浅析 泵喷推进器 潜艇综合声纳系统
发布: 2011-4-19 00:09 | 来源: 查看原文 | 查看: 157次 回复(0) 刷新泵喷推进器-泵喷推进器
上世纪80年代，英国在“特拉法尔加”(Trafalgar)级攻击型核潜艇上率先装备了一种新型的泵喷推进器(PumpJetThruster)。这种推进方式可以有效降低潜艇的辐射噪声，因而倍受世界各海军强国的关注。随后，英国在“前卫”(Vanguard)级以及“机敏”(Astute)级核潜艇上，法国在“凯旋”(LeTriomphant)级核潜艇上，美国在“海狼”(Seawolf)级、“弗吉尼亚”(Virginia)级核潜艇上，纷纷采用泵喷推进器取代已被广泛应用的七叶大侧斜螺旋桨。据不完全统计，至今世界上以泵喷推进器作为推进方式的核动力潜艇已达几十艘之多。
采用泵喷推进的潜艇与采用大侧斜螺旋桨推进的潜艇相比，最大的优点是可以大幅度降低潜艇推进器的辐射噪声、提高潜艇的低噪声航速。以美国“海狼”级攻击型核潜艇为例，该艇水下最高航速30节以上(有报道可达35节)，水下30米时的低噪声航速大于20节，辐射噪声接近于海洋环境噪声，被美国官方称为当今世界上最安静、最快的潜艇。
泵喷推进器-核潜艇采用泵喷推进器的缘由
核潜艇通常分为战略导弹核潜艇和攻击型核潜艇。前者以弹道导弹为主要武器，用于打击陆上战略目标，是国家战略核力量的主要组成部分；后者以鱼雷和战术导弹为主要武器，用于攻击水面舰船、潜艇和地面重要目标，是实施海洋控制不可缺少的作战兵力。核潜艇具有强大的攻击力和独特的隐蔽性、机动性，能够远离基地长期潜航，具备与海军编队其他兵力协同作战，执行多种战斗任务的能力，因此一直是国际上各海军强国激烈竞争的焦点。但核潜艇一旦暴露行踪就会失去固有优势，容易被敌跟踪、打击，生存能力大大降低。随着声探测技术的迅速发展，如何降低辐射噪声、减少被敌方声呐发现的几率，已成为核潜艇技术的重点研究课题。
推进器噪声是核潜艇的主要噪声源之一，且暴露在艇体外，很容易向水中辐射噪声；在低航速时，推进器的低频线谱噪声的频率低、强度大，且能辐射到很远的海区：在中、高航速时，旋转噪声随航速而增强，逐渐超过低频线谱成为潜艇的主要噪声；一旦推进器的桨叶产生空泡，则噪声将大大增强，推进器噪声成为潜艇的主要噪声。因此，降低核潜艇的噪声必须先降低推进器的噪声。
另外，为了充分发挥核潜艇的作战效能，攻击型核潜艇逐步向高航速、安静型方向发展，新一代安静型攻击型核潜艇的水下最高航速超过30节，低噪声航速达到20节。这就给推进器的设计提出了新的课题：如果仍旧采用传统的单个七叶大侧斜螺旋桨推进，则由于螺旋桨的负荷过大，桨叶将提前出现空化，使核潜艇的低噪声航速下降：如果为了推迟空泡的产生，必须加大螺旋桨的桨叶面积，则导致螺旋桨的效率下降、噪声增大。
为了替新一代核潜艇寻找合适的低噪声推进方式，美、英、法、俄等国家花费大量的人力、财力，开展了广泛、深入的研究和试验，最终形成了两种不同的解决途径：一种是以俄罗斯为代表，采用2套七叶大侧斜螺旋桨推进的方式，将总的螺旋桨负荷一分为二，如“库尔斯克”号核潜艇上就采用了这种推进方式：另一种就是全新的泵喷推进器方式，欧美国家新近建造的核动力攻击型潜艇均采用这种推进方式。应用结果表明，核潜艇采用泵喷推进器比采用七叶大侧斜螺旋桨具有更好的声隐身性能。
泵喷推进器-潜艇泵喷推进器的构造及特性
潜艇泵喷推进器是由环状导管、定子和转子构成的组合式推进装置。环状导管的剖面为机翼型，罩住转子和定子，它是泵喷推进器内外流场的控制面。如采用具有吸声和减振的材料制造，则可以屏蔽转子及内流道产生的噪声。为了推迟转子叶片的空化、降低转子的噪声，通常采用能降低转子人流速度的减速型导管；定子为一组与来流成一定角度的固定叶片，使转子人流产生预旋或吸收转子尾流的旋转能量，同时用于固定导管；转子为类似于螺旋桨的旋转叶轮，通过与水流的相互作用产生推力，推动潜艇达到要求的航速。
泵喷推进器可根据转子和定子的前后位置分为两类：定子布置在转子的前面称为“前置定子式”，定子布置在转子的后面则称为“后置定子式”。“前置定子式”泵喷推进器的定子可以使潜艇尾部流入转子的水流产生预旋，起到均匀来流的作用、改善转子的进流条件，从而提高潜艇的推进效率、降低推进装置的噪声；但转子的推进效率稍低。“后置定子式”泵喷推进器由于定子可以回收转子尾流中的部分旋转能量，转子的推进效率相对较高：但噪声稍高。潜艇上大多采用“前置定子式”泵喷推进器，而鱼雷上则采用“后置定子式”泵喷推进器。
泵喷推进器-与采用七叶大侧斜螺旋桨相比，核潜艇采用泵喷推进器具有以下特性：
(1)推进效率高。泵喷推进器的定子(无论前置或后置)可以减少推进器尾流中的旋转能量损失，增加有效的推进能量：泵喷推进器的导管(无论是减速导管还是加速导管)可以减少转子叶稍滑流损失、增加有效推力，从而提高泵喷推进潜艇的推进效率。泵喷推进器与艇体匹配良好的泵喷推进潜艇，其推进效率可达到0．8～0．85。
(2)辐射噪声低。泵喷推进器的辐射噪声低是由于：①泵喷推进器的转子在导管内部，导管可起到屏蔽和吸声的作用，另外，位于前方的定子可以使转子进流场更均匀，从而减少转子的脉动力，降低推进器的线谱辐射噪声，②泵喷推进器旋转叶轮(转子)的直径一般小于螺旋桨，在相同转速下，泵喷推进器桨叶的旋转线速度较低，可以降低推进器的旋转噪声。国内外研究和应用的结果表明：低航速下，泵喷推进器的低频线谱噪声比七叶大侧斜螺旋桨小15分贝以上，宽带谱声级总噪声下降10分贝以上：高航速下，泵喷推进器的降噪效果更为明显。
(3)临界航速高。潜艇的临界航速是指潜艇在一定潜深下推进器不产生空泡的航速。泵喷推进器采用减速导管和前置定子，使转子叶片处的进流场速度相对较低且更均匀，从而有效推迟了叶片梢涡空泡和桨叶空泡的产生，提高了潜艇的低噪声航速。
(4)构造复杂、重量大。泵喷推进器是一种组合式推进器，构型和结构比螺旋桨要复杂得多：而且对于导管、定子和转子以及艇体之间的相互配合要求很高，给泵喷推进器的设计、制造和安装带来一定困难。泵喷推进器的重量是普通螺旋桨的2～3倍，对艇体的配平、艇体尾部的结构强度和推进器轴系的振动等带来较大影响。
泵喷推进器-泵喷推进器的未来发展
随着声探测技术的飞速进步，在未来海战中，核潜艇的声隐身性能将是决定战斗胜负的关键，努力降低核潜艇的噪声必将成为潜艇研究的主要课题，而推进器是核潜艇的一个主要噪声源，低噪声推进器的研究和应用势在必行。因此，具有低噪声优势的泵喷推进器，将成为未来几十年核潜艇推进器的一个重要发展方向。
经过长期研究，泵喷推进器已成功应用于新一代核潜艇，而且其发展方兴未艾，主要的发展方向是：
(1)完善泵喷推进器的设计技术。潜艇泵喷推进器的导管、定子和转子之间存在复杂的相互作用，另外，泵喷推进器工作在潜艇艇体的尾部，推进器和艇体之间又存在复杂的相互作用。导管、定子和转子的设计及相互间的最佳配合、艇体线型的设计以及与泵喷推进器的最佳配合，将直接影响泵喷推进器的水动力性能、空泡性能和噪声性能。为了使泵喷推进器在核潜艇上得到广泛应用并取得显著的降噪、增效效果，需要-发展和完善基于水动力学和水声学的交叉学科，以及能优化艇体和泵喷推进器综合性能的潜艇泵喷推进器设计方法。
(2)应用新材料和先进制造技术。结构复杂、重量大、制造费用高是泵喷推进器的最大缺陷，据说俄罗斯核潜艇上没有采用泵喷推进器就是由于这个原因。因此，采用耐腐蚀、重量轻、有减振和降噪效果的复合材料、智能材料，也是泵喷推进器的重点研究方向。英国海军新一代“机敏”级核潜艇上装备的泵喷装置，由于采用了精密铸造技术铸造的镍铝青铜铸件、导管采用了新型复合材料，耐腐蚀寿命从原来的2年增加到25年、重量减少了11吨，而且大大改善了抗冲击性能。
(3)采用大功率、低轴转速的动力装置。泵喷推进器的旋转噪声与转速的4次方成正比，因此降低转速可以使旋转叶片的线速度下降，叶片产生的涡流强度减弱，从而降低作为推进器主要声源之一的涡流噪声，同时提高推进器的推进效率。美国采用七叶大侧斜螺旋桨推进的“洛杉矶”和“俄亥俄”级潜艇的推进器转速为150转／分，而采用泵喷推进器推进的“海狼”级潜艇的推进器转速在130转／分左右。
[中文名称]潜艇综合声纳系统技术
[英文名称]integratedsonarsystemtechnologyforsubmarine
[定义] 潜艇，尤其是核动力潜艇具有长期的水下隐蔽执行任务的特点，在现代海战中起着越来越重要的作用。要充分发挥潜艇装备的现代化武器的远程打击能力，在增大任务成功概率的同时减小本艇的风险，就必须尽可能早地、快速准确地获得作战态势和与敌有关的各种数据。当潜艇在水下一定深度活动，而且不允许使用潜望镜时，声纳是其唯一有效的获得外部信息的传感器，潜艇综合声纳系统可将多部声纳的信息进行综合处理、显示和控制，以更好地完成探测、定位、跟踪、识别等功能，它通常由被动测距基阵、艇首阵、侦察水听器阵、探雷阵、通信阵、舷侧线列阵、拖曳线列阵、本艇噪声监测水听器、通用信号处理机、通用多功能显控台等组成。未来的潜艇作战系统是全综合、分布式的作战系统，它对综合声纳系统的配置提出了新的要求。
潜艇综合声纳系统技术是指各国海军为提高潜艇使用的各种声纳的性能，以及更好地对多种声纳进行优化配置而开发和应用的各种技术的总和。
[国外概况]一、潜艇声纳的使命、现状和发展趋势
潜艇声纳的使命就是确保潜艇武器威力的充分发挥。潜艇作战使命的不同，作战水域的不同，决定了潜艇装备的综合声纳系统的组成、功能也各不相同。
潜艇有核动力潜艇和常规动力潜艇两大类。常规动力潜艇的作战区域是近海水域，最远也只能是中海水域。其战斗使命是攻击来犯的敌常规潜艇和水面舰艇，不适合于远洋作战，因此配备的声纳设备的性能远不如核动力潜艇声纳。其中具有代表性的和性能较好的常规潜艇综合声纳系统有荷兰的SIASS型综合声纳系统。该系统具有功能齐全、性能良好、分布式微计算机系统结构、数字处理、操作自动化、工作可靠性高等特点，由主动式定位声纳、远程被动探测声纳、中程被动探测声纳、被动式测距声纳、目标识别声纳、侦察声纳、本艇环境噪声监测器等组成。
核动力潜艇又分为攻击型核潜艇和战略导弹核潜艇两类。攻击型核潜艇的战斗使命是完成舰艇编队的中层反潜防御或为战略导弹核潜艇护航，保证己方不受敌方潜艇的攻击。因而攻击型核潜艇上装备的综合声纳系统不仅性能高，而且功能全、数量多。攻击型核潜艇上装备的最先进的综合声纳系统是美国的AN/BQQ-5综合声纳，它由以下声纳组成：AN/BQS-13DNA型主动声纳、RAPLOC被动式快速定位声纳、AN/BQR-20型被动式探测声纳、拖曳线列阵被动声纳、AN/WQC-5型通信声纳、目标识别声纳、AN/WLR-9型侦察声纳等七部主要功能声纳。此外，美国海军的攻击型核潜艇上通常还装备有不属于AN/BQQ-5的本艇噪声测定分析仪、测深导航声纳和声纳对抗干扰设备等辅助功用声纳。攻击型核潜艇上装备的声纳型号还有英国的2076型综合声纳系统，它使用了艇艏阵、舷侧阵和拖曳线列阵等声纳；法国的TSM2233型综合声纳，它使用了艇艏阵、舷侧阵（TSM2253）、拖曳线列阵、被动测距阵、主动声纳阵、侦察阵、规避阵和本艇噪声监测阵等。
战略导弹核潜艇的战斗使命是用战略导弹攻击陆上目标，依靠攻击型核潜艇的护航来保证免遭敌潜艇攻击，本身不承担反潜作战任务，故配备的声纳在性能和数量上均低于攻击型核潜艇。目前战略导弹核潜艇上装备的最先进的声纳系统是美国的AN/BQQ-6，它是由AN/BQQ-5改装设计而成的多站综合声纳系统。该系统保留了AN/BQQ-5声纳系统配置的73%，只是重新设计了计算机软件系统，改装设计了主动声纳、减掉了专用被动式舷侧阵声纳。
1、继续发展拖曳阵等声纳技术，尤其是在深海向提高远程作用能力和低噪声检测能力方向发展，以满足战略形势变化的需要。
2、在声纳传感器技术发展的同时，注重提高潜艇综合声纳系统的综合化程度，应用系统工程原理，优化配置各种潜艇用声纳设备，提高整个系统的性能，实现多目标、多传感器的信息相关和融合。
3、潜艇综合作战系统向全综合、分布式方向发展，实现声纳传感器、战术数据处理和武器控制的全综合。潜艇综合声纳系统将更加有机地融合到潜艇综合作战系统之中，广泛应用与其他系统相同的技术及显示画面，简化维修和训练，减少备件，降低成本并便于系统的扩展和升级。
二、潜艇综合声纳系统的配置原则
为在复杂的多目标情况，以及突然出现危险等情况下，最大限度地减小本艇风险，发挥现代化武器的威力，提高作战任务成功的概率，潜艇综合声纳系统必须能快速准确地获得战术态势及与敌人有关的目标数据。为此，高度综合的潜艇声纳系统配置应符合以下原则：
1、多部声纳传感器优化配置。满足系统承担多种使命任务的要求；
2、系统必须是基于软件的系统，除必须的少量人工干预和决策外，所有功能应实现软件控制，在系统级由软件执行所有任务；
3、信息采用分布式处；
4、将所有潜艇声纳的功能进行综合，实现多台声纳的信息融合，以及信息管理的自动化；
5、系统内各显示操作人-机界面与指控系统具有相同的特点，简化操作人员的培训；
6、固定的负载分布，减少整个系统突然发生故障的可能性；
7、采用软、硬件的模块化设计，使潜艇综合声纳系统易于进行现代化改进；
8、重要环节的数据信息实行分布式冗余存储；
9、采用高速冗余数据传输，满足系统数据交换和传输的高可靠性要求；
10、采用通用多功能显控台及通用信号处理机，实现系统标准化。采用标准化的相同的PC板，减少系统中使用的不同PC板的数目，在整个系统中采用相同技术，减少艇载备；。
11、操作过程中进行不间断的错误检测和定位（在线测试），出现故障自动转换为降功能模式或采用冗余数据。
三、潜艇综合声纳系统的组成和结构特点
潜艇综合声纳系统大致可分为四部分，第一部分为声纳传感器基阵，如艏部接收基阵、被动测距基阵、舷侧线列阵、拖曳线列阵、高频侦察水听器阵、主动圆柱阵、通信声纳基阵、噪声监测水听器阵、探雷和避碰基阵等。潜艇综合声纳基阵的配置具有全频域、全方位、性能互补、层次配置和局部重叠等特征；第二部分为基阵处理机，承担信号条件选择和波束形成；第三部分为信号处理机，由多部高性能的通用信号处理机组成，完成远红外滤波、快速傅立叶转换和复矢量运算等；第四部分是通用多功能显控台，进行数据处理和系统综合显示和控制，并实现与外系统的接口。
由于潜艇水下作战对综合声纳系统的完善性、可靠性、战斗力和生存力的严格要求，综合声纳系统乃至整个潜艇作战系统中的关键部位应采用冗余结构，以便发生故障时具备容错工作能力，确保系统连续正常工作，并在任何情况下都能够确保武器控制的正常运行及本艇生存安全。
现代潜艇综合声纳系统普遍采用了多种传感器、通用信号处理机及通用多功能显控台，应用了先进的计算机技术，同时高速多路局域网技术的发展也为提高潜艇综合声纳系统的综合化程度及结构冗余度提供了条件。
四、潜艇综合声纳系统的关键技术
潜艇综合声纳系统的关键技术有声纳通用信号处理机及通用多功能显控台技术、系统多路传输局域网络技术、综合信息处理技术、综合声纳系统传感器布阵技术、综合声纳系统数据融合技术、综合声纳信息显示技术等。上一篇 战机美国飞机美军战斗机 下一篇 [转载]设想解放军模拟击沉两艘航母群作战预案
