國(guó)外水下無(wú)人移動(dòng)裝備綜合隱身技術(shù)研究

宋 超，劉瑞杰，鄭偉偉，劉 洋

(1. 海軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100071；2. 中國(guó)人民解放軍92578部隊(duì)，北京 100161；3. 中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

水下無(wú)人移動(dòng)裝備涉及范圍廣，從廣義上來(lái)看，水下無(wú)人移動(dòng)裝備主要包括各種在水下可以移動(dòng)（運(yùn)動(dòng)）的無(wú)人航行體，如無(wú)人潛航器（UUV）、魚雷、水雷、浮標(biāo)等。隱身性能是體現(xiàn)水下無(wú)人移動(dòng)裝備作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵指標(biāo)，美國(guó)在《2000-2035年海軍技術(shù)-無(wú)人水下移動(dòng)裝備平臺(tái)規(guī)劃》及《2013-2038無(wú)人系統(tǒng)綜合發(fā)展路線圖規(guī)劃》中均將隱身技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的6項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一。魚雷需要提升隱身性增加打擊的突然性，水雷需要提升隱身性規(guī)避敵方反水雷裝備，浮標(biāo)需要提升隱身性以在敵對(duì)海區(qū)隱蔽探測(cè)、搜集海洋數(shù)據(jù)，而UUV隨著向大型化、多功能、長(zhǎng)航時(shí)方向發(fā)展，增加了物理場(chǎng)信號(hào)特征，更是需要采取隱身措施提升生存能力。由于水下無(wú)人移動(dòng)裝備的隱身技術(shù)與潛艇具有一定的通用性，因此在介紹隱身技術(shù)時(shí)將結(jié)合潛艇相關(guān)隱身技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀作為參考，對(duì)當(dāng)前水下無(wú)人移動(dòng)裝備隱身技術(shù)進(jìn)行研究。

水下裝備所采取的隱身技術(shù)包括聲隱身技術(shù)和非聲隱身技術(shù)。其中，聲隱身主要包括3個(gè)技術(shù)方向：低目標(biāo)強(qiáng)度控制、噪聲強(qiáng)度控制以及噪聲傳播途徑控制。其中，低目標(biāo)強(qiáng)度控制主要有隱身涂層技術(shù)和殼體優(yōu)化技術(shù)；噪聲強(qiáng)度控制主要采用低噪聲設(shè)備，如采用低噪聲螺旋槳、泵噴推進(jìn)器、無(wú)軸推進(jìn)裝置、全電力推進(jìn)系統(tǒng)措施等；噪聲傳播途徑控制主要措施有隔振技術(shù)，即將機(jī)械設(shè)備安裝于隔振系統(tǒng)。

1 聲隱身技術(shù)

1.1 隱身涂層技術(shù)

水下裝備隱身涂層技術(shù)包括2種：一是針對(duì)聲探測(cè)以橡膠為媒介的聲學(xué)覆蓋層（消聲瓦）技術(shù)，二是涂層技術(shù)，包括多種功能、疏水、反可見光、迷彩等。其中高性能的聲學(xué)覆蓋層不僅能吸收敵方主動(dòng)聲吶的探測(cè)波，還能隔離本艇自噪聲輻射，是唯一能同時(shí)抑制艇體回波和振聲響應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)。

作為控制水下目標(biāo)強(qiáng)度的主要技術(shù)裝備，聲學(xué)覆蓋層已歷經(jīng)數(shù)代發(fā)展，但基本按照2種思路發(fā)展：一種是材料改進(jìn)和聲學(xué)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，即在改進(jìn)材料的同時(shí)改進(jìn)其聲學(xué)結(jié)構(gòu)，使聲波更易進(jìn)入吸聲層并使聲波在結(jié)構(gòu)中發(fā)生波形轉(zhuǎn)換、散射和反射達(dá)到聲波能量耗散的目的；另一種是僅改進(jìn)材料或采用復(fù)合材料來(lái)實(shí)現(xiàn)聲波能量耗散，例如目前國(guó)內(nèi)外正在研究的聲學(xué)超材料和超疏水材料。聲學(xué)超材料具備天然材料不具備的低頻帶隙特性和超常物理特性?？梢詫?shí)現(xiàn)超強(qiáng)的低目標(biāo)強(qiáng)度控制。目前國(guó)內(nèi)外基于聲學(xué)超材料的特性正在探索其在水下聲隱身領(lǐng)域的應(yīng)用，如近年來(lái)“隱身斗篷”已由最初設(shè)計(jì)的規(guī)則球狀，發(fā)展到任意形狀，由二維拓展到三維，并且不但能隱身，而且還可以與外界實(shí)現(xiàn)信息交流。此外美國(guó)還研制了水動(dòng)力超常材料，以降低潛艇水動(dòng)力噪聲。

超疏水材料方面，1997年，德國(guó)波恩大學(xué)提出“荷葉效應(yīng)（lotus effect）”，此后人們對(duì)超疏水表面（通常將接觸角大于150°的表面定義為超疏水表面）的研究取得了突出的進(jìn)展。利用超疏水材料制成的涂層可使?jié)撈魍獗砻婢哂谐杷?，阻礙水滴的浸潤(rùn)，改變潛器與水的接觸狀態(tài)，防止?jié)撈魍獗砻姹凰?，進(jìn)而減少其在水中運(yùn)行的阻力與摩擦，起到減少潛器水動(dòng)力噪聲及提高水下航速的作用。

1.2 殼體優(yōu)化技術(shù)

水下裝備的外形結(jié)構(gòu)及其附體決定了其水動(dòng)力性能，殼體優(yōu)化可降低水流流經(jīng)水下裝備濕表面產(chǎn)生的噪聲，以及冷卻水管中流體脈動(dòng)向水中輻射的噪聲，是控制水動(dòng)力噪聲的主要手段。為獲得良好的水動(dòng)力學(xué)性能，各國(guó)對(duì)水下裝備外形結(jié)構(gòu)不斷進(jìn)行優(yōu)化。如傳統(tǒng)的魚雷外形大多是圓柱形，但就水聲發(fā)射能力來(lái)說(shuō)，圓柱是一種很不利的外形，為了增加隱身性能，增大獵雷聲吶的識(shí)別難度，國(guó)外開始對(duì)水雷外形進(jìn)行優(yōu)化，不采用傳統(tǒng)的圓柱形或圓形，其代表有外形呈扁棱狀的瑞典“羅肯”水雷，外形呈圓錐形的意大利“曼塔”水雷等。

圖1 瑞典“羅肯”水雷Fig. 1 Sweden GMI100 mine

1.3 低噪聲設(shè)備技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)器是水下裝備主要的噪聲設(shè)備，相比熱動(dòng)力設(shè)備，電動(dòng)力設(shè)備不存在齒輪傳動(dòng)等噪聲源，具有較突出的低噪聲優(yōu)勢(shì)。其中電動(dòng)力魚雷一般比熱動(dòng)力魚雷具有更好的隱蔽性，無(wú)人潛航器也多采用電動(dòng)力設(shè)備。此外，推進(jìn)器也是水下裝備主要噪聲源之一，為減少噪聲，水下裝備已由最初采用普通螺旋槳逐步發(fā)展到采用泵噴推進(jìn)器，并且開始向無(wú)軸泵噴，甚至磁流體推進(jìn)發(fā)展。泵噴推進(jìn)器使用圓筒將螺旋槳罩住，不易形成渦流和空泡現(xiàn)象，在同等推力下，低頻噪聲平均要比七葉大側(cè)斜螺旋槳低15 dB以上。因此，美、英、法、俄等國(guó)海軍新服役的核潛艇大都采用泵噴推進(jìn)器。將來(lái)，無(wú)軸泵噴實(shí)用化后，將直接去掉推進(jìn)軸，屆時(shí)將由發(fā)電機(jī)發(fā)電直接驅(qū)動(dòng)無(wú)軸泵噴推進(jìn)器內(nèi)部的電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，由于消除了推進(jìn)軸系的噪聲，將有效降低艇上機(jī)械噪聲。如“哥倫比亞”級(jí)戰(zhàn)略核潛艇在靜音方面做了很大改進(jìn)，其中一個(gè)革命性設(shè)計(jì)就是引入了渦輪綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)，利用渦輪發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能驅(qū)動(dòng)潛艇的螺旋槳，省去了齒輪箱、推進(jìn)軸等部件，減少了潛艇的一大噪聲源。

圖2 從七葉大側(cè)螺旋螺槳到有軸噴到無(wú)軸泵噴潛艇推進(jìn)裝置Fig. 2 Seven-bladed propeller, shaft pump-jet and non-shaft pimp jet

美國(guó)在20世紀(jì)70年代研制成功了MK48魚雷，對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行了突破性的改進(jìn)設(shè)計(jì)，其中MK48-3以及MK-48-ADCA采用了泵噴推進(jìn)器，降低了魚雷噪聲、增強(qiáng)了魚雷隱身性，并且使MK48魚雷在高速時(shí)自導(dǎo)作用距離達(dá)2 km以上。

圖3 MK 48魚雷的泵噴推進(jìn)器Fig. 3 MK 48 torpedo pump jet

1.4 隔振技術(shù)

隔振是水下裝備減振降噪普遍采用的方法，其基本原理是通過(guò)在振源和受控對(duì)象之間設(shè)置隔振器來(lái)減少受控對(duì)象對(duì)振源激勵(lì)的響應(yīng)。按照控制系統(tǒng)有無(wú)外部能源輸入，水下裝備隔振技術(shù)可分為被動(dòng)隔振、主動(dòng)隔振和半主動(dòng)隔振三類。被動(dòng)隔振無(wú)外部能源輸入，只在振源與受控對(duì)象之間放置彈性裝置來(lái)減少振動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、可靠性高且經(jīng)濟(jì)性好，到目前已經(jīng)形成了單層隔振、雙層隔振和浮筏隔振3個(gè)技術(shù)方向。

圖4 單層隔振裝置與雙層隔振裝置Fig. 4 Single-layer vibration isolating device and double-layer vibration isolating device

圖5 浮筏隔振裝置Fig. 5 Floating raft vibration isolating device

目前，被動(dòng)隔振技術(shù)的研究主要集中在浮筏隔振技術(shù)、阻尼技術(shù)和隔振器設(shè)計(jì)與應(yīng)用上。美國(guó)現(xiàn)役的MK48在MK46魚雷的基礎(chǔ)上采用了一系列的隔振降噪措施，其中之一就是將其主動(dòng)力裝置安裝于減振基座上，減小主動(dòng)力裝置振動(dòng)向殼體的傳遞。被動(dòng)隔振技術(shù)取得了成功的應(yīng)用，但其低頻隔振能力差，限制其進(jìn)一步發(fā)展。

主動(dòng)隔振又稱為有源控制，是在被動(dòng)隔振的基礎(chǔ)上，在被控制系統(tǒng)中引入次級(jí)振源，通過(guò)一定的控制方式控制次級(jí)振源的輸出，使其產(chǎn)生的振動(dòng)與主振源的振動(dòng)相抵消，從而達(dá)到減振的目的。如美國(guó)海軍“海狼”級(jí)核潛艇裝備主動(dòng)控制系統(tǒng)后，取得了良好的隱身效果，其裝備的浮筏電磁式主動(dòng)控制系統(tǒng)能有效提高低頻隔振性能。但主動(dòng)隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，耗能大，應(yīng)用范圍受到限制。

半主動(dòng)隔振技術(shù)即主/被動(dòng)混合技術(shù)，是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。該技術(shù)使用控制器控制隔振系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)使隔振系統(tǒng)以被動(dòng)形式工作，其性能接近主動(dòng)隔振技術(shù)，并且也吸收了被動(dòng)隔振效果好的優(yōu)點(diǎn)，且與主動(dòng)隔振相比需要的外部能量輸入少，成本低。目前，半主動(dòng)隔振技術(shù)應(yīng)用處于研究階段。

圖6 MK48魚雷隔振降噪措施Fig. 6 MK 48 torpedo vibration isolating and noise suppression technology

2 非聲隱身技術(shù)

2015年1月22日，美國(guó)戰(zhàn)略與預(yù)算評(píng)估中心（CSBA）發(fā)布《水下戰(zhàn)新紀(jì)元》報(bào)告，報(bào)告認(rèn)為非聲探測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)和擴(kuò)散使未來(lái)水下作戰(zhàn)環(huán)境更為復(fù)雜，給美國(guó)水下裝備安全帶來(lái)巨大威脅。為繼續(xù)保持水下優(yōu)勢(shì)，美國(guó)不但需要發(fā)展水下裝備體系，而且水下裝備也需要提高包括非聲隱身性能在內(nèi)的各種能力[20]。

2.1 磁隱身

水下裝備外殼磁場(chǎng)占總磁場(chǎng)比例較高，如潛艇艇體磁場(chǎng)大約占潛艇總磁場(chǎng)的80%左右。因此采用非磁性、低磁且滿足性能要求的材料建造水下裝備，可以大幅度降低磁場(chǎng)特征。目前，國(guó)外已經(jīng)使用的UUV多采用非磁性和低磁性材料設(shè)計(jì)，其外層殼體材料主要采用鈦合金、鋁合金、碳纖維和玻璃鋼等非金屬材料。不過(guò)由于鈦合金成本高、加工難度大，滿足大潛深深潛要求的低磁鋼材料研制技術(shù)難度大，因此采用復(fù)合材料降低磁信號(hào)特征已成為國(guó)外海軍水下移動(dòng)裝備主要磁隱身技術(shù)措施之一。

2.2 紅外隱身技術(shù)

水下裝備在航行時(shí)產(chǎn)生的尾流顯露的是一種低溫紅外特征，其中，魚雷和UUV動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的尾流，浮標(biāo)電子設(shè)備工作生成的熱量都會(huì)逐漸擴(kuò)散到海水的表面，導(dǎo)致海水的表層溫度比表層下或周邊海水的水溫高，因此降低目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度，即降低目標(biāo)的溫度，成為實(shí)施水下裝備紅外隱身的途徑之一。此外，還可以采用紅外隱身材料來(lái)抑制水下裝備的紅外特征。當(dāng)前研究較多且應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的紅外隱身材料主要由具備吸收性能的吸收劑和幫助涂覆在目標(biāo)上的粘結(jié)劑組成，涂覆紅外隱身材料的水下裝備可以透過(guò)探測(cè)設(shè)備的部分電磁波，使探測(cè)設(shè)備收到的反射波減少，起到一定的隱身作用。目前的紅外隱身材料存在的一個(gè)主要問題就是適用范圍不夠廣泛，很難適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的需要。為此，世界各軍事強(qiáng)國(guó)紛紛研究覆蓋可見光、紅外、厘米波和毫米波等波段隱身的納米復(fù)合材料。

2.3 雷達(dá)隱身技術(shù)

水下裝備雷達(dá)隱身技術(shù)主要針對(duì)的是裝備露出水面的部分，特別是處于水面航行狀態(tài)UUV和浮標(biāo)，它們處于水面以上的物理尺寸雖然較小，但其雷達(dá)反射截面卻遠(yuǎn)大于其物理尺度，需要采取雷達(dá)隱身措施，縮減被敵方雷達(dá)探測(cè)的距離。目前，水下移動(dòng)裝備雷達(dá)隱身技術(shù)較為成熟，主要包括雷達(dá)隱身外形優(yōu)化技術(shù)和涂敷雷達(dá)吸波材料技術(shù)。其中，雷達(dá)吸波材料（RAM）是能夠吸收和衰減由空間入射的電磁波能量，使之減小或消除的一種復(fù)合材料。目前國(guó)外水下裝備的指揮臺(tái)圍殼、潛望鏡和通氣管等部位都涂敷雷達(dá)吸波材料，大幅度減小了雷達(dá)探測(cè)距離。例如美海軍“鱘魚”級(jí)攻擊型核潛艇“黃貂魚”號(hào)，在涂敷了反雷達(dá)涂層之后，減少了雷達(dá)反射15～20 dB。

3 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)前，世界范圍內(nèi)聲探測(cè)、非聲探測(cè)技術(shù)迅速發(fā)展，水下移動(dòng)裝備的隱蔽性正在面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著潛艇進(jìn)入安靜型或準(zhǔn)安靜型階段，中大型水下無(wú)人航行器在此基礎(chǔ)上發(fā)展同樣屬于高安靜型裝備，而小型無(wú)人航行器具備自身特征信號(hào)優(yōu)勢(shì)，水下裝備聲隱身技術(shù)已臻成熟，未來(lái)非聲隱身能力將逐步成為水下移動(dòng)裝備保證高隱蔽性的關(guān)鍵。

總體來(lái)看，國(guó)外水下移動(dòng)裝備綜合隱身性能以聲、磁信號(hào)控制為發(fā)展重點(diǎn)，同時(shí)注重雷達(dá)、紅外信號(hào)處理目前，在聲吶、磁探測(cè)器、雷達(dá)、紅外探測(cè)儀等眾多針對(duì)水下目標(biāo)探測(cè)手段中，以聲探測(cè)設(shè)備聲吶發(fā)展的最為成熟，磁探測(cè)設(shè)備發(fā)展次之，雷達(dá)、紅外探測(cè)設(shè)備發(fā)展稍遜。無(wú)人潛航器體積小、輻射噪聲低，聲隱身上主要考慮對(duì)中高頻主動(dòng)聲納的隱身能力，非聲隱身技術(shù)是水下無(wú)人系統(tǒng)隱身技術(shù)主要發(fā)展方向，其中磁隱身技術(shù)是其發(fā)展重點(diǎn)，降低或消除自身的磁信號(hào)特征，使其不被探測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)，或縮短被發(fā)現(xiàn)的距離，從而提高生存概率。同時(shí)，隨著磁隱身技術(shù)逐漸發(fā)展成熟以及雷達(dá)、紅外探測(cè)設(shè)備的不斷發(fā)展進(jìn)步，目前，很多國(guó)家在磁隱身的基礎(chǔ)上，開始重視發(fā)展雷達(dá)、紅外隱身技術(shù)，希望能夠通過(guò)降低雷達(dá)、紅外信號(hào)特征，繼續(xù)提高無(wú)人潛航器隱身性。