国外潜艇拖线阵声呐的发展特点及趋势

张国栋马敬广

（1.第七一五研究所，杭州，310012；2.海军驻杭州地区军事代表室，杭州，310012）

国外潜艇拖线阵声呐的发展特点及趋势

张国栋1马敬广2

（1.第七一五研究所，杭州，310012；2.海军驻杭州地区军事代表室，杭州，310012）

根据现有的公开技术资料，对主要西方国家的潜艇拖线阵声呐的发展概况、技术特点进行了介绍和分析，并粗略预测了其发展趋势。

潜艇；拖线阵；声呐；综述

1 潜艇拖线阵声呐的发展概况

由于拖线阵声呐的两个内在特点（基阵孔径不受平台空间尺度限制，适合低频工作；可选择有利工作深度，背景干扰小），使得该型声呐与其他常规声呐相比，探测能力大为提高；再加上舰（艇）降噪技术对1000 Hz以上辐射噪声的大幅抑制，更凸显了拖线阵声呐在低频段的性能优势。因此，拖线阵声呐虽起步较晚，但已迅速成为水面舰艇、潜艇的主要声呐装备之一。西方主要发达国家的潜艇拖线阵声呐经过五十多年的发展，都有各自的系列型谱。美国的型谱最多，具体情况参见图1[1]。国外主要的拖线阵型号及装备情况参见表1[2]。

图1 美国潜用拖线阵声呐年谱

表1 各国潜艇拖线阵声呐装备概况

备注：（1）部分被TB-29A替代，部分对湿端基阵改造升级； （2）Seawolf级保留TB-29，其它装备TB-29A；（3）用于替代TB-16，2009年启动生产； （4）泰利斯水下系统有限公司的前身是汤姆逊马可尼声呐有限公司；（5）还将替换Trafalgar级的Sonar 2046；（6）湿端缆阵只能采用挂带式（clip-on），已停产。

2 潜艇拖线阵声呐的技术特点

潜艇拖线阵声呐研制初期，只是将水面型拖线阵简单照搬/安装到潜艇上。在前苏联与美国对抗时期，没有暴露太多问题，但随着前苏联的解体，大洋深处的核潜艇激烈对抗不复存在。海狼级潜艇建造计划被多功能、多用途的弗吉尼亚级潜艇代替。濒海作战成为新的作战需求，潜在战场前推至除美国外的各国周边。作战需求和模式的变化，导致原有潜艇拖线阵声呐的问题开始凸显：（1）声呐参数设计不够优化，导致使命、任务的遂行海区严重受限；美国TB-16专门就此开展了多轮改进工作，并将进一步由TB-34来取代。（2）声呐的可使用性被严重忽略，任务可靠性低，使用安全性差，甚至出现设备完全失效。以德国TAS-83和DSUV-62C的挂带式配置最为明显，而英国广泛装备Vanguard、Trafalgar、Swiftsure级潜艇的2046和加拿大的SUBTASS，也因缆阵收放分系统的缺陷而倍受质疑。（3）柔性基阵（尤其是转向过程）的探测精度，及与壳体基阵的联合、相干处理问题。下面将针对潜艇拖线阵声呐的体系结构和技术特点进行分析。

2.1 湿端缆阵

拖线阵声呐的湿端缆阵，由于使用时远离平台，并能利用缆长/航速关系调整工作深度，易于获得较低噪声背景和良好信道条件。当然，这些优越性的获取条件是必须在拖线阵的有限体积空间内完成全部的换能器/传感器阵列、电源网络、信号调理和远程数据传输网络的实现，技术复杂。

随着舰（艇）降噪技术的快速发展，为保证在一定警戒范围内对低噪声/安静型目标的有效探测，进一步的频率下移和孔径增加成为必然，并直接催生了细长线阵（TLTA）。国外主要拖线阵声呐的湿端缆阵声学参数详见表2。目前单一潜艇平台的拖线阵配置正在发生改变，大型潜艇逐渐将两套拖线阵作为标配。因此，现有潜艇的拖线阵配置模式有两种：（1）单条拖线阵，包括英国的Walrus、Vanguard、Trafalgar、Swiftsure级潜艇，法国的Rubis、Agosta 90B（为巴海军建造），德国的209、212A、214，以及加拿大、澳大利亚、西班牙、日本等国家的潜艇都是如此。（2）两条拖线阵，例如美国全部现役的Los Angeles、Ohio、Seawolf、Virginia级潜艇都配置有TB-16粗线阵和TB-23或TB-29（A）细线阵，且一粗一细的配置可能一直要延续下去。英国的Astute级潜艇，从文献介绍和资料图片看，也是两条拖线阵的配置，但具体方案不详。其前期论证时，曾仔细考察了美国海军的TB-29A，并将其与由2076一体化声呐系统发展而来的粗线阵声呐方案一起作为机敏级潜艇的拖线阵声呐备选方案。

表2 多型拖线阵声呐的湿端缆阵声学参数

基于潜艇隐蔽性的考虑，各国现役拖线阵声呐均为被动型，其线状缆阵（拖线阵通常采用与海水等比重设计，而拖缆比重与海水相当或略大）也都采用临界角拖曳方式，因此拖线阵的实际工作深度取决于两个因素：（1）潜艇潜航深度；（2）潜艇航速与放缆长度的对应关系。因此，湿端缆阵的该项参数设计对声呐的任务遂行能力和可执行任务的海区限定至关重要。从表2备注（1）可以看出，TB-16的拖缆比重较大，这与大致同期的DSUV-62C及后续的各型设备都采用轻质或中性浮力拖缆有明显不同。曾有多篇报道称该声呐在低航速下由于拖线阵和母艇间存在明显的深度差，严重限制了该声呐在浅水区域的作业能力，针对该问题，美国海军组织进行了大量的改进工作。

需要赘述的是，虽然拖线阵声呐相对于壳体声呐而言，其孔径可提高数倍甚至达数量级，但终归要受到平台安装存储空间的限制，而且这一限制是对缆阵的总体积而言的，即拖缆长度×截面积（直径）与拖线阵长度（孔径）×截面积（直径）的总和。对拖线阵孔径最大化的追求一直是持续的（除非是受到水声信号相关性的制约），因此，必须考虑降低拖缆长度、直径和拖线阵直径（当然，减小直径更为有效）。

（1）拖缆。其直径主要取决于铜截面（传输功率），即受到拖线阵规模、阵内电子器件电源种类/功率和数据传输方式等的限制。拖缆长度则主要取决于平台噪声水平和拖线阵对平台噪声的抑制水平。从TB-23的915 m缆长到TB-29的580 m再到TB-29A的365 m，可以看出，其平台噪声水平是不断降低的，TAS-90的拖缆仅250 m说明了德国212A、214常规动力潜艇的低噪声水平。

（2）拖线阵直径。拖线阵的拖曳流噪声随速度提高增长快速并将严重影响探测性能，其直径选取不能一概而论，需综合考虑使用航速要求、平台噪声变化情况、拖线阵噪声抑制水平等诸多因素。因此，各国的拖线阵直径选取各有特点：美国是粗细兼备（TB-16为82.5 mm，TB-23、TB-29（A）是38 mm）；其它国家则是基于上述多种因素的综合折中，其直径一般在50～80 mm之间。

由于湿端缆阵采用可收放式是不变的趋势，因此湿端缆阵设计的另一关注重点就是与缆阵收放系统的适配问题。这关系到设备可靠性、任务成功率甚至安全性，尤其是拖线阵的强度结构设计和专用的尾部结构设计等。图2、图3是英国、德国的拖线阵的典型外部强度设计形式。

图2 英国拖线阵段的外部强度设计形式

图3 TAS-90的绞车和拖线阵

2.2 缆阵收放分系统（TAHS）

拖线阵声呐的最初性能验证是在挂带条件下完成的，因此一段时期内挂带式（clip-on）广泛存在，如德国207/209潜艇的TAS-83，法国出口巴基斯坦的Agosta 90B配备的lamproie（DSUV-62C的商用名）。随着拖线阵使用频率的提高，该方式的问题凸显-使用及维护均耗资巨大。相比之下，配备了缆阵收放分系统的拖线阵声呐，不仅避免了每次挂带、拖曳缆阵的人力物力和操作风险，而且可以根据任务海域的特点及水文条件调整到最佳探测状态，便于设备作战使用效能的发挥。

美国现役的Los Angeles、Seawolf、Virginia级潜艇的水下排水量在7000～9000 t左右，Ohio级潜艇18000 t，因此从首套TB-16至今，均含有缆阵收放分系统。虽然美国有多型拖线阵声呐，但其缆阵收放分系统只有两型：（1）OK-276拖线阵收放分系统，适配TB-16、TB-34等粗线阵；（2）OA-9070[3]拖线阵收放分系统，适配TB-23、TB-29（A）等细线阵。但早期的OK-276安装在艇背的中部以前，而OA-9070安装布置在潜艇尾部主压载水舱；并且，从文献资料看，Los Angeles上是液压驱动的OA-9070A，而Virginia上使用了全电驱动的OA-9070E（见图4，这是全电力舰船发展的必然结果）。

图4 美国Virginia级潜艇的OA-9070E

英国Walrus级潜艇的2026采用挂带式，Vanguard、Trafalgar、Swiftsure级潜艇的2046拖线阵声呐已设计专用收放分系统，而最新的Astute级潜艇[4]，从其资料图片看，两条拖线阵中，一条为可收放式，另一条可能是挂带式。其收放分系统的安装布置与美国潜艇类似（图5）。

图5 英国Astute级潜艇的拖线阵声呐缆阵收放分系统

图7 加拿大Oberon级潜艇的拖线阵声呐缆阵收放分系统

德国的212A、214潜艇，虽然从动力、吨位看，与美、英两国的平台条件差距甚远，但从其尾部安装布置的TAS-90拖线阵声呐收放分系统可知该声呐的重要性（图6）。由于该型潜艇广泛出口，其技术参数公开程度较高：相对于排水量1700 t左右的局促艇体空间，在尾部双层壳体之间安装了占空2.1 m×2.4 m×1.15 m、重量大于3 t的绞车及全套机构。与此形成对比的是俄罗斯Akula、Victor Ⅲ等潜艇，其尾部专为拖线阵声呐收放系统设计了导流罩[5]，这固然凸显了该设备的重要性，但却对总体性能（如航速、噪声等）带来诸多不利影响，最终该设计不得不取消。

图6 德国212A、214潜艇的TAS-90

除上述类型，配备缆阵收放分系统的还有加拿大Oberon级潜艇的SUBTASS（图7）和澳大利亚Collins级潜艇[6]的TB-23F（图8）。该两套收放分系统的特点是：缆阵绞车均安装在潜艇背部指挥台围壳后的双层壳体之间，通过横跨至潜艇尾部的输送机械和导管将缆阵释放或回收。

图8 澳大利亚Collins级潜艇的拖线阵声呐缆阵收放分系统

文献[4]对潜用TAHS作了深入的分析和探讨，认为TAHS的最终目标是在提供最大容缆量的同时必须能可靠、无损地收放缆阵。因此，以下两点在设计时需重点关注：（1）如Oberon级潜艇TAHS的远距离、分散布局不可取，这样设计的系统，其内部的摩擦和阻尼必然增加系统复杂度，大张力、夹持式的牵引装置（traction devices）将不可避免地对缆阵造成（磨损、皱褶等）损伤。（2）尾部集中式布置为低阻尼初始释放提供了可能。注水（flushing）推出技术（TAS90同样使用）、低张力牵引技术得以应用，并与专门设计的拖线阵尾部结构适配，并称可延长拖线阵的使用寿命7~14年。但是，尾部集中式布置的收放系统必然对潜艇的结构设计带来更大影响，甚至需要将拖线阵收放系统的设计方案与潜艇艇体的设计一体、同步进行。

2.3 声呐的体系结构及功能定位

湿端缆阵和收放分系统都是必不可少且地位独立的；而干端设备，尤其是信号处理和显示控制，随着体系开放度和综合处理要求的不同，表现得各有差异。但大致变化趋势明显，即原先独立完整、单部声呐独享的模式被打破，共享、动态重构的全艇综合（声呐或作战）处理系统正在形成（如美国的AN/BQQ-10声呐系统），各部声呐的声基阵、处理功能正逐步趋于组件化。与声呐体系结构同时变化的，就是其功能定位，在传统的远程警戒功能基础上，提出了更多的功能、性能要求。

美国即将替代TB-16的TB-34，将采用与本艇壳体声呐频带叠加的阵内相干处理技术以大幅提高探测目标的方位精度；要求声呐必须具有分辨水下或水面目标的能力，目标深度精度在±15 m内；同时还要求仅通过一次拖曳，就能确定接触目标的声线到达角，并提供方位与距离（精度20%以内）信息，以及解决转向过程中的目标跟踪问题等。

3 潜艇拖线阵声呐发展趋势预测

设备的发展终归由战术需求来引领，对于核动力和常规动力的不同等级平台，其需求可能截然不同甚至相反：对于相对低速、低噪声且空间严重受限的常规动力平台，主要考虑航速范围内单条拖线阵孔径的最大；而核动力平台，可能在现有一粗一细（很可能是分时使用）配置的基础上，真正实现双线阵甚至体积阵配置，在远程探测基础上大幅提高目标识别/定位能力和精度，实现从警戒到战术引导的跨越。

还有两点潜在趋势值得一提：（1）缆阵的拖曳模式。现有系统固然都是采用临界角拖曳，但是，对于隐蔽航行在水下一定深度的潜艇，此种拖曳方式无法利用其潜深至水面这一段的水文传播条件（如表面声道），因此主动控制的变深拖曳方式才能最大限度发挥潜用拖线阵的使用效能。（2）潜用主被动拖线阵。线状的主动发射阵本身有研制基础，但只有在平台使用观念发生巨大变革时才可能变为现实。德国已走在前面。

[1] STANLEY G LEMON . Towed-array history 1917-2003[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2004, 29(2):365-373.

[2] Submarine sonar systems[J]. Jane’s Underwater Warfare systems, 2010-2011:227-246.

[3] JOSEPH P LIGUORE. All-electric outboard handling system for submarine applications[C]. UDT, 2002.

[4] Curtiss Wright Flow Control Company. Design considerations for submarine mounted TAHS[C].UDT, 2011.

[5] 王新森. 点评美俄诸国潜艇拖线阵[J]. 舰船知识,2010(8):63-69.

[6] PASALIC NEDIM. Towed-array handling system on collins-class submarines[J]. Sea technology, 2001, 42(11).