Технологии повышения скрытности подводных лодок ВМС Германии (2022)

В. Спиридонов,
кандидат технических наук

Основным демаскирующим фактором, непосредственно влияющим на обнаружение подводной лодки (ПЛ) средствами наблюдения противника, является состояние ПЛ, обусловленное составом и величиной ее физических полей (акустического, магнитного, электрического, теплового, радиационного и гидродинамического), а также кильватерного следа.

Частными определениями понятия "скрытности подводной лодки по физическим полям" является "скрытность подводной лодки по первичному и вторичному гидроакустическим полям" ("акустическая скрытность").

Акустическая скрытность по вторичному полю – свойство подводной лодки, предполагающее ее способность быть не обнаруженной противником при использовании активных гидроакустических средств наблюдения.

Акустическая скрытность по первичному полю на назначенном режиме движения характеризуется таким его состоянием, которое обеспечивает необнаружение корабля с заданной вероятностью на дистанции, обусловленной тактической ситуацией, и несрабатывание неконтактного взрывателя мин.

Низкий уровень первичного гидроакустического поля (уровень излучаемого шума) достигается совокупностью тактико-технических характеристик ПЛ и конструктивных решений, реализованных в ней. Технология контроля параметров первичного гидроакустического поля подводной лодки и надводного корабля (НК) регламентируется в странах НАТО документами STANAG 1136 и 1090 MIS (Издание 3). В них определены стандарты и методики проведения и представления результатов измерений характеристик подводного шума, излучаемого НК, ПЛ, вертолетами, с точки зрения риска их обнаружения корабельными гидроакустическими средствами, приемными системами торпед и дежурными каналами мин.

Вопросам скрытности подводных лодок уделяется первостепенное внимание еще на ранних этапах их проектирования, в ходе которого применяются физические и имитационные модели. Прежде всего при действиях в сложных условиях мелководья в прибрежной зоне, где повышается вероятность обнаружения гидроакустическими средствами противника и подрыва на минах.

Еще на этапе концептуального проектирования путем моделирования можно оценить степень заметности корабля и вероятность его обнаружения:
– при работе активных гидроакустических средств (ГАС);
– при работе пассивных ГАС;
– при работе магнитных и электромагнитных средств обнаружения и подрыва.

Снижение заметности корабля по первичному гидроакустическому полю обеспечивается за счет реализации проектных и конструктивных мер, борьбы с шумами в источнике в процессе так называемого гидроакустического проектирования, который, как было отмечено, начинается еще на этапе проработки концепции.

Проектные меры предусматривают внедрение оптимального состава, качества и характеристик всей компоновочной схемы энергетических средств и движителей, прежде всего электродвигателей, генераторов и компрессоров. Наиболее перспективным проектным решением считается переход на полное электродвижение в ходе реализации концепции создания "электрического корабля".

Конструктивные меры нацелены на дальнейшее совершенствование и широкое применение амортизации, патрубков, глушителей, кожухов, агрегатирования; внедрение специальных рам, фундаментов, поддонов, балансировки; использование вибродемпфирующих и звукопоглощающих покрытий.

Борьба с шумами в источнике предусматривает дальнейшее снижение шумов в самом механизме или применение нового поколения устройств с более высокими характеристиками (на это, в принципе, и был нацелен переход от двигателей внутреннего сгорания к топливным элементам, от гидравлических систем к электрическим исполнительным механизмам в рамках концепции создания "электрического корабля").

Боевая эффективность и живучесть корабля определяются непрерывно изменяемой уязвимостью, обусловленной изменяемыми окружающей средой, рабочим режимом всех систем и механизмов, а также угрозами со стороны противника.

Для того чтобы оптимизировать эффективность бортовых средств обнаружения и оружия, и повысить живучесть в соответствующих оперативных условиях и при соответствующем режиме работы механизмов необходимо, чтобы уязвимость была предсказуема в масштабе реального времени и на нее возможно было бы повлиять. Знание реальной угрозы, как и окружающей среды, и текущей (в реальном времени) сигнатуры корабля, является насущной необходимостью при ведении боевых действий.

Примером последних наработок в этой области могут служить регулярно проводимые исследования (с 2007 г.) по инициативе Канады, Германии и Нидерландов.

Специалисты этих стран вышли с инициативой и выступили как организаторы и хозяева первого международного симпозиума с целью изучения нового подхода, касающегося бортовой системы контроля и управления сигнатурой корабля. В ходе первого симпозиума и последующих семинаров и конференций было сформулировано общее видение на приращение боевых возможностей, которые обеспечит данная система.

При проведении исследований в течение 2011 года крупное международное объединение специалистов провело масштабные измерения с привлечением двух исследовательских судов, принадлежащих Канаде "Квест" (QUEST) и Германии "Планет" (PLANET). Исследовательские задачи, решаемые в ходе измерений и мониторинга акустического поля, прогноза его уровня и управление им, включали поиск ответов на ряд вопросов:
– какая разница между сигнатурами одного и того же корабля при измерении с борта (траверса) и под килем на разных полигонах;
– какие доминирующие причины вызывают это отличие – калибровка, обработка, влияние дна (интерференция), особенности ближнего поля и т. д.;
– можно ли внести (выработать) поправки для корректуры этих расхождений (особенно для подводной сигнатуры при наличии минной опасности) путем совершенствования измерений и процедуры анализа;
– какие прогнозные модели являются подходящими (соответствующими) для подсчёта излучаемого кораблем гидроакустического поля, приходящего на приемный тракт мины или ГАС противника, и как сделать эти модели правильными и точными, способными предсказывать сигнатуры, измеряемые на акустических полигонах.

В результате проведенных исследований и последующего анализа полученных данных была сформулирована концепция бортовой системы контроля и управления сигнатурой корабля, которая, используя сотни сенсоров, просчитанные передаточные функции, апробированные модели и алгоритмы, способна определять характер распространения первичного и вторичного поля в конкретной окружающей среде, оценивать возможности ГАС кораблей противника и опасные радиусы срабатывания неконтактных взрывателей мин и управлять работой энергетической системы, движительной системы ПЛ и механизмами, а также выбирать режимы движения в обеспечение минимизации опасности.

Ключевые "архитектурные и технологические" методы, обеспечивающие скрытность германских НПЛ типа 212 включают:
– оптимизацию формы корпуса НПЛ, снижающую уровень вторичного поля и гидродинамической помехи;
– применение крупных развязанных от корпуса палуб и модулей;
– двухслойный или двухкаскадный упругий монтаж;
– гибкие соединения;
– применение наименее шумящих вспомогательных механизмов;
– применение активных систем подавления вибрации и шума;
– применение пассивных и активных покрытий, материалов, снижающих уровень первичного и вторичного поля;
– кроме полного электродвижения, что уже реализовано на ПЛ типа 212, замену всех гидравлических и воздушных исполнительных устройств и механизмов на электрические.

На подводной лодке типа 212 легкий корпус имеет оптимальную с точки зрения гидродинамических характеристик форму. Для улучшения обтекаемости и, соответственно, снижения уровня гидродинамических шумов, все отверстия легкого корпуса и ограждения боевой рубки при движении в подводном положении закрываются заслонками. Палубы присоединяются к прочному корпусу посредством эластичных вставок, все механизмы установлены на двухкаскадных звукоизолирующих платформах, а наиболее шумящие из них (дизель-генератор, компрессоры, помпы и другие) размещаются в звукоизоляционных выгородках.

Рис. 1. Частично оптимизированная форма корпуса и рубки подводной лодки
Рис. 2. Максимально оптимизированная форма корпуса, рубки и рулей концептуальной ПЛ
Рис. 3. Акватории обнаружения гидролокатора, работающего по подводным лодкам, использующим разные подходы в обеспечении снижения силы цели
Рис. 4. Характеристики материала TLC, обеспечивающего потери при прохождении гидроакустического сигнала
Рис. 5. Характеристики неотражающего материала ANC
Рис. 6. Сила цели ПЛ с покрытием (отображена красной линией) и ПЛ без покрытия (синяя линия)
Рис. 7. Представлены уровни снижения силы цели для ПЛ BeTSSi (стандартная модель ПЛ) на частоте 1 кГц: левый рисунок показывает уровни силы цели в дБ для лодки без покрытия, а правый – снижение уровней силы цели в дБ для ПЛ с покрытием
Рис. 8. Сравнительный анализ дальностей обнаружения ПЛ BeTSSi, имеющей следующие покрытия: нос и корма покрыты TL материалом, а рубка и прочный корпус покрыты RL материалом, по сравнению с ПЛ без покрытия
Рис. 9. Затухание колебаний в металлах и в композитах
Рис. 10. Характеристики бронзового и композитного винтов
Рис. 11. Уровни шумов окружающей среды и шумов других источников в глубоком море

Специальное звукопоглощающее покрытие легкого корпуса подводной лодки обеспечивает ее низкую заметность для активных и пассивных ГАС противника.

Форма корпуса ПЛ. Придать идеально необходимый наклон поверхностям корпуса подводной лодки достаточно сложно, так как ее прочный корпус имеет цилиндрическую форму, обусловленную большим давлением. Тем не менее можно оптимизировать наклон некоторых поверхностей надстройки НПЛ (рис. 1): рулей и кормовых стабилизаторов; боковых поверхностей надстроек и боковых поверхностей киля.

Принимая во внимание особенности распространения гидроакустических сигналов, можно сказать, что они в основном характеризуются цилиндрическим законом распространения, то есть подсветка целей идет в основном по горизонтали. Отсюда следует, что необходимо по возможности избегать вертикальных поверхностей. Конечно, угол их наклона не совсем оптимален для всех вариантов распространения импульса подсветки, но обычно на практике угол должен быть более 5º, а для еще большего эффекта он должен превышать 10º. На рис. 1 боковая поверхность ПЛ наклонена для снижения силы отраженного сигнала на угол, характерный для всех последних проектов подводных лодок компании "Ховальдсверке дойче верфт" (HDW), начиная с НПЛ типа 212А. Дополнительное снижение вторичного поля ("силы цели") также было обеспечено за счет минимизации размеров подводной лодки. В целом снижение силы цели обеспечивается покрытием, формой корпуса и надстроек, а также компоновкой всех основных устройств и подсистем. На рис. 1 и 2 представлены варианты частично и максимально оптимизированных форм корпуса и рубки лодки, снижающих силу цели при работе гидролокатора.

На рис. 3 показан анализ влияния на силу цели перечисленных выше подходов в сравнении с классическими технологиями 1990-х годов, а именно, применение покрытия, варьирование формы корпуса, рубки и рулей через значения площадей акваторий обнаружения.

Покрытия. Выбирая материалы для них нужно иметь в виду, что покрытия не только поглощают энергию гидроакустического сигнала подсветки, но и отражают ее, что тоже может уменьшить силу цели, то есть отраженный сигнал, принимаемый ГАС противника. В типовом варианте торпедные аппараты, балластные цистерны расположены в носовой оконечности ПЛ. В случае, когда эти емкости частично заполнены, то их поверхности являются хорошими отражателями. Более того, геометрия и расположение этих систем обычно таково, что происходит тройное отражение. Для предотвращения таких отражений весь нос, за исключением зоны гидроакустической антенны, может быть покрыт слоистым материалом, обеспечивающим потери за счет того, что отражение от носовой оконечности будет происходить под разными углами и, следовательно, на приемную антенну противника придет менее интенсивный сигнал, так как не происходит полного отражения от корпуса под одним углом, а несколько слоев покрытия с разными свойствами создают отражения от сферической поверхности под разными углами.

Этот же принцип применим и к кормовой оконечности, где коническая форма не способствует сильному отражению по сравнению со стенками балластных цистерн. Покрытие из материала, обеспечивающего потери при прохождении, может быть довольно тонким (толщина около 2 см).

Что касается прочного корпуса ПЛ, то только применение неотражающего материала (резиноподобного) может преобразовать энергию акустического сигнала подсветки в тепло, что позволяет уменьшить силу цели. Этот тип материала может работать, если только его толщина равна не менее четверти, а лучше половине длины падающей волны. По этой причине покрытие имеет толщину более чем 5–10 см (все зависит от выбранного частотного диапазона). В принципе этот тип материала может быть использован для носа и кормы ПЛ, но в силу того что покрытие из материала, обеспечивающего потери при прохождении более тонкое, легкое и дешевое и при этом обеспечивает почти те же характеристики при меньших усилиях и затратах, то оно, в этом случае, может быть более предпочтительным.

В середине 1990-х годов компания "Ховальдсверке дойче верфт" начала работы по созданию акустических покровных материалов со следующими характеристиками:
а) для покрытия из материала, обеспечивающего потери при прохождении:
– потери при прохождении 10 дБ;
– диапазон частот 1–20 кГц;
– давление от 0 до 40 бар;
– толщина менее 15 мм;
б) для неотражающего материала (резиноподобного):
– снижение эхо на 10 дБ;
– диапазон частот 1–20 кГц;
– давление от 0 до 40 бар;
– толщина по всему корпусу 10 см.

На первых этапах исследований для проведения испытаний материалов была построена и откалибрована импульсная труба. Она была предназначена для оценки свойств материала, обеспечивающего потери при прохождении и материала, не отражающего во всем диапазоне указанных выше глубин и частот.

Материал, обеспечивающий потери при прохождении гидроакустического сигнала. В ходе поиска такого материала было рассмотрено много претендентов.

Проведенные испытания позволили отобрать материал под индексом TLC, чьи характеристики показаны на рис. 4. Из рисунка видно, что он позволяет получить желаемые потери в 10 дБ во всем заданном диапазоне частот и глубин.

После подтверждения пригодности акустических свойств материала компания "Ховальдсверке дойче верфт" приступила к оценке пригодности его по следующим показателям:
– подбор клея, обеспечивающего хорошую адгезию со сталью;
– подбор вещества, препятствующего обрастанию;
– оценка старения материала и потерь свойств при длительной эксплуатации.

Обе первые проблемы были решены успешно, то есть подобран соответствующий клей и химическое соединение, препятствующее обрастанию. Также успешно были завершены исследования и испытания по оценке старения материала. Заключительные этапы исследований посвящены выработке общих положений по внедрению, включая вопросы эксплуатации в течение всего жизненного цикла ПЛ.

Неотражающий материал. Разработка такового началась с теоретического изучения акустических свойств применительно ко всему заданному частотному диапазону при оценке следующих параметров:
– плотности материала (в том числе в зависимости от глубины);
– скорости звука в материале (в том числе в зависимости от частоты);
– числа слоев;
– толщины покрытия.

На первоначальных этапах исследовалось однослойное покрытие. Была проведена оценка свойств более 100 различных материалов. После выбора базового следующим шагом была оптимизация его за счет добавок и наполнителей, определение их количества. Предварительным результатом этой работы стал материал под индексом ANC. Его характеристики представлены на рис. 5.

При плотности материала 1 500 кг/м3 и толщине покрытия 130 мм оно обеспечивало снижение уровня отраженного сигнала на 10 дБ во всем заданном диапазоне заданных частот и глубин. Как и ожидалось, характеристики покрытия ухудшались в районе низких частот. Тем не менее, уже на данном предварительном этапе исследований компания "Ховальдсверке дойче верфт" получила материал, который показал удовлетворительные характеристики.

Для окончательной проверки и оценки полученных материалов было реализовано моделирование, в ходе которого сравнивались две ПЛ. Сначала была проведена оценка обычной подводной лодки без покрытия, а затем была проведена ее же оценка, но уже с покрытием носа и кормы материалом, обеспечивающим потери при прохождении сигнала через него (обеспечивающего отражение падающего сигнала под разными углами и суммарную потерю его силы на 10 дБ). Кроме того, полосой из неотражающего материала был покрыт борт всего прочного корпуса (обеспечивая снижение эхо-сигнала на 10 дБ). Эти результаты представлены на рис. 6.

Пики на курсовом угле 90º – это результат отражения от цилиндрического прочного корпуса ПЛ, а на курсовом угле 100º – результат отражения от конической части прочного корпуса подлодки.

Они были снижены на 10 дБ, но наиболее существенное снижение было достигнуто при курсовом угле, близком к 0º (носовая оконечность ПЛ), где снижение силы цели было более 30 дБ, то есть она упала даже ниже уровня в 5 дБ. В таблицах 1 и 2 и на рис. 7 и 8 представлены итоговые результаты моделирования и тестирования различных вариантов покрытия ПЛ.

Таблица 1 Снижение силы отраженного сигнала от ПЛ в зависимости от варианта покрытия и курсового угла подсветки

Снижение силы цели при 0°

Нос 90° Траверс 180° Корма
Покрытый нос 11 дБ 0 дБ 0 дБ
Покрыты – нос и прочный корпус 14 дБ 8 дБ 0 дБ
Покрыты – нос, корма, рубка и прочный корпус 14 дБ 10 дБ 15 дБ

Таблица 2 Снижение дальности обнаружения ПЛ при работе ГАС в моностатическом режиме на частотах 2–4 кГц в зависимости от варианта покрытия и курсового угла подсветки ПЛ

Снижение дальности обнаружения ПЛ

0° Нос 90° Траверс 180° Корма
Покрытый нос 45% 0% 0%
Покрыты – нос и прочный корпус 55% 36% 0%
Покрыты – нос, корма, рубка и прочный корпус 55% 43% 56%

Доработка неотражающего покрытия будет продолжена с акцентами на процедуру приклеивания к корпусу и решения проблемы обрастания.

Были проведены глубоководные испытания в море для подтверждения характеристик, полученных в импульсной трубе.

Приведенные результаты являются более скромными по сравнению с результатами, которые дает вариант покрытия лодки активным многослойным многофункциональным покрытием, разрабатываемым для атомных подводных лодок военно-морских сил США. Оно способно снизить силу отраженного сигнала от ПЛ на 15–30 дБ. Но оно не будет применяться на неатомных ПЛ с их небольшим водоизмещением, так как такое активное многофункциональное покрытие более толстое (толщина 20–25 см), тяжелое и более дорогое, реализующее теорию согласования импедансов.

На современных ПЛ широко применяются композиционные материалы (композиты). В судостроении чаще используются стеклопластики, тогда как углепластик и пластики на основе кевлара применяются реже. Механические свойства композитных материалов зависят от свойств слоя волокон, поверхностного взаимодействия слоя волокон и смолы, количества слоев волокон в матрице и их ориентации. Они привлекательны тем, что затухание колебательного процесса в них происходит значительно быстрее, чем в металлах, поэтому им не свойственна такая проблема, как "дребезжание", которой отличаются многие металлические конструкции (рис. 9).

Гребные винты. В целях снижения шумности лодок компания "Ховальдсверке дойче верфт" на протяжении многих лет исследовала вопрос применения композитных материалов для изготовления лопастей гребных винтов. Первый гребной винт данного типа был испытан на ПЛ U16 типа 206А, эксплуатировавшейся ВМС Германии. На ней был установлен композитный гребной винт первого поколения, изготовленный с использованием углеродной ткани и стеклоткани.

Применение этих материалов позволило вдвое повысить коэффициент внутренних потерь (modal loss factor) по сравнению с бронзовым винтом – с 0,5 до 1%

Для НПЛ типа 212А были созданы винты P1335mod Composite на основе ткани из арамидного волокна и P1335mod Composite2 на основе углеродной ткани.

Испытания опытных лопастей, проведенные в исследовательском центре в г. Дрезден, показали возможность удвоения срока службы лопастей не только в нормальных условиях эксплуатации, но также и при нагрузках, возникающих из-за таких маневров, как аварийная остановка, полный ход назад или максииспытания лопастей отдельно и в составе  винта. После сборки лопасти проверялись на соответствие геометрическим параметрам. Затем испытывались на лазерном вибростенде, в том числе с применением ударных нагрузок для определения собственных частот и коэффициентов демпфирования. Для изучения повреждений  использовались магнитно-резонансная томография и рентгенография.

Перед ходовыми испытаниями каждую лопасть винта испытывали в воде ударной нагрузкой. Акустические испытания композитных гребных винтов проводились на ПЛ U31 на мелководном акустическом полигоне Ашау в Эккернфёрдской бухте и в глубоководном в районе Бергена. Изучались акустические свойства винта при различных условиях маневрирования. Результаты испытаний показали более низкие уровни структурного шума по сравнению с бронзовыми винтами (рис. 10).

Таким образом, характеризуя скрытность современных НПЛ типа 212 можно отметить, что за счет внедрения на них многочисленных новейших технологических достижений их шумность снизилась в разы и ее уровень стал значительно ниже естественных шумов моря (рис. 11), что сделало их практически не обнаруживаемыми пассивными гидроакустическими средствами в сложных гидрологических условиях мелкого моря.

Зарубежное военное обозрение. - 2022. - №5. - С. 71-78

Всего комментариев: 0
avatar