張國(guó)棟馬敬廣

（1.第七一五研究所，杭州，310012；2.海軍駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州，310012）

國(guó)外潛艇拖線陣聲吶的發(fā)展特點(diǎn)及趨勢(shì)

張國(guó)棟1馬敬廣2

（1.第七一五研究所，杭州，310012；2.海軍駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州，310012）

根據(jù)現(xiàn)有的公開技術(shù)資料，對(duì)主要西方國(guó)家的潛艇拖線陣聲吶的發(fā)展概況、技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了介紹和分析，并粗略預(yù)測(cè)了其發(fā)展趨勢(shì)。

潛艇；拖線陣；聲吶；綜述

1 潛艇拖線陣聲吶的發(fā)展概況

由于拖線陣聲吶的兩個(gè)內(nèi)在特點(diǎn)（基陣孔徑不受平臺(tái)空間尺度限制，適合低頻工作；可選擇有利工作深度，背景干擾?。?，使得該型聲吶與其他常規(guī)聲吶相比，探測(cè)能力大為提高；再加上艦（艇）降噪技術(shù)對(duì)1000 Hz以上輻射噪聲的大幅抑制，更凸顯了拖線陣聲吶在低頻段的性能優(yōu)勢(shì)。因此，拖線陣聲吶雖起步較晚，但已迅速成為水面艦艇、潛艇的主要聲吶裝備之一。西方主要發(fā)達(dá)國(guó)家的潛艇拖線陣聲吶經(jīng)過(guò)五十多年的發(fā)展，都有各自的系列型譜。美國(guó)的型譜最多，具體情況參見圖1[1]。國(guó)外主要的拖線陣型號(hào)及裝備情況參見表1[2]。

圖1 美國(guó)潛用拖線陣聲吶年譜

表1 各國(guó)潛艇拖線陣聲吶裝備概況

備注：（1）部分被TB-29A替代，部分對(duì)濕端基陣改造升級(jí)； （2）Seawolf級(jí)保留TB-29，其它裝備TB-29A；（3）用于替代TB-16，2009年啟動(dòng)生產(chǎn)； （4）泰利斯水下系統(tǒng)有限公司的前身是湯姆遜馬可尼聲吶有限公司；（5）還將替換Trafalgar級(jí)的Sonar 2046；（6）濕端纜陣只能采用掛帶式（clip-on），已停產(chǎn)。

2 潛艇拖線陣聲吶的技術(shù)特點(diǎn)

潛艇拖線陣聲吶研制初期，只是將水面型拖線陣簡(jiǎn)單照搬/安裝到潛艇上。在前蘇聯(lián)與美國(guó)對(duì)抗時(shí)期，沒有暴露太多問(wèn)題，但隨著前蘇聯(lián)的解體，大洋深處的核潛艇激烈對(duì)抗不復(fù)存在。海狼級(jí)潛艇建造計(jì)劃被多功能、多用途的弗吉尼亞級(jí)潛艇代替。瀕海作戰(zhàn)成為新的作戰(zhàn)需求，潛在戰(zhàn)場(chǎng)前推至除美國(guó)外的各國(guó)周邊。作戰(zhàn)需求和模式的變化，導(dǎo)致原有潛艇拖線陣聲吶的問(wèn)題開始凸顯：（1）聲吶參數(shù)設(shè)計(jì)不夠優(yōu)化，導(dǎo)致使命、任務(wù)的遂行海區(qū)嚴(yán)重受限；美國(guó)TB-16專門就此開展了多輪改進(jìn)工作，并將進(jìn)一步由TB-34來(lái)取代。（2）聲吶的可使用性被嚴(yán)重忽略，任務(wù)可靠性低，使用安全性差，甚至出現(xiàn)設(shè)備完全失效。以德國(guó)TAS-83和DSUV-62C的掛帶式配置最為明顯，而英國(guó)廣泛裝備Vanguard、Trafalgar、Swiftsure級(jí)潛艇的2046和加拿大的SUBTASS，也因纜陣收放分系統(tǒng)的缺陷而倍受質(zhì)疑。（3）柔性基陣（尤其是轉(zhuǎn)向過(guò)程）的探測(cè)精度，及與殼體基陣的聯(lián)合、相干處理問(wèn)題。下面將針對(duì)潛艇拖線陣聲吶的體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.1 濕端纜陣

拖線陣聲吶的濕端纜陣，由于使用時(shí)遠(yuǎn)離平臺(tái)，并能利用纜長(zhǎng)/航速關(guān)系調(diào)整工作深度，易于獲得較低噪聲背景和良好信道條件。當(dāng)然，這些優(yōu)越性的獲取條件是必須在拖線陣的有限體積空間內(nèi)完成全部的換能器/傳感器陣列、電源網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)調(diào)理和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，技術(shù)復(fù)雜。

隨著艦（艇）降噪技術(shù)的快速發(fā)展，為保證在一定警戒范圍內(nèi)對(duì)低噪聲/安靜型目標(biāo)的有效探測(cè)，進(jìn)一步的頻率下移和孔徑增加成為必然，并直接催生了細(xì)長(zhǎng)線陣（TLTA）。國(guó)外主要拖線陣聲吶的濕端纜陣聲學(xué)參數(shù)詳見表2。目前單一潛艇平臺(tái)的拖線陣配置正在發(fā)生改變，大型潛艇逐漸將兩套拖線陣作為標(biāo)配。因此，現(xiàn)有潛艇的拖線陣配置模式有兩種：（1）單條拖線陣，包括英國(guó)的Walrus、Vanguard、Trafalgar、Swiftsure級(jí)潛艇，法國(guó)的Rubis、Agosta 90B（為巴海軍建造），德國(guó)的209、212A、214，以及加拿大、澳大利亞、西班牙、日本等國(guó)家的潛艇都是如此。（2）兩條拖線陣，例如美國(guó)全部現(xiàn)役的Los Angeles、Ohio、Seawolf、Virginia級(jí)潛艇都配置有TB-16粗線陣和TB-23或TB-29（A）細(xì)線陣，且一粗一細(xì)的配置可能一直要延續(xù)下去。英國(guó)的Astute級(jí)潛艇，從文獻(xiàn)介紹和資料圖片看，也是兩條拖線陣的配置，但具體方案不詳。其前期論證時(shí)，曾仔細(xì)考察了美國(guó)海軍的TB-29A，并將其與由2076一體化聲吶系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的粗線陣聲吶方案一起作為機(jī)敏級(jí)潛艇的拖線陣聲吶備選方案。

表2 多型拖線陣聲吶的濕端纜陣聲學(xué)參數(shù)

基于潛艇隱蔽性的考慮，各國(guó)現(xiàn)役拖線陣聲吶均為被動(dòng)型，其線狀纜陣（拖線陣通常采用與海水等比重設(shè)計(jì)，而拖纜比重與海水相當(dāng)或略大）也都采用臨界角拖曳方式，因此拖線陣的實(shí)際工作深度取決于兩個(gè)因素：（1）潛艇潛航深度；（2）潛艇航速與放纜長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，濕端纜陣的該項(xiàng)參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)聲吶的任務(wù)遂行能力和可執(zhí)行任務(wù)的海區(qū)限定至關(guān)重要。從表2備注（1）可以看出，TB-16的拖纜比重較大，這與大致同期的DSUV-62C及后續(xù)的各型設(shè)備都采用輕質(zhì)或中性浮力拖纜有明顯不同。曾有多篇報(bào)道稱該聲吶在低航速下由于拖線陣和母艇間存在明顯的深度差，嚴(yán)重限制了該聲吶在淺水區(qū)域的作業(yè)能力，針對(duì)該問(wèn)題，美國(guó)海軍組織進(jìn)行了大量的改進(jìn)工作。

需要贅述的是，雖然拖線陣聲吶相對(duì)于殼體聲吶而言，其孔徑可提高數(shù)倍甚至達(dá)數(shù)量級(jí)，但終歸要受到平臺(tái)安裝存儲(chǔ)空間的限制，而且這一限制是對(duì)纜陣的總體積而言的，即拖纜長(zhǎng)度×截面積（直徑）與拖線陣長(zhǎng)度（孔徑）×截面積（直徑）的總和。對(duì)拖線陣孔徑最大化的追求一直是持續(xù)的（除非是受到水聲信號(hào)相關(guān)性的制約），因此，必須考慮降低拖纜長(zhǎng)度、直徑和拖線陣直徑（當(dāng)然，減小直徑更為有效）。

（1）拖纜。其直徑主要取決于銅截面（傳輸功率），即受到拖線陣規(guī)模、陣內(nèi)電子器件電源種類/功率和數(shù)據(jù)傳輸方式等的限制。拖纜長(zhǎng)度則主要取決于平臺(tái)噪聲水平和拖線陣對(duì)平臺(tái)噪聲的抑制水平。從TB-23的915 m纜長(zhǎng)到TB-29的580 m再到TB-29A的365 m，可以看出，其平臺(tái)噪聲水平是不斷降低的，TAS-90的拖纜僅250 m說(shuō)明了德國(guó)212A、214常規(guī)動(dòng)力潛艇的低噪聲水平。

（2）拖線陣直徑。拖線陣的拖曳流噪聲隨速度提高增長(zhǎng)快速并將嚴(yán)重影響探測(cè)性能，其直徑選取不能一概而論，需綜合考慮使用航速要求、平臺(tái)噪聲變化情況、拖線陣噪聲抑制水平等諸多因素。因此，各國(guó)的拖線陣直徑選取各有特點(diǎn)：美國(guó)是粗細(xì)兼?zhèn)洌═B-16為82.5 mm，TB-23、TB-29（A）是38 mm）；其它國(guó)家則是基于上述多種因素的綜合折中，其直徑一般在50～80 mm之間。

由于濕端纜陣采用可收放式是不變的趨勢(shì)，因此濕端纜陣設(shè)計(jì)的另一關(guān)注重點(diǎn)就是與纜陣收放系統(tǒng)的適配問(wèn)題。這關(guān)系到設(shè)備可靠性、任務(wù)成功率甚至安全性，尤其是拖線陣的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和專用的尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。圖2、圖3是英國(guó)、德國(guó)的拖線陣的典型外部強(qiáng)度設(shè)計(jì)形式。

圖2 英國(guó)拖線陣段的外部強(qiáng)度設(shè)計(jì)形式

圖3 TAS-90的絞車和拖線陣

2.2 纜陣收放分系統(tǒng)（TAHS）

拖線陣聲吶的最初性能驗(yàn)證是在掛帶條件下完成的，因此一段時(shí)期內(nèi)掛帶式（clip-on）廣泛存在，如德國(guó)207/209潛艇的TAS-83，法國(guó)出口巴基斯坦的Agosta 90B配備的lamproie（DSUV-62C的商用名）。隨著拖線陣使用頻率的提高，該方式的問(wèn)題凸顯-使用及維護(hù)均耗資巨大。相比之下，配備了纜陣收放分系統(tǒng)的拖線陣聲吶，不僅避免了每次掛帶、拖曳纜陣的人力物力和操作風(fēng)險(xiǎn)，而且可以根據(jù)任務(wù)海域的特點(diǎn)及水文條件調(diào)整到最佳探測(cè)狀態(tài)，便于設(shè)備作戰(zhàn)使用效能的發(fā)揮。

美國(guó)現(xiàn)役的Los Angeles、Seawolf、Virginia級(jí)潛艇的水下排水量在7000～9000 t左右，Ohio級(jí)潛艇18000 t，因此從首套TB-16至今，均含有纜陣收放分系統(tǒng)。雖然美國(guó)有多型拖線陣聲吶，但其纜陣收放分系統(tǒng)只有兩型：（1）OK-276拖線陣收放分系統(tǒng)，適配TB-16、TB-34等粗線陣；（2）OA-9070[3]拖線陣收放分系統(tǒng)，適配TB-23、TB-29（A）等細(xì)線陣。但早期的OK-276安裝在艇背的中部以前，而OA-9070安裝布置在潛艇尾部主壓載水艙；并且，從文獻(xiàn)資料看，Los Angeles上是液壓驅(qū)動(dòng)的OA-9070A，而Virginia上使用了全電驅(qū)動(dòng)的OA-9070E（見圖4，這是全電力艦船發(fā)展的必然結(jié)果）。

圖4 美國(guó)Virginia級(jí)潛艇的OA-9070E

英國(guó)Walrus級(jí)潛艇的2026采用掛帶式，Vanguard、Trafalgar、Swiftsure級(jí)潛艇的2046拖線陣聲吶已設(shè)計(jì)專用收放分系統(tǒng)，而最新的Astute級(jí)潛艇[4]，從其資料圖片看，兩條拖線陣中，一條為可收放式，另一條可能是掛帶式。其收放分系統(tǒng)的安裝布置與美國(guó)潛艇類似（圖5）。

圖5 英國(guó)Astute級(jí)潛艇的拖線陣聲吶纜陣收放分系統(tǒng)

圖7 加拿大Oberon級(jí)潛艇的拖線陣聲吶纜陣收放分系統(tǒng)

德國(guó)的212A、214潛艇，雖然從動(dòng)力、噸位看，與美、英兩國(guó)的平臺(tái)條件差距甚遠(yuǎn)，但從其尾部安裝布置的TAS-90拖線陣聲吶收放分系統(tǒng)可知該聲吶的重要性（圖6）。由于該型潛艇廣泛出口，其技術(shù)參數(shù)公開程度較高：相對(duì)于排水量1700 t左右的局促艇體空間，在尾部雙層殼體之間安裝了占空2.1 m×2.4 m×1.15 m、重量大于3 t的絞車及全套機(jī)構(gòu)。與此形成對(duì)比的是俄羅斯Akula、Victor Ⅲ等潛艇，其尾部專為拖線陣聲吶收放系統(tǒng)設(shè)計(jì)了導(dǎo)流罩[5]，這固然凸顯了該設(shè)備的重要性，但卻對(duì)總體性能（如航速、噪聲等）帶來(lái)諸多不利影響，最終該設(shè)計(jì)不得不取消。

圖6 德國(guó)212A、214潛艇的TAS-90

除上述類型，配備纜陣收放分系統(tǒng)的還有加拿大Oberon級(jí)潛艇的SUBTASS（圖7）和澳大利亞Collins級(jí)潛艇[6]的TB-23F（圖8）。該兩套收放分系統(tǒng)的特點(diǎn)是：纜陣絞車均安裝在潛艇背部指揮臺(tái)圍殼后的雙層殼體之間，通過(guò)橫跨至潛艇尾部的輸送機(jī)械和導(dǎo)管將纜陣釋放或回收。

圖8 澳大利亞Collins級(jí)潛艇的拖線陣聲吶纜陣收放分系統(tǒng)

文獻(xiàn)[4]對(duì)潛用TAHS作了深入的分析和探討，認(rèn)為TAHS的最終目標(biāo)是在提供最大容纜量的同時(shí)必須能可靠、無(wú)損地收放纜陣。因此，以下兩點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注：（1）如Oberon級(jí)潛艇TAHS的遠(yuǎn)距離、分散布局不可取，這樣設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，其內(nèi)部的摩擦和阻尼必然增加系統(tǒng)復(fù)雜度，大張力、夾持式的牽引裝置（traction devices）將不可避免地對(duì)纜陣造成（磨損、皺褶等）損傷。（2）尾部集中式布置為低阻尼初始釋放提供了可能。注水（flushing）推出技術(shù)（TAS90同樣使用）、低張力牽引技術(shù)得以應(yīng)用，并與專門設(shè)計(jì)的拖線陣尾部結(jié)構(gòu)適配，并稱可延長(zhǎng)拖線陣的使用壽命7~14年。但是，尾部集中式布置的收放系統(tǒng)必然對(duì)潛艇的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)更大影響，甚至需要將拖線陣收放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與潛艇艇體的設(shè)計(jì)一體、同步進(jìn)行。

2.3 聲吶的體系結(jié)構(gòu)及功能定位

濕端纜陣和收放分系統(tǒng)都是必不可少且地位獨(dú)立的；而干端設(shè)備，尤其是信號(hào)處理和顯示控制，隨著體系開放度和綜合處理要求的不同，表現(xiàn)得各有差異。但大致變化趨勢(shì)明顯，即原先獨(dú)立完整、單部聲吶獨(dú)享的模式被打破，共享、動(dòng)態(tài)重構(gòu)的全艇綜合（聲吶或作戰(zhàn)）處理系統(tǒng)正在形成（如美國(guó)的AN/BQQ-10聲吶系統(tǒng)），各部聲吶的聲基陣、處理功能正逐步趨于組件化。與聲吶體系結(jié)構(gòu)同時(shí)變化的，就是其功能定位，在傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程警戒功能基礎(chǔ)上，提出了更多的功能、性能要求。

美國(guó)即將替代TB-16的TB-34，將采用與本艇殼體聲吶頻帶疊加的陣內(nèi)相干處理技術(shù)以大幅提高探測(cè)目標(biāo)的方位精度；要求聲吶必須具有分辨水下或水面目標(biāo)的能力，目標(biāo)深度精度在±15 m內(nèi)；同時(shí)還要求僅通過(guò)一次拖曳，就能確定接觸目標(biāo)的聲線到達(dá)角，并提供方位與距離（精度20%以內(nèi)）信息，以及解決轉(zhuǎn)向過(guò)程中的目標(biāo)跟蹤問(wèn)題等。

3 潛艇拖線陣聲吶發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

設(shè)備的發(fā)展終歸由戰(zhàn)術(shù)需求來(lái)引領(lǐng)，對(duì)于核動(dòng)力和常規(guī)動(dòng)力的不同等級(jí)平臺(tái)，其需求可能截然不同甚至相反：對(duì)于相對(duì)低速、低噪聲且空間嚴(yán)重受限的常規(guī)動(dòng)力平臺(tái)，主要考慮航速范圍內(nèi)單條拖線陣孔徑的最大；而核動(dòng)力平臺(tái)，可能在現(xiàn)有一粗一細(xì)（很可能是分時(shí)使用）配置的基礎(chǔ)上，真正實(shí)現(xiàn)雙線陣甚至體積陣配置，在遠(yuǎn)程探測(cè)基礎(chǔ)上大幅提高目標(biāo)識(shí)別/定位能力和精度，實(shí)現(xiàn)從警戒到戰(zhàn)術(shù)引導(dǎo)的跨越。

還有兩點(diǎn)潛在趨勢(shì)值得一提：（1）纜陣的拖曳模式。現(xiàn)有系統(tǒng)固然都是采用臨界角拖曳，但是，對(duì)于隱蔽航行在水下一定深度的潛艇，此種拖曳方式無(wú)法利用其潛深至水面這一段的水文傳播條件（如表面聲道），因此主動(dòng)控制的變深拖曳方式才能最大限度發(fā)揮潛用拖線陣的使用效能。（2）潛用主被動(dòng)拖線陣。線狀的主動(dòng)發(fā)射陣本身有研制基礎(chǔ)，但只有在平臺(tái)使用觀念發(fā)生巨大變革時(shí)才可能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。德國(guó)已走在前面。

[1] STANLEY G LEMON . Towed-array history 1917-2003[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2004, 29(2):365-373.

[2] Submarine sonar systems[J]. Jane’s Underwater Warfare systems, 2010-2011:227-246.

[3] JOSEPH P LIGUORE. All-electric outboard handling system for submarine applications[C]. UDT, 2002.

[4] Curtiss Wright Flow Control Company. Design considerations for submarine mounted TAHS[C].UDT, 2011.

[5] 王新森. 點(diǎn)評(píng)美俄諸國(guó)潛艇拖線陣[J]. 艦船知識(shí),2010(8):63-69.

[6] PASALIC NEDIM. Towed-array handling system on collins-class submarines[J]. Sea technology, 2001, 42(11).