0 引言

潜艇以其较高的隐蔽性、较好的灵活性、较强的突击性等特点，受到各国海军的青睐，在海军装备发展中占据重要地位。迄今为止，利用声呐设备探测水下和水上目标，依然是最有效的远程探测手段。因此，世界各海军强国均不遗余力地推进声呐装备的研制和发展。随着潜艇声呐的大量装备，各国在声呐的设计和使用中，逐渐将不同的声呐组成1套综合声呐系统，以最大限度提高潜艇的整体探测效能。潜艇综合声呐系统中，艇首声呐因为受艇体后段噪音与振动影响较小，又往往集主、被动工作方式于一体，因而能够胜任多种作战任务，具有多功能化、多任务性的特点。美俄作为海军装备的发展强国，在艇首声呐的研制上处于世界前列。本文主要介绍了美俄两国潜艇艇首声呐的发展历程和3种主流阵型的优缺点，总结了美俄两国艇首声呐选择上的不同之处，提出了对我国艇首声呐装备发展的启示。

1 美俄艇首声呐发展历程

1945年，美国结束了在太平洋上历时4年的作战，此时美国潜艇上装备的是WFA系列主动声呐，WFA-1属于探照灯式声呐，2个声基阵分别位于甲板和艇底艇壳上^[1]。直到20世纪50年代，美国海军装备了AN/BQS-4主动声呐，该声呐基阵安装在潜艇艇首鱼雷发射管下面，是现代意义上圆柱阵的雏形。AN/BQS-4声呐的基阵直径约为1 m，每周排列60个基元，上下叠排8周，共480个基元^[1]。圆柱阵型在美国海军中只是一个过渡，1956年8月，美国海军水下系统中心首次提出球形阵的概念，1958年5月，雷声公司命名了AN/BQS-6球性声呐并开始建造。AN/BQS-6声呐与早期搜索声呐一样通过转向器实现波束控制，这是最后1台也是最复杂的1台模拟波束成形器，其后续产品都采用了数字式计算机。1965年至1966年期间，美国海军对AN/BQS-6A艇首声呐换装集成电路后命名为AN/BQS-11，将AN/BQS-6B换装集成电路后命名为AN/BQS-12，这两型声呐采用集成电路后相应模块体积和质量大幅降低，提高了可靠性和可维修性。1965年起，由AN/BQS-11和AN/BQS-12改进而来的AN/BQS-13开始在新潜艇上装备，并随后开始在美国海军中服役。1971年底，美国国际商业及其公司联合系统公司和美国雷声公司潜艇信号分部联合对AN/BQS-13型声呐进行了改进，进一步提高了其数字化程度、探测能力、可靠性和可维修性，并将新型号命名为AN/BQS-13DNA。AN/BQS-13DNA目前已经装备在美国海军“海狼”级和“弗吉尼亚”级攻击核潜艇上。“海狼”级核潜艇的声呐系统性能达到了美国海军攻击型核潜艇的巅峰，除艇首球形阵之外，还装备了3层艇首共形阵，“弗吉尼亚”级核潜艇从第2阶段开始，艇首声呐开始使用最新的宽孔径共形声呐（LAB）取代球形艇首声呐，共形阵显示出取代球形阵的趋势。

俄罗斯的声呐技术继承了苏联时期的技术积累，在声呐的研制初始阶段与美国类似，从基础的声呐站发端，逐渐发展为综合声呐系统。其第1代艇首声呐为装备于R级、F级、J级等潜艇上的“北极”站声呐，如于1963年交付部队的J级飞航导弹柴电潜艇首艇（K156）上装备的MT-200型“北极-M”声呐站^[2]。第1代艇首声呐安装于艇首甲板上方的声呐围壳中，与现在的艇首声呐安装方式有所区别。第2代艇首声呐为装备于V级攻击型核潜艇上的“刻赤”型、“海洋”型、“红宝石”型（MTK-300）和“卢比康”型（MTK-400）声呐，根据报道，V-Ⅰ型核潜艇上装备的MTK-300 “红宝石”声呐采用圆柱形艇首阵，发现目标的最大距离为50~60 km，远比“北极”站远得多^[2]，V-Ⅱ型核潜艇则装备了“红宝石”（MTK-300）和“卢比康”（MTK-400）声呐站。V-Ⅲ型核潜艇装备了第3代艇首声呐--“鳐-KC”（MTK-500），它的搜索性能更加优越，正常水文条件下，发现目标的最大距离为230 km^[2]；除装备于V-Ⅲ型核潜艇之外，MTK-500还装备于M级和S级Ⅰ型核潜艇；S级Ⅱ型（945A型）核潜艇则装备了“鳐-3”（“MTK-540”）声呐系统，“阿库拉”级核潜艇同样装备了“鳐-3”（“MTK-540”）声呐系统。“亚森”级多用途型核潜艇装备的新型综合声呐系统被称为“阿亚克斯”，其有效探测距离为100 km，能适应各种复杂的水声条件，从而使搜索性能大大提高，该系统首次采用球形艇首阵替代了以往使用的圆柱阵，其球形阵直径达到了6 m^[3]。

2 三种阵型的优缺点对比

现代声呐系统中艇首声呐一般以圆柱阵和球形阵为主，阵元沿圆柱弧面或球面排列，通过补偿器或相控阵方式形成波束和实现波束扫描。近年来，共形阵逐渐成为西方国家海军关注的热点。共形阵是指按照潜艇壳体外形安装的换能器阵，阵形与艇体外形吻合，阵元紧贴艇体，从艇首到艇侧均可安装阵元。

圆柱阵是一种相对成熟的阵型，西方各国普遍采用，配合现代声呐的相控阵数字多波束技术，具有空间检测范围大、扫描速度快、多目标跟踪能力强的优点，声阵孔径大，工作频率低，能接收海水中的更低频段噪声，并利用海底反射、深海信道等多种传播途径，进一步提高了声呐系统的工作距离。与球形阵相比，圆柱阵不影响首部鱼雷管的布置，鱼雷管可以伸到其上方或下方，降低潜艇空间的设计难度，简化鱼雷的发射程序^[4]。缺点是圆柱阵在进行垂直方向波束旋转时波束宽度随着仰角增大而变大，垂直方向分辨力远逊于球形阵。

球形阵除了圆柱阵所具备的优点之外，还具有垂直方向上良好的分辨能力，可以实现垂直方向的均匀波束旋转，解决了圆柱阵声呐探测盲区问题。球形阵阵元多，基阵孔径几乎接近艇壳直径，基阵增益达到最大^[5]，工作频段更低。快速扫描能力强，空间检测范围广，巨大的体积为提高基阵发射功率提供了良好条件。缺点是造价昂贵，加工工艺要求高；巨大的体积挤占了全部艇首空间，给艇首的舱室布局和耐压艇体的建造带来了严峻挑战；鱼雷发射管后移，使鱼雷的装填复杂化，降低了效率，增加了安全隐患^[4]。

共形阵不仅减小了对艇首空间的挤占，而且可以获得类似球形阵的空间增益，并且可以预先形成波束。从球形阵的发展来看，球形阵的性能已经难以满足未来海军的作战要求，艇首共形阵乃至全艇共形阵才是未来潜艇声呐的发展方向^[5]。共形阵降低了生产成本，对艇体设计及生产工艺的要求也有所降低，而且基元可靠性更好，整个潜艇服役期内无需更换，系统总体可靠性比球形阵更高^[1]。缺点是阵型的不规则给实现波束形成带来了困难，导致换能器设计更加复杂，对信号处理能力要求更高。

3 美俄对艇首阵型选择的考量

美国只在AN/BQS-4声呐中选择圆柱阵作为艇首阵型，之后AN/BQS-6，AN/BQS-11，AN/BQS-12，AN/BQS-13等声呐中的艇首阵全部选择球形阵，直到“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇第2阶段开始，艇首声呐才开始使用最新的宽孔径声呐（LAB）共形阵取代球形艇首声呐^[1]。俄罗斯从苏联时代开始便一直选择圆柱阵作为艇首声呐的阵型，直到装备于“亚森”级核潜艇上的“阿亚克斯”声呐系统问世才首次采用球形阵代替了圆柱阵。

从中可以看出，美国侧重于球形阵的使用，而俄罗斯侧重于圆柱阵的使用。造成这种局面的原因可以从以下3个方面来分析。

1）声呐装备的历史性和继承性。声呐设计过程中，诸如空化和互耦合等小问题往往起着举足轻重的作用，声呐一旦设计成型，在很大程度上保证了设计的继承性，使已有的设计在新的应用中发挥作用^[6]。例如AN/BQS-13DNA艇首声呐从20世纪70年代定型以来便一直装备于美国的攻击型核潜艇，是AN/BQQ-5，AN/BQQ-6和AN/BQQ-10综合声呐系统的组成部分，直到今天仍被认为是未来理想的声呐。同样，俄罗斯的MTK系列艇首声呐纳也保持了很明显的历史性和继承性。因此，继承已有阵型是两国在选择阵型时的一个重要因素。

2）技术能力和财力的限制。球形阵虽然性能好但生产成本非常高，以“海狼”级核潜艇装备的球形阵为例，基阵上1 000多个基元的信号需要通过在球体上钻数百个水密孔引入艇内，基元造价每个5 000美元^[1]，而且后期维护任务重，没有强大的军费开支难以支撑；其次，需要先进的计算机技术、集成电路技术、数字信号处理技术以及良好的安装工艺的支持，以合理使用紧凑的艇首空间。虽然俄罗斯在声呐技术的整体发展水平上与美国差距不大，但从其电子工业发展水平来看，其信号处理、计算机、集成电路等方面的技术与西方先进国家还有一定差距，声呐电子设备多采用中、小规模集成电路，因而体积通常较为庞大、声呐元器件繁多，可靠性、可维护性较差^[7]，这是前苏联以及今天的俄罗斯对于球形阵持谨慎态度的另一个重要原因。

3）装备发展思想的差异。20世纪70年代初期开始，苏联开始加大核潜艇隐身降噪方面的研究，并获得了长足进步，使得隐蔽性大大提高；同时俄罗斯注重基础科学领域的研究，通过对装备的合理配置使声呐性能最大限度发挥出来^[7]，系统不突出某一性能而是讲究整体性能搭配，在保证隐蔽性的同时提高探测性能。美国则通过不断对其系统进行升级换代，加快在超大规模集成电路方面的研制速度，高度综合声呐新技术从而在技术上领先对手。这一因素也使得俄罗斯专心发展圆柱阵而美国致力于球形阵的升级换代。

4 结语

艇首声呐的技术水平往往代表着整个声呐系统的水平高低，因而研究阵型的选择对艇首声呐的发展具有积极的指导意义。共形阵的出现给海军强国提供了一种新的选择，但是目前来看，共形阵技术尚未完善成熟。对大多数国家而言，综合现有技术层次与国力水平，圆柱阵或球形阵仍是理想阵型。