国外水声对抗器材发展现状与启示——潜用器材

唐 波, 孟 荻, 范文涛

国外水声对抗器材发展现状与启示——潜用器材

唐 波, 孟 荻, 范文涛

(中国人民解放军92578部队, 北京, 100161)

文章介绍了国外潜用水声对抗器材的发展现状, 研究了其尺寸、质量、机动速度、工作深度以及声学性能等主要性能指标的发展脉络, 提出了国外潜用水声器材对我国同类装备的启示: 1) 小型化趋势, 逐步缩小水声对抗器材尺寸, 减轻质量; 2) 持续提高机动能力、扩展新型功能; 3) 尽快适应舷外快速发射的使用方式; 4) 及时调整更大深度、更长时间工作的发展重点。相关研究成果值得我国潜用水声对抗器材发展借鉴。

水声对抗器材; 潜艇; 小型化; 机动速度; 舷外发射

0 引言

潜艇水声对抗系统主要由威胁目标报警、对抗决策、发射控制以及水声对抗器材4类装备组成[1-2], 是潜艇水下自防御能力形成的核心关键。其中, 水声对抗器材作为对抗实施的主体, 面对先进鱼雷及探测声呐的智能化水平和综合性能的不断提升, 其对抗效能不断被削弱[3-7]。因此, 世界各国海军长期致力于提升水声对抗器材的性能, 在提高指标的同时持续丰富其功能, 以提升潜艇水下生存能力。经过多年系列化、体系化的发展, 水声对抗器材的功能定位从最初的平台自防御器材已发展为鱼雷对抗、声呐对抗以及战役支援对抗装备。

为满足反鱼雷、反探测等多种水下防御作战任务需求, 世界各国均在按照符合自身装备特点的路线持续发展潜用水声对抗器材。文章通过分析国外潜用水声对抗器材的发展现状, 研究其尺寸、质量、机动速度、工作深度、声学性能等主要性能的发展脉络, 取长补短, 为我国潜用水声对抗器材的发展提供参考。

1 国外潜用水声对抗器材现状

水声对抗器材作为防御性装备, 涉密层级高, 受各国严密控制, 信息报道相对简单, 以下从有限的公开资料中进行分析。

潜用水声对抗器材主要分为噪声干扰器和声诱饵2类, 噪声干扰器发射全频带强噪声以掩盖潜艇辐射噪声和回波信号, 第一时间切断敌方与本艇的声学接触, 以悬浮式为主; 声诱饵发射模拟辐射噪声的同时应答主动脉冲信号, 制造虚假目标, 诱骗敌方偏离本艇机动方向, 由悬浮式逐步向自航式发展, 2类器材组合运用, 可有效掩护本艇规避[8-9]。水声对抗器材一般由潜艇水声对抗专用发射装置发射, 有舷外、舷内通用的, 如美国ADC MK5声诱饵、以色列Subscut声诱饵, 也有舷内专用的ADC MK2声诱饵, 以及舷外专用的ADC MK3、ADC MK4声诱饵。

国外潜用水声对抗器材主要型号及指标如表1所示。

表1 国外潜用水声对抗器材主要型号及指标

美国装备的潜用水声对抗器材主要有ADC MK2系列、MK3系列和MK4系列声诱饵。其中, ADC MK2为悬浮式声诱饵, 其口径为76.2 mm, 长度为1003.3 mm, 通过舷内装置发射。由于配装平台不同, 该型号又分为多种系列, 使声诱饵的适装性有了一定的改进, 如ADC MK2 mod0/1配置“俄亥俄”级战略导弹核潜艇, ADC MK2 mod2配置“弗吉尼亚”级攻击核潜艇, ADC MK2 mod4配置“洛杉矶”级攻击核潜艇。ADC MK3、MK4同样为悬浮式声诱饵, 口径均为158.75 mm, 长度分别为2692.4 mm和2743 mm, 可通过CSA MK2舷外发射装置快速发射出管到达预设深度悬浮, 发射模拟辐射噪声并应答主动脉冲信号, 分别对鱼雷声自导和平台声呐进行诱骗。美国海军海上司令部于2000年发布了ADC MK5声诱饵(见图1)的竞争性招标书, 正式启动下一代水声对抗器材的研制工作, 据称其口径为76.2 mm、长度为1003.3 mm, 可实现8 kn以上的高速水平机动, 在舷内单管单枚发射使用以替代ADC MK2声诱饵, 在舷外单管多枚成组发射使用以替代ADC MK3和MK4声诱饵(声源级相当), 既可悬浮作为干扰器发射强噪声实施压制, 又可机动作为声诱饵模拟潜艇声学和运动特征实施诱骗, 凭借全双工水声通信技术多枚组网, 对于来袭目标实施协同对抗, 可提升潜艇水下防御能力, 同时, 美军正在将CSA MK2舷外发射装置发射升级为CSA MK3发射装置, 以促进ADC MK5声诱饵的上艇应用[10-12]。

图1 ADC MK5声诱饵示意图

以色列装备的潜用水声对抗器材主要包括Scutter、Subscut和Torbuster悬浮式声诱饵[13-14]。其中, Scutter声诱饵的口径为101 mm, 长度为 1020 mm, 工作频段为17～85 kHz, 声源级超过180 dB, 最大工作深度300 m, 工作时间10 min, 潜艇一次需使用5枚声诱饵来诱骗鱼雷才可实现有效防御。Subscut声诱饵(见图2)是在保留Scutter声诱饵所有性能的前提下, 将口径缩小至75 mm, 适装性更强, 在相同空间尺寸下可装载更多数量的声诱饵, 以提升多批次对抗能力。但面对新一代具备反对抗能力的智能鱼雷, 若单纯使用软对抗手段, 会使潜艇仍存在被鱼雷二次攻击的威胁, 因此, 以色列海军于2007年与拉斐尔公司签订合同开始全面发展具有“硬杀伤”功能的第4代水声对抗器材Torbuster声诱饵(见图3), 其口径为203 mm, 长度为1000 mm, 战斗部质量50 kg, 最大工作深度370 m, 在近距离条件下可通过引爆自身战斗部产生的冲击压使鱼雷声自导发生混乱或损坏, 以彻底消除鱼雷威胁, 目前该型声诱饵已装备以色列的“海豚”级常规潜艇, 通过气动式舷外发射装置发射, 单艇配置数量达到10枚。

图2 Subscut声诱饵实物图

图3 Torbuster声诱饵实物图

意大利装备的潜用水声对抗器材主要有C303和C303/S系列[15-16]。其中, C303系列包括悬浮式噪声干扰器和声诱饵(见图4), 尺寸均为口径76.2 mm, 长度为1125 mm, 前者发射鱼雷声自导全频带强噪声, 掩盖潜艇辐射噪声和回波信号, 后者实时应答鱼雷寻的信号, 并在回波中应用了多普勒频移和与之相符的距离变化率信息, 以模拟运动目标, 通过安装在潜艇耐压壳体之外的气动式舷外发射装置发射, 每舷均配置一定数量的发射管模块, 总共可防御6批次鱼雷攻击。C303/S系列 (见图5)主要是对C303声诱饵进行了改进优化, 口径由76.2 mm扩大至125 mm, 长度为1 250 mm, 由悬浮式声诱饵升级为自航式, 更为逼真地模拟目标运动特征, 通过多枚诱饵在空间上的分散接力诱骗来袭鱼雷跟踪和识别, 消耗鱼雷航程, 目前该器材已装备德国U209、U212和U214潜艇。

图4 C303悬浮式声诱饵实物图

图5 C303/S自航式声诱饵实物图

法国装备的潜用水声对抗器材主要为CANTO- S声诱饵(见图6)[17], 其口径为150 mm, 长度为600 mm, 工作时间10 min, 反应时间小于5 s。与常规声诱饵的诱骗思路不同(见图7), 该型声诱饵发射出管后悬浮定深, 通过在360°区域范围内持续更新虚假回波, 制造上百个短暂目标, 且每个回波的持续时间足以可靠地让鱼雷认为是潜在目标, 使得鱼雷声自导的信号处理饱和, 在上百个虚假回波中逐一抵近确认而最终耗尽航程, 因此, 每次对抗需齐射使用的对抗器材数量少, 发射系统相对紧凑, 可轻松配置于潜艇。CANTO-S声诱饵目前已装备法国“红宝石”、“紫水晶”级攻击核潜艇以及德国出口希腊的214型潜艇。

图6 CANTO-S声诱饵实物图

图7 CANTO-S声诱饵诱骗思路

另外, 超级电子海洋系统公司于2017年在国际市场公开了Defend悬浮式声诱饵和Deceptor自航式声诱饵(见图8)[18-19], 其口径均为100 mm, 长度均为1000 mm, 工作时间10 min, 远超过大部分轻型反潜鱼雷工作时间, 可在鱼雷反复攻击的任意期间提供掩护。其中, Defend声诱饵质量为7.3 kg, 垂直机动速度超过1 m/s, 出管后在预定深度悬浮, 诱骗鱼雷变深跟踪, 使鱼雷从预期目标的上方或下方通过; Deceptor声诱饵质量为60 kg, 航速为6～8 kn, 可诱骗鱼雷远离本艇, 由于在浅海环境下潜艇不具备在深度上实施诱骗的条件, 该型诱饵的地位极为重要。虽然上述2型诱饵的订购方并未公开, 但其400 m的最大发射深度和25 kn的最大适应发射艇速, 表现出其极强的平台适应性。

图8 Defend和Deceptor声诱饵实物图

由表1可知, 国外潜用水声对抗器材既有悬浮式又有自航式, 但逐步向悬浮式声干扰器和自航式声诱饵2个方向发展, 在保证对抗性能的前提下, 口径缩小至76.2～125 mm, 工作频段可覆盖鱼雷声自导频段, 最高航速超过8 kn, 工作时间10 min, 最大工作深度400 m, 与大部分装配平台的工作深度相匹配, 并逐步扩展硬毁伤、水声通信和态势感知等新功能, 全方位、多角度提升水声对抗器材综合性能。

2 国外潜用水声对抗器材主要性能分析

潜用水声对抗器材的主要作战对象是反潜鱼雷及平台声呐, 需满足现在及未来防御作战的需求。随着技术的进步, 国外先进鱼雷广泛应用减振降噪技术并从使用角度控制整个作战环节的噪声, 进一步降低潜艇对其发现距离; 随着“人在回路”的线导导引、宽带声自导、多目标处理以及目标尺度识别等技术的应用, 鱼雷的反对抗能力显著提升; 在此基础上, 鱼雷航程也在不断提高, 支撑鱼雷突破软对抗手段后, 可实施二次攻击; 同时, 平台声呐也逐渐向低频、大功率发射方向发展, 实现对潜艇的远距离探测[20-24]。因此, 水声对抗器材必须提升自身综合性能, 以适应作战对象的快速发展。

由于水声对抗器材公开发布的信息极为有限, 很难全面获取准确的性能参数, 因此, 主要从尺寸、质量、机动速度、工作深度和声学性能等四项参数较为齐全的指标进行分析, 研究国外潜用水声对抗器材的发展脉络。

2.1 尺寸和质量

水声对抗器材的声学和机动等性能指标的实现都需要一定的尺寸与质量资源支撑, 合理布置换能器、电池组、推进电机和螺旋桨等核心器件,器材的指标越高、功能越复杂, 占用的空间也就越大。然而, 潜艇的空间通常极其有限, 在保证水声对抗器材对抗性能不降低的前提下, 尺寸和质量越小, 上艇的代价就越小, 可装载的数量才能越多。例如, ADC MK5声诱饵应用单晶换能器技术, 相比压电陶瓷换能器的转换效率和谐振频率更高, 可在更小尺寸、质量和供能的条件下实现ADC MK3/4声诱饵的功能, 并支撑高速机动、水声通信以及硬杀伤等新功能的应用, 因口径由158.75 mm缩小至76.2 mm, 长度由2 743 mm缩短至1 003.3 mm, 质量由60 kg减轻至5.5 kg, 使得舷外发射装置可从单管装载1枚ADC MK3/4声诱饵增加至6枚ADC MK5声诱饵, 无论是单器材性能还是对抗批次数量都得到显著提升。因此, 缩小尺寸、减轻质量将是水声对抗器材长期的努力方向。

2.2 机动速度

潜用水声对抗器材的机动能力主要体现在垂直和水平2个方向, 是声诱饵实施诱骗的核心指标之一, 分别由悬浮式和自航式2类声诱饵来实现。通常情况下, 机动速度越高, 对目标的牵制时间就越长, 对电池组和推进电机的输出功率要求也会相应提高。对于悬浮式声诱饵, 机动能力主要表现在垂直机动速度的变化, 垂直机动速度越高, 在相同的时间内与本艇拉开的深度差就越大, 如Defend声诱饵的垂直机动速度超过1 m/s, 可诱骗鱼雷变深跟踪, 延迟鱼雷到达本艇所处深度的时间, 在潜艇可进行大深度规避的深海条件下使用较为有效, 可使鱼雷从预期目标的上方或下方通过; 对于自航式声诱饵, 机动能力主要体现在水平机动速度的变化, 水平机动速度越高, 鱼雷追击声诱饵消耗的时间就越长, 如Deceptor声诱饵的水平机动速度超过8 kn, 在潜艇只能处于当前深度附近规避的浅海条件下使用尤为有效, 可诱骗鱼雷偏离本艇规避方向, 使得本艇走出鱼雷自导作用距离。因此, 提高水声对抗器材机动速度是提升诱骗效能的有效手段。

2.3 工作深度

水声对抗器材的最大工作深度通常应与对抗对象的最大作战深度相匹配。由于声呐对目标的定深能力较弱, 特别是在远距离探测的情况下, 所以主要从对抗鱼雷的角度进行分析。纵观国外鱼雷, 目前作战深度最大的是欧洲的MU90鱼雷和美国的MK48 mod7鱼雷(最大作战深度分别为1000 m和914 m), 新型重型鱼雷和轻型鱼雷的最大潜深均不超过600 m, 如意大利“黑鲨”重型鱼雷最大作战深度为600 m、德国DM2A4重型鱼雷最大作战深度为400 m、俄罗斯MTT轻型鱼雷最大作战深度为600 m、美国MK54轻型鱼雷最大作战深度为450 m, 然而, 水声对抗器材的最大工作深度却都在400 m以浅, 主要原因在于当鱼雷发现并跟踪目标潜艇时, 均会调整航深至目标所处深度, 水声对抗器材通常在当前发射深度或更浅深度下实施对抗, 其最大工作深度与装备平台最大潜射匹配即可满足使用需求, 因此, 国外均未将提高新型水声对抗器材的最大工作深度作为发展重点。

2.4 声学性能

声学性能是水声对抗器材发挥作用的基础, 也是各国严密控制的重要参数, 主要包括工作频段、声源级以及声学工作方式等, 具体掌握的量值较为有限。声干扰器以悬浮式为主要形态, 如C303声干扰器, 其工作频段覆盖鱼雷声自导, 以发射宽频带强噪声为主要工作方式, 以掩盖潜艇辐射噪声和回波信号, 然而随着鱼雷减振降噪技术的发展与应用, 鱼雷的航行噪声不断降低, 将大幅压缩潜艇的鱼雷报警距离, 雷目距离越近, 鱼雷接收到的潜艇回波信号就越强, 导致在近距离条件下声干扰器对潜艇回波的掩盖效果下降明显, 但鲜有新增其他工作方式来应对此现状的相关报道; 声诱饵起初以悬浮式为主要形态, 与声干扰器一体化设计, 工作频段覆盖鱼雷声自导, 在模拟潜艇辐射噪声的同时进行回波应答, 并通过多普勒频移以及与之相符的距离变化率信息来模拟潜艇运动特征, 随着鱼雷反对抗能力的增强, 该工作方式在远距离条件下被识别的概率增大, 大幅缩短了对来袭鱼雷的牵制时间, 因而逐步向自航式形态发展, 如C303/S声诱饵, 通过声诱饵自身实际航行来模拟潜艇运动特征, 且通过尾部拖带一定长度的线缆获取更大的收发隔离度, 实现实收实发, 以应对鱼雷欺骗脉冲和双雷攻击等对声诱饵回波延时能力要求较高的声学对抗场景。因此, 持续提升声学性能是水声对抗器材发展不变的主题。

3 国外潜用水声对抗器材发展的启示

当前乃至未来水下攻防作战中, 水声对抗器材都将是潜艇水下自防御的核心装备, 通过分析国外潜用水声对抗器材, 获得如下启示。

3.1 逐步缩小水声对抗器材尺寸、减轻质量

以美国潜用水声对抗器材的发展之路作为典型示例。美国“弗吉尼亚”级核潜艇目前主要通过2管可再装填的舷内发射装置发射76.2 mm口径的ADC MK2声诱饵, 14管不可再装填的舷外发射装置发射158.75 mm的ADC MK3和MK4声诱饵, 因器材装载量少, 对抗批次数量有限。但美国在近十多年来, 始终在推动小型大功率发射换能器、高能密度电池组以及小型高速航行器的发展, 实现了将水声对抗器材的口径统一缩小至76 mm, 即下一代水声对抗器材ADC MK5。据称, 美军近期正在将CSA MK2发射装置全面升级为CSA MK3,以推广ADC MK5上艇使用, 那么在相同的发射管口径条件下, CSA MK3发射装置单管最多可装载6枚ADC MK5, 即美潜艇舷外器材装载总数可达到84～96枚, 从而大幅提升了多批次对抗能力。

3.2 持续提高机动能力、扩展新型功能

水声对抗器材实施对抗的基本原理是在切断鱼雷与本艇声学接触的前提下, 诱骗鱼雷偏离本艇规避方向, 使得潜艇走出鱼雷的自导作用距离。本艇与鱼雷最终拉开的距离取决于潜艇和对抗器材两者机动距离的共同贡献, 因此, 在不断提升潜艇平台航速的同时, 提高水声对抗器材的机动速度可有效延长对鱼雷的牵制时间, 以最大限度拉开鱼雷与本艇间距, 降低潜艇被再次捕获的概率。如C303系列声诱饵的口径由C303的76.2 mm扩大至C303/S的125 mm, 支撑悬浮式升级为自航式, 以进一步拉开鱼雷与本艇的间距, 消耗鱼雷更多航程。

同时, 国外水声对抗器材也在不断扩展除声学对抗以外的其他性能, 以进一步提升整体对抗效能。如ADC MK5声诱饵增加了全双工水声通信功能, 在强干扰背景条件下实现器材之间的信息连通, 以支撑多枚器材的协同运用, 既可多枚组合为模拟目标尺度, 也可根据当前态势实时改变对抗策略, 大幅提升对抗器材使用的灵活性。另外, Torbuster声诱饵在声学诱骗的基础上增加战斗部以扩展硬杀伤功能, 50 kg的战斗部已达到轻型鱼雷的装药量, 主要通过爆炸产生的冲击波损坏鱼雷声自导以达到毁伤目的, 该毁伤作用半径通常在10 m左右量级, 但作为悬浮式、点源诱骗声诱饵, 如何实现将鱼雷诱骗至近距离条件下的研究缺乏详细报道, 这是毁伤达成的前提, 目前只有以色列公开报道装备了软硬结合的潜用水声对抗器材, 可利用单枚器材解决鱼雷二次攻击问题。

3.3 尽快适应舷外快速发射的使用方式

随着鱼雷减振降噪技术的不断提升, 潜艇对鱼雷的发现距离被压缩, 留给水声对抗系统的时间进一步缩短, 特别是对抗近距离入水的空投鱼雷, 因此, 国外潜艇均在发展可舷外快速发射使用的水声对抗器材, 确保在第一时间切断鱼雷与本艇的声学接触, 更早地为潜艇机动规避提供掩护扇面, 并最大限度诱骗鱼雷远离本艇。如美国ADC MK2由舷内专用发展为舷内、舷外通用的ADC MK5, 法国CANTO-S声诱饵通过舷外发射使用, 反应时间可快至5 s, 使对抗实施的时间起点大幅提前, 这是在平台鱼雷报警距离有限的条件下, 进一步提升对抗效能的有效方向。

3.4 及时调整更大深度、更长时间工作的发展重点

为保证在各型潜艇平台甚至水面舰艇上的适装性, 世界各国都在水声对抗发射装置严格的空间尺寸约束下开展水声对抗器材设计工作, 使得1型潜艇平台可装载多种类型、相同口径的对抗器材。国外大部分水声对抗器材的最大工作深度都在400 m以浅, 与装备平台最大潜深匹配, 最长工作时间都在10 min左右, 超过大部分反潜武器的工作时间。因此, 在总体性能满足作战需求的前提下, 各国均将水声对抗器材有限的空间、质量资源用于实现更优的声学性能、更快的机动速度以及更丰富的新型对抗功能。

4 结束语

在当前乃至未来很长一段时间里, 水面舰艇、潜艇以及航空反潜平台发射的鱼雷都将是潜艇面临的主要攻击威胁。水声对抗器材是潜艇实施鱼雷防御的主体, 其性能优劣对潜艇的水下安全至关重要。文中全面梳理了国外潜用水声对抗器材的发展现状, 重点分析了尺寸、质量、机动速度、工作深度和声学性能等主要性能指标的发展脉络, 给出了对我国潜用水声对抗器材在尺寸和质量、功能扩展、作战使用方式以及发展方向调整等方面的启示, 相关研究成果可对我国相关领域装备与技术发展提供借鉴。

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Current Situation and Enlightenment of Foreign Underwater Acoustic Countermeasure Equipment for Submarine

TANG Bo, MENG Di, FAN Wen-tao

(92578thUnit, The Chinese People’s Liberation Army, Beijing 100161, China)

In this paper, the current situation of foreign underwater acoustic countermeasure equipment for submarine was presented, and the development context of main public performance indexes, namely size, mass, maneuvering speed, operational depth of countermeasures, and acoustic performance, were studied.The enlightenment of foreign underwater acoustic countermeasure equipment for submarine to similar equipment development in China was presented, which includes 1) gradually reducing the size and weight of underwater acoustic countermeasure equipment; 2) continuously improving mobility and expanding new functions; 3) adapting to the use of outboard rapid launch quickly; and 4) timely adjusting the development focus of a greater depth and longer work.The relevant research can provide reference for the development of underwater acoustic countermeasure equipment for submarines in China.

underwater acoustic countermeasure equipment; submarine; miniaturization; maneuvering speed; outboard launch

唐波, 孟荻, 范文涛.国外水声对抗器材发展现状与启示——潜用器材[J].水下无人系统学报, 2022, 30(1): 15-22.

TJ67; TB565

R

2096-3920(2022)01-0015-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.002

2021-09-06;

2021-10-31.

唐 波(1991-), 男, 博士, 工程师, 主要研究方向为水声对抗.

(责任编辑: 陈 曦)