通常来说,潜艇的降噪分为两部分,一部分是降低自身的噪音。采取的措施包括采用低噪声的发动机和传动装置。还有就是减震浮筏技术,这项技术的核心是动力系统不再与潜艇壳体刚性连接,而是安装在一个橡胶制成的减震基座上。同时动力舱内部敷设吸音材料。其它措施还包括采用低速多叶大倾角螺旋桨、或泵推等低噪音推进装置。
另一部分则是削弱敌方主动声呐的探测效果。长久以来,各国潜艇都绞尽脑汁使用各种方式来降低噪音特征,以躲避敌方的被动声呐搜索。但是这些手段都无法躲避主动声呐。
因为主动声呐是通过主动发射声波(像战斗机打开火控雷达一样),通过测量目标反弹回来的声波信号来定位潜艇的位置,自然可以基本无视潜艇现有的各种降噪手段。
而且主动声呐精度都非常高,能够满足发动攻击的需要,因此打开主动声呐通常也就意味着接下来很有可能就是发动攻击了。目前最主要的应对方法是在潜艇表面敷设消声瓦(类似于五代机的隐身涂层)。消声瓦由橡胶或合成聚合物制成,主要通过材料的“粘性内摩擦作用”和“弹性弛豫过程”来消耗对方声呐发出的声波,从而达到削弱敌方主动声呐探测距离的效果。
消声瓦的消声效果与声波的波长成反比,和频率的高低成正比。简单来说就是消声瓦只能有效抵消波长比自己厚度短且频率高的声波,反之效果则很差。消声瓦的厚度通常在7厘米左右,而现代化主动声呐不仅频率越来越低,波长更是超过1米,因此传统消声瓦对现代化主动声呐的消声效果大打折扣。
很显然,在潜艇与声呐的这一轮对抗中,潜艇暂时处于下风,遇到了巨大的危机。
不过,这个危机却给了我们弯道超车的机遇。目前,我们已经推出两项领先行业的潜艇用黑科技,可以有效对抗主动声呐。
第一项黑科技就是将五代机的隐身外观设计理念用到潜艇上。五代机通过精心设计气动外形,机身表面都设计成倾斜的表面,从而让雷达波不被原路反射回去,进而获得出色的雷达隐身能力。
而我们将五代机的外观设计用到了039C型常规潜艇上。为其精心设计了“多斜角围壳”。
该款围壳的作用原理和五代机的隐身外观设计是一样的,即将大部分的声波反射到其它方向(而不是原理反射),这样一来,由于没有足够的声波返回,敌方主动声呐的探测距离被削弱。此外,这种“不均衡”的信号反射将极大增加敌方声呐识别的复杂度。也就是说,敌方声呐即使捕捉到了我方潜艇,被打乱的声波信号也只能告诉“发现了什么东西”,而不能“识别是什么”,从而导致敌方误判或延迟判断。
美国潜艇专家H·I·萨顿认为,039C的“多斜角围壳”能有效削弱中频声呐的反射信号,而绝大部分主动声呐都属于中频声呐。因此039C成为当前隐身能力最为出色的潜艇之一。
第二项黑科技则是能反向抵消声波的主动发声瓦。据外媒的报道,北京理工大学王文杰团队研制出能够帮助潜艇完美躲避敌方主动声呐的“主动发声瓦”。据王文杰团队介绍,“主动发声瓦”能智能分析敌方主动声纳的频率,并产生相反的声波对其进行抵消,从而使对方声呐操作员将潜艇误认为是海水。
相关论文显示,“主动发声瓦”可以产生147分贝的低频噪音,足以轻松覆盖美军及其盟友几乎所有型号的主动声呐。从技术上讲,“主动发声瓦”与“主动降噪”技术非常像,后者被广泛应用在飞机和高档轿车(红旗HS5上就有)上,通过产生/发出相同幅度但相位相反的声音来抵消噪音,从而为乘客创造安静的环境。
PS:原理虽然相同,但是用在潜艇上的技术难度要高很多。
王文杰团队所研制的这套“主动发声瓦”无疑将是我国在潜艇隐身领域的弯道超车的代表。根据公开资料,“主动发声瓦”的技术来源是19世纪英国物理学家焦耳所发现的“磁致伸现象”。焦耳发现铁磁性材料在磁场中磁化时,材料在磁化方向会伸长或缩短,当通过线圈的电流变化或者是改变与磁体的距离时其尺寸也会立刻发生显著的变化。这就是“磁致伸现象”,业界一般用磁致伸缩系数“λ”来表示,单位一般用“ppm”。
进一步的研究表明,磁致伸缩材料在磁场作用下可发生位移而做功,或在交变磁场作用下发生反复伸张与缩短,从而产生振动或声波。简单来说这种材料可以将电磁能转换成机械能或声能,相反也可以将机械能或声能转换成电磁能,很显然是一种非常重要的能量与信息转换功能材料。
不过传统磁致伸缩材料的“磁致伸缩应变”太弱,例如镍基合金、铁基合金和铁氧体等的磁致伸缩系数只有20~80ppm,简单来说就是形变非常小,因此应用领域很窄。后来科学家又发现了“电致伸缩材料”,也就是我们熟知的压电陶瓷材料,其电致伸缩系数达到了200~400ppm(电和磁之间可以转换),才得到广泛应用。
压电陶瓷材料近年来,人们在稀土合金中发现了存在“磁致伸缩应变”比传统磁致伸缩材料高数十倍,比压电陶瓷高数倍的合金材料。这种材料的能量转换效率可达49%~56%,而压电陶瓷在23%~52%之间,传统的磁致伸缩材料仅9%左右。此外,这种材料的能量密度非常高,是镍基合金的400~800倍,压电陶瓷的10~38倍。人们将这种具有超强“磁致伸缩应变比”的材料称为“稀土超磁致伸缩材料”。
“超磁致伸缩材料”除了能量转换效率高和能量密度大的优势外,还具备响应速度高、可靠性好、驱动方式简单等诸多优点。被广泛应用于航空航天、国防军工、电子、机械、石油等诸多领域。
超磁致伸缩材料目光敏锐的美国率先将“超磁致伸缩材料”应用在了军事领域。美国海军位于依阿华州阿姆斯实验室在1970年代研制出了名为“Terfenol-D合金”的超磁致伸缩材料,这是第一个能够将磁力转化为机械能并引起肉眼可见的形状变化的“超磁致伸缩材料”。Terfenol-D合金被美国海军广泛应用在主动声纳的重要驱动部件上。然而,由于“超磁致伸缩材料”需要用到大量昂贵且重的稀土元素,例如Terfenol-D合金就用到了“铽和镝”,而这两种稀土元素的储量和加工技术均来自中国(其实绝大部分稀土元素都如此),因此超磁致伸缩材料在美国海军的使用受到了限制。
很显然,中国显然没有这方面的限制,因此催生了“主动发声瓦”。“主动发声瓦”目前面临的最大挑战在于如何把所有零部件装进普通消声瓦大小的盒子里,同时还要维持高功率输出。此外,研究人员还在改善“主动发声瓦”的工程设计,一方面是便于在军港快速安装“主动发声瓦”,另一方面也是让潜艇艇员能够在外执行任务时能够自行快速更换和维修。
相比拥有数十年甚至上百年潜艇研发经验的西方国家和俄罗斯,我们在潜艇领域的技术底蕴和积累无疑是非常薄弱的。如果我们继续跟在他们后边研究传统的降噪措施,不仅每弥补一小段差距就需要花费大量的金钱和更为宝贵的时间,而且很有可能面临永远跟不上的危险。
这个时候,立足于自己的优势选择弯道超车,使用新技术对潜艇进行降噪隐身,就成为我们最佳的选择。事实上,我国弯道超车的成功案例已经不少,民用领域的电动汽车和高铁,军用领域的高超音速武器和电磁弹射器等都是我国成功弯道超车的典型代表。而上面提到的两项黑科技正是我们在潜艇领域对西方国家和俄罗斯弯道超车的最新力证。最后期待“主动发声瓦”能够早日应用在我国的潜艇上。