師于杰 任海剛

(中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院 北京 100094)

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國(guó)外非聲探潛與隱身技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)*

師于杰 任海剛

(中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院 北京 100094)

潛艇的非聲特征包括潛艇自身的磁場(chǎng)特征、光學(xué)特征、雷達(dá)特征和紅外特征,以及潛艇運(yùn)動(dòng)在周?chē)w中留下的“痕跡”——尾跡特征。論文從直接探測(cè)潛艇自身物理場(chǎng)特征和間接探測(cè)潛艇尾跡特征兩個(gè)方面,對(duì)潛艇的非聲特征和非聲探測(cè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了回顧,并分析了非聲探測(cè)技術(shù)的對(duì)潛艇的威脅,展望了非聲隱身技術(shù)措施及發(fā)展方向。

非聲特征; 非聲隱身; 尾跡隱身

Class Number U674.7+01

1 引言

長(zhǎng)期以來(lái),探潛技術(shù)的關(guān)注重點(diǎn)都在直接探測(cè)方面,即通過(guò)直接探測(cè)潛艇本身的物理場(chǎng)特征發(fā)現(xiàn)并識(shí)別潛艇目標(biāo)。在海水介質(zhì)中,聲波(特別是較低頻率的聲波)的有效傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)可見(jiàn)光、雷達(dá)、紅外等電磁波。聲波的這一特點(diǎn)使其成為探潛的主要手段。

早在二戰(zhàn)時(shí)期,非聲探測(cè)就已經(jīng)成功應(yīng)用于潛艇探測(cè)。如利用磁場(chǎng)異常探測(cè)(MAD),可以通過(guò)檢測(cè)潛艇導(dǎo)致的地球磁場(chǎng)異常信號(hào),發(fā)現(xiàn)處于水下航行狀態(tài)的潛艇[1];利用雷達(dá)、紅外探測(cè)手段,可以探測(cè)上浮充電狀態(tài)的潛艇。非聲隱身一直是潛艇綜合隱身性能的重要組成部分。

近年來(lái),為了滿(mǎn)足廣域監(jiān)視(Wide Area Surveillance,WAS)的戰(zhàn)略目標(biāo),間接探測(cè)技術(shù)蓬勃發(fā)展。所謂間接探測(cè)技術(shù),是指通過(guò)潛艇對(duì)周?chē)w造成的影響——即潛艇運(yùn)動(dòng)過(guò)程留下的“痕跡”,間接地發(fā)現(xiàn)識(shí)別潛艇目標(biāo)。間接探測(cè)技術(shù)的發(fā)展給潛艇帶來(lái)了新的威脅,也對(duì)非聲隱身技術(shù)的發(fā)展提出了新的需求。

本文從直接探測(cè)和間接探測(cè)兩個(gè)方面論述了潛艇非聲特征和非聲探測(cè)技術(shù),并對(duì)非聲隱身技術(shù)進(jìn)行了歸納總結(jié)。

2 潛艇的非聲特征與探測(cè)技術(shù)

探潛技術(shù)根據(jù)其檢測(cè)的信號(hào)源可以分為兩類(lèi):直接探測(cè)和間接探測(cè)。所謂直接探測(cè),是指通過(guò)檢測(cè)源于潛艇本身的物理場(chǎng)特征,探測(cè)、發(fā)現(xiàn)潛艇目標(biāo)。而間接探測(cè),則是通過(guò)檢測(cè)潛艇對(duì)周邊環(huán)境造成的影響,間接地探測(cè)發(fā)現(xiàn)潛艇目標(biāo)。

2.1 直接探測(cè)

聲吶探測(cè)是最有效的直接探測(cè)手段。非聲的直接探測(cè)手段主要是通過(guò)檢測(cè)潛艇本身的磁場(chǎng)特征、光學(xué)特征、雷達(dá)特征和紅外特征,探測(cè)發(fā)現(xiàn)潛艇目標(biāo)。

1) 磁場(chǎng)特征

潛艇外殼和艇上設(shè)備大量采用鐵磁材料,在地磁作用下形成由固定磁場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)組成的艇體磁場(chǎng)。磁場(chǎng)異常探測(cè)(MAD)可以通過(guò)檢測(cè)潛艇磁場(chǎng)導(dǎo)致的地磁異常,發(fā)現(xiàn)處于水下航行狀態(tài)的潛艇。

早在二戰(zhàn)時(shí)期,同盟國(guó)就在關(guān)鍵航道布置了磁探儀,用于監(jiān)視德國(guó)潛艇的進(jìn)出。戰(zhàn)后,磁場(chǎng)探測(cè)技術(shù)飛速發(fā)展,探測(cè)精度不斷提高,有效探測(cè)距離不斷增加。目前,MAD探測(cè)設(shè)備已經(jīng)大量裝備在反潛巡邏機(jī)、反潛直升飛機(jī)上。比如,美國(guó)的P-3COrion、俄羅斯的Tu-142、英國(guó)的NimrodMR-2、法國(guó)的Atl-2等反潛巡邏飛上都裝備有MAD,美國(guó)的SH-60B、俄羅斯的Ka-27PL/Ka-28等反潛直升飛機(jī)上也都裝備有MAD。在反潛巡邏飛機(jī)上,為了減小飛機(jī)磁性部件的影響,MAD通常安裝在飛機(jī)尾部的尾錐末端。在反潛直升機(jī)上,MAD用電纜吊放在下后方25m～55m。目前,比較先進(jìn)的MAD是美國(guó)P-3COrion飛機(jī)裝備的AN/ASQ-208。它采用氦4光泵磁力儀,靈敏度可達(dá)3pT(1pT=10～12T),可有效探測(cè)潛深500m以下的潛艇。

2) 光學(xué)特征

可見(jiàn)光在水中具有一定的穿透能力。在海水澄清的太平洋海域,可見(jiàn)光可以到達(dá)水下約100m深度。但是,受到反射光干擾的影響,只有在近垂直方向上,才能有效地通過(guò)目視方式搜索水下潛艇。

近年來(lái),激光雷達(dá)(LIDAR)探潛研究正成為新的熱點(diǎn)。激光雷達(dá)采用類(lèi)似雷達(dá)的工作原理,能夠有效分離海面反射雜波對(duì)水下目標(biāo)反射信號(hào)的干擾,具有較好的探測(cè)精度。并且藍(lán)綠激光(450nm～550nm)在海水中具有良好的穿透率,在一定發(fā)射功率下可以獲得更大的有效探測(cè)深度。因此,盡管存在易受云層、霧霾等氣象因素影響的缺陷,藍(lán)綠激光雷達(dá)探潛研究仍然成為了各國(guó)的研究重點(diǎn)。如圖1所示。20世紀(jì)80年代,瑞典在近海海域成功的利用空中平臺(tái)進(jìn)行了LIDAR探潛的試驗(yàn)研究[2]。美國(guó)國(guó)防部下屬的“先進(jìn)防御研究項(xiàng)目機(jī)構(gòu)”(US Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)曾開(kāi)發(fā)并測(cè)試了用于水下探測(cè)的LIDAR系統(tǒng)(工作波長(zhǎng)510nm),根據(jù)測(cè)試結(jié)果其最大有效探測(cè)深度可達(dá)200m[3]。澳大利亞也啟動(dòng)了LIDAR探潛項(xiàng)目,即LADS項(xiàng)目(Laser Airborne Depth Sounder),使用532nm的藍(lán)綠激光進(jìn)行水下目標(biāo)探測(cè)[4]。

圖1 激光雷達(dá)成像探潛

3) 雷達(dá)特征

海水對(duì)雷達(dá)波有較強(qiáng)的吸收作用,通常雷達(dá)波主要用來(lái)探測(cè)處于潛望航態(tài)以及水面航渡狀態(tài)的潛艇。潛望鏡的物理尺寸雖然較小,但是其雷達(dá)反射截面(RCS)卻遠(yuǎn)大于其物理尺度。在不采用雷達(dá)隱身措施的條件下,潛望航態(tài)潛艇的RCS可達(dá)一百平方米以上。二戰(zhàn)時(shí)期就已有利用雷達(dá)發(fā)現(xiàn)進(jìn)而擊沉潛艇的案例。1942年,英國(guó)軍艦用271型雷達(dá)發(fā)現(xiàn)了在6400m距離上航行的德國(guó)潛艇U-252號(hào),并將其擊沉?，F(xiàn)在,對(duì)海搜索雷達(dá)仍然是水面艦船反潛警戒網(wǎng)的重要組成部分。

4) 紅外特征

常規(guī)潛艇采用柴電動(dòng)力,在水下航行時(shí)利用蓄電池提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)螺旋槳推進(jìn)。當(dāng)蓄電池電量用盡后,常規(guī)潛艇需要上浮充電。此時(shí),柴油發(fā)電機(jī)排放的高溫廢氣和被廢氣加熱的排氣管道金屬壁面會(huì)形成顯著的紅外輻射信號(hào)。通過(guò)紅外探測(cè)設(shè)備(如機(jī)載紅外吊艙等)可以探測(cè)發(fā)現(xiàn)處于通氣管航態(tài)或上浮充電狀態(tài)的潛艇。

隨著不依賴(lài)空氣推進(jìn)(Air Independent Propulsion,AIP)潛艇的出現(xiàn),常規(guī)潛艇水下潛航距離大幅度增長(zhǎng),未來(lái)的AIP潛艇甚至可能完全依賴(lài)AIP動(dòng)力推進(jìn),不再需要上浮充電,大大降低了潛艇被雷達(dá)和紅外探測(cè)發(fā)現(xiàn)的概率。

2.2 間接探測(cè)

物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,或多或少總會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成一定影響,留下“痕跡”。通過(guò)檢測(cè)潛艇在水下航行時(shí)留下的“痕跡”,就可以間接地確定潛艇的方位,實(shí)現(xiàn)對(duì)潛艇的間接探測(cè)。與潛艇自身的物理場(chǎng)特征相比,潛艇留下的“痕跡”特征通常都很微弱,但是其空間尺度常常較大。因此,潛艇留下的“痕跡”特別適合廣域監(jiān)視(Wide Area Surveillance,WAS)[5]。

在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),受到探測(cè)精度和處理分析能力的限制,間接探測(cè)都只停留在理論階段。近年來(lái),隨著傳感器技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展,間接探測(cè)已經(jīng)成為可能。首先是傳感器技術(shù)的發(fā)展,使得對(duì)低強(qiáng)度微弱信號(hào)的檢測(cè)成為可能;然后,電子計(jì)算機(jī)的跨時(shí)代發(fā)展(包括硬件計(jì)算能力的發(fā)展和軟件分析處理算法的發(fā)展)使得原本不可能實(shí)現(xiàn)的大數(shù)據(jù)準(zhǔn)實(shí)時(shí)處理分析成為可能。這樣,通過(guò)安置在高空(無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星)的高精度傳感器,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大面積海域的實(shí)時(shí)監(jiān)視;并且在高性能計(jì)算能力的支持下,能夠?qū)Υ竺娣e海域的監(jiān)視結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)的處理分析,從常規(guī)的背景中甄別出異常的“痕跡”特征,并通過(guò)識(shí)別算法辨別區(qū)分自然現(xiàn)象(如魚(yú)群、海底火山)的影響,從而在廣闊海域?qū)崿F(xiàn)對(duì)潛艇的廣域監(jiān)視。潛艇的間接探測(cè)和廣域監(jiān)視技術(shù)已經(jīng)成為未來(lái)探潛技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

潛艇運(yùn)動(dòng)時(shí)留下的“痕跡”主要包括水動(dòng)力尾跡、生物光尾跡和熱尾流尾跡。

1) 水動(dòng)力尾跡

潛艇在水中運(yùn)動(dòng)時(shí),在水面留下的波紋特征被稱(chēng)為潛艇的水動(dòng)力尾跡,其強(qiáng)度取決于潛艇的航速、潛深和外形尺寸。水動(dòng)力尾跡又可以分為三類(lèi):伯努利水丘、開(kāi)爾文尾跡和內(nèi)波尾跡。

當(dāng)潛艇在較淺潛深下高速航行時(shí),將會(huì)在潛艇上方水面產(chǎn)生一個(gè)丘狀隆起,這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“伯努利水丘”(Bernoulli Hump);在潛艇航行方向的后方,會(huì)形成呈“V”字形的尾跡,被稱(chēng)為開(kāi)爾文尾跡。伯努利水丘和開(kāi)爾文尾跡的尺度與航速和潛深密切相關(guān)。隨著潛艇航速的降低以及潛深的增大,伯努利水丘和開(kāi)爾文尾跡的尺度迅速減小。比如,當(dāng)潛艇航行工況從航速20節(jié)、潛深50m改變?yōu)楹剿?節(jié)、潛深100m時(shí),伯努利水丘的高度從6cm降低到1cm,開(kāi)爾文尾跡的高度從2cm降低到無(wú)法測(cè)量[6]。伯努利水丘和開(kāi)爾文尾跡隨著航速的降低和潛深的增加迅速消失,而且其在水面形成的波紋尺度通常較小,并不適合作為廣域監(jiān)視的對(duì)象。

引起各國(guó)研究者重視的潛艇尾跡特征是內(nèi)波尾跡。所謂內(nèi)波,是指在溫度躍層產(chǎn)生的周期性振動(dòng)橫波。在溫度躍層內(nèi),溫度梯度較大,海水出現(xiàn)“密度分層”現(xiàn)象。一般認(rèn)為,潛艇的內(nèi)波尾跡是由于潛艇對(duì)溫度躍層的擾動(dòng)造成的。當(dāng)溫度躍層內(nèi)出現(xiàn)擾動(dòng),海水密度分層被攪亂后,不同密度的海水在浮升力和重力作用下在平衡位置附近產(chǎn)生周期性振動(dòng),形成內(nèi)波。溫度躍層內(nèi)的內(nèi)波振動(dòng)會(huì)對(duì)表層海水產(chǎn)生調(diào)制作用,改變海面的粗糙度,在海面形成內(nèi)波尾跡。溫度躍層的內(nèi)波振動(dòng)在擾動(dòng)源消失后仍可持續(xù)10～100min[2]。這也意味著當(dāng)潛艇在水下經(jīng)過(guò)時(shí),有可能產(chǎn)生長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里的線(xiàn)狀內(nèi)波尾跡(與洋流、海底地形等擾動(dòng)形成的片狀內(nèi)波尾跡具有顯著差異)。這一特點(diǎn)使得內(nèi)波尾跡成為間接探潛的研究重點(diǎn)。

SAR雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar)可以有效地監(jiān)視海面波浪特征和海面粗糙度的變化,可以成功檢測(cè)內(nèi)波尾跡。早在1978年,美國(guó)就將SAR雷達(dá)裝上了Seasat衛(wèi)星,并成功拍攝了內(nèi)波尾跡的SAR照片[7]。其后,俄羅斯也發(fā)表文章,宣稱(chēng)掌握了使用SAR雷達(dá)檢測(cè)水下潛艇的技術(shù)[8]。1992年,美俄舉行了聯(lián)合試驗(yàn),通過(guò)ERS-1衛(wèi)星驗(yàn)證了SAR雷達(dá)間接探潛的能力[9]。

2) 生物光尾跡

海洋中充滿(mǎn)發(fā)光生物,當(dāng)受到潛艇航行的擾動(dòng)時(shí),這些發(fā)光生物將發(fā)射生物光,其中的藍(lán)綠分量可能穿透海水到達(dá)海面,形成可被觀察到的生物光尾跡。潛艇的尾渦擾動(dòng)和熱尾流浮升作用,常常會(huì)將深處的發(fā)光生物帶到較淺水深處,從而增加了生物光尾跡被觀察到的概率[2]。1992年,美俄通過(guò)海上試驗(yàn)成功的利用光學(xué)傳感器檢測(cè)到了內(nèi)波激勵(lì)的生物光[10]。生物光尾跡最大的局限是其信號(hào)較弱,易受干擾。白天基本無(wú)法檢測(cè)到生物光尾跡,即使在夜晚,有時(shí)月光也可能會(huì)對(duì)生物光尾跡的檢測(cè)造成一定影響。

3) 熱尾流尾跡

核動(dòng)力潛艇通過(guò)汽輪機(jī)將核燃料產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)力和電能。根據(jù)熵增定律,汽輪機(jī)做功過(guò)程必須向外界排放廢熱。事實(shí)上,核燃料產(chǎn)生的熱能中,超過(guò)75%將作為廢熱被排放到海水中;再加上艇上各種電子設(shè)備工作散熱產(chǎn)生的熱量,核動(dòng)力裝置產(chǎn)生的熱功率除一小部分轉(zhuǎn)化為潛艇的動(dòng)能和尾渦湍動(dòng)能外,絕大部分最終都將以冷卻水的形式排入海水中。裝機(jī)容量為190MW的核潛艇,其冷卻水排放的廢熱可達(dá)188MW[4]。這些以冷卻水形式排放到海水中的廢熱,在潛艇尾部形成溫度較高的熱尾流,在浮升力的作用下向海面浮升。

除核動(dòng)力潛艇外,AIP潛艇也存在熱尾流問(wèn)題。AIP潛艇在AIP航態(tài)下采用AIP動(dòng)力系統(tǒng)提供動(dòng)力,同時(shí)以冷卻水的形式排放廢熱。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)裝備應(yīng)用的AIP動(dòng)力系統(tǒng)主要是瑞典的斯特林熱機(jī)(SEAIP),法國(guó)的閉式循環(huán)汽輪機(jī)(MEAIP)和德國(guó)的燃料電池(FCAIP)。其中燃料電池的效率略高,可達(dá)60%;斯特林熱機(jī)和閉式循環(huán)汽輪機(jī)的效率均在35%左右。特別是,斯特林熱機(jī)和閉式循環(huán)柴油機(jī)在工作中不但要排放廢熱,還需要排放燃料燃燒產(chǎn)生的廢氣。廢氣的主要成分是微溶于海水的CO2,此外還包括少量不溶于水的O2和惰性氣體。這些廢氣將大大加強(qiáng)熱尾流的浮升能力。因此,雖然AIP動(dòng)力系統(tǒng)的熱功率遠(yuǎn)小于核動(dòng)力潛艇,但是其熱尾流特征也不可忽視。

當(dāng)潛艇潛深較淺時(shí),熱尾流可能直接浮升至海面,形成長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米的“熱斑”,可被高空偵察機(jī)和星載紅外探測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)。早在1988年,俄羅斯研究人員就指出,對(duì)于潛艇而言熱尾流紅外探測(cè)是一種有效的非聲探測(cè)方法[6]。美國(guó)最新的KH12型紅外監(jiān)視衛(wèi)星能從350km的高空分辨出地面上0.1～0.15m大小、溫差0.02℃的目標(biāo)紅外特征。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),為實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵海域的全時(shí)監(jiān)測(cè),美國(guó)開(kāi)始發(fā)展“天基紅外探測(cè)系統(tǒng)”(SBIRS)項(xiàng)目,該項(xiàng)目的首顆地球同步軌道衛(wèi)星已于2011年5月發(fā)射升空。

當(dāng)潛艇潛深較深時(shí),由于海水表層水溫通常較高,熱尾流在浮升到一定高度后,與周?chē)w的溫差已經(jīng)很小,因而不會(huì)在海面形成可觀察的紅外特征。但是,熱尾流通常會(huì)產(chǎn)生50m～100m的浮升高度,在浮升過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)超于潛艇尾渦尺度的水體運(yùn)動(dòng)。熱尾流的浮升運(yùn)動(dòng)更有可能在溫度躍層中產(chǎn)生內(nèi)波擾動(dòng)和激勵(lì)發(fā)光生物發(fā)光,是內(nèi)波尾跡和生物光尾跡的主要誘因之一。

另外,有研究者指出,由于熱尾流與周?chē)w存在明顯的溫差,可以通過(guò)藍(lán)綠激光雷達(dá)(LINDAR)檢測(cè)水下的熱尾流。海水在激光的照射下會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的羅曼散射(Raman Scattering),散射光的強(qiáng)度與水溫具有密切關(guān)系。因此,即使熱尾流并沒(méi)有浮升至海面,也可以通過(guò)藍(lán)綠激光雷達(dá)檢測(cè)到潛艇在水下排放的熱尾流。澳大利亞的研究結(jié)果表明,使用激光雷達(dá)可以準(zhǔn)確檢測(cè)到水深50m以下、溫差0.1℃的熱尾流[4]。

3 潛艇非聲隱身技術(shù)

1) 磁隱身

艇體磁場(chǎng)大約占潛艇總磁場(chǎng)的80%左右。因此采用低磁金屬建造潛艇,可以大幅度降低潛艇的磁場(chǎng)特征。俄羅斯就曾采用鈦合金建造潛艇。德國(guó)的U212A也采用了3964低磁鋼作為艇體外殼材料。但是,鈦合金價(jià)格昂貴,將大幅度增加潛艇的造價(jià);低磁鋼的耐壓性能還需進(jìn)一步提升,不適于建造大潛深潛艇。此外,采用低磁金屬建造艇體還面臨著加工、焊接工藝、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核等挑戰(zhàn)。

通過(guò)消磁站定期消磁,可以將潛艇固定磁場(chǎng)控制在一定范圍內(nèi)。但是,一方面消磁站難以達(dá)到完全退磁的效果;另一方面消磁站只能消除固定磁場(chǎng),對(duì)于感應(yīng)磁場(chǎng)無(wú)能為力。即使經(jīng)過(guò)消磁站消磁,潛艇的磁場(chǎng)特征仍然不可忽視。

采用艇載主動(dòng)消磁設(shè)備可以進(jìn)一步降低磁場(chǎng)特征。艇載主動(dòng)消磁設(shè)備由消磁線(xiàn)圈、電源和控制臺(tái)組成。主動(dòng)消磁設(shè)備通過(guò)控制消磁線(xiàn)圈中的電流,主動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)與潛艇磁場(chǎng)大小相近、方向相反的補(bǔ)償磁場(chǎng),從而有效降低潛艇的磁場(chǎng)信號(hào)。主動(dòng)消磁的關(guān)鍵在于艇體線(xiàn)圈的優(yōu)化布置和消磁電流的精細(xì)控制,以達(dá)到“恰好”抵消艇體磁場(chǎng)的效果。對(duì)于常規(guī)潛艇,由于其能源有限,還必須在保證消磁效果的前提下盡可能降低消磁電源的功率損耗。

2) 光學(xué)隱身

目前光學(xué)隱身的主要途徑是涂料。如以色列海軍的海豚級(jí)潛艇(如圖2所示),由于其主要作戰(zhàn)區(qū)域是以色列周邊的近海、淺海,因此采用了與周邊海域水色接近的綠色涂料,提高其光學(xué)隱身性能。美國(guó)的海狼級(jí)潛艇(如圖3所示),在其潛望鏡和通訊天線(xiàn)的升降裝置上也采用了迷彩涂料。

圖2 以色列海豚級(jí)潛艇

3) 雷達(dá)隱身

雷達(dá)隱身主要針對(duì)的是潛艇露出水面的部分。包括:對(duì)通氣管采用雷達(dá)隱身設(shè)計(jì);在潛望鏡升降裝置采用透波材料或涂覆吸波涂料,潛望鏡玻璃表面采用具有吸波能力的透光涂層;在潛艇圍殼表面和水線(xiàn)以上部位采用具有雷達(dá)吸波能力的涂層等。

圖3 海狼級(jí)核潛艇

4) 紅外隱身

潛艇的紅外隱身主要是針對(duì)常規(guī)動(dòng)力潛艇,對(duì)其充電柴油機(jī)的排氣進(jìn)行紅外抑制。通常采用海水噴淋系統(tǒng),可以將充電柴油機(jī)的排氣溫度降低到150℃以下;采用水線(xiàn)下微孔排氣裝置,可以顯著降低充電柴油機(jī)高溫排氣造成的紅外特征。

5) 尾跡隱身

潛艇的尾跡特征包括水動(dòng)力尾跡、生物光尾跡和熱尾流尾跡。這些尾跡特征的形成原因無(wú)外乎兩種:一種是潛艇運(yùn)動(dòng)排擠周?chē)w形成的水動(dòng)力擾動(dòng);另一種是潛艇在水下排放廢熱形成的熱尾流浮升運(yùn)動(dòng)造成擾動(dòng)。相應(yīng)的,尾跡隱身的主要技術(shù)途徑就是要抑制、降低這兩種擾動(dòng)。

在降低潛艇對(duì)周?chē)w的水動(dòng)力擾動(dòng)方面,主要措施包括:對(duì)潛艇外形進(jìn)行流體力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì);采用可收縮水平舵;對(duì)圍殼及附體采用流線(xiàn)型設(shè)計(jì)等。通過(guò)這些措施可以減少潛艇運(yùn)動(dòng)造成的尾渦,從而降低潛艇對(duì)周?chē)w的擾動(dòng)。美國(guó)的核動(dòng)力潛艇還采用了泵噴推進(jìn)技術(shù),在增加推進(jìn)效率的同時(shí),也大大改善了尾部流場(chǎng),有利于降低對(duì)周?chē)w的擾動(dòng)。

在降低潛艇熱尾流浮升運(yùn)動(dòng)形成的擾動(dòng)方面,主要措施是采用熱封閉技術(shù)與熱管理技術(shù),對(duì)潛艇排放的熱量進(jìn)行控制管理。熱封閉技術(shù)利用壓載水倉(cāng)的作為“熱量倉(cāng)庫(kù)”,平時(shí)將熱量封閉在壓載水倉(cāng)中,在安全區(qū)域再集中排放;熱管理技術(shù)則是通過(guò)熱量的回收利用,降低熱量排放。比如德國(guó)的212A潛艇,一方面通過(guò)熱管理技術(shù)回收利用廢熱,對(duì)液氧和儲(chǔ)氫金屬罐進(jìn)行預(yù)熱;另一方面通過(guò)熱封閉技術(shù)將燃料電池AIP的廢熱封閉在壓載水倉(cāng)中,可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)17h的熱量封閉(不向艇外排放熱量)。美國(guó)的洛杉磯型核潛艇也采用了類(lèi)似的熱封閉技術(shù)和熱管理技術(shù)。

物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中必然會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響,潛艇的尾跡特征是不可能完全消除的。降低擾動(dòng)只能在一定程度上減小潛艇的尾跡特征,不可能達(dá)到完全消除尾跡特征的目標(biāo)。尾跡特征與潛艇的航速、潛深以及所處戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的水文條件具有密切的關(guān)系。根據(jù)當(dāng)前的水文條件,合理改變潛艇的航速、潛深,可以有效降低尾跡特征被探測(cè)發(fā)現(xiàn)的概率。潛艇尾跡特征和安全潛深的預(yù)報(bào)是尾跡隱身研究的重點(diǎn)方向之一。

4 結(jié)語(yǔ)

非聲隱身是潛艇綜合隱身性能的重要組成部分。傳統(tǒng)的非聲隱身主要是磁隱身、視覺(jué)隱身,以及針對(duì)上浮狀態(tài)的雷達(dá)隱身和紅外隱身。隨著間接探測(cè)技術(shù)的發(fā)展,通過(guò)星載LINDAR、SAR以及紅外監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行廣域監(jiān)視,通過(guò)潛艇尾跡特征探測(cè)潛艇已經(jīng)成為可能。間接探測(cè)技術(shù)給潛艇非聲隱身提出了新的要求。未來(lái)潛艇的非聲隱身,不僅僅要抑制潛艇本身的物理場(chǎng)特征,對(duì)抗直接探測(cè)的威脅;還要考慮降低潛艇對(duì)周?chē)w的擾動(dòng),控制潛艇的尾跡特征,降低間接探測(cè)的威脅。

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Trends of Foreign Non-Acoustics Exploration Potential and Stealth Technology

SHI Yujie REN Haigang

(Systems Engineering Research Institute, CSSI, Beijing 100094)

The submarine’s non-acoustic characteristics include submarine’s own magnetic characteristics, optical characteristics, characteristics of radar and infrared features, and the trail characteristics that are the traces of submarine movement around the water. This article conducts a review on the developing technology of submarine’s non-acoustic characteristics and non-acoustic detection from two aspects which are the direct detection of submarines own physical characteristics and indirect detection of submarines field wakes features, and makes analysis on the threat of non-acoustic detection technology for submarines, and give prospects of non-acoustic stealth technology initiatives and the development direction.

non-acoustic characteristics, non-acoustic stealth, trail stealth

2014年7月7日,

2014年8月25日

師于杰,男,碩士,工程師,研究方向:艦艇(船)非聲隱身總體技術(shù)。任海剛,男,博士,高級(jí)工程師,研究方向:艦艇(船)非聲隱身總體技術(shù)。

U674.7+01

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.002