目前我军与美军差距最大的一个领域是在水下,主要是核潜艇。虽然我军的093和094系列核潜艇虽然不停地在改进,但是我们必须承认,面对美国海军的弗吉尼亚级和海狼级,还是差了不少。
不过有种种迹象表明,我军新一代核潜艇露面的日子应该已经不远了。这款新潜艇将采用哪些新技术,我们不得而知。但通过一些公开资料的分析,我们还是可以看到蛛丝马迹。比如说主动声隐身技术。
最近香港《南华早报》披露:我国科研人员新开发的主动降噪技术,将使我军下一代核潜艇能够有效对抗敌方主动声纳系统的探测。
目前探测潜艇最有效的技术还是声呐。声呐也分为两种,一种是被动声呐,主要探测潜艇自身的噪音。这种声呐相关的科研进展,已经被我们介绍过多次。另一种主动声呐,我们介绍的较少。因为它的适用范围较窄。一般用来进行海底地形测量,探测水雷,和最终对潜艇进行攻击前定位。虽然其适用范围较窄,但也不是不可忽视。一旦主动探测手段失效,就会陷入即使发现了潜艇,也无法最终瞄准的尴尬境地。
主动声纳技术的基本原理,是在水中发射出一定波长的声波,根据目标反射回来的声波信号来计算目标的距离和方位。现代潜艇的外壳表面大多覆盖有消声瓦,一方面可以吸收潜艇内部机械振动产生的噪声,另一方面也可以吸收敌方主动声纳系统发射过来的探测声波。
这些消声瓦的工作原理属于被动对抗,通常由厚度不到7厘米的橡胶或合成材料制成,能够吸收波长比它的厚度更短的高频声纳信号,但是对波长更长(频率更低)的声纳信号效果不好。
然而现代主动声纳的频率正变得越来越低,波长正在超过一米。对于这样的声纳信号,正常的做法是把消声瓦厚度加到1米以上, 但这个重量和阻力的代价是无法接受的。于是有科研人员就想到利用降噪耳机一样的原理,用主动对消的方式来吸收对方发射的声波。
目前主动隐身覆盖层中的发射单元主要用压电陶瓷来实现,但压电陶瓷材料普遍存在尺寸范围小、低频难实现、不耐高压、驱动电压高、材料褪极化等问题。造成主动隐身技术难以实用。我国科研人员采用一种被称为“磁致伸缩材料”(GMM)的新型材料实现了水下发声单元,并设计了新的发声结构,真正把主动隐身技术实用花了。
GMM是由英国物理学家詹姆斯·焦耳在1842年首次观察到的一种现象,即某些材料在靠近磁体时会被拉伸或者收缩。由于这种变化的幅度太小,当时的科学家们没有找到任何重大的应用场景。
到了20世纪70年代,美国海军的科学家第一次创造了一种可以实用化的GMM材料,被用在美国海军几艘军舰上的主动声纳中,作为重要的驱动部件。但是由于磁致伸缩材料的制造需要大量昂贵的稀土元素,如铽和镝,储量主要集中在中国,因此该技术的使用仍然非常有限。
但我国用这种材料是不受限制的。这种材料有哪些优点呢?第一,是声学性能好。普通压电陶瓷发射的声波在2khz以下的频段中并不是均匀的,而是在某些频率上会有能量集中的现象,从而引起潜艇自身的共振,反而暴露了自己。
而基于这种GMM材料的新型发射单元,其高阶共振频率比压电陶瓷降低10%以上。
第二,发射能量更高。这种主动消声瓦能够产生的低频信号强度高达147分贝,强度足以对消美军使用的一些最强大的主动声纳。
第三,带宽大,其在480hz到2000hz 范围内的声压级都超过100db,可以有效对付各种频段的声呐。而如此强大的辐射单元,大小和厚度不到一块砖头的一半,传统的压电陶瓷结构,如果要达到相应的性能,重量和体积要大几十倍。
如果这种消声瓦在我国新一代核潜艇上得到应用,将使得核潜艇拥有对敌方主动声纳的隐形能力。这对于我军核潜艇突破第一岛链进入广阔的太平洋拥有重大意义。