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能觀六路 可聽八方,潛艇水下“順風耳”——聲吶系統面面觀

2020-08-30  自由自在8...
深海是一個漆黑幽暗伸手不見五指的惡劣環境。很多動物在這里都不靠視力,而是用聲音辨別方向、捕食和溝通,如鯨魚、海豚等都是利用聲波的高手。
潛艇也一樣,水面航行時還能用潛望鏡、雷達了解周邊情況,一旦入水就再也無法用光學和雷達設備了。光波、電磁波在這里都不好用,最清澈的海水里光線也只能穿透幾十米,超長波能穿透一兩百米,再遠就無能為力了。
只有聲波是至今為止唯一有效的傳播介質,借助水聲通道最遠可傳到數千公里外。1944年美國莫里斯· 尤因博士做了個實驗,讓同事乘“巴克利”號驅逐艦遠航。每隔一段距離就向水中投一枚炸彈,結果驅逐艦跑了1500公里,尤因在基地仍能清晰聽到水中爆炸聲!
▲“巴克利”號驅逐艦DE-51
他推測深海中有一條神秘“水聲通道”,能讓聲波以極小能量損失在其中傳到千里之外,而事實也的確如此。所以利用聲波工作的聲吶,就當仁不讓的成為潛艇的水下“眼睛”和“耳朵”。
▲深海水聲通道
1912年4月,英國豪華郵輪“泰坦尼克”號首次遠航就不幸撞冰山沉沒,1517名乘客遇難,舉世震驚?;蛟S受此影響,一個多月后英國工程師劉易斯·尼克森向專利局申請了世界上第一種聲吶探測儀專利,用于探測海中冰山。
第一次世界大戰潛艇登上戰爭舞臺,人們對搜尋水下潛艇產生了迫切需求,聲吶也成了搜索潛艇和潛艇探測目標的最佳工具。
1920年英國研制出首臺112型艦載聲吶,1922年正式生產。當時聲吶和相關部門都屬絕密,代號“ASDIC”(Anti-Submarine Division反潛部門)。
▲1944年的ASDIC顯示單元
沒想到新版《牛津英語詞典》的編輯們也注意到這個新詞,特意寫信問海軍是啥意思?海軍哪敢直言,只能裝模作樣的編了一個聽上去很高大上的“反潛探測裝置調查委員會(Anti-Submarine Detection Information Committee )”搪塞。于是早期英國稱聲吶為ASDIC。
幾年后美國也研制出類似裝備,命名為“聲音導航與測距設備”(Sound Navigation And Ranging),簡稱“SONAR”。后來被廣泛接受成為聲吶的標準名稱。
聲吶有主動聲吶、被動聲吶。主動聲吶發射脈沖聲波,通過目標回波獲取信息,由發射陣、接收陣、信號處理機組成。被動聲吶只收不發,只傾聽目標噪聲,有完美隱蔽性。
早期潛艇上只有簡單的步距式或探照燈式主動聲吶,發射“砰砰”的單波束脈沖?,F代主動聲吶就復雜多了,波束也改成多種頻率和模式,還能多扇面同時收發。
聲吶兵也不再只依靠耳朵和經驗發現敵人,而是通過計算機處理信號輸出的聲吶瀑布圖上分析目標,耳朵監聽成了輔助。
▲被動聲吶瀑布圖,橫軸時間,縱軸方位
主動聲吶精度高,能準確計算目標方位、距離、速度、航向,為魚雷等武器裝訂參數。主動聲吶相對測距精度約1%~ 5%,被動聲吶只有5%-10%。
然而主動聲吶就像黑夜中打開手電筒,照亮目標同時也暴露了自己,所以潛艇很少使用。大部分時間還是靠被動聲吶感知周邊環境,遠程預警、監視和跟蹤目標。
現代潛艇裝備著多種聲吶,有7、8種甚至更多,涵蓋預警、攻擊、避碰、導航、通信等各個方面,可360度全向覆蓋。
▲多種潛艇聲吶分布
主要種類有:艇艏多功能聲吶、舷側陣聲吶、拖曳線列陣聲吶、探雷/避碰聲吶、偵察聲吶、海底導航聲吶、水下通信聲吶、水環境傳感器等。
這些聲吶共同配合,潛艇才能在水下自由航行。美蘇兩國長期在聲吶領域占據優勢,展開激烈競爭。英法德等國也各有特色,形成獨立一級。
一、艇艏主/被動多功能聲吶。
艇艏尺寸大、位置好,遠離動力系統和螺旋槳,環境最安靜,非常適合聲吶安裝。包括發射陣、接收陣和信號處理機等。發射陣、接收陣要分開安裝,以免互相干擾。
▲蘇聯維克托級潛艇的巨大艇艏空間
艇艏聲吶的聲學孔徑大,覆蓋頻率廣,垂直水平方向分辨率都很強。接收陣單獨工作是被動聲吶,與發射陣一起工作就變成主動聲吶。
接收陣一般有柱面陣、球面陣、共形陣三種。
美國潛艇喜歡球面陣,從1958年的AN/BQS-6就開始使用。早期是極其復雜的模擬波束成形,后改成數字計算機控制。
BQS-6A后來改稱AN/BQS-11,6B改稱AN/BQS-12。1965年升級到AN/BQS-13裝備到洛杉磯級核潛艇上。海狼級、弗吉尼亞級上是新型的AN/BQS-13DNA。
▲海狼級潛艇的球面陣,下為鼓形發射陣
海狼級的球面陣體積巨大,直徑達7米,發射陣在球面陣下方,探測距離和分辨率都很強,因此成為攻擊核潛艇中的最強者。
蘇聯潛艇偏愛柱面陣,同等尺寸下性能與球面陣差不多。只是垂直方向搜索時,柱面陣受形狀影響波束寬度會隨俯仰角加大,導致分辨率降低,而球面陣可以一直保持寬度不變,垂直分辨率更好。
蘇聯時期的維克托級(MTK300)、基洛877型(MTK400)、塞拉級、阿庫拉級(MTK540)等都是柱面陣。如今俄羅斯也開始改用球面陣,亞森級核潛艇上的“阿雅克斯”球面陣直徑超過6米,性能也很強。
▲柱面陣
柱面陣空間利用率相對好一些,魚雷發射管能從上下方伸出來。球面陣容易遮擋發射管位置,所以有些潛艇不得不將魚雷管后移,改從肩部斜向發射。
如今這兩種基陣正在被更先進的共形陣取代。第7-10艘弗吉尼亞級核潛艇已開始用諾·格公司的輕型寬孔徑共形陣(LWWAA)代替球面陣,俄羅斯拉達級常規潛艇也是如此。
▲弗吉尼亞級改造方案,上為寬孔徑共形陣
共形陣安裝在潛艇殼體表面,能增大孔徑尺寸提高性能,也不影響潛艇運動。它和柱面陣一樣也有垂直方向波束變寬的問題,但不影響它成為未來發展方向。
▲拉達級潛艇上巨大的共形陣
艇首聲吶頻率廣,覆蓋低中高頻,功能多性能強,是潛艇最重要的聲吶之一。但它有盲區,受艇身遮擋只能監聽前方一定角度,看不到兩側和后方,所以現代潛艇加裝了艇側被動聲吶。
▲看不到后方和兩側
二、舷側陣聲吶。
它屬于被動聲吶,位于艇身兩側。潛艇長達上百米,兩側又相對平整,為安裝大型聲吶陣列提供了良好空間,有些舷側陣長達60米。
它的水聽器可以做得更大,加大聲學孔徑提高空間增益,工作頻段也降低到500-2000HZ甚至更低,所以探測距離遠達40-50千米。
基陣有連續面陣、連續線陣、間斷面陣等類別。海狼級、弗吉尼亞級潛艇就是三元平面基陣,利用三個間斷子陣接收信號的時間差測算距離。德國212型潛艇是連續線陣,法國鈾魚級是舷側陣等。
▲弗吉尼亞級的三元平面基陣
▲德國212潛艇上的連續線陣
▲法國鲉魚級潛艇上連續面陣
蘇聯潛艇比較特殊,舷側陣多是大型共形陣,如阿庫拉級潛艇上的鯊魚腮共形陣就是如此。
▲阿庫拉級潛艇上的鯊魚腮共形陣
被動聲納既能測向也能測距,但測距距離短。實際應用中還是會經常用到傳統的目標運動分析法(TMA)。通過記錄一段時間內本艇與目標的運動方向,利用三角函數計算出目標距離。
▲目標運動分析TMA
舷側陣能監聽到兩側約120-160°范圍,但艇尾方向仍有盲區。為了偵測尾隨的敵人,70年代出現了拖曳線列陣聲吶。
三、拖曳線列陣聲吶。
它在一根長長的柔性管內放置很多水聽器,然后拖在艇尾形成長線列陣。因為遠離螺旋槳不受噪音干擾,尺寸又長達數百米,聲學孔徑大增頻率降低,所以探測距離遠達上百千米,可以探測安靜型潛艇。
▲柔性管內有很多水聽器
如美國主力裝備TB-16粗線陣,總長約800多米,工作頻率在3KHZ以下,最遠探測距離達180千米。此外,英國2046、法國DSUV-61/62等也都是世界一流的拖曳線列陣聲吶。
但線列陣體是一條長線,缺少垂直孔徑,所以無法分辨左右對稱目標,全都當成同一個目標處理,需要潛艇機動或兩條拖線陣來解決。
▲拖纜與聲吶陣列組成
美國財大氣粗,核潛艇上裝備TB-16和TB-29兩條拖線陣。TB-16是粗線陣,高航速時使用;TB-29是細線陣,探測距離更遠,只能在慢速下使用。
另外拖線陣都被設計成較小負浮力,若是靜止就會自然下沉,所以適合長時間連續行駛的核潛艇使用。常規潛艇常常坐底停車,其實不太適合,但為了增強性能很多國家也在常規潛艇上裝備。
▲TB-16拖曳聲吶裝在艇身側上部
▲蘇聯潛艇霸氣,直接裝在這里,曾被當成磁流體推進器
四、偵察聲吶。
主要監聽對方主動聲吶和聲自導魚雷的信號提供預警,是被動聲吶。通常裝在艇艏上方擴大偵察范圍,有時艇底也裝一部。未來將被性能日益強大的艇艏多功能聲吶取代。
▲英國2076綜合聲吶系統中的偵察聲吶
五、探雷/避碰聲吶。
潛艇在水下可不是一馬平川,狹窄航道中有礁石、沉船、水雷等各種障礙物,浮冰下更是處處危險,所以要用探雷/避碰聲吶探測。
▲海狼圍殼上的避碰聲吶
它是主動聲吶,工作頻率在幾十到幾百千赫之間,精度很高。因為頻聲高功率小,水中穿透距離只有幾百米,所以并不擔心被敵方發現。
六、海底導航聲吶。
有些潛艇底部有海底導航聲吶,通過探測海底地形與計算機里的數字海圖對比,便能確定潛艇位置,實現導航。和風漫談原創,禁止抄襲。
當然,前提必須要有一個非常精確的數字海底地形圖。所以美國音響測量船平時總到別人家門口晃悠,就是為了測量詳細海底地形,以備戰時之需。
▲音響測量船
七、水環境傳感器等。
主要測量潛艇所在水層的聲速梯度,尋找水聲通道和溫躍層,幫助潛艇隱蔽。躲在躍變層下,就算近在咫尺敵人也很難發現。
借助深海水聲通道還可以遠距離監聽。冷戰時期,美國海狼級核潛艇潛伏在北海水聲通道內,監聽上千公里外的蘇聯核潛艇進出港口聲音。
蘇聯潛艇的SOKS系統,能分析檢測海水環境信息,從微小的變化中發現敵人。
▲阿庫拉圍殼頂部的環境檢測裝置
八、水聲通信系統。
用聲吶在水下傳遞信息,實現潛潛、潛艦間通訊。當然水聲通信會發出信號,容易被偵聽,所以只能在環境絕對安全時使用。其通信距離近,信息傳遞能力差,但這已經是為數不多的信息傳遞方案了。
總之,現代潛艇上裝備各種先進聲吶,幫助潛艇暢游海底。未來高性能聲吶仍將不斷涌現,朝著低頻、大孔徑、共形陣、智能化、模塊化方向發展,讓潛艇更有戰斗力,成為最可怕的海底殺手。

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