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(shì)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(guò)對(duì)當(dāng)前各國(guó)潛艇聲吶裝備的介紹，分析艇艏陣的種類(lèi)、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(lái)在技術(shù)和裝備發(fā)展上的趨勢(shì)。

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?duì)潛艇其它部位，艏端環(huán)境最安靜且具視野最開(kāi)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(chēng)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(shí)別、跟蹤等，而且還具備主動(dòng)測(cè)距、通信等功能。因此可以說(shuō)，其性能好壞影響到整個(gè)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(gè)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(lái)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(lái)聲吶技術(shù)中將起著更為重要的作用。因此，各國(guó)的潛艇均特別重視艇艏陣聲吶的設(shè)計(jì)，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(lèi)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(lái)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(gè)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(guó)TSM2233聲吶系統(tǒng)艇艏陣[1]（圖1）、德國(guó)214型潛艇裝備的艇艏陣[1]（圖2）、俄羅斯基洛級(jí)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(guó)TSM2233聲吶系統(tǒng)艇艏陣

圖2 德國(guó)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(guó)洛杉磯級(jí)、海狼級(jí)所采用的球陣，以及弗吉尼亞級(jí)核潛艇采用的U形球陣（圖5)[1-2]。

圖5 美國(guó)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(dòng)陣、被動(dòng)陣、主被動(dòng)陣。如果與陣形結(jié)合，可以展開(kāi)成更多的類(lèi)型：主動(dòng)圓柱陣、被動(dòng)圓柱陣、主被動(dòng)圓柱陣、主動(dòng)球陣、被動(dòng)球陣、主被動(dòng)球陣、被動(dòng)共形陣和主被動(dòng)共形陣。這種多樣性是艇艏陣的一個(gè)重要特色。

圖6 俄羅斯阿穆?tīng)柤?jí)潛艇艇艏共形陣

圖7 英國(guó)機(jī)敏級(jí)核潛艇艇艏共形陣

圖8 美國(guó)海狼級(jí)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(guó)潛艇艇艏陣發(fā)展圖。從圖中可以看到，美國(guó)四代核潛艇艇艏陣類(lèi)型幾乎覆蓋了所有艇艏陣陣形，而且每型會(huì)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(hào)。在上世紀(jì)六十年代，不到十年的時(shí)間里就提出和研制出一種新的陣型。

同樣，俄羅斯的基洛級(jí)、阿穆?tīng)柤?jí)、臺(tái)風(fēng)級(jí)、雅森級(jí)潛艇的艇艏陣也都是不一樣的。同屬基洛級(jí)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(jiàn)，相比于拖曳線(xiàn)列陣、舷側(cè)陣，艇艏陣發(fā)展的一個(gè)重要特點(diǎn)是陣型類(lèi)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(jiǎn)單且軸向?qū)ΨQ(chēng)，具有空間波束均勻、處理方便、平臺(tái)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(duì)球陣來(lái)說(shuō)，其優(yōu)勢(shì)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(mǎn)足淺海和深海不同的海洋傳播環(huán)境。其弱勢(shì)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(duì)共形陣來(lái)說(shuō)，其優(yōu)勢(shì)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(jiǎn)單。其弱勢(shì)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(guó)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(guò)渡形狀；（2）艇噪聲和水動(dòng)力噪聲影響較其它陣大；（3）各個(gè)方向波束或增益不均勻。

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

圖9 美國(guó)潛艇艇艏陣發(fā)展圖

2.2 使命任務(wù)對(duì)陣型的影響[1-3]

美國(guó)海軍第三代攻擊型核潛艇洛杉磯級(jí)用于對(duì)美國(guó)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(tái)噪聲對(duì)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(dòng)探測(cè)是不現(xiàn)實(shí)的。因此，洛杉磯級(jí)采用了以主動(dòng)為主、被動(dòng)為輔的BQS-11型主被動(dòng)球陣聲吶，同時(shí)為彌補(bǔ)被動(dòng)接收的不足，配置BQR-7型共形陣聲吶。而與其同時(shí)代的俄亥俄級(jí)核潛艇由于主要巡邏在美國(guó)中、近海，因此，其艇艏陣配置主要以被動(dòng)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(jí)。

海狼級(jí)核潛艇最早是為了替代洛杉磯級(jí)，繼續(xù)執(zhí)行保護(hù)海軍作戰(zhàn)艦艇編隊(duì)、探測(cè)跟蹤蘇聯(lián)海軍核潛艇和水面艦艇、對(duì)其進(jìn)行攔擊等任務(wù)。在海狼級(jí)核潛艇上，將洛杉磯級(jí)的收發(fā)合置球陣拆分為一個(gè)以中頻接收為主的球陣和主動(dòng)碗形陣，繼續(xù)保留低頻共形陣，在保留主動(dòng)性能的同時(shí)，加強(qiáng)了被動(dòng)探測(cè)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(guó)第四代攻擊型核潛艇的弗吉尼亞級(jí)，為了適應(yīng)后冷戰(zhàn)環(huán)境的要求，其設(shè)計(jì)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(jí)保留冷戰(zhàn)時(shí)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(dòng)接收為主，主動(dòng)發(fā)射為輔，進(jìn)一步加強(qiáng)了被動(dòng)警戒能力，同時(shí)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(tái)空間對(duì)聲基陣設(shè)計(jì)的影響

聲基陣設(shè)計(jì)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(yú)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(shì)被限制，而采用結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)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(xiàn)曲率較大的艇型，不宜安裝過(guò)于偏上或偏下，同樣不適用于平臺(tái)噪聲過(guò)大或中高速航行時(shí)的潛艇。

3 艇艏陣技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

總的來(lái)說(shuō)，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?tīng)柤?jí)和英國(guó)機(jī)敏級(jí)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(guó)弗吉尼亞級(jí)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(tái)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(guò)程。對(duì)近距離的目標(biāo)（如安靜型潛艇）寬帶檢測(cè)，密排陣高頻探潛仍具有優(yōu)勢(shì)。

（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(cè)和測(cè)向，已經(jīng)擴(kuò)展到檢測(cè)、定位、識(shí)別、跟蹤、通信等幾乎所有功能。艇艏陣也是艇上唯一同時(shí)承擔(dān)主動(dòng)和被動(dòng)功能的陣。美國(guó)洛杉磯級(jí)潛艇艇艏球陣是收發(fā)合置的主被動(dòng)陣，海狼級(jí)和弗吉尼亞級(jí)潛艇采用收發(fā)分置的陣形，進(jìn)一步加強(qiáng)主動(dòng)和被動(dòng)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(hào)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(guó)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(duì)目標(biāo)進(jìn)行處理。

4 艇艏陣裝備發(fā)展趨勢(shì)

潛艇艇艏陣第一次發(fā)生躍變是美國(guó)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(gè)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(shí)乃至今天各國(guó)潛艇在艏端同時(shí)布置圓柱陣和魚(yú)雷發(fā)射管的傳統(tǒng)布局，把魚(yú)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(tái)與殼體直接相連，平臺(tái)結(jié)構(gòu)噪聲/水動(dòng)力噪聲對(duì)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(huì)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(gè)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(jì)，還需要在水聽(tīng)器設(shè)計(jì)、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(guó)潛艇全紀(jì)錄[J].艦船知識(shí),2009,增刊.

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

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