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降低潜艇水下噪音的技术手段都有哪些?
谢谢邀请。潜艇的噪音主要来自两个方面:一是潜艇发动机;二是艇上各种机器设备。其中,发动机是最大的噪音源。目前,国际上最先进的喷水式发动机,其噪声已经非常接近海洋背景音频。针对潜艇内部噪音问题,主要是使用更先进的绝缘合成消声瓦。
随着各国反潜能力的日渐提高,如何能够降低潜艇的噪音,是各国海军必须考虑的问题。降低潜艇振动辐射噪声,提高潜艇声隐身水平,一直是潜艇装备技术发展的核心问题。 降低潜艇噪音技术,也就是减振降噪技术。
俄罗斯库尔斯克号核潜艇
来看看各国潜艇减振降噪技术的发展状况 。为了降低潜艇的噪声,美、俄、英、法等国针对潜艇自身的三大噪声源:机械振动噪声、推进器噪声、水动力噪声,发展出了低噪声大侧斜螺旋桨和泵喷推进器、低噪声机电设备、消声瓦、减振降噪主动控制技术等一系列技术。
海狼级某舰下水典礼
下面就来看看如何控制/降低噪声,都有哪些新技术、新设备、新材料应用在了潜艇身上?
美国海狼级吉米·卡特号
一、机械振动噪声控制技术
近年来各国主要是采用低噪声设备、浮筏隔振、高性能阻尼材料、高性能消声瓦等材料、技术手段。 如美国现役的“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇,广泛采用的低噪声设备主要包括推进器控制器、艇用系统低噪声电机控制器等。
降低设备振动传动。普遍采用的是单层隔振、双层隔振和浮筏隔振等技术,显著提高了潜艇机械的隔振水平。在浮筏基础上,采用整舱的舱筏隔振技术扩大了隔振范围和提高了隔振的效果。 特别是一种基于桁架结构的舱筏技术,这种技术从整体上降低了潜艇的水下辐射声信号,提高了潜艇的声隐身性能。
美国现役的“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇
利用阻尼材料。粘弹性材料、粘性流体材料、磁材料、智能材料等阻尼材料的应用,对潜艇振动噪声控制起到了关键作用。美国海军于上世纪九十年代,把阻尼材料应用在了潜艇上,这些阻尼材料在潜艇减振降噪方面具有良好的应用前景,能够有效降低潜艇的噪声。
消声瓦技术。俄罗斯首先使用了消声瓦技术,隐身效果很明显。美国等西方海军开始效仿,并采用了一些新型消声瓦。如英国的“机敏”级核潜艇,就铺设了高新型的消声瓦。美国“海狼”级核潜艇在艇体外部铺设了阻尼消声瓦。现在,在消声瓦设计中又采用了主动控制技术,成为消声瓦技术的新的发展方向。
二、推进系统噪声控制技术
在降低潜艇推进系统噪声方面,国外采取的技术手段主要包括改进螺旋桨设计,采用泵喷推进技术以及自循环压水堆等。
改进螺旋桨结构。采用大侧斜、变距、多叶螺旋桨(七叶),成为各国降低螺旋桨振动噪声的主要手段。如美国“洛杉矾”级、法国“红宝石”级核潜艇等。目前,七叶大侧斜螺旋桨成为世界各国普遍采用的推进方式。
法国红宝石级核潜艇(最小的核潜艇)
采用泵喷推进器。与采用大侧斜螺旋桨推进的潜艇相比,其最大优点是可以大幅降低潜艇推进器的辐射噪声,提高潜艇的低噪声航速。如英国“机敏”级核潜艇,美国“海狼”级等先后都采用了泵喷推进器,取代了以前广泛应用的七叶大侧斜螺旋桨。据统计,泵喷推进器正在取代七叶大侧斜螺旋桨,成为新的推进方式。
准备下水的英国机敏号
降低反应堆噪声。采用自循环压水堆,可在不启动主循环泵的情况下,保持潜艇在低速、低噪声的状态下航行,从而增强潜艇的声隐身能力。
三、采取多种技术手段、各种新型材料、各种降噪设备等,来对潜艇主要噪声源进行全方位控制、降低其噪声水平。
潜艇作为大洋深处的隐蔽杀手,保持隐蔽,减小自身被探测的程度是最为重要也是设计时最为优先考虑的事情。而潜艇自身的噪音便是最受重视的。既然要减少潜艇自身噪音,就需要知道潜艇自身噪音的产生源。
首先就是艇体本身的噪音。因为以现有的制造工艺潜艇并不能做到绝对光滑,这也就意味着潜艇在航行时潜艇艇身会与海水摩擦产生噪音,在艇身凹陷处还会产生涡流造成更大的噪音。这种时候就只能通过提高潜艇制造工艺和优化艇身设计使艇身尽量平滑,比如现代核潜艇基本都在指挥塔围壳和艇身连接处加一个圆滑的填角。
其次就是螺旋桨。当螺旋桨高速旋转时,桨尖处因为压强突然减小从而产生大量空泡,随后这些空泡又迅速破裂,这过程中会产生巨大的噪音。为了减小这种噪音,最好的办法就是降低螺旋桨的转速,可是降低转速潜艇速度又会下降,所以多桨叶低速螺旋桨就诞生了。这种螺旋桨在降低转速的同时又保证推力不会减小,最常见的就是七片、九片桨叶的螺旋桨。当然,静音效果最好的莫过于泵推推进器。
潜艇外的噪音源解决了,潜艇内的又来了。潜艇在水下航行时都是靠电动机驱动推进器前进,而电动机在转动时又会不断的震动产生最大的噪音,而除了电动机潜艇内部还有很多会有震动而产生噪音的设备。普遍的做法是在震动源底下加一个垫子缓冲震动,防止震动传导到艇身。由于各个潜艇大国在减震方面都保持高度机密,因而公开的材料并不多。但是也可以看到,洛杉矶级核潜艇连跑步机也装了减震垫。
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潜艇的主要优势就是行动的隐蔽性和攻击的突然性,而潜艇在航行时产生的各种噪音是影响其隐蔽性的关键因素,因此,潜艇的减振降噪一直是各军事强国重点的研究方向。现代潜艇中最大的噪音源是动力系统机械振动和噪音、潜艇航行时产生的流体噪声,其次还有如辅助系统设备、侦察系统运行以及人员操作等产生的噪音。美国“海浪级”核潜艇
按照公开的信息,目前全球范围内降噪措施作做的最完善的潜艇,当属美国的“海浪级”核潜艇。虽然首艇“海狼号”已服役20多年,但据推测,“海狼级”核潜艇的整体噪音水平在90-100分贝之间,尽管上世纪末的设计,但其噪音水平依然处于领先地位,即便美国最新一级“弗吉尼亚级”攻击型核潜艇和俄罗斯最新的“亚森级”核潜艇也没有超越“海狼级”的静音水平。俄罗斯各级核潜艇参数及噪音水平俄罗斯“亚森级”攻击性核潜艇
“海狼级”在降噪方面可谓是使尽浑身解数,最主要的是采用具有高自然循环能力的S6W一体化反应堆(自然循环能力超过30%)、减小了主循环泵的噪音,首次采用“泵喷”推进技术,降低了螺旋桨噪音;此外,其所有的轮机都装置在减震浮筏上、汽轮机也考虑了配置与隔音、舰体外部覆盖橡胶隔音瓦(甚至很可能使用了主动降噪减震技术)、还在全舰布置了数十个个噪音、震动侦测器,时刻关注自身静音状态。 建造中的“海浪级”核潜艇,可见其尾部“泵喷”结构
潜艇在降噪方面的做法,主要可以从以下几个方面考虑:
1)减小噪音源水平:研发更安静的动力系统,包括AIP系统(不仅噪音低、而且续航能力强,对常规潜艇而言作用巨大)、自然循环能力更强反应堆;建设振动部件和传动装置,如目前研发热点“无轴泵推”技术、以及“磁流体推进”等;典型的AIP(不依赖空气)动力构成法国K-15一体化反应堆示意图
2)隔离噪音传播途径:目前广泛采用的两种方法是“减震浮筏”、消音瓦等,其他还有如气幕降噪等方法,通过增加噪音的传递难度,进而减低潜艇的可探测噪音。俄罗斯“台风级”核潜艇表面的消音瓦
美国“弗吉尼亚级”核潜艇出现消音瓦大面积脱落现象
3)优化结构设计:潜艇在运动中造成的流体噪声也是重要的噪音来源,目前的潜艇设计均采用流线型艇身,部分潜艇还对指挥塔等局部进行了“填角”处理,进一步降低与流体摩擦可能产生的噪音。德国212A型常规潜艇,其高超的建造工艺和圆滑的外形都有利于降低流体噪音093改型攻击型核潜艇外形更加流畅、指挥围壳也进行了填角处理
除上述措施外,随着技术的进步,一些小的细节上也在不断改进,如采用数字化仪表、紧凑式操控设备、精密工艺的连接件等,对于潜艇噪音是锱铢必较!对于潜艇来说,噪音高一分就意味着危险多十分!现代潜艇噪音已逐步接近海洋背景音水平、愈加难以探测,将在未来战争中扮演更重要的角色。
据说是“海浪级”核潜艇内部,采用也大量的综合液晶显示器“弗吉尼亚级”核潜艇的信息化程度更高
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