张 弛, 张志民



国外鱼雷声隐身技术现状及发展趋势

张 弛1, 张志民2

(1. 海军装备部, 北京, 100073; 2. 中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710075)

为了促进国内鱼雷声隐身技术的发展, 在介绍鱼雷声隐身意义和特点的基础上, 归纳了国外鱼雷声隐身技术的发展现状, 特别对俄罗斯和美国鱼雷声隐身技术的研究热点进行了详细阐述, 分析了鱼雷声隐身技术的发展趋势: 不断完善声隐身技术研究体系; 更加重视声隐身机理研究; 加大新材料和新工艺应用研究投入; 有序提升试验技术能力。

鱼雷; 声隐身; 发展趋势

0 引言

鱼雷是由携载作战的平台在发现目标后发射入水, 能够在水下自动航行、寻的与跟踪, 用以攻击摧毁水面或水下目标的水中武器, 具有隐蔽性好、破坏威力大、命中概率高以及受海洋环境影响复杂等特点[1]。鱼雷可以由多种平台携带使用, 主要包括水面舰艇、潜艇、直升机、固定翼飞机等, 并可通过火箭助飞实施远距离攻击。鱼雷还可由水雷、无人水下航行器等携带, 实施隐蔽打击[2]。隐身性能是现代鱼雷的重要性能之一, 也是当前鱼雷发展的重要趋势, 无论是自导鱼雷还是线导鱼雷, 其噪声对鱼雷的战斗性能都会产生重大影响, 鱼雷攻击隐身已成为水下隐身作战的重要组成部分。鱼雷的隐身技术、制导技术和动力技术共同构成现代鱼雷的标志性技术, 分别决定了鱼雷武器的生存性能、精确打击能力和打击范围, 成为衡量现代鱼雷先进性的重要标志。

鱼雷辐射噪声大时, 敌方舰艇可在较远距离报警, 并及时采取机动、干扰、诱骗和拦截等对抗措施, 大幅降低鱼雷命中概率和平台生存性, 鱼雷辐射噪声总声级的增加, 极大增大了敌方声呐的报警距离, 为目标机会规避增加了时间。研究认为, 鱼雷辐射噪声每增加6 dB, 对方鱼雷报警距离约变为原来的2倍[3]。线导鱼雷辐射噪声增大会在一定距离上遮盖目标噪声, 影响本艇声呐对目标的探测跟踪, 降低线导鱼雷的导引和攻击效果, 甚至使导引无法进行[4], 若鱼雷辐射噪声下降5 dB, 命中概率将提高25%[5-6]。鱼雷自噪声增大还会干扰鱼雷自导系统的寻的, 明显降低鱼雷声自导的探测距离, 大幅降低命中概率[5]。可见, 鱼雷噪声对发射平台的安全性、鱼雷攻击的隐蔽性、线导导引的有效性和自导性能均具有重要影响, 发展鱼雷的声隐身技术意义重大。

1 鱼雷噪声组成及特点

鱼雷作为一个水下高速运动的航行体, 其噪声与动力推进系统的振动、流体在表面的摩擦和脉动等是不可分割的。鱼雷的噪声源有振动引起的壳体声辐射噪声、流体动力引起的流噪声、推进器噪声及热动力鱼雷特有的排气噪声, 引起鱼雷壳体振动, 且辐射噪声的主要振动噪声源是鱼雷动力系统的发动机或电动机, 海水泵、燃料泵、滑油泵、减速器等辅机以及传递途径中的轴系和管路等。鱼雷噪声可以分为结构分量和流体动力分量, 两者对鱼雷外场辐射噪声的贡献大小取决于具体的鱼雷类型、结构、航行方式及应用条件。

鱼雷声隐身技术难度很大, 主要体现在: 1)相对其他水下平台, 鱼雷质量和尺寸均受到严格限制, 但其内部的组部件种类多、内部空间狭小、布局密集, 很多常用的减振降噪措施都难于实施;2) 鱼雷航速高, 所需的输出比功率大, 推进器转速高, 本质上易于形成高噪声。相较于低速航行的水下航行器, 其降噪难度更大。随着鱼雷武器作战能力的不断提升, 伴随鱼雷航速的提高, 动力装置的功率不断增大, 从而导致鱼雷的外部辐射噪声不断增大, 鱼雷的降噪难度也不断增大。

2 声隐身技术研究现状

鱼雷声隐身技术既包括理论分析、模型构建和数值计算, 也包括产品设计制造以及试验、测试和评估, 因此, 发展鱼雷的声隐身技术是一项复杂的系统工程, 在技术体系、研究设施、人才队伍建设等方面必须付出巨大努力。及时了解国外鱼雷减振降噪技术的发展现状, 对国内的鱼雷声隐身技术工作能起到一定的借鉴和促进作用。

2.1 俄罗斯

为拓展和深化鱼雷降噪工作, 俄罗斯鱼雷制造领域相关单位组织成立专门机构负责鱼雷声隐身技术工作。为了确定海军在役和在研鱼雷的实际噪声特性, 俄罗斯开展的研究工作包括3个类型: 鱼雷噪声计算与论证、鱼雷减振降噪措施研制和鱼雷噪声试验评估技术[7]。俄罗斯十分重视试验技术研究, 科研人员从事试验相关的工作占据了重要比例, 包括试验设备的研制以及试验测试技术的研究等, 推进器噪声和流噪声的研究有专门试验机构负责。

鱼雷噪声计算与论证方面开展的主要工作[7]包括: 1) 鱼雷噪声预报方法研究, 对在研鱼雷辐射噪声进行预报, 并在辐射噪声预报过程中对鱼雷的噪声性能进行优化, 不断逼近鱼雷的噪声控制指标; 2) 鱼雷辐射噪声对其作战攻击效果影响的理论计算, 分析在不同作战态势下, 鱼雷辐射噪声对鱼雷作战效能的影响; 3) 不同类型和用途的鱼雷噪声级指标论证, 主要论证在不同武器平台和不同作战态势下的鱼雷噪声指标。

鱼雷减振降噪措施方面开展的主要工作[7]包括: 1) 设计了鱼雷转子柔性支承结构和新型人字型齿轮减速器; 2) 研制了海水润滑的低噪声滑动轴承, 取代了支承部件中的滚动轴承, 减振效果显著; 3) 研制了多型发动机、电机、传动轴支撑部位的隔振器; 4) 研制了鱼雷加筋壳体用振动吸收阻尼涂层; 5) 研制了水凝滞型结构复合材料, 具有更强的缓冲隔振特性, 加工完成玻璃纤维增强塑料复合材料制成的鱼雷壳体, 利用碳纤维材料制造电机部件; 6) 设计出可调螺距和自动平衡桨叶的独特结构型式推进器; 7) 研制了泵喷射推进器等多种类型的低噪声鱼雷推进器。

在鱼雷振动噪声试验与评估技术方面, 俄罗斯投入了大量的人力、财力, 开展了大量试验设备和试验方法的研究工作, 通过试验对鱼雷的噪声特性有了深入了解, 揭示了很多内在的规律[7], 主要包括: 1) 确定了不同用途水中兵器样机的噪声测量评估方法, 形成了测量方法指导性文件; 2)分析了鱼雷噪声辐射特性和频谱组成, 确定了鱼雷噪声级与结构特性(直径、动力装置类型、推进器类型)和运动参数(航速和航深)之间的关系; 3)设计了水下热车试验系统和鱼雷独立组部件振动特性试验系统, 完成了鱼雷相关系统与组部件振动特性研究; 4) 通过无动力上浮试验, 完成了鱼雷流噪声特性分析研究, 明确了鱼雷的流噪声特性; 5) 在克雷罗夫研究院建造的大型空泡试验水筒完成了全尺寸螺旋桨声学特性和类声特性研究; 6) 对在试验场试射的全部样机和试验样机进行了实航振动和外场噪声测量, 分析振动沿鱼雷壳体分布, 确定了主要噪声源。

俄罗斯在鱼雷的减振降噪技术研究方面投入了大量的精力, 从基础研究、型号研制到试验条件建设均开展了全面深入的研究工作, 形成了自身的鲜明特点, 主要表现在以下几个方面。

1) 理论研究基础扎实。鱼雷减振降噪的专业性强, 从多所高校和研究机构吸纳了大量的专业技术人员, 分工细致, 研究范围很广, 覆盖振动基础、噪声测量、新型材料、结构设计、流体力学、主动控制以及流固耦合等方面, 通过试验研究和理论研究, 全面掌握了鱼雷振动的传递特性、影响因素, 鱼雷噪声与直径、动力装置类型、推进器类型以及航速、航深的关系等规律, 为减振降噪技术工程应用奠定了坚实的基础。

2) 重视通过试验揭示振动噪声规律。俄罗斯建立了较完整的鱼雷噪声测试试验设施, 其动力装置水下热车试验装置可在陆上或水下固定吊放, 用于测试动力装置工作时鱼雷结构振动噪声, 同时花大力气研制了水下热车试验设备和实航振动噪声测试设备, 并在型号研制中进行了大量的振动噪声试验测试工作。据了解, 俄罗斯每型鱼雷都必须进行水下热车试验, 以掌握结构振动噪声实际情况, 保证实航噪声达到指标要求。

2.2 美国

美国从上世纪开始就把智能化和隐身性列为未来鱼雷发展的2个主要方向。在大力发展隐身性能思想的指导下, 美国MK48在改进升级过程中专门研发了MK48 Mod 4M(Muffled)降噪型鱼雷[8], 建立了较完整的鱼雷声学设计规程。MK48及后期的MK50在研制中全面采用低噪声措施, 包括低噪声发动机、壳体阻尼、排气消声、尾轴隔振、非金属复合材料推进器、弹性联轴节及动力装置整机隔振等。本世纪以来, 美国还安排了鱼雷噪声机理及预报建模方法研究、安静排气系统设计、集成推进、壳体噪声主动控制、主被动混合隔振等一系列的预先研究, 并进行了壳体噪声主动控制、主被动混合隔振、隐身自导、智能表层(smart skin)、集成推进系统的演示验证[9]。

美国在上世纪噪声控制措施研究的基础上, 本世纪将噪声机理和建模技术、控制新技术和新方法研究放在了更加突出的地位[10]。在噪声产生和辐射机理研究的基础上, 重点开展鱼雷噪声激励的确定、噪声源与噪声组件的建模仿真等研究工作, 开展的鱼雷噪声计算与仿真建模工作[9]主要包括: 1) 鱼雷有限元数值仿真技术, 鱼雷噪声源的仿真计算; 2) 基于物理学的噪声模型验证与仿真设计; 3) 鱼雷噪声模型与控制概念研究; 4) 研制鱼雷噪声模型并纳入武器设计工具箱; 5) 基于推进器辐射噪声的鱼雷噪声控制模型概念研究。

美国对噪声控制的应用更具有创新性, 从系统噪声治理的观点出发, 依据噪声建模和仿真输出, 对准主要的噪声组件并选择合适的噪声控制方法, 采取了完备的减振降噪措施。1999年至今美国在鱼雷减振降噪措施方面开展的工作[9]主要包括: 1) 低噪声鱼雷发动机; 2) 柔性管路与整机隔振; 3) 内置式排气消声器; 4) 新型泵喷射推进器; 5) 安静型齿轮系; 6) 弹性联轴节与轴系隔振; 7) 壳体阻尼技术; 8) 缩醛树脂隔板涂层隔振; 9) 闭式循环发动机[11]; 10) 低噪声涡轮机与减振器。

在鱼雷减振降噪试验评估技术方面开展的工作可以概括为: 1) 优化MK48 ADCAP鱼雷安静排气系统的水洞试验; 2) 鱼雷主被动隔振机械噪声控制技术水下试验验证; 3) 鱼雷集成电机推进器的水下试验[11]。

美国在鱼雷的减振降噪技术研究方面投入了大量的精力, 开展的研究工作涵盖了仿真建模分析、控制技术和试验评估, 美国最新研究的振动噪声控制措施源源不断地应用于型号研制中, 技术特点主要表现在以下几个方面。

1) 注重型号应用技术研究。美国的鱼雷隐身技术研究从20世纪60年代初开始进入实质性的工程应用阶段, MK48系列鱼雷的0型和2型鱼雷均因噪声过大未装备部队, 在后续MK48改进型研制中都把对噪声控制放在了首要位置, 中间专门研制了MK48 4M降噪型鱼雷。经过多年多批次的噪声治理, 最终实现了隐身攻击。美国MK50高性能轻型鱼雷从噪声源和振动传递途径上采取了减振降噪措施, 实现了鱼雷的低噪声设计目标。

2) 新技术应用层出不穷。与俄罗斯相比, 美国鱼雷的减振降噪技术研究更加注重创新性, 先后将巨大的人力和经费投入到鱼雷减振降噪的新技术研究中, 研制成功了多项重大跨越时代的减振降噪技术。先后将主动噪声控制技术、集成电机推进、低噪声混合推进等新技术应用于型号研制, 同时开展了智能壳体噪声控制的演示验证和鱼雷振动能量再生概念研究等新技术的应用研究。已经应用于MK50鱼雷的闭式循环发动机, 创造性地实现了动力系统的闭式循环, 是热动力鱼雷历史上的重大突破。

3 声隐身技术发展趋势

从鱼雷声隐身技术的研究现状来看, 俄罗斯、美国和欧洲等各个鱼雷先进国家对声隐身技术的重视程度不断提高, 在理论研究、型号应用和新技术探索中投入了大量的人力和物力, 取得了一系列的研究成果, 声隐身技术也获得了很大的发展。

3.1 技术体系不断完善

鱼雷声隐身技术主要涉及总体声学设计、振动噪声控制技术、振动噪声测试与评估等技术环节, 相互间形成一个开展隐身技术工作的闭环, 鱼雷声隐身技术要取得长足的进步, 必须建立完整的鱼雷声隐身技术体系。从俄罗斯和美国等国家鱼雷声隐身技术的发展来看, 声隐身的技术体系在不断完善。在鱼雷总体声学设计方面, 重点研究鱼雷噪声预报和鱼雷噪声指标论证及分配方法, 重点解决鱼雷总体的声学问题; 在振动噪声控制技术方面, 重点从源头上解决鱼雷噪声的控制问题, 为实现鱼雷的隐身性能奠定基础, 同时对振动噪声传递途径进行控制; 在振动噪声测试与评估方面, 重点解决鱼雷噪声源的分析和识别问题, 为鱼雷的噪声治理提供依据, 并对单项研究成果进行集成和试验验证。

3.2 机理研究不断深入

本世纪以来, 美国研究的重点之一为噪声机理和建模技术, 在对噪声产生和辐射机理深入理解和知识积累的基础上, 开发噪声源和组件的预报模型, 包括动力装置、推进器、齿轮箱、辅机泵产生的机械噪声和由于排气、流动和紊流边界层产生的流体噪声等。振动噪声控制方案的设计必须以机理研究为基础, 只有噪声控制的机理分析透彻, 设计低噪声装置才能有的放矢, 缩短项目的研究周期, 取得理想的振动噪声控制效果。

3.3 新材料技术应用扩展

近些年来, 机电技术、材料技术及信号处理技术发展很快, 很多新技术在声隐身技术领域正在进行应用研究或已获得应用, 如复合材料振动噪声控制技术、压电增效声学覆盖层技术、振动主动控制技术等。近些年美国在鱼雷振动噪声控制领域开展了主被动混合隔振、自噪声主动控制、智能表层、集成推进等新技术研究工作, 开展了辐射噪声主动控制演示验证工作, 对新方法、新工艺研究投入了大量的人力、物力和财力。新材料和新工艺在鱼雷声隐身领域的应用研究, 是鱼雷声隐身技术发展的重要途径。意大利的A244/S鱼雷、“黑鲨”鱼雷和德国的“DM2A4”鱼雷均采用非金属材料来降低鱼雷辐射噪声。

3.4 试验技术能力不断提升

声隐身技术研究难度很大, 理论研究存在一定程度的滞后, 而对试验研究的依赖性强, 对试验条件建设和试验技术研究提出了很高的要求。各个鱼雷先进国家都非常重视振动噪声试验条件的建设, 利用先进的试验条件支撑鱼雷的低噪声设计和仿真计算。与通用振动噪声试验条件不同, 鱼雷的隐身技术特点鲜明, 条件建设具有一定的特殊性, 俄罗斯和美国等国外鱼雷试验系统设计中, 建设了多个大型动力推进系统试验设施, 具备先进的振动噪声试验能力。

4 结束语

声隐身技术已经成为鱼雷武器装备发展的重大关键技术, 与国外鱼雷武器相比, 国内鱼雷的声隐身水平存在一定的差距, 鱼雷的声隐身问题必须引起足够的重视。通过持续不断地、系统的声隐身技术研究, 形成鱼雷减振降噪技术规范, 建立鱼雷减振降噪技术体系, 在振动噪声总体声学设计、振动噪声源低噪声设计、振动噪声传递途径控制、振动噪声试验评估等方面持续进步, 不断提高鱼雷的安静化水平。

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(责任编辑: 陈 曦)

Current Situation and Development Trend of Torpedo Acoustic Stealth Technologies Abroad

ZHANG Chi, ZHANG Zhi-min

(1. Naval Armament Department, Beijing 100073, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

The significance and characteristics of torpedo acoustic stealth are introduced, and the current situation of torpedo acoustic stealth technologies abroad is discussed with emphasis on the research hotspots of torpedo acoustic stealth technologies in Russia and USA. Development trend of torpedo acoustic stealth technology is forecasted, including continually improving research systems, paying more attention to mechanism study, increasing investment in new materials and techniques, and promoting test technology in regular sequence.

torpedo; acoustic stealth; development trend

TJ630

A

1673-1948(2014)06-0415-05

2014-10-04;

2014-10-22.

张 弛(1976-), 男, 本科, 研究方向为鱼雷总体技术.