外防反射,内降噪声,了不起的“隐身衣”:潜艇消声瓦面面观

潜艇之所以成为令人闻之色变的“杀手”,在于拥有隐蔽和突袭两大优势。在深海里电磁波跑不远,光线看不见,红外不灵敏,磁异常距离近,想发现潜艇只能依赖声音这种手段。

然而海洋是有背景噪声的,地质变化、洋流运动、海浪涌动、风力吹动,人类活动、各种生物活动都会形成噪声。所以现代潜艇无不努力的降低噪声,一旦能融入背景噪声中,那就将彻底隐身无迹可寻。

为此人们尝试了各种方式,如更安静的发动机,减振浮阀,核反应堆自然循环等技术。除此之外还有一种重要方法就是敷设消声瓦,为潜艇穿上一件“超级隐身衣”,使敌人难以发现。

消声瓦是由橡胶或合成聚合物制成的,内部有上千个微小孔腔,在潜艇、军舰上起到吸声、透声、反射、隔振、减阻、防污等多种功能。

台风级核潜艇上的消声瓦

台风级核潜艇上的消声瓦

二战中德国首先研制出消声瓦,代号“阿里贝里奇”(Alberich,取自一部音乐剧中守卫宝藏的隐形人的名字)。

这种合成橡胶瓦由大名鼎鼎的德国法本化学公司研制,采用高分子聚异丁烯均聚物制成,大小约1平方米,4毫米厚,上面是密密麻麻的直径2毫米和4毫米的圆柱形孔洞。

阿里贝里奇消声瓦材料

阿里贝里奇消声瓦材料

这种合成橡胶瓦在10-18千赫兹范围内,能降低主动声呐15%的反射回波,正好覆盖盟军早期ASDIC 声呐的工作范围。

由于消声瓦上的细孔受水压压缩变化,所以回波反射率随潜艇下潜深度不同而变化。这种消声瓦还能抑制柴油机噪音辐射,降低U型潜艇的声目标特征,减小被动声呐的探测距离。

1940年德国首先在U-11号潜艇上测试,1941年又在U-67号潜艇指挥塔和艇体两侧敷设了消声瓦。

测试中发现很多问题,其中之一就是胶粘剂强度不足,导致消声瓦松动脱落。海水下环境恶劣,高盐高湿不说,航行中还会遇到很大阻力,经常将消声瓦从艇体上剥离。一旦松动海水在缝隙处形成湍流,反而加大了水动力噪声,使潜艇更容易被发现。同时还增加阻力,降低水下航速。

所以工程师们不断改进,直到1944年底才基本解决胶粘剂问题。为潜艇安装消声瓦是个仔细活,要耗费数千工时铆接胶合,但相比带来的好处,复杂点也是值得的。

U-480号潜艇上的消声瓦

U-480号潜艇上的消声瓦

新粘合剂首先在U-480号潜艇上使用,取得了优良效果。司令部决定推广到新研制的XXI、 XXIII型潜艇上。然而德国投降太快,没等消声瓦大量装备战争就结束了,最终只有一艘XXIII型 U-4709号装备了消声瓦。

二战后,德国消声瓦技术被苏联和英国掌握,在各自国家中快速发展起来。苏联人在消声瓦上投入了大量人力物力,取得了丰硕成果,1965年开始装备潜艇。随后潜艇噪声水平迅速下降,很快就追上了美国同行。

苏联消声瓦以丁苯橡胶为基材,有多种不同规格。不同潜艇上消声瓦厚度不同,同一潜艇不同位置上的消声瓦也不相同。

各种攻击核潜艇、巡航导弹潜艇一般用50-150mm厚的消声瓦,能缩短北约声呐约75%的探测距离。阿库拉级攻击核潜艇比较特殊,艇艏是一层液体橡胶蒙皮,能降低阻力,还能根据压力变化自动调整。

阿库拉级核潜艇

阿库拉级核潜艇

战略核潜艇对隐蔽性要求更高,于是消声瓦厚度也更大。台风级核潜艇平均消声瓦厚度达100-200mm,由陶瓷和橡胶复合构成,能降低约10-20dB的声音强度,相当厉害。

台风级核潜艇上的消声瓦

台风级核潜艇上的消声瓦

另一边英国人也在20世纪70年代研制消声瓦技术,并在“丘吉尔”号核潜艇上试验。它的消声瓦基材是聚氨脂,性能也不错,但与艇体的粘贴问题一直没有解决好。导致核潜艇航行时消声瓦经常大面积脱落,严重影响性能。

英国特拉法尔加级核潜艇上剥落的消声瓦

英国特拉法尔加级核潜艇上剥落的消声瓦

后来英国人放弃了艇体粘贴技术,改用实艇现场浇注成型,直接弄成一体的,开辟了一种全新方向。

面对噪声越来越低的苏联先进潜艇,美国人也很着急。所以80年代从英国获得技术,开始研究消声瓦。其消声瓦技术提高很快,基材是聚氨脂和玻璃纤维合成材料,采用双层铝板固定式吸声结构,效果非常明显。洛杉矶级核潜艇噪声降到128 dB左右,俄亥俄、海狼级甚至降到120 dB以下。

1988年美军在洛杉矶级核潜艇“圣胡安”号上首次敷设消声瓦,艇体装配借鉴了航天飞机隔热瓦的敷设工艺。

SSN-571圣胡安号核潜艇上的消声瓦

SSN-571圣胡安号核潜艇上的消声瓦

然而美国消声瓦的粘贴效果仍然不理想,2018年最新锐的弗吉尼亚级核潜艇上仍然有大面积脱落现象,让海军对相关研制部门非常恼火。

如今美国在积极研制一种类似油漆的“超疏水”涂层,内部充满气泡空隙,可以减阻降噪、提高航速。实验中涂层能吸收91%的传入声能,反射率不到3%,效果非常显著。相比之下,全裸露钢板声能反射率高达88%!是一项非常值得关注的新技术。但如何生产出既容易施工,又坚固耐用的实用性涂层仍是个挑战。

如果你以为消声瓦只能吸声隔声,那就太小看它了,那只是其中一种(无回声瓦)的功能。

水声橡胶材料有吸声、透声、反声等三种类型,潜艇消声瓦中则有去耦瓦、透射损失瓦、无回声瓦、阻尼瓦等多种分类,组合起来具备吸声、透声、反射、隔振、减阻、防污等多种功能。

弗吉尼亚级的主被动声呐基阵

弗吉尼亚级的主被动声呐基阵

如声呐、鱼雷的导流罩要用透声材料,让声音透过去。主被动声呐基阵的周边就要用透射损失瓦,防止噪声进入其中干扰工作。反声材料则是特意把声音反射回去,最好100%全反射,如声呐基阵的反声后挡等。不同的需要决定了不同的水声材料。和风漫谈原创,禁止抄袭。

潜艇水下噪声源主要有3种:一是螺旋桨噪声;二是艇体水动力噪声;三是内部机械和管系产生的辐射噪声。

所以不仅是艇外吸声、隔声,艇内也要减少机械噪声辐射和抑制振动。除了减振浮阀,还要在机舱内、外面安装阻尼瓦,吸收机械噪声阻止其辐射到艇外。

阻尼瓦呈尖劈状结构,和消音室里使用的吸音材料结构类似。消音室里非常安静,人在里面说话没有回声,能听到心跳甚至器官运动的声音。据说美国奥菲尔德实验室的消音室是世界上最安静的地方,人在里面不能超过1小时,否则会发疯的。

双壳体潜艇在敷设消声瓦上有天然优势,如很多苏联潜艇在非耐压壳体内外、耐压壳体外部都有消声瓦,且不同位置上使用不同功能的消声瓦形成复合效果,达到了外防反射、内降噪声的良好效果,给潜艇穿上一件了不起的“超级隐身衣”。

如今,整体消声瓦、俄罗斯的复合结构消声瓦、美国的玻璃纤维制双层薄板消声瓦都有良好发展前景,未来将为潜艇隐身提供更大帮助,使其成为真正的“大洋黑洞”!

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