歐洲國家海軍潛艇減振降噪技術(shù)發(fā)展展望

高 峰

(海軍裝備部，北京100071)

0 引言

減振降噪是國外艦艇研發(fā)中的重點工作之一，同時也是潛艇隱蔽性的設(shè)計核心，法、德、英等國的海軍裝備以及海事安全裝備世界領(lǐng)先，為了適應(yīng)未來艦艇減振降噪的需求，各國相關(guān)專業(yè)公司研究開發(fā)了多型新裝備和產(chǎn)品，這些裝備涉及海軍防御、海洋環(huán)境、交通和基礎(chǔ)設(shè)施、海上安全和安保、服務(wù)業(yè)、研究和工程等領(lǐng)域，本文通過分析相關(guān)裝備窺見國外潛艇減振降噪技術(shù)研究的最新進展，可為我國了解國外先進理念提供借鑒。

1 潛艇新型減振降噪產(chǎn)品

最近幾年，法國DCNS公司、HUTCHINSON公司和德國FREMM公司、SEBET公司相繼推出各自的減振降噪產(chǎn)品。

1.1 法國潛艇減振降噪的設(shè)計

法國“梭魚”級攻擊型核潛艇采用了短粗尾一體化結(jié)構(gòu);SMX－OCEAN重型柴電潛艇在螺旋槳前面設(shè)計了前置導(dǎo)流環(huán)，減少了特戰(zhàn)加壓艙對尾流場的影響，有利于螺旋槳的降噪增效。這些設(shè)計由法國造船局 (DCNS)進行研發(fā)，該局以主承包商的身份，承擔(dān)海軍水面艦艇、潛艇等裝備研制和建造，負(fù)責(zé)法國海軍艦船裝備研制生產(chǎn)和艦船裝備出口，在歐洲乃至世界海防系統(tǒng)市場上占居領(lǐng)導(dǎo)地位。DCNS在造船、系統(tǒng)工程、船舶總裝、設(shè)備設(shè)計和生產(chǎn)等領(lǐng)域具有領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢，已負(fù)責(zé)完成“戴高樂”級核動力航空母艦、“西北風(fēng)”級兩棲攻擊艦、歐洲“地平線”級驅(qū)逐艦、法國“拉斐特”級護衛(wèi)艦等水面艦艇和“阿戈斯塔－90B”級常規(guī)潛艇、“鲉魚”級常規(guī)潛艇、 “紅寶石”級核潛艇、“梭魚”級核潛艇等多型潛艇。

圖1 法國SMX－OCEAN新概念潛艇Fig.1 French SMX－OCEAN new concept submarine

法國潛艇泵組的金屬橡膠隔振墊，可達(dá)到10 dB的減震降噪效果，該組件是由冷拉不銹鋼絲網(wǎng)根據(jù)減振需要，壓制成的某種幾何形狀，有100多種各種規(guī)格尺寸。具有使用簡單、壽命長的特點，尤其在低頻減振 (10～25 Hz)方面，有非常好的效果。該項設(shè)計是由法國HUTCHINSON公司完成的，該公司在海軍艦船減振降噪技術(shù)研發(fā)方面有幾十年的歷史，其研發(fā)的配套產(chǎn)品包括十幾個大類100多個品種幾百個規(guī)格，涵蓋了水面艦艇、潛艇各種機電設(shè)備、各個主要場所的噪聲與振動控制設(shè)備。以一艘潛艇減振降噪為例，該公司可提供的配套產(chǎn)品包括:為球鼻首聲吶平臺配套的6～8種復(fù)合阻尼及隔吸聲材料;為主動力系統(tǒng) (包括主機、輔機等)配套的10多種抗沖擊隔振器;為軸系配套的特種隔振器等。

1.2 德國潛艇減振降噪的設(shè)計

德國海軍的209、212、214系列潛艇動力全系統(tǒng)減振、抗沖擊設(shè)計與配套、F215驅(qū)逐艦動力系統(tǒng)聲隱身設(shè)計處于世界領(lǐng)先水平，這些系統(tǒng)由德國FREMM公司設(shè)計，該公司是一家在振動噪聲控制設(shè)計與配套設(shè)備方面很有特點的公司，尤其在大型動力設(shè)備，特別是主機、齒輪箱、軸系的減振設(shè)計與系統(tǒng)配套，具有世界前進水平。

圖2 法國減振器產(chǎn)品系列型譜Fig.2 France damper product line spectrum

圖3 德國動力設(shè)備減振配套系統(tǒng)Fig.3 Germany damping power equipment supporting systems

德國ATM系列管路抗沖衰減器是德國SEBET公司的核心專利產(chǎn)品，已廣泛應(yīng)用于世界20多個國家海軍艦船。該公司是德國海軍在振動和沖擊控制領(lǐng)域的主要供應(yīng)商。特別是在抗沖擊隔離器件方面，該公司處于世界領(lǐng)先地位。

德國研發(fā)的類橡膠改性聚合物雙組份涂料可在幾分鐘內(nèi)可觸指干，抗拉強度達(dá)到20 N/mm2，最高硬度達(dá)到98(邵氏硬度)，柔韌性高、可噴涂在金屬、橡膠表面，耐磨性和耐腐蝕性能好。目前德國海軍將其噴涂在球鼻首導(dǎo)流罩，利用其高彈性與疏水性能，降低水動力流噪聲對聲吶平臺的影響。該涂料無溶劑，需要專用設(shè)備噴涂，除用于潛艇消聲瓦表面防護與修復(fù)外，該技術(shù)也用于艦船船體特殊部位的抗沖刷。該產(chǎn)品是德國Meline公司為歐洲海軍開發(fā)的潛艇消聲瓦表面防護與修復(fù)技術(shù)及產(chǎn)品的代表。另外，也有一些國家海軍將其應(yīng)用在舵、泵組、冷卻器、海水管道、閥門等的防腐蝕和磨蝕。

圖4 德國ATM系列管路抗沖衰減器Fig.4 German ATM series line impact attenuator

圖5 潛艇消聲瓦、導(dǎo)流罩表面防護與修復(fù)設(shè)備Fig.5 Submarine anechoic tiles，shroud surface protection and repair equipment

2 歐洲國家海軍艦艇減振降噪工作主要特點及展望

2.1 主要特點

通過對歐洲各國海軍潛艇減振降噪技術(shù)的分析，進一步加深了對歐洲國家海軍潛艇減振降噪技術(shù)的了解，可以看出其減振降噪工作有以下特點:

1)減振降噪工作緊密圍繞作戰(zhàn)使用。歐美國家非常重視潛艇瞬態(tài)噪聲控制，采取了針對性的控制措施，如法國潛艇采用抗沖減振器來控制魚雷發(fā)射裝置、升降裝置等瞬態(tài)振動噪聲，如圖1所示;注重全系統(tǒng)、全工況振動噪聲控制，減振降噪設(shè)計更加系統(tǒng)化，貼近作戰(zhàn)使用。

2)采用總體與聲學(xué)融合設(shè)計。強調(diào)潛艇功能與系統(tǒng)配置、使用流程的相關(guān)性和兼容性，重視模塊化設(shè)計，實現(xiàn)總體性能和聲學(xué)性能指標(biāo)的優(yōu)化平衡。如潛艇尾部線型結(jié)構(gòu)和螺旋槳采用一體化設(shè)計。法國“梭魚”級攻擊型核潛艇、德國214型常規(guī)潛艇等均采用了短粗尾一體化結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在保證潛艇水下機動性能的同時，通過短粗尾提高尾部結(jié)構(gòu)剛度，優(yōu)化了推進器激勵尾部結(jié)構(gòu)的振動噪聲性能。

3)強調(diào)軍民融合，充分吸收民間公司參與，形成了系列化減隔振器產(chǎn)品。歐洲從事艦艇減振降噪研究的民間公司較多，既有綜合性的，也有專業(yè)性的。如法國HUTCHINSON公司，德國FREMM公司、SEBET公司等，均各有自己的特色技術(shù)。HUTCHINSON公司已開發(fā)出50余型滿足設(shè)備、管路、軸系、裝置和平臺等不同使用需求的系列化減隔振器，且指標(biāo)體系完整，性能先進，對設(shè)備3 Hz～25 Hz低頻隔振效果可達(dá)10 dB;德國FREMM公司開發(fā)的主機、軸系等動力系統(tǒng)配套減振系列產(chǎn)品，已廣泛應(yīng)用于德國209、212A、214系列潛艇動力全系統(tǒng)振動噪聲治理。

2.2 發(fā)展展望

圖6 法國“梭魚”級攻擊型核潛艇及其尾部模型Fig.6 French Barracuda class attack submarine and its tail model

從掌握的相關(guān)資料可以看出，歐洲國家海軍潛艇減振降噪技術(shù)發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

1)新概念潛艇技術(shù)。以進一步降低潛艇總體噪聲水平為重點，探索新概念潛艇艇型 (圓柱型、扁平型等)、結(jié)構(gòu)型式、動力型式、推進方式和總體布置等，突破相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)。水滴形是出現(xiàn)最早，應(yīng)用最多的現(xiàn)代艇體線型之一，絕大多數(shù)現(xiàn)代潛艇均采用水滴形，如美、俄、英、法等國家的核潛艇基本上都是水滴形。雖然水滴形仍將是目前和今后一段時間內(nèi)新型潛艇的主要形式，但是，傳統(tǒng)水滴形潛艇在總體性能方面，尤其是隱身性能存在一定的局限性，限制潛艇綜合性能的進一步提高。20世紀(jì)末出現(xiàn)了一些新的艇形，如英國“機敏”級核潛艇的雪茄形，德國214型潛艇的鯨魚型艇首線型，這些線型具有優(yōu)良的水動力特性和較小的信號特征。但這些線型并未對水滴線型有實質(zhì)性的突破，其橫截面與水滴形類似，都非常接近圓形。因此，目前世界各國在不斷優(yōu)化水滴線型的同時，紛紛探索未來新概念艇型，其中采用扁平外形，取消指揮臺圍殼是新概念艇型的重要特點之一。

2)新型安靜型動力技術(shù)。重點研究和開發(fā)更為安靜、體積和重量更小、效率更高的核反應(yīng)堆、新型AIP動力裝置等，以降低潛艇動力系統(tǒng)噪聲。傳統(tǒng)的圓柱形潛艇均采用單軸單槳推進方式，由于推進器噪聲與螺旋槳的直徑和轉(zhuǎn)速成正比，降低直徑和轉(zhuǎn)速成為最有力的措施。但受潛艇航行時所必需推力的約束，很難做到降低推進器的直徑而不提高轉(zhuǎn)速。因此，為尋求效率高、激勵力小、噪聲低以及空化性能好等綜合性能集一體的新型艦艇推進裝置，仿生推進、磁流體推進和無源磁浮推進等已成為未來新概念隱身潛艇推進方式發(fā)展的方向。

3)動態(tài)隱身技術(shù)。潛艇在使用過程中的噪聲是動態(tài)變化的，控制潛艇航行過程中出現(xiàn)的動態(tài)噪聲，特別是武器發(fā)射裝置、對抗器材引起的瞬態(tài)發(fā)射噪聲和潛艇機動引起的動態(tài)噪聲，對保證潛艇在實戰(zhàn)中的隱身性能意義重大。為實現(xiàn)艦艇作戰(zhàn)使用全工況噪聲控制，減振降噪設(shè)計更加系統(tǒng)化，減隔振器產(chǎn)品逐步系列化，包括潛艇噪聲監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)、發(fā)射噪聲控制技術(shù)在內(nèi)的潛艇動態(tài)隱身技術(shù)已成為未來潛艇隱身技術(shù)發(fā)展的重點。

4)主動、半主動控制技術(shù)。為實現(xiàn)潛艇低頻多線譜振動噪聲控制，開發(fā)機械設(shè)備主動噪聲和振動控制系統(tǒng)，突破艇體結(jié)構(gòu)振動主動控制技術(shù)等是研究重點。機械設(shè)備主動隔振技術(shù)，主要是針對被動隔振低頻“失效”現(xiàn)象，在被動隔振器上添加主動激勵器以抵消機械設(shè)備的振動或作用力，增加低頻隔振效果。目前主動激勵器分為電磁激勵器、壓電式激勵器、氣動激勵器和液壓激勵器。據(jù)文獻(xiàn)報導(dǎo)，美國開發(fā)了主動噪聲和振動控制系統(tǒng)(ANVC)，并采用船用高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對全艇設(shè)備低頻振動實施主動隔振。德國船用機械設(shè)備的主動隔振系統(tǒng)在400 Hz以下頻段隔振效果大于10 dB。澳大利亞“科林斯”級潛艇柴油發(fā)動機采用了8個獨立的雙層混合隔振器支撐術(shù)，對柴油發(fā)動機的1次諧波、115次諧波和2次諧波的隔振效果可高達(dá)30 dB以上。

5)聲學(xué)智能結(jié)構(gòu)技術(shù)。智能結(jié)構(gòu)是集感知結(jié)構(gòu)和響應(yīng)或驅(qū)動結(jié)構(gòu)為一體，采用聲學(xué)智能材料設(shè)計艇體結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)潛艇結(jié)構(gòu)動力特性的智能控制，有效降低水下結(jié)構(gòu)聲輻射水平。據(jù)文獻(xiàn)報道，聲學(xué)智能結(jié)構(gòu)已有采用壓電材料激勵器和PVDF傳感器的復(fù)合材料，以及采用形狀記憶合金纖維的復(fù)合材料。目前，聲學(xué)智能結(jié)構(gòu)已成為艦艇有獨創(chuàng)性的聲隱身重點發(fā)展技術(shù)領(lǐng)域。

6)新材料技術(shù)。重點突破負(fù)泊松比材料、仿生材料等新概念吸聲材料等關(guān)鍵技術(shù)，以提高吸聲材料對聲波的吸收能力和結(jié)構(gòu)敷設(shè)阻尼的效果。負(fù)泊松比材料具備不同于普通材料的獨特性質(zhì)，有特殊的彈性和對聲音的吸收能力;仿生材料是一種模仿生物體的特殊結(jié)構(gòu)高分子材料，利用生物體獨特但有極為高效結(jié)構(gòu)，具有廣闊的應(yīng)用前景。國外海軍強國都優(yōu)先發(fā)展該類技術(shù)來提高本國潛艇的聲隱身能力，如俄羅斯則發(fā)展了特殊蒙皮技術(shù)，作為一種特殊聲學(xué)層用于艇首部位，如同海豚皮在水下航行時能起到抑制某種邊界層的作用，可有效減小航行阻力和降低流體噪聲。

可以預(yù)見，隨著科技的發(fā)展，未來潛艇將進一步朝著更加安靜、物理特性更小、作戰(zhàn)能力更強的方向發(fā)展，成為真正的水下無聲殺手。

3 結(jié)語

從掌握的相關(guān)資料看，歐洲國家海軍以作戰(zhàn)使用為牽引，始終將隱蔽性作為設(shè)計潛艇的核心，采取針對性措施解決實際使用狀態(tài)下的噪聲問題，實現(xiàn)全系統(tǒng)、全工況振動噪聲控制，法國新研制的梭魚級核潛艇、“鲉魚”級常規(guī)潛艇以及德國212、214級常規(guī)潛艇的聲隱身性能均達(dá)到當(dāng)今世界最高水平。同時，歐洲海軍在技術(shù)研究上通過軍民融合，眾多專業(yè)公司的參與是其在聲隱身方面保持技術(shù)優(yōu)勢的主要支撐。面向未來艦艇減振降噪需求，歐洲相關(guān)公司正開展新概念潛艇、新型安靜型動力、動態(tài)隱身、主動與半主動控制、聲學(xué)智能結(jié)構(gòu)和新材料等技術(shù)研究。

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