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隐身潜艇发展新视野
作者：李端俊
来源：《发明与创新(学生版)》2010年第09期
海洋占了地球面积的70％以上，这为潜艇作战、生存提供了极为有利的自然环境。二战中，潜艇击沉的舰船数量居各种作战舰艇之首。
目前，潜艇的“天敌”只有声呐。科学家一旦帮助潜艇摆脱了这一弱点，航空母舰不仅变得像小炮艇一样无法对潜艇构成威胁，还将像缺乏防御的货轮一样，在潜艇面前岌岌可危! 潜艇无论用于威慑海面目标，还是作为打击力量，都发挥了巨大的军事作用。因此，世界各主要海军国家都把研发潜艇技术放在十分重要的位置。
吸声涂层降低噪音
潜艇隐身技术最早出现于二战时期，当时潜艇要经常浮出水面通气，而这时出现的雷达成为其克星。作为武器家族的一把利剑，潜艇需要尽可能地做到“悄无声息”。于是，以德国为首的拥有潜艇的国家纷纷寻找减小潜艇被发现的概率及提高隐蔽性的方法，从此拉开了潜艇隐身技术发展的序幕：
声波是在海洋中唯一能够远距离传播的能量辐射形式，即使一颗装药量不到2千克的炸弹在海洋中爆炸，距爆炸中心180千米外仍能接收到爆炸产生的声波信号。所以反潜侦查中，对潜航的潜艇，探测声场变化是最主要的方式。显然，降低噪声是潜艇隐身最重要的环节。据测算，噪声每降低20分贝，可使己方被动声呐探测距离增加1倍，敌方被动呐探测距离降低50％，并能缩小敌方水中兵器的作战半径，降低其命中精度，同时可使本艇的声模拟干扰装置作战效果提高15倍左右。
潜艇加装吸声涂层后，最高可使敌方声呐的探测能力降低75％，同时，由于吸收了部分本艇自身的噪声，使本艇声呐基阵区相对安静，提高了本艇声呐探测能力。
吸声层的材料大多是在橡胶基体中加入某些金属微粒，声波入射中使金属粒子运动产生热量，从而消耗声波能量。吸声层有涂料、蒙皮、瓦块等类型，厚度50～150毫米不等。美国海军发明了一种超级隐形层，其具有鱼鳞特性，既可吸收敌方主动声呐波，消除某些频率的声呐脉冲，又能对本艇发出的噪音起隔声作用。
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早在二战期间，德国就进行过4毫米厚的合成橡胶吸声层试验。俄罗斯作为战果首先获得并发展了这一技术，目前，俄罗斯在这一领域仍然保持技术领先地位，其大量潜艇都装置了消声瓦。
俄潜艇的吸声层可使美国的MK46鱼雷主动声呐探测距离缩短50％，对减少主动呐探测距离有很好的效果。
埋声隐形将成现实
潜艇是一种靠海水隐蔽的水下舰艇。在声呐性能不断提高的今天，潜艇自身保护的关键不是隐形而是隐声，让声呐彻底失效。那些在核威慑领域扮演着重要角色的潜艇，它们的行踪已经够诡秘的了，难道还能变得完全隐形吗?这等于宣告潜艇已经跻身终极武器之列!的确，一旦丧失声呐，航空母舰和快速护卫舰将变得又聋又瞎，无法对舰艇构成威胁，不仅不能追踪潜艇，就连自己也将“泥菩萨过河”了。
目前，数个研究小组正在着力研制一种能够躲过物理声波探测的“声学斗篷”，它将使任何包裹其中的物体(如潜艇)在声呐探测中变得完全透明。就像。把哈利·波特的隐形披风移到了声学领域，声波会绕过潜艇继续前行，潜艇仿佛不存在似的。
消声技术的革命已经超出了单纯的军备竞赛甚或声学研究的范畴。众所周知，根据爱因斯坦相对论，时空在巨大的质量周围会发生扭曲，如在黑洞附近。在这种情况下，始终寻求最短路径的光波就会沿着新的曲线传播，于是发生偏斜。那么，能否发明一种材料，类似黑洞，但又不致重达几十亿吨，使光的路径发生扭曲，从而使其覆盖的物体得以消失不见呢? 研究人员认为没问题，在满足一些具体条件的前提下，消声斗篷在理论上是可行的。 美国大学和法国雷恩大学以及英国剑桥大学的研究人员针对机械波(声波、地震波、水波)展开了研究。然而第一轮研究结果并不尽如人意。研究发现，基于电磁波的研究无法直接套用于所有机械波。说白了，要设计出一件能够同时有效规避水波、声波和地震波的材料，是不可能的。不过，研究者们已经隐约预感到一种将各种波区别对待的解决方案。
美国伊利诺斯大学香槟分校的研究小组，率先闯入了这扇半开半掩的科学之门。声纳属于机械波，因此消声斗篷的成败将取决于材料的两项机械特性：其密度和压缩度。当材料的密度越高、压缩度越低，声波在该材料内部的传播速度也就越快。声波之所以在水里比在空气里传播得更好，就是因为前者密度较大和压缩度较低。
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香槟分校的研究小组通过计算获知，消声斗篷若要正常运作，以上两个物理量必须各方异性才行，即根据观察方向而有所变化，这在原则上是可以办到的。但还有一项条件似乎难以满足：斗篷内壁的密度必须趋近无限大。遗憾的是，这些性质是任何天然材料都不具备的。 难道就无计可施了?纵然无限密度难以企及，但研究小组却认为，尽量逼近这些所需的物理性质还是有可能的。
他们的解决方案是超级材料，即一种经过精心研制、构造异常复杂、整体声学必质可探的人造材料。这种材料将由密度极高的球形金属和塑料微粒层层相叠构成。但相邻微粒之间，密度和压缩度各不相同，以使材料能在不同尺度上拥有相异的特性。
在微观层面上，使声波在斗篷内部得到很好的传播。声波将作用于斗篷的内部结构，使微粒产生共振。而声波本身与微粒反馈的共振波相叠，从而在宏观层面“滑过”材料表面。 目前解决方案是，要使微粒产生共振，它们的直径和排列间距至少要低于希望躲避的机械波波长的1/5。要在声呐的法眼之下藏匿一个物体，斗篷的“网眼”大小需要达到厘米或毫米级，在目前情况下。这还是比较容易完成的。不过，一个好消息是。达到消声目的还有另外一种解决方案!
隐声潜艇锐不可挡
随着研究深入，美国伊利诺斯大学香槟分校的研究小组发现，在他们的模型中，为斗篷赋予声学特性的不是超级材料中的共振微粒，而是其结构周期性。但最后结果是一样的：声波将从斗篷周围绕行。
他们研制的物件是一个直径约数厘米的金属饼状物，浸没在实验室的特殊流体中(该流体与水相比，密度较高而黏稿度较低)。该物体能够躲过高频声波探测。当然，这些条件离真正的海洋环境及声纳所使用的波长还有不小差距，但起步中的研究已经引起美国军事总装备部的兴趣。
自然，实验室中的完美表现还有待转化为实际的装备，这一步还远未成功。不论是以超级材料还是以普通金属制成的消声斗篷，它们只在某种特定且匀质的流体中有效。可海洋完全是另一番天地，而且面对声呐跨度极广的频率发射范围，避开一小部分声波根本无济于事。 目前，研究人员也对其理论预言的实际操作性持谨慎态度。那么，消声斗篷究竟将在何时诞生呢?5年、10年，甚至30年后，现在还不好说。不过，全球已经有很多人投入到超级材料的研究中，无疑为该领域研究的迅速发展带来了希望。