作者简介: 李楠(1988 – )，男，博士，工程师，主要从事舰船情报研究: 与金属和橡胶声呐罩相比，复合材料声呐罩能提供更优化的结构和声学性能，实现减重、耐腐蚀、大幅降造和维护成本，在国外海军舰船上得到了广泛使用。本文梳理了国外海军舰船声呐罩的材料类型，重点研究了复合材料声呐罩的研制历程、应用现状等情况，最后对复合材料声呐罩的发展趋势进行了分析和展望。The application and development of composite sonar domes on foreign naval warships1. The 714 Research Institute of CSIC, Beijing 100012, China;

　　声呐罩，全称声呐导流罩，位于舰船首部、龙骨或舰体，主要用于安放探测、导航和测距声呐。水面舰或潜艇航行时，声呐罩能够降低船体、机械振动与声呐的耦合，减少因腐蚀、海生物附着产生的水流噪声，阻止水流直接冲击声呐传感器，从而降低水流对声呐性能的影响并减小舰船的流体阻力[1]。

　　通常，航母、巡洋舰和驱逐舰的声呐罩较大，位于舰首，如图 1所示；护卫舰的声呐罩稍小，可安装在龙骨，如图 2所示[2]；潜艇声呐罩位于艇首、围壳前部、舷侧等部位；军事海运司令部（MSC）的辅助舰船，如 T-AGS 级海洋调查船，在船体可安装多个不同类型小型声呐的配套声呐罩。安装于水面舰船首部的声呐罩可同时被设计成具备减小兴波阻力的部件，因其形状多为球状，又被广泛称为球鼻首[3]。

　　常用的声呐罩材料主要有三类，即橡胶、玻璃纤维增强复合材料（玻璃钢），以及钢、钛合金等金属[4]。以美国海军为例，其水面舰船声呐罩通常由柔性钢丝线增强橡胶复合材料或玻璃钢制成，潜艇的声呐罩通常由钢或覆盖有 0.5 in橡胶保护罩内壁的玻璃钢制成，T-AGS 级海洋调查船等辅助舰船的声呐罩全为玻璃钢材质[5]。

　　几种典型声呐的应用平台及其声呐罩所用材料如表 1所示[6]。从图中可以看出，美国海军舰船声呐罩材料多为玻璃钢等复合材料。复合材料声呐罩能够提供比金属质和橡胶声呐罩更优异的声学性能，实现减重、耐腐蚀、复杂结构成型，并大幅降造和维护成本，在国外海军舰船上得到了广泛使用。

　　此外，声呐罩内部材料包括牺牲阳极、涂料和内表面材料等，外部材料包括外表面材料、涂层或者涂料。特别的是，钢质声呐罩用于阳极保护的锌通常固定于外部。其他常用材料如表 2所示。

　　不同时期声呐罩所用材料及其部位略有不同，以三丁基锡防海生物剂为例：1985 年前，所有的声呐罩内外部均含有三丁基锡，其渗透分布在声呐罩内外部约 0.25 in的表层，以防止海生物的生长。1985 年后，三丁基锡则仅用于外表面，1990 年后建造的舰船全部采用此形式，并逐步替换原有声呐罩。潜艇声呐罩则不含三丁基锡，仅在外部橡胶层表面喷涂铜基隐身涂料。

　　根据美国海军与承包商之间的合同授予情况分析，目前其舰船用复合材料声呐罩主要有透声窗和声呐罩 2 种类型。

　　美国海军复合材料声呐透声窗通常与钢质导流罩框架结合成一体，主要应用部位包括“斯普鲁恩斯”级驱逐舰、“阿利•伯克”级驱逐舰和“提康德罗加”级巡洋舰舰首声呐，“洛杉矶”级、“弗吉利亚”级等潜艇围壳声呐（Sail Array）[7]。

　　1963 年，美国海军资助古德里奇公司（Goodrich）开始研制耐压橡胶声呐罩。古德里奇公司利用柔性钢丝增强 RHO-C 橡胶复合材料作为透声窗，嵌入到金属声呐罩结构中，保持声呐罩内部压力高于外部水压，取得了良好的降低透声损失的效果。1965–1966 年在 DL-4 驱逐舰上 SQS-26 舰首声呐试验的结果表明，12 kn航速下该舰声呐平台自噪声降低了 6 dB，20 kn时减低 3 dB，降噪量随着速度的增加而缓慢下降。1968 年前后，古德里奇公司将线增强橡胶复合材料声呐透声窗（SDRW）安装到“斯普鲁恩斯”级驱逐舰，并随后应用到“阿利•伯克”级等驱逐舰和巡洋舰中[8]。

　　由于降低声呐透声窗的制造、维护成本的需要，美国海军于 1993 年开始了用三明治结构复合材料替代原有线增强橡胶复合材料制造声呐透声窗和声呐罩的研究工作。1994–2000 年，古德里奇公司耗资 2 100 万美元，与 GEO-CENTERS 公司、海军研究实验室、海上系统司令部和其他承包商联合，研究开发出了采用工程高分子材料增强的 RHO-COR 复合材料系统。该材料系统能够通过特殊的材料选择和结构设计实现所需的声学性能，特别适用于各种环境下的中高频声呐。

　　1997 年起，美国海军开始在采用 RHO-COR 复合材料声呐透声窗替换原有的线增强橡胶复合材料透声窗，如图 5所示[9]。2015 年 4 月 6 日，UTC 航天航空系统公司与美国海军水下战斗中心签订了新一轮5年不定量合同，继续为潜艇提供高频围壳声呐透声窗。2003–2015 年，该公司累计为美国海军提供了 67 套潜艇声呐透声窗。目前，美国海军驱逐舰、巡洋舰、潜艇广泛使用古德里奇公司生产的 RHO-COR 复合材料声呐透声窗，用于舰首和围壳等声呐。

　　复合材料声呐罩是一个完整的罩体，与船体直接相连，提供声呐安放空间，主要应用在中小型护卫舰龙骨声呐和潜艇艇首声呐，如“佩里”级护卫舰，“鲟鱼”级潜艇、“洛杉矶”级等潜艇[10]。

　　1954 年，美国海军实现了玻璃钢声呐罩的制备，并在潜艇上安装了 54 套进行试验。除一个声呐罩因为结构原因失效外，其他都取得了很好的效果。随后在“青花鱼”号潜艇上安装了更大尺寸并且无加强筋的声呐罩，服役效果也很好。基于在“鹦鹉螺”号核动力潜艇上安装的塑料加强筋增强复合材料声呐罩的失败，美国海军开发了钢丝增强复合材料声呐罩，并在北极航行中试验成功。随后推广应用到其他潜艇。

　　20世纪60年代后期，在“鲟鱼”级潜艇上安装的复合材料声呐罩为美军提供了比传统声呐罩更宽的反潜探测视野角度，很好地应对了敌方潜艇威胁。此后，美军开展了复合材料声呐罩结构和声学性能优化，以满足工程使用要求。同时，古德里奇公司将线增强橡胶复合材料声呐罩用作“佩里”级反潜护卫舰的龙骨声呐罩，并随后在“洛杉矶”级等潜艇上应用，如图6所示。

　　古德里奇公司设计并制造的具有流线外形的“洛杉矶”级潜艇复合声呐罩长约 7.5 m，重约 12 t，与艇体连接的开口处直径约 8 m，如图 7所示[11]。该导流罩上还粘贴了一层约 50.8 mm厚的橡胶防护罩，以增强声呐罩的声学特性。橡胶材料具有低的声波吸收和反射特性，因而能有效地提高潜艇的探测性能。

　　1997 年，古德里奇公司开发出了 RHO-COR 复合材料系统，在“佩里”级护卫舰上逐步采用 RHO-COR 复合材料声呐罩替换原有线增强橡胶复合材料声呐罩。同时，该公司攻克了潜艇复合材料声呐罩的工艺设计、检验、加工设计和制造等难题，于 2001 年起为“弗吉尼亚”级潜艇提供 RHO-COR 复合材料声呐罩（SCD）。

　　此外，由于“朱姆沃尔特”级驱逐舰的独特船型，其声呐罩与“阿利•伯克”级驱逐舰的声呐透声窗不同，采用复合材料制成完整的声呐罩。该项目于 2009 年招标，最终由英国托德宇航防务（Tods）公司获得前 2 艘舰声呐罩的制造合同。这也是美国海军首次从英国公司采购复合材料声呐罩。

　　除美国海军“朱姆沃尔特”级驱逐舰舰首声呐罩外，英国托德宇航防务（Tods）公司声呐罩和声呐透声窗还在 20 多个国家海军舰艇上得到应用，如英国 45 型驱逐舰和“机敏”级潜艇、西班牙海军 S80 潜艇和“巴赞”级护卫舰、澳大利亚海军“霍巴特”级驱逐舰、挪威“南森”级巡防舰等[12–14]。该公司声呐罩采用碳纤维/环氧基预浸料通过树脂注入工艺制造，每个声呐导流罩由三部分组装而成，具有声学性能可调的特点[15]。

　　荷兰等其他国家海军采用荷兰复合材料公司（Holland Composite）生产的复合材料声呐罩，如“科腾呐尔”级护卫舰。该公司用于反潜水面舰龙骨声呐的声呐罩厚度为 2～8 cm，采用 E-玻璃纤维增强乙烯基酯/环氧树脂复合材料，如图 9所示；用于潜艇声呐的声呐透声窗采用玻璃钢或碳纤维增强复合材料。采用该公司拥有的专利技术，能够一次成型大尺寸和复杂结构声呐罩，避免二次处理，具备使用时间更持久、强度更大的特点。

　　2016 年印度防务展上，国防部长马诺哈尔•巴里卡展示了印度首个国产舰首复合材料声呐罩，采用真空辅助树脂传递模塑工艺制造，有望在其反潜舰上应用[16–17]。在此之前，印度海军多艘舰艇已采用复合材料声呐罩。

　　复合材料在海军舰船上的应用范围越来越广。作为重要部件的声呐罩或透声窗采用复合材料制造，取得了良好的效果。国外海军已广泛在水面舰和潜艇中使用复合材料声呐罩或透声窗。

　　美国联合技术公司等海洋复合材料制品公司已开发出了成熟的复合材料系统和成型工艺，产品性能优异，甚至出口国外。与国外相比，国内技术成熟度和应用范围均存在不小差距，可在自主研发的基础上，引进吸收国外先进技术，加强实践应用经验总结，从而快速实现应用和性能提升。