拖曳线列阵声呐

拖曳线列阵声呐与人民海军潜艇水声装备类题注：本文是发表于《舰船知识》2010年第8期，《中国潜艇与拖线阵声呐》的原稿。刊发稿因专辑组稿需要，有较大的删改，原稿的内容更宽泛些。本文前一部分介绍了拖线阵声呐的性能特点、优缺利弊及解决部分固有弊端的技术途径。后一部分则从人民海军潜艇的作战需求出发，分析了拖线阵对人民海军潜艇的重要意义。笔者水平有限，谬错难免，大家批判的看。很多军迷朋友分不清传统的拖曳变深声呐与拖线阵声呐的区别，实际上两者在外形和工作原理上都有本质差异。上图即为收置于贮存滚架上的拖曳线列阵声呐。下图则为传统的拖曳变深声呐型号为DE1160，该声呐既有壳体声呐型号也有拖曳变深型号，该声呐也装备于我国的052型112、113舰。拖曳线列阵声呐（以下简称拖线阵）是拖曳声呐中的一种，但与传统的拖曳变深声呐相比，两者在基阵阵型和工作性能上都存在较大差异。传统的拖曳变深声呐，是将声呐基阵安置到一个透声导流罩内（拖体），并用拖缆拖曳于舰艇尾部，以实现声呐的拖曳变深与离舰（艇）工作。但基阵阵型与壳体声呐的区别并不大，只是基阵布置位置发生了根本的改变。而拖线阵声呐是将一定间隔的水听器，以线列阵型式布置到具有中性浮力的透声保护导管内，在基阵阵型上和传统拖曳变深声呐有本质区别。拖线阵的声学段前后还分别有仪表段、数字段、隔振段、稳定尾绳和拖缆等，结构上和传统的拖曳变深声呐也存在很大差异。拖线阵声呐相比壳体声呐和传统拖曳变深声呐，在探测性能上有着显著的优势，具体概括大致有以下几方面：声阵配置不受舰体布置条件限制，声阵孔径大、工作频率低、探测距离远。在水中低频声波的传播衰减小传播距离远，声呐要提高探测距离和探测性能，增大声阵孔径降低工作频率是最直接的方法。但壳体声呐与传统的拖曳变深声呐，受到基阵布置空间的限制，声阵孔径难以进一步增大，工作频率无法进一步降低，声呐的探测距离和探测性能要进一步提升，已非常困难。而拖线阵的声换能器以线列阵型式布置，并拖曳于舰体外，不受舰体和拖体布置空间的制约，水听器数量多声阵长度长声阵孔径大，可接受低频乃至甚低频声波，探测距离远远大于传统的壳体声呐和拖曳变深声呐。以美国的潜用战术拖线阵为例，TB-29的声阵长达634m（13×48.8m）拥有416路通道，最新的TB-29A的声阵段更长达825m，而战略型拖线阵如装备于胜利级无暇号上的SURTASS，声阵段更长达2614米，最远搜索范围可达惊人的1500海里。潜艇在装备拖线阵后，能获得更远的探测距离和更大的水下警戒范围。对于作战潜艇扩大控制区域，并获得先敌发现先敌攻击的战术优势，具有显著的作用。左侧为一种典型的潜用拖线阵收放系统，右侧为工程人员在弗吉尼亚级核潜艇上测试拖线阵系统，黑色线缆为TB-16的拖缆。声阵离体布置工作环境好、声阵可变深水文环境适应性强。壳体声呐的声换能器布置在舰艇本体上，易受本体机械震动和壳体辐射噪声的干扰而降低探测性能。拖线阵通过较长的拖缆拖曳于舰艇较远处，加上通过布置隔阵段等措施，舰艇本体的机械震动噪音与推进器噪音对其影响小，声呐工作环境好，能显著改善接收信噪比，提高声呐的检测能力。一般认为舰艇自噪音降低20分贝，被动声呐工作距离可增加一倍，拖线阵因为离舰布置，在改善工作环境提高探测性能上具备先天优势。壳体声呐固定布置，工作面与舰艇处于同一水文环境，易受单一水文条件的制约。而拖线阵具备变深功能，声阵可通过控制机构布放于更适合声呐工作的深度，选择有利水文环境来提高声呐的探测能力。舰艇还可通过改变拖线阵的布置深度，来探测利用温跃层、盐跃层等不同声速剖面进行隐蔽的潜艇。此外，利用拖线阵湿端可升降的特点，还可测出海区不同深度的声速分布和声传播规律，为载体特别是潜艇提供更好的声场预报服务。这对于艇上指挥人员充分利用周边有利水文环境，选择本艇最佳航行深度，进一步提高潜艇的隐蔽性都非常有利。可弥补壳体声呐盲区，与壳体声呐配合可实现全景探测。光有壳体声呐的水面舰船往往存在较大的探测盲区，潜艇可以布置舷侧阵声呐，探测盲区要比水面舰船小。但舷侧阵声呐在潜艇尾部推进器方向依旧存在较大的监听盲区，敌方潜艇可利用这一漏洞，对我方潜艇进行隐蔽跟踪和有效攻击，严重削弱我方潜艇的生存力。拖线阵一般只在舰艇首部20度扇角内存在监听盲区，与壳体声呐配合可以形成舰艇的全景探测，大大提高舰艇的实时警戒能力。这对于一些艇体庞大机动性较差的弹道导弹核潜艇，改善自我防卫水平意义重大。对于攻击型潜艇提高与敌潜艇互相攻防的作战性能，亦有重要作用。目前拖线阵声呐存在的一些缺陷当然，世界上的事物不可能是完美无缺的，目前拖线阵也存在着一些固有的弊端。比如拖线阵的声学段是柔性的，所以在水下拖曳时，易受舰艇机动与洋流的影响，出现阵型畸变后探测性能下降，甚至无法工作的状态。又比如拖线阵的垂直孔径过小，没有垂直增益，难以获取目标深度信息。还有，传统的单线拖线阵是由无指向性声压水听器构成的直线阵，在以线阵为轴的同一转角圆锥面上，对入射信号的响应是完全一致的。这造成拖线阵在舰艇尾部一定角度内，存在方向辨别模糊的问题，即通常所说的目标左右舷辨别模糊。另外，拖线阵的探测距离虽远但探测精度相对较低，虽能满足潜艇远距发现、远程警戒的需要，但要进一步提高目标方位的精度，尚需技术革新。左侧为L-3公司开发的LFATS主动拖线阵，在主动发射基站阵还后拖曳了4条被动线阵，右侧是英宇航和法国汤姆森公司采用了三元水听器组技术的拖线阵。解决拖线阵固有缺陷的相关途径拖线阵的固有缺陷，可以通过一些技术手段，或者新技术途径解决。如阵型畸变问题，它带来的是对舰艇和潜艇机动性的制约，因为舰艇机动后线列阵要恢复理想的直线形态需要一定的时间。但只要舰艇战术规划合理，可以在一定程度上减轻这一弊端带来的不利影响。如选择舰艇没有近迫威胁时布放，舰艇做大机动动作的可能性小，就能满足拖线阵的工作条件。对于洋流造成的线列阵偏航弯曲，舰艇也可以通过改变布放深度来克服。潜艇因为本身就是个可变深水下航行体，所以完全可以选择洋流速度小，工作环境好的深度进行布放。在技术处理上也可利用拖线阵接受的平面波信号进行阵型测量和畸变补偿；在阵内通过布放多个航向传感器，按各部位航向变化拟合出阵型进行阵型畸变补偿；或者在阵内布置声测系统测量阵型，进行阵型畸变的补偿等等。这些都是有可能通过技术手段，来解决拖曳线列阵特别是细长线阵阵型畸变的方法。对于辨别左右舷目标模糊，目前也有一些针对方案，最简单的就是用本舰机动来解决。当拖线阵跟踪上目标后，舰艇可以向左右舷方向转弯一定角度，根据机动后目标舷角的变化趋势，来判断目标是在左舷还是右舷。国外也用三元水听器组和双线阵，来解决拖曳线阵左右舷辨别模糊的问题，如法国的信天翁鱼雷报警系统、CAPTAS系统、挪威的ATAS就采用了三元水听器组的基阵配置。而美国的AN/UQQ2SURTASS双线型、DCN的SLASM系统、LFTASS德国方案则用双线阵解决这一问题。国外还在研究用多线阵，来解决拖线阵对目标测深的难题。与只有一维声孔径的单线阵相比，多线阵可提供二维直至三维的声孔径，实现对目标的三维定位，并且能获得较高的目标方位精度。美国L-3公司的LFATS被动接受阵列就达到了4条，Martin公司开发的SSATA则在拖体后面水平并拖9条线阵。当然对于潜艇，多线阵因为线列阵数量多，且部分多线阵需要结合主动拖线阵技术（在被动线列阵外再增加一个拖曳的主动发射阵），存在收放困难、布置空间不够、主动工况下对隐蔽性不利的问题，难以在近期运用到潜艇上。但是不可否认，随着技术水平的发展，也不能排除在将来的潜用拖线阵上，实现装备多线阵达到对目标高精度三维定位的可能性。至于拖线阵探测精度较低的问题，需要全面的看待。在现有技术条件下，利用低频大孔径声阵来提高远距探测能力，势必导致探测精度随探测距离的增加而降低。这是现有声呐技术水平决定的，壳体声呐也存在相同困难。同时要看到拖线阵的探测精度虽还不够理想，但还是有效的扩大了舰艇的探测范围，提高了舰艇的控制区域和警戒能力。而随着一些新技术的采用，如三元水听器、矢量水听器、全光纤技术、多线阵技术，未来拖线阵的探测精度和综合探测性能，都有巨大的提升空间，这些都是不容忽视的。装备在美国洛杉矶级、海狼级、弗吉尼亚级上的OA—9070型细线阵收放系统装备拖线阵是潜艇提高水声探测水平的发展趋势，人民海军潜艇要提高水下探测能力，必须加大拖线阵的装备研发力度。拖线阵在现阶段的一些技术缺陷，必定会在作战中带来一些不利后效。但从上面的论述中可以看出，这些缺陷可以通过一些技术途径和战术运用得到部分解决。因而，水面舰船与潜艇装备拖线阵利远大于弊。尤其在提高探测距离、应对不利水文环境、搜索处于不同声速剖面的水下目标、弥补探测盲区上，与传统的壳体声呐相比，拥有显著的优势和良好的发展前景。自上世纪六十年代以来，俄罗斯和西方发达国家为提高潜艇的水声探测能力，装备了型号繁多种类各异的拖线阵。如美国陆续在长尾鲨、鲟鱼、洛杉矶、海狼、弗吉尼亚级上，安装了TB-16、TB-23、TB-29等型号。英国在快速、特拉法尔加、机敏、前卫级上，安装了2046、2076等型号。俄罗斯在鳐-KC、鳐—3声纳系统中配置了拖线阵，法国、日本、德国、荷兰、瑞典、澳大利亚也都在潜艇上装备了先进的拖线阵。可见通过装备拖线阵来提高潜艇的水下探测能力，早已成为世界发展趋势。我人民海军潜艇要进一步提高水声探测水平，缩小与发达国家先进潜艇，在水声探测能力上的较大差距，也必然要符合这一主要发展趋势。否则，只会进一步加剧我人民海军潜艇在水声探测能力上的劣势，并严重制约人民海军潜艇在未来战场上的水下对抗能力。随着美国战略重心向亚太地区的转移，美大量先进的安静型核潜艇对我国的威胁将日趋增大，图为SSN-23海狼级吉米.卡特号攻击核潜艇。拖线阵是应对安静型潜艇威胁的重要技术途径，人民海军潜艇要应对周边安静型潜艇的挑战，必须装备先进的拖线阵声呐。现代水面舰船和潜艇随着降噪技术的改进，整体噪音水平一直处于快速下降中。尤其是现代安静型潜艇，通过减震浮阀、七叶大侧斜螺旋桨、泵喷推进器、复合消声瓦、自然循环反应堆以及汽轮机—推进电机等多种措施，在降低自噪音提高隐蔽性上取得了显著的成果。有数据表明在近30到40年内，潜艇的辐射噪声每年下降0.5DB至1DB，被检测的距离每年下降0.5至2KM。在噪声频谱上1KHZ频率的谱级，已可达到105DB甚至低于100DB的水平。而装备了消声瓦的潜艇，自身目标强度在数千赫以上频率更是大大下降。传统的壳体声呐虽然可以通过采用新型换能器材料如压电薄膜、光纤水听器等，提高一定的探测性能。但受到布置条件的制约，要进一步增大声阵孔径降低工作频率已越来越困难。举个例子，即使目前较为先进的潜艇舷侧线列阵声呐，因为艇体布置阵列的空间只能达到几十米，所以工作频率最低也只能降到1KHZ左右。显然，工作频率较高的壳体声呐已日渐难以应对现代安静型潜艇的挑战。拖线阵因为工作频率低、探测距离远，探测安静型目标仍具备技术优势和良好的发展前景。现在的一些潜用战术拖线阵，最低工作频率可达10HZ左右，最大探测距离也可达180公里。现代安静型潜艇虽然通过诸多静音手段，有效削弱数KHZ频率上的连续谱和部分离散线谱的强度。但受到当前减震降噪技术的限制，在较低频段上的潜艇自噪音（比如低频窄带线谱）还是很难得到削弱。工作频率低的拖线阵，可以在较远距离上，检测并跟踪现代安静型潜艇。而且，窄带低频线谱还具有个体性，即每艘潜艇的低频线谱存在差异，利用这一特性拖线阵对安静型潜艇进行远距探测和识别，也是一个重要的技术发展方向，这将为潜反潜作战带来巨大的作战优势。我国周边充斥着世界上最先进的安静型潜艇，图为韩国以214型技术生产的孙元一级。另外，目前采用橡胶材料制作的传统消声瓦，工作临界值较高往往在1KHZ至2KHZ间。一些新型材料消声瓦如聚氨酯等，工作临界值虽可以大大降低，能达到500HZ至200HZ间，但也仍高细长线阵的最低工作频率。对于消声瓦而言，对低于工作临界值的噪声，消声瓦的衰减性能会急剧下降，甚至失去衰减能力。