潜艇艇艏阵声呐发展趋势分析

陈卓陈伏虎

(1.海军驻杭州地区军事代表室，杭州，310023; 2.第七一五研究所，杭州，310023)

潜艇艇艏阵声呐发展趋势分析

陈卓1陈伏虎2

(1.海军驻杭州地区军事代表室，杭州，310023; 2.第七一五研究所，杭州，310023)

介绍艇艏阵声呐的特点，通过对当前各国潜艇声呐装备的介绍，分析艇艏阵的种类、多样性以及这种多样性产生的内在因素。最后，提出潜艇艇艏阵未来在技术和装备发展上的趋势。

艇艏阵；声呐；发展综述

潜艇艏部是安装声呐基阵的最佳部位，因为相对潜艇其它部位，艏端环境最安静且具视野最开阔的空间。潜艇艇艏阵声呐是潜艇声呐系统中最重要的声呐设备之一，被称为“主战”声呐。艇艏阵声呐的功能最完整，不仅能警戒、定位、识别、跟踪等，而且还具备主动测距、通信等功能。因此可以说，其性能好坏影响到整个声呐系统。艇艏阵是潜艇频带最宽的声基阵，覆盖中频和低频；如果将艇艏部所有声基阵看作一个系统，还覆盖甚低频、高频和超高频。艇艏阵能有效地利用垂直孔径来提高作用距离和垂直分辨率；垂直方向上的信息获取在未来声呐技术中将起着更为重要的作用。因此，各国的潜艇均特别重视艇艏阵声呐的设计，其发展很大程度反映着潜艇声呐系统的发展水平。

1 潜艇艇艏阵分类和应用

1.1 艇艏阵阵型及其特点

潜艇艇艏阵按阵形来分，主要有三种阵形：圆柱阵、球阵和共形阵。

（1）圆柱阵指全部或部分具有圆柱形特征的声基阵。从这个定义可知，圆柱阵除包括典型的圆柱阵外，还包括倒锥体阵、U形柱阵。圆柱阵主要用于常规潜艇和早期的核潜艇。如法国TSM2233声呐系统艇艏阵[1]（图1）、德国214型潜艇装备的艇艏阵[1]（图2）、俄罗斯基洛级400声呐艇艏阵[1-3]（图3）和早期攻击核潜艇艇艏阵[1,3]（图4）。

图1 法国TSM2233声呐系统艇艏阵

图2 德国214型艇DBQS-40型综合声呐的艇艏圆柱阵

图3 俄罗斯MGK-400声呐的艇艏阵

图4 俄罗斯MGK-540声呐的艇艏阵

（2）球阵指全部或部分具有球形特征的声基阵。因此，这里除典型的球阵外，还包括U形球阵、碗形阵。典型的球阵为美国洛杉矶级、海狼级所采用的球阵，以及弗吉尼亚级核潜艇采用的U形球阵（图5)[1-2]。

图5 美国核潜艇球阵和U形球阵

（3）共形阵[4]是指其表面外形完全与载体外壳形状共形的声基阵，也泛指完全或者部分复制舰艇边框形状的基阵（图6~图8）。它包括稀疏共形阵和密排共形阵两种。潜艇艇艏阵按功能分，还可分为主动阵、被动阵、主被动阵。如果与阵形结合，可以展开成更多的类型：主动圆柱阵、被动圆柱阵、主被动圆柱阵、主动球阵、被动球阵、主被动球阵、被动共形阵和主被动共形阵。这种多样性是艇艏阵的一个重要特色。

图6 俄罗斯阿穆尔级潜艇艇艏共形阵

图7 英国机敏级核潜艇艇艏共形阵

图8 美国海狼级核潜艇艇艏共形阵

1.2 艇艏阵多样性体现

艇艏阵阵形的多样性已在实际的潜艇声呐[1-3]中出现。图9为美国潜艇艇艏阵发展图。从图中可以看到，美国四代核潜艇艇艏阵类型几乎覆盖了所有艇艏阵阵形，而且每型会根据尺寸、安装位置或干端实现不同，呈现更多型号。在上世纪六十年代，不到十年的时间里就提出和研制出一种新的阵型。

同样，俄罗斯的基洛级、阿穆尔级、台风级、雅森级潜艇的艇艏阵也都是不一样的。同属基洛级的877艇和636艇，虽然其声基阵架相同，但布阵方式和采用的阵元是不相同的。由此可见，相比于拖曳线列阵、舷侧阵，艇艏阵发展的一个重要特点是阵型类型的多样性，基本上一艇一型，甚至一艇多型。

2 决定艇艏阵阵型的主要因素

2.1 艇艏各种阵形特点

圆柱阵、球阵、共形阵各有特点。圆柱阵结构简单且轴向对称，具有空间波束均匀、处理方便、平台噪声控制容易等优点，但存在应付复杂传播条件下适应性不足等弱点。

对球阵来说，其优势在于：（1）能获得大孔径，特别是垂直和水平两维大孔径是声呐性能提升和功能扩展的基础；（2）环境适应性强，能满足浅海和深海不同的海洋传播环境。其弱势为：（1）必须将艇艏全部空间让出，才能发挥最佳作用；（2）工程实现难度较大，费用高。

对共形阵来说，其优势在于：（1）能获得较大的孔径，特别是水平维；（2）观察范围比圆柱阵大；（3）工程实现较球阵简单。其弱势为：（1）阵形受艇形控制，即不是所有的艇艏或艇艏所有部位都适合共形阵，如艇艏为水滴型的潜艇就很少采用共形阵，英国核潜艇艇艏选择共形阵，但其艇艏并不是水滴型，而是一种过渡形状；（2）艇噪声和水动力噪声影响较其它阵大；（3）各个方向波束或增益不均匀。

因此，决定潜艇艇艏阵类型主要由两个因素决定：艇艏阵及其声呐所承担的使命任务；艇平台所能给予的空间。

图9 美国潜艇艇艏阵发展图

2.2 使命任务对阵型的影响[1-3]

美国海军第三代攻击型核潜艇洛杉矶级用于对美国海军水面舰艇的直接支援，因此，需要与水面舰相匹配的水下高速航行能力。由于在高航速下，平台噪声对声呐影响巨大，为了与潜艇武器系统相匹配，需要连续提供目标距离、方位等数据给射击指挥系统。这种情况采用被动探测是不现实的。因此，洛杉矶级采用了以主动为主、被动为辅的BQS-11型主被动球阵声呐，同时为弥补被动接收的不足，配置BQR-7型共形阵声呐。而与其同时代的俄亥俄级核潜艇由于主要巡逻在美国中、近海，因此，其艇艏阵配置主要以被动为主，虽然其声基阵也是球阵，但布阵方式和阵元选择都不同于洛杉矶级。

海狼级核潜艇最早是为了替代洛杉矶级，继续执行保护海军作战舰艇编队、探测跟踪苏联海军核潜艇和水面舰艇、对其进行拦击等任务。在海狼级核潜艇上，将洛杉矶级的收发合置球阵拆分为一个以中频接收为主的球阵和主动碗形阵，继续保留低频共形阵，在保留主动性能的同时，加强了被动探测的能力，特别是球阵的孔径扩大到7.32 m，并能承担更多的任务。

作为美国第四代攻击型核潜艇的弗吉尼亚级，为了适应后冷战环境的要求，其设计重点强调具有强大的攻击能力，重视在沿海、浅海水域的作战能力。弗吉尼亚级保留冷战时期的声隐身性能，不再把水下高速和大深潜作为努力追求的目标，而是以多功能、多用途为主。因此，在艇艏配置上是以被动接收为主，主动发射为辅，进一步加强了被动警戒能力，同时为适应在浅海作战配置了高频下颏阵声呐。

2.3 艇平台空间对声基阵设计的影响

声基阵设计还受到艇总体所给予的声空间大小、位置及周边布局、噪声分布等影响。在艇艏全部让于声呐声基阵的情况下，由于球阵与具有（近似）球艏的艇形契合度最好，空间利用率高，一般都采用球阵（包括U形球阵）为第一选择。圆柱阵一般适用于艇艏因存在鱼雷发射管等安装空间只限于上/下半空间的情况。在这种情况下，球阵在垂直上所具有的观察范围的优势被限制，而采用结构更为简单、加工难度更低、成本更小的圆柱阵是较好的选择。共形阵受艇艏形状、安装位置以及背景噪声的影响较大，一般不适用于艇艏弧线曲率较大的艇型，不宜安装过于偏上或偏下，同样不适用于平台噪声过大或中高速航行时的潜艇。

3 艇艏阵技术发展趋势

总的来说，潜艇艇艏阵的发展沿着大孔径、宽带化、多功能多用途、三维阵方向发展[4]。

（1）向大孔径方向发展。艇艏阵孔径从水平和垂直两维扩大。共形阵因顺艇体安装，受艇体遮挡影响要比圆柱阵小，因此，能布阵的孔径要大于圆柱阵。而且向艇后延伸，可以继续加大孔径。俄罗斯阿穆尔级和英国机敏级潜艇的共形阵可以看作是艇艏阵与舷侧阵组合而成的阵。美国弗吉尼亚级核潜艇后续艇采用更大孔径的共形球阵，以及目前正在研究的全艇共形阵都是为了在有限的壳体安装平台内，实现声基阵孔径的最大化。

（2）向宽带化方向发展。艇艏阵频段在向低频扩展，但不同于其它阵，艇艏阵高端依然不变，甚至更高，即艇艏阵的低频化实际上是宽带化过程。对近距离的目标（如安静型潜艇）宽带检测，密排阵高频探潜仍具有优势。

（3）向多功能多用途方向发展。艇艏阵功能从早先单一的检测和测向，已经扩展到检测、定位、识别、跟踪、通信等几乎所有功能。艇艏阵也是艇上唯一同时承担主动和被动功能的阵。美国洛杉矶级潜艇艇艏球阵是收发合置的主被动阵，海狼级和弗吉尼亚级潜艇采用收发分置的阵形，进一步加强主动和被动的能力。

（4）向三维阵方向发展。早期的艇艏阵或现在常规潜艇艇艏阵虽然从结构形式上看是“三维阵”，但实际处理并不是利用海洋声传播的三维信息，而仅仅是在水平维上进行信号处理。核潜艇采用球阵或大型共形阵是为了确保有一定的垂直孔径，真正成为三维阵。美国核潜艇艇艏球阵都是三维阵，能够在复杂海洋传播条件下进行环境自适应地对目标进行处理。

4 艇艏阵装备发展趋势

潜艇艇艏阵第一次发生跃变是美国潜艇将艇艏空间全部让于声呐，并研制了球阵，从而也奠定了艇艏阵“主战声呐”、“综合声呐”的地位。首先是立足于在这个潜艇的最安静区域内声呐布阵的一次创新，它打破了当时乃至今天各国潜艇在艏端同时布置圆柱阵和鱼雷发射管的传统布局，把鱼雷发射管后移并把艏端空间全部让位给声呐布阵需要，从而实现了声呐战术技术性能的一次大的提升，并且一直保持世界的领先水平。

第二次跃变可能是大型艇艏密排共形阵的应用。但这次正在进行的跃变面临众多挑战，特别是由于共形阵更靠近导流罩且其安装平台与壳体直接相连，平台结构噪声/水动力噪声对声呐的影响尤为关键，如果不能有效进行降噪减震，共形阵不仅不能发挥大孔径效能，而且性能会大减。

第三次跃变将是全艇密排共形阵，全艇密排共形阵的实质是将整个潜艇表面作为载体进行换能器布阵，从而实现声孔径最大化。这一步实现不仅需要声基阵与艇总体统筹设计，还需要在水听器设计、数据传输、传感-消声一体化等方面做大量的研究工作。

[1]Commodore Stephen Saunders.INHTMJane's Fighting Ships[J].2014-2015.

[2]蒋华,蒋辉.二战后美国潜艇全纪录[J].舰船知识,2009,增刊.

[3]蒋华.二战后苏/俄潜艇全纪录[J].舰船知识,2009,增刊.

[4]JOSEFSSON L,PERSSON P.Conformal array antenna theory and design[M].John Wiley & Sons,2006.