu)簡單且軸向?qū)ΨQ，具有空間波束均勻、處理方便、平臺噪聲控制容易等優(yōu)點(diǎn)，但存在應(yīng)付復(fù)雜傳播條件下適應(yīng)性不足等弱點(diǎn)。

對球陣來說，其優(yōu)勢在于：（1）能獲得大孔徑，特別是垂直和水平兩維大孔徑是聲吶性能提升和功能擴(kuò)展的基礎(chǔ)；（2）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能滿足淺海和深海不同的海洋傳播環(huán)境。其弱勢為：（1）必須將艇艏全部空間讓出，才能發(fā)揮最佳作用；（2）工程實(shí)現(xiàn)難度較大，費(fèi)用高。

對共形陣來說，其優(yōu)勢在于：（1）能獲得較大的孔徑，特別是水平維；（2）觀察范圍比圓柱陣大；（3）工程實(shí)現(xiàn)較球陣簡單。其弱勢為：（1）陣形受艇形控制，即不是所有的艇艏或艇艏所有部位都適合共形陣，如艇艏為水滴型的潛艇就很少采用共形陣，英國核潛艇艇艏選擇共形陣，但其艇艏并不是水滴型，而是一種過渡形狀；（2）艇噪聲和水動力噪聲影響較其它陣大；（3）各個方向波束或增益不均勻。

因此，決定潛艇艇艏陣類型主要由兩個因素決定：艇艏陣及其聲吶所承擔(dān)的使命任務(wù)；艇平臺所能給予的空間。

圖9 美國潛艇艇艏陣發(fā)展圖

2.2 使命任務(wù)對陣型的影響[1-3]

美國海軍第三代攻擊型核潛艇洛杉磯級用于對美國海軍水面艦艇的直接支援，因此，需要與水面艦相匹配的水下高速航行能力。由于在高航速下，平臺噪聲對聲吶影響巨大，為了與潛艇武器系統(tǒng)相匹配，需要連續(xù)提供目標(biāo)距離、方位等數(shù)據(jù)給射擊指揮系統(tǒng)。這種情況采用被動探測是不現(xiàn)實(shí)的。因此，洛杉磯級采用了以主動為主、被動為輔的BQS-11型主被動球陣聲吶，同時為彌補(bǔ)被動接收的不足，配置BQR-7型共形陣聲吶。而與其同時代的俄亥俄級核潛艇由于主要巡邏在美國中、近海，因此，其艇艏陣配置主要以被動為主，雖然其聲基陣也是球陣，但布陣方式和陣元選擇都不同于洛杉磯級。

海狼級核潛艇最早是為了替代洛杉磯級，繼續(xù)執(zhí)行保護(hù)海軍作戰(zhàn)艦艇編隊(duì)、探測跟蹤蘇聯(lián)海軍核潛艇和水面艦艇、對其進(jìn)行攔擊等任務(wù)。在海狼級核潛艇上，將洛杉磯級的收發(fā)合置球陣拆分為一個以中頻接收為主的球陣和主動碗形陣，繼續(xù)保留低頻共形陣，在保留主動性能的同時，加強(qiáng)了被動探測的能力，特別是球陣的孔徑擴(kuò)大到7.32 m，并能承擔(dān)更多的任務(wù)。

作為美國第四代攻擊型核潛艇的弗吉尼亞級，為了適應(yīng)后冷戰(zhàn)環(huán)境的要求，其設(shè)計重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)具有強(qiáng)大的攻擊能力，重視在沿海、淺海水域的作戰(zhàn)能力。弗吉尼亞級保留冷戰(zhàn)時期的聲隱身性能，不再把水下高速和大深潛作為努力追求的目標(biāo)，而是以多功能、多用途為主。因此，在艇艏配置上是以被動接收為主，主動發(fā)射為輔，進(jìn)一步加強(qiáng)了被動警戒能力，同時為適應(yīng)在淺海作戰(zhàn)配置了高頻下頦陣聲吶。

2.3 艇平臺空間對聲基陣設(shè)計的影響

聲基陣設(shè)計還受到艇總體所給予的聲空間大小、位置及周邊布局、噪聲分布等影響。在艇艏全部讓于聲吶聲基陣的情況下，由于球陣與具有（近似）球艏的艇形契合度最好，空間利用率高，一般都采用球陣（包括U形球陣）為第一選擇。圓柱陣一般適用于艇艏因存在魚雷發(fā)射管等安裝空間只限于上/下半空間的情況。在這種情況下，球陣在垂直上所具有的觀察范圍的優(yōu)勢被限制，而采用結(jié)構(gòu)更為簡單、加工難度更低、成本更小的圓柱陣是較好的選擇。共形陣受艇艏形狀、安裝位置以及背景噪聲的影響較大，一般不適用于艇艏弧線曲率較大的艇型，不宜安裝過于偏上或偏下，同樣不適用于平臺噪聲過大或中高速航行時的潛艇。

3 艇艏陣技術(shù)發(fā)展趨勢

總的來說，潛艇艇艏陣的發(fā)展沿著大孔徑、寬帶化、多功能多用途、三維陣方向發(fā)展[4]。

（1）向大孔徑方向發(fā)展。艇艏陣孔徑從水平和垂直兩維擴(kuò)大。共形陣因順艇體安裝，受艇體遮擋影響要比圓柱陣小，因此，能布陣的孔徑要大于圓柱陣。而且向艇后延伸，可以繼續(xù)加大孔徑。俄羅斯阿穆爾級和英國機(jī)敏級潛艇的共形陣可以看作是艇艏陣與舷側(cè)陣組合而成的陣。美國弗吉尼亞級核潛艇后續(xù)艇采用更大孔徑的共形球陣，以及目前正在研究的全艇共形陣都是為了在有限的殼體安裝平臺內(nèi)，實(shí)現(xiàn)聲基陣孔徑的最大化。

（2）向?qū)拵Щ较虬l(fā)展。艇艏陣頻段在向低頻擴(kuò)展，但不同于其它陣，艇艏陣高端依然不變，甚至更高，即艇艏陣的低頻化實(shí)際上是寬帶化過程。對近距離的目標(biāo)（如安靜型潛艇）寬帶檢測，密排陣高頻探潛仍具有優(yōu)勢。

（3）向多功能多用途方向發(fā)展。艇艏陣功能從早先單一的檢測和測向，已經(jīng)擴(kuò)展到檢測、定位、識別、跟蹤、通信等幾乎所有功能。艇艏陣也是艇上唯一同時承擔(dān)主動和被動功能的陣。美國洛杉磯級潛艇艇艏球陣是收發(fā)合置的主被動陣，海狼級和弗吉尼亞級潛艇采用收發(fā)分置的陣形，進(jìn)一步加強(qiáng)主動和被動的能力。

（4）向三維陣方向發(fā)展。早期的艇艏陣或現(xiàn)在常規(guī)潛艇艇艏陣雖然從結(jié)構(gòu)形式上看是“三維陣”，但實(shí)際處理并不是利用海洋聲傳播的三維信息，而僅僅是在水平維上進(jìn)行信號處理。核潛艇采用球陣或大型共形陣是為了確保有一定的垂直孔徑，真正成為三維陣。美國核潛艇艇艏球陣都是三維陣，能夠在復(fù)雜海洋傳播條件下進(jìn)行環(huán)境自適應(yīng)地對目標(biāo)進(jìn)行處理。

4 艇艏陣裝備發(fā)展趨勢

潛艇艇艏陣第一次發(fā)生躍變是美國潛艇將艇艏空間全部讓于聲吶，并研制了球陣，從而也奠定了艇艏陣“主戰(zhàn)聲吶”、“綜合聲吶”的地位。首先是立足于在這個潛艇的最安靜區(qū)域內(nèi)聲吶布陣的一次創(chuàng)新，它打破了當(dāng)時乃至今天各國潛艇在艏端同時布置圓柱陣和魚雷發(fā)射管的傳統(tǒng)布局，把魚雷發(fā)射管后移并把艏端空間全部讓位給聲吶布陣需要，從而實(shí)現(xiàn)了聲吶戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的一次大的提升，并且一直保持世界的領(lǐng)先水平。

第二次躍變可能是大型艇艏密排共形陣的應(yīng)用。但這次正在進(jìn)行的躍變面臨眾多挑戰(zhàn)，特別是由于共形陣更靠近導(dǎo)流罩且其安裝平臺與殼體直接相連，平臺結(jié)構(gòu)噪聲/水動力噪聲對聲吶的影響尤為關(guān)鍵，如果不能有效進(jìn)行降噪減震，共形陣不僅不能發(fā)揮大孔徑效能，而且性能會大減。

第三次躍變將是全艇密排共形陣，全艇密排共形陣的實(shí)質(zhì)是將整個潛艇表面作為載體進(jìn)行換能器布陣，從而實(shí)現(xiàn)聲孔徑最大化。這一步實(shí)現(xiàn)不僅需要聲基陣與艇總體統(tǒng)籌設(shè)計，還需要在水聽器設(shè)計、數(shù)據(jù)傳輸、傳感-消聲一體化等方面做大量的研究工作。

[1]Commodore Stephen Saunders.INHTMJane's Fighting Ships[J].2014-2015.

[2]蔣華,蔣輝.二戰(zhàn)后美國潛艇全紀(jì)錄[J].艦船知識,2009,增刊.

[3]蔣華.二戰(zhàn)后蘇/俄潛艇全紀(jì)錄[J].艦船知識,2009,增刊.

[4]JOSEFSSON L,PERSSON P.Conformal array antenna theory and design[M].John Wiley & Sons,2006.