国外消声瓦的研究与应用进展*

张文毓

(中国船舶重工集团公司第七二五研究所 洛阳 471039)

国外消声瓦的研究与应用进展*

张文毓

(中国船舶重工集团公司第七二五研究所 洛阳 471039)

潜艇;潜艇声隐身;消声瓦;进展

消声瓦技术在潜艇隐身方面所起的重要作用已为世界各国认同,因此各国均投入大量的人力、物力进行消声瓦技术的机理研究和工程应用工作。本文对各国消声瓦技术的研究和应用情况作了较为系统的介绍,并对消声瓦技术的发展趋势进行了初步探讨。

0 引 言

现代战场上的主要矛盾已经从“打击”和“抗打击”逐步向“发现”和“抗发现”转化。消声瓦技术是提高潜艇隐身性能,提高其战斗力和生存能力的最有效措施之一。高性能的消声瓦不仅具有优良的吸声性能,而且具备优良的隔声性能和抑振性能,也就是说,使用消声瓦不仅能吸收敌方声纳的探测声波,也能最大限度地隔离本艇的辐射声波。高性能的消声瓦还可用于声纳舱的非窗口舱壁,作为吸声障板,消除回波干扰和艇的辐射噪声干扰,提高声纳的探测性能。因此对于新型消声瓦的研究,开发拥有自主知识产权、性能优越的消声瓦是提高我军潜艇战斗力和生存能力的关键。

1 消声瓦技术的研究和应用情况

1.1 美国消声瓦技术的研究和应用情况

潜艇的声学特征控制技术是一门综合应用技术。声隐身涂层具有阻尼作用、隔声作用、消声作用,声隐身涂层材料有隔声材料、消声材料、聚氨酯声隐身涂层。消声瓦利用空腔将声转化为热能而被消耗,是一种较为成熟的防声纳探测涂料;但同时其施工方法、厚度、重量等缺陷,大大限制了它的应用范围,其发展趋势是采用施工简单、涂膜较薄的吸声涂料来解决。如英、美采用30 mm～40 mm聚氨酯发泡材料加多孔材料制作吸声涂料,吸声率可达70%～90%。

美国潜艇的噪声水平一直比较低,30多年来,噪声下降了40 dB左右。如“洛杉矶”级核潜艇的噪声已降到128 dB,“俄亥俄”级核潜艇和“海狼”级攻击核潜艇的噪声则降到了120 dB以下。

美、英、法、日等国在潜艇消声瓦技术上也处于世界前列。美国在新建的“洛杉矶”级攻击型核潜艇、SSN-21海浪级攻击型核潜艇以及俄亥俄级弹道导弹核潜艇上全部安装了消声瓦,所用材料为丁基橡胶类。1988年美国在“洛杉矶”级攻击型核潜艇“圣胡安”号首次敷设了消声瓦。这种消声瓦是由聚氨脂和玻璃纤维组成的双层铝板固定式吸声结构,单层消声瓦能降低自噪声25 dB,双层消声瓦可降低40 dB左右。其消声瓦敷设借鉴了航天飞机隔热瓦的敷设工艺。美国还在积极开展自控系统边界层控制方面的研究,类似于前苏联的“蒙皮技术”,据说采用的还是聚氨脂材料,以降低本艇水动力噪声和减小水下航行阻力。该项技术不久将在实艇进行应用,并会领先于俄罗斯。

从结构而言,美国海军使用的玻璃纤维制双层薄板消声瓦,被认为是消声瓦未来发展的一种趋势。试验结果表明,采用网络状橡胶和薄铜板单层吸声结构,可以把通过它的3 000 Hz的声强级降低25 dB,用同样材料的双层吸声结构可以降低40 dB声强级,其优良的隔声性能受到各国海军的注目。

美国在20世纪80年代研制的消声瓦系统细分为:去耦瓦、透射损失瓦、无回声瓦和阻尼瓦四种类型,目前西方各国海军多装备这样四种消声瓦[1]。

1.1.1 去耦瓦

主要用于机械舱室和其他低频噪声源周围。它是一种含方形空气腔的砖形结构,典型的外形尺寸为12″×12″×0.375″(304.8 mm×304.8 mm×9.525 mm),单元空腔尺寸为0.5″×0.5″×0.25″(12.5 mm×12.5mm×6.35 mm)。

1.1.2 透射损失瓦

主要用于潜艇外壳的非水密部位,如导流罩内的基阵周围。要求透射尽可能小,吸声、反射均可。

1.1.3 无回声瓦

也称吸声瓦,主要用于艇体两侧、指挥室围壳、舵等区域。要求无声波反射,全吸收最好,防止主动声纳的探测。

1.1.4 阻尼瓦

主要用于机械舱室周围的内面和外面,是一种边缘为尖劈形的砖状结构,典型的外型尺寸为11.375″×11.375″×0.75″(0.63″)[301.6 mm×301.6 mm×19mm(16mm)]。

1.2 俄罗斯消声瓦技术的研究和应用情况

俄罗斯的潜艇安静性技术发展也较快,从20世纪60年代H、E和N级核潜艇噪声160 dB降低到1975年Ⅵ、Ⅶ级核潜艇的150 dB;1985年S、M级攻击核潜艇降为125 dB～130 dB;新建的“阿库拉”级噪声降到115 dB～120 dB。

前苏联从1958年开始在G级SSN型潜艇上敷设消声瓦,该消声瓦是由低频吸收层、高频吸收层和防污层组成的多层结构。1967年起,前苏联除在SSG、SSB、SS、SSBN型潜艇上使用50 mm～100 mm厚的橡胶型消声瓦外,还在艇的艏部和声纳区采用了粗糙的、具有某种结构的固体涂料。据资料报道,前苏联在“台风级”、M级、“奥斯卡”等潜艇上安装了由橡胶型消声瓦和固体涂料组成的组合防护层后,使北约国家的潜艇声纳探测距离缩短75%、美国MK46鱼雷主动声纳的探测距离缩短50%。我国从前苏联引进的636、K877艇用橡胶型消声瓦材质分析,为阻尼性能很低的丁苯橡胶,外形尺寸为1 000mm×500 mm,厚度50mm。

预计到20世纪末,俄罗斯消声瓦的频率将扩宽到100 kHz,发射声的衰减达15 dB～20 dB。目前所有现役潜艇均敷设有消声瓦。其消声瓦的基材主要是丁苯橡胶、聚丁二烯橡胶和橡胶陶瓷。如现役的主战攻击型核潜艇“阿库拉”Akula级,其舯部与艉部壳体均敷设了50mm～150 mm厚的消声瓦,艏部壳体使用的则是一种蒙皮。“台风”级这种世界最大的战略型核潜艇整艇均敷设了100 mm～200 mm的厚型消声瓦,未发现采用蒙皮。

前苏联潜艇均采用双壳体,其消声瓦设计人员充分利用潜艇的这一结构,在潜艇的内外壳体上均敷设了消声瓦。外壳体敷设的消声瓦主要是减小反射信号,内壳体的消声瓦主要是降低本艇自噪声。内壳体的消声瓦主要敷设在噪声较大的舱室外壁,有针对性地敷设解耦瓦、阻尼瓦或消声器。

为了达到“塞拉”级潜艇的最佳隐蔽目的,苏联海军在艇型设计上采用了拉长水滴形,艇体表面被设计得非常光滑流畅,表面突出物几乎完全被取消,指挥台围壳与艇体交接处采取弧形圆滑过渡,艇体表面流水孔被减至最少。除上述举措外,该级艇的一项极为有用的隐蔽措施就是在艇体表面敷设一层厚薄相间的消声瓦。这层消声瓦的厚度在80mm～150mm之间,长宽比为90～85,由合成橡胶制成。据称,俄罗斯潜艇敷设这种消声瓦后,已使对方的探测能力下降了50%～70%,本艇的自噪声下降20 dB。除“塞拉”之外,俄罗斯海军还对20世纪70年代建造的V-Ⅲ级核动力攻击型潜艇、80年代建造的“阿库拉”级核潜艇等贴敷了消声瓦[2]。

1.3 英国消声瓦技术的研究和应用情况

英国的“敏捷”级核潜艇、“阿拉法特”级核潜艇、“北极星”核潜艇也包覆了消声瓦,所用材料为聚氨酯橡胶。据资料报道,英国“阿拉法特”级核潜艇上采用的是缠绕的消声涂料;而90年代英、法等西欧国家研制了复合型多功能消声瓦及聚氨酯喷涂技术。由于技术先进,喷涂的消声瓦不易脱落且厚度任意控制,并具有良好的吸声、抑振和隔声作用,以喷涂施工形式替代了原先需要在工厂硫化成型,然后用粘贴法施工的橡胶型消声瓦。目前英国海军已放弃先预制消声瓦再通过粘合剂在实艇敷设的工艺,而直接采用实艇现场浇注成型技术。其消声瓦的基材是聚氨脂材料。目前还尚不清楚他们是如何解决聚氨脂材料耐水性、贝类等海洋生物吞噬、防污等问题的。但有消息说英国海军已将该项技术投入工程应用。

1.4 法国消声瓦技术的研究和应用情况

法国的Agosta-80、CA级常规潜艇的噪声水平达到了120 dB左右。瑞典的T96型潜艇要求以7 kn速度航行的噪声低于三级海洋环境噪声[3]。

法国对消声瓦和消声涂层的研究也很重视,法国研制的消声涂层是由许多并列布置的流体消声器构成的,该消声器是由有若干间隙的刚性材料棒嵌接的微型管和填充的不可压缩的流体组成。微型管由基本上与水有相同声阻抗的声阻抗板支承,而刚性材料棒则由刚性材料板支承;整个消声涂层是不可压缩的,故不受外压影响。这种消声涂层能够吸收涂层接触介质中没有反射的发射声波。特别是在水面舰艇船体和潜艇船体上敷贴这样的涂层,就可以减少被声纳探测的危险。该类型涂层基本上是由微型管并列布置组合而成,不依赖于与水这样的环境介质差不多相同声阻抗的薄膜密封边界层。法国早期所研消声瓦的材料为聚硫橡胶,90年代还开展了聚氨酯涂料型具有复合功能的消声瓦研制。

1.5 日本消声瓦技术的研究和应用情况

日本也正加紧消声瓦的研究。据悉,其已研制出A、B、N、P四种类型的消声瓦,并做了缩比模型试验,所用材料为氯丁橡胶。日本“春潮”级、“夕潮”级也都安装了橡胶材料制作的消声瓦。

1.6 德国消声瓦技术的研究和应用情况

德国亦是最早研制消声瓦和吸声材料的国家。二次大战期间,德国海军工程师就试验了4 mm厚的橡胶涂料,前苏联就曾于1954年从德国获取过Alberich吸收声纳波涂料样品。

2 消声瓦主要功用及关键技术

各国海军之所以越来越青睐在潜艇上安装消声瓦,就在于消声瓦有着非比寻常的降噪和消声本领。目前经初步证实,消声瓦的功用至少有3个:

·首先,其能够吸收对方主动雷达发出的声纳波,即利用消声瓦材料的阻尼作用和瓦内空腔或填充物的作用,使对方发射出的声波波形发生变化,将声能转换为热能消耗掉,从而使折射回去的声波能量大为降低,达到急剧减少主动声纳探测的目的。据报道,俄罗斯满载排水量26 500 t的“台风”级潜艇由于敷设了150 mm厚的消声瓦,因而使美国MK-48和MK-46型鱼雷的主动声纳探测距离减少到原来的1/3,由此可见它的战术效能非同一般;

·其次,能够隔离潜艇内部噪声向艇外辐射。噪声是潜艇水下行动的一个大忌,尤其核潜艇的吨位大、噪声大,更是容易被对方在极远的距离上探测发现。消声瓦能部分缓解这方面的矛盾,给潜艇包上一层层的消声瓦,就相当于用一件棉袄包裹一台收音机一样,声音明显减弱。在这种情况下,艇内的噪声向外辐射自然受到很大的抑制。不过,实践也证明:一种消声瓦难以同时具备良好的吸声和隔声性能,而且低频吸、隔声性能难以满足实践使用的需要;

·再次,能够抑制艇体的振动。潜艇在活动和作战使用时,其动力装置和机械设备产生的振动是不可避免的,也是始终存在的。因此,如何最大限度地减少振动,便成了潜艇设计师矢志不渝追求的目标和时刻梦想攻克的难关。目前很多潜艇都将艇上的动力装置及其机械设备安装在筏形基座上,而且该基座与潜艇体保持柔性连接。这些措施采取后,仍有相当大的振动波要传到潜艇的内壁,而紧贴艇体的消声瓦自然起到了吸收振动的作用,使振动得到最大限度的减弱和缓解。当然,有一些专家还在研究消声瓦水面状态的变化隐形保护色等问题。

尽管消声瓦的技术现在已日渐成熟,应用也日趋普遍,但它仍有一些关键技术需要改进和提高,如粘贴术以及消声瓦的厚薄与潜艇总体匹配技术等等[4]。这些,各国均在加紧攻关克服。看来,消声瓦的风靡安装与使用将是大势所趋,未来的潜艇肯定是一些采用消声瓦等技术在内的、更加安静的“海狼”。

在世界各国海军中,前苏联海军的消声瓦技术处于领先地位,消声瓦种类最多,装备消声瓦的潜艇数量也居多;英国海军正处在更新换代的时期;美、法两国海军刚开始装备部队;日本和德国海军对消声瓦的研究也刚刚起步。从总的发展趋势看,就材料而言,消声瓦在合成材料与粘贴技术上将有新的发展。像英国海军目前使用的聚氨脂材料、法国海军的聚硫橡胶、广泛用于声学材料的丁基橡胶等,都是发展消声瓦技术的很有前途的合成材料。从结构而言,美国海军使用的玻璃纤维制双层薄板消声瓦,则被认为是消声瓦未来发展的一种趋势。其他形式的复合材料与复合声学结构相结合的消声瓦,以前苏联的系列消声瓦为代表,由于具有优良的吸声和减振效果,也必然是未来消声瓦设计的重点。在消声瓦结构设计多样化的同时,消声瓦的使用日趋专用化,适于特定艇体的区域或特定频段的专用型消声瓦逐渐得到广泛应用。前苏联对不同活动区域的潜艇敷设不同材料的消声瓦,要求消声瓦既保持吸声效果,还要使其具有减振作用,将来还会出现并广泛应用的以降低本艇自噪声为主要目的的“特种消声瓦”。消声瓦技术已不再是一种完全独立的领域,而是潜艇声隐身和减振降噪技术、艇体水动力噪声治理、艇体防污等多项技术工程综合应用的领域[5]。主动消声瓦技术预计2020年能够在潜艇隐身中得到实际应用。

3 结 语

通过世界各国消声瓦的研究与应用实例可以看出,消声瓦的研究必须系统化、系列化,要建立并遵从一个设计原则。同时要把消声瓦的研究与艇内机械噪声的减振降噪等多学科的研究相结合。因为仅一种消声瓦并不能适用于潜艇的所有部位,单凭消声瓦也不能解决潜艇声隐身的全部问题。另外,在积极借鉴外国先进经验的同时,还必须立足于本国的实际特点与情况,决不能对外国的技术进行简单的生搬硬套。要有一个符合国情的消声瓦设计原则,使消声瓦技术的研究有突破性进展,提高潜艇的声隐身性能。

[1] 美国的四种消声瓦和五种阻尼材料[J].橡塑资源利用.2006,No.6,(35).

[2] 无声的刺杀!漫谈潜艇消声瓦.http://blog.sina.com.cn/lgsd.2007-8-23.

[3] 张文毓.新型隐身材料研究进展[R].第十二届中国国际船艇展暨高性能船学术报告会.2007.04.

[4] ZHANGQiong;ZHAO Fukuan;WANG Rongqing,A new for ecasted method of echo stealth effect for underwater target with laying anechoic tiles[J].The Journal of the A-coustical Society of America,2003,Volume:114,Number:4,p.2468.

[5] 张宏军,邱伯华.消声瓦技术的现状与发展趋势[J].舰船科学技术,2001,No.4,6-11.

Overseas Research and Application of the Silence Tile

ZhangWenyu

submarine;submarine sound stealth;silence tile;development

Since the importance of the silence tile in submarine sound stealth has been identified by most countries in the world,many manpower and material resources are devoted into the research on the mechanisms of the silence tile and its engineering applications.This paper systematically introduces the research and application of the silence tile in various countries and discusses its development.

U 667.7

A

1001-9855(2010)06-0001-04

2010-06-03

张文毓(1968.02-),女,汉族,高级工程师,主要从事情报研究分析工作。