打破"海狼"级和"弗吉尼亚"级核潜艇神话

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　　打破"海狼"级和"弗吉尼亚"级核潜艇神话

　　潜艇噪声理论下限探讨与分析

　　“海狼”级和“弗吉尼亚”级潜艇是美国目前最先进的攻击型核潜艇，自服役之始就被看做是攻击型核潜艇巅峰之作，在网络上和军事评论界流传着很多关于这两种核潜艇先进程度的描述，最多的莫过于其神奇的低噪声隐身性能。

　　网络上和军事评论界对美国这两级最先进核潜艇低噪声隐身性的一般评价有如下说法：辐射噪声已经低于海洋背景噪声、在水下20节航行的弗吉尼亚级噪声低过码头停泊的洛杉矶级别，还有直接“数据”说话说这两级潜艇噪声级为95dB而海洋背景噪声为100-110dB等等诸如此类说法。甚至有些比较严肃的专业研究舰船降噪或水声学的科技论文也不加求证和思考的引用这类数据。这些说法另普通军迷眼花缭乱无所适从、媚外者狂喜不已如痴如醉、爱国者妄自菲薄自怨自艾。

　　本文通过对潜艇噪声理论极限的分析，结合网络上能够找到的资料，推测“海狼”级和“弗吉尼亚”级核潜艇真正的声学隐身水平，与其他潜艇声学隐身性能对比，力求打破“海狼”级和“弗吉尼亚”级核潜艇静音神话。

　　阅读建议：阅读本文前最好先阅读笔者以前的一篇文章：《潜艇辐射噪声的特征、强度描述方法以及一些误区》

　　一、潜艇噪声的组成，及潜艇噪声理论下限的物理概念
　　潜艇的噪声可以分为辐射噪声和自噪声两种。其中辐射噪声是由潜艇上的机械运转和潜艇运动所产生的并辐射到水中的噪声，它是由离开潜艇一段距离的水听器接受到的噪声。 潜艇自噪声是安装在潜艇艇体某部位上的全向水听器接收到的由于潜艇自身动力装置﹑设备和艇体运动所引起的噪声。对于潜艇静音性和隐身性来说有意义的是潜艇辐射噪声，潜艇自噪声主要影响自身声纳的探测能力。潜艇辐射噪声一般由机械噪声、螺旋桨噪声以及水动力噪声组成。这些噪声分量的来源和贡献如下：

　　1、机械噪声：机械噪声是由艇上各种机械设备、管路系统产生的噪声。主要包括潜艇航行的主机(柴油机、主电机、汽轮机等)，变速箱，配套推进传动装置(如轴系等)一集辅助机械在运行过程中产生的振动，通过底座或支架传递到船体，激励船体振动向水中辐射声波。机械噪声是潜艇低速巡航时最主要的噪声源。

　　2、螺旋桨噪声：螺旋桨噪声是桨叶在非均匀流场中旋转运动产生的，包括螺旋桨空化噪声、螺旋桨转动噪声和桨叶振动噪声。螺旋桨噪声是潜艇高速航行时的主要噪声源。

　　3、水动力噪声：水动力噪声是由不规则起伏的海水作用于航行潜艇所产生的噪声。该噪声包括流噪声、流激振动噪声和表面空化噪声。水动力噪声主要影响平台自噪声，也就是对自身声纳工作有影响。

　　通过以上介绍可以看出，潜艇的主要辐射噪声来源是机械噪声和螺旋桨噪声，而一艘潜艇只要他在运动必然必然不可避免的有流噪声存在，那么潜艇噪声的理论下限的推导就基于如下假设：

　　某一艘以一定速度航行的潜艇，没有任何机械噪声和螺旋桨噪声，艇壳没有被流场激发振动，也不会产生表面空化，也就是只存在流噪声。这种情况的潜艇就达到了潜艇噪声的理论极限，除非航速为0，否则其噪声不可能降低了。

　　二、潜艇噪声理论下限的分析
　　1. 潜艇模型流噪声计算
　　上节笔者已经指出了，潜艇噪声的理论下限就是潜艇的流噪声，流噪声可以通过等比或缩比模型在水洞中直接测量。同时，一个十分令人振奋的情况是：流噪声可以通过流体有限元仿真软件也就是CFD(Computational Fluid Dynamics)直接计算，而商用的CFD软件种类十分的多，同时这方面的文章笔者也找到不少。此处选择采用试验数据齐全的美国全附体潜艇缩比模型SUBOFF 相关的CFD流噪声计算结果作为论据。

　　SUBOFF 潜艇是DARPA(美国国防预研规划署)和大卫·泰勒研究中心(DTRC)共同成立的规模庞大的 DARPA SUBOFF 研究课题。SUBOFF模型，尺寸比例为1:24，缩小后的模型尺寸为艇长4.356m，艇身最宽处为0.508m ，指挥台长0.368m，上有一外凸的顶盖。尾翼布置方式为翼型后缘位于4.007m 处，尾翼布局为十字型，四个尾翼剖面为 NACA0020 翼型，对称布置。

　　从数据和长宽比例上看，其线型和尺寸基本是海狼级或弗吉尼亚级的缩比，而实际上美国海军研究部门也以此模型来对上述潜艇的噪声进行的评估。采用商用CFD软件，计算该潜艇模型的辐射噪声，计算时模型运动速度为6节，下列两幅图分别是潜艇模型的表面压力场分布和折算到1米处的辐射噪声频谱图。

　　从图中可以看出，这种全附体潜艇模型1kHz流噪声声压谱级约为70dB，总声压级根据计算大致为98dB左右。值得一提的是根据美国海军研究部门公开的该模型在水洞中的实测总辐射噪声结果约为101dB，仿真计算和实验结果基本一致。

　　2. 实际潜艇流噪声分析
　　由于理论计算的潜艇模型是缩比模型，实际潜艇的表面积远大于模型潜艇，也就是流噪声要远大于缩比模型计算结果。我们在这里再做一个让步的假设，即：实际潜艇流场分布和表面压力分布与模型潜艇完全一致，其流噪声总声源级仅与辐射面积有关。这种假设之所以是让步，是因为显而易见大型的物体在运动时，周围流体的绕流难度增大，流场不均匀性要大于其缩比模型的计算结果，其流噪声也要高于缩比模型总源级加上辐射面积引起的差值。

　　声学中如果一个物体表面压力场一定，那么其辐射的总声功率与其面积成正比。缩比模型是1:24，那么其表面积比为1:24²=1:576。那么由表面积引起的声源级提高为10lg(576)=27dB，由此计算真实潜艇在6节航速下，总流噪声声源级为101+27=128分贝，其1kHz辐射谱级因为97dB。根据流噪声理论和实验结果，在缩比模型放大到实际模型尺寸情况下，流噪声在物体上单位面积的总频带级基本不会发生变化，但低频段噪声会抬高，高频段噪声会降低。根据此情况，对1kHz谱级修正6dB，那么真实潜艇在6kn条件下的流噪声总源级为128dB，1kHz谱级为91dB。

　　通过以上分析可知，一艘长度24*4.356=104m，宽度12.2m的潜艇，在6kn状态航行时，如假设其仅有流噪声，则其辐射噪声总声源级理论下限为128dB，1kHz谱级理论下限为91dB。

　　三、“海狼”级和“弗吉尼亚”级真实噪声级估计，与其他潜艇噪声的对比
　　通过第二节的计算我们可以看出，6kn航行的潜艇噪声总源级的理论下限是128dB，1kHz谱级下限是91dB，那么流传的“海狼”级和“弗吉尼亚”级噪声级95dB就应该是1kHz谱级这样才比较合理，在1kHz谱级为95dB的情况下，根据一般潜艇噪声频谱模型，则该潜艇的总声源级为135dB。这个结论也符合国内水声学和潜艇降噪领域关于潜艇安静型技术水平的判断。

　　同时根据国外文献对苏联/俄罗斯和中国潜艇噪声强度的描述与海狼级作对比，国外文献描述如下：

　　此处AKula级潜艇噪声的原始描述(括号内)由于也低于了理论极限，因此此处不予采信，真实情况应该是括号外的估计值。另外，美国有报道中国的091级核潜艇噪声为160dB，此处认为其描述的是200Hz以下频带级，那么对应的1kHz谱级为125dB。

　　同时根据计算和分析推测的美国潜艇的真实噪声情况情况如下：

　　此处需要注意的是由于只计算了6kn航速下的流噪声理论值，因此本文仅给出6kn条件下的美国潜艇真实噪声情况，在高速情况下美国潜艇的噪声也一定会同样增高，虽然海狼级号称静音航速可以达到20kn，但那只是螺旋桨不空化的上限，并不是其95dB@1kHz的噪声值可以保持到20kn，实际上20kn情况下，即使是海狼级其噪声也将达到115dB@1kHz，将与低速航行下的Victor III 级相当。

　　由以上对比可以看出，虽然美国潜艇在噪声级上确实比其他国家核潜艇低，但并没有飞跃性的提高，同时受到理论噪声极限的限制，潜艇噪声实际上也不可能无限制的降低。美国潜艇的噪声实际上已经被控制的十分接近理论值了，其他各国也要向其学习，首先将能够控制的机械噪声和螺旋桨噪声降低到最小。

　　结束语
　　通过以上分析、仿真和论证，“海狼”级或“弗吉尼亚”级固然是世界顶级的先进潜艇，其安静性已经基本达到了理论极限，但与其他国家潜艇相比，其声学隐身的领先程度并没有想象的那么巨大，对水声学探测也没有颠覆性的挑战。军事爱好者和专业人士应该对其性能保持清醒的头脑和理性的认识，不能人云亦云，空造神话，这对分析国内外军事水平，引导我国潜艇发展方向，谋划我国反潜和潜艇战略战术都有着十分重要的意义。

　　参考资料
　　[1] 全附体潜艇流噪声数值计算.曾文德等，兵工学报，2010.9
　　[2] Nancy C. Groves, Thomas T. Huang, Ming S. Chang. Geometric Characteristics of DARPA SUBOFF Models. David Taylor Research Center, 1989.
　　[3] A. J. Musker, P. R Loader, M. C. Butcher. Simulation of Submarine in Waves. ISP, vol.35, No.404, 1988.12
　　[4] Atkins D. J. Computational hydrodynamics for submarine—recent development. [C]. International Symposium on Naval Submarine 5, 1996.10
　　[5] 全附体潜艇的流场和流噪声的数值模拟.卢云涛，上海交通大学硕士学位论文，2008

　　来源：超级大本营论坛
　　作者：slayerhuahua