師于杰 任海剛

(中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院 北京 100094)

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國外非聲探潛與隱身技術發(fā)展趨勢*

師于杰 任海剛

(中國船舶工業(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特征、光學特征、雷達特征和紅外特征,以及潛艇運動在周圍水體中留下的“痕跡”——尾跡特征。論文從直接探測潛艇自身物理場特征和間接探測潛艇尾跡特征兩個方面,對潛艇的非聲特征和非聲探測技術的發(fā)展進行了回顧,并分析了非聲探測技術的對潛艇的威脅,展望了非聲隱身技術措施及發(fā)展方向。

非聲特征; 非聲隱身; 尾跡隱身

Class Number U674.7+01

1 引言

長期以來,探潛技術的關注重點都在直接探測方面,即通過直接探測潛艇本身的物理場特征發(fā)現(xiàn)并識別潛艇目標。在海水介質中,聲波(特別是較低頻率的聲波)的有效傳輸距離遠遠超過可見光、雷達、紅外等電磁波。聲波的這一特點使其成為探潛的主要手段。

早在二戰(zhàn)時期,非聲探測就已經成功應用于潛艇探測。如利用磁場異常探測(MAD),可以通過檢測潛艇導致的地球磁場異常信號,發(fā)現(xiàn)處于水下航行狀態(tài)的潛艇[1];利用雷達、紅外探測手段,可以探測上浮充電狀態(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,為了滿足廣域監(jiān)視(Wide Area Surveillance,WAS)的戰(zhàn)略目標,間接探測技術蓬勃發(fā)展。所謂間接探測技術,是指通過潛艇對周圍水體造成的影響——即潛艇運動過程留下的“痕跡”,間接地發(fā)現(xiàn)識別潛艇目標。間接探測技術的發(fā)展給潛艇帶來了新的威脅,也對非聲隱身技術的發(fā)展提出了新的需求。

本文從直接探測和間接探測兩個方面論述了潛艇非聲特征和非聲探測技術,并對非聲隱身技術進行了歸納總結。

2 潛艇的非聲特征與探測技術

探潛技術根據(jù)其檢測的信號源可以分為兩類:直接探測和間接探測。所謂直接探測,是指通過檢測源于潛艇本身的物理場特征,探測、發(fā)現(xiàn)潛艇目標。而間接探測,則是通過檢測潛艇對周邊環(huán)境造成的影響,間接地探測發(fā)現(xiàn)潛艇目標。

2.1 直接探測

聲吶探測是最有效的直接探測手段。非聲的直接探測手段主要是通過檢測潛艇本身的磁場特征、光學特征、雷達特征和紅外特征,探測發(fā)現(xiàn)潛艇目標。

1) 磁場特征

潛艇外殼和艇上設備大量采用鐵磁材料,在地磁作用下形成由固定磁場和感應磁場組成的艇體磁場。磁場異常探測(MAD)可以通過檢測潛艇磁場導致的地磁異常,發(fā)現(xiàn)處于水下航行狀態(tài)的潛艇。

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

2) 光學特征

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

近年來,激光雷達(LIDAR)探潛研究正成為新的熱點。激光雷達采用類似雷達的工作原理,能夠有效分離海面反射雜波對水下目標反射信號的干擾,具有較好的探測精度。并且藍綠激光(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,藍綠激光雷達探潛研究仍然成為了各國的研究重點。如圖1所示。20世紀80年代,瑞典在近海海域成功的利用空中平臺進行了LIDAR探潛的試驗研究[2]。美國國防部下屬的“先進防御研究項目機構”(US Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)曾開發(fā)并測試了用于水下探測的LIDAR系統(tǒng)(工作波長510nm),根據(jù)測試結果其最大有效探測深度可達200m[3]。澳大利亞也啟動了LIDAR探潛項目,即LADS項目(Laser Airborne Depth Sounder),使用532nm的藍綠激光進行水下目標探測[4]。

圖1 激光雷達成像探潛

3) 雷達特征

海水對雷達波有較強的吸收作用,通常雷達波主要用來探測處于潛望航態(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,但是其雷達反射截面(RCS)卻遠大于其物理尺度。在不采用雷達隱身措施的條件下,潛望航態(tài)潛艇的RCS可達一百平方米以上。二戰(zhàn)時期就已有利用雷達發(fā)現(xiàn)進而擊沉潛艇的案例。1942年,英國軍艦用271型雷達發(fā)現(xiàn)了在6400m距離上航行的德國潛艇U-252號,并將其擊沉?，F(xiàn)在,對海搜索雷達仍然是水面艦船反潛警戒網的重要組成部分。

4) 紅外特征

常規(guī)潛艇采用柴電動力,在水下航行時利用蓄電池提供動力驅動螺旋槳推進。當蓄電池電量用盡后,常規(guī)潛艇需要上浮充電。此時,柴油發(fā)電機排放的高溫廢氣和被廢氣加熱的排氣管道金屬壁面會形成顯著的紅外輻射信號。通過紅外探測設備(如機載紅外吊艙等)可以探測發(fā)現(xiàn)處于通氣管航態(tài)或上浮充電狀態(tài)的潛艇。

隨著不依賴空氣推進(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,未來的AIP潛艇甚至可能完全依賴AIP動力推進,不再需要上浮充電,大大降低了潛艇被雷達和紅外探測發(fā)現(xiàn)的概率。

2.2 間接探測

物體在運動過程中,或多或少總會對周邊環(huán)境造成一定影響,留下“痕跡”。通過檢測潛艇在水下航行時留下的“痕跡”,就可以間接地確定潛艇的方位,實現(xiàn)對潛艇的間接探測。與潛艇自身的物理場特征相比,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]。

在很長一段時間內,受到探測精度和處理分析能力的限制,間接探測都只停留在理論階段。近年來,隨著傳感器技術和電子計算機的飛速發(fā)展,間接探測已經成為可能。首先是傳感器技術的發(fā)展,使得對低強度微弱信號的檢測成為可能;然后,電子計算機的跨時代發(fā)展(包括硬件計算能力的發(fā)展和軟件分析處理算法的發(fā)展)使得原本不可能實現(xiàn)的大數(shù)據(jù)準實時處理分析成為可能。這樣,通過安置在高空(無人機、衛(wèi)星)的高精度傳感器,可以實現(xiàn)對大面積海域的實時監(jiān)視;并且在高性能計算能力的支持下,能夠對大面積海域的監(jiān)視結果進行自動的處理分析,從常規(guī)的背景中甄別出異常的“痕跡”特征,并通過識別算法辨別區(qū)分自然現(xiàn)象(如魚群、海底火山)的影響,從而在廣闊海域實現(xiàn)對潛艇的廣域監(jiān)視。潛艇的間接探測和廣域監(jiān)視技術已經成為未來探潛技術的重要發(fā)展方向之一。

潛艇運動時留下的“痕跡”主要包括水動力尾跡、生物光尾跡和熱尾流尾跡。

1) 水動力尾跡

潛艇在水中運動時,在水面留下的波紋特征被稱為潛艇的水動力尾跡,其強度取決于潛艇的航速、潛深和外形尺寸。水動力尾跡又可以分為三類:伯努利水丘、開爾文尾跡和內波尾跡。

當潛艇在較淺潛深下高速航行時,將會在潛艇上方水面產生一個丘狀隆起,這種現(xiàn)象被稱為“伯努利水丘”(Bernoulli Hump);在潛艇航行方向的后方,會形成呈“V”字形的尾跡,被稱為開爾文尾跡。伯努利水丘和開爾文尾跡的尺度與航速和潛深密切相關。隨著潛艇航速的降低以及潛深的增大,伯努利水丘和開爾文尾跡的尺度迅速減小。比如,當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,伯努利水丘的高度從6cm降低到1cm,開爾文尾跡的高度從2cm降低到無法測量[6]。伯努利水丘和開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)視的對象。

引起各國研究者重視的潛艇尾跡特征是內波尾跡。所謂內波,是指在溫度躍層產生的周期性振動橫波。在溫度躍層內,溫度梯度較大,海水出現(xiàn)“密度分層”現(xiàn)象。一般認為,潛艇的內波尾跡是由于潛艇對溫度躍層的擾動造成的。當溫度躍層內出現(xiàn)擾動,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生周期性振動,形成內波。溫度躍層內的內波振動會對表層海水產生調制作用,改變海面的粗糙度,在海面形成內波尾跡。溫度躍層的內波振動在擾動源消失后仍可持續(xù)10～100min[2]。這也意味著當潛艇在水下經過時,有可能產生長達數(shù)公里的線狀內波尾跡(與洋流、海底地形等擾動形成的片狀內波尾跡具有顯著差異)。這一特點使得內波尾跡成為間接探潛的研究重點。

SAR雷達(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,可以成功檢測內波尾跡。早在1978年,美國就將SAR雷達裝上了Seasat衛(wèi)星,并成功拍攝了內波尾跡的SAR照片[7]。其后,俄羅斯也發(fā)表文章,宣稱掌握了使用SAR雷達檢測水下潛艇的技術[8]。1992年,美俄舉行了聯(lián)合試驗,通過ERS-1衛(wèi)星驗證了SAR雷達間接探潛的能力[9]。

2) 生物光尾跡

海洋中充滿發(fā)光生物,當受到潛艇航行的擾動時,這些發(fā)光生物將發(fā)射生物光,其中的藍綠分量可能穿透海水到達海面,形成可被觀察到的生物光尾跡。潛艇的尾渦擾動和熱尾流浮升作用,常常會將深處的發(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,美俄通過海上試驗成功的利用光學傳感器檢測到了內波激勵的生物光[10]。生物光尾跡最大的局限是其信號較弱,易受干擾。白天基本無法檢測到生物光尾跡,即使在夜晚,有時月光也可能會對生物光尾跡的檢測造成一定影響。

3) 熱尾流尾跡

核動力潛艇通過汽輪機將核燃料產生的熱能轉化為動力和電能。根據(jù)熵增定律,汽輪機做功過程必須向外界排放廢熱。事實上,核燃料產生的熱能中,超過75%將作為廢熱被排放到海水中;再加上艇上各種電子設備工作散熱產生的熱量,核動力裝置產生的熱功率除一小部分轉化為潛艇的動能和尾渦湍動能外,絕大部分最終都將以冷卻水的形式排入海水中。裝機容量為190MW的核潛艇,其冷卻水排放的廢熱可達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。

除核動力潛艇外,AIP潛艇也存在熱尾流問題。AIP潛艇在AIP航態(tài)下采用AIP動力系統(tǒng)提供動力,同時以冷卻水的形式排放廢熱。目前已經實現(xiàn)裝備應用的AIP動力系統(tǒng)主要是瑞典的斯特林熱機(SEAIP),法國的閉式循環(huán)汽輪機(MEAIP)和德國的燃料電池(FCAIP)。其中燃料電池的效率略高,可達60%;斯特林熱機和閉式循環(huán)汽輪機的效率均在35%左右。特別是,斯特林熱機和閉式循環(huán)柴油機在工作中不但要排放廢熱,還需要排放燃料燃燒產生的廢氣。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熱尾流的浮升能力。因此,雖然AIP動力系統(tǒng)的熱功率遠小于核動力潛艇,但是其熱尾流特征也不可忽視。

當潛艇潛深較淺時,熱尾流可能直接浮升至海面,形成長達數(shù)百米的“熱斑”,可被高空偵察機和星載紅外探測設備發(fā)現(xiàn)。早在1988年,俄羅斯研究人員就指出,對于潛艇而言熱尾流紅外探測是一種有效的非聲探測方法[6]。美國最新的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℃的目標紅外特征。進入21世紀以來,為實現(xiàn)對關鍵海域的全時監(jiān)測,美國開始發(fā)展“天基紅外探測系統(tǒng)”(SBIRS)項目,該項目的首顆地球同步軌道衛(wèi)星已于2011年5月發(fā)射升空。

當潛艇潛深較深時,由于海水表層水溫通常較高,熱尾流在浮升到一定高度后,與周圍水體的溫差已經很小,因而不會在海面形成可觀察的紅外特征。但是,熱尾流通常會產生50m～100m的浮升高度,在浮升過程中會產生遠超于潛艇尾渦尺度的水體運動。熱尾流的浮升運動更有可能在溫度躍層中產生內波擾動和激勵發(fā)光生物發(fā)光,是內波尾跡和生物光尾跡的主要誘因之一。

另外,有研究者指出,由于熱尾流與周圍水體存在明顯的溫差,可以通過藍綠激光雷達(LINDAR)檢測水下的熱尾流。海水在激光的照射下會產生強烈的羅曼散射(Raman Scattering),散射光的強度與水溫具有密切關系。因此,即使熱尾流并沒有浮升至海面,也可以通過藍綠激光雷達檢測到潛艇在水下排放的熱尾流。澳大利亞的研究結果表明,使用激光雷達可以準確檢測到水深50m以下、溫差0.1℃的熱尾流[4]。

3 潛艇非聲隱身技術

1) 磁隱身

艇體磁場大約占潛艇總磁場的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特征。俄羅斯就曾采用鈦合金建造潛艇。德國的U212A也采用了3964低磁鋼作為艇體外殼材料。但是,鈦合金價格昂貴,將大幅度增加潛艇的造價;低磁鋼的耐壓性能還需進一步提升,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、結構強度校核等挑戰(zhàn)。

通過消磁站定期消磁,可以將潛艇固定磁場控制在一定范圍內。但是,一方面消磁站難以達到完全退磁的效果;另一方面消磁站只能消除固定磁場,對于感應磁場無能為力。即使經過消磁站消磁,潛艇的磁場特征仍然不可忽視。

采用艇載主動消磁設備可以進一步降低磁場特征。艇載主動消磁設備由消磁線圈、電源和控制臺組成。主動消磁設備通過控制消磁線圈中的電流,主動產生一個與潛艇磁場大小相近、方向相反的補償磁場,從而有效降低潛艇的磁場信號。主動消磁的關鍵在于艇體線圈的優(yōu)化布置和消磁電流的精細控制,以達到“恰好”抵消艇體磁場的效果。對于常規(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) 光學隱身

目前光學隱身的主要途徑是涂料。如以色列海軍的海豚級潛艇(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,提高其光學隱身性能。美國的海狼級潛艇(如圖3所示),在其潛望鏡和通訊天線的升降裝置上也采用了迷彩涂料。

圖2 以色列海豚級潛艇

3) 雷達隱身

雷達隱身主要針對的是潛艇露出水面的部分。包括:對通氣管采用雷達隱身設計;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以上部位采用具有雷達吸波能力的涂層等。

圖3 海狼級核潛艇

4) 紅外隱身

潛艇的紅外隱身主要是針對常規(guī)動力潛艇,對其充電柴油機的排氣進行紅外抑制。通常采用海水噴淋系統(tǒng),可以將充電柴油機的排氣溫度降低到150℃以下;采用水線下微孔排氣裝置,可以顯著降低充電柴油機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外乎兩種:一種是潛艇運動排擠周圍水體形成的水動力擾動;另一種是潛艇在水下排放廢熱形成的熱尾流浮升運動造成擾動。相應的,尾跡隱身的主要技術途徑就是要抑制、降低這兩種擾動。

在降低潛艇對周圍水體的水動力擾動方面,主要措施包括:對潛艇外形進行流體力學優(yōu)化設計;采用可收縮水平舵;對圍殼及附體采用流線型設計等。通過這些措施可以減少潛艇運動造成的尾渦,從而降低潛艇對周圍水體的擾動。美國的核動力潛艇還采用了泵噴推進技術,在增加推進效率的同時,也大大改善了尾部流場,有利于降低對周圍水體的擾動。

在降低潛艇熱尾流浮升運動形成的擾動方面,主要措施是采用熱封閉技術與熱管理技術,對潛艇排放的熱量進行控制管理。熱封閉技術利用壓載水倉的作為“熱量倉庫”,平時將熱量封閉在壓載水倉中,在安全區(qū)域再集中排放;熱管理技術則是通過熱量的回收利用,降低熱量排放。比如德國的212A潛艇,一方面通過熱管理技術回收利用廢熱,對液氧和儲氫金屬罐進行預熱;另一方面通過熱封閉技術將燃料電池AIP的廢熱封閉在壓載水倉中,可以實現(xiàn)長達17h的熱量封閉(不向艇外排放熱量)。美國的洛杉磯型核潛艇也采用了類似的熱封閉技術和熱管理技術。

物體在運動過程中必然會對環(huán)境造成影響,潛艇的尾跡特征是不可能完全消除的。降低擾動只能在一定程度上減小潛艇的尾跡特征,不可能達到完全消除尾跡特征的目標。尾跡特征與潛艇的航速、潛深以及所處戰(zhàn)場環(huán)境的水文條件具有密切的關系。根據(jù)當前的水文條件,合理改變潛艇的航速、潛深,可以有效降低尾跡特征被探測發(fā)現(xiàn)的概率。潛艇尾跡特征和安全潛深的預報是尾跡隱身研究的重點方向之一。

4 結語

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、視覺隱身,以及針對上浮狀態(tài)的雷達隱身和紅外隱身。隨著間接探測技術的發(fā)展,通過星載LINDAR、SAR以及紅外監(jiān)視系統(tǒng)進行廣域監(jiān)視,通過潛艇尾跡特征探測潛艇已經成為可能。間接探測技術給潛艇非聲隱身提出了新的要求。未來潛艇的非聲隱身,不僅僅要抑制潛艇本身的物理場特征,對抗直接探測的威脅;還要考慮降低潛艇對周圍水體的擾動,控制潛艇的尾跡特征,降低間接探測的威脅。

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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。任海剛,男,博士,高級工程師,研究方向:艦艇(船)非聲隱身總體技術。

U674.7+01

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.002