国外潜艇声隐身前沿技术发展综述_苏强

Abstract： This report introduce the representative of the foreign submarine acoustic stealth front technology，including acoustic metamaterials，new magnetostrictive materials，submarine electromagnetic launch technology，environmental energy harvesting technology and new acoustic camera technology． New concepts，new principles，new materials was studied，in order to understand the foreign submarine acoustic stealth front technology and enhance the use of submarines in combat stealth advantage for reference．
此前有研究人员表示，可利用莱顿弗罗斯特效 应提高潜艇的运行效率，这种方法的原理是： 潜艇 在水中运动时，艇体与水接触部分的温度要高于水 的沸点，从而让水产生绝缘蒸汽层包覆在艇体表面。 该蒸汽层能够有效减少航行阻力，但将艇体加热需 要大量的能量输入，这与节省潜艇燃料消耗的想法 相悖。晶格水泵系统相比莱顿弗罗斯特效应要好得 多，因为微型水泵不需要过多的能量。
1 潜艇超常材料隐身技术
1. 1 研制背景 在传统隐身技术日渐成熟的情况下，要继续提
高潜艇隐身性能需要探索新的方法。近年来，美国 海军开始研究一种可实现潜艇声隐身的超常材料， 目前已经取得一些进展。2012 年，美国海军超常材 料技术在潜艇隐身领域取得重大进展，美国海军研 究署向杜克大学超常材料中心投资，正在研制一种 内嵌微型水泵的三维晶格多孔金属超常材料的潜艇 声隐身技术。韦德琳格 （ Weidlinger） 联合公司在美 国海军小企业创新研究 （ SBIＲ） 基金的资助下，开 发出名 为 “金 属 水” 的 潜 艇 声 隐 身 技 术［1］。2013 年，西班牙瓦伦西亚理工大学还成功开发了三维声 学隐身结构［2］。 1. 2 概念原理
兵器一般以潜艇所发出的信号追踪目标，其中艇体 振动辐射是潜艇所发出的一种重要信号，给潜艇安 全带来了重大威胁。因此各国均在开展各种研究， 其中，通过在艇体表面安置作动器来抵消艇体振动 已经成为降低潜艇振动辐射信号的重要手段，而作 动器的性能与所用的磁致伸缩材料息息相关。
20 世纪 40 － 60 年代，人们发现镍、钴及铁氧 体材料具有较明显的磁致伸缩特性 （ 磁致伸缩率约 10 － 5 量级） ，它们通常被称为传统磁致伸缩材料。传 统磁致伸缩材料具有居里温度高和机械性能好等优 点，但是 磁 致 伸 缩 率 很 小。1973 年， Clark 发 现 Terfenol － D 材料在室温下具有 10 － 第1 期
苏 强，等： 国外潜艇声隐身前沿技术发展综述
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小的模拟试验，研究人员至今仍未设计出一个与潜 艇实际尺寸相匹配的无尾迹控制模型。到目前为止， 尾流控制隐身技术设计还仅能对在水中以缓慢速度 移动的小物体起到尾流控制作用。然而，现实中的 潜艇不仅尺寸更大，而且速度更快，因此，对于如 何能够设计出适合大尺寸、快速行进物体使用的尾 迹控制模型成为无尾迹技术发展的难点。
开发中的新技术从根本上改进了结构体面对声 呐探测的隐身能力，可以帮助海军减少水下目标的 噪声信号、降低主动声呐信号，解决目前安静型潜 艇暴露的最主要因素，提高潜艇生存能力，是一项 具备改变水下战场作战规则 （ 隐蔽与搜索） 能力的 技术。
2 新型磁致伸缩材料
2. 1 研制背景 潜艇在海上面临水雷和鱼雷的威胁，这些水中
图 1 “金属水” 材料示意图 Fig. 1 Metal water materials schematic
从近年研究进展情况来看，超常材料在隐身领 域的应用前景受到广泛重视，有望替代现有隐身技 术，使目前各种军用探测设备失去作用，在未来战 场上给技术落后一方带来灾难性后果。其中在电磁 隐身领域，美、英等国已经取得一批重要研究成果， 如利用超常材料实现了微波频段电磁隐身，在光隐 身领域实现了在可见光波长 632. 8 μm 情况下物体 隐身，在声隐身领域开展了二维声学隐身衣、三维 声学隐身衣散射理论及制造方法研究。
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舰船科学技术
第 36 卷
属或其他固体材料在微观工程结构上进行加工而成。 “金属水” 覆层技术主要对金属铝材料进行切割和 处理，制造出一种六角形晶胞结构的满足特定需求 的负折射率材料，并将其纳入潜艇艇壳外覆盖的静 音材料内。该方法利用 “转化声学” 新理论，该理 论源于具有不同密度和弹性的材料层所带来的效果， 同时也利用传统的机械工程结构、材料和声学理论。 通俗地说，声学负折射率材料可以使声波在接触到 这种材料的时候传播速度被加快，离开的时候传播 速度被降低，整个过程声波不会发生失真，进而躲 避声呐的探测。
超常材料是一类具有天然材料所不具备的超常 物理性质的人工复合结构，其性质主要取决于人工 结构，而不是材料本征性质。用于潜艇覆层的声隐 身超常材料是一种声学负折射率材料，可通过对金
收稿日期： 2013 － 10 － 21； 修回日期： 2013 － 11 － 11 作者简介： 苏强（ 1985 － ） ，男，硕士，工程师，主要从事舰船总体研究。
第 36 卷第 1 期 2014 年 1 月
舰船科学技术 SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol． 36，No． 1 Jan． ，2014
国外潜艇声隐身前沿技术发展综述
苏 强，王桂波，朱鹏飞，宋 杨
（ 中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京 100192）
摘 要： 介绍包括超常材料潜艇隐身技术、新型磁致伸缩材料、潜艇电磁发射技术、环境能采集技术和新型声
学照相技术在内的具有代表性的国外潜艇声隐身前沿技术。内容涉及对新概念、新原理、新材料的介绍和研究，为了
解国外潜艇声隐身前沿技术发展情况，提升我国潜艇在作战使用中的隐身优势提供借鉴。
关键词： 潜艇； 声隐身； 前沿技术
中图分类号： U674． 76
文献标识码： A
文章编号： 1672 － 7649（ 2014） 01 － 0001 － 09 doi： 10. 3404 / j. issn. 1672 － 7649. 2014. 01. 001
Key words： submarine； acoustic stealth； front technology
0引言
经过几十年的发展，潜艇声隐身技术已在实际应 用中取得显著成效，如浮阀减振、消声瓦、AIP、低 噪声螺旋桨等声隐身技术在潜艇上的广泛应用，使得 潜艇隐身性能得以不断提高。虽然潜艇声隐身技术已 经取得很大进步，但国外从未停止过对新型潜艇声隐 身技术的探索与研究，近期提出并开展了一些非传统 的隐身技术及概念研究，以期使潜艇隐身性能获得重 大突破。本文将着重对国外目前正在探索与研究的一 些潜艇声隐身前沿与新兴技术进行介绍，为我国潜艇 声隐身技术发展提供借鉴和参考。
2） 潜艇覆层声隐身技术 用于潜艇覆层隐身的超常材料于 2012 年提出， 是一种声学负折射率材料，可通过对金属或其他固 体材料在微观工程结构上进行加工而成。杜克大学 超常材料中心已经使用椎体和圆柱体等简单形状的 物体进行了声隐身试验，成功地躲避了声呐的探测。 研究人员认为，可以开发出应用于形状更复杂潜艇 外壳的声隐身超常材料。Weidlinger 联合公司已经 通过小企业创新研究 （ SBIＲ） 基金从美国海军获得 资助。该技术不是简单进行喷涂的涂层技术，而是 在潜艇外壳增加一个覆层，因而会导致潜艇的重量 增加。目前该技术处于小企业创新研究 （ SBIＲ） 基 金第二开发阶段，软件技术已经达到技术成熟度 5， 材料技术已经达到技术成熟度 4，整体概念达到技 术成熟度 3。 3） 三维声学隐身结构 2013 年 3 月，西班牙瓦伦西亚理工大学运用计 算机算法，设计了一个由 60 个不同尺寸的环组成的 笼子形状的塑料结构，并将它围绕在圆球周围。模 拟表明，声波散射离开球体后，环状结构能够相互 干涉，最终使声波抵消。
图 2 电脑演示的无尾迹控制 Fig. 2 Computer demo no wake control
如果这种设想能够实现，即可对潜艇航行过程 中产生的尾流进行控制，使舰艇在水中航行能够产 生没有物体通过的效果。利用这种方法，能够减少 物体在水中运动所需要消耗的能量，同样的潜艇在 水中航行的话，理论上也能够节省燃料。一般情况 下，固体在水中运动所排出的水量往往比自身的重 量要多，如果潜艇在水中运动的剪切力消失或减小， 那么潜艇运动所排出的水也会更少。
目前，探测潜艇最主要的方法是声呐探测，包 括主动声呐和被动声呐。随着艇用装备及艇体的优 化，潜艇的辐射噪声逐渐降低，安静型潜艇成为潜 艇部队的主力。对于安静型潜艇而言，主动声呐是 最佳的探测方法。声学负折射率超常材料能够通过 对声波能量进行引导和吸音来抑制各种散射声波和 反射声波，从而使目标在主动声呐探测下隐身，同 时还可以降低水体造成的结构振动，从而降低被动 声学信号并提高航行速度。
1） 潜艇尾流控制隐身技术 2011 年 8 月美国杜克大学的研究人员表示，一 种新型材料制成的隐身系统能够通过消除剪切力并 减少排水量的方式，在物体经水中通过的时候把水 变成静态。杜克大学电气和计算机工程助理研究教 授设想在潜艇艇体覆盖一层三维晶格多孔金属材料， 这种材料中能够嵌入微型水泵，这些水泵能够控制 水流以多种流速流过［3］。最终目的是让水流加速流 入多孔金属三维晶格材料本身的孔隙中，然后在流 出的时候速度减缓。流入流出前后，水流速度不发 生变化，水流会无缝地闭合在潜艇四周，完全不会 产生水流的扰动。
三维声学 隐 身 结 构 则 是 利 用 设 计 的 环 状 结 构， 通过相互干涉，阻止散射的声波散射出去，最终使 声波抵消，从而实现三维物体隐身。 1. 3 发展现状