2015年12月29日星期二

中国舰艇封闭式桅杆发展展望

近来,武汉某处出现了一栋疑似驱逐舰上层建筑和桅杆的神秘建筑。据美国《大众科学》报道,这栋建筑与数年前出现在此地的"辽宁"舰舰桥全尺寸模型性质相似,目的是为国产下一代驱逐舰进行雷达和电子系统的兼容性测试。与已经服役的中国驱逐舰相比,所谓"下一代驱逐舰"外观方面最大的变化恐怕在于其封闭式桅杆,本文将以公开资料和报道为基础,展望中国海军封闭式桅杆的发展情况。

 

新驱舰桥概貌

 

现在,舰桥全尺寸模型主体结构已经完工。从外观看,该舰桥与中国海军现役的驱逐舰舰桥有较明显的风格延续,但全尺寸模型的桅杆却是前所未有的新型设计。在052C/D 型驱逐舰上采用的仍是传统的桅杆,桅杆上逐级布置耳台,在舰桥顶部搭起了一个从低到高、阶梯状的空间结构,用以安装各种雷达、天线和光电探测装置。全尺寸模型的桅杆体积比052C/D 型的桅杆大得多,就是一个厚实的切尖金字塔形。只作为一个支撑结构的话,根本没必要做这么大。

 

而全尺寸模型的桅杆上所开的孔洞,显然也不是安装支撑耳台所用――作为电磁兼容测试模型,如果桅杆有耳台,那么应该将耳台也搭建完成,并在耳台上安装相应的雷达和电子设备,以进行下一阶段的测试。如此巨大的桅杆模型,应可判断为新一代驱逐舰采用了封闭式集成桅杆。

 

外观上的细节还包括:舰桥全尺寸模型的中部偏后有一明显凹陷,几乎将这栋建筑一分为二。参照052D型的甲板布置,这里应该是后垂发系统的安装位置。这意味着中国下一代驱逐舰并不打算采用类似于美国"朱姆沃尔特"级驱逐舰的侧舷垂发系统,而是坚持将垂发系统安装在舰体的中心线附近。

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(疑似驱逐舰上层建筑和桅杆的神秘建筑)

 

封闭式集成桅杆的技术发展

 

封闭式集成桅杆,因其具有较好的隐身性能,在一些文献中又被称为隐身桅杆。水面舰艇的雷达隐身方面,除舰体和上层建筑外,桅杆、天线也是很重要的雷达散射源。桅杆在舰上的安装位置最高,海平面附近的敌方探测平台最先发现的就是己方舰桅,且由于需要集成大量的雷达、通信天线,桅杆的形状也是极不规则的,极易形成雷达散射。不过,对桅杆"动手术"也不是那么容易,作为一艘作战舰艇,总体设计方面,一般还是需先保证本舰的探测能力,该装的雷达一部也不能少,隐身方面的缺陷只能先搁置下去。各国水面舰艇的雷达隐身设计,均是先从舰体、上层建筑开始着手,采用特殊的外形设计和特殊材料制造,但最终都要对桅杆"动手术",以达到更优秀的隐身效果。

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对桅杆进行隐身化设计,最早开始研究的是美国海军。上世纪90 年代,美国海军在"斯普鲁恩斯"级驱逐舰"亚瑟・ 拉福德"号(DD 968)上进行了一项改装实验,用一个巨大的玻璃钢罩子,将该舰的后桅杆包裹起来。玻璃钢封闭式雷达罩外形为特定倾角的多面体状,具有较好的雷达隐身性能。但"亚瑟・ 拉福德"号的封闭式雷达罩的技术机密,在于它只对特定频段的雷达波具有穿透性。由于采用特殊的材质,这个雷达罩可以让安装在它内部的SPS-40对海/ 对空搜索雷达发射的电磁波自由穿过,而其他雷达发射的其他频段的电磁波却无法自由穿过,而是大部分被反射开。加上雷达罩具有特殊的外形设计,从海平面方向(敌方舰艇、低空飞行的飞机)射来的雷达波将被向上或向下反射,只有极少部分能按原路反射回去被雷达接收机接收到。

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" 亚瑟・拉福德"号的封闭式雷达罩试验进行得比较成功,但美国海军只是将该舰作为技术实验平台,并不打算将"斯普鲁恩斯"级全部按"亚瑟・拉福德"号的样式进行改装。实际上,"亚瑟・ 拉福德"号本身也只对后桅进行了封闭式改装,它的前主桅仍是奇形怪状的裸露结构。

 

"亚瑟・ 拉福德"号的试验成果体现在了美国海军后续设计建造的舰艇中,最先露面的就是"圣・ 安东尼奥"级船坞登陆舰。该级舰的桅杆正式代号为"先进封闭桅杆/ 传感器系统"(AEM/S),前后桅杆均为封闭式集成桅杆,这使其舰貌变得异常整洁,提高了雷达隐身性能。美国新一代驱逐舰"朱姆沃尔特"级则更进一步,采用了桅杆- 舰桥一体化设计的封闭式集成上层建筑体系。

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DDG1000 采用了桅杆舰桥一体化的封闭式集成上层建筑体系)

 

但濒海战斗舰却是个例外,目前单体和三体型濒海战斗舰都没有采用封闭式集成桅杆,而是采用了类似"阿利・ 伯克"级的传统桅杆结构,这可能与滨海战斗舰最初的设计目的有关。该舰原先是作为一种低成本的通用作战舰艇设计,而封闭式集成桅杆的价格较为昂贵。此外,濒海战斗舰本身安装的雷达、传感器并不太多,因此桅杆结构简单,不会造成太强的雷达散射回波。

 

在美国海军之后,各海军技术强国也相继突破了此项技术。英国"伊丽莎白女王"级航母也采用封闭式桅杆,舰上的主要雷达、通信天线设计成平面式或球形阵列天线,封装在用频率选择性穿透材质制成的桅杆内。45 型驱逐舰安装的"桑普森"有源相控阵雷达也作了类似的处理,它的双面旋转天线封装在集成桅杆顶部的玻璃钢球形外罩内。英国研制的集成桅杆具有较好的兼容性和扩展性,内部能不断加入新传感器,或是用新型号的传感器替换旧型号。

 

国内对封闭式集成桅杆的研制始于21 世纪初。2009 年,哈尔滨工程大学开始进行封闭式集成桅杆的水池拖曳试验。2010 年前后,进行了封闭式隐身桅杆的初步设计与效果评估。

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技术难点

 

封闭式桅杆技术是较高端的舰船隐身技术。在技术方面,雷达罩所用的频率选择材料是第一个关键技术。它要求材料对特定波段的电磁波――即雷达罩内的雷达所使用的波段有极高的穿透率,对于这部雷达来说,这个雷达罩就跟透明的一样;而对于其他波段的雷达波,则相当于不透明的。更麻烦的是,由于舰艇往往装有多部不同波段的雷达,因此,我们必须研制一个由数种材料组成的系列产品,比如要为米波雷达寻找一种只能透过米波的A 型材料;为厘米波雷达寻找只能透过厘米波的B 型材料,为毫米波雷达寻找只能透过毫米波的C 型材料……只有所有系列的材料都研制成功,才能算是完全搞定。

 

除材料问题外,在封闭式集成桅杆内,雷达和电子设备不可避免地会受到雷达罩的散射、折射干扰。此前的水面舰艇也有将雷达用玻璃钢罩子罩起来的,但一般是为了防止海浪和盐雾侵蚀, 并不考虑隐身。因此,这些雷达罩多为标准的球体。而集成桅杆的雷达罩出于隐身考虑,一般采用多面体形状,因此雷达波进出的时候,会发生折射,导致图像畸变。如何滤去干扰波,使雷达正常工作,也需要进行大量的理论计算和实地测试。

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(正在加工成型的封闭式桅杆天线罩)

 

进步意义

 

舰桥和桅杆集成了一艘驱逐舰绝大部分的雷达和传感器,由此可推出它大致的舰载武器配置方案。因此,一艘未诞生的驱逐舰,如果了解了它的舰桥布局,就可以概略猜想出该舰的作战能力。

 

总体上看,新舰桥的宽度比052D型驱逐舰略有增大,但精确的宽度数据仍无法得知,毕竟在武汉的这个陆地建筑缺乏可靠的参照物,只能以舷窗数来粗略估计其宽度。因此,对于新型驱逐舰的尺度与排水量,目前从全尺寸模型上也不能精确推断。舰桥与桅杆的全尺寸模型证明,这一型驱逐舰的设计思路仍延续了中国驱护舰研制的渐进渐改路线,并不是大跨度的飞跃式发展。该型驱逐舰的主雷达系统安装方式与052D 相同,具体型号可能会更换为性能更好的产品,但在技术上仍有延续性。增添的新元素是封闭式集成桅杆,这是在前几年理论论证和原型机试制的基础上,遵循装备研制的原则与流程而诞生的。

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美国从DD21 项目启动开始就在进行新型舰桥的电磁试验,图为2005 年,美国海军对一个早期版本的舰桥进行测试。)

 

随着舰艇技术的发展以及中国海军对驱护舰任务需求的增加,新一代驱逐舰将承担更多的作战需求。在立体化的航母战斗群中,新一代驱逐舰将作为战斗群的防空、反潜基干力量,而在其他任务编组的水面舰艇编队中,新一代驱逐舰可能将承担指挥舰任务。这意味着,该舰的指控能力、通信信道以及传感器系统,要能支持指挥数个海面战术作战编队和多艘潜艇以及多批次空中作战飞机。

 

此外,从中国国家安全和战略的需求出发,新一代驱逐舰还需要具有接收和反馈天基、空基和陆基作战信息能力,可与陆基和空基指挥所同步作战综合态势,实时决策;在有足够的作战信息系统支撑的情况下,还需具有在中段甚至上升段拦截中程弹道导弹的能力。

 

在雷达、电子对抗及通信天线的高度集成化的条件下,舱面电子设备布局将会非常简练,而开放式通用接口显控机柜给后续升级工作带来便捷。在作战流程上,简化指挥层级,减少战位,减轻操作人员的工作强度。

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结 论

 

无论封闭式桅杆还是更上层楼的封闭式上层建筑,在国外均已有应用先例,2 种设计的目的是一致的,都是要解决电磁兼容和隐身性问题。

 

中国工程院院士、两代驱逐舰的总设计师潘镜芙先生就非常重视封闭式桅杆(上层建筑)的发展,他曾专门撰文指出"目前我海军水面舰艇上的舰载雷达、通信和电子战系统天线林立,影响舰的隐身性和电磁兼容性。进行射频一体化,发展多功能相控阵天线、采取超宽带和重构等技术手段,形成舰载射频集成系统,实现资源共享、统一调度; 将一体化的射频集成系统与舰上层建筑( 或桅杆) 综合集成共外形于一体,能解决水面舰艇天线拥挤、隐身性和电磁兼容性差的问题,从而可有效提升舰艇的作战能力。"

 

对于发展此类技术的思路,他则特别强调"上层建筑( 桅杆) 射频综合集成的陆上试验是必不可少的。必须设计制造上层建筑( 桅杆) 射频综合集成大型模型,进行上层建筑( 桅杆) 射频综合集成的陆上试验,验证集成射频电子设备性能以及上层建筑( 桅杆) 射频综合集成后的隐身性和电磁兼容性能。试验成功后设备才可装舰。"

 

本文提到的陆上设施可能是潘院士所强调的"进行射频综合集成的陆上试验设施"

现代国防与安全研究中心 供稿)

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