潛艇拖曳聲吶總體工程設(shè)計(jì)

時(shí)文達(dá)

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

0 引 言

潛艇降噪技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，取得了重大進(jìn)展。潛艇的輻射噪聲級與最初相比已降低幾十分貝，且仍在持續(xù)下降中，部分國家已設(shè)計(jì)出低噪聲的安靜型潛艇。不可否認(rèn)的是，盡管潛艇降噪技術(shù)得到了快速發(fā)展，其所能夠大幅降低的仍只是數(shù)百赫茲以上頻段的輻射噪聲，而無法明顯降低潛艇數(shù)百赫茲以下頻段的噪聲分量。在數(shù)百赫茲以下頻段中潛艇存在難以消除的線譜特征，這些線譜特征是從茫茫大海中找到潛艇活動(dòng)蹤跡的關(guān)鍵，而拖曳聲吶正是能夠探測到這些線譜特征的核心設(shè)備。

對于已裝艇的拖曳聲吶而言，其具備如下兩個(gè)特點(diǎn)：首先，基陣孔徑受平臺空間尺度的限制小，其比一般的艦（艇）載聲吶基陣孔徑大一個(gè)數(shù)量級以上，在低頻段內(nèi)仍有較高的空間增益；其次，基陣遠(yuǎn)離拖曳平臺時(shí)其受到本艇輻射噪聲的影響小，有利于提高探測性能。有鑒于此，拖曳聲吶已成為世界各國海軍水面艦船、潛艇的重要聲吶裝備。許多海軍強(qiáng)國已有多型艦艇裝備了拖曳聲吶。還有一些國家通過引進(jìn)或合作研究等方式，正在研制或已經(jīng)研制出自己的拖曳聲吶。然而，對于總體設(shè)計(jì)而言，將拖曳聲吶設(shè)備完好地安裝于潛艇，尤其是排水量相對較小的常規(guī)動(dòng)力潛艇上，是設(shè)計(jì)師將要面臨的一個(gè)考驗(yàn)。這是因?yàn)槠錉可娴嚼|陣長度、安全性、隱蔽性、可維護(hù)性等一系列設(shè)計(jì)問題，在潛艇上安裝拖曳聲吶設(shè)備時(shí)需統(tǒng)籌規(guī)劃、全盤布局，經(jīng)過權(quán)衡利弊后，才能選擇出適合潛艇安裝的設(shè)計(jì)方案。

針對上述問題，本文將從傳感系統(tǒng)及纜陣收放系統(tǒng)設(shè)計(jì)這兩個(gè)方面，通過文獻(xiàn)研究，結(jié)合總體工程設(shè)計(jì)需求，歸納提煉出拖曳聲吶適裝于潛艇過程中所涉及的重要內(nèi)容及方法。

1 潛艇拖曳聲吶系統(tǒng)的一般組成

潛艇拖曳聲吶系統(tǒng)一般由濕端和干端設(shè)備兩個(gè)部分組成。如圖1 所示，濕端設(shè)備由拖曳纜陣（拖纜或纜陣）、排纜及卷盤裝置等組成，并且拖纜按各部分的不同功能，還細(xì)分為尾部穩(wěn)定器（尾繩）、尾隔振段、線列陣（聲學(xué)模塊）、首隔振段和拖纜這幾個(gè)部分。而干端設(shè)備由信號處理、供電機(jī)柜、收放控制箱、顯控臺等組成 。

圖1 典型的潛載拖曳聲吶系統(tǒng)組成[1]Fig. 1 Typical composition of towed array sonar system for a submarine[1]

潛艇拖曳聲吶的總體設(shè)計(jì)任務(wù)是根據(jù)作戰(zhàn)指標(biāo)要求，分解得到拖曳聲吶應(yīng)滿足的性能指標(biāo)，同時(shí)將拖曳聲吶的干、濕端設(shè)備安裝到潛艇平臺之上，并能滿足設(shè)備自身功能的需求，以及解決設(shè)備與艇內(nèi)、艇外環(huán)境友好的問題。

2 潛艇裝備拖曳聲吶的流程及方法

2.1 設(shè)計(jì)流程

如圖2 所示，在潛艇上安裝拖曳聲吶的設(shè)計(jì)通常涉及兩個(gè)部分：一是傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括拖曳纜陣數(shù)量和傳感器類型的選擇、纜陣長度的確定等；二是收放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括卷盤和排纜裝置的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)形式與釋放口位置的選擇、導(dǎo)管摩擦力估算等。當(dāng)然，拖曳聲吶的適裝方案仍要結(jié)合潛艇總體工程設(shè)計(jì)的需求來進(jìn)行綜合考慮，這些需求包括空間、重量、能源（水、油、電）、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、減振降噪及美觀性（布置美觀）等。所以，潛艇上適裝拖曳聲吶是一個(gè)綜合諸多元素進(jìn)行權(quán)衡的過程。

圖2 潛艇拖曳聲吶系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程及制約關(guān)系Fig. 2 The overall design process of submarine towed array sonar and the constraints from different elements

2.2 傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 拖曳聲吶數(shù)量及纜陣直徑的選擇

通常，單艘潛艇配置的拖曳聲吶數(shù)量（根數(shù)）為單拖或雙拖，目前還沒有資料顯示有三拖的應(yīng)用實(shí)例。對于潛艇拖曳聲吶配置數(shù)量的選擇，主要考慮因素包括潛艇的排水量、航速及綜合作戰(zhàn)需求。由圖1 分析可知，無論是干端設(shè)備還是艙外纜陣及收放系統(tǒng)，雙拖都需要有接近雙倍的空間和重量，而空間和重量資源對潛艇總體設(shè)計(jì)是極為寶貴的。因此，排水量較大的核動(dòng)力潛艇更適合配置雙拖曳聲吶，常規(guī)動(dòng)力潛艇（排水量2 000～4 000 t）配置單拖曳聲吶則更合適。

聲吶陣列在拖曳航行中會受到纜陣抖動(dòng)及流噪聲的影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對這兩種干擾予以足夠的重視。其原因在于：若提高拖曳速度1 倍，則流噪聲會增加約24 dB；高頻分量比低頻分量對套管外徑的變化更敏感，套管外徑越小，流噪聲響應(yīng)越大[2]。大量試驗(yàn)和研究表明，線列陣套管的直徑、彈性模量、充油密度、抗拉繩的彈性模量等參量都對流噪聲的抑制有所幫助[3]。

在諸多因素中，增加套管直徑對噪聲抑制效果較明顯。但對總體設(shè)計(jì)而言，套管直徑增加意味著更大的空間和重量需求。 對于核動(dòng)力潛艇，因其排水量大、巡航速度高（≥9 kn），所以可以配置雙拖線列陣，若配置粗細(xì)結(jié)合的雙拖線列陣，可滿足潛艇高航速和高探測精度的要求，而且，若配置雙中粗線列陣，同時(shí)釋放后會有3 dB 的指向性增益；對于常規(guī)動(dòng)力潛艇，因其排水量小、巡航速度相對較低（4～9 kn），若配置單細(xì)線列陣，既可以保證較高的探測精度，流噪聲也不會對水聽器造成嚴(yán)重的影響。

2.2.2 傳感元件類型

拖曳聲吶傳感元件主要有壓電水聽器和光纖水聽器兩種。壓電水聽器使用壓電陶瓷制成，陶瓷經(jīng)過極化后在受外力作用下產(chǎn)生極化強(qiáng)度，該強(qiáng)度和電位移與水中聲壓成正比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)感知聲壓。光纖水聽器包括干涉型、強(qiáng)度型和光柵型這3 種。其中：干涉型是利用參考光路與傳感光路干涉導(dǎo)致光強(qiáng)變化的方式來感知聲壓；強(qiáng)度型是基于光纖傳輸光強(qiáng)被聲波調(diào)制的原理來感知聲壓；光柵型是以光柵的諧振耦合波長隨外界參量變化而移動(dòng)為原理來感知聲壓[4]。

壓電水聽器歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，技術(shù)和制造工藝均已成熟，其相位一致性要優(yōu)于光纖水聽器。但光纖水聽器也有許多優(yōu)點(diǎn)，例如噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、抗電磁干擾與信號串?dāng)_能力強(qiáng)、遠(yuǎn)距離傳輸損耗小等。在成陣時(shí)，光纖水聽器的線陣僅需將光纖水聽器熔接在光纖上，再配置護(hù)套和填充物即可，而壓電水聽器除水聽器和傳輸線外，還需模數(shù)轉(zhuǎn)換、傳輸及控制電路，故結(jié)構(gòu)復(fù)雜[5]。

根據(jù)某研究機(jī)構(gòu)開展的壓電與光纖水聽器的對比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩種線陣均為零浮力時(shí)，壓電水聽器線陣的平均截面面積為11.95 cm2，光纖水聽器線陣的平均截面面積為8.04 cm2?？梢姡笳叩膯挝婚L度和重量僅為前者的67.3%，減重約1/3。從總體設(shè)計(jì)考慮，線列陣的直徑對總體布置空間需求影響較大。綜上所述，光纖水聽器線列陣的硬件配置更簡潔， 空間重量需求更小，所以總體適裝性更好。

2.2.3 線列陣長度

拖曳聲吶的工作頻段覆蓋了數(shù)個(gè)倍頻程，因此設(shè)計(jì)陣列時(shí)應(yīng)根據(jù)指向性因數(shù)DI的要求，在陣元中適當(dāng)選取每個(gè)倍頻程的中心頻率，陣元間距應(yīng)為該倍頻程中心頻率處波長的一半（λ/2）。同時(shí)，為了控制陣列總長度，高頻段的陣列嵌套在低頻段的陣列內(nèi)，信號處理時(shí)部分選取高頻段的陣元數(shù)據(jù)參與低頻段的計(jì)算[6]。例如：若設(shè)計(jì)的拖曳聲吶其覆蓋范圍要求在100～1 600 Hz之間，且整個(gè)工作頻帶內(nèi)的指向性因數(shù)DI不小于16 dB，則

式中，m為每個(gè)倍頻程內(nèi)水聽器的數(shù)量最小值。

由式（1）可計(jì)算得到m=40，即每個(gè)倍頻程上至少使用40 個(gè)陣元，陣元間距為中心頻率所對應(yīng)波長的一半。完整的線列陣各頻段如表1 和圖3所示，且其長度基本上取決于低頻段指標(biāo)要求。

表1 線列陣設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of linear array

圖3 線列陣各頻段嵌套示意圖Fig. 3 Diagram of frequency nested array

2.2.4 拖纜長度

使用拖曳聲吶時(shí)，潛艇的輻射噪聲會通過直達(dá)，海面、海底反射等傳播途徑影響拖曳聲吶的工作，反映在聲吶顯示器上的效果就是某段時(shí)間內(nèi)在某個(gè)角度上有一個(gè)穩(wěn)定且較強(qiáng)的聲目標(biāo)（本艇）。本艇的輻射噪聲頻段通常會覆蓋拖曳聲吶的全部工作頻段。為削弱本艇的輻射噪聲對拖曳聲吶探測的影響，可在本艇與線列陣之間合理地設(shè)計(jì)拖纜長度Lcable，將本艇的輻射噪聲級經(jīng)過傳播損失后降低至環(huán)境噪聲水平以下。圖4 所示為典型的海洋環(huán)境噪聲譜[6]，其中100～1 000 Hz 頻段是主流拖曳聲吶工作頻段。該頻段內(nèi)的環(huán)境噪聲主要來源于航運(yùn)、海浪、降雨產(chǎn)生的噪聲等。

圖4 典型的海洋環(huán)境噪聲譜[6]Fig. 4 Typical noise spectrum of marine environment[6]

輻射噪聲的傳播損失由幾何擴(kuò)展和聲吸收部分的損失組成[7]。因?yàn)橥弦仿晠鹊墓ぷ黝l段通常在1 kHz 以下，可以近似為球面波，所以幾何擴(kuò)展的傳播損失可以簡單估算為20lgLcable。當(dāng)然在較高的輻射頻段或者較淺的海域，柱面波擴(kuò)展的傳播損失也是可能的，其幾何擴(kuò)展的傳播損失為10lgLcable。在工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師一般選擇介于球面波和柱面波之間的折中方案15lgLcable來估算幾何擴(kuò)展的傳播損失，這不失為一種可行的方案。然而，要注意的是，采用此方案的幾何擴(kuò)展傳播損失低，設(shè)計(jì)得到的拖纜長度會更長。

聲吸收的傳播損失可由聲吸收系數(shù)乘以傳播距離計(jì)算得到。聲吸收系數(shù)隨聲波頻率的降低而迅速變小。但在拖曳聲吶工作的頻段內(nèi)，聲吸收系數(shù)在0.01 ～0.14 dB/km 之間取值。假設(shè)拖纜長度Lcable=1 000 m，則聲吸收衰減值僅為0.01～0.14 dB，而即使是柱面波擴(kuò)展帶來的損失，僅需5 m 就可以衰減7 dB。因此，在快速進(jìn)行工程估算時(shí)，可忽略聲吸收的損失部分，僅保留幾何擴(kuò)展損失。

若本艇的輻射噪聲在1 kHz 處的譜級為120 dB（此數(shù)值僅供下文計(jì)算使用，與潛艇實(shí)際噪聲水平無關(guān)），環(huán)境噪聲在1 000 Hz 處的譜級為60 dB，根據(jù)幾何擴(kuò)展損失公式PL=20lgLcable≥120-60=60 dB 求得，拖纜長度應(yīng)不短于1 000 m。若拖曳聲吶的工作頻段為10～1 200 Hz，則應(yīng)使本艇在此頻段上的輻射噪聲經(jīng)過拖纜長度的幾何擴(kuò)展傳播損失后均降低至環(huán)境噪聲以下。

2.2.5 隔振段

線列陣上的隔振段功能是隔離拖曳列陣首、尾端的振動(dòng)。研究表明：隔振模塊的隔振性能與其長度、阻尼、拉力和激勵(lì)力有關(guān)，其中，隔振模塊的長度是影響隔振效果的主要因素。隨著隔振模塊長度的增加，隔振效果將變得越來越好。在長度、阻尼、激勵(lì)力相同的情況下，拉力小時(shí)隔振效果較好。在其他條件相同時(shí)，激勵(lì)頻率越高，隔振效果越好；阻尼越大，隔振效果越好。在相同拉力和激勵(lì)力作用下，隔振模塊的隔振效果的起始頻率隨隔振模塊的長度增加而減小[8]。

當(dāng)然，若單純考慮隔振量，無限長的隔振段無疑是最優(yōu)的，但還應(yīng)考慮隔振段的空間占用和信號傳輸問題。由于所有隔振段最終都將被纏繞在卷盤裝置上，而卷盤空間有限，若隔振段過長勢必會壓縮聲學(xué)線列陣段的長度，降低探測效果。此外，陣列信號數(shù)據(jù)一般要通過隔振段回傳到本艇內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，若隔振段過長，會影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，即使是在濕端完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，過長的隔振段也會對信號傳輸造成一定的衰減，因此應(yīng)綜合考慮，合理設(shè)計(jì)隔振段的長度。

2.3 收放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 收放系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)形式

早期的潛艇拖曳聲吶收放主要采用人工掛接或者液壓驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)。人工掛接方式是在潛艇出航前通過人工和船舶輔助的方式將纜陣與潛艇連接，潛艇回港后，再通過相同方式將纜陣與潛艇脫離。人工掛接方式雖然可以使本艇上的裝置設(shè)計(jì)簡單，但存在操作不便及在執(zhí)行任務(wù)期間無法收回纜陣的弊端。而液壓驅(qū)動(dòng)方式則是采用液壓作為動(dòng)力源來驅(qū)動(dòng)收放系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)纜陣的收放操作，其技術(shù)成熟度較高且穩(wěn)定可靠。

本世紀(jì)初，美國研制出了電力驅(qū)動(dòng)的潛艇拖曳聲吶收放系統(tǒng)。電力驅(qū)動(dòng)的收放系統(tǒng)即采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)收放機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)纜陣的收放操作。相比液壓驅(qū)動(dòng)的收放系統(tǒng)，電力驅(qū)動(dòng)的收放系統(tǒng)控制更靈活、更精準(zhǔn)。不僅如此，因取消了液壓和氣壓子組件，電力驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)更整潔和安靜，所以也是未來潛艇拖曳陣收放分系統(tǒng)的發(fā)展方向，且更有可能在未來智能化技術(shù)推動(dòng)下實(shí)現(xiàn)新的突破。

2.3.2 卷盤及排纜裝置

在拖纜、隔振段、線列陣的設(shè)計(jì)完成后，可以根據(jù)這3 段結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)來估算卷盤裝置的空間需求。通常情況下，隔振段的直徑與線列陣相同，設(shè)計(jì)卷盤裝置時(shí)，可以將隔振段長度加入線列陣來計(jì)算。為了排列整齊，線列陣直徑應(yīng)為拖纜直徑的整數(shù)倍。當(dāng)纏繞纜陣時(shí)，從內(nèi)而外依次為拖纜、隔振段、線列陣和隔振段。如圖5 所示，假設(shè)拖纜長度為l1，半徑為r1，首隔振段+線列陣+尾隔振段的長度為l2，線列陣半徑均為r2，卷盤最小卷曲半徑為r0，卷盤軸向長度為H，則將纜陣全部卷繞到裝置上后的尺寸可利用式（2）～式（5）估算。式中，i代表拖纜圈數(shù)遞增變量，j代表線列陣圈數(shù)遞增變量。

圖5 纜陣在卷盤裝置上的纏繞示意圖Fig. 5 Winding diagram of towed cable-array

估算過程中作如下假設(shè)（主要的誤差來源）：

1） 纜陣軸向不會伸縮且排列時(shí)緊密且整齊；

2） 拖纜最外層剛好排滿整個(gè)卷盤軸向長度H；

3） 拖纜最外層與線列陣最外層與一條平行于軸線的直線相切。

上述假設(shè)，恰好是工程設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的。纜陣在受到高溫烘烤、海水浸泡、長期載荷的作用下，極有可能在使用一段時(shí)間后變長；在排列纜陣過程中，纜陣受到海水沖刷可能出現(xiàn)排列不緊密或處于亂序狀態(tài)。因此，設(shè)計(jì)卷盤裝置的容納空間時(shí)，應(yīng)預(yù)留1～2 層的纏繞空間，且卷盤軸向長度設(shè)置應(yīng)盡量與拖纜與線列陣直徑匹配（公倍數(shù)）。

式中：“下方括號”表示商值向下取整；n1，n2為卷盤上豎排的圈數(shù)。

最終，卷盤裝置半徑R可由式（5）計(jì)算得到（含預(yù)留纏繞空間）。

卷盤裝置的布置按姿態(tài)分為立式和臥式，而按旋轉(zhuǎn)方向又分為平滾、縱滾和橫滾，如圖6 所示，具體的優(yōu)缺點(diǎn)如表2 所示。

表2 3 種卷盤裝置布置的優(yōu)缺點(diǎn)比較Table 2 Pros and cons comparison of three types of winch

圖6 3 種卷盤裝置的布置方式Fig. 6 The layout of three types of winch

排纜裝置通常會作為卷盤裝置的附屬機(jī)構(gòu)布置在卷盤裝置附近。排纜裝置的核心部件是一根雙曲線循環(huán)傳動(dòng)桿，在驅(qū)動(dòng)力的作用下，可帶動(dòng)纜陣在卷盤裝置軸向排纜空間內(nèi)做往復(fù)動(dòng)作，使纜陣能夠按規(guī)律排列在卷盤裝置上。排纜裝置應(yīng)覆蓋卷盤裝置的整個(gè)排纜空間，因此其軸向尺寸略大于卷盤裝置的軸向尺寸，具體可見圖1。

2.3.3 導(dǎo)管阻力

潛艇在潛航狀態(tài)下釋放纜陣時(shí)，纜陣從卷盤裝置到釋放口這段距離內(nèi)有時(shí)需設(shè)計(jì)一段專用導(dǎo)管以保護(hù)纜陣，避免其受到干擾和損壞。通常，纜陣被設(shè)計(jì)為零浮力或微負(fù)浮力，使其在直管段內(nèi)拖行時(shí)無摩擦力或摩擦力很小，故可忽略不計(jì)。但纜陣導(dǎo)管一般都需經(jīng)過轉(zhuǎn)彎才能到達(dá)釋放口，此時(shí)，轉(zhuǎn)彎處會產(chǎn)生額外阻力，如圖7 所示。

圖7 纜陣導(dǎo)管在彎管處阻力示意圖Fig. 7 Resistance diagram of towed cable-array at the elbow of conduit

假設(shè)纜陣導(dǎo)管有n個(gè)轉(zhuǎn)彎處，每處轉(zhuǎn)彎都會產(chǎn)生彎管阻力。此時(shí)，阻力值可通過式（6）估算。

式中：α 為纜陣拖行時(shí)的轉(zhuǎn)彎角度;μ為纜陣導(dǎo)管與纜陣之間的摩擦系數(shù)；Fn-1為前一處導(dǎo)管的阻力。轉(zhuǎn)彎角度是設(shè)計(jì)師控制的，可通過計(jì)算得到；摩擦系數(shù)受導(dǎo)管材料、通徑、表面粗糙度（浸水狀態(tài)）及纜陣材料、外徑、表面粗糙度等影響。準(zhǔn)確的摩擦系數(shù)值可以通過樣段試驗(yàn)測得。

纜陣在水面狀態(tài)下釋放并經(jīng)過導(dǎo)管時(shí)，除了在彎管處產(chǎn)生阻力外，在經(jīng)過直管時(shí)也同樣會產(chǎn)生摩擦阻力。此摩擦阻力的計(jì)算可以用直管段纜陣的正壓力與摩擦系數(shù)的乘積來估算。纜陣在導(dǎo)管中拖行的總阻力為直管段產(chǎn)生的摩擦力和彎管端產(chǎn)生的阻力之和。

若纜陣導(dǎo)管的累積轉(zhuǎn)彎角度過大，則會導(dǎo)致從釋放口到卷盤裝置的彎管拖管阻力過大。此時(shí)，可能需要進(jìn)一步優(yōu)化導(dǎo)管的三維走向，將累計(jì)轉(zhuǎn)彎角度盡可能降低。此外，可以考慮使用高分子復(fù)合材料制作纜陣導(dǎo)管，例如聚四氟乙烯等。高分子復(fù)合材料具有極佳的防腐性能，且摩擦系數(shù)通常都很小，可有效降低拖管阻力。

2.3.4 釋放口位置

纜陣釋放口的位置通常選擇在潛艇方向舵、潛浮舵翼端、艇體尾部錐殼，或者單獨(dú)設(shè)計(jì)的突出艇體的釋放口，如圖8 所示。具體的布置位置應(yīng)結(jié)合卷盤裝置的布置和形式、導(dǎo)管的累積轉(zhuǎn)彎角度、尾舵形式、設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)等因素來確定：

1） 若潛艇采用十字舵，舵翼上含固定結(jié)構(gòu)，可利用此結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)纜陣在艇體艉部的通道及安裝釋放口（如圖8 中1，3，5 所示位置），采取此處設(shè)計(jì)的包括俄羅斯“阿穆爾”級常規(guī)潛艇和美國“弗吉尼亞”核動(dòng)力潛艇的細(xì)線陣等；

2） 若潛艇采用X 舵，通常舵葉上無固定舵翼結(jié)構(gòu)，則需要在艇體艉部錐殼某處設(shè)計(jì)纜陣釋放口（如圖8 中的6 和7 所示位置），采取此處設(shè)計(jì)的方案包括德國的214 型潛艇、日本的“蒼龍”級、澳大利亞的“柯林斯”級艇等；

3） 若上述位置均不適合或者纜陣對釋放有其他特殊要求，則可以在艇體艉部設(shè)計(jì)獨(dú)立的釋放口（如圖8 中2 和4 所示位置），采取此處設(shè)計(jì)的方案包括俄羅斯的“阿庫拉”級和美國“弗吉尼亞”級核動(dòng)力潛艇的粗線陣釋放口。

圖8 釋放口位置選擇示意圖Fig. 8 Illustration of releasing port position

水線以上的釋放口在碼頭系泊狀態(tài)時(shí)人員可達(dá)，可定期維護(hù)和保養(yǎng)。但水線以上的釋放口會因頻繁和交替出現(xiàn)干濕狀態(tài)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面附著鹽類結(jié)晶物質(zhì)。而這些物質(zhì)會在纜陣收放時(shí)劃傷纜陣，對纜陣收放系統(tǒng)也有一定影響。為此，可以在該處設(shè)計(jì)專門的淡水噴淋管路，對纜陣進(jìn)行沖洗，確保纜陣收放時(shí)工作正常和無損傷。

水線以下的釋放口因長期浸泡在海水中，受海水腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)高，需要纜陣收放系統(tǒng)有較高的可靠性和抗腐蝕能力（但不能與船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕）[9]。水線以下且陽光可達(dá)的釋放口，會受到海洋生物的侵?jǐn)_[10]，附著的海洋生物外殼會在收放時(shí)劃傷纜陣的外套，導(dǎo)致纜陣失效，因此需要定期清理附著的海生物。

此外，纜陣釋放口位置的選取還應(yīng)充分考慮纜陣在釋放及拖曳過程中的安全性。纜陣應(yīng)與螺旋槳、操縱舵等可動(dòng)部件保持足夠的安全距離，避免在操艇和航行中損壞纜陣。若纜陣在拖曳過程中受到外物（例如漁網(wǎng)、螺旋槳等）纏繞，將影響本艇航行安全，應(yīng)在釋放口和卷盤裝置之間設(shè)計(jì)纜陣應(yīng)急切割裝置，確保航行安全。使用拖曳聲吶過程中，潛艇應(yīng)盡量避免緊急上浮、下潛或極限回轉(zhuǎn)等操艇動(dòng)作。這些動(dòng)作會在潛艇艉部產(chǎn)生極不穩(wěn)定的流場，纜陣容易被螺旋槳損壞。

表3 給出了國外幾種典型潛艇的拖曳聲吶裝艇設(shè)計(jì)基本信息。

表3 國外潛艇拖曳聲吶裝艇的典型設(shè)計(jì)方案[11]Table 3 Typical design schemes of towed array sonar installation aboard submarine [11]

2.4 總體工程設(shè)計(jì)

傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)旨在確定拖曳聲吶的性能指標(biāo)，收放系統(tǒng)設(shè)計(jì)旨在確定拖曳聲吶的硬件規(guī)模及形式，最后還要經(jīng)過總體設(shè)計(jì)來確定拖曳聲吶的最終裝艇方案。

對總體設(shè)計(jì)而言，空間、重量資源是寶貴的，在滿足設(shè)備功能、性能要求的前提下，應(yīng)對拖曳聲吶開展集成、輕質(zhì)、高可靠等設(shè)計(jì)。纜陣收放前后會有一定的載荷變化，例如重量、重心和拖曳阻力等，這些因素應(yīng)在設(shè)計(jì)初期得到充分評估。拖曳聲吶正常工作需要的噴淋淡水、液壓油、電能等均由潛艇提供，而這些資源對潛艇而言是寶貴的，故應(yīng)對其開展節(jié)能及精細(xì)化設(shè)計(jì)。

纜陣被全部釋放后，在海水的摩擦阻力作用下，會產(chǎn)生較大拉力，其值與潛艇的航速及纜陣直徑、長度、摩擦系數(shù)有關(guān)。在設(shè)計(jì)收放系統(tǒng)與船體結(jié)構(gòu)連接的基座時(shí)，應(yīng)充分考慮拖曳阻力，避免因強(qiáng)度不夠?qū)е率辗畔到y(tǒng)損毀的情況。

對潛艇而言，噪聲控制也至關(guān)重要。拖曳聲吶收放系統(tǒng)工作時(shí)會產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，設(shè)計(jì)師應(yīng)開展充分的減振降噪工作，避免因使用拖曳聲吶而產(chǎn)生新的噪聲源，進(jìn)而影響本艇的隱蔽性，降低戰(zhàn)斗力。最后，應(yīng)調(diào)整收放系統(tǒng)的綜合布置，使其盡量包裹在潛艇外殼之內(nèi)，如此，不僅美觀，而且不會產(chǎn)生額外的阻力和流噪聲。

3 結(jié) 語

在潛艇上適裝拖曳聲吶是一個(gè)復(fù)雜的綜合平衡過程。與潛艇內(nèi)部綜合布置一樣，沒有一種布置原則是放之四海皆準(zhǔn)的，也不存在最優(yōu)的設(shè)計(jì)，只有更合適或者更合理的權(quán)衡方案。本文僅以某產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中遇到的問題為出發(fā)點(diǎn)，全面梳理和總結(jié)了潛艇裝備拖曳聲吶的基本流程和方法。未來，潛艇裝備拖曳聲吶可能還會遇到新的挑戰(zhàn)，也會有新的技術(shù)和解決方案。作者希望以此文拋磚引玉，促進(jìn)聲吶設(shè)備設(shè)計(jì)師與潛艇總體設(shè)計(jì)師對潛艇安裝拖曳聲吶開展深入討論，未來能夠設(shè)計(jì)出性能更優(yōu)、總體適裝性更好的拖曳聲吶適裝方案。

4 致 謝

感謝中國艦船研究中心吳崇建博士在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中給予的支持和幫助，其深入淺出的例子教會我很多潛艇總體設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則。此外，還要感謝杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所的同仁們，與他們的討論對本文寫作有直接的幫助。