歐洲某型艦殼聲納水管理系統的優化設計

宋靠華，浦紅燕，羅雯軍

（701研究所上海分部，上海 201108）

0 概 述

水面艦艇反潛系統的聲納配置側重于被動式拖曳線列陣聲納和主動式球鼻艏艦殼聲納，這種方式可以保證主動和被動方式互相補充，相得益彰。例如美國海軍的 AN/SQR-19戰術拖曳線列陣聲納和AN/SQS-53線列聲納（A、B和C型）；英國海軍的2031型拖曳線列陣聲納和2050型（或2016型）艦殼聲納。

艦殼聲納是將換能器基陣固定安裝在艦底的球鼻艏導流罩內，聲納換能器是大多數水面艦艇的主要水下目標探測工具。基于艦殼聲納換能器正常工作時周圍的流體介質是水，因此球鼻艏導流罩內的水環境[1]（包括液位高低、壓力高低、水流噪聲及是否有氣泡等）將直接影響聲納能否正常工作、性能發揮的好壞和作用距離的遠近，對此歐洲某型艦殼聲納生產廠商對該型艦殼聲納水工作環境提出了自己的要求和設計理念，并且把為滿足和優化該型艦殼聲納水工作環境條件而設計的系統稱為“聲納水管理系統”。

1 歐洲某型艦殼聲納水管理系統的設計方案

艦殼聲納水管理系統主要包括：注水系統、排水系統、氣泡排出系統、水位報警系統及穩壓系統等。

根據廠商的要求及建議，結合以往對艦殼聲納水管理系統的設計經驗，該型艦殼聲納水管理系統的設計方案見圖1。

1.1 注水系統

艦殼聲納換能器運行的前提是要求聲納換能器艙內注滿水，為了更好地發揮聲納性能，廠商要求艙內所注水的性質與艙外相同，即艙外是淡水則艙內也應注淡水，艙外是海水則艙內也應注海水，為了滿足這一要求，注水系統設有淡水和海水注入2套管系方案：

1)淡水海水均可直接來源于艦外，因為聲納換能器艙在水線以下；

2)淡水也可來源于艦內洗滌水系統，海水也可來自艦內日用海水系統。

1.2 排水系統

艦殼聲納換能器在檢修時必須將艙內注水排出舷外，為此，排出途徑有2種選擇：

1)設置一臺具有一定自吸高度的獨立排水泵將換能器艙內的水排至舷外；

2)結合艦疏排水系統，通過聲納換能器艙所在艙段排水泵（一般為移動式潛水電泵）將艙內水排至舷外；或在聲納換能器艙內低位處設一艙底水吸入口，通過聲納換能器艙所在艙段疏水泵（一般為 噴射泵）將艙內少量積水排至舷外。

圖1 聲納水管理系統

1.3 氣泡排出系統

常規注水過程不可避免夾帶氣泡，而氣泡也不可能在完成注水的同時立刻浮游到聲納平臺并通過透氣管排至艙外[2]。氣泡的存在無疑是有害的，主要有2個方面：

1)球鼻艏內有氣泡，當聲功率發射時，氣泡易造成二次反射，使球鼻艏內產生混響，從而對聲納探測目標產生嚴重干擾；

2)當氣泡位于聲納換能器基陣表面時，會導致聲功率發射不出去，將基陣本身燒壞。

為了消除氣泡對聲納換能器的影響，讓氣泡徹底排出換能器艙，可采用以下2種方法：

1)當艦船接收出航任務較早時，聲納換能器艙可以提前幾天注滿水，氣泡在靜置幾天的過程中通過透氣管排出換能器艙；

2)沿著聲納平臺及聲納換能器基座內表面及基座內表面最高點盡量均勻地多設幾路聲納換能器艙透氣支管，確保氣泡在注水及航行過程中以最快速度排出換能器艙。

1.4 水位報警系統

為了保證聲納換能器艙在聲納工作時始終灌滿水并能隨時監測艙內水位，需設置水位報警指示系統。方案有2種：

1)水位報警系統可設置在聲納控制室，當水位低于高位時，應有聲或光報警（報警按鈕兼具復位功能），因為當艙內沒有注滿水時會直接損害聲納換能器，而艙內沒水時將危害整個聲納系統。判斷水是否注滿可通過安裝在氣泡排出管路上的液位觀察鏡直接觀察。

2)可在主甲板下的氣泡排出管路上設置一個容積不小于聲納換能器艙容積百分之一的液位顯示器，當液位處于低位時，開始注水，當液位處于高位時，停止注水。

1.5 穩壓系統

艦殼聲納水管理系統還包括一個穩壓系統，每型艦殼聲納都有工作壓力要求，該型艦殼聲納要求艙內壓力約為1個大氣壓。要實現艙內穩壓，注水水源壓頭必須高于聲納換能器艙內要求的壓力值，根據這一要求選擇注水水源，無論注水水源來自舷外，還是艦內，穩壓系統設計有以下2種：

1)基于注水端壓力不可控，選擇在溢流端控制壓力，在氣泡排出總管上設一溢流支管，溢流支管上設置穩壓應急排出閥，該閥的穩壓值為艙室要求壓力值。

2)選擇注水端控制壓力，由穩壓裝置代替注水閥，取消溢流用應急排出管系及相應閥件，見圖 2。自動平衡式調壓閥的閥后壓力為艙室要求壓力值。

圖2 穩壓裝置

2 聲納水管理系統設計比較

2.1 注水系統

如注水水源直接來自舷外，則系統管路較短，淡水海水可以共用一套管系，在減重上有優勢，且水的流量比較穩定。但是系統相關閥門要安裝在水線以下不易到達的部位，并且還要增設舷側進口壓縮空氣吹除系統。

如淡水水源來自艦洗滌水系統，海水水源來自艦日用海水系統，則系統管路較長，且艦內系統用戶端很多，因此水流不是很穩定。基于這兩路水源均有一定壓力，注水閥可設置在艦員易達的部位，無需設置壓縮空氣吹除系統。

2.2 排水系統

如采用獨立排水泵排水，還要設置一套固定管系，這樣還需考慮設備的安裝布置，顯然這對總布置是不利的。

如利用疏排水系統對聲納換能器艙進行疏排水，則無需增設任何設備及管系即可實現排水，這對總布置是有利的，而對操作者而言，只需在啟動排水系統前先將移動式潛水電泵搬運至相應位置。

2.3 氣泡排出系統

根據規范要求：凡裝有注入、抽吸、浸水或泄水設施的所有艙室和艙柜，均應設置通氣設施，因此聲納換能器艙原本就設有一根透氣管，而該透氣管可兼作氣泡排出管路及溢流管路，這樣氣泡排出系統就較為簡單；但實際上氣泡是分散貼附在聲納換能器艙的頂部，見圖 3。如要氣泡積聚到唯一一根透氣管處，將氣泡徹底排出艙內，無疑時間會很長，且氣泡排出效果較差，如遇任務緊急，這種設計是不能滿足要求的。

圖3 氣泡在聲納換能器艙內積聚

如按圖1所示，在聲納平臺表面及聲納換能器基座內表面均勻地多設幾路透氣支管，其中必須有一路在整個球鼻艏平臺最高處，在換能器前后及基座上方至少各設一路透氣支管，即3路支管才可保證空氣從各個氣管中快速排出，保證最高平面也能灌滿水。

2.4 水位報警系統

按第1種方案實施，無疑集成度提高，可控度加大，聲納系統正常工作得到保障，但為此多了一套相應的電氣報警系統。

按第2種方案實施，將意味著當聲納換能器運行時，隨時都要有艦員到指定地點監測液位并操作，相當于多一個戰位。

2.5 穩壓系統

方案1，系統較為簡單，操作也很方便。

方案2，系統較為復雜，操作也較為復雜，但此方案對穩定艙內壓力設有雙保險：即當自動平衡式調壓閥出現故障時，系統仍可通過對旁通閥、安全閥及泄放閥的操作使艙內壓力達到預期要求。

3 結 語

通過以上對該型艦殼聲納水管理系統設計方案的分析及比較，形成如下結論：

1)根據操作簡單、人員易達原則，注水系統按方案2進行設計較為可行；

2)針對艦艇艙容緊張的現狀，加上排水系統基本是在執行任務結束后運行，因此排水系統按方案2進行設計較為理想；

3)基于氣泡的存在對聲納換能器不利，因此氣泡排出系統按方案2設計，可在最大程度上減少氣泡對聲納換能器性能正常發揮的影響；

4)基于水位是否達標直接影響聲納換能器及聲納系統，因此對聲納換能器艙的水位監測和控制是相當重要的，雖然方案2沒有電氣部分，但在艏部這么惡劣的環境條件下設置一個戰位有悖人性化設計的原則，而且聲納操作人員因對水位報警是否得到解除無法作出及時判斷而影響正確操作，因此方案1是可行的；

5)穩壓系統設計中，方案1比方案2少一道穩壓保險，即如果穩壓應急排出閥出現故障，則艙內壓力不可控。基于該型艦殼聲納要求艙內壓力為 1個大氣壓，因此按方案1設計系統操作和布置都較為簡單。但其它型號的聲納要求艙內壓力高于1個大氣壓，則方案2更為保險。

總之，艦殼聲納水管理系統是一個綜合性系統，其設計的好壞直接影響聲納換能器性能的正常發揮及整個聲納系統的正常運行。

艦殼聲納除了受球鼻艏內部工作環境的影響[3]，還受本艦自噪聲、混響、空化噪聲、湍流噪聲和惡劣海況的影響；其探測效能受表面水層溫度變化的影響，以及尺寸受到護衛艦球鼻艏尺寸的限制等等，都很難探測到溫躍層以下的潛艇。由此可見，要想艦殼聲納功能得到正常發揮，改善艦殼聲納本身的裝艦環境和工作環境都顯得尤為重要。

[1] 田 坦，劉國枝，孫大軍.聲納技術[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2000.

[2] 惠俊英，生雪莉.水下聲信道（第2版）[M].北京：國防工業出版社，2007.

[3] Waite, A.D.實用聲納工程（第三版）[M].王德石，等.北京：電子工業出版社，2004.