舰船功能材料技术进展概述

声纳探测

主动声纳通过接收自身发射声波来探测和定位敌方潜艇,是探测安静型潜艇的主要手段。目前潜艇主要通过优化外形结构和敷设吸波材料减少回波来对抗主动声纳探测,但并未达到理想的隐身效果,超材料技术的兴起为提高潜艇等水下平台的声隐身性能提供了新的技术途径。

声隐身超材料是基于变换声学理论,通过亚波长尺度的微结构设计得到特定质量密度和弹性模量分布,可使入射声波“绕过”物体船舶而实现隐身。美国、德国、英国、西班牙等都开展了声隐身超材料的研究,其中美国在声隐身超材料方面的研究遥遥领先于其他国家。目前美国声隐身超材料的研究已经完成了理论验证,并开始进行实际应用的探索。一旦技术成功转化将对潜艇等水下装备的隐身产生变革性影响,在未来水下战场占领先机。美国海军从2008年起开展了声隐身超材料研究,迄今主要通过资助“声学斗篷”和“金属水”两项技术,开展声隐身超材料的理论和应用研究。
在2007年和2008年杜克大学的卡默尔教授就从声学散射的角度出发,分别论证了二维和三维“声学斗篷”制备的可行性,指出“声学斗篷”需具有各向异性的质量密度和各向同性的弹性模量,才能实现引导声波绕过斗篷下的物体传播,而使该物体在声波下“透明”的目的。2014年,该团队在海军资助下研制出的三维“声学斗篷”,首次引导任意方向的入射声波“绕过”物体传播。三维“声学斗篷”由一些具有重复排列小孔的塑料板组成,能在3kHz的声波下表现出完美的隐身效果,而该频率接近目前声纳探测的工作频率。

2008年,美国罗格斯大学的诺里斯教授从弹性力学的角度出发,论证了利用“五模材料”实现声隐身的可行性,提出了另一种利用超材料实现声隐身的理论,并指出这种声隐身装置需具有各向异性的弹性模量与各向同性的密度。五模材料是指模量矩阵的6个特征值中有5个为零的声学超材料,其力学性能接近于流体。美国海军对此立即表示出极大兴趣,并资助韦德林格公司开展声隐身超材料项目的研究,诺里斯教授就是其研究团队的一员。2012年,韦德林格公司开发出“金属水”水下声隐身技术,通过在水下装备的外部添加含声隐身超材料(一种六角晶胞的铝材料)的覆层,实现目标在主动声纳探测下隐身。2014年该公司已经开始原理样机的设计和制造,并在水下对其声学散射性能进行测试。该公司未来计划与“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇的主承包商开展应用合作。

功能材料前沿技术的迅速发展必将助力声、雷达波、红外等隐身性能显著改善以提高舰船的生命力,促进腐蚀、污损等防护性能的改进以实现全寿期性能保障,加速推进雷达小型化以提升稳定性和可靠性,对未来舰船的整体作战效能将产生深远影响。

 

 

摘自:
蓝海星智库, 方楠