核潛艇的＂銷聲匿跡”之術(shù)

王毅

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作為“殺手锏”武器，核潛艇在成為本國(guó)重要戰(zhàn)略威懾手段的同時(shí) ，也成為他國(guó)時(shí)刻警惕并極力搜捕的目標(biāo) 。一般來(lái)說(shuō) ，核潛艇在航行過(guò)程中所產(chǎn)生的可視光信號(hào)、電磁信號(hào)、紅外信號(hào)以及噪音都可能被他國(guó)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn) ，但是海水對(duì)電磁信號(hào)、紅外信號(hào)和可見(jiàn)光信號(hào)具有較強(qiáng)的阻隔作用，只有聲音能夠在水中遠(yuǎn)距離傳播。因此，對(duì)于他國(guó)核潛艇聲紋信息的采集與偵測(cè) ，就成為各國(guó)水下較量的主要方式之一。
核潛艇航行時(shí) ，由螺旋槳、主機(jī)減速齒輪箱以及核反應(yīng)堆主循環(huán)泵等機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的噪音，是其主要的噪音來(lái)源。由于海洋背景噪音的存在，核潛艇無(wú)須做到絕對(duì)的靜音，只需將噪音控制在與海洋背景噪音相當(dāng)?shù)乃?nbsp;，就可基本實(shí)現(xiàn)“銷聲匿跡”的效果。目前，世界各國(guó)在核潛艇降噪方面，主要采用的措施有以下5種。1、泵噴推進(jìn)系統(tǒng)
核潛艇依靠尾部螺旋槳高速轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的推動(dòng)力航行。螺旋槳葉片在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量空泡，這些空泡破裂時(shí)產(chǎn)生的聲音是核潛艇的主要噪音來(lái)源之一。每艘核潛艇的螺旋槳噪音是有差別的，因而螺旋槳噪音就成為其聲紋的主要標(biāo)志，甚至僅通過(guò)螺旋槳噪音就可辨別出核潛艇的型號(hào)或編號(hào) 。因此，通過(guò)改進(jìn)推進(jìn)器來(lái)降低螺旋槳噪音，成為核潛艇實(shí)現(xiàn)隱匿的必要途徑。
在泵噴推進(jìn)系統(tǒng)出現(xiàn)之前，螺旋槳降噪措施主要集中在采用高阻尼合金材料和非對(duì)稱的大傾斜葉片，其中最典型的數(shù)美軍“鱘魚(yú)”級(jí)和部分“洛杉磯”級(jí)核潛艇所采用的7葉大側(cè)斜螺旋槳。但該推進(jìn)器雖然可以達(dá)到一定的降噪效果，其降噪潛力已發(fā)揮到極致，無(wú)法進(jìn)一步滿足核潛艇的降噪需求。
20世紀(jì)80年代，英國(guó)海軍率先使用先進(jìn)的泵噴推進(jìn)系統(tǒng) 。該系統(tǒng)借鑒了魚(yú)雷尾部的泵噴推進(jìn)器，通過(guò)在傳統(tǒng)螺旋槳外部增加漸擴(kuò)式導(dǎo)管，以減慢水流的流速，進(jìn)而達(dá)到減少空泡產(chǎn)生的效果。目前，主要國(guó)家的核潛艇均采用了泵噴推進(jìn)系統(tǒng) ，如美國(guó)的部分“洛杉磯”級(jí)、“海狼”級(jí)以及最先進(jìn)的“弗吉尼亞”級(jí)攻擊核潛艇，俄羅斯的“北風(fēng)之神”級(jí)戰(zhàn)略核潛艇，法國(guó)的“梭魚(yú)”級(jí)攻擊核潛艇，等等。

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“弗吉尼亞”級(jí)泵噴推進(jìn)系統(tǒng)
上述泵噴推進(jìn)系統(tǒng)均為在傳統(tǒng)螺旋槳基礎(chǔ)上改造的有軸泵推進(jìn) ，而我國(guó)馬偉明院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)出的世界上第一款無(wú)軸泵噴推進(jìn)系統(tǒng) ，則使我國(guó)在這一領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位。2、全電力推進(jìn)系統(tǒng)
核潛艇內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大量子系統(tǒng)通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，這就不可避免會(huì)產(chǎn)生各種機(jī)械噪音，特別是推進(jìn)系統(tǒng)中的齒輪箱噪音。
早在20世紀(jì)60年代，美國(guó)海軍曾嘗試使用電力推進(jìn)代替機(jī)械推進(jìn) ，以徹底消除齒輪箱噪音。“格萊納德·利普斯科姆”號(hào)攻擊型核潛艇承擔(dān)了電推進(jìn)系統(tǒng)的試驗(yàn)任務(wù) 。試驗(yàn)結(jié)果表明，電推進(jìn)系統(tǒng)雖然成功消除了齒輪箱噪音，但為了容納龐大的電推裝置， “格萊納德·利普斯科姆”號(hào)在長(zhǎng)度上比同級(jí)機(jī)械推進(jìn)的“鱘魚(yú)”級(jí)核潛艇增加了12米，排水量增加了1800噸，且航速偏低。這顯然不能滿足核潛艇的實(shí)際作戰(zhàn)需求。
隨著電推技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)海軍于2004 年再次提出了針對(duì)下一代攻擊型核潛艇的全電力推進(jìn)計(jì)劃。與“格萊納德·利普斯科姆”號(hào)進(jìn)行的電推系統(tǒng)試驗(yàn)不同，美國(guó)海軍的新電推計(jì)劃不僅涵蓋了動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng) ，而且包括了操舵等其他系統(tǒng)的電氣化。采用全電力推進(jìn)的核潛艇將淘汰齒輪箱以及推進(jìn)軸等傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu) ，在有效消除噪音的同時(shí)節(jié)省了艇尾空間。目前，美國(guó)海軍已在其最新的“弗吉尼亞”級(jí)戰(zhàn)略核潛艇上采用綜合電力推進(jìn)系統(tǒng) 。

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3、自然循環(huán)壓水反應(yīng)堆
一般來(lái)說(shuō) ，核潛艇的噪音大于常規(guī)動(dòng)力潛艇，這是因?yàn)楹藵撏核磻?yīng)堆中的主循環(huán)泵會(huì)產(chǎn)生較大的噪音。核潛艇反應(yīng)堆裂變反應(yīng)所釋放的熱量并不能被直接用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)工作，而是需要通過(guò)媒介將熱量傳導(dǎo)至蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)工作，而主循環(huán)泵的作用就是使冷卻劑循環(huán)流動(dòng) ，不斷將反應(yīng)堆中的熱量傳導(dǎo)出去。因此，傳統(tǒng)壓水反應(yīng)堆的主循環(huán)泵不能輕易關(guān)閉，這導(dǎo)致核潛艇在中低速航行時(shí)仍舊會(huì)產(chǎn)生大量噪音，增加了被他國(guó)聲吶發(fā)現(xiàn)的可能。
為降低主循環(huán)泵的噪音影響，自然循環(huán)壓水反應(yīng)堆應(yīng)運(yùn)而生。該類反應(yīng)堆僅靠冷卻劑在回路中的溫度差異所產(chǎn)生的密度差就可實(shí)現(xiàn)自然循環(huán) ，這樣的自然循環(huán)效率雖然不如主循環(huán)泵啟用時(shí)的強(qiáng)制循環(huán) ，但也足夠滿足核潛艇在中低速航行時(shí)的循環(huán)需求，大大減少了核潛艇的噪音。
1959年，美國(guó)開(kāi)始研制S5G型自然循環(huán)壓水反應(yīng)堆，其后又成功研制出了S6G型和S9G型自然循環(huán)壓水反應(yīng)堆，分別應(yīng)用于“洛杉磯”級(jí)和“弗吉尼亞”級(jí)攻擊核潛艇。其中， S9G型自然循環(huán)壓水反應(yīng)堆在“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇上表現(xiàn)出了良好的降噪效果。4、浮筏減振裝置
在航行過(guò)程中，核潛艇的各類機(jī)械設(shè)備除了自身運(yùn)行產(chǎn)生噪音外，還會(huì)引起設(shè)備與潛艇殼體間的振動(dòng)碰撞，其所造成的噪音同樣是不可忽視的。當(dāng)前，各國(guó)解決設(shè)備振動(dòng)噪音的主流方法是采用浮筏減振裝置。20世紀(jì)60年代，英國(guó)海軍在設(shè)計(jì)掃雷艇時(shí)首次采用隔振浮筏裝置，有效減少了掃雷艇噪音引爆聲控水雷的風(fēng)險(xiǎn) 。這一裝置隨后被應(yīng)用于英美海軍的核潛艇。
經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，整體雙層浮筏減振裝置技術(shù)已經(jīng)趨于成熟并得到廣泛應(yīng)用。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō) ，該裝置是將多個(gè)設(shè)備通過(guò)隔振器安裝在同一個(gè)浮筏平臺(tái)上，浮筏平臺(tái)同樣通過(guò)隔振器固定在橡膠減振基座上。以鋼制彈性體、空氣彈簧為主的隔振器以及橡膠底座，可有效減輕設(shè)備振動(dòng)幅度，進(jìn)而起到降低噪音的效果。而雙層結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)二次減振的效果。此外，為了達(dá)到更好的減振效果，部分核潛艇在設(shè)計(jì)時(shí)采取整個(gè)甲板模塊筏式安裝的方式，將指揮室和住艙連同汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、傳動(dòng)齒輪箱組等設(shè)備全部固定于浮筏減振裝置上。
據(jù)測(cè)算，整體雙層浮筏減振裝置可將核潛艇噪音降低40分貝左右，如此良好的降噪效果得到了各國(guó)海軍的青睞。目前，美國(guó)的“弗吉尼亞”級(jí)、法國(guó)的“凱旋”級(jí)、英國(guó)的“機(jī)敏”級(jí)以及俄羅斯的“亞森”級(jí)核潛艇均采用了整體浮筏減振裝置。

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美軍“俄亥俄”級(jí)核潛艇采用自然循環(huán)壓水反應(yīng)堆提高隱身能力

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2018年“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇消聲瓦脫落
5、消聲瓦
核潛艇要想實(shí)現(xiàn)“銷聲匿跡” ，除了針對(duì)特定噪音源采取降噪措施外，同時(shí)也要防范來(lái)自他國(guó)聲吶的探測(cè)聲波。而在潛艇內(nèi)部和外殼鋪設(shè)消聲瓦，可以達(dá)到減少艇內(nèi)噪音輻射以及吸收聲吶探測(cè)聲波的雙重效果。
事實(shí)上，消聲瓦只是潛艇吸聲材料的統(tǒng)稱，各國(guó)潛艇所用消聲瓦的材質(zhì)和使用方法不盡相同。最早的消聲瓦誕生于二戰(zhàn)后期的德國(guó) ，為4毫米厚的高分子聚異丁烯均聚物，上面布滿了直徑為2毫米和4毫米的圓柱形孔洞。英國(guó)在20世紀(jì)70年代研制出聚氨酯消聲瓦，后美國(guó)將聚氨酯消聲瓦進(jìn)一步改良為聚氨酯和玻璃纖維合成材料。俄羅斯的消聲瓦則采用以丁苯橡膠和陶瓷為主的材料。這些消聲瓦不僅吸聲性能良好，而且還具備較強(qiáng)的隔聲性能和抑振性能，大大提高了核潛艇的隱藏能力。
但是，消聲瓦也存在諸多缺陷，特別是消聲瓦的粘貼工藝是一個(gè)困擾各國(guó)海軍的難題。海水的高鹽高濕環(huán)境以及海水阻力會(huì)將消聲瓦從潛艇上剝離。若消聲瓦出現(xiàn)松動(dòng) ，海水會(huì)在縫隙處形成湍流，反而加大了潛艇航行時(shí)的噪聲。即便是美國(guó)先進(jìn)的“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇也在2018年被爆出消聲瓦大面積脫落的事件。為此，各國(guó)開(kāi)始研發(fā)新型吸波涂層，以代替工藝復(fù)雜的消聲瓦。據(jù)悉，俄羅斯海軍將在其新型的“萊卡”級(jí)核潛艇上大量采用新型吸波涂層，而美國(guó)海軍也在積極研制類似油漆的“超疏水”涂層，可吸收91%的傳入聲波。
【核潛艇的＂銷聲匿跡”之術(shù)】在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi) ，核潛艇仍將是各國(guó)的支柱性戰(zhàn)略力量。圍繞核潛艇的軍備競(jìng)賽必將持續(xù)下去，而作為核潛艇生存的重要保障，降噪技術(shù)也將不斷推陳出新，并深刻影響核潛艇的發(fā)展方向。