欧洲国家海军潜艇减振降噪技术发展展望

高 峰

(海军装备部，北京100071)

0 引言

减振降噪是国外舰艇研发中的重点工作之一，同时也是潜艇隐蔽性的设计核心，法、德、英等国的海军装备以及海事安全装备世界领先，为了适应未来舰艇减振降噪的需求，各国相关专业公司研究开发了多型新装备和产品，这些装备涉及海军防御、海洋环境、交通和基础设施、海上安全和安保、服务业、研究和工程等领域，本文通过分析相关装备窥见国外潜艇减振降噪技术研究的最新进展，可为我国了解国外先进理念提供借鉴。

1 潜艇新型减振降噪产品

最近几年，法国DCNS公司、HUTCHINSON公司和德国FREMM公司、SEBET公司相继推出各自的减振降噪产品。

1.1 法国潜艇减振降噪的设计

法国“梭鱼”级攻击型核潜艇采用了短粗尾一体化结构;SMX－OCEAN重型柴电潜艇在螺旋桨前面设计了前置导流环，减少了特战加压舱对尾流场的影响，有利于螺旋桨的降噪增效。这些设计由法国造船局 (DCNS)进行研发，该局以主承包商的身份，承担海军水面舰艇、潜艇等装备研制和建造，负责法国海军舰船装备研制生产和舰船装备出口，在欧洲乃至世界海防系统市场上占居领导地位。DCNS在造船、系统工程、船舶总装、设备设计和生产等领域具有领先的技术优势，已负责完成“戴高乐”级核动力航空母舰、“西北风”级两栖攻击舰、欧洲“地平线”级驱逐舰、法国“拉斐特”级护卫舰等水面舰艇和“阿戈斯塔－90B”级常规潜艇、“鲉鱼”级常规潜艇、 “红宝石”级核潜艇、“梭鱼”级核潜艇等多型潜艇。

图1 法国SMX－OCEAN新概念潜艇Fig.1 French SMX－OCEAN new concept submarine

法国潜艇泵组的金属橡胶隔振垫，可达到10 dB的减震降噪效果，该组件是由冷拉不锈钢丝网根据减振需要，压制成的某种几何形状，有100多种各种规格尺寸。具有使用简单、寿命长的特点，尤其在低频减振 (10～25 Hz)方面，有非常好的效果。该项设计是由法国HUTCHINSON公司完成的，该公司在海军舰船减振降噪技术研发方面有几十年的历史，其研发的配套产品包括十几个大类100多个品种几百个规格，涵盖了水面舰艇、潜艇各种机电设备、各个主要场所的噪声与振动控制设备。以一艘潜艇减振降噪为例，该公司可提供的配套产品包括:为球鼻首声呐平台配套的6～8种复合阻尼及隔吸声材料;为主动力系统 (包括主机、辅机等)配套的10多种抗冲击隔振器;为轴系配套的特种隔振器等。

1.2 德国潜艇减振降噪的设计

德国海军的209、212、214系列潜艇动力全系统减振、抗冲击设计与配套、F215驱逐舰动力系统声隐身设计处于世界领先水平，这些系统由德国FREMM公司设计，该公司是一家在振动噪声控制设计与配套设备方面很有特点的公司，尤其在大型动力设备，特别是主机、齿轮箱、轴系的减振设计与系统配套，具有世界前进水平。

图2 法国减振器产品系列型谱Fig.2 France damper product line spectrum

图3 德国动力设备减振配套系统Fig.3 Germany damping power equipment supporting systems

德国ATM系列管路抗冲衰减器是德国SEBET公司的核心专利产品，已广泛应用于世界20多个国家海军舰船。该公司是德国海军在振动和冲击控制领域的主要供应商。特别是在抗冲击隔离器件方面，该公司处于世界领先地位。

德国研发的类橡胶改性聚合物双组份涂料可在几分钟内可触指干，抗拉强度达到20 N/mm2，最高硬度达到98(邵氏硬度)，柔韧性高、可喷涂在金属、橡胶表面，耐磨性和耐腐蚀性能好。目前德国海军将其喷涂在球鼻首导流罩，利用其高弹性与疏水性能，降低水动力流噪声对声呐平台的影响。该涂料无溶剂，需要专用设备喷涂，除用于潜艇消声瓦表面防护与修复外，该技术也用于舰船船体特殊部位的抗冲刷。该产品是德国Meline公司为欧洲海军开发的潜艇消声瓦表面防护与修复技术及产品的代表。另外，也有一些国家海军将其应用在舵、泵组、冷却器、海水管道、阀门等的防腐蚀和磨蚀。

图4 德国ATM系列管路抗冲衰减器Fig.4 German ATM series line impact attenuator

图5 潜艇消声瓦、导流罩表面防护与修复设备Fig.5 Submarine anechoic tiles，shroud surface protection and repair equipment

2 欧洲国家海军舰艇减振降噪工作主要特点及展望

2.1 主要特点

通过对欧洲各国海军潜艇减振降噪技术的分析，进一步加深了对欧洲国家海军潜艇减振降噪技术的了解，可以看出其减振降噪工作有以下特点:

1)减振降噪工作紧密围绕作战使用。欧美国家非常重视潜艇瞬态噪声控制，采取了针对性的控制措施，如法国潜艇采用抗冲减振器来控制鱼雷发射装置、升降装置等瞬态振动噪声，如图1所示;注重全系统、全工况振动噪声控制，减振降噪设计更加系统化，贴近作战使用。

2)采用总体与声学融合设计。强调潜艇功能与系统配置、使用流程的相关性和兼容性，重视模块化设计，实现总体性能和声学性能指标的优化平衡。如潜艇尾部线型结构和螺旋桨采用一体化设计。法国“梭鱼”级攻击型核潜艇、德国214型常规潜艇等均采用了短粗尾一体化结构，这种结构在保证潜艇水下机动性能的同时，通过短粗尾提高尾部结构刚度，优化了推进器激励尾部结构的振动噪声性能。

3)强调军民融合，充分吸收民间公司参与，形成了系列化减隔振器产品。欧洲从事舰艇减振降噪研究的民间公司较多，既有综合性的，也有专业性的。如法国HUTCHINSON公司，德国FREMM公司、SEBET公司等，均各有自己的特色技术。HUTCHINSON公司已开发出50余型满足设备、管路、轴系、装置和平台等不同使用需求的系列化减隔振器，且指标体系完整，性能先进，对设备3 Hz～25 Hz低频隔振效果可达10 dB;德国FREMM公司开发的主机、轴系等动力系统配套减振系列产品，已广泛应用于德国209、212A、214系列潜艇动力全系统振动噪声治理。

2.2 发展展望

图6 法国“梭鱼”级攻击型核潜艇及其尾部模型Fig.6 French Barracuda class attack submarine and its tail model

从掌握的相关资料可以看出，欧洲国家海军潜艇减振降噪技术发展趋势主要体现在以下几个方面:

1)新概念潜艇技术。以进一步降低潜艇总体噪声水平为重点，探索新概念潜艇艇型 (圆柱型、扁平型等)、结构型式、动力型式、推进方式和总体布置等，突破相应的关键技术。水滴形是出现最早，应用最多的现代艇体线型之一，绝大多数现代潜艇均采用水滴形，如美、俄、英、法等国家的核潜艇基本上都是水滴形。虽然水滴形仍将是目前和今后一段时间内新型潜艇的主要形式，但是，传统水滴形潜艇在总体性能方面，尤其是隐身性能存在一定的局限性，限制潜艇综合性能的进一步提高。20世纪末出现了一些新的艇形，如英国“机敏”级核潜艇的雪茄形，德国214型潜艇的鲸鱼型艇首线型，这些线型具有优良的水动力特性和较小的信号特征。但这些线型并未对水滴线型有实质性的突破，其横截面与水滴形类似，都非常接近圆形。因此，目前世界各国在不断优化水滴线型的同时，纷纷探索未来新概念艇型，其中采用扁平外形，取消指挥台围壳是新概念艇型的重要特点之一。

2)新型安静型动力技术。重点研究和开发更为安静、体积和重量更小、效率更高的核反应堆、新型AIP动力装置等，以降低潜艇动力系统噪声。传统的圆柱形潜艇均采用单轴单桨推进方式，由于推进器噪声与螺旋桨的直径和转速成正比，降低直径和转速成为最有力的措施。但受潜艇航行时所必需推力的约束，很难做到降低推进器的直径而不提高转速。因此，为寻求效率高、激励力小、噪声低以及空化性能好等综合性能集一体的新型舰艇推进装置，仿生推进、磁流体推进和无源磁浮推进等已成为未来新概念隐身潜艇推进方式发展的方向。

3)动态隐身技术。潜艇在使用过程中的噪声是动态变化的，控制潜艇航行过程中出现的动态噪声，特别是武器发射装置、对抗器材引起的瞬态发射噪声和潜艇机动引起的动态噪声，对保证潜艇在实战中的隐身性能意义重大。为实现舰艇作战使用全工况噪声控制，减振降噪设计更加系统化，减隔振器产品逐步系列化，包括潜艇噪声监测系统技术、发射噪声控制技术在内的潜艇动态隐身技术已成为未来潜艇隐身技术发展的重点。

4)主动、半主动控制技术。为实现潜艇低频多线谱振动噪声控制，开发机械设备主动噪声和振动控制系统，突破艇体结构振动主动控制技术等是研究重点。机械设备主动隔振技术，主要是针对被动隔振低频“失效”现象，在被动隔振器上添加主动激励器以抵消机械设备的振动或作用力，增加低频隔振效果。目前主动激励器分为电磁激励器、压电式激励器、气动激励器和液压激励器。据文献报导，美国开发了主动噪声和振动控制系统(ANVC)，并采用船用高速网络技术，对全艇设备低频振动实施主动隔振。德国船用机械设备的主动隔振系统在400 Hz以下频段隔振效果大于10 dB。澳大利亚“科林斯”级潜艇柴油发动机采用了8个独立的双层混合隔振器支撑术，对柴油发动机的1次谐波、115次谐波和2次谐波的隔振效果可高达30 dB以上。

5)声学智能结构技术。智能结构是集感知结构和响应或驱动结构为一体，采用声学智能材料设计艇体结构，可以实现潜艇结构动力特性的智能控制，有效降低水下结构声辐射水平。据文献报道，声学智能结构已有采用压电材料激励器和PVDF传感器的复合材料，以及采用形状记忆合金纤维的复合材料。目前，声学智能结构已成为舰艇有独创性的声隐身重点发展技术领域。

6)新材料技术。重点突破负泊松比材料、仿生材料等新概念吸声材料等关键技术，以提高吸声材料对声波的吸收能力和结构敷设阻尼的效果。负泊松比材料具备不同于普通材料的独特性质，有特殊的弹性和对声音的吸收能力;仿生材料是一种模仿生物体的特殊结构高分子材料，利用生物体独特但有极为高效结构，具有广阔的应用前景。国外海军强国都优先发展该类技术来提高本国潜艇的声隐身能力，如俄罗斯则发展了特殊蒙皮技术，作为一种特殊声学层用于艇首部位，如同海豚皮在水下航行时能起到抑制某种边界层的作用，可有效减小航行阻力和降低流体噪声。

可以预见，随着科技的发展，未来潜艇将进一步朝着更加安静、物理特性更小、作战能力更强的方向发展，成为真正的水下无声杀手。

3 结语

从掌握的相关资料看，欧洲国家海军以作战使用为牵引，始终将隐蔽性作为设计潜艇的核心，采取针对性措施解决实际使用状态下的噪声问题，实现全系统、全工况振动噪声控制，法国新研制的梭鱼级核潜艇、“鲉鱼”级常规潜艇以及德国212、214级常规潜艇的声隐身性能均达到当今世界最高水平。同时，欧洲海军在技术研究上通过军民融合，众多专业公司的参与是其在声隐身方面保持技术优势的主要支撑。面向未来舰艇减振降噪需求，欧洲相关公司正开展新概念潜艇、新型安静型动力、动态隐身、主动与半主动控制、声学智能结构和新材料等技术研究。

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