劉洪生 姜朝宇

(海軍駐431廠軍代表室 葫蘆島 125004)

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美俄潛艇聲納裝備的發(fā)展*

劉洪生 姜朝宇

(海軍駐431廠軍代表室 葫蘆島 125004)

聲納設(shè)備出現(xiàn)以來,隨著微電子技術(shù)、信號處理技術(shù)的發(fā)展以及人們對聲傳播規(guī)律的認(rèn)識,聲吶技術(shù)有了長足的進(jìn)步,出現(xiàn)了多種低頻、大功率,大尺寸基陣聲吶和新體制聲吶。論文分析了美、俄潛艇聲納裝備的發(fā)展趨勢,以及現(xiàn)役聲納裝備的配置、主要性能、聲基陣布置等。分析總結(jié)了世界主要綜合聲納系統(tǒng)的三個技術(shù)發(fā)展方向,可供潛艇聲納裝備的研制及艇總體設(shè)計提供參考。

聲納裝備; 發(fā)展趨勢; 低頻; 綜合聲納系統(tǒng)

Class Number TN929.3

1 引言

潛艇以其隱蔽性、靈活性、突擊性等無可替代的優(yōu)勢,成為各國海軍優(yōu)先發(fā)展的重點(diǎn),在海軍裝備中占有十分重要的地位。

在茫茫大海中,聲波是唯一可在海水介質(zhì)中有效遠(yuǎn)距離傳遞信息的載體,迄今為止利用聲波探測潛艇仍然是最有效的遠(yuǎn)程探測方法[1]。因此,世界先進(jìn)國家的海軍和科研機(jī)構(gòu)不遺余力地推進(jìn)聲納裝備現(xiàn)代化和潛艇安靜化進(jìn)程,并均取得很大進(jìn)展。美國和俄羅斯無論在海洋水聲物理領(lǐng)域,還是在潛艇聲納裝備研制上都位于世界前列,下面主要介紹其潛艇聲納裝備的發(fā)展,以及對我國潛艇聲納裝備發(fā)展的啟示。

2 美國潛艇聲納的現(xiàn)狀與發(fā)展

美國潛艇從20世紀(jì)70年代后一直是以核潛艇為主,聲納裝備的主要型號有AN/BQQ-1、AN/BQQ-2、AN/BQQ-5、AN/BQQ-6、AN/BQQ-10等聲納系統(tǒng)[1],每個型號又有多種改進(jìn)型。

最早的AN/BQQ-1聲納系統(tǒng)出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代,但可靠性非常低。1957年,美國海軍水聲研究所在AN/BQQ-1聲納系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研究設(shè)計了AN/BQQ-2聲納系統(tǒng)。1962年定型后開始大規(guī)模裝備“鱘魚”級、“長尾鯊”級等攻擊型核潛艇,1972年,AN/BQQ-2聲納系統(tǒng)停止生產(chǎn),但其艏端的BQS-6主被動聲納逐步被BQS-13DNA聲納代替。

1969年1月,美國海軍提出了AN/BQQ-5聲納系統(tǒng)的概念,并于1972年定型生產(chǎn),1974年裝備在“洛杉磯”級核潛艇的首艇上。AN/BQQ-5聲納系統(tǒng)主要包括BQS-13DNA主被動聲納、BQR-20噪聲測向聲納、TB-16拖曳線列陣、BQG-4被動測距聲納、目標(biāo)識別聲納、BQS-15探雷與避碰聲納、WLR-9A偵察聲納、WQC-2通信聲納和BQN-17回聲測深聲納等。20世紀(jì)70年代后期,美國對AN/BQQ-5進(jìn)行了一系列改進(jìn),引入了TB-29細(xì)線拖曳線列陣聲納被動測距(TARP)技術(shù)[2]。

1973年,在AN/BQQ-5聲納系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),研制了AN/BQQ-6聲納系統(tǒng),其設(shè)備大約有73%與AN/BQQ-5聲納系統(tǒng)相同,主要用于裝備“俄亥俄”級彈道導(dǎo)彈核潛艇。

為了將美國已有的AN/BQQ-5、AN/BQQ-6聲納系統(tǒng)升級為一種更為靈活的具有開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(OSA)的通用聲納系統(tǒng),美國海軍分四個階段實(shí)施了“聲學(xué)快速商用部件插入計劃”(ARCI),升級后的系統(tǒng)稱為AN/BQQ-10(V)聲納系統(tǒng)。AN/BQQ-10(V)聲納系統(tǒng)最初用于“洛杉磯”級改進(jìn)型潛艇,使用原有傳感器,利用COTS的商用計算機(jī)技術(shù)代替原有的中央處理系統(tǒng),將軟件安裝于開放的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中。該計劃最后擴(kuò)展成為對所有的約60艘攻擊核潛艇和彈道導(dǎo)彈核潛艇提供改進(jìn)和升級。AN/BQQ-10(V)聲納系統(tǒng)主要包括艇艏陣聲納、BQG-5寬孔徑舷側(cè)陣聲納、TB-16粗線拖曳陣、TB-29A細(xì)線拖曳陣等。

下面分別介紹美國幾型現(xiàn)役主要聲納裝備:

1) BQS-13DNA主被動聲納。

BQS-13DNA聲納是美國潛艇聲納設(shè)計史上的里程碑,也是各國海軍潛艇聲納設(shè)計的樣板,其許多先進(jìn)的設(shè)計思想已成為今天各種聲納裝備的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。在后期的AN/BQQ-5、AN/BQQ-510聲納系統(tǒng)中,BQS-13DNA的型號已不再出現(xiàn),而是和其它聲基陣一起,僅作為聲納系統(tǒng)中的一個接收基陣。BQS-13DNA的基陣直徑4.6m,主動工作頻率3.5kHz,被動工作頻率1kHz～3kHz,連續(xù)發(fā)射電功率大于75kW[1,3]。主要功能為主動定位,測定目標(biāo)運(yùn)動數(shù)據(jù),被動跟蹤測向和來襲魚雷報警等,據(jù)報道主動作用距離利用深海聲道時可達(dá)35海里。從第二批次的“弗吉尼亞”級核潛艇開始,艇艏聲納開始使用最新的寬孔徑聲納(LAB)取代艇艏球形聲納,不但提高了被動探測能力,還降低了生產(chǎn)成本。

2) TB-16、TB-34粗線拖曳陣。

TB-16系列粗線拖曳陣是AN/BQQ-5、AN/BQQ-6、AN/BQQ-10聲納系統(tǒng)的重要組成部分,由洛克希德·馬丁公司在1973年開始研制。1982年生產(chǎn)的TB-16A減小了流噪聲,能以更高的航速拖曳。1987年生產(chǎn)的TB-16B進(jìn)一步減小了流噪聲,TB-16D提高了基陣的數(shù)字化程度。目前美國海軍使用的TB-16E、TB-16G是TB-16D的改進(jìn)型號。TB-16系列粗線拖曳陣的收放絞車安裝在艏部主壓載水艙內(nèi),拖曳陣存放在沿艇體縱向方向的艇殼體導(dǎo)管中。TB-34拖曳陣是用于取代TB-16系列拖曳陣的美國新一代拖曳陣,能夠提高潛艇在復(fù)雜淺海環(huán)境下的反潛戰(zhàn)能力。TB-16的聲基陣直徑82.5mm,陣長75m;拖纜直徑9.5mm,拖纜長800m[4]。

圖1 上層建筑內(nèi)清晰可見的TB-16粗線陣導(dǎo)管

3) TB-23、TB-29、TB-33細(xì)線拖曳陣。

與粗線陣流噪聲小、適用于高航速下使用不同,細(xì)線陣適用于低航速下使用,主要用于遠(yuǎn)程警戒。TB-23拖曳陣由聯(lián)合信號海洋系統(tǒng)公司研制,目前已被洛克希德·馬丁公司研制的TB-29、TB-29A取代。TB-29較TB-23增加了長度,TB-29A是TB-29的一種成熟商用產(chǎn)品,用于“洛杉磯”級和“弗吉尼亞”級核潛艇。TB-33是美國海軍的下一代光纖細(xì)線拖曳陣,由切薩皮克科學(xué)公司研制,其在保持TB-29拖曳陣性能的同時,顯著提高了可靠性。TB-29的陣長為634m,聲基元數(shù)416個,拖纜長580m。TB-29A的陣長為823m,陣直徑38mm,聲基元數(shù)416個,拖纜長365m[4～5,7]。該聲納被動工作頻段為10Hz～3000Hz,利用低頻線譜檢測目標(biāo)信息,據(jù)報道作用距離可達(dá)50～100海里,主要功能為水下超遠(yuǎn)程警戒。

4) BQG-5寬孔徑舷側(cè)陣聲納

該聲納由洛克希德·馬丁公司研制生產(chǎn),為潛艇提供遠(yuǎn)程目標(biāo)精確定位。BQG-5聲納在潛艇兩舷各有三個大型子陣,每個子陣的尺寸約3m×3m,每個子陣有404個基元。在“弗吉尼亞”級核潛艇上,舷側(cè)陣采用了輕型寬孔徑陣(LWAA),該陣也包括六個子陣,每個子陣包括八個聲學(xué)模塊,每個聲學(xué)模塊有56個基元。由于采用了光纖水聽器,輕型寬孔徑陣的重量大大降低。BQG-5的工作頻率為200Hz～8kHz,可在艇兩舷45°～135°舷角內(nèi)對噪聲目標(biāo)進(jìn)行測距,方位精度為0.2°,測距為10海里。

表1 美國在役核潛艇主要聲納裝備配置表

3 俄羅斯?jié)撏暭{的現(xiàn)狀與發(fā)展

俄羅斯(蘇聯(lián))第一部潛艇聲納系統(tǒng)(MGK-300)的遠(yuǎn)距離警戒性能,在實(shí)際條件下要優(yōu)于美國的相似系統(tǒng)AN/BQQ-2。

在20世紀(jì)70年代,聲納的基本任務(wù)是檢測低噪聲潛艇。特別提出的是在這一時期開發(fā)的MGK-400聲納?；谝郧奥暭{特點(diǎn),MGK-400聲納設(shè)計具有較小的硬件規(guī)模,較低的功耗及較高的性能[6]。它已經(jīng)在俄羅斯眾多型號的核潛艇(如“十一月”、“Echo Ⅱ”、“Delta Ⅲ”、“Charlie”級)和常規(guī)潛艇(如“基洛”級)上大量裝備。

之后的20年里,前蘇聯(lián)已開發(fā)出新一代的具有數(shù)字信號處理能力的潛艇聲納系統(tǒng),如MGK-500(鰩-KC)、MGK-520、MGK-540(鰩-3),并服務(wù)于所有現(xiàn)代化俄羅斯?jié)撏?。這些系統(tǒng)吸收了國內(nèi)聲納設(shè)計的所有優(yōu)點(diǎn),采用傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)了美國在80年代中期才達(dá)到的聲學(xué)性能。這樣的方法需要比美國AN/BQQ-5、AN/BQQ-56聲納系統(tǒng)更大的聲基陣尺寸。同時,由于前蘇聯(lián)國內(nèi)電子工業(yè)在器件集成能力和小型化能力方面均落后于美國,使得聲納硬件規(guī)模和功耗均明顯增加。

MGK-400聲納艇艏陣,呈倒截錐陣,直徑為3.5m～4m,高度2.3m,在垂直向布置了七組水聽器。之后在MGK-400EM聲納中對水聽器進(jìn)行了重新設(shè)計,在垂直方向的水聽器數(shù)變?yōu)榱?4組。

MGK-540聲納系統(tǒng)裝備在俄羅斯海軍現(xiàn)役的所有主戰(zhàn)潛艇上,其中包括“阿庫拉”Ⅰ、Ⅱ型,“塞拉”Ⅰ、Ⅱ型核潛艇等。該系統(tǒng)主要用于連續(xù)監(jiān)視潛艇所在水域的水面和水下狀況,以被動監(jiān)聽方式對目標(biāo)進(jìn)行探測、定向和跟蹤,其監(jiān)聽方式分為寬帶和窄帶,工作頻率為聲頻、低聲頻和次聲頻。

MGK-540綜合聲納系統(tǒng)主要由艇殼基陣聲納、低/中頻、主/被動搜索跟蹤聲納和被動拖曳陣變深聲納(聲納基陣長估計為80m,有50個水聽器;拖纜長750m;工作頻率為20Hz～200Hz)組成。其中低頻艇殼聲納以被動方式進(jìn)行搜索警戒,換能器基陣裝貼于艇艏?xì)んw上,基陣布置在艏部魚雷管下方,對水面艦艇被動作用距離為60km,對潛艇作用距離為20km;拖曳陣聲納用于遠(yuǎn)程被動警戒,作用距離大于90km[6]。

俄羅斯“亞森”級(885型)攻擊核潛艇將配置最新的“阿亞克斯”聲納系統(tǒng)(Ajax/Irytysh),其艇艏球形陣的直徑達(dá)到6m。其有效探測距離為100km,能適應(yīng)各種復(fù)雜的水聲條件,從而搜索能力大大提高。而為安裝該球形陣,俄羅斯改變了傳統(tǒng)的艇艏總體設(shè)計,將魚雷發(fā)射管從艇艏移到了舷側(cè)。

“基洛”級常規(guī)潛艇艏聲納基陣是一個倒截錐的圓柱體,沒有舷側(cè)陣。最新的“拉達(dá)”級、“阿穆爾”級(供出口)常規(guī)潛艇艏聲納基陣是一個共形陣且向艇艉延伸形成舷側(cè)陣,舷側(cè)陣部分的垂直高度要大于艇艏共形陣高度。通過這樣的設(shè)計,既增加了艇艏接收面積,又?jǐn)U大了觀察范圍。艇艏共形陣部分在垂直向分成24層,高度估計為2.5m～3m,水平半圓弧段劃分為72列,估計有水聽器1728個水聽器。舷側(cè)共形陣是一個近似平板陣,垂直水聽器數(shù)為29個,長度估計為10m。整個艇艏陣采用密集布陣方式,因此整個基陣水聽器數(shù)估計達(dá)到8000個,其聲納基陣的陣元覆蓋面積的堪稱世界之最。

表2 俄羅斯在役核潛艇聲納系統(tǒng)配置表

4 結(jié)語

綜上所述,美俄現(xiàn)役核潛艇主要聲納裝備的性能均有本質(zhì)的提高。其特點(diǎn)為: 1) 通過增大聲納基陣孔徑來提高作用距離。如兩國核潛艇艇艏端均采用大型球形基陣,直徑甚至達(dá)到6m以上;艇舷側(cè)部位均采用了大面積共形聲基陣[8]。 2) 各種聲納基陣配置齊全,功能各異,共同構(gòu)成了性能先進(jìn)的一體化聲納系統(tǒng)。如兩國核潛艇均配置了艏端陣、舷側(cè)陣、拖曳線列陣、高頻探雷避碰陣、偵察陣、通信陣以及其它輔助聲基陣,特別是美國核潛艇為兼顧高低航速聲納性能,還配備了粗細(xì)兩條拖曳線列陣,這種絕無僅有的配置方式顯示美國核潛艇聲吶系統(tǒng)設(shè)計水平與戰(zhàn)術(shù)思想的先進(jìn)性。 3) 聲納無論被動工作方式,還是主動工作方式,均向低頻方向發(fā)展,聲納被動工作方式的頻率下限已由1kHz左右向下擴(kuò)展到了100Hz以下[1,9～10]。

為保證打贏未來高技術(shù)條件下的現(xiàn)代化海戰(zhàn),我國應(yīng)高度重視潛艇聲納裝備和潛艇隱身的發(fā)展。美俄兩國核潛艇聲納的發(fā)展歷程對我國的聲納設(shè)計制造有很大的參考意義,有利于我國加強(qiáng)聲納系統(tǒng)技術(shù)儲備,提升聲納設(shè)備性能,降低設(shè)備成本,緊跟世界先進(jìn)水平。

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Sonar Equipment Development of USA and Russia Submarine

LIU Hongsheng JIANG Zhaoyu

(Navy Representative Office of 431 Shipyard, Huludao 125004)

This paper analyzed the sonar equipment development direction of Russia and USA submarines, and the configuration, performance, lay of array of sonar equipment in service. This paper also analyzed the relationship between the sonar equipment development and the acoustic stealth of submarine, which received the conclusion that the development direction of both are low frequency. This paper provided some reference for the development of submarine sonar equipment, overall design of submarine and acoustic stealth.

sonar equipment, development direction, low frequency, integrated sonar system

2014年11月8日,

2014年12月29日

劉洪生,男,工程師,研究方向:水聲工程、電子工程。姜朝宇,男,工程師,研究方向:艦船電子工程、電磁兼容。

TN929.3

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.003