20180610-FLAK聊軍事：093B核潛的側視陣列聲納
FLAK聊軍事：093B核潛的側視陣列聲納
2018年6月10日
本文同步刊載於【北國防務】
近日，解放軍海軍訓練局推出一部名為「人民海軍 向你召喚」的招生宣傳片，以高考學子逐夢深藍為故事線，展現了海軍工程大學、大連艦艇學院、海軍潛艇學院、海軍航空大學、海軍軍醫大學等5所海軍院校的學校風貌與學習情況，並連帶展示了多種海軍研發中或服役中的武器裝備。其中，最引人目光的是海軍潛艇學院片段出現一艘潛艇模型，從指揮塔後方的小型龜背與尾翼頂端的拖曳陣列聲納施放口，可以確認是南海閱兵中首度公布的093B型核子攻擊潛艇。而模型上除了之前就從水線上看到的兩條側視陣列聲納外，也首次展現了水線下還要一條更長的側視陣列聲納。究竟側視陣列聲納對潛艇有何重要性，本文簡單介紹一番。
093B核潛艇的3次現身都可看到水線上前後縱列的側視陣列聲納(白色方框)，分別為(上)2018年的招生宣傳片、(中)2018年的南海閱兵與(下)2016年在人民海軍報刊登的正面照片
早期潛艇的主要聲納是安裝在艇首，因為艇首的「視野」最好，而且離引擎室與螺旋槳的噪音最遠。然而，美國在1950年代發展的「被動水下射控系統」（PUFFS）則將3-6具聲納接收器延軸線縱列，主要原因有二：
水下聲學研究發現船艦的極低頻噪音在100m左右的「淺海通道」或1000m左右的「深海通道」可傳遞上百，甚至上千公里遠，後者可以用放置在海床上的SOSUS固定聲納進行偵測，前者則可由潛艇的被動聲納進行偵測。
但被動聲納的缺點是只能測量方向，不能測定距離，傳統作法是利用敵我相對運動產生的方向變化來進行「目標移動分析」（TMA），但缺點是需要持續傾聽對方一段時間才能完成距離計算。如果能拉大聲納接收器的間隔，就能用「波前圓弧測距法」(註)直接計算出概略的距離。
註：「波前圓弧測距法」可以說是三角測距法的一種變形。三角測距法是從兩個點量測目標的角度，搭配已知的基線長度換算出目標距離。但測距聲納是用三具以上的聽音器，兩兩比對其聽到聲音的時間差，在假設聲波的波前是大圓形的情況下，計算出圓心的距離。不過，當目標距離大到一個程度時，波前就會近似直線，因此這個方法仍只適用於距離較近的目標，不像TMA的基線可以拉長到艇身的數倍以上，測定遠方目標的距離。
美國發展PUFFS的目的是要進行Mk-45魚雷的射控，由於該魚雷沒有導引裝置，直接以電力游到8-13km外引爆1.1萬噸的核彈頭，而PUFFS在13km外可達到5%的測距誤差，以足夠設定Mk-45的引爆時間。不過，隨著潛艇設計的淚滴化，安裝在艇殼上方的PUFFS接收器無法繼續維持一直線，於是測距聲納改裝在潛艇兩側。例如法國的DUUX-5型聲納就被歐洲多種潛艇所選用，其除了被動測距外，也兼具「攔截聲納」功能，可定位敵軍潛艇或戰艦發射的主動聲納。
美國的PUFFS聲納安裝在早期多種柴電與核子潛艇上，上圖為SS576鏢魚號；荷蘭海象級將4具DUUX-5型聲納裝在水線兩側（下），台灣的劍龍級也是相同配置
由於聲音頻率越低，被海水吸收得越慢，因此低於1kHz的極低頻聲音經過淺海通道、海面反射或海底反射都有較低的損失，使被動聲納成為潛艇距離最長的偵測器。然而，頻率越低則波長越大，接收器也需要更長的「孔徑」才能維持足夠的測向精度。將極低頻聲納作成拖曳陣列型式，使其長度不受艇身限制自然是最好的方法。但拖曳陣列聲納施放的環境與時機有其限制，因此沿艇側安裝的側視陣列聲納仍有「隨時可用」的優點。德國在212型潛艇安裝的CSU-90射控系統就包含了側視陣列聲納，它與拖曳陣列聲納都連接到「低頻分析與記錄」(LOFAR)用的窄頻分析器，後來也用於新造的209型潛艇，或是「舊瓶裝新酒」的改良案。
德國售予以色列的海豚級(上)裝有FAS-3側視聲納，這是CSU-90水下射控系統的一部份；中國的039B元級潛艇(中)也在艇身下方裝有類似的長條型側視聲納；印度獲法國授權生產的蠍級潛艇則裝有TSM2233聲納套件，其側視聲納以PVDF壓電聚合物取代傳統的陶瓷，有更高的靈敏度，較大的寬度則具有垂直調整波束能力，可避免噪音干擾或用來對準海水匯集聲音的方向
綜合以上所談，測距聲納（通常兼具攔截功能）與側視聲納的差別在於前者是多個小型聲納以相當長的間隔分別安裝，後者則是連成一體的長條狀或長方形。潛艇可以只裝其中一種，或者兩種都裝，端看製造商的科技能力、艇身大小與客戶願意採購的金額。不過，測距聲納由於每具接收器的面積較小，有的潛艇設計者會將它隱藏在艇身的曲面中而不容易看出來。
澳洲柯林斯級採用的Scylla聲納套件是法國根據TSM2233為澳洲開發的特別版，其測距/攔截兩用聲納(綠框)也是採用PVDF材質，可以直接暴露在外而不需藏在艇殼內。艇艏另有一具攔截聲納(紫框)。
而093B型水線下的長條物可以確定是側視陣列聲納（與039B元級相似），水線上方的兩段較短的長條物則可能是測距聲納，其長度比其他國家的測距聲納長，可能是為了偵測較低頻的聲音，也就有更遠的測距範圍。另一個可能是：093B的前後兩條線型陣列由於長度夠長，可以波束塑形方式分辨音源的角度，則其測距方式可能就不是單純的「波前圓弧測距法」，而可能真的用「三角測距法」來測量目標距離了
事實上，測距聲納加大是趨勢，但如果加到跟側視聲納一樣大，那就乾脆將兩者合而為一。英國特拉法加級與美國的洛杉磯級核子攻擊潛艇開始採用稱為「廣孔徑陣列」(WAA)的大面積適形聲納，除了將接收孔徑與面積放到最大外，藉由前後多片聲納的交叉比對就可測量目標距離，這使其可以同時追蹤多個目標，並對多枚長程魚雷進行射控解算。
英國的機敏級(上)與美國維吉尼亞級(下)的側面都有多片大面積聲納陣列，成為其維持「聲學優勢」的武器之一。
英美長年以大量金錢投入聲納發展的原因是維持所謂的「聲學優勢」：將聲納(尤其是被動聲納)的偵測距離拉到最大，己方的噪音則降到最低，也就是「我聽得到你，但你聽不到我」。經典例子就是冷戰時期的美國潛艇曾在蘇聯外海觀察反潛艦與潛艇進行演習，水面艦周旋許久還是找不到潛艇，最後潛艇不得已只好發出訊號協助戰艦發現自己，整個過程都被美國潛艇聽得一清二楚，蘇聯戰艦與潛艇卻都沒有發現美國潛艇在外圍觀察。而擁有面積最大的側視/測距聲納就是英美潛艇的優勢之一，也可看出僅有管狀測距與側視聲納093B潛艇，仍然無法在水下與英美爭鋒。
FLAK聊軍事
2018年6月10日
本文同步刊載於【北國防務】
近日，解放軍海軍訓練局推出一部名為「人民海軍 向你召喚」的招生宣傳片，以高考學子逐夢深藍為故事線，展現了海軍工程大學、大連艦艇學院、海軍潛艇學院、海軍航空大學、海軍軍醫大學等5所海軍院校的學校風貌與學習情況，並連帶展示了多種海軍研發中或服役中的武器裝備。其中，最引人目光的是海軍潛艇學院片段出現一艘潛艇模型，從指揮塔後方的小型龜背與尾翼頂端的拖曳陣列聲納施放口，可以確認是南海閱兵中首度公布的093B型核子攻擊潛艇。而模型上除了之前就從水線上看到的兩條側視陣列聲納外，也首次展現了水線下還要一條更長的側視陣列聲納。究竟側視陣列聲納對潛艇有何重要性，本文簡單介紹一番。
093B核潛艇的3次現身都可看到水線上前後縱列的側視陣列聲納(白色方框)，分別為(上)2018年的招生宣傳片、(中)2018年的南海閱兵與(下)2016年在人民海軍報刊登的正面照片
早期潛艇的主要聲納是安裝在艇首，因為艇首的「視野」最好，而且離引擎室與螺旋槳的噪音最遠。然而，美國在1950年代發展的「被動水下射控系統」（PUFFS）則將3-6具聲納接收器延軸線縱列，主要原因有二：
水下聲學研究發現船艦的極低頻噪音在100m左右的「淺海通道」或1000m左右的「深海通道」可傳遞上百，甚至上千公里遠，後者可以用放置在海床上的SOSUS固定聲納進行偵測，前者則可由潛艇的被動聲納進行偵測。
但被動聲納的缺點是只能測量方向，不能測定距離，傳統作法是利用敵我相對運動產生的方向變化來進行「目標移動分析」（TMA），但缺點是需要持續傾聽對方一段時間才能完成距離計算。如果能拉大聲納接收器的間隔，就能用「波前圓弧測距法」(註)直接計算出概略的距離。
註：「波前圓弧測距法」可以說是三角測距法的一種變形。三角測距法是從兩個點量測目標的角度，搭配已知的基線長度換算出目標距離。但測距聲納是用三具以上的聽音器，兩兩比對其聽到聲音的時間差，在假設聲波的波前是大圓形的情況下，計算出圓心的距離。不過，當目標距離大到一個程度時，波前就會近似直線，因此這個方法仍只適用於距離較近的目標，不像TMA的基線可以拉長到艇身的數倍以上，測定遠方目標的距離。
美國發展PUFFS的目的是要進行Mk-45魚雷的射控，由於該魚雷沒有導引裝置，直接以電力游到8-13km外引爆1.1萬噸的核彈頭，而PUFFS在13km外可達到5%的測距誤差，以足夠設定Mk-45的引爆時間。不過，隨著潛艇設計的淚滴化，安裝在艇殼上方的PUFFS接收器無法繼續維持一直線，於是測距聲納改裝在潛艇兩側。例如法國的DUUX-5型聲納就被歐洲多種潛艇所選用，其除了被動測距外，也兼具「攔截聲納」功能，可定位敵軍潛艇或戰艦發射的主動聲納。
美國的PUFFS聲納安裝在早期多種柴電與核子潛艇上，上圖為SS576鏢魚號；荷蘭海象級將4具DUUX-5型聲納裝在水線兩側（下），台灣的劍龍級也是相同配置
由於聲音頻率越低，被海水吸收得越慢，因此低於1kHz的極低頻聲音經過淺海通道、海面反射或海底反射都有較低的損失，使被動聲納成為潛艇距離最長的偵測器。然而，頻率越低則波長越大，接收器也需要更長的「孔徑」才能維持足夠的測向精度。將極低頻聲納作成拖曳陣列型式，使其長度不受艇身限制自然是最好的方法。但拖曳陣列聲納施放的環境與時機有其限制，因此沿艇側安裝的側視陣列聲納仍有「隨時可用」的優點。德國在212型潛艇安裝的CSU-90射控系統就包含了側視陣列聲納，它與拖曳陣列聲納都連接到「低頻分析與記錄」(LOFAR)用的窄頻分析器，後來也用於新造的209型潛艇，或是「舊瓶裝新酒」的改良案。
德國售予以色列的海豚級(上)裝有FAS-3側視聲納，這是CSU-90水下射控系統的一部份；中國的039B元級潛艇(中)也在艇身下方裝有類似的長條型側視聲納；印度獲法國授權生產的蠍級潛艇則裝有TSM2233聲納套件，其側視聲納以PVDF壓電聚合物取代傳統的陶瓷，有更高的靈敏度，較大的寬度則具有垂直調整波束能力，可避免噪音干擾或用來對準海水匯集聲音的方向
綜合以上所談，測距聲納（通常兼具攔截功能）與側視聲納的差別在於前者是多個小型聲納以相當長的間隔分別安裝，後者則是連成一體的長條狀或長方形。潛艇可以只裝其中一種，或者兩種都裝，端看製造商的科技能力、艇身大小與客戶願意採購的金額。不過，測距聲納由於每具接收器的面積較小，有的潛艇設計者會將它隱藏在艇身的曲面中而不容易看出來。
澳洲柯林斯級採用的Scylla聲納套件是法國根據TSM2233為澳洲開發的特別版，其測距/攔截兩用聲納(綠框)也是採用PVDF材質，可以直接暴露在外而不需藏在艇殼內。艇艏另有一具攔截聲納(紫框)。
而093B型水線下的長條物可以確定是側視陣列聲納（與039B元級相似），水線上方的兩段較短的長條物則可能是測距聲納，其長度比其他國家的測距聲納長，可能是為了偵測較低頻的聲音，也就有更遠的測距範圍。另一個可能是：093B的前後兩條線型陣列由於長度夠長，可以波束塑形方式分辨音源的角度，則其測距方式可能就不是單純的「波前圓弧測距法」，而可能真的用「三角測距法」來測量目標距離了
事實上，測距聲納加大是趨勢，但如果加到跟側視聲納一樣大，那就乾脆將兩者合而為一。英國特拉法加級與美國的洛杉磯級核子攻擊潛艇開始採用稱為「廣孔徑陣列」(WAA)的大面積適形聲納，除了將接收孔徑與面積放到最大外，藉由前後多片聲納的交叉比對就可測量目標距離，這使其可以同時追蹤多個目標，並對多枚長程魚雷進行射控解算。
英國的機敏級(上)與美國維吉尼亞級(下)的側面都有多片大面積聲納陣列，成為其維持「聲學優勢」的武器之一。
英美長年以大量金錢投入聲納發展的原因是維持所謂的「聲學優勢」：將聲納(尤其是被動聲納)的偵測距離拉到最大，己方的噪音則降到最低，也就是「我聽得到你，但你聽不到我」。經典例子就是冷戰時期的美國潛艇曾在蘇聯外海觀察反潛艦與潛艇進行演習，水面艦周旋許久還是找不到潛艇，最後潛艇不得已只好發出訊號協助戰艦發現自己，整個過程都被美國潛艇聽得一清二楚，蘇聯戰艦與潛艇卻都沒有發現美國潛艇在外圍觀察。而擁有面積最大的側視/測距聲納就是英美潛艇的優勢之一，也可看出僅有管狀測距與側視聲納093B潛艇，仍然無法在水下與英美爭鋒。
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