在这个爱达荷湖深处,美国海军正在测试其潜艇技术

彭德奥雷湖深1158英尺,长期以来一直是军方研究潜水器设计的淡水研究地点。
8月份,潜艇模型“派克”号出现在拖船前方。埃德文·赫尔南德斯

8月份,“派克”号,一艘微型潜艇模型,在爱达荷州的彭德奥雷湖浮出水面。“派克”号模型大约是正在开发中的哥伦比亚级弹道导弹核潜艇(这是一个仍在开发中的级别)的五分之一大小,它在该湖中的工作是声学研究部门(ARD)进行的公开测试的一部分,该部门是海军水面作战中心卡德罗克分部的一部分。“派克”号的重新浮出水面以及在该湖进行的其他测试是定期进行的。声学研究可以追溯到20世纪60年代,它为海军开发和设计潜艇提供了信息,提高了潜艇在海中隐蔽的能力。

为了进行测试,“派克”号被带到该部门的中间尺度测量系统阵列,这是一个由158个水声听筒和36个水下发射器组成的阵列。“这个阵列的目的是评估目标强度和结构声学,”ARD主任赛斯·兰布雷希特说。(目标强度是用于确定水下物体在声纳上的面积的指标)。 

为了让“派克”号代表哥伦比亚级潜艇,研究人员为模型添加了哥伦比亚级特有的船尾。“哥伦比亚”级是一种核动力弹道导弹核潜艇,旨在取代自1981年以来一直承担相同任务的备受尊敬的“俄亥俄”级。这些潜艇主要设计用于携带,并在需要时发射核弹头“三叉戟”导弹,作为美国核力量的一部分。(有四艘“俄亥俄”级潜艇被改装,改为发射常规“战斧”巡航导弹)。

与飞机投下的炸弹或导弹,或者发射井发射的洲际弹道导弹不同,核动力潜艇的威力取决于其隐蔽能力。而这正是声学发挥作用的地方。在水下,光线有限,但潜艇几十年来一直在使用声纳,一种水下回声定位技术进行捕猎和躲避。海军已经在彭德奥雷湖测试了过去20年开发的新型声纳系统,但不愿意透露具体测试或开发了哪些系统。

“我们始于20世纪60年代,所以我们真正产生影响的第一批潜艇是‘斯特吉恩’级,当时ARD才刚刚起步,所以我们并没有真正影响它们的设计,只是对它们进行了改进,”兰布雷希特说。“斯特吉恩”级是一种攻击型潜艇,设计用于寻找其他潜艇,特别是那些装备弹道导弹的潜艇。 

“我们真正参与设计的第一批潜艇是‘洛杉矶’级,”他补充道。“从那时起,我们一直参与到每一级潜艇的设计中,基本上为它们的全尺寸设计提供信息。所以‘洛杉矶’级、‘海狼’级、‘俄亥俄’级、‘弗吉尼亚’级,以及现在的‘哥伦比亚’级。所有这些潜艇的设计都因我们的贡献而取得了巨大的进步。”

“派克”号,一只脱离水的鱼在爱达荷州。埃德文·赫尔南德斯

服役中的潜艇将在海洋的咸水中度过一生,但彭德奥雷湖研究的部件是在淡水湖的条件下进行测试的,这与它们服役时将遇到的情况不同。幸运的是,这是一个很容易解决的问题。

“主要区别在于淡水和咸水中的声速。因为海水密度更大,所以会改变声速,在淡水中声速不同,这是一个很容易处理的变量,”兰布雷希特说。“从功能上看,淡水非常适合工作。它没有咸水的腐蚀性元素。”

彭德奥雷湖长43英里,深1158英尺,是美国第五深的湖泊。这使其成为测试潜艇推进系统,特别是舵、螺旋桨和电机的理想场所。为了确保这些运动部件尽可能安静,它们被安装在“Cutthroat”号上,即海军声称的“世界上最大的无人潜艇”。“Cutthroat”号停留在湖中,是一艘三分之一比例的“弗吉尼亚”级潜艇,该级别用于在水下搜寻其他潜艇。它非常庞大:“Cutthroat”号重200吨,长111英尺,配备一台3000马力的电动机。

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“这是一艘全自动潜艇模型,”兰布雷希特说。“‘Cutthroat’号模型的主要目的是增强潜艇推进器的开发。你可以为它配备任何类型的原型潜艇推进器,然后让它在水下阵列中来回行驶,执行任何类型的机动;滚转、下潜、上升,任何你在全尺寸潜艇上可能做的机动,你都可以在[大型水面舰艇]模型上完成。然后你就能看到潜艇推进器的性能如何影响声学特征。”

虽然海军潜艇由核反应堆提供动力,并配有柴油备用,但“Cutthroat”号上的电动机在湖中更实用,并且避免了柴油机的噪音,从而使研究能够专注于螺旋桨和电机产生的声学特征。

在彭德奥雷湖进行的测试并不新鲜或秘密,尽管随着数据收集和传输的现代进步,它已经有了很大的改进。“派克”号和“Cutthroat”号只是ARD收集潜艇部件数据的一部分,但正是传感器安装以及现代升级,才使得将水下模型的运动转化为有用的设计数据成为可能。

“在我20世纪90年代工作之前,一切都记录在磁带上,这是一个极其繁琐的过程,”兰布雷希特说。“如今,凭借我们拥有的计算能力,我们可以同时以相当高的频率记录大约3000个传感器,每分钟可以收集数十亿字节的数据。”

 

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Kelsey D. Atherton

科技领域特约撰稿人

Kelsey D. Atherton 是一名军事技术记者,自 2013 年起为《大众科学》供稿。他报道无人机器人和其他无人机、通信系统、核企业以及用于规划、发动和缓解战争的技术。


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