现代核潜艇的安静化

现代核潜艇的安静化 在 当 前 以 水 声 为主 要 探 测 手 段 的 情 况 下 ， 影 响 核 潜 艇隐 蔽 性 的 最 主 要 因 素 是 核 潜 艇 本 身 的噪 声 水 平 。 核 潜 艇 的 噪 声 一 般 分 为 辐射 噪 声 和 自 噪 声 。 前 者 是 噪 声 源 的 外场 效 应 ， 是 敌 方 被 动 声 纳 探 测 核 潜 艇方 位 和 水 中 兵 器 跟 踪 起 爆 的 信 号 源 ；后 者 是 噪 声 源 的 一 种 内 部 效 应 ， 是 本艇 水 声 器 材 的 主 要 干 扰 源 ， 对 本 艇 声纳 的 正 常 工 作 和 探 测 距 离 有 很 大 的 影响 ， 并 影 响 艇 内 工 作 环 境 ， 不 利 艇 员的 身 心 健 康 。 因 此 ， 多 年 来 世 界 各 海军 大 国 都 不 遗 余 力 地 进 行 核 潜 艇 噪 声的 综 合 治 理 工 作 ， 力 求 在 核 潜 艇 的 安静 化 方 面 取 得 突 破 性 的 进 展 。 目 前 在 这 方 面 处于 领 先 地 位 的 美 国 ， 已 经 把 弹 道 导 弹核 潜 艇 的 噪 声 源 级 从 １ ９ ６ ０ 年 “ 乔治 ? 华 盛 顿 ” 级 （ Ｇ ｅ ｏ ｒ ｇ ｅ Ｗａ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｎ ） 的 １ ５ ６ 分 贝降 到 “ 俄 亥 俄 ” 级 （ Ｏ ｈ ｉ ｏ ） 的 ９５ 分 贝 ； 把 攻 击 型 核 潜 艇 的 噪 声 源 级从 ６ ０ 年 代 初 的 “ 鲣 鱼 ” 级 （ Ｓ ｋ ｉｐ ｊ ａ ｃ ｋ ） 的 １ ６ ０ 分 贝 降 到 １ ９８ ５ 年 “ 洛 杉 矶 ” 级 （ Ｌ ｏ ｓ Ａ ｎ ｇｅ ｌ ｅ ｓ ） 的 １ １ ８ 分 贝 ， 在 ２ ０ 年内 把 核 潜 艇 的 噪 声 降 低 了 约 ４ ０ 分 贝。 而 新 建 的 “ 海 狼 ” 级 （ Ｓ ｅ ａ Ｗ ｏｌ ｆ ） 攻 击 核 潜 艇 的 噪 声 源 级 又 进 一步 下 降 了 １ ５ 分 贝 ， 达 到 ９ ０ ～ １ ００ 分 贝 。 这 一 量 级 已 经 低 于 海 洋 背 景噪 声 ， 敌 方 的 声 纳 将 极 难 探 测 到 潜 艇。 前 苏 联 ６ ０ 年 代Ｈ 、 Ｅ 和 Ｎ 级 核 潜 艇 的 噪 声 为 １ ６ ０分 贝 左 右 ； １ ９ ７ ５ 年 ， Ｖ 、 Ｖ级 核 潜 艇 的 噪 声 降 到 １ ５ ０ 分 贝。 此 后 ， 前 苏 联 从 Ｖ 级 核 潜 艇 开始 ， 抓 紧 了 核 潜 艇 的 噪 声 治 理 工 作 ，率 先 在 非 耐 压 壳 体 外 面 敷 设 了 消 声 瓦， 使 该 艇 的 噪 声 降 到 １ ４ ０ 分 贝 以 下。 进 入 ８ ０ 年 代 以 后 ， 前 苏 联 潜 艇 降噪 技 术 有 了 突 破 性 的 进 展 ， 不 仅 掌 握了 美 、 英 等 国 的 “ 减 振 筏 座 ” 技 术 ，而 且 由 于 购 买 了 西 方 的 数 控 铣 床 ， 制造 了 低 噪 音 螺 旋 桨 ， 大 幅 度 降 低 了 核潜 艇 噪 声 。 到 １ ９ ８ ５ 年 左 右 ， 其 Ｓ、 Ｍ 级 攻 击 核 潜 艇 的 噪 声 已 降 到 了 １２ ５ ～ １ ３ ０ 分 贝 。 而 新 建 的 “ 阿 库拉 ” （ Ａ ｋ ｕ ｌ ａ ） 级 降 到 １ １ ５ ～１ ２ ０ 分 贝 ， 大 大 缩 短 了 与 美 国 的 差距 。 国 外 对 核 潜 艇 噪声 的 治 理 主 要 从 噪 声 源 的 控 制 、 噪 声传 播 途 径 的 控 制 两 个 方 面 着 手 ， 注 重对 整 个 推 进 装 置 进 行 安 静 化 改 进 。 核潜 艇 的 噪 声 源 主 要 有 三 种 ： 机 械 噪 声、 螺 旋 桨 噪 声 和 水 动 力 噪 声 。 针 对 以上 噪 声 源 ， 目 前 各 国 从 核 潜 艇 的 艇 体外 型 、 结 构 、 动 力 设 备 选 型 、 减 震 消声 手 段 等 各 个 环 节 着 手 实 施 了 一 系 列的 减 震 降 噪 措 施 。 机 械 噪 声 是 艇 内各 种 运 动 机 械 工 作 时 产 生 的 噪 声 ， 它们 通 过 基 座 、 马 脚 等 与 艇 体 连 接 的 部分 将 振 动 与 噪 声 通 过 艇 体 传 到 水 中 辐射 出 去 。 核 潜 艇 的 机 械 噪 声 主 要 由 以下 几 方 面 组 成 ： 压 水 堆 主 冷 却 剂 泵 （简 称 主 泵 ） 的 噪 声 、 汽 轮 机 齿 轮 减 速装 置 的 噪 声 以 及 其 它 辅 机 与 管 路 系 统的 噪 声 。 主 泵 的 作 用 是 强制 一 回 路 的 载 热 剂 循 环 起 来 ， 将 堆 内核 燃 料 所 产 生 的 热 量 及 时 带 出 ， 通 过热 交 换 ， 变 成 冷 却 水 再 循 环 至 堆 内 。主 泵 在 运 行 时 和 冷 却 剂 在 回 路 中 高 速流 动 时 ， 会 产 生 很 大 的 噪 声 和 振 动 并消 耗 １ ０ ％ 的 总 功 率 。 自 然 循 环 降 噪的 原 因 在 于 反 应 堆 裂 变 产 生 的 热 量 不依 靠 主 泵 强 制 循 环 导 出 ， 而 是 靠 蒸 汽发 生 器 与 反 应 堆 之 间 的 热 中 心 位 差 、降 低 主 冷 却 剂 系 统 阻 力 及 热 工 安 全 准则 允 许 的 自 然 对 流 来 完 成 的 。 这 样 不仅 消 除 了 主 泵 的 噪 声 源 ， 提 高 了 反 应堆 的 安 全 性 ， 而 且 还 能 节 约 反 应 堆 的功 率 。 从 ７ ０ 年 代 开 始， 随 着 一 体 化 压 水 堆 装 备 核 潜 艇 ， 核动 力 的 自 然 循 环 能 力 有 了 很 大 的 提 高。 如 法 国 的 “ 红 宝 石 ” 级 （ Ｒ ｕ ｂ ｉｓ ） 攻 击 型 核 潜 艇 的 Ｐ Ｗ Ｒ Ｉ Ｃ Ａ Ｓ４ ８ 反 应 堆 ， 在 主 泵 停 止 运 行 时 ， 依靠 自 然 循 环 仍 能 发 出 额 定 功 率 的 ３ ０％ ， 使 核 潜 艇 可 以 ８ 节 的 速 度 安 静 地航 行 。 １ ９ ６ ４ 年 ， 美国 即 在 “ 一 角 鲸 ” 级 （ Ｎ ａ ｒ ｗ ｈ ａｌ ） 攻 击 核 潜 艇 上 安 装 Ｓ ５ Ｇ 自 然 循环 反 应 堆 进 行 试 验 。 “ 俄 亥 俄 ” 级 核潜 艇 上 采 用 的 Ｓ ８ Ｇ 反 应 堆 ， 在 主 泵停 止 运 行 后 ， 反 应 堆 仍 能 发 出 额 定 功率 的 ３ ０ ％ 。 新 建 的 “ 海 狼 ” 级 核 潜艇 采 用 了 Ｓ ６ Ｗ 型 自 然 循 环 反 应 堆 ，无 须 使 用 主 泵 即 可 获 得 ２ ０ 节 的 战 术机 动 航 速 （ 低 噪 声 最 大 航 速 ） 。 实 践 证 明 自 然 循环 反 应 堆 在 中 低 速 航 行 时 ， 噪 声 比 其它 核 潜 艇 明 显 降 低 。 以 往 核 潜 艇 上 几乎 全 部 采 用 蒸 汽 轮 机 减 速 齿 轮 推 进 方式 ， 蒸 汽 轮 机 的 工 作 转 速 为 ６ ０ ０ ０～ ７ ０ ０ ０ 转 分 ， 而 螺 旋 桨 的 最 佳转 速 为 ２ ０ ０ ～ ３ ０ ０ 转 分 。 蒸 汽轮 机 要 带 动 螺 旋 桨 工 作 ， 必 须 在 二 者之 间 加 一 个 大 型 的 减 速 齿 轮 箱 来 进 行变 速 。 该 齿 轮 箱 工 作 时 将 产 生 强 噪 声， 是 核 潜 艇 的 主 要 噪 声 源 。 主 要 是 齿轮 制 造 精 度 和 装 配 质 量 不 高 造 成 的 。为 了 降 低 该 装 置 的 噪 声 ， 采 取 的 措 施有 ： （ １ ） 改 进 齿 轮的 设 计 。 如 采 用 斜 齿 齿 轮 或 人 字 形 齿轮 ， 在 相 似 的 工 作 条 件 下 ， 斜 齿 齿 轮的 噪 声 比 直 齿 低 约 ５ 分 贝 ， 而 人 字 形齿 轮 比 直 齿 低 ８ ～ １ ０ 分 贝 。 此 外 采取 提 高 加 工 精 度 和 装 配 质 量 ， 选 择 性能 优 良 的 齿 轮 材 料 和 润 滑 剂 ， 合 理 齿 间 的 余 隙 值 ， 或 将 齿 轮 装 置 密 闭在 隔 声 箱 内 等 措 施 也 会 有 效 地 降 低 齿轮 传 动 时 的 噪 声 。 （ ２ ） 全 电 力 推进 装 置 。 利 用 汽 轮 发 电 机 组 驱 动 主 推进 电 机 来 带 动 螺 旋 桨 ， 取 消 主 汽 轮 机和 齿 轮 减 速 装 置 ， 减 少 噪 声 源 。 美 国曾 于 ６ ０ 和 ７ ０ 年 代 分 别 建 造 了 一 艘电 力 推 进 的 攻 击 型 核 潜 艇 ， 使 用 证 明降 噪 明 显 。 但 由 于 采 用 电 力 推 进 装 置加 大 了 动 力 装 置 的 体 积 和 重 量 ， 导 致航 速 下 降 太 大 ， 而 没 有 发 展 下 去 。 近年 来 美 国 已 研 制 成 功 用 于 推 进 电 机 的高 强 度 轻 质 混 合 材 料 ， 在 “ 海 狼 ” 级核 潜 艇 上 已 采 用 了 电 力 推 进 装 置 。 法国 ７ ０ 年 代 开 始 采 用 电 力 推 进 技 术 ，其 “ 红 宝 石 ” 级 核 潜 艇 采 用 了 ２ 台 汽轮 发 电 机 组 ， １ 台 主 推 进 电 动 机 ， 轴功 率 ６ ４ ０ ０ 马 力 ， 最 大 航 速 可 达 ２５ 节 ， 具 有 良 好 的 安 静 性 。 通 过 机 械 绝 缘 和减 振 的 方 法 ， 来 减 小 振 动 机 械 向 艇 体传 送 能 量 。 美 国 在 ６ ０ 年 代 就 开 始 研究 推 进 系 统 的 整 体 减 振 降 噪 技 术 ， 即减 振 筏 座 。 它 把 整 个 推 进 系 统 的 设 备都 安 装 在 高 效 能 减 振 基 座 上 。 重 要 的主 机 、 辅 机 等 机 械 采 用 了 整 体 双 层 减振 筏 座 ， 对 振 动 较 大 的 设 备 采 用 缓 冲振 动 的 覆 盖 层 和 空 气 夹 层 等 。 对 管 路系 统 采 用 尽 可 能 多 的 弹 性 连 接 管 与 艇体 相 连 ； 对 流 体 作 用 强 烈 的 管 路 采 用降 低 流 速 、 局 部 管 路 采 用 阻 尼 软 管 和加 消 音 器 的 方 法 ， 来 减 少 流 体 冲 击 振动 和 隔 绝 振 动 传 到 艇 体 上 。 通 过 采 取以 上 措 施 ， 美 国 核 潜 艇 推 进 系 统 的 噪声 级 因 此 下 降 了 １ ５ ～ ２ ０ 分 贝 ， 英国 建 造 的 “ 勇 士 ” 级 （ Ｖ ａ ｌ ｉ ａ ｎｔ ） 和 “ 特 拉 法 尔 加 ” 级 （ Ｔ ｒ ａ ｆａ ｌ ｇ ａ ｒ ） 核 潜 艇 均 采 用 了 这 一 技术 ， 降 噪 效 果 十 分 明 显 。 原 苏 联 在 ７０ 年 代 后 期 掌 握 了 这 项 技 术 ， 使 核 潜艇 噪 声 降 低 了 ２ ０ 分 贝 左 右 。 螺 旋 桨 噪 声 产 生的 原 因 十 分 复 杂 ， 根 据 其 产 生 的 原 因不 同 ， 一 般 分 为 ： 空 泡 噪 声 、 叶 频 噪声 、 谐 鸣 噪 声 、 激 振 噪 声 等 。 为 了 降低 螺 旋 桨 的 噪 声 ， 各 国 研 究 者 们 进 行了 大 量 的 工 作 ， 先 后 研 制 出 双 反 转 螺旋 桨 、 七 叶 大 侧 斜 螺 旋 桨 、 高 阻 尼 材料 螺 旋 桨 等 。 这 些 螺 旋 桨 在 不 同 程 度上 改 善 了 桨 叶 处 的 水 流 和 压 力 状 态 ，减 少 了 螺 旋 桨 的 振 动 和 噪 声 ， 获 得 了广 泛 地 应 用 。 另 外 把 螺 旋 桨 的 桨 叶 边缘 修 成 特 别 形 状 来 减 少 谐 鸣 噪 声 ， 也是 行 之 有 效 的 方 法 。 从 ６ ０ 年 代 开 始国 外 又 发 展 了 一 种 喷 水 推 进 装 置 。 该装 置 包 括 一 个 作 为 转 子 在 导 管 内 低 速转 动 的 多 叶 片 大 螺 旋 桨 ， 导 管 前 方 有一 圈 固 定 的 导 向 叶 片 作 为 定 子 来 平 顺伴 流 ， 并 可 减 少 推 力 轴 承 上 的 负 荷 。这 种 推 进 器 既 能 改 变 螺 旋 桨 叶 片 的 压力 分 布 ， 消 除 可 能 的 叶 频 噪 声 ， 导 管还 可 以 屏 蔽 螺 旋 桨 噪 声 辐 射 。 １ ９ ８３ 年 英 国 在 “ 特 拉 法 尔 加 ” 级 核 潜 艇上 首 先 采 用 了 这 种 推 进 装 置 ， 降 噪 效果 相 当 明 显 ， 低 于 常 规 潜 艇 电 力 推 进时 的 噪 声 级 。 美 新 建 的 “ 海 狼 ” 级 也采 用 了 这 种 推 进 装 置 。 现 代 核 潜 艇 的 外表 面 设 计 得 十 分 光 滑 很 少 有 突 出 体 暴露 。 艇 体 与 指 挥 台 围 壳 的 开 孔 数 量 降到 最 少 ， 大 的 开 孔 均 设 计 了 活 动 盖 板， 可 自 动 开 启 和 关 闭 ， 有 效 地 解 决 了上 层 建 筑 流 水 孔 及 其 噪 音 问 题 。 美 国的 “ 海 狼 ” 级 核 潜 艇 关 闭 活 动 盖 板 后的 艇 体 从 外 观 上 几 乎 看 不 到 开 孔 ； 指挥 台 围 壳 和 艇 体 的 交 接 处 采 用 了 弧 形圆 滑 过 渡 ， 减 少 了 围 壳 与 艇 体 间 流 体的 干 扰 ， 降 低 了 阻 力 和 水 动 力 噪 声 。 现 代 核 潜 艇 的 外部 都 敷 设 了 一 层 厚 厚 的 阻 尼 吸 声 橡 胶（ 又 称 消 声 瓦 ） ， 既 能 吸 收 敌 方 主 动声 纳 的 探 测 回 波 ， 又 可 隔 绝 本 艇 噪 声向 水 中 传 播 。 其 结 构 为 两 层 ， 外 层 为实 心 固 体 ， 内 层 设 置 了 各 种 尺 寸 的 尖劈 和 其 它 形 状 的 孔 洞 ， 能 针 对 敌 方 声纳 系 统 工 作 的 频 率 ， 降 低 敌 方 声 纳 系统 和 自 导 鱼 雷 发 现 潜 艇 的 能 力 。 前 苏联 的 Ｓ 、 Ｍ 和 “ 阿 库 拉 ” 级 攻 击 核 潜艇 敷 设 消 声 瓦 后 使 本 艇 噪 声 降 低 １ ５分 贝 以 上 ， 降 低 敌 声 纳 作 用 距 离 ５ ０～ ７ ０ ％ 。 现 俄 罗 斯 核 潜 艇 上 也 敷 设了 消 声 瓦 。 英 国 的 “ 快 速 ” 级 （ Ｓ ｗｉ ｆ ｔ ｓ ｕ ｒ ｅ ） 和 “ 特 拉 法 尔 加 ” 级 核 潜 艇 上 均 敷 设 了 消 声 瓦 。 美 国 “ 洛 杉 矶 ” 级 从 第 ２ ０ 艘 “ 圣 胡 安 ” 号（ Ｓ ａ ｎ Ｊ ｕ ａ ｎ ） 开 始 ， 加 装 了 类似 的 泡 沫 橡 胶 消 声 瓦 。 在 核 潜 艇 的 壳 体内 部 和 舱 壁 上 大 量 地 敷 设 吸 声 材 料 ，并 在 噪 声 的 设 备 上 加 装 隔 声 罩 、 消 音器 和 设 立 隔 声 室 ， 可 大 幅 度 降 低 内 部噪 声 。 英 国 “ 特 拉 法 尔 加 ” 级 以 及 美国 “ 洛 杉 矶 ” 级 和 “ 海 狼 ” 级 还 在 空调 系 统 和 空 气 噪 声 较 大 的 舱 室 采 用 了新 型 有 源 主 动 消 声 技 术 。 该 技 术 的 主要 原 理 是 根 据 本 艇 空 气 噪 声 的 频 谱 特性 ， 发 出 与 原 空 气 噪 声 振 幅 相 同 但 相位 相 反 的 音 响 ， 来 抵 消 原 来 的 空 气 噪声 ， 对 核 潜 艇 通 风 管 道 的 低 频 噪 声 和舱 室 空 气 噪 声 降 噪 效 果 明 显 。 除 采 取 以 上 安 静化 手 段 外 ， 为 了 减 少 艇 体 结 构 震 颤 所形 成 的 噪 声 ， 在 核 潜 艇 设 计 时 ， 所 有的 构 件 都 需 在 实 验 室 经 过 反 复 的 结 构和 激 振 实 验 ， 以 免 产 生 局 部 振 动 和 总振 动 。 可 以 预 料 ， 随 着减 振 降 噪 技 术 的 不 断 发 展 ， 未 来 核 潜艇 必 然 会 进 一 步 地 趋 向 安 静 化 ， 也 促使 探 测 核 潜 艇 的 手 段 向 非 声 化 发 展 。